浮头式换热器的设计文献综述

浮头式换热器的设计文献综述

化学生物学专业：茹意指导老师：彭钢

摘要：进入8O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。据统计，换热器的投资约占全部设备投资的40％。因此，从节能、节材和节约资金角度来说，如何选用高效换热器已不可避免地成为每个工程设计人员面临的问题。目前，节能减排已成为我国“十二五”期间重要战略的举措，高效节能换热器的研究也成为当今地下换热领域研究的热点[1]。

关键词：换热器；传热系数；浮头式换热器

二、正文

1.国内外换热器的发展以及分类

1.1国强化传热系数指提高流体和传热之间的传热系数。

其主要方法归结为下述两个原理：温度边界层减勃和调换传热面附近的流体。因此最近十几年来，强化传热技术受到了工业界的广泛重视，得到了十分迅速的发展，凝结是工业中普遍遇到的另一种相变换热过程，凝结换热系数很高，但经过强化措施还可以进一步提升换热效率。管外凝结换热的强化对冷却表面的特殊处理，主要是为了在冷却表面上产生珠状凝结。珠状凝结的换热系数可比通常的膜状凝结高5~10倍，由于水和有机液体能润湿大部分的金属壁面，所以应采用特殊的表面处理方法（化学覆盖法、聚合物涂层法和电镀法等），使冷凝液不能润湿壁面，从而形成珠状凝结。用电镀法在表面涂一层贵金属，如金、铂、钯等效果很好，缺点是价格昂贵。冷却表面的粗糙化粗糙表面可增加凝结液膜的湍流度，亦可强化凝结换热。实验证明，当粗糙高度为0.5mm时，水蒸气的凝结换热系数可提高90%。值得注意的是，当凝结液膜增厚到可将粗糙壁面淹没时，粗糙度对增强凝结换热不起作用。有时当液膜流速较低时，粗糙壁面还会滞留液膜，对换热反而不利。

采用扩展表面，在管外膜状凝结中常常采用低肋管，低肋管不但增加换热面积，而且由于冷凝流体的表面张力，肋片上形成的液膜较薄，因此其凝结换热系数可比光管高75%~100%。应用螺旋槽管和管外加螺旋线圈。螺旋槽管，管子内外壁均有螺纹槽，既可强化冷凝换热，又可强化冷却侧的单相对流换热，与光管相比其凝结强度可提高35~50%。在管

外加螺旋线圈，由于表面张力使凝结液流到金属螺旋线圈的底部而排出，上部及四周液膜变薄，从而凝结换热系数有时甚至可提高2倍。管内凝结换热的强化扩展表面法，采用内肋管是强化管内凝结的最有效的方法，试验表明，其换热系数比光管高20~40%。按光面计算则换热系数可高1~2倍。

采用螺旋槽管等流体旋转法可以强化凝结换热。换热效率同比提升30%，但此时流动阻力也会增加。

改变传热面形状的方法有多种，其中用于无相变强化传热的有横波纹管、螺旋螺纹管和缩放管，还有螺旋扁管和偏置折边翅片管。都是高效换热元件。

值得注意的是，在强化凝结换热之前，应首先保证凝结过程的正常进行。例如，排除不凝气体的影响，顺利地排除冷凝液等。改变实践证明，在降低流体在壳程的阻力并保证流体在湍流状态下流动，这样才能充分的提高介质的换热系数，内翅片管、横螺纹管、螺旋螺纹管都一样，不但可用于单相对流传热，也可以有效的用于管内流动沸腾传热（螺纹管在湍流时可使对流传热系数增加一倍多）。当然现在各式换热器的设计各有新颖之处，结构上各具特色。原有的换热器厂家最近也研制出一种新型Hybrid换热器，他克服了板式因密封问题而受到限制的弱点，很有发展前途。

近年来，随着制造技术的进步，强化换热元件的开发，使得新型高效换热器的研究有了较大的发展，根据不同的工艺条件与工况设计制造了不同结构形式的新型换热器，也取得了较大的经济效益。故我们在选择换热设备时一定要根据不同的工艺、工况要求选择。换热器的作用可以是以热量交换为目的。在即定的流体之间，在一定时间内交换一定数量的热量；也可以是以回收热量为目的，用于余热利用；也可以是以保证安全为目的，即防止温度升高而引起压力升高造成某些设备被破坏。换热器的作用不同，其设计、选型、运行工况也各不相同。对换热器的基本要求是换热器要满足换热要求，即达到需求的换热量和热媒温度;换热器的热损失要少，换热效率要高;流动阻力要小;要有足够的机械强度，抗腐蚀和抗损坏能力要强，维护工作量要少;结构要合理，工作要安全可靠，即零部件之间因为温升而产生的热应力不会导致换热器破裂;要便于制造、安装和检修;经济上要合理，设奋全寿命期的总投资要少（总投资包括设备及附属装置初投资费用和运行维护管理费用）;生活热水系统的换热器应易于清除水垢，以上要求常常相互制约，难于同时满定，因此应视具体情况，在换热器的选型和设计中有所侧重，满足工程对换热器的主要要求。因为换热器故障率较低，并且供暖为季节性负荷，有足够的检修时间，生活热水系统暂停供热也不会造成重大影响，所以可不设备用换热器。换热器台数的选择和单台能力的确定应适应热负荷的分期增长，并考虑供热的可靠性。

未来，国内市场需求将呈现以下特点：对产品质量水平提出了更高的要求，如环保、节能型产品将是今后发展的重点；要求产品性价比提高；对产品的个性化、多样化的需求趋势强烈；逐渐注意品牌产品的选用；大工程项目青睐大企业或企业集团产品。国内经济发展带来的良好机遇，以及进口产品巨大的可转化性共同预示着我国换热器行业良好的发展前景。同时，行业发展必须要注重高端产品的研发。

1.2国外换热器的现状及发展

近年来，在生物、电子制造业、汽车制造业、航空以及空间技术等领域也开始大量使用换热设备，其技术进步已经直接关系到国民经济的发展和人民生活质量的提高，而换热器技术的发展也时刻为人们所关注。在国内换热器技术快速发展的同时，国外特殊结构换热器也有新的进展。主要包括以下几种：（1）热塑性全焊式换热器；（2）插塞式接头转换器式换热器；（3）板式换热器一反应嚣一体化装置；（4）毛细板式换热器；（5）多孔翅片板翅式换热器；（6）氟塑料制蛇管式换热器；（7）Heliflow 螺旋盘管式换热器；（8）De换热器[2]。1.3国内外的新型换热器发展

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。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]。换热器的新技术得到了实用化，并进一步扩大其适用范围，具有高效、低耗、性能优越的新型换热器将推广应用，我国应借鉴国外先进换热器技术，努力赶上国际先进水平[4]。一个稳定的数值模型开发了过滤和热量交换,预测这两个层面维瞬态响应的两种固体和流体的阶段[5]。在世界范围内，虽然目前管壳式换热器仍占主导地位，但各种板式换热器的竞争力在逐渐上升[6]。传热的概念碳化硅紧凑碳化硅紧凑换热器研究了可用于设计中间换热器操作在高温下聚变反应堆[7]。翅片式换热器，这种换热器表面一般进行了翅片密度测试，换热性能比较好[8]。

2.换热器的制造

换热器的制造首先是通过给定的相关参数，比如管板、传热管按压差及温差、材料要求、工作介质、焊缝要求、热处理要求等等。

设计换热器最终计算出流体的出口温度，核算我们所选用的换热管材料、数量及换热片数量，是否完全能够满足设计要求。换热器制造过程中的焊接过程：外壳体的焊接、筒壳与端盖的焊接和管箱的焊接[9]。在换热器生产过程中存在着不能立即反映出来的问题。主要包括：生产换热器时造成其密封槽的底平面高于外圄平面，而管箱的隔板低于外圄密封面，这样造成配合时出现隔板垫片压实不紧甚至出现密封间隙；折流板的不规范；进行管子的截取时操作中误差太大[10]。