换热器的发展与改进-

换热器的发展与改进
换热器是化工、石油、能源等各工业中应用相当广泛的单元设备之一。

据统计, 在现代化学工业中换热器的投资大约占设备总投资的30% , 在炼油厂中占全部工艺设备的40% 左右, 海水淡化工艺装置则几乎全部是由换热器组成的。

对国外换热器市场的调查表明, 虽然各种板式换热器的竞争力在上升,但管壳式换热器仍占主导地位约64%。

新型换热元件与高效换热器开发研究的结果表明, 列管式换热器已进入一个新的研究时期, 无论是换热器传热管件, 还是壳程的折流结构都比传统的管壳式换热器有了较大的改变, 其流体力学性能、换热效率、抗振与防垢效果从理论研究到结构设计等方面也均有了新的进步。

目前各国为改善该换热器的传热性能开展了大量的研究, 主要包括管程结构和壳程结构强化传热的发展。

一．换热器设备的发展
二十世纪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，因此陆续发展为多种形式。

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，用于纸浆工厂。

在此期间，为了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60年代左右，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，从而推动了紧凑型板面式换热器的蓬勃发展和广泛应用。

此外，自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。

70年代中期，为了强化传热，在研究和发展热管的基础上又创制出热管式换热器。

二．换热器的分类
(一).按用途分类
换热器按用途不同可分为加热器、冷却器、冷凝器、和蒸发器等。

(二).按冷，热流体的传热方式分类
1.两流体直接接触式换热器
2.蓄热式换热器
3.间壁式换热器
这类换热器使用最多，热流体与冷流体用间壁隔开，热流体的热量通过间壁传给冷流体。

间壁式换热管可分：夹套式换热器，沉浸式蛇管换热器，喷淋式换热器，套
管式换热器，螺旋板式换热器，板式换热器，板翅式换热器，热管式换热器，列管式换热器
三．主流列管换热器
列管式换热器又称管壳式换热器，在化工生产中被广泛利用。

它结构简单、坚固、制造较容易，处理能力大，适应性能，操作弹性较大，尤其在高压、高温和大型装置中使用更为普遍。

管壳式换热器可分为以下几种主要类型：
固定管板式换热器固定管板式换热器固定管板式换热器固定管板式换热器它是管壳式换热器的基本结构形式。

管子的两端分别固定在与壳体焊接的两块管板上。

在操作状态下由于管子与壳体的壁温不同，二者的热变形量也不同，从而在管子、壳体和管板中产生温差应力。

这一点在分析管板强度和管子与管板连接的可靠性时必须予以考虑。

为减小温差应力，可在壳体上设置膨胀节。

固定管板式换热器一般只在适当的温差应力范围、壳程压力不高的场合下采用。

固定管板式换热器的结构简单、制造成本低，但参与换热的两流体的温差受一定限制；管间用机械方法清洗有困难，须采用化学方法清洗，不然壳程易结垢。

浮头式换热器浮头式换热器的结构为管子一端固定在固定管板上，管板夹持在壳体法兰与管箱法兰之间，用螺栓连接；管子另一端固定在浮头管板上，浮头管板与浮头盖用螺栓连接，形成可在壳体内自由移动的浮头。

由于壳体和管束间没有相互约束,即使两流体温差再大，也不会在管子、壳体和管板中产生温差应力。

浮头式换热器适用于温度波动和温差大的场合；管束可从壳体内抽出用机械方法清洗管间或更换管束。

但与固定管板式换热器相比，它的结构复杂、造价高。

U型管式换热器一束管子被弯制成不同曲率半径的U型管，其两端固定在同一块管板上，组成管束。

管板夹持在管箱法兰与壳体法兰之间，用螺栓连接。

拆下管箱即可直接将管束抽出，便于清洗管间。

管束的U形端不加固定，可自由伸缩，故它适用于两流体温差较大的场合；又因其构造较浮头式换热器简单，只有一块管板，单位传热面积的金属消耗量少，造价较低，也适用于高压流体的换热。

但管子有U形部分，管内清洗较直管困难，因此要求管程流体清洁，不易结垢。

管束中心的管子被外层管子遮盖，损坏时难以更换。

相同直径的壳体内，U形管的排列数目较直管少，相应的传热面积也较小。

双重管式换热器将一组管子插入另一组相应的管子中而构成的换热器。

管程流体从管箱进口管流入，通过内插管到达外套管的底从管箱出口管流出。

其特点是内插管与外套管之间没有约束，可自由伸缩。

因此，它适用于温差很大的两流体换热。

但管程流体的阻力较大，设备造价较高。

填函式换热器填函式换热器的结构，管束一端与壳体之间用填料密封。

管束的另一端管板与浮头式换热器同样夹持在管箱法兰与壳体法兰之间，用螺栓连接。

拆下管箱、填料压盖等有关零件后，可将管束抽出壳体外，便于清洗管间。

管束可自由伸缩，具有与浮头式换热器相同的优点。

由于减少了壳体大盖，它的结构较浮头式换热器简单，造价也较低；但填料处容易渗漏，工作压力和温度受一定限制，直径也不宜过大。

列管式换热器特点是：
这种换热器结构较简单，操作可靠，可用各种结构材料（主要是金属材料）制造，能在高温、高压下使用，是目前应用最广的类型。

由壳体、传热管束、管板、折流板（挡板）和管箱等部件组成。

壳体多为圆筒形，内部装有管束，管束两端固定在管板上。

进行换热的冷热两种流体，一种在管内流动，称为管程流体；另一种在管外流动，称为壳程流体。

为提高管外流体的传热分系数，通常在壳体内安装若干挡板。

挡板可提高壳程流体速度，迫使流体按规定路程多次横向通过管束，增强流体湍流程度。

换热管在管板上可按等边三角形或正方形排列。

等边三角形排列较紧凑，管外流体湍动程度高，传热分系数大；流体每通过管束一次称为一个管程；每通过壳体一次称为一个壳程。

图示为最简单的单壳程单管程换热器,简称为1-1型换热器。

为提高管内流体速度,可在两端管箱内设置隔板，将全部管子均分成若干组。

这样流体每次只通过部分管子，因而在管束中往返多次，这称为多管程。

同样，为提高管外流速，也可在壳体内安装纵向挡板，迫使流体多次通过壳体空间，称为多壳程。

多管程与多壳程可配合应用。

五．换热器的改进与发展方向
对与换热器的改进和新型换热器的发展方向其实相同。

基本可以定义为强化传热。

有传热方程 Q=KA△tm 可知：
增大传热系数K、传热面积A或传热平均温差△tm，都能是热流量Q增加。

所以提高传热效率的措施基本可以归结如下三点:
1.增大传热面积A
换热器单位体积内传热面积增大，传热将会得到强化。

这通过改进传热面结构就能做到。

例如，采用小直径管，翅片管或者螺纹管等代替光滑管，都可以增大单位体积的传热面积。

2.增大传热系数K
对于在传热过程中无相变的流体，增大流速和改变流动条件都可以增加流体的湍流程度，从而提高对流体的传热系数。

此外，采用导热系数较大的流体以及传热过程中有相变的载热体，都能增大传热系数。

3.增大传热平均温差△tm
传热温差主要是由物料和载热体的温度决定，物料温度有生产工艺决定，不能随意改变；载热体温度则与载热体种类有关。

载热体种类很多，温度范围各不相同，在选择是要考虑技术上的可行性和经济上的合理性。

当然上面是从公式入手还有其他方面提高传热.
(1)非金属材料的应用。

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。

下面介绍几种新型换热器
1. 螺旋折流板换热器螺旋折流板换热器是最新发展起来的一种管壳式换热器,是由美国ABB公司提出的。

其基本原理为:将圆截面的特制板安装在“拟螺旋折流系统”中,每块折流板占换热器壳程中横剖面的四分之一,其倾角朝向换热门涡街,从而提高有效传热温差,防止流动诱导振动;在相同流速时,壳程流动压降小;基本不存在震动与传热死区,不易结垢。

对于低雷诺数下(Re<1000)的传热,螺旋折流板效果更为突出。

2. 新型麻花管换热器瑞典Alares公司开发了一种扁管换热器,通常称为麻花管换热器。

螺旋扁管的制造过程包括了“压扁”与“热扭”两个工序。

改进后的麻花管换热器同传统的管壳式换热器一样简单,但改进了传热,减少了结垢,真正的逆流,降低了成本,无振动,节省了空间,无折流元件。

由于管子结构独特使管程与壳程同时处于螺旋运动,促进了湍流程度。

该换热器总传热系数较常规换热器高40%,而压力降几乎相等。

组装换热器时也可采用螺旋扁管与光管混合方式。

该换热器严格按照ASME标准制造,凡是用管壳式换热器和传统装置之处均可用此种换热器取代,它能获得普通管壳式换热器和板框式传热设备所获得的最佳值,估计在化工、石油化工行业中具有广阔的应用前景。

3. Hitan绕丝花环换热器该型换热器是英国CalGavinLtd公司开发的一种新产品,采用一种称之为Hitanmatrixelements的丝状花内插物,可使流体在低速下产生径向位移和螺旋流相叠加的三维复杂流动,可提高诱发湍流和增强沿温度梯度方向上的流体扰动,能在不增加阻力的条件下大大提高传热系数。

图 3 Hitan换热器用内插物内插件不仅可以促进管内流体形成湍流,同时可以扩大传热面积,提高传热效率。

目前,管内内插物主要是利用各种金属的条、带、片和丝等绕制或扭曲成螺旋形,如麻花铁、螺旋线、螺旋带及螺旋片等,或冲成带有缺口的插入带。

英国CalGavin公司研制出了一种叫Heatex的内插件。

这种内插件由一组延伸至管壁的圆芯体组成,它可使管侧传热效率提高2～15倍。

该公司还开发了一种叫Hitran的丝网内插件,将这种内插件用于液体工况,可使管壳式换热器管程传热效率提高25倍,用于气体工况,可使相应值提高5倍。

同时,与正常流速相比,这种内插件使换热管的防垢能力提高8～10倍。

4. 气动喷涂翅片管换热器俄罗斯提出了一种先进方法,即气动喷涂法,来提高翅片化表面的性能。

其实质是采用高速的冷的或稍微加温的含微粒的流体给翅片表面喷镀粉末粒子。

用该方法不仅可喷涂金属还能金属陶瓷混合物,从而得
到各种不同性能的表面。

通常在实践中翅片底面的接触阻力是限制管子加装翅片的因素之一。

为了评估翅片管换热器元件进行了试验研究。

试验是采用在翅片表面喷涂AC-铝,并添加了24A白色电炉氧化铝。

将试验所得数据加以整理,便可评估翅片底面的接触阻力。

将研究的翅片的效率与计算数据进行比较,得出的结论是:气动喷涂翅片的底面的接触阻力对效率无实质性影响。

为了证实这一点,又对管子与翅片的过渡区进行了金相结构分析。

对过渡区试片的分析表明,连接边界的整个长度上无不严密性的微裂纹。

所以,气动喷涂法促进表面与基本相互作用的分支边界的形成,能促进粉末粒子向基体的渗透,这就说明了附着强度高,有物理接触和金属链形成。

因而,气动喷涂法不但可用于成型,还可用来将按普通方法制造的翅片固定在热换器管子的表面上,也可用来对普通翅片的底面进行补充加固。

可以预计,气动喷涂法在紧凑高效的换热器生产中将会得到广泛应用。

5. 变形翅片管换热器为了提高翅片管螺旋冷凝蒸发器的效率，俄罗斯推出了一种变形翅片管螺旋冷凝蒸发器。

其方法是将冷压制直翅片管拉过各种直径的定径模具，然后使变形后的翅片表面成为半封闭腔。

在这种翅片表面上，其汽化情况与直翅片的汽化截然不同。

汽化过程发生在翅片表面，而不是象直翅片那样汽泡的生成和逸出都在翅片间隙中出现。

由于变形翅片间隙出口较逸出汽泡直径小，便能维持正常的汽相，从而省去分离相形成分离边界所需的能量。

如此，采用变形翅片管便可以提高单位管子长度上的热函，这样不仅强化了汽化过程，也扩展了传热面。

同时由于形成正常的分离相分离边界，从而缩短了冷凝周期.
6. 块式换热器块式换热器最早由德国ｓｉ＆ＨｏｅｃｈｓＣｅｒａｍ技术股份公司发明。

它由厚度０．８ｍｍ的片状材料层叠在一起，然后用热导率为１２０Ｗ／（ｍ・Ｋ）的陶瓷材料将其烧结成整体，这种技术完全象水流经过一样，在烧制陶瓷时，不但将大部分硅渗入碳化硅陶瓷上遗留细孔，而且完全紧密。

通过这种特殊的均匀ｓＪ，￣Ｌ，能提高耐腐蚀性能和最小灵敏度，并能在最高温度为２００℃的条件下工作。

该换热器具有耐高温、耐高浓度、耐氯化、耐氧化及耐腐蚀的特点，其许用温度可以达到ｌ３００～ｌ４００℃，一般用于超高温和强腐蚀环境中，并能在骤冷的条件下进行操作。

7. SRWTM型单排翅片管空气冷凝器该型换热器是Hamon2Lummus公司新推出的一种翅片管空气冷凝器。

与一般用3～4根圆形管重叠构造的设备不同的是,它由单根(排)特殊形状的扁平翅片管(19×200mm)构成。

翅片管两侧面焊接有波纹状板片,牢固可靠,整机构造见图4。

与一般多排式空气冷凝器相比,其传热性能和流动特性均优良,操作中无偏流,抗冻结,最适合于发电厂采用,应用采用范围迅速扩大。

8. 碳化硅换热器近年美国CarborundumCo.公司推出一种碳化硅制换热器,国外命名为HeatExchangerwithHexoloyRSiC,以代替金属、玻璃及其他管材。

其传热性能与石墨相同,但远高于其他材质。

它耐腐蚀,在204.4℃时能抗大多数化学物质。

硬度和强度均较其他管材高。

结束语
通过这次课题论文，我学到许多有关换热器方面的知识，了解了换热器的由来发展，改进和各种新型换热器。

不仅巩固化工原理上换热器的知识，还拓宽视野掌握最新换热器的知识。

更对过程装备专业有啦更深刻的了解，有利于自身的提高和发展。

参考文献
1. 马晓驰《国内外新型高效换热器》、
2. 胡明辅,等.折流栅抗振型换热器流体动力学及传热特性研究、
3. 曹伟.国外新型换热器技术、
4. 王志魁，等。

化工原理。

第四版、。