浅论换热器及其发展趋势
摘要:换热器是工业部门广泛使用的一种设备。为了适应所需，换热器的类型多而复杂，本文根据作用原理和传热方式主要分为直接接触式换热器、蓄热式换热器、间壁式换热器和中间载热体式换热器进行了简要介绍。间壁式换热器仍是应用最广泛的一类换热器，因此以其一列管式换热器为例概括了换热管的现状和相应的换热器的发展进展。
关键词：换热器；换热管；现状；发展
一、换热器介绍
换热器是一种使热量从热流体传递到冷流体的设备，它在许多工业部门被广泛使用，包括化工、炼油、动力、食品、轻工、原子能、制药、机械等等。其主要功能有两点，一是使流体温度达到工艺流程规定的指标，以满足工艺流程上的需要；二是有效的回收利用预热、废热，特别是低位热能。在化工生产中换热器可作为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等，应用相当广泛，自然的，其类型也相当多，若按照作用原理和传热方式则分为直接接触式换热器、蓄热式换热器、间壁式换热器和中间载热体式换热器。
1.1 直接接触式换热器
直接接触式换热器又称混合式换热器，是依靠冷、热流体直接接触而进行传热的，这种传热方式避免了传热间壁及其两侧的污垢热阻，只要流体间的接触情况良好，就有较大的传热速率。故凡允许流体相互混合的场合，都可以采用混合式热交换器，例如气体的洗涤与冷却、循环水的冷却、汽-水之间的混合加热、蒸汽的冷凝等等，具体应用有冷却塔、气压冷凝器、气体洗涤器等。
采用这种换热器，热量能有效地从一种流体传递到另一种流体，即传热效率高，单位传热面上能传递的热量多；其结构能适应所规定的工艺操作，运转安全可靠，密封性
好，清洗、检修方便，流体阻力小。同时价
格便宜，维护容易，可使用时间长。但明显的缺点就是应用范围小，仅适用于工艺上允许两种流体混合的场合。
1.2蓄热式换热器
图1-1直接接触式换热器 热式换热器与回热式换热器相对应，是一种应用历蓄史比较久远的换热装置，回热式换热器中两种流体的换热是通过各个位置的固定边界进行的，在稳定运行时换热器的内的温度只与位置有关，而在蓄热式换热器热量的传递都是动态
［］的，同时依赖于位置和时间。1在蓄热式换热器中，冷、热流体交替地流过同一固体传热面及其所形成的通道，依靠构成传热面的物体的热容作用（吸热或放热），实现冷、热流体之问的热交换。蓄热式换热器有受热面回转式和风罩回转式两种：前者是由转子转动使烟气和空气交替冲刷蓄热元件；后者是由风罩转 使烟气和空气交替冲刷蓄热元件。该换热器适用于流量大的气一气热交换场合，如动力、硅酸盐及石油化工等工业 中的余热利用和废热回［］收等方面。2
蓄热式换热器的优点也很明显，首先是结构紧凑，其次它是由由固体填充物构成的蓄热体作为传热面的，交替地通过同一通道利用蓄热体来吸热和放热，其单位面积传热面大，适用于气-气热交换，如回转式空气预热器。但局限在于不允许两种流体混合。
图1-3 燃烧室
图1-2 蓄热式换热器
1.3 间壁式换热器
间壁式换热器又称为表面式换热器，利用间壁（固体壁面）进行热交换。是应用最广泛的一类换热器，形式也多种多样，如板式换热器、板翅式换热器、列管换热器三类。相比而言，板式换热器具有换热效率高、热损失小、结构紧凑轻巧、占地面积小、安装清洗方便，使用寿命长等特点；板翅式换热器制造工艺要求更为严格，且容易堵塞，不耐腐蚀，清洗检修困难，但其传热性能特别好；列管式换热器又称管壳式换热器，是工业上应用最广泛的换热设备，又分为固定管板式换热器、U形管式换热器、浮头式换热器。管壳 式换热器由一个壳体 和包 含许多 管子的管束所构成，冷、热流体之间通过管壁进行换热的换热器。它适应于冷却、冷凝、加热、蒸发和废热回收等各个方面。通常管壳式换热器的工作压力可达 4兆帕，工作作温度在 200 ℃ 以下。在个别情况下还可达到更高的压力和温度。一般壳体直径在1800 ram 以下，管子长度在9m以下，在个别情况下也有更大或更长的。其优于其他两种的特点是结构坚固、可选用的结构材料范围广，故适应性强、操作弹性较大。因此，在高温、高压和大型装置上多采用列管式换热器。
图1-4 管壳式换热器
间壁式换热器应用广泛，工作坏境多变 且较为恶劣，例如部分间壁式换热器操作压强高达2*105Kpa ，温度-250到1500 ℃的范围内变化，某些流体的腐蚀性又特别严重等。每种类型的换热器都有优缺点，选择换热器类型时，要考虑的因素很多，例如材料，压强，温度，温度差，压强降，结垢腐蚀情况，流动状态，传热效果，检修和操作等。对同一种换热器而言，某种情况下使用是好的，而在另外的情况下却不能够令人满意，甚至根本不能用。因此在实际应用中，工作人员需对各种间壁式换热器的优缺点和操作方式了然于胸，最大发［3］挥其优势。
1.4 中间载热体式换热器
中间载热体式换热器是将两个间壁式换热器由在其中循环的载热体连接，载热体在高温流体换热器和低温流体换热器间循环，从高温流体换热器中吸收热量，向低温流体换热器中释放热量给低温流体。
图1-5
热管换热器
二、换热器的发展
换热器在国民经济和化工生产领域中对产品质量、能量利用率以及系统经济性、可靠性起着举足轻重的作用。近年来， 能源与材料费用的不断增长极大地推动了对高效节能换： 热器的研究，作为一种节能设备，换热器不仅是保证加工过程正常运转不可缺少的设备，而且就金属消耗、动力消耗和投资来说，其在整个工程中所占有比例很大。据统计，换热器的投资约占全部设备投资的40%。因此开发新型高效和结构紧凑的换热器是目前换热器研究的一个重要方向。其内部强化传热主要有两种途径：增大传热面积，但换热器的传热面积不可能无限制地增大，否则投资费用会大大增加，并且随着工业化的进展，设备要紧凑化：提高传热系数，主要从管程和壳程传热强化系数的提高方面上考虑。
2.1 常见换热管的研究现状
2.1.1 螺旋槽管
螺旋槽管是种管壁上具有外凸和内凸的异形管，管壁上的螺旋槽能在有相变和无相变的传热中明显提高管内外的传热系数， 起到双边强化的作用。根据在光管表面加螺旋槽的类型，螺旋槽管有单头和多头之分，其主要结构参数有槽深e、槽距p和槽旋角β。，研究还表明单头螺旋槽管比多头螺旋槽管的性能好。目前，无论足从传热、流阻、结垢性能，还是从无相变对流换热和有相变凝结换热，对螺旋槽管的强化传热研究从理论到实际已达到较高水平。
2.1.2 横纹管
横纹管是一种普通圆管作毛胚，在管外壁经简单滚轧出与轴线垂直的凹槽，同时在管内形成一圈突起的环肋。其强化机理为：当管内流体经横向环肋时，管壁附近形成轴向漩涡，增加了边界层的扰动，有利于热量通过边界层的传递。当涡流即将消失时，流体又流经下一个横肋，不断产生轴向涡流，因而保持连续且稳定的强化作用。 2.1.3 管内插入物
管内插入物的类型有很多，主要有：麻花铁、螺旋线圈、螺旋带、螺旋片、扭带和静态混合器等。各种插入物的强化传热机理一般可分为四种：形成旋转流；破坏边界层；中心流体与管壁流体产牛置换作用；产生二次流 。管内插入物的优点是对旧的换热器设备进行改造，以提高其换热性能。在强化传热的同时，能达到清除污垢的目的。 2.1.4 内翅片管
内翅片管是采用特殊的焊接工艺和设备加工而成，流体在管内的换热过程为单相强制对流换热 。其丰要特点是通过在传热管管内扩大传热面积、强化管内传热的途径来提高换热器的传热性能。八十年代初，日立电缆有限公司研究表明，采用左右错式的螺旋内翅片管强
［4］化单相流体的传热可使管内给热系数提高到光管的2.8倍左右。 2.1.5 波纹管
波纹管是将光管加工成波纹形状的翘片，其强化传热机理是：通过改变断面使弧形段内壁处发生两次反向扰动，增加对管内流体的扰动，扩大低热阻区域，以提高传热系数，增强传热效果。具有不易结垢，单位容积传热面积大， 耐腐蚀性强，温差应力小等优点。 2.1.6 缩放管
缩放管是由依次交替的收缩段和扩张段组成的波形管道，其强化传热的机理是：在扩张段流体速度降低，静压增大；在收缩段流体速度增加，静压减小；流体在方向反复改变的轴向压力梯度下流动。扩张段产生的漩涡在收缩段被有效地利用，冲刷了流体边界层，便边界层减落实现了强化传热。
2.2 换热器发展及进展
长期以来，列管式换热器面临着各种新型换热器的挑战，且某些场合已被一些新型换热器所取代，但是由于它的高度可靠性和广泛的适应性，至今仍然居于统治地位。例如在日本其产量占全部换热器的70%，产值占60%。由于受到挑战，反过来也促进了它自身的发展。
［5］例如在高温、高压领域，已有用它取代蛇管、套骨式换热器的趋势。目前，对高效列管式换热器的研究主要集中在强化管程和壳程两方面，根据以上换热管研究现状针对管程有如下改进。
2.2.1 螺纹管换热器
螺纹管是一种优良的高效异形强化传热管件，其结构如图2-1所示，由光滑管在车床上轧制而成，分单头和多头，其强化机理是：产生的边界层分离流使传热边界破坏。目前从传热、流阻、阻垢性能、无相变对流换热、有相变凝结换热等方面对螺纹管的强化传热研究从理论到实际都达到了较高水平。
图2-1
螺纹管
2.2.2 横纹管换热器
横纹管主要用来强化管内单相流体的传热，在相同流速下，横纹管比单头螺旋槽管比较，流体阻力稍大但压降较小，传热性能好。我国华南理工大学、沈阳化工学院和辽宁冷热设备制造公司等单位对横纹管进行了研究和应用。如图2-2。
图2-2 横纹管
2.2.3 菱形翅片管换热器
菱形翅片管与螺纹管相比，翘片距更密，传热面积更大， 当流体流经菱形翅片表面时， 传热边界层在非连续翅片上因受到周期性破坏而减薄，从而提高了冷凝传热系数，是光滑管的6倍。
2.2.4 波纹管换热器
波纹管是近10年出现的强化换热管，其结构如图2-3所示，我国第一台波纹管换热器由沈阳市广厦热力设备公司于 20世纪90年代初研制成功。
图2-3 波纹管
2.2.5 缩放管换热器
其结构如图2-4所示。华南理工大学研究认为，缩放管可强化管内外单相流体的传热，
45在同等流阻损失下， Re=10-10 范围内，传热管比光管增加70%。缩放管换热器已在空气
［6］预热器、油冷却器、冷凝器、废热锅炉中广泛使用。
三、结论
图2-4
缩放管
换热器在近百年来在国民经济的很多领域起着越来越重要的作用，能源与材料费用的不断增长也极大地推动了对高效节能的换热器的研究。而今，换热器的类型已经很多，但缺陷却是大多数换热器所共有的，其内部强化传热途径也相似。对于未来的发展，需要包括以下几个方面：一是器械紧凑化；二是换热高效化——减少热量的散失；三是节能减排；四是理论系统化；五是技术模型化。
换热器有着极其广泛的应用，在发展上虽然有瓶颈但仍然有很大的需要。
参考文献
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