换热器1文献综述

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。

换热器的发展已经有近百年的历史，被广泛应用在石油、化、冶金、电力、船舶、集中供热、制冷空调、机械、食品、制药等领域。

进入80 年代以来，由于制造技术、材料科学技术的不断进步和传热理论研究的不断完善，有关换热器的节能设计和应用越来越引起关注。

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，这类换热器应用最广。

目前在发达的工业国家热回收率已达96 % ,换热设备在石油炼厂中约占全部工艺设备投资的35 %～40 %。

其中管壳式换热器仍然占绝对的优势, 约70 %。

其余30 %为各类高效紧凑式换热器、新型热管和蓄热器等设备, 其中板式、板翅式、热管及各类高效传热元件的发展十分迅速。

随着工业装置的大型化和高效率化, 换热器也趋于大型化, 并向低温差设计和低压力损失设计的方向发展。

当今换热器的发展以CFD (Computational Fluid Dynamics) 、模型化技术、强化传热技术及新型换热器开发等形成了一个高技术体系。

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。

螺旋槽管换热器，横纹管换热器，螺旋扁管换热器，螺旋扭曲管换热器，波纹管换热器，内翅片管换热器，缩放管换热器，波节管管壳式换热器，三维内肋管换热器，管内插入物换热器。

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。

在后来出现了一种外导流筒折流杆换热器,此种换热近些年,又出现了直扁钢条支撑方式和波浪型扁钢支撑结构等新型支撑结构的折流杆换热器,如图3 和图4 。

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。

板式换热器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最大的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。

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，其最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1000～10 000 m2。

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心力，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。

板翅式换热器在 20 世纪30 年代，板翅式换热器首先在先进国家用于发动机的散热，它的板束单元结构由翅片、隔板和封条三部分组成。

它具有扩展的二次传热表面（翅片），所以传热过程不仅是在一次传热表面（隔板）上进行，而且同时也在二次传热表面上进行[14]。

我国从20 世纪60 年代初期开始试制板翅式换热器，首先用于空分制氧，制成了第一套板翅式空分设备。

近几年来，在产品结构、翅片规格、生产工艺和设计、科研方面都有较大发展。

板翅式换热器由于结构紧凑、轻巧、传热强度高等特点，被认为是最有发展前途的新型换热器设备之一。

热管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、换热效率高，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。

美国Q-Dot 公司开发的热管换热器已有5000 多台的实际运行经验，日本古田电器公司设计的热管换热器已应用于700 多套设施。

经过20 多年的努力，我国先后开发成功了气-气热管换热器、热管蒸汽发生器(废热锅炉)、高温热管(液态碱金属热管)。

并在冶金、石油、化工、动力、陶瓷以及水泥等行业领域中应用取得了可喜的成果。

当前热管技术已趋成熟，应用面逐步扩大。

除了以上介绍的一些新型高效换热器外,还有以下几种:Hamon Lummus 公司的SRCTM 空冷式冷凝器、NTIW列管式换热器、英国Cal Gavin 公司的丝状花内插物换热器(Hit ran) 、日本的Hybrid 混合式换热器,俄罗斯的变形翅片管换热器、喷涂翅片管冷却器、非钎焊金属丝缠绕翅片管换热器和螺旋绕管式换热器、美国Chemineer 公司的Kenics 换热器、日本的SM型换热器(内插静态混合器) 、美国的Brown FintubeLtd1 的带扭带插入物的湍流增强式换热器( Exchanger With Turbulator ) 、美国Yuba 公司的Hemilok 换热器、澳大利亚Roach Heat Exchangers 公司的柔性换热器(Flexible Heat Exchanger) 等。

总的来说，仍然存在以下问题: ( 1) 换热器换热的理论研究不够完善，可供对肋片实际应用优化设计的理论依据太少，对于换热公式推导出的解析解较少，目前大多是通过试验、数据分析拟和而成的经验公式; ( 2) 换热的理论体系缺乏系统性，不够完善; ( 3) 因为试验环境、材料、仪器的精度以及试验方法不同，在同一个研究方向的某些问题的研究结论存在的分歧较多，很难形成统一的意见，暂不能形成对实践的可靠指导; ( 4) 目前对换热器的研究大多基于一维、二维的换热，国内对于三维的换热模型的研究过少，同时，对于一维和二维传热模型的前提假设条件很苛刻，得出的结论适用性不强; ( 5) 结合试验建立的部分换热理论还缺乏严谨性和局限性。

近期国内外开发研究的发展方向1)非金属材料应用。

非金属材料在一定的范围内具有金属材料不可比拟的优点。

石墨材料具有优良的导电、导热性能,较高的化学稳定性和良好的机加工性,氟塑料具有特别优良的耐腐蚀性。

氟塑料耐腐蚀性能极强,并且与金属材料相比还具有成本上的优势。

复合材料如搪瓷玻璃具有优良的耐腐蚀性能、良好的耐磨性、电绝缘性以及表面光滑不易粘附物料等优点,已经用于制作换热产品。

陶瓷材料因其优异的耐腐蚀性、耐高温性能而引起工业界的高度重视,已经在换热产品的制造中得到应用。

2)计算流体力学和模型化设计的应用。

在换热器的热流分析中,引入计算机技术,对换热器中介质的复杂流动过程进行定量的模拟仿真。

目前基于计算机技术的热流分析已经用于自然对流、剥离流、振动流和湍流热传导等的直接模拟仿真,以及对辐射传热、多相流和稠液流的机理仿真模拟等方面。

在此基础上,在换热器的模型设计和设计开发中,利用CFD的分析结果和相对应的模型实验数据,使用计算机对换热器进行更为精确和细致的设计。

3)加强实验和理论研究。

采用先进的测量仪器来精确测量换热器的流场分布和温度场分布,并结合分析计算,进一步摸清不同结构的强化传热机理。

采用数值模拟方法对换热器内流体流动和传热过程进行研究,预测各种结构对流场及传热过程的影响。

4)有源技术研究。

如利用振动、电场方法强化传热的机理研究、试验研究,给出对比试验数据,提出理论计算模型。

5)强化结构组合研究。

为达到管壳程同时强化的目的,强化结构组合研究将成为近期传热强化技术研究的发展方向。

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