换热器发展状况

换热器发展现状

由于制造工艺和技术水平的限制，早期的换热器只能采用简单结构，传热面积小、体积较大、笨重，如蛇管式换热器等。随着制造工艺的发展，管壳式换热器的单位体积具有较大的传热面积，而且传热效果较好，长期以来在工业生产中成为一种典型的换热器。

20世纪20年代出现板式换热器，并应用于食品工业。以板代管制成的换热器，结构紧凑、传热效果好。30年代初，瑞典首次制成螺旋板换热器。接着英国用钎焊法制造出一种由铜及其合金材料制成的板翅式换热器，用于飞机发动机的散热。30年代末，瑞典又制造出第一台板壳式换热器，用于纸浆生产。在此期间，为解决强腐蚀性介质的换热问题，人们对新型材料制成的换热器开始注意。

20世纪60年代，由于空间技术和尖端科学的迅速发展，迫切需要各种高效能紧凑型的换热器，再加上冲压、钎焊和密封等技术的发展，换热器制造工艺得到进一步完善，从而推动了紧凑式换热器的蓬勃发展和广泛应用。此外，自20世纪60年代开始，为了适应高温和高压条件下的换热和节能的需要，典型的管壳式换热器也得到了进一步的发展。20世纪70年代中期，为了强化传热，在研究和发展热管的基础上又开发出管式换热器[1]。

20世纪80年代后，大量的强化传热元件被推向市场，如折流杆换热器、新结构高效换热器、高效重沸器、高效冷凝器、双壳程换热器、板壳式换热器、表面蒸发式空冷器等高效换热器。

进入21世纪后，大量的强化传热技术应用于工业装置，世界换热器产业在技术水平上获得了快速提升，板式换热器日渐崛起。

为了节能降耗, 提高工业生产的经济效益, 要求开发适用不同工业过程要

求的高效能换热设备。因此, 几十年来, 高效换热器的开发与研究始终是人们关注的课题, 国内外先后推出了一系列新型高效换热器[2]。

各国对强化技术研究的侧重点不同，见表1[3]。气—液换热器中，液体侧的传热系数大大高于气体强制对流值，即在某些气一气换热器中，传热面两侧的传热系数也存在差别, 此时，强化技术显得尤为重要。事实上，强化技术的主要工作也是针对气体传热工况的。

表一发展现状

1.螺旋流换热器

近年来，人们采用各种各样的管束支撑结构来改变壳程流体的流动形态，以求增强壳程换热。其中螺旋折流板支撑结构以其高效传热、低流阻的特点得到了人们的广泛关注。螺旋流换热器是一种利用流体的涡旋流动来强化壳程传热的换热设备。涡旋流动是流体沿一定螺旋角方向的曲线运动，因而是一种以较少能量克服流动阻力的运动方式，在换热器中采用螺旋折流板结构时，可使壳程流场与温度场实现协同而获得较高的强化传热效果[4]。目前，影响螺旋流换热器普及和推广的主要问题是螺旋曲面的设计和制造难度太大，且成本较高。

1.1 螺旋流换热器的特性

Lutcha J和Nemcansky J[5]首先提出了壳程流体作螺旋运动可以强化传热，其壳程的管束支撑结构是用一系列的扇形平面板替代曲面，相间连接从而在壳程形成近似的螺旋面。该螺旋流换热器亦称为螺旋折流板换热器，如图1所示。国内外近年来对其做了许多结构开发研究，均表明该种管束支撑方式具有较好的流动与传热性能。螺旋折流板基本消除了弓形折流板的返混现象、卡门涡街，提高有效传热温差；螺旋通道内柱状流的速度梯度影响了边界层的形成，使传热系数有较大增加；基本不存在流动与传热死区，尤其适宜于处理含固体颗粒、粉尘、泥沙的流体，如氮肥厂的造气系统等。对于低雷诺数(Re<1000)下的传热，螺旋折流

板的效果更为突出。螺旋折流板不论用于单相流或两相流、低粘度或高粘度流体都有较好的强化传热效果，特别是采用强化管如低肋管与螺旋折流板结合，强化单相流体传热和冷凝传热时效果更佳。在螺旋流换热器中，壳程介质流动方向与管束横截面之间的夹角定义为螺旋角β，它将直接影响壳程流体的流动及传热特性。Lutcha 和Nemcansky 的模拟实验表明：在螺旋角较小(β<25°)时，螺旋折流板与弓形折流板的Nu 比值接近1.0，即螺旋流的换热效果与横向流相当；随着

β的增大，特别是在25°<β<40°时，Nu 比值随之迅速增加，并在β =40°时达到最大，后又随螺旋角β的进一步增大而迅速下降。国内外近年来的许多研究表明[6~7]，该支撑具有较好的传热与流体阻力性能，与传统折流板相比换热效率提高。在气- 水换热情况下，传递相同热量时，该换热器可减少30%~40% 的传热面积，节省材料20%~30%。在相同换热能力下，压降也大幅度降低。

2 折流杆式换热器

20 世纪70 年代初, 美国菲利浦公司为了解决天然气流动振动问题, 将管壳式换热器中的折流板改成杆式支撑结构, 开发出折流杆换热器( 图2) 。研究表明, 这种换热器不但能防振, 而且传热系数高。现在此种换热器广泛应用于单相沸腾和冷凝的各种工况。后来还出现了一种外导流筒折流杆换热器, 此种换热器能最大限度地消除管壳式换热器挡板的传热不活跃区, 增加了单位体积设备的有效传热面积。目前所有的浮头式换热器均采用了外导流筒。

图2 折流杆换热器

近些年, 又出现了直扁钢条支撑方式[8]和波浪型扁钢支撑结构[9]等新型支撑结构的折流杆换热器。这些新结构除了增加有效换热面积外, 更主要的是提高了对管子震动的抑制作用。

3 Packinox 换热器

Packinox 换热器也称作板壳换热器, 它由压力容器外壳和传热板束两部分组成(见图3)。压力容器外壳承受操作介质压力,板束由若干板片组焊而成,板片的流道设计成波纹状人字形排列,相邻板片走向相反,板片间相互交叉的波纹顶端形成接触点,用以支承冷热介质的压差[10~12]。这些接触点使流体在整个换热过

程中处于湍流状态,既保持高的传热效率又产生高剪切力,抑制了板面上污垢的

形成。板束的流道截面可以根据介质性质和操作要求设计成各种当量直径和形状。由板片焊接组装而成的板束,固定于压力容器壳体内部的支架上,并用波纹膨胀

节与壳体接管连接[13]。

图3 Packinox 换热器

4 翅片管式换热器

翅片管式换热器是人们在改进管式换热面的过程中最早也是最成功地

发现之一。直至目前，这一方法仍是所有各种管式换热面强化传热方法中

运用的最为广泛的一种。它不仅适用于单相流体的流动，而且对相变换热也有很大的价值。但20世纪60年代以前，普通的翅片管式换热器多采用表面结构未做任何处理的平翅片，这种形式的翅片除增大换热面积来达到强化传热的效果以外，再无其他强化传热作用。通过调整换热器的翅片间距，设计成为变翅片间距，实现结构优化，并对其换热性能与改进前换热器进行对比计算，提高了换热器的传热系数[14~15]。

图4 翅片管式换热器示意图