波纹管换热器

波纹管是以普通光滑换热管为基管，采用无切削滚扎工艺使管内外表面金属塑性变形而成，双侧带有波纹的管型。波纹管管内被挤出凸肋，从而改变了管内壁滞流层的流动状态，减少了流体传热热阻，增强了传热效果。其常见的几何参数为：对于Ø25×2.5mm的换热管，波距s=17~19mm，波谷ε=1.4~1.6mm；对于Ø19×2.0mm的换热管，波距s=11~13mm，波谷ε=1.0~1.2mm。其结构图如图1。波纹管换热器采用了特殊截面波形管换热元件，用波纹型强化传热管取代管壳式换热器中的直管，将波纹管的优点与管壳结构的优点相结合，使换热器具有更好的传热效果和使用性能。任何一种新型强化传热管的研究都离不开传热理论的指导，对无相变传热来说，所有的研究均是以破坏边界层，使边界层减薄，降低边界层热阻，从而提高传热系数为目的。波纹换热管也不例外，其传热机理如下：

图1.波纹管结构图

图2.波纹管内流动模型: G1 |( |# [& F* z3 P

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(1)边界层的破坏。& q E# j' p2 s% @/ H: N/ m

波纹管是一种大小圆弧相切、内外型如波纹状的薄壁管子，具有呈周期变化的流道形状，其内流体流动模型如图2。波纹管特殊的波峰与波谷设计，使管内流体分为等直径流速型和弧形流速型，流体沿流动方向在波峰处速度降低、静压增大；波谷处速度增加、静压减小，使流速和压力总是处于规律性的扰动状态，冷热流体流动时会产生强烈扰动，流动状态达到充分湍流，使管内外流体不能形成与轴线平行的流股，管内外流体的温度、密度、杂质含量沿径向均匀分布。这样流体在反复改变速度及压力梯度下进行的，产生的漩涡冲刷着边界层，极大地破坏了边界层的形成。这种周期性的截面变化增加了靠近管壁附近的湍流强度和湍流的给热能力，使层流和过渡流达到湍流换热。当湍流即将消失时，流体又流经下一个波纹凸起，不断产生轴向扰动，保持稳定连续地强化作用，从而提高了传热速率，使传热效果显著提高。

(2)喷射与节流效应。

在波纹管的弧形段进口处发生喷射效应，在出口处发生截流效应，两种效应

的结果使管内侧产生无数小漩涡，加强了流体的湍流。弧形段内流体释放能量，

而在直线段内流体积聚能量，流体在管内周期性的能量积聚与释放使整个换热管

内表面都受到流体冲刷。

(3)管内扰动现象。

如前所述，由于波纹管式换热管束具有呈周期性变化的流道形状，因而，当

介质在管内流动时，会产生较强烈的管内扰动现象。也正是由于这种现象的存在，

使得即使介质流量发生变化或水质变差时，其管内垢膜及沉积物难以在管壁处生

成和聚集。所以使用波纹管式换热管束，不易形成污垢层，从而使换热系数得到

提高，换热器能够实现长期而稳定的强化传热。% R0 X; r5 T3 a6 D; Y; Y

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波纹管换热器属于列管式换热器，它由壳体、管束、管板和封头等几部分组成。在壳体内安装有数块折流挡板，不仅可防止流体短路、增加流体速度，而且还可以迫使流体按规定路径多次错流通过管束，使湍流程度增加。波纹管换热器的列管采用钛材质波纹管，非普通直管，其特点为：

(1) 热效率高。由于换热管采用波纹形式，管内流道截面连续不断地突变，造成流体即使在流速很低的情况下也始终处于高度湍流状态，难以形成层流，使对流传热的主要热阻被有效地克服，管内外传热被同时强化，因而传热系数很高，一般为直管式的2-3倍。

(2) 防垢能力强。由于流道内流体的高度湍流，使流体中的微粒难以沉积结垢，即使有少量污垢生成，由于波纹管上存在管壳程温差应力而产生的应变，使具有弹性特征的波纹管曲率发生微观变化，从而使波纹管换热器具有自然防垢

和自然除垢的能力。介质在管内外强烈湍流对管壁冲刷强烈，另外波纹管表面的光滑弧线也能抑制水垢的生成和生长。8 Z0 ^- _8 W$ P" ^ J8 ?

(3) 防漏能力强。因为每根换热管的各个波纹都具有自身补偿热胀冷缩的功能，因此不需要膨胀节之类的设置来减少管壳程的温差应力，有较强的适应热膨胀能力，从而减少了因热胀冷缩造成的设备开焊等漏损的可能。; Q3 y, D0 G2 U+ B

(4) 防震能力强。由于换热管波纹的加工，使其自身带有可塑性，而且可选用具有较好可塑性的不锈钢等材料来减小振动。此外，采用了波纹管与套管焊接后，再与管板相焊的结构，这样就使波纹换热管与管板不直接接触，减少了因厚度差引起的局部应力。与波纹管焊接的套管处，采用了缓冲节结构，也提高了其抗震性能。5 q, u3 G6 C3 ? U5 Y

(5) 动态性能好。由于产生强化扰动的流速范围达0.2m/s以上，故负荷变化而引起的管内流速变化时，也不影响换热性能。/ b5 l) \2 Y2 S( W9 \' `5 Q, E

(6) 减少设备维修量。由于该产品不污、不堵、不腐蚀、不结垢、密封性能好，不必像其它换热器那样年年维修。一旦需维修，工作量也很小。& }( o$ Z1 n0 c$ t& c* P

(7) 较高的承压能力。由于换热管做成一个个的波纹形结构，比光管增强了其承载压力的能力，使其更适合在较高的压力下工作。

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波纹管式换热器在研制、开发阶段主要针对水-水换热。水-水换热器设计、生产、质量已基本稳定。近年来，板式换热器发展速度很快，技术上也得到不断更新，主要在板型、密封胶带、安装形式等方面作了重大改进。因此只要温度、压力不是很高(低于200℃、1.6MPa)，其工程造价、运行成本都很低，换热能力不仅传统管壳式换热器无法与之相比，波纹管式换热器也相形见绌。然而板式换热器还存在维修工作量大、易堵、易漏等缺点，因此，用于水-水热交换时板式换热器还可与波纹管换热器争一席之地，但用于汽-水等其它介质热交换，波纹管换热器则显示出强大的生命力。