换热器的研究发展现状

CHEMICALINDUSTRYANDENGINEERINGPROGRESS2009年第28卷增刊·338·化工进展换热器的研究发展现状支浩，汤慧萍，朱纪磊（西北有色金属研究院，陕西西安710055）摘要：随着现代工业的迅速发展，以能源为中心的环境、生态等问题日益加剧。世界各国在寻找新能源的同时，也更加注重了节能新途径的研发。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。换热器由于其在化工、石油、动力和原子能等工业部门的广泛应用，使得换热器的强化传热技术一直以来受到研究人员的重视，各种研究成果不断涌现。随着经济的发展，各种不同结构和种类的换热器发展很快，新结构、新材料的换热器不断涌现。换热器又称热交换器，是一种将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，也是实现化工生产过程中热量交换和传递不可缺少的设备。换热器既可是一种单独的设备，如加热器、冷却器和凝汽器等；也可是某一工艺设备的组成部分，如石化、煤炭工业中的余热回收装置等。本文主要介绍了现有换热器的分类，各种换热器的特点工作原理及应用情况，对目前换热器的存在问题和发展趋势进行分析。关键词：换热器；强化换热；研究现状随着现代工业的迅速发展，以能源为中心的环境、生态等问题日益加剧。世界各国在寻找新能源的同时，也更加注重了节能新途径的研发。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。换热器由于其在化工、石油、动力和原子能等工业部门的广泛应用，使得换热器的强化传热技术一直以来受到研究人员的重视，各种研究成果不断涌现[1-4]。1换热器的分类方式随着科学和生产技术的发展，各种换热器层出不穷，难以对其进行具体、统一的划分。虽然如此，所有的换热器仍可按照它们的一些共同特征来加以区分[5-6]，具体如下。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。按照传送热量的方法来分：间壁式、混合式、蓄热式等三大类。其中间壁式换热器的冷、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，因此又称表面式换热器，这类换热器应用昀广。间壁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。2管式换热器管式换热器主要有套管式换热器和管壳式换热器两种。2.1套管式换热器套管式换热器是将不同直径的两根管子套成的同心套管作为元件、然后把多个元件加以连接而成的一种换热器，工作时两种流体以纯顺流或纯逆流方式流动。套管式换热器的优点是：结构简单，适用于高温、高压流体，特别是小容量流体的传热。另外，只要做成内管可以抽出的套管，就可清除污垢，所以它也使用于易生污垢的流体。他的主要缺点是流动阻力大；金属消耗量多；管间接头较多，易发生泄露；而且体积大，占地面积大，故多用于传热面积不大的换热器[5,7]。2.2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料消耗等方面，增刊支浩等：换热器的研究发展现状·339·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。以下是几种常见的管壳式强化换热器[7-10]。2.2.1螺旋槽管换热器螺旋槽管是一种管壁上具有外凸和内凹的异形管，流体流出管壁时在管壁附近诱发螺旋流动。层流层减薄，同时壁表面起伏强化了流体湍流，加快了由壁面至流体主体的热量传递，强化了传热过程。早期进行螺旋槽管研究的主要有美国、英国、日本，从1970～1980年进行了大量的研究。我国对螺旋槽管的实验研究起步也是较早的，华南理工大学、北京理工大学和重庆大学都对螺旋槽管进行了试验研究，而且都取得显著的成效。目前，无论是从传热、流阻、阻垢性能，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。2.2.2横纹管换热器1974年前苏联首先提出横纹管，它是一种用普通圆管作毛胚，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。流体流经横纹管环槽处能频频发生边界层分离而产生轴向旋涡，强化了流体湍流，旋涡不断生成，保持了连续而稳定的强化作用。横纹管在我国研究较少，只有华南理工大学对此进行了试验研究，研究发现在相同流速下，横纹管流阻比单头螺旋槽管的小。沈阳化工学院与辽宁冷热设备制造公司对横槽纹管进行了开发研制，从而使横槽纹管与螺旋槽管换热器的应用得到同步发展。2.2.3螺旋扁管换热器螺旋扁管是瑞士Allares公司首先提出、美国Brown公司经过改进的一种换热管。这种传热管由压扁和扭转两个过程制成，管子截面和形状都发生了变化，因而流体也随之不断改变方向和速度，使湍流加强，边界层减薄，传热加强。我国梁龙虎经实验研究表明，螺旋扁管管内膜传热系数通常比普通圆管大幅度提高，在低雷诺数时昀为明显，达2～3倍；随着雷诺数的增大，通常也可提高传热系数50％以上。2.2.4螺旋扭曲管换热器近年来，螺旋式扭曲管的研制引起了国内外学者的关注。XYKAYCKARA报道过一种高效换热器，其换热管是螺旋式扭曲管，两端为圆形，管子与管子在椭圆长轴处相接触，相互支撑而取消了支撑折流板，这样能保证装置的抗震性，且流体在管程和壳程都发生旋流。我国华南理工大学化机所和武汉化工学院化机系也开发了变截面扭曲管和混合管束。2.2.5波纹管换热器波纹管换热器强化传热机理与螺旋扁管相一致。波纹管能起到温差补偿作用，省掉壳体膨胀节；由于温差应力的作用，换热管能自动去掉表面污垢，使管表面不易产生污垢，具有强化传热和除垢的双重功效，且结构简单紧凑，容易制造，投资少，热率高，故广泛应用于汽-水、水-水换热领域。2.2.6内翅片管换热器内翅片管是一种带肋的壁面，1971年美国首先提出内翅片管，用于强化管内单相流体的传热。日本、前苏联等国也进行大量的研究工作。20世纪80年代初，日本日立电缆有限公司研制的翅片管冷凝器，其冷凝效率和螺纹管相比提高3倍以上，同时实验表明这种管子抗油污能力也比较强。翅片管换热器无论对单相对流换热还是对相变对流换热都有很大价值，尤其是当两侧换热系数相差10倍以上，用于卧式冷凝器强化有机蒸汽的冷凝昀为优越，翅片管换热器已广泛用于制冷、动力、能源中的冷凝器、空冷器、油冷却器。2.2.7缩放管换热器缩放管是由依次交替的收缩段和扩张段组成的波形管道，在扩张段中流速降低、静压增加；而在收缩段中流速增加，静压减小，流体是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中能有效地被利用，且冲刷了流体边界层，边界层减薄，强化了传热。我国华南理工大学提出一种改型缩放管，将每个缩放单元段中的扩张段减到昀小，并采用外凸圆弧、内凹弧和直线相连接的方式。同时还对该改进型管进行自然对流沸腾换热特性的实验研究，表明了改进型缩放管的自然对流沸腾换热性能优于普通缩放管。缩放管换热器已在空气预热器、油冷却器、冷凝器、废热锅炉中广泛使用。2.2.8波节管管壳式换热器波节管管壳式换热器是一种新型的强化传热节能高效换热设备。它是在传统的列管式换热器的基础上，应用强化传热和弹性力学理论对传统的各类换热器进行了突破。波节管采用薄壁的不锈钢管加工制成，纵向成波纹形状，横截面成圆形。由于这些结构形式，使得它继承了列管式换热器的坚固、化工进展2009年第28卷·340·耐用、安全、可靠等优点，同时又克服了其换热能力差，易结垢的缺点。波节管管壳式换热器现在一些生产厂家已经实现工业化生产，在石化、热电、化工等行业应用，取得了良好的效益。2.2.9三维内肋管换热器三维内肋管是一种新型的强化换热管件，通过专用的工具，经过一定的方法对普通圆管内壁加工而成的高效强化传热元件。流体在管内受到三维肋的作用而使其热边界层的厚度减薄，从而提高对流传热膜系数。在某些烟气管对流换热中，三维内肋管具有独特的自清灰功能。我国李清方[11]实验发现，烟气与三维内肋管的对流换热系数可达光管的3.2倍。2.2.10管内插入物换热器国外从1896年就开始研究和应用管内插入物的强化传热，英国CalGavin公司研制一种叫Heatex的插入物，它由一组延伸至管壁的圆态体组成，可使管侧传热效率提高2～15倍。该公司还开发了一种叫HitranMatrixElements的花环式插入物，能在不增大压降的条件下大大提高传热系数。在无功强化传热技术中管内安装插入物的强化传热技术有显著的特点：不改变传热面形状；插入物加工简单，特别适合于现有设备改造，不需要更换原有管壳式换热器。因此，管内插入物强化传热技术在老厂挖潜改造中得到广泛的应用。长岭炼油化工厂采用在线清洗技术，选用两台换热器进行对比试验，得出结论：加有弹簧插入物的换热器比普通光管总传热系数提高32.8％。在不同流量下测试，压降比光管换热器增加0.5％和1.3％。3板面式换热器板面式换热器不同于一般传热面用管做的管式换热器。它们的共同特点是被用作传热面的板是平板或稍带锥度的伞板，其上有各种凹凸条纹，或有各种不同断面形状的翅片当流体流过板面时就会产生扰动，使边界层减薄造成湍流，从而获得较高的传热效率。相对于管壳式换热器来说，它们具有传热效率高，结构紧凑，重量轻等优点。又由于流体在换热器中无论进行并流、逆流、错流都可以，板片还可以根据传热面积的大小而增减，因此适应性较大，应用日趋广泛[12-14]。随着对板式换热器研究的不断深入，其形式也越来越多。3.1板式换热器3.1.1可拆式板式换热器可拆式板式换热器是将薄的金属板片冲压成为凸凹状，周边张贴合成橡胶类的密封垫片。Laval公司的“按扣”式垫片，垫片直接扣压在板片上；GEA公司的板片，板片槽口上窄底宽呈梯形，垫片与板片槽过盈配合将垫片压紧。开发无粘接剂连接垫片的技术，使板式换热器安装和维修的时间节约80％。我国板式换热器在20世纪80年代得到较大的发展，继四平板式换热器总厂、天津板式换热器厂开发单片面积2m2后，1992年邯郸板式换热器工贸公司试制成功国内昀大的300MN板片专用压机，单片面积已达2.7m2。可拆式板式换热器便于拆卸清洗，增减换热器面积灵活，在供热工程中使用较多。但是，一般的可拆卸式板式换热器由于本身结构的局限性，使用压力不超过2.5MPa，使用温度不超过250℃，此外还存在流体与密封垫片的相容性问题。3.1.2焊接式板式换热器用焊接结构替代橡胶垫密封，消除了由于垫片材料耐温、耐腐蚀、耐压方面的限制。焊接式板式换热器的组焊板片内部不能用机械方法清洗，且全焊式只能用于不易结垢的介质进行换热，其昀大优点是可承受较高温度和压力，没有垫片泄漏的顾虑。焊接式板式换热器近年来得到很大发展，德国与日本合作的千代田BAVARIA混合焊接板式换热器，操作压力可从真空到6MPa，单元换热面积可达1480m2以上。Nouvelles应用技术公司发明的Packinox换热器，代替列管式换热器用作炼油厂催化重整装置混合料换热器，并且得到了推广应用，紧凑、轻型的Packinox换热器可用各种合金制成，能提供的表面积为1000～10000m2。3.2板壳式换热器欧美发达国家于20世纪80年代起开始竞相开发、研制各种型式的板壳式换热器。板壳式换热器的基本结构与板式换热器相似，但板间距增大，取消了垫片，改用焊接法连接各板，形成通道。板壳式换热器昀适合于介质清沽、换热量大和压降小的场合。法国Packin