制冷與空調(diào)專業(yè)常用換熱器簡介.doc

換熱器換熱器的發(fā)展已經(jīng)有近百年的歷史，其在國民經(jīng)濟的諸多領(lǐng)域(如食品、制藥、石油化工、空調(diào)、動力、冶金、輕工等)得到廣泛的應(yīng)用。換熱器是化工、石油、制藥及能源等行業(yè)中應(yīng)用相當(dāng)廣泛的單元設(shè)備之一。定義：換熱器是將熱流體的部分熱量傳遞給冷流體的設(shè)備，又稱熱交換器。換熱器（heat exchanger），是將熱流體的部分熱量傳遞給冷流體的設(shè)備，又稱熱交換器。換熱器是制冷空調(diào)、暖通、化工、石油、動力、食品及其它許多工業(yè)部門的通用設(shè)備，在生產(chǎn)中占有重要地位。按使用功能分：冷凝器、蒸發(fā)器、再熱器、過熱器和再沸器等。換熱器種類很多，但根據(jù)冷、熱流體熱量交換的原理和方式基本上可分三大類即：間壁式、混合式和蓄熱式。在制冷空調(diào)、暖通等領(lǐng)域主要涉及混合式換熱器和間壁式換熱器，其中以間壁式換熱器應(yīng)用最多。一、混合式換熱器混合式熱交換器是依靠冷、熱流體直接接觸而進行傳熱的，這種傳熱方式避免了傳熱間壁及其兩側(cè)的污垢熱阻，只要流體間的接觸情況良好，就有較大的傳熱速率。故凡允許流體相互混合的場合，都可以采用混合式熱交換器，例如氣體的洗滌與冷卻、循環(huán)水的冷卻、汽-水之間的混合加熱、蒸汽的冷凝等等。它的應(yīng)用遍及化工和冶金企業(yè)、動力工程、空氣調(diào)節(jié)工程以及其它許多生產(chǎn)部門中。(1)冷卻塔(或稱冷水塔)在這種設(shè)備中，用自然通風(fēng)或機械通風(fēng)的方法，將生產(chǎn)中已經(jīng)提高了溫度的水進行冷卻降溫之后循環(huán)使用，以提高系統(tǒng)的經(jīng)濟效益。例如熱力發(fā)電廠或核電站的循環(huán)水、合成氨生產(chǎn)中的冷卻水等，經(jīng)過水冷卻塔降溫之后再循環(huán)使用，這種方法在實際工程中得到了廣泛的使用。 冷卻塔是利用空氣同水的接觸（直接或間接） 來冷卻水的設(shè)備。是以水為循環(huán)冷卻劑，從一系統(tǒng)中吸收熱量并排放至大氣中，從而降低塔內(nèi)空氣溫度，制造冷卻水可循環(huán)使用的設(shè)備。冷卻塔主要應(yīng)用于空調(diào)冷卻系統(tǒng)、冷凍系列、注塑、制革、發(fā)泡、發(fā)電、汽輪機、鋁型材加工、空壓機、工業(yè)水冷卻等領(lǐng)域，應(yīng)用最多的為空調(diào)冷卻、冷凍、塑膠化工行業(yè)。具體劃分，如下：A、空氣室溫調(diào)節(jié)類：空調(diào)設(shè)備、冷庫、冷藏室、冷凍、冷暖空調(diào)等； B、制造業(yè)及加工類：食品業(yè)、藥業(yè)、金屬鑄造、塑膠業(yè)、橡膠業(yè)、紡織業(yè)、鋼鐵廠、化學(xué)品業(yè)、石化制品類等； C、機械運轉(zhuǎn)降溫類：發(fā)電機、汽輪機、空壓機、油壓機、引擎等； D、其他類行業(yè) 冷卻塔的作用是將攜帶廢熱的冷卻水在塔體內(nèi)部與空氣進行熱交換，使廢熱傳輸給空氣并散入大氣中，其結(jié)構(gòu)示意圖見圖1，工作原理圖見圖2，實物圖見圖3。圖1 冷卻塔結(jié)構(gòu)示意圖圖2 冷卻塔工作原理圖圖3 冷卻塔實物圖(2)氣體洗滌塔(或稱洗滌塔)在工業(yè)上用這種設(shè)備來洗滌氣體有各種目的，例如用液體吸收氣體混合物中的某些組分，除凈氣體中的灰塵，氣體的增濕或干燥等。但其最廣泛的用途是冷卻氣體，而冷卻所用的液體以水居多?？照{(diào)工程中廣泛使用的噴淋室，可以認為是它的一種特殊形式。噴淋室不但可以像氣體洗滌塔一樣對空氣進行冷卻，而且還可對其進行加熱處理。但是，它也有對水質(zhì)要求高、占地面積大、水泵耗能多等缺點：所以，目前在一般建筑中，噴淋室已不常使用或僅作為加濕設(shè)備使用。但是，在以調(diào)節(jié)濕度為主要目的的紡織廠、卷煙廠等仍大量使。 圖4為大型商業(yè)建筑用中央空調(diào)組合式空調(diào)機組段中的噴淋室段。 (a) 噴淋室工作原理圖 (b) 噴淋室構(gòu)件組合示意圖 (c) 噴淋排管示意圖 (d) 中央空調(diào)組合式空調(diào)機組段噴淋室實物圖圖4大型商業(yè)建筑用中央空調(diào)組合式空調(diào)機組段中的噴淋室段(3)噴射式熱交換器在這種設(shè)備中，使壓力較高的流體由噴管噴出，形成很高的速度，低壓流體被引入混合室與射流直接接觸進行傳熱，并一同進入擴散管，在擴散管的出口達到同一壓力和溫度后送給用戶。 (4)混合式冷凝器這種設(shè)備一般是用水與蒸汽直接接觸的方法使蒸汽冷凝。二間壁式換熱器下面重點介紹本專業(yè)應(yīng)用最多的間壁式換熱器。間壁式換熱設(shè)備按照其功能可命名，如冷凝器、蒸發(fā)器、再熱器、過熱器和再沸器等；按換熱部件的特點可分為：管殼式換熱器、套管式換熱器、翅片管式換熱器（包括冰箱用絲管式冷凝器、箱壁式冷凝器、吹脹式蒸發(fā)器）、板式換熱器、板翅式換熱器、管帶式換熱器。（1）殼管式換熱器殼管式換熱器是石油、化工、冶金和制冷等工業(yè)部門中應(yīng)用最普遍(約占70)，理論研究和設(shè)計技術(shù)最完善，運用可靠性良好的一類換熱器。分為列管式和盤管式(平面型和空間型)，列管式又分為臥式殼管式與立式殼管式。其研究包括了管程和殼程兩側(cè)的傳熱強化研究。其由殼體、傳熱管束、管板、折流板（擋板）和管箱等部件組成。殼體多為圓筒形，內(nèi)部裝有管束，管束兩端固定在管板上。進行換熱的冷熱兩種流體，一種在管內(nèi)流動，稱為管程流體；另一種在管外流動，稱為殼程流體。為提高管外流體的傳熱分系數(shù)，通常在殼體內(nèi)安裝若干擋板。擋板可提高殼程流體速度，迫使流體按規(guī)定路程多次橫向通過管束，增強流體湍流程度。本專業(yè)主要用于大型中央空調(diào)水冷式機組的水冷式冷凝器、氨制冷系統(tǒng)等，主要有立式殼管式換熱器和臥式殼管式冷凝器。下面分別予以介紹： 立式殼管式冷凝器立式殼管式冷凝器的外殼是有鋼板焊成的圓柱形筒體，筒體兩端焊有多孔管板，在兩端管板的對應(yīng)孔中，用擴脹法或焊接法將無縫鋼管固定，成為一個垂直管束。其結(jié)構(gòu)如圖5所示。圖5 立式殼管式冷凝器立式冷凝器的主要特點是：1由于冷卻流量大流速高，故傳熱系數(shù)較高，一般K=600700(kcal/m2?h?)。2垂直安裝占地面積小，且可以安裝在室外。3冷卻水直通流動且流速大，故對水質(zhì)要求不高，一般水源都可以作為冷卻水。4管內(nèi)水垢易清除，且不必停止制冷系統(tǒng)工作。5但因立式冷凝器中的冷卻水溫升一般只有24，對數(shù)平均溫差一般在56左右，故耗水量較大。且由于設(shè)備置于空氣中，管子易被腐蝕，泄漏時比易被發(fā)現(xiàn)。 臥式殼管式冷凝器臥式冷凝器制冷設(shè)備與立式冷凝器有相類似的殼體結(jié)構(gòu)，但在總體上又有很多不同之處，主要區(qū)別在于殼體的水平安放和水的多路流動。臥式冷凝器兩端管板外面各用一個端蓋封閉，端蓋上鑄有經(jīng)過設(shè)計互相配合的分水筋，把整個管束分隔成幾個管組。從而使冷卻水從一端端蓋下部進入，按順序流過每個管組，最后從同一端蓋上上部流出過程中，要往返410個回程。這樣做既可以提高管內(nèi)冷卻水的流速，從而提高傳熱系數(shù)，又使使高溫的制冷劑蒸氣從殼體上部的進氣管進入管束間與管內(nèi)冷卻水進行充分的熱交換。冷凝下來的液體從下部出液管流入貯液筒。具體結(jié)構(gòu)如圖6所示，殼式換熱器實物圖見圖7-8。圖6 臥式殼管式冷凝器圖7 弓形折流板管殼式換熱器實物圖圖8 單殼程水平圓缺形折流板管殼式換熱器結(jié)構(gòu)示意圖知識補充：目前國內(nèi)殼管式換熱器主要還是采用弓型隔板作為管間的支撐結(jié)構(gòu)，在這種結(jié)構(gòu)的換熱器中，流體在殼程呈“z”形流動，在隔板和殼體內(nèi)壁相連處存在流動死區(qū)；流體在隔板間分離引起動量的急劇變化而造成壓力的嚴重損失；在隔板與殼體和傳熱管與隔板之間存在旁路流和泄漏流，降低了流體的有效質(zhì)量流量，這些缺點導(dǎo)致了殼管式換熱器傳熱系數(shù)低、壓降高。隨著金屬材料價格的不斷增長和節(jié)能工作的迫切需求，促進了高效殼管式換熱器的研究和應(yīng)用。近年來，螺旋隔板換熱器作為一種新型的殼管式換熱器形式，受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注，并在工業(yè)中推廣應(yīng)用，取得了很好的節(jié)能、節(jié)材經(jīng)濟效益。折流板是提高換熱器工效的重要部件。傳統(tǒng)換熱器中最普遍應(yīng)用的是弓形折流板，由于存在阻流與壓降大、有流動滯死區(qū)、易結(jié)垢、傳熱的平均溫差小、振動條件下易失效等缺陷，近年來逐漸被螺旋折流板所取代。理想的螺旋折流板應(yīng)具有連續(xù)的螺旋曲面。由于加工困難，目前所采用的折柳板，一般由若干個1/4的扇形平面板替代曲面相間連接，形成近似的螺旋面。在折流時，流體處于近似螺旋流動狀態(tài)。相比于弓形折流板，在相同工況下，這樣的折流板（被稱為非連續(xù)型螺旋折流板）可減少壓降45%左右，而總傳熱系數(shù)可提高20%30%，在相同熱負荷下，可大大減小換熱器尺寸。螺旋折流板管殼式換熱器如下圖10所示。(a)(b)(c) 殼管式換熱器螺旋折流板圖10螺旋折流板管殼式換熱器（2）套管式換熱器套管式換熱器是用兩種尺寸不同的標(biāo)準(zhǔn)管連接稱為同心圓的套管，外面的叫殼程， 內(nèi)部的叫管程。兩種不同介質(zhì)可在殼程和管程內(nèi)逆向流動(或同向)以達到換熱的效果。兩種不同直徑的管子套在一起組成同心套管，每一段套管稱為“一程”，程的內(nèi)管（傳熱管）借U形肘管,而外管用短管依次連接成排,固定于支架上。熱量通過內(nèi)管管壁由一種流體傳遞給另一種流體。通常，熱流體（A流體）由上部引入,而冷流體（B流體）則由下部引入。套管中外管的兩端與內(nèi)管用焊接或法蘭連接。內(nèi)管與U形肘管多用法蘭連接,便于傳熱管的清洗和增減。每程傳熱管的有效長度取47米。這種換熱器傳熱面積最高達18m2,故適用于小容量換熱。當(dāng)內(nèi)外管壁溫差較大時,可在外管設(shè)置U形膨脹節(jié)或內(nèi)外管間采用填料函滑動密封,以減小溫差應(yīng)力。管子可用鋼、鑄鐵、陶瓷和玻璃等制成,若選材得當(dāng),它可用于腐蝕性介質(zhì)的換熱。這種換熱器具有若干突出的優(yōu)點，所以至今仍被廣泛用于石油、石油化工等工業(yè)部門。具體結(jié)構(gòu)如圖11所示，實物圖如圖12所示。(d)圖 11 套管式換熱器結(jié)構(gòu)圖其主要特點有：結(jié)構(gòu)簡單，傳熱面積增減自如。因為它由標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件組合而成，安裝時無需另外加工。 傳熱效能高。它是一種純逆流型換熱器，同時還可以選取合適的截面尺寸，以提高流體速度，增大兩側(cè)流體的給熱系數(shù)，因此它的傳熱效果好。液-液換熱時,傳熱系數(shù)為 8701750W/（m 2）。 這一點特別適合于高壓、小流量、低給熱系數(shù)流體的換熱，特別適用于小型水冷式制冷與空調(diào)裝置。套管式換熱器的缺點是占地面積大；單位傳熱面積金屬耗量多，約為管殼式換熱器的5倍；管接頭多，易泄漏；流阻大。 結(jié)構(gòu)簡單，工作適應(yīng)范圍大，傳熱面積增減方便，兩側(cè)流體均可提高流速，使傳熱面的兩側(cè)都可以有較高的傳熱系數(shù)；缺點是單位傳熱面的金屬消耗量大，檢修、清洗和拆卸都較麻煩，在可拆連接處容易造成泄漏。為增大傳熱面積、提高傳熱效果，可在內(nèi)管外壁加設(shè)各種形式的翅片，并在內(nèi)管中加設(shè)刮膜擾動裝置，以適應(yīng)高粘度流體的換熱。(a)(b)圖12 套管式換熱器實物圖（3）翅片管式換熱器基于制冷與低溫技術(shù)中的特定工作條件，絕大多數(shù)場合都是使用間壁式換熱器，其中尤以傳熱元件為管子的熱交換器在制冷與低溫裝置中應(yīng)用最為廣泛，歷史也最為悠久。這是因為圓管加工簡單、工藝成熟、市場上容易得到、可以在很寬的壓力和溫度范圍內(nèi)可靠地工作，即使在工況不穩(wěn)定，熱應(yīng)力沖擊與機械振動等條件下仍能正常工作。此外，對傳熱管元件比較容易實現(xiàn)強化傳熱的加工要求，諸如傳熱管內(nèi)、外兩側(cè)加翅片，以及加工出所要求的翅片形狀，以實現(xiàn)強化傳熱；可使整個換熱器傳熱效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、尺寸小、重量輕、流動阻力也較??；可按設(shè)計目的組合成所要求的幾何尺寸特性和外表輪廓尺寸，具有較大的靈活性；和制冷與低溫裝置的其它部件組裝時，連接方便等等。此種形式的換熱器被廣泛用于家用空調(diào)的蒸發(fā)器和冷凝器，在早期的汽車空調(diào)或者冷藏車空調(diào)冷凝器中也廣泛采用。翅片管式冷凝器結(jié)構(gòu)圖見圖13，實物圖見圖14。翅片管式也叫管片式、管翅式，是較早應(yīng)用的換熱器形式。其套片方法是將厚度很薄的鋁箔，按管組排列方式，在高速沖片機上沖出折邊孔。然后將圓管穿人肋片孔中，將安裝好的管片在專門的脹管機上進行脹管，減小接觸熱阻。管翅式換熱器的研究進展可從研究內(nèi)容、研究目標(biāo)和研究手段等方面來概括，早期對管翅式換熱器的研究主要集中在翅片管排總的換熱性能和流動性能上，翅片的形式多是平直翅片，主要考察管徑、管排數(shù)、翅片間距、管排排列方式、翅片厚度等幾何參數(shù)對換熱及流阻的影響情況。其采用的翅片形式主要有：平直型翅片、波紋型翅片、條縫行翅片、百葉窗翅片、帶縱向渦發(fā)生器翅片等形式及其組合形式。圖13 翅片管式冷凝器結(jié)構(gòu)圖(a)(b)圖14 翅片管式冷凝器實物圖圖15 風(fēng)機盤管用翅片管式換熱器實物圖管片式冷凝器一般由圓管和各種型式的翅片構(gòu)成，翅片與傳熱管之間通過脹管聯(lián)結(jié)。套片法是我國當(dāng)前許多廠家所采用的工藝。其方法是將厚度為O103mm鋁箔，按管組排列形式速沖片機上沖出折邊孔?，F(xiàn)普遍采用雙翻邊孔，這樣做即可增加鋁箔與管子的接觸面積，提高換熱效率59，同時，也提高了肋片本身的剛度，便于裝配工序提高工效和質(zhì)量。還可控制肋片與肋片之間的間距，增加了產(chǎn)品的美觀程度。然后將銅管穿人片孔中，為保證鋁箔的孔邊與管子接觸良好，以減少接觸熱阻，必須將裝好的管片在專門的脹管機上進行脹管。脹管的方法有液壓式的和機械式的。液壓脹管是用1020MPa的油壓或水壓通入管內(nèi)，使管徑脹大約0.20.4mm，使管子達到塑性變形。這樣，管間的接觸面上就有一定的接觸壓力，保證管子與肋片之間接觸緊密。但是，有時因管子的材質(zhì)不均勻，受脹程度不一，會造成一些地方脹不足，而另一些地方又脹過頭。脹不足使管子和肋片接觸不良，導(dǎo)致過大的接觸熱阻，脹過頭，則可能使肋片的翻邊脹裂，同樣會造成過大的接觸熱阻。另外，液壓脹管后，尚需對管內(nèi)的油或水進行清洗、烘干。機械脹管是用比管子內(nèi)徑適當(dāng)大些的鋼球，以機械壓力擠過去，使管子脹大并達到塑性變形，這樣做可保證管子和肋片之間有良好的接觸。機械脹管較之液壓脹管均勻，接觸熱阻小，且可省去脹管后的許多后續(xù)工序，為當(dāng)今工廠普遍使用的方法。值得注意的是，由于管壁厚度與肋片厚度相差許多倍，所以，在換熱器工作過程中受到熱脹冷縮的影響，管子和肋片的線膨脹率不盡相同，兩者之間產(chǎn)生相對運動，經(jīng)過一段時間的工作之后，肋片上的基孔在這種情況下被逐漸擴大，管與片之間由脹管所造成的塑性變形內(nèi)應(yīng)力會隨之下降，接觸應(yīng)力相應(yīng)減低，從而引起接觸熱阻增大，換熱效率降低，這個問題對汽車空調(diào)器更值得重視。由于汽車在行駛中將產(chǎn)生比較強烈的顛簸和震動，管子和肋片之間原有的內(nèi)應(yīng)力在這樣條件下就更容易疲勞，引起管子和肋片之間的微觀松動。另外，肋片上的孔邊也會在強烈的振動下，因管子與肋片的振動頻率不同，相互之間產(chǎn)生相對運動被擴大，更加降低了換熱效率，同時還會帶來工作噪音的加大和使用壽命的縮短。因此，目前汽車空調(diào)冷凝器中很少采用這種形式，現(xiàn)在主要采用管帶式或者板翅式（平流式）。知識補充： 在風(fēng)冷熱泵型的空調(diào)設(shè)備中，翅片管式換熱器表面結(jié)霜是很普遍的問題，換熱器表面結(jié)霜增加了翅片和氣流間的熱阻，降低了換熱器的冷卻能力，減少了通過換熱器的氣流量，增加了氣流的壓力降。換熱器長時間結(jié)霜以后，氣流通道可能被完全堵塞，為了保證換熱器的理想性能，要周期性地循環(huán)除霜。在用來除霜的熱量中，事實上只有15%-20%被有效利用，其余的熱量都散到周圍的環(huán)境中。由于結(jié)霜的存在，工業(yè)上使用的制冷設(shè)備與相同條件下沒有結(jié)霜的設(shè)備相比較，體積大50%左右，能耗增加了25%。翅片管式換熱器表面結(jié)霜圖片見圖16。圖16 翅片管式換熱器表面結(jié)霜照片 冰箱常用的翅片管式換熱器冰箱常用的翅片管式換熱器：絲管式冷凝器、箱壁式冷凝器、鋁復(fù)合板吹脹式蒸發(fā)器。冷庫常用蒸發(fā)器也歸屬翅片管式換熱器。絲管式冷凝器為第一代冰箱冷凝器，現(xiàn)代冰箱主要應(yīng)用箱壁式冷凝器。其實物圖參見圖17所示。(a) 絲管式冷凝器(b) 箱壁式冷凝器(c) 冰箱實物圖圖 17 翅片管式換熱器吹脹式蒸發(fā)器目前在國內(nèi)外家用冰箱中采用的十分普遍。鋁復(fù)合板式蒸發(fā)器是利用預(yù)先以鋁-鋅-鋁三層金屬板冷軋而成的鋁復(fù)合板，按蒸發(fā)器所需的尺寸裁切好，平放在刻有管路通道的模具上，加壓到4900N，并用電加熱到440500，待復(fù)合板中間的鋅熔化后，以2.42.8MPa的高壓氮氣吹脹便形成管型，經(jīng)過數(shù)秒后再進行抽空，冷卻后，鋅層便與鋁板粘合，之后可以將其彎曲成所要的形狀，再將其搭邊鉚接即成。（或者采用印刷管路吹脹法）吹脹式蒸發(fā)器參見圖18。冷庫常用翅片管式蒸發(fā)器參見圖19。(a)(b)圖18 吹脹式蒸發(fā)器(a) (b)圖19某冷庫蒸發(fā)器（4）板式換熱器板片式換熱器板片式換熱器是由傳熱板片、密封墊片、壓緊板、上下導(dǎo)桿、支柱、加緊螺栓等零件組成。傳熱板片四個角開有角孔并鑲貼密封墊片，設(shè)備加緊時，密封墊片按流程組合形式將各傳熱板片密封連接，角孔處互相連通，形成迷宮式的介質(zhì)通道，使介質(zhì)在相鄰的通道內(nèi)逆向流動，經(jīng)強化熱輻射、熱對流、熱傳導(dǎo)進行充分的熱交換，板片式換熱器結(jié)構(gòu)示意圖見圖20，工作原理圖見圖21。由于傳熱片特殊的結(jié)構(gòu)，裝配后在較低的流速下（Re=200）就能激起強烈的湍流，因而加快了流體邊界層的破壞，強化了傳熱。板式換熱器一般工作壓力為0.3MPa1.6MPa,工作溫度一般低于160。具有傳熱效率高、占地面積小、壽命長、耐壓高、流動阻力小、拆卸方便、快捷等特點。被廣泛應(yīng)用于集中供熱與區(qū)域供冷領(lǐng)域，比如：熱電廠廢熱區(qū)域供暖，加熱生活用水，鍋爐區(qū)域供暖。1、高效節(jié)能：其換熱系數(shù)在30004500kcal/m2Ch，比管殼式換熱器的熱效率高35倍。 2、結(jié)構(gòu)緊湊：板式換熱器板片緊密排列，與其他換熱器類型相比，板式換熱器的占地面積和占用空間較少，面積相同換熱量的板式換熱器僅為管殼式換熱器的1/5。 3、容易清洗拆裝方便：板式換熱器靠夾緊螺栓將夾固板板片夾緊，因此拆裝方便，隨時可以打開清洗，同時由于板面光潔，湍流程度高，不易結(jié)垢。 4、使用壽命長：板式換熱器采用不銹鋼或鈦合金板片壓制，可耐各種腐蝕介質(zhì)，膠墊可隨意更換，并可方便在、拆裝檢修。 5、適應(yīng)性強：板式換熱器板片為獨立元件，可按要求隨意增減流程，形式多樣；可適用于各種不同的、工藝的要求。 6、不串液，板式換熱器密封槽設(shè)置泄液液道，各種介質(zhì)不會串通，即使出現(xiàn)泄露，介質(zhì)總是向外排出。(a)(b)(c)圖20 板片式換熱器結(jié)構(gòu)示意圖(a)(b)( c)圖21板片式換熱器工作原理圖螺旋板式換熱器螺旋板式換熱器是一種高效換熱器設(shè)備,適用汽汽、汽液、液液，對液傳熱。它適用于化學(xué)、石油、溶劑、醫(yī)藥、食品、輕工、紡織、冶金、軋鋼、焦化等行業(yè)。它主要由傳熱板、定距柱、連接管、頭蓋及襯墊等組成。兩塊厚約2.56mm的金屬板卷成一對同心圓的螺旋形流道，流道始于中心，終于邊緣。中心處用隔板將兩邊流體隔開，甲乙流體在金屬板兩邊的流道內(nèi)逆流流動而實現(xiàn)了熱交換。螺旋板式換熱器結(jié)構(gòu)示意圖見圖22。螺旋板式換熱器性能類似于板式換熱器。但也有獨特之處，其主要優(yōu)點：1o.傳熱效率高。螺旋板換熱器內(nèi)介質(zhì)螺旋型流動的離心力能增強湍流。據(jù)實驗，當(dāng)Re=14001800時就能形成湍流，且因流阻比殼管式小，流速可以更大。結(jié)果可以使傳熱系數(shù)提高2.5倍左右。此外，螺旋板式為全逆流，傳熱溫差也會更大。2o.結(jié)構(gòu)緊湊。單位體積傳熱面積可以為44100m2/m3,約為管殼式換熱器的23倍。3o.不易污塞。由于單流道，高流速，污垢不易沉積。4o.流阻較小。(a)(b)圖22 螺旋板式換熱器結(jié)構(gòu)示意圖（5）板翅式換熱器板翅式換熱器是一種傳熱效果更好，更為緊湊的板式換熱器，它是由平隔板和各種型式的翅片構(gòu)成板束組裝而成，如圖23所示。在兩塊平行薄金屬板（平隔板）間，夾入波紋狀或其他形狀的翅片，兩邊以側(cè)條密封，即組成為一個單元體。各個單元體又以不同的疊積適當(dāng)排列，并用釬焊固定，成為常用的逆流或錯流式權(quán)翅式換熱器組裝件，或稱為板束，現(xiàn)時將帶有集流進出口的集流箱焊接到板束上，就成為板翅式換熱器。 圖23 板翅式換熱器作為一種新型的緊湊式換熱器。它的發(fā)展使得換熱器的效率提高到新的水平，結(jié)構(gòu)更緊湊。這種換熱器的采用，滿足了飛機發(fā)動機中間冷卻和內(nèi)燃機車發(fā)動機、汽車發(fā)動機冷卻的需要。由于具有體積小、質(zhì)量輕、效率高、可處理兩種以上介質(zhì)的優(yōu)點，板翅結(jié)構(gòu)換熱器迅速在石油化工、乙烯裝置中得到推廣使用。在制冷空調(diào)領(lǐng)域，應(yīng)用于余熱回收有較大前景，比如：中央空調(diào)用熱回收式新風(fēng)機組、發(fā)動機余熱回收等；在空分行業(yè)，作為一種緊湊高效的換熱器，實現(xiàn)作為原料氣的空氣、增壓空氣和氧氣、氮氣、污氮氣等返流氣體之間的熱交換。板翅式換熱器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)核心是板束，板束是以多個由將翅片、導(dǎo)流片放入兩個隔板間再配合封條組成的通道焊接而成的整體。板翅式換熱器的板束裝配以必要的封頭、接管和制成部件就形成了完整的換熱器裝置，參見圖24，其工作原理圖見圖25，實物圖見圖26。 圖24 板翅結(jié)構(gòu)換熱器板翅式換熱器首先應(yīng)用于汽車和航空工業(yè)，20世紀(jì)50年代開始在空分設(shè)備中應(yīng)用。冶金、化學(xué)工業(yè)對空分設(shè)備的大量需求，有力推動了板翅式換熱器的技術(shù)進步。在我國，鋁制板翅式換熱器由杭州制氧機集團公司(以下簡稱：杭氧)等在20世紀(jì)60年代中期開發(fā)成功，使我國成為繼英國、美國和日本之后第四個能夠生產(chǎn)這種換熱器的國家。但杭氧當(dāng)時設(shè)計生產(chǎn)的鋁制板翅式換熱器多以低壓換熱器為主(20MPa)。隨著空分技術(shù)的不斷發(fā)展，尤其是內(nèi)壓縮流程的不斷成熟和應(yīng)用，要求板翅式換熱器的設(shè)計壓力提高。尤其進入20世紀(jì)80年代以來，隨著我國內(nèi)地和沿海油田的不斷開發(fā)和石油化工行業(yè)的快速發(fā)展，承受中、高壓的板翅式換熱器應(yīng)用日趨廣泛，由于國內(nèi)無法制造中、高壓力的板翅式換熱器，當(dāng)時我國用于大型空分設(shè)備和石油化工設(shè)備中的中、高壓板翅式換熱器全部依賴進口。圖25 板翅式換熱器工作原理圖圖26 板翅式換熱器實物圖板翅式換熱器的特點很多，包括以下幾個：1、板翅式換熱器的傳熱效率好板翅式換熱器的隔板和翅片都薄而透熱，對熱能的傳導(dǎo)性較好，且翅片對流體有攪動作用，能夠增大換熱器的換熱系數(shù)，因此板翅式換熱器能夠達到較高的換熱效率2、板翅式換熱器的結(jié)構(gòu)緊湊板翅式換熱器是由整體的板束組成，內(nèi)部結(jié)構(gòu)緊湊，再加上多數(shù)部件以鋁合金為材料制造，因此板翅式換熱器的體積小、重量輕，便于安裝和維護。傳熱面積可高達17300m2/m3,一般為管殼式換熱器的6-10倍。3、板翅式換熱器的適應(yīng)性好板翅式換熱器可以用于氣-氣、氣-液、液-液等各種流體傳熱組合，并能適應(yīng)逆流、錯流、多股流、多程流等各種不同的換熱工況，是換熱器中對工作要求適應(yīng)性最好的一種。4、板翅式換熱器的組合方式多，成本低板翅式換熱器能以串聯(lián)、并聯(lián)和串并聯(lián)等各種形式組合使用，可滿足各種大型設(shè)備的換熱需求，便于使用企業(yè)以積木式組合類擴大換熱器規(guī)模，批量生產(chǎn)降低經(jīng)濟成本。圖27為常用的幾種翅片形式：圖27常用的幾種翅片形式板翅式換熱器具有結(jié)構(gòu)緊湊、傳熱效率高等特點。但由于換熱器部件設(shè)計不當(dāng)、制造工藝以及安裝等原因會導(dǎo)致?lián)Q熱器內(nèi)部物流分配和溫度分布不均勻，進而導(dǎo)致?lián)Q熱效率降低。其中換熱器入口結(jié)構(gòu)（封頭）不合理是引起其內(nèi)部物流分配不均勻的重要因素。圖28為分配器的一種形式：圖28 帶分配器的板翅式換熱器（6）管帶式換熱器管帶式換熱器具體結(jié)構(gòu)及工作原理如圖29：圖29 管帶式換熱器1. 盤管；2.散熱翅片；A.氣態(tài)制冷劑；B.液態(tài)制冷劑圖30 汽車空調(diào)用管帶式冷凝器由于汽車在行駛中將產(chǎn)生比較強烈的顛簸和震動，管子和肋片之間原有的內(nèi)應(yīng)力在這樣條件下就更容易疲勞，引起管子和肋片之間的微觀松動，現(xiàn)在管翅式冷凝器在汽車空調(diào)中已很少采用。汽車空調(diào)冷凝器的阻力和換熱性能，直接影響著整個空調(diào)系統(tǒng)的性能。它的換熱效率，不僅直接影響冷性能，而且對降低整個空調(diào)系統(tǒng)的體積和質(zhì)量、節(jié)約原材料都有決定性意義。從質(zhì)量來看，它們占了整個汽車空調(diào)系統(tǒng)質(zhì)量的50，而體積則占80。直接威脅著汽車空間布局和有效容積。新型換熱設(shè)備在不斷發(fā)展，并迅速應(yīng)用于汽車空調(diào)系統(tǒng)中，對冷凝器的優(yōu)化設(shè)計具有很高的現(xiàn)實意義，并日益成為研究熱點。由于管帶式換熱器和平流式換熱器具有結(jié)構(gòu)緊湊，換熱效率高等優(yōu)點，現(xiàn)在在汽車空調(diào)中普遍應(yīng)用。（平行流式冷凝器換熱能力較管帶式冷凝器提高約30，而制冷劑側(cè)壓降僅是管帶式的2030。因此，平流式冷凝器作為一種新一代高效緊湊式換熱器必將為未來汽車空調(diào)主流。）三、蓄熱式換熱器蓄熱式換熱器用于進行蓄熱式換熱的設(shè)備。內(nèi)裝固體填充物，用以貯蓄熱量。在制冷空調(diào)行業(yè)，主要應(yīng)用于冰蓄冷空調(diào)，蓄冰裝置主要有冰球式、盤管式、動態(tài)冰漿式，參見圖31。冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)流程圖見圖29。（a） 蓄冰裝置(b) 蓄冰球圖31 蓄熱式換熱器 圖32 冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)流程圖下面章節(jié)為換熱器相關(guān)研究補充前沿知識補充：1. 換熱器傳熱強化方法換熱器的強化傳熱就是力求使換熱器在單位時間內(nèi)，單位傳熱面積傳遞的熱量達到最多。應(yīng)用強化傳熱技術(shù)的目的是：提高現(xiàn)有換熱器的換熱能力；減小設(shè)計傳熱面積，以減小換熱器的體積和質(zhì)量；減小換熱器的阻力，以減小換熱器的動力消耗；使換熱器能在較低溫差下工作。強化傳熱主要有3種途徑：提高傳熱系數(shù)、擴大傳熱面積和增大傳熱溫差。強化傳熱技術(shù)通常分為主動式和被動式兩大類。主動式強化傳熱需要消耗外部能量，如采用電場、磁場、光照射、攪拌：噴射等手段。被動式強化傳熱則不需要消耗外部能量，是換熱器強化傳熱主要采用的方法，如傳熱管的表面處理、傳熱管的形狀變化、管內(nèi)加入插入物，改變支撐。這里主要介紹被動式傳熱。(1)螺旋槽管螺旋槽紋管是表面具有螺旋形凹槽的一種強化傳熱管，傳熱管內(nèi)外表面的凸起或槽紋，干擾了管內(nèi)流體的流動，破壞了層流邊界層，流動狀態(tài)達到充分的湍流，產(chǎn)生的漩渦又不斷地擾動邊界層的流體，促進了傳熱管同流體間的熱交換；湍流度的增加也有助于避免污垢在傳熱管壁面的沉積，提高傳熱系數(shù)，增強了管內(nèi)外流體的換熱。螺旋升角對換熱的影響很大，大螺旋升角更有利于換熱。研究表明，螺旋槽管換熱器比光管的傳熱系數(shù)提高了24倍，在阻力損失和換熱面積相同時，換熱量可增加30一40。旋流管是螺旋槽紋管的衍生品，也叫異型螺旋槽管。其槽紋是半流線的勺形或w形，流體在其內(nèi)流動呈波狀特性，它的傳熱機理與螺旋槽管大體相同。這種傳熱管的傳熱面積和傳熱系數(shù)大大增加，傳熱系數(shù)比光管提高35倍，并且在相同傳熱量下旋流管的換熱系數(shù)比螺旋槽管高3一8，而壓力損失低5一10。(2)波紋管波紋管是表面有波紋狀突起的強化傳熱管，由于波紋管的壁很薄，傳熱管可以自由伸縮。流體在管內(nèi)流動時，截面不斷的變化，擾動流體，破壞層流邊界層，以強化傳熱。波紋管的傳熱效率通常是光管的24倍，同時還具有除垢能力強，溫差應(yīng)力小，結(jié)構(gòu)緊湊輕巧等特點。波紋管的壁薄，有波紋突起，可以有效地消除縱向應(yīng)力，但是波紋管的強度問題沒有很好的解決，應(yīng)用范圍受到限制。(3)橫紋管橫紋管由光管的外表面被滾壓成一圈圈有序的環(huán)形凹槽而成，與管子軸線成90。角。影響橫紋槽管綜合傳熱性能的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)為肋節(jié)距和肋形，而肋高影響較小，并且傳熱綜合因子隨流動Re數(shù)增大而迅速降低。橫紋抗垢能力要優(yōu)于光管，漸近污垢熱阻值約為光管的083，污垢狀態(tài)下橫紋管的強化比約為14。說明橫紋管其性能比光管要好，也比螺紋管好，在同樣傳熱效果下，阻力增加比螺旋槽管少。(4)螺旋橢圓扁管螺旋橢圓扁管是把圓形光管壓成橢圓形，然后扭曲而成，流體在管內(nèi)處于螺旋流動狀態(tài)，因而破壞了管壁附近的層流邊界層，提高了傳熱效率。這種管束結(jié)構(gòu)的特點是：兩個并行排列的相鄰管子的橢圓長軸相互接觸，互相支撐，應(yīng)用這種管的換熱器取消了附加的管束支撐物，節(jié)約了材料和成本。研究表明，螺旋橢圓扁管換熱器具有較好的強化傳熱性能，管徑大小和螺旋導(dǎo)程對傳熱和阻力性能均有影響。從綜合性能來看，大管徑優(yōu)于小管徑；對于相同規(guī)格的管子，導(dǎo)程增大，傳熱性能降低流動阻力減小。這種結(jié)構(gòu)的換熱器與光管換熱器相比，熱流密度高50，容積小30。2. 換熱器新技術(shù)（1）不結(jié)垢換熱器不結(jié)垢換熱器的開發(fā)，國外始于20世紀(jì)70年代初，用于海水脫鹽，后來應(yīng)用到化工、食品、海水淡化和造紙等領(lǐng)域，尤其應(yīng)用在一些會發(fā)生嚴重結(jié)垢的場合，或含有大量不溶解顆粒的液體處理系統(tǒng)中。而國內(nèi)從20世紀(jì)90年代初對不結(jié)垢換熱器進行基礎(chǔ)性試驗研究。近年來，長嶺煉油化工總廠研制成功了一種稱之為管內(nèi)彈簧自動清洗高效自潔換熱器，其技術(shù)核心是螺旋形彈簧和固定元件組成的一個簡單的機械系統(tǒng)，將此系統(tǒng)安裝在換熱器管內(nèi)，在流體動能作用下，該系統(tǒng)產(chǎn)生連續(xù)的振動，促進湍流程度，破壞了污垢生成條件，從而達到防垢和強化傳熱的目的。使用該換熱器總傳熱系數(shù)可提高3050，除垢率達到5070。（2）微通道換熱器換熱器T質(zhì)通過的水力學(xué)直徑從管片式的廬1050mm，板式的聲310mm，不斷發(fā)展到小通道的062mm，微通道的10600m，這是現(xiàn)代微電子機械快速發(fā)展對傳熱的現(xiàn)實需求，也是微通道具有的優(yōu)良傳熱特性使然。微通道技術(shù)同時觸發(fā)了傳統(tǒng)工業(yè)制冷、汽車空