换热器的研究现状及应用进展

换热器的研究现状及应用进展

摘要：换热器是一种非常重要的换热设备，是实现不同介质在不同温度下传热

的节能设备。它可以利用低温介质对高温介质进行冷却，达到冷却、预冷的效果，也可以利用高温介质对低温介质进行加热，使工艺温度达到生产的要求。长期以来，换热器强化传热技术受到了世界各国学者的关注，高效节能的新型换热器层

出不穷。

关键词：换热器；研究现状；应用进展；

一、换热器的研究现状

1.管式换热器。管式换热器是最典型的间壁式换热器，它操作可靠、结构简单、可在高温高压下使用，是目前应用最为广泛的换热器类型之一。然而，研究

表明，与以往传统的管壳式换热器不同，新型换热元件和高效换热器的研发已经

进入了一个新时期。从目前诸多的研究成果来看，改善换热器的方法主要有对管

程结构改进和对壳程结构改进两大类。在管程结构改进中主要有改变传热面积和

加入管内插入物两类。在壳程结构改进中主要有改变管子外形及表面特性和改变

壳程管间支撑物结构两种。（1）螺旋槽纹管换热器。螺旋槽纹管是一种高效益

异形的强化传热管件，它通过改变传热面的形状大大强化了流体的换热效果。二

十世纪七十年代，美、日、英等国对螺旋槽纹管换热器进行了大量的研究，基于

螺旋槽纹管的特性，美国Argonne国家实验室和GA技术公司设计螺旋槽纹管换

热器的传热效率比光管提高了2至4倍。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）管内插入物换热器。管内插入物换热器是通过在管

内添加插入物增加流体的湍动程度，加强近壁面和流体中心区域的混合程度，从

而达到了强化传热的目的。管内添加物的种类多种多样，常见的有加入纽带、螺

旋线、螺旋片等。试验研究表明，管内插入纽带之后，如果是层流换热，则对流

传热系数可增大2至3倍，压降增加3倍以上。若是紊流换热，传热系数仅增大30%左右，而压降增大2倍以上。管内插入物加工简单，特别适合对已有设备进

行升级改造。（3）折流杆式换热器。传统的管壳式换热器装有折流板，这种结

构的流动阻力大，容易使换热管发生震动而被破坏，为了解决这个问题并强化传

热效果，折流杆换热器应运而生。它通过改变壳程管间支撑物结构强化了传热。

折流杆式结构至少由四片折流栅组成，两横两竖，每个折流栅由若干个相互平行

的折流杆镶嵌在一个折流圈上。折流杆换热器几乎不存在流动死区，从而彻底解

决了传统的折流板换热器中存在的流动死区的问题。另外折流杆换热器不易结垢，流体在经过折流杆时产生文丘里效应对管壁有强烈的冲刷作用使得污垢难以形成。（4）管翅式换热器。管翅式换热器广泛应用于制冷行业，与普通的管壳式换热

器相比，它传热系数高、结构紧凑、使用寿命长、拆装简易，是一种安全可靠的

换热器。管翅式换热器通过在管外加装翅片，强化了壳程的传热。对总结了不同

翅片形式强化传热的机理及翅片参数对传热与流阻的影响规律。对管翅式换热器

进行了优化设计，计算出了特定工况下的最佳换热性能参数，并进行了计算机辅

助优化设计程序的开发。

2.板式换热器。板式换热器是由一系列波纹状的薄板按照固定的间隔并通过

垫片紧压而形成的换热器，板式换热器与管式换热器相比，在相同的污垢系数下，总传热系数是管式换热器的2至3倍，压力损失为其0.5至1倍，重量为其0.25

至0.5倍。体积和占地面积为其的0.3至0.5倍，因此板式换热器的性能更佳。但

是，由于板式换热器密封周边长且使用中常常需要清洗，对有垫圈的板式换热器

来说不能在高温高压下使用，并且它的处理量也不如管式换热器，因此板式换热

器应用的广泛度不如管式换热器。近些年来，国内的一些学者对板式换热器的研

究也获得了很大的进展。采用曲线坐标下的低雷诺数模型对波纹板式换热器进行

了数值模拟并得到了速度场和温度场。设计出了一种区别于传统人字形波纹板的

新型微板点波换热器，它有更高的传热效率和更低的材料消耗并有压降更少体积

更小的优点。在恒定壁面材料、流速和水温的条件下建立了基于模拟退火支持向

量机的板式换热器污垢热阻预测模型。设计了一种六边形隔板的板式换热器，并

对它进行了模拟，结果显示这种换热器具有准逆流换热的特点并具有强化换热的

作用。

二、换热器的应用进展

1.Packinox换热器。Packinox换热器是在当前科学技术发展滞后下形成的一种新型换热器应用形式，在该种换热器应用过程中，整体零部件都是由焊接组成的；并且在焊接过程中，通过爆炸法形成波纹状传热面积，从而进行热量的传输和转换。在Packinox换热器应用过程中，能够对换热器内部热量流动方式进行控制；

由于各个板式之间气体流通压强不同，使得整个换热器应用过程中，对于换热器

内部压强控制提出了新的要求；只有按照换热器内部压强处理要求，将相关压强

处理方式进行调整，才能满足换热器压强控制需求，完成热量交换，满足人们对

于热量交换的控制需求。一般情况下，Packinox换热器在应用过程中，能够承受

的最大压力为4MPa，可传热面积为1000～10000m2。

2.薄板型Lamella换热器。薄板型Lamella换热器是在现有换热器市场研究和

发展中形成的一种新型换热器应用方式，由于薄板型Lamella换热器在应用过程

中是由两个不同的金属片构成的，所以在金属片离子焊接过程中，能够完成对换

热器内部热量传热方式的控制。在整换热器运行过程中，当内部压力增大时，为

了能够有效调整压力传输方向，应该针对压力传输中强度以及板式换热器内部压

力运行方式作出控制；并且科学地控制换热器内部污垢清洁方式，在清洁方式处

理和控制中，能够为换热器性能控制提供保障，展示出换热器处理特色，减少污

垢对换热器的传热影响。

3.块式换热器。块式换热器也是一种新型换热器应用形式，在当前我国换热

器研究和发展中，人们为了能够更好地研究换热器，通过对换热器构成材料分析，发现通过改进材料组装方式，能够提升换热器换热传输效果，对于换热器工作性

能优化具有重要意义。通过块式换热器应用，能够提升换热器耐热性，并且在换

热器现实运用过程中，可在1300℃～1400℃高温环境下运行，对于换热过程中热量传输与转换具有独特的处理能力；在针对块式换热器研究中，人们发现通过对

换热器的构成方式和内部构成材料，能够最大限度地提升换热器处理效率，为换

热器应用与实践提供保障。

4.板式换热器CFD。板式换热器CFD是一种新型换热器应用形式，在当前科

学技术发展中，人们对于换热器研究和应用中效率提出了新的要求，要想更好地

展示换热器传输特色，就需要对换热器热量传输处理中的效率控制问题加以分析。采用板式换热器CFD能够在换热器传输控制中，对换热器内部热量交换方式进行

调整，并借助温度场分布和速度场分布实现换热器内部热量传输与转换，最大限

度满足人们对于换热器热量传输控制的需求。同时，在板式换热器CFD应用过程中，能够通过换热器内部波纹板式进行数值模拟控制，实现了人们对于换热器热

量传输控制的目标，满足了换热器市场应用需求。