淺談國內(nèi)管殼式換熱器發(fā)展

胡津銘

【摘 要】換熱器是工業(yè)生產(chǎn)中最常用的設(shè)備，在不同工作條件下對(duì)換熱器性能要求不同，它是冷熱流體間傳遞熱量的設(shè)備。一般國內(nèi)換熱器最為常用的是管殼式換熱器，比如：浮頭式換熱器，固定管板式換熱器，U形管式換熱器等等。換熱器主要有管板、殼體、換熱管、折流板、拉桿、定距管、封頭等組成。由于換熱器結(jié)構(gòu)比其他壓力容器相對(duì)簡單，所以其運(yùn)用比較廣泛。換熱器在工、農(nóng)業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛，在日常生活中傳熱設(shè)備也隨處見，是不可缺少的工藝設(shè)備之一。隨著研究的深入，工業(yè)應(yīng)用取得了令人矚目的成果。本文就換熱器的換熱形式以及近幾年換熱器的發(fā)展進(jìn)行討論。

【關(guān)鍵詞】換熱器；壓力容器；流體；換熱形式

近年來，隨著現(xiàn)代工業(yè)的迅速發(fā)展，以能源為中心的環(huán)境、生態(tài)等問題日益加劇。世界各國在尋找新能源的同時(shí)，也更加注重了節(jié)能新途徑的研發(fā)。強(qiáng)化傳熱技術(shù)的應(yīng)用不但能節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)境，而且能大大節(jié)約投資成本。換熱器由于其在化工、石油、動(dòng)力和原子能等工業(yè)部門的廣泛應(yīng)用，使得換熱器的強(qiáng)化傳熱技術(shù)一直以來受到研究人員的重視，各種研究成果不斷涌現(xiàn)。本文主要以管式換熱器進(jìn)行研究探討。

1 管式換熱器

管式換熱器主要有套管式換熱器和管殼式換熱器兩種。

1.1 套管式換熱器

套管式換熱器是將不同直徑的兩根換熱器管套成同心套管作為元件、然后把多個(gè)元件加以連接而成的一種換熱器，工作時(shí)兩種流體以純順流或純逆流方式流通。套管式換熱器的優(yōu)點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡單，適用于高溫、高壓流體，特別是小容量流體的傳熱。另外，只要做成內(nèi)管可以抽出的套管，就可清楚污垢，所以它也使用于易生污垢的流體。他的主要缺點(diǎn)是流動(dòng)阻力大；金屬消耗量多；管間接頭較多，易發(fā)生泄露而且容易彎曲引起震動(dòng)；而且體積大，占地面積大，故多用于傳熱面積不大的換熱器。

1.2 管殼式換熱器

管殼式換熱器又稱謂列管式換熱器，是以封閉在殼體中管束的壁面作為傳熱面的間壁式換熱器，結(jié)構(gòu)一般由管箱、殼體、管束、管板、折流板等部件組成。目前，國內(nèi)外工業(yè)生產(chǎn)中所用的換熱設(shè)備中，管殼式換熱器仍占主導(dǎo)地位，雖然它在換熱效率、結(jié)構(gòu)緊湊性和金屬材料消耗等方面，不如其他新型換熱設(shè)備，但它具有結(jié)構(gòu)堅(jiān)固，操作彈性大，適應(yīng)性強(qiáng)，可靠程度高，選材范圍廣，處理能力大，能承受高溫高壓等特點(diǎn)，所以在工程中仍得到廣泛應(yīng)用。以下幾種常見的管殼式強(qiáng)化換熱器。

1.2.1 螺旋折流板式換熱器

螺旋折流板換熱器是傳統(tǒng)換熱器中最普遍應(yīng)用，螺旋折流板換熱器工作原理是殼程的折流板是以螺旋壯排列的，這樣使殼程介質(zhì)自進(jìn)口向出口呈螺旋壯、連續(xù)螺旋推進(jìn)，將傳統(tǒng)的橫向折流方式變成縱向螺旋折流方式。折流通道為螺旋式，不會(huì)出現(xiàn)流動(dòng)“死區(qū)”，由于換熱器殼程中的介質(zhì)呈螺旋式的柱塞流動(dòng)方式，在殼程橫街面徑向產(chǎn)生速度梯度，將每根換熱管都置于換熱介質(zhì)旋窩中，提高了流體徑向湍流程度，有利于沖刷強(qiáng)撐內(nèi)的顆粒物及沉淀物，防止污垢沉淀。按流道又可分為單螺旋和雙螺旋兩種結(jié)構(gòu)。

1.2.2 螺旋葉片折流板式換熱器

螺旋葉片折流板式換熱器是基于螺旋折流板換熱器的基礎(chǔ)上，進(jìn)行短位調(diào)整。把螺旋折流板的流體周期縮短，4個(gè)葉片成風(fēng)扇狀，而不像螺旋折流板成連續(xù)旋窩狀。使流體一個(gè)周期一個(gè)周期的沖刷折流板進(jìn)行換熱。它的好處在于大大降低了殼程流體的速度，使介質(zhì)長時(shí)間在殼程中進(jìn)行換熱。這樣的換熱器相比其他普通弓型折流板式換熱器而言，大大提高了換熱器中介質(zhì)的換熱效率。但是它的缺點(diǎn)是不能使用污垢比較多的介質(zhì)或者粘稠的介質(zhì)，因?yàn)楸旧須こ叹鸵呀?jīng)降低了介質(zhì)的流速，再使用粘稠的介質(zhì)，會(huì)使殼程阻塞或者沉淀物增多，反而影響了整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)。螺旋葉片折流板換熱器性能在理論上有較好的優(yōu)越性，但對(duì)它的研究尚處在起始階段，對(duì)其流動(dòng)和傳熱機(jī)理還需做深入的試驗(yàn)與計(jì)算機(jī)模擬，相信在以后的道路中，會(huì)成為換熱的主導(dǎo)。

1.2.3 扭曲管式換熱器

扭曲管式換熱器是在傳統(tǒng)管殼式換熱器的基礎(chǔ)上，以扭曲扁管代替光管，殼程沒有折流板，可依靠螺旋扭曲扁管外緣螺旋線的點(diǎn)接觸進(jìn)行自支撐。管內(nèi)螺旋流道使流體在流動(dòng)時(shí)產(chǎn)生縱向旋轉(zhuǎn)和二次旋轉(zhuǎn)，這種螺旋擾流作用增加了流體的擾動(dòng)程度，減薄了傳熱邊界層，增強(qiáng)了流體的混合，這種混合使得管壁附近保持較高的溫度梯度，極大的提高了傳熱系數(shù)。殼程流體在通道內(nèi)由于離心力的作用而周期性地改速度和方向，強(qiáng)化了流體的縱向混合。同時(shí)，殼程流體流經(jīng)相鄰管子的螺旋線接觸點(diǎn)后形成脫離管壁的尾流，增大了流體自身的湍流度破壞了管壁上的流體邊界層，從而使殼程傳熱得到增強(qiáng)。但是由于沒有折流板，所以應(yīng)用捆扎帶進(jìn)行固定管束，但是高速流體介質(zhì)進(jìn)入殼程后會(huì)引起管子強(qiáng)烈振動(dòng)和下榻。所以不能應(yīng)用殼程高速流體介質(zhì)。

1.2.4 波紋管換熱器

波紋管換熱器是在傳統(tǒng)列管式換熱器的基礎(chǔ)上，應(yīng)用強(qiáng)化傳熱理論及換熱管獨(dú)特的波峰與波谷的設(shè)計(jì)，與傳統(tǒng)管殼式換熱器不同的是波紋管換熱器采用帶波紋的換熱管，而管殼式換熱器采用光滑的直管作為換熱管。主要適用于管內(nèi)外介質(zhì)有加熱、冷卻熱交換的場(chǎng)合，其特點(diǎn)為傳熱效率高，這一特點(diǎn)是依靠獨(dú)特的傳熱元件—波紋管來實(shí)現(xiàn)的。波紋管特殊的波峰與波谷設(shè)計(jì)，使流體在關(guān)內(nèi)外形成強(qiáng)烈擾動(dòng)，大大提高了換熱管的傳熱系數(shù)，其傳熱系數(shù)比傳統(tǒng)管式換熱器高2～3倍。波紋管在工作過程中，一方面管內(nèi)外介質(zhì)始終處于高度湍流狀態(tài)，另一方面內(nèi)外介質(zhì)產(chǎn)生溫度差，使得波紋管會(huì)產(chǎn)生微量的軸向伸縮變形，管內(nèi)外的曲率會(huì)隨之頻繁變化，由于污垢與污垢之間會(huì)產(chǎn)生拉脫力，所以使水垢破裂而自動(dòng)脫落，從而不會(huì)產(chǎn)生污垢。對(duì)于波紋管的拉伸作用，以前設(shè)計(jì)人員因?yàn)檫@個(gè)作用，而不設(shè)定膨脹節(jié)。使它成為波紋管的一大有利優(yōu)點(diǎn)。但近年來，由于介質(zhì)要求越來越高，設(shè)計(jì)壓力越來越大，波紋管越來越受到人們關(guān)注與應(yīng)用，在設(shè)計(jì)壓力高的情況下，由于波紋管的軸向許用應(yīng)力因?yàn)椴y而降低，會(huì)使波紋管彎曲與失效，所以不設(shè)定膨脹節(jié)也不是波紋管的優(yōu)點(diǎn)了。這點(diǎn)技術(shù)還得需要時(shí)間的累計(jì)和研究人員的探討。

2 國內(nèi)換熱器發(fā)展需要

20世紀(jì)20年代出現(xiàn)板式換熱器，以板代管，結(jié)構(gòu)緊湊，傳熱效果好，并應(yīng)用于食品工業(yè)。30年代初，瑞典首次制成螺旋板換熱器。接著英國用釬焊法制造出一種由銅及其合金材料制成的板翅式換熱器，用于飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的散熱。30 年代末，瑞典又制造出第一臺(tái)板殼式換熱器，用于紙漿工廠。

60年代左右，由于空間技術(shù)和尖端科學(xué)的迅速發(fā)展，迫切需要各種高效能緊湊型的換熱器，再加上沖壓、釬焊和密封等技術(shù)的發(fā)展，換熱器制造工藝得到進(jìn)一步完善，從而推動(dòng)了緊湊型板面式換熱器的蓬勃發(fā)展和廣泛應(yīng)用。此外，自60年代開始，為了適應(yīng)高溫和高壓條件下的換熱和節(jié)能的需要，典型的管殼式換熱器也得到了進(jìn)一步的發(fā)展。70 年代中期，為了強(qiáng)化傳熱，在研究和發(fā)展熱管的基礎(chǔ)上又創(chuàng)制出熱管式換熱器。

20世紀(jì)80年代后，大量的強(qiáng)化傳熱元件被推向市場(chǎng)，如折流桿換熱器、新結(jié)構(gòu)高效換熱器、高效重沸器、高效冷凝器、雙殼程換熱器、板殼式換熱器、表面蒸發(fā)式空冷器等高效換熱器。

進(jìn)入21世紀(jì)后，大量的強(qiáng)化傳熱技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)裝臵，世界換熱器產(chǎn)業(yè)在技術(shù)水平上獲得了快速提升，板式換熱器日漸崛起。

總結(jié)說來，換熱器的技術(shù)發(fā)展主要分為三個(gè)階段：第一階段主要解決是否能夠?qū)崿F(xiàn)換熱的問題；第二階段以提升冷卻效率為目標(biāo)，主要是對(duì)傳熱過程的研究和對(duì)換熱部件的改進(jìn)；第三階段強(qiáng)調(diào)生產(chǎn)成本、運(yùn)行成本、環(huán)境消耗成本等綜合成本與冷卻效果的優(yōu)化匹配。世界換熱器產(chǎn)業(yè)在產(chǎn)品與技術(shù)方面的發(fā)展趨勢(shì)主要表現(xiàn)為產(chǎn)品大型化、高效化、節(jié)能化。此外，換熱器新材料的開發(fā)應(yīng)用、產(chǎn)品技術(shù)的更新?lián)Q代、不同應(yīng)用領(lǐng)域產(chǎn)品的細(xì)分化也都是行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)。

【參考文獻(xiàn)】

[1]毛文睿，李亞飛，等.換熱器的研究現(xiàn)狀及應(yīng)用發(fā)展[J].2014.

[責(zé)任編輯：湯靜]