換熱器發(fā)展現(xiàn)狀與未來趨勢(shì)研究綜述

劉紀(jì)陽(yáng)

（四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，四川 成都 610000）

換熱器是一個(gè)具有百年發(fā)展歷史同時(shí)廣泛應(yīng)用于制藥、石化等工業(yè)領(lǐng)域的重要設(shè)備，其制造所涉及的理論知識(shí)較為廣泛，包含制造技術(shù)、材料科學(xué)及傳熱理論等。在其發(fā)展初期由于理論知識(shí)發(fā)展不全面與不深入，其發(fā)展也受到了阻礙。20世紀(jì)80年代后，隨著理論知識(shí)的健全與完善，其發(fā)展也更加迅速、應(yīng)用也更加廣泛。但隨著近年來全球性的節(jié)能環(huán)保意識(shí)的提高，對(duì)于各類工業(yè)設(shè)備的節(jié)能環(huán)保設(shè)計(jì)要求也在提高，高效節(jié)能的換熱器設(shè)計(jì)研究也得到了更多的重視。作為一種節(jié)能設(shè)備的換熱器是許多輕重工業(yè)加工的必需設(shè)備，其重要性不言而喻，且其占據(jù)著工業(yè)設(shè)備總投資的重要比重。

1 換熱器概述

1.1 換熱器定義和分類

換熱器是許多輕重工業(yè)必備的設(shè)備，如石化、動(dòng)力、食品等工業(yè)。顧名思義，其工作原理即是將具有高熱量的熱流體的部分熱量傳遞給冷流體以完成熱量轉(zhuǎn)換。熱交換器在工業(yè)中所起到的作用有很多，如加熱、冷卻、冷凝及蒸發(fā)等，可以說工業(yè)中與熱量相關(guān)的技術(shù)操作都需要換熱器，這也是其應(yīng)用廣泛的原因之一。換熱器的這種熱量轉(zhuǎn)移工作原理極大程度上幫助工業(yè)實(shí)現(xiàn)了節(jié)能，雖然在不同溫度的流體之間的熱能量的轉(zhuǎn)移傳遞之時(shí)會(huì)有一定的損失，但除去這種損失，其極大程度的節(jié)約了能源，同時(shí)，其還完成了流體溫度需要的指標(biāo)與工藝條件工作，是大部分工業(yè)不可或缺的重要設(shè)備。

自蒸汽時(shí)代發(fā)展后，許多國(guó)家的工業(yè)都在不斷發(fā)展進(jìn)步，我國(guó)至今雖然仍為農(nóng)業(yè)大國(guó)，但工業(yè)實(shí)力也是不容小覷，同時(shí)由于人口數(shù)量的龐大，對(duì)于各類行業(yè)的市場(chǎng)份額也較為龐大，換熱器也是如此。據(jù)調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，我國(guó)的各類工業(yè)中對(duì)換熱器的投資和應(yīng)用占據(jù)了近乎總投資的一半。

在化學(xué)工業(yè)及煉油工業(yè)，甚至在海水淡化的工業(yè)中幾乎全部是換熱器設(shè)備，足可見其重要性。對(duì)于換熱器的分類，按照根據(jù)不同分類不同，主要有四種根據(jù)即用途、溫度、流體方向及傳送熱量方式等，按用途可分為預(yù)熱器冷卻器、冷凝器、蒸發(fā)器等，按溫度可分為溫度工況穩(wěn)定的熱交換器與溫度工況不穩(wěn)定的熱交換器，按流體方向可分為順流式、逆流式、錯(cuò)流式、混流式換熱器，按傳送熱量的方法可分為低間壁式、混合式、蓄熱式換熱器。

1.2 換熱器發(fā)展歷程

換熱器發(fā)展至今已有兩百年的歷史，其共經(jīng)歷了19世紀(jì)的探索階段、初步發(fā)展的20世紀(jì)及至今的快速發(fā)展階段，換熱器從探索至現(xiàn)今完成了從無到有的完善過程。

對(duì)于19世紀(jì)探索階段的換熱器，出于工業(yè)應(yīng)用的目的，其設(shè)計(jì)較為簡(jiǎn)單。金屬體積較大的鑄鐵燈管制成就應(yīng)用與鋼鐵化工等工業(yè)應(yīng)用實(shí)踐，雖然其能簡(jiǎn)單地進(jìn)行應(yīng)用，但極為簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)致使其傳熱效率極低且耗能嚴(yán)重，存在著極大的問題。故有研究者對(duì)其不斷進(jìn)行研究。19世紀(jì)50年代，有研究者對(duì)簡(jiǎn)易的鑄鐵管束換熱器進(jìn)行了一些改良，即煉鋼煉鐵的蓄熱器。其成為當(dāng)時(shí)較為熱門的額換熱器，雖然這種改良對(duì)簡(jiǎn)易鑄鐵換熱器進(jìn)行了缺陷的完善，但改良的相當(dāng)有限。19世紀(jì)末期，德國(guó)又研發(fā)出了新型的板式換熱器。

在探索階段由于既缺乏相關(guān)理論知識(shí)，又缺乏一定的技術(shù)支持，所以只能制造一些不完善的換熱器，到了20世紀(jì)的初步發(fā)展階段，這個(gè)階段已經(jīng)具備了一定的理論基礎(chǔ)與設(shè)計(jì)技術(shù)，即傳熱學(xué)等，所以這個(gè)階段是換熱器發(fā)展的一個(gè)新階段。在此階段發(fā)展最為迅速的則是管式換熱器，雖然在探索階段的最初鑄鐵換熱器即是管式換熱器，但隨著時(shí)代的進(jìn)步和技術(shù)的提升，鑄鐵管束成為了此種換熱器突破的契機(jī)，如管殼式、套管式等，此種換熱器不僅結(jié)構(gòu)發(fā)生了變革，其管束材料也得到了革新，如從最初的鑄鐵變換材質(zhì)成為鋼、銅及鋁等，這使得管式換熱器的傳熱效率、承熱能力及耗能都得到了一定的改善。

50世紀(jì)中期，換熱器迎來了快速發(fā)展時(shí)期，其研究理論和制造技術(shù)具備了一定的體系，隨著同時(shí)期的科技快速發(fā)展及時(shí)代進(jìn)步，換熱器隨波逐流，各種特性及缺陷都被研究完善，如流動(dòng)特性及傳熱機(jī)理等。與此同時(shí)，換熱器的各個(gè)相關(guān)元件也得到了研究發(fā)展，如新型高效的傳熱元件熱管及微通道換熱器等，前者是極大的增強(qiáng)了一些換熱器的導(dǎo)熱能力，而后者則是一種新型的換熱器，此種換熱器最大程度的減少了熱阻力及增大了熱流量。隨著時(shí)代的不斷變革和科技的飛速發(fā)展，對(duì)換熱器也提出了更高的要求，但同時(shí)也是以此飛速發(fā)展的機(jī)會(huì)，在現(xiàn)有科技的基礎(chǔ)上，換熱器不斷創(chuàng)新，如印刷電路板換熱器等，這些獨(dú)具特色且完善的換熱器在許多領(lǐng)域都有極好的應(yīng)用前景，如高科技領(lǐng)域等?？傊?，縱觀換熱器的所有發(fā)展歷程，其大致可以說是一個(gè)完善與創(chuàng)新的過程，在不斷的彌補(bǔ)缺陷的同時(shí)再不斷地進(jìn)行換熱器的特性創(chuàng)新。

2 換熱器研究現(xiàn)狀

2.1 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

現(xiàn)如今，對(duì)于換熱器的研究只要集中于對(duì)其換熱技術(shù)的研究，如流體流態(tài)變化、元件參數(shù)等，元件參數(shù)的研究則主要集中于換熱管的排列、排數(shù)及間距等。我國(guó)對(duì)于換熱器的研究起步較晚，同時(shí)，缺乏相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)與技術(shù)創(chuàng)新，雖然有國(guó)外技術(shù)可以進(jìn)行參照，但總體而言并不會(huì)有較大的優(yōu)勢(shì)。

首先，但我國(guó)的由于自身現(xiàn)如今的科技發(fā)展具有較大優(yōu)勢(shì)，迎頭而上，對(duì)于換熱器的各類研究也在逐漸完善和深入，但仍存在著一些問題與缺陷，如換熱器理論研究仍不夠完善，可進(jìn)行實(shí)踐的理論依據(jù)則更是有限，以致許多的公式都不是經(jīng)過實(shí)踐驗(yàn)證的，換熱理論體系也仍然不能完善；其次，是由于試驗(yàn)條件等多方面因素的影響，導(dǎo)致研究出來的結(jié)論并不一致且存在較大分歧，所以此結(jié)論不具備一定的指導(dǎo)性與權(quán)威性；再次，是目前對(duì)于換熱器的研究?jī)H限于一維與二維，且研究的前提條件較為苛刻及并不具備普遍實(shí)用性，所以結(jié)論也不能對(duì)換熱器的實(shí)際應(yīng)用產(chǎn)生較大的推動(dòng)；最后，則是已經(jīng)通過實(shí)踐建立起來的換熱部分理論還存在著一些爭(zhēng)議和缺陷，有待完善。

2.2 國(guó)外研究現(xiàn)狀

國(guó)外對(duì)于換熱器的研究都有著自身獨(dú)特理解，同時(shí)，所研究的注重點(diǎn)也各有不同，其所研究的換熱器技術(shù)大致可分為兩類，即有源技術(shù)與無源技術(shù)。對(duì)于無源技術(shù)，法國(guó)主要偏向于滴狀冷凝的表面處理與流式蓄熱的位移強(qiáng)化，美國(guó)對(duì)于粗糙表明和螺旋管技術(shù)研究具有領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)，英國(guó)對(duì)旋渦流、添加劑與開槽管具有一定的研究興趣，德國(guó)和日本則是對(duì)擴(kuò)展表面、多孔結(jié)構(gòu)及直接接觸式具有研究興趣。

對(duì)于有源技術(shù)而言，其大致可分為機(jī)械輔助、表面振動(dòng)、流體振動(dòng)、射流、旋流及誘導(dǎo)流等。雖然許多國(guó)家對(duì)于這些技術(shù)都有一定的研究試驗(yàn)，但目前也只有旋流和誘導(dǎo)流進(jìn)入了應(yīng)用階段，其他技術(shù)還停滯在研發(fā)階段。

3 換熱器主要種類介紹

3.1 管式換熱器

在換熱器探索階段的鑄鐵管束換熱器即是管式換熱器，經(jīng)過后來的發(fā)展完善，其逐漸成為換熱器中普遍應(yīng)用的存在，其間壁式的結(jié)構(gòu)致使其具有操作可靠、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單及耐高溫高壓等優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)。隨著不斷的完善和創(chuàng)新，管式換熱器也出現(xiàn)了新型換熱元件與高效換熱器，目前，對(duì)于這些管式換熱器的創(chuàng)新，其大多都是從管程結(jié)構(gòu)改進(jìn)和對(duì)殼程結(jié)構(gòu)改進(jìn)兩方面出發(fā)，前者主要改變傳熱面積與加入管內(nèi)插入物，后者則是改變管子的理化特性與殼程管間支撐物的結(jié)構(gòu)。

管式換熱器主要有4種典型，即螺旋槽紋管換熱器、管內(nèi)插入物換熱器、折流桿式換熱器及管翅式換熱器，螺旋槽紋管換熱器是一種通過高效異形傳熱管件改變傳熱面的形狀而達(dá)到更好的換熱效果的一種換熱器，在20世紀(jì)中后期，許多發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)換熱器的研究中就有螺旋槽紋管的研究，當(dāng)時(shí)美國(guó)對(duì)此頗有成效，我國(guó)對(duì)此管也有所研究，最終得到了單頭螺紋槽管，其綜合性能較多頭管具有一定優(yōu)勢(shì)，現(xiàn)如今對(duì)此類換熱器的研究已經(jīng)較為成熟，無論是理論體系和實(shí)踐性能都較為完備。管內(nèi)插入物換熱器是一種通過在管內(nèi)添加插入物以達(dá)到增強(qiáng)傳熱效率目的的換熱器，在管內(nèi)添加插入物不僅可以增加流體的流動(dòng)，也可以增加近壁與流體中心的混合，從而增強(qiáng)傳熱效率，常見的管內(nèi)添加物即是紐帶與螺旋線等，這種換熱器在曾強(qiáng)換熱效率的同時(shí)也會(huì)便于設(shè)備升級(jí)。折流桿式換熱器是在解決傳統(tǒng)管殼式換熱器的缺陷過程中誕生的，由于傳統(tǒng)管殼式換熱器的結(jié)構(gòu)存在著易使換熱管震動(dòng)被破壞的缺陷。

為解決此問題，此換熱器才誕生，其原理即是改變了殼程管間的結(jié)構(gòu)以避免缺陷與增強(qiáng)傳熱，折流體結(jié)構(gòu)不僅很好地解決了傳統(tǒng)管殼式換熱器的缺陷，同時(shí)，獨(dú)特的結(jié)構(gòu)也產(chǎn)生一些相應(yīng)的優(yōu)勢(shì)，如不易結(jié)垢等。管翅式換熱器是一種較為安全穩(wěn)定的換熱器，由于其結(jié)構(gòu)緊湊及適用壽命長(zhǎng)等優(yōu)勢(shì)被廣泛應(yīng)用于制冷行業(yè)，其主要原理即是在管外加裝翅片以增強(qiáng)傳熱，對(duì)于此種換熱器，我國(guó)進(jìn)行了許多深入的研究，如對(duì)其翅片參數(shù)及形式影響傳熱的研究等。

3.2 板式換熱器

板式換熱器與管式換熱器本質(zhì)上是結(jié)構(gòu)上的差異，相較管式換熱器的管束，板式換熱器主要是由波紋狀的薄板按照固定間隔墊片緊壓熱誠(chéng)，在同等條件下，板式換熱器則更具優(yōu)勢(shì)，且是全方面的領(lǐng)先，如傳熱系數(shù)、壓力損失及占地面積等，可以說性能較為齊全，但其有一個(gè)較為致命的缺陷，即密封周邊長(zhǎng)與需要經(jīng)常清洗，同時(shí)其墊圈結(jié)構(gòu)導(dǎo)致不能在高溫高壓情況下適用，這種缺點(diǎn)對(duì)于主要應(yīng)用于工業(yè)方面的換熱器是致命的，所以還是管式換熱器應(yīng)用較為普遍。

近年來，我國(guó)有研究者對(duì)板式換熱器的缺點(diǎn)及各種特性進(jìn)行了深入研究，如數(shù)值模擬獲得速度場(chǎng)與溫度場(chǎng)、新型微板點(diǎn)波換熱器的創(chuàng)新及退火后污垢熱阻預(yù)測(cè)等，這些都在節(jié)能環(huán)保理念的基礎(chǔ)上與科技結(jié)合進(jìn)行創(chuàng)新，無論是模型理論還是創(chuàng)新的不同形態(tài)的間隔板，雖然這些使得板式換熱器的傳熱得到了增強(qiáng)，但對(duì)于其致命的缺點(diǎn)卻是意義不大，研究進(jìn)展不是很顯著。

4 換熱器發(fā)展趨勢(shì)

隨著環(huán)保理念的全球推行，各行各業(yè)都在進(jìn)行實(shí)踐，換熱器未來應(yīng)緊隨環(huán)保理念而實(shí)現(xiàn)自身的大型化及高效節(jié)能化。目前，我國(guó)各類應(yīng)用換熱器的一些工業(yè)設(shè)備已實(shí)現(xiàn)了基本的完備制造體系，大部分工業(yè)也已基本能滿足自身行業(yè)生產(chǎn)所需要。但仍存在著一個(gè)問題，即是換熱器的升級(jí)轉(zhuǎn)型，這個(gè)問題可以說明當(dāng)前的換熱器版本已跟不上各行業(yè)的發(fā)展步伐。

對(duì)于換熱器的研究，各國(guó)始終都不曾放棄，無論是其理論體系的完善，還是其高新技術(shù)的研發(fā)，各國(guó)都已逐漸開始深入研究，雖然我國(guó)近年來也加大了對(duì)換熱器的研究力度，但較發(fā)達(dá)國(guó)家而言仍存在較大差距，我國(guó)為解決此問題而出臺(tái)并推行了一些新政策，如出臺(tái)的圍繞先進(jìn)制造的積極政策及之后的能源發(fā)展十二五規(guī)劃中的各項(xiàng)工業(yè)促進(jìn)計(jì)劃等，推進(jìn)了我國(guó)能源業(yè)與制造業(yè)的發(fā)展進(jìn)步，但相對(duì)而言，對(duì)換熱器也是一次機(jī)遇，換熱器是能源業(yè)與制造業(yè)不可或缺的必要設(shè)備，國(guó)家在推動(dòng)發(fā)展能源業(yè)與制造業(yè)的同時(shí)也會(huì)帶到換熱器的技術(shù)研發(fā)與產(chǎn)業(yè)優(yōu)化與發(fā)展，各行的輕重工業(yè)對(duì)換熱器的需求量和要求逐漸增加，如石化、冶金等，同時(shí)，一些國(guó)家主張實(shí)行的一些大型工程也會(huì)增加對(duì)換熱器的需求與要求，所以就會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)大的拉動(dòng)力，以實(shí)現(xiàn)換熱器的技術(shù)革新與市場(chǎng)穩(wěn)定增長(zhǎng)，規(guī)模也逐漸龐大。

隨著各類工業(yè)市場(chǎng)需求的持續(xù)增長(zhǎng)，換熱器的技術(shù)會(huì)不斷革新，結(jié)構(gòu)和性能也會(huì)多樣化，隨著國(guó)際和國(guó)家對(duì)環(huán)保理念的更加重視，換熱器的節(jié)能環(huán)保特性也將成為主流，我國(guó)技術(shù)也意味著有更多的可能與創(chuàng)新潛力。總之，我國(guó)的換熱器產(chǎn)業(yè)還處于快速發(fā)展時(shí)期，其未來的發(fā)展趨勢(shì)仍是極為可觀的。