能源与动力装置基础发展综述

热质交换设备发展综述热质交换设备是将热量以一定的传热方式从热流体传递给冷流体的设备。热质交换设备在工业中的应用极为普遍。如化学工业、石油化学工业、制冷、电厂热力系统都有很广泛的应用。随着经济的发展，强化传热技术的应用不但能节约能源、保护环境，而且能大大节约投资成本。使得换热器的发展很迅速。1.换热器的分类换热器的种类繁多，分类方式也多种多样。按照工作方式大致可以分为表面式换热器、混合式换热器、蓄热（冷）式换热器、特殊换热器。按照用途来分：预热器（或加热器）、冷却器、冷凝器、蒸发器等。按照制造热交换器的材料来分：金属的、陶瓷的、塑料的、石墨的、玻璃的等。按照温度状况来分：温度工况稳定的热交换器，热流大小以及在指定热交换区域内的温度不随时间而变；温度工况不稳定的热交换器，传热面上的热流和温度都随时间改变。按照热流体与冷流体的流动方向来分：顺流式、逆流式、错流式、混流式。表面式换热器又称为间壁式换热器。其中表面式换热器的冷、热流体被固体间壁隔开，并通过间壁进行热量交换的换热器，因此称表面式换热器，这类换热器应用最广。表面式换热器根据传热面的结构不同可分为管式和板面式。管式换热器以管子表面作为传热面，包括套管式换热器和管壳式换热器等；板面式换热器以板面作为传热面，包括板式换热器、螺旋板换热器、板翅式换热器、板壳式换热器和伞板换热器等。主要介绍表面式换热器。2.表面式换热器2.1管壳式换热器管壳式换热器又称为列管式换热器，是以封闭在壳体中管束的壁面作为传热面的间壁式换热器，结构一般由壳体、传热管束、管板、折流板（挡板）和管箱等部件组成。目前，国内外工业生产中所用的换热设备中，管壳式换热器仍占主导地位，虽然它在换热效率、结构紧凑性和金属材消耗等方面，不如其它新型换热设备，但它具有结构坚固，操作弹性大，适应性强，可靠程度高，选材范围广，处理能力大，能承受高温高压等特点，所以在工程中仍得到广泛应用。管壳式换热器按照结构形式大概可分为：固定管板式换热器、浮头式换热器、U形管换热器（套管式也可归入U形管式）；2.1.1固定管板式换热器固定管板式换热器由管箱、壳体、管板、管子等零部件组成，其结构较紧凑，排管较多，在相同直径下面积较大，制造较简单。固定管板式换热器的结构特点是在壳体中设置有管束，管束两端用焊接或胀接的方法将管子固定在管板上，两端管板直接和壳体焊接在一起，壳程的进出口管直接焊在壳体上，管板外圆周和封头法兰用螺栓紧固，管程的进出口管直接和封头焊在一起，管束内根据换热管的长度设置了若干块折流板。这种换热器管程可以用隔板分成任何程数。固定管板式换热器结构简单，制造成本低，管程清洗方便，管程可以分成多程，壳程也可以分成双程，规格范围广，故在工程上广泛应用。壳程清洗困难，对于较脏或有腐蚀性的介质不宜采用。当膨胀之差较大时，可在壳体上设置膨胀节，以减少因管、壳程温差而产生的热应力。2.1.2浮头式换热器2.1.3U形管式换热器和套管式换热器此类换热器的特点是管束可以自由伸缩，不会因管壳之间的温差而产生热应力，热补偿性能好；管程为双管程，流程较长，流速较高，传热性能较好；承压能力强；管束可从壳体内抽出，便于检修和清洗，且结构简单，造价便宜。但管内清洗不便，管束中间部分的管子难以更换，又因最内层管子弯曲半径不能太小，在管板中心部分布管不紧凑，所以管子数不能太多，且管束中心部分存在间隙，使壳程流体易于短路而影响壳程换热。此外，为了弥补弯管后管壁的减薄，直管部分需用壁较厚的管子。这就影响了它的使用场合，仅宜用于管壳壁温相差较大，或壳程介质易结垢而管程介质清洁及不易结垢，高温、高压、腐蚀性强的情形。2.2板式换热器板式换热器是一种高效、紧凑的换热设备。板式换热器在制造和使用上都有一些独特之处。在很多领域已经广泛应用，开始取代一些传统的管壳式换热器，显示出它强势的发展前景。板式换热器是由一系列具有一定波纹形状的金属片叠装而成的一种新型高效换热器。各种板片之间形成薄矩形通道，通过板片进行热量交换。板式换热器是液—液、液—汽进行热交换的理想设备。它具有换热效率高、热损失小、结构紧凑轻巧、占地面积小、安装清洗方便、应用广泛、使用寿命长等特点。在相同压力损失情况下，其传热系数比列管式换热器高3-5倍，占地面积为管式换热器的三分之一，热回收率可高达90%以上。板式换热器的型式主要有框架式（可拆卸式）和钎焊式两大类，板片形式主要有人字形波纹板、水平平直波纹板和瘤形板片三种。2.3翅片管式换热器翅片管是一种带肋的壁面，它对扩展换热面积和促进湍流有显著作用，无论对单相对流换热还是和相变对流换热的具有很大价值。翅片管的型式很多，可以归纳为纵向和径向两类。2.4板翅式换热器通常由隔板、翅片、封条、导流片组成。在相邻两隔板间放置翅片、导流片以及封条组成一夹层，称为通道，将这样的夹层根据流体的不同方式叠置起来，钎焊成一整体便组成板束，板束是板翅式换热器的核心，配以必要的封头、接管、支撑等就组成了板翅式换热器。特点有：（1）传热效率高，由于翅片对流体的扰动使边界层不断破裂，因而具有较大的换热系数；同时由于隔板、翅片很薄，具有高导热性，所以使得板翅式换热器可以达到很高的效率。（2）紧凑，由于板翅式换热器具有扩展的二次表面，使得它的比表面积可达到1000㎡/m3。（3）轻巧，原因为紧凑且多为铝合金制造，现在钢制，铜制，复合材料等的也已经批量生产。（4）适应性强，板翅式换热器可适用于：气－气、气－液、液－液、各种流体之间的换热以及发生集态变化的相变换热。通过流道的布置和组合能够适应：逆流、错流、多股流、多程流等不同的换热工况。通过单元间串联、并联、串并联的组合可以满足大型设备的换热需要。工业上可以定型、批量生产以降低成本，通过积木式组合扩大互换性。（5）制造工艺要求严格，工艺过程复杂。（6）容易堵塞，不耐腐蚀，清洗检修很困难，故只能用于换热介质干净、无腐蚀、不易结垢、不易沉积、不易堵塞的场合。2.5螺旋板式换热器螺旋板式换热器是一种高效换热器设备,适用汽－汽、汽－液、液－液，对液传热。它适用于化学、石油、溶剂、医药、食品、轻工、纺织、冶金、轧钢、焦化等行业。按结构形式可分为不可拆式（Ⅰ型）螺旋板式及可拆式（Ⅱ型、Ⅲ型）螺旋板式换热器。螺旋板式换热器在国外较早使用在回收废液和废气中的能量等，螺旋板式换热器的构造包括螺旋形传热板、隔板、头盖和连接管等基本部件。流体在螺旋形流道内的流动所产生的离力，使流体在流道内外侧之间形成二次环流，增加扰动。螺旋板式换热器具有体积小、效率高、制造简单、成本较低、能进行地温差换热等优点，目前的问题是如何能进一步提高该换热器的承压能力。我国从20世纪60年代开始生产螺旋板式换热器，当时主要用于烧碱厂中的电解液加热和浓碱液冷却。如今螺旋板式换热器在我国已形成规模，国家已制定了配套的技术标准，设计制造技术在我国业已成熟.2.6热管式换热器热管换热器是一种高效传热的新型换热器，在20世纪60年代首先被应用于宇航技术中，70年代国外在电子、机械、石油、化工等方面有了广泛的应用。热管换热器主要由箱体、管板、热管元件组成，其中热管是其关键元件。热管是一种充填了适量工作介质的真空密封容器，当热量传入热管的蒸发段时，工作介质吸热蒸发流向冷凝段，在那里蒸汽被冷却，释放出汽化潜热，冷凝变成液体，然后在多孔吸液芯的毛细力或重力的作用下返回蒸发段，如此反复循环，通过工质的相变和传质实现热量的高效传递。热管换热器的最大特点是结构简单、换热高，在传递相同热量的条件下制造热管换热器的金属耗量少于其它类型的换热器。换热流体通过换热器的压力损失也比其它换热器小，因而动力消耗也少。总结换热器是石油、化工、能源等领域中重要的设备之一。随着我国工业的迅速发展，换热器的发展也显得尤为重要。虽然我们国家近些年在这方面有了很大的进步，但是依旧和发达国家存在一定的差距。因此我们国家要进一步研制更完善的换热器产品，使产品的性能、质量达到世界先进水平。我觉得要解决的问题和可以发展的方向有：1.解决‘设备庞大，成本昂贵’这个问题2.发展换热器所采用的新式材料3.改善换热器工作时的压力，温度4.借鉴国外成功的技术5.发展新式理念的换热器