淺論換熱器及其發(fā)展趨勢

淺論換熱器及其開展趨勢摘要:換熱器是工業(yè)部門廣泛使用的一種設(shè)備。為了適應(yīng)所需，換熱器的類型多而復(fù)雜，本文根據(jù)作用原理和傳熱方式主要分為直接接觸式換熱器、蓄熱式換熱器、間壁式換熱器和中間載熱體式換熱器進行了簡要介紹。間壁式換熱器仍是應(yīng)用最廣泛的一類換熱器，因此以其一列管式換熱器為例概括了換熱管的現(xiàn)狀和相應(yīng)的換熱器的開展進展。關(guān)鍵詞：換熱器；換熱管；現(xiàn)狀；開展一、換熱器介紹換熱器是一種使熱量從熱流體傳遞到冷流體的設(shè)備，它在許多工業(yè)部門被廣泛使用，包括化工、煉油、動力、食品、輕工、原子能、制藥、機械等等。其主要功能有兩點，一是使流體溫度到達工藝流程規(guī)定的指標，以滿足工藝流程上的需要；二是有效的回收利用預(yù)熱、廢熱，特別是低位熱能。在化工生產(chǎn)中換熱器可作為加熱器、冷卻器、冷凝器、蒸發(fā)器和再沸器等，應(yīng)用相當廣泛，自然的，其類型也相當多，假設(shè)按照作用原理和傳熱方式那么分為直接接觸式換熱器、蓄熱式換熱器、間壁式換熱器和中間載熱體式換熱器。1.1直接接觸式換熱器直接接觸式換熱器又稱混合式換熱器，是依靠冷、熱流體直接接觸而進行傳熱的，這種傳熱方式防止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，具體應(yīng)用有冷卻塔、氣壓冷凝器、氣體洗滌器等。圖1-1直接接觸式換熱器圖1-1直接接觸式換熱器蓄熱式換熱器與回熱式換熱器相對應(yīng)，是一種應(yīng)用歷史比擬久遠的換熱裝置，回熱式換熱器中兩種流體的換熱是通過各個位置的固定邊界進行的，在穩(wěn)定運行時換熱器的內(nèi)的溫度只與位置有關(guān)，而在蓄熱式換熱器熱量的傳遞都是動態(tài)的，同時依賴于位置和時間。［1］在蓄熱式換熱器中，冷、熱流體交替地流過同一固體傳熱面及其所形成的通道，依靠構(gòu)成傳熱面的物體的熱容作用〔吸熱或放熱〕，實現(xiàn)冷、熱流體之問的熱交換。蓄熱式換熱器有受熱面回轉(zhuǎn)式和風罩回轉(zhuǎn)式兩種：前者是由轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動使煙氣和空氣交替沖刷蓄熱元件；后者是由風罩轉(zhuǎn)使煙氣和空氣交替沖刷蓄熱元件。該換熱器適用于流量大的氣一氣熱交換場合，如動力、硅酸鹽及石油化工等工業(yè)中的余熱利用和廢熱回收等方面。［2］蓄熱式換熱器的優(yōu)點也很明顯，首先是結(jié)構(gòu)緊湊，其次它是由由固體填充物構(gòu)成的蓄熱體作為傳熱面的，交替地通過同一通道利用蓄熱體來吸熱和放熱，其單位面積傳熱面大，適用于氣-氣熱交換，如回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器。但局限在于不允許兩種流體混合。圖1-2蓄熱式換熱器圖1-3燃燒室圖1-2蓄熱式換熱器圖1-3燃燒室1.3間壁式換熱器間壁式換熱器又稱為外表式換熱器，利用間壁〔固體壁面〕進行熱交換。是應(yīng)用最廣泛的一類換熱器，形式也多種多樣，如板式換熱器、板翅式換熱器、列管換熱器三類。相比而言，板式換熱器具有換熱效率高、熱損失小、結(jié)構(gòu)緊湊輕巧、占地面積小、安裝清洗方便，使用壽命長等特點；板翅式換熱器制造工藝要求更為嚴格，且容易堵塞，不耐腐蝕，清洗檢修困難，但其傳熱性能特別好；列管式換熱器又稱管殼式換熱器，是工業(yè)上應(yīng)用最廣泛的換熱設(shè)備，又分為固定管板式換熱器、U形管式換熱器、浮頭式換熱器。管殼式換熱器由一個殼體和包含許多管子的管束所構(gòu)成，冷、熱流體之間通過管壁進行換熱的換熱器。它適應(yīng)于冷卻、冷凝、加熱、蒸發(fā)和廢熱回收等各個方面。通常管殼式換熱器的工作壓力可達4兆帕，工作作溫度在200℃以下。在個別情況下還可到達更高的壓力和溫度。一般殼體直徑在1800ram以下，管子長度在9m以下，在個別情況下也有更大或更長的。其優(yōu)于其他兩種的特點是結(jié)構(gòu)鞏固、可選用的結(jié)構(gòu)材料范圍廣，故適應(yīng)性強、操作彈性較大。因此，在高溫、高壓和大型裝置上多采用列管式換熱器。圖1-4管殼式換熱器圖1-4管殼式換熱器間壁式換熱器應(yīng)用廣泛，工作壞境多變且較為惡劣，例如局部間壁式換熱器操作壓強高達2*105Kpa，溫度-250到1500℃的范圍內(nèi)變化，某些流體的腐蝕性又特別嚴重等。每種類型的換熱器都有優(yōu)缺點，選擇換熱器類型時，要考慮的因素很多，例如材料，壓強，溫度，溫度差，壓強降，結(jié)垢腐蝕情況，流動狀態(tài)，傳熱效果，檢修和操作等。對同一種換熱器而言，某種情況下使用是好的，而在另外的情況下卻不能夠令人滿意，甚至根本不能用。因此在實際應(yīng)用中，工作人員需對各種間壁式換熱器的優(yōu)缺點和操作方式了然于胸，最大發(fā)揮其優(yōu)勢。［3］1.4中間載熱體式換熱器中間載熱體式換熱器是將兩個間壁式換熱器由在其中循環(huán)的載熱體連接，載熱體在高溫流體換熱器和低溫流體換熱器間循環(huán)，從高溫流體換熱器中吸收熱量，向低溫流體換熱器中釋放熱量給低溫流體。圖1-5熱管換熱器圖1-5熱管換熱器二、換熱器的開展換熱器在國民經(jīng)濟和化工生產(chǎn)領(lǐng)域中對產(chǎn)品質(zhì)量、能量利用率以及系統(tǒng)經(jīng)濟性、可靠性起著舉足輕重的作用。近年來，能源與材料費用的不斷增長極大地推動了對高效節(jié)能換：熱器的研究，作為一種節(jié)能設(shè)備，換熱器不僅是保證加工過程正常運轉(zhuǎn)不可缺少的設(shè)備，而且就金屬消耗、動力消耗和投資來說，其在整個工程中所占有比例很大。據(jù)統(tǒng)計，換熱器的投資約占全部設(shè)備投資的40%。因此開發(fā)新型高效和結(jié)構(gòu)緊湊的換熱器是目前換熱器研究的一個重要方向。其內(nèi)部強化傳熱主要有兩種途徑：增大傳熱面積，但換熱器的傳熱面積不可能無限制地增大，否那么投資費用會大大增加，并且隨著工業(yè)化的進展，設(shè)備要緊湊化：提高傳熱系數(shù)，主要從管程和殼程傳熱強化系數(shù)的提高方面上考慮。2.1常見換熱管的研究現(xiàn)狀2.1.1螺旋槽管螺旋槽管是種管壁上具有外凸和內(nèi)凸的異形管，管壁上的螺旋槽能在有相變和無相變的傳熱中明顯提高管內(nèi)外的傳熱系數(shù)，起到雙邊強化的作用。根據(jù)在光管外表加螺旋槽的類型，螺旋槽管有單頭和多頭之分，其主要結(jié)構(gòu)參數(shù)有槽深e、槽距p和槽旋角β。，研究還說明單頭螺旋槽管比多頭螺旋槽管的性能好。目前，無論足從傳熱、流阻、結(jié)垢性能，還是從無相變對流換熱和有相變凝結(jié)換熱，對螺旋槽管的強化傳熱研究從理論到實際已到達較高水平。2.1.2橫紋管橫紋管是一種普通圓管作毛胚，在管外壁經(jīng)簡單滾軋出與軸線垂直的凹槽，同時在管內(nèi)形成一圈突起的環(huán)肋。其強化機理為：當管內(nèi)流體經(jīng)橫向環(huán)肋時，管壁附近形成軸向漩渦，增加了邊界層的擾動，有利于熱量通過邊界層的傳遞。當渦流即將消失時，流體又流經(jīng)下一個橫肋，不斷產(chǎn)生軸向渦流，因而保持連續(xù)且穩(wěn)定的強化作用。2.1.3管內(nèi)插入物管內(nèi)插入物的類型有很多，主要有：麻花鐵、螺旋線圈、螺旋帶、螺旋片、扭帶和靜態(tài)混合器等。各種插入物的強化傳熱機理一般可分為四種：形成旋轉(zhuǎn)流；破壞邊界層；中心流體與管壁流體產(chǎn)牛置換作用；產(chǎn)生二次流。管內(nèi)插入物的優(yōu)點是對舊的換熱器設(shè)備進行改造，以提高其換熱性能。在強化傳熱的同時，能到達去除污垢的目的。2.1.4內(nèi)翅片管內(nèi)翅片管是采用特殊的焊接工藝和設(shè)備加工而成，流體在管內(nèi)的換熱過程為單相強制對流換熱。其豐要特點是通過在傳熱管管內(nèi)擴大傳熱面積、強化管內(nèi)傳熱的途徑來提高換熱器的傳熱性能。八十年代初，日立電纜研究說明，采用左右錯式的螺旋內(nèi)翅片管強化單相流體的傳熱可使管內(nèi)給熱系數(shù)提高到光管的2.8倍左右。［4］2.1.5波紋管波紋管是將光管加工成波紋形狀的翹片，其強化傳熱機理是：通過改變斷面使弧形段內(nèi)壁處發(fā)生兩次反向擾動，增加對管內(nèi)流體的擾動，擴大低熱阻區(qū)域，以提高傳熱系數(shù)，增強傳熱效果。具有不易結(jié)垢，單位容積傳熱面積大，耐腐蝕性強，溫差應(yīng)力小等優(yōu)點。2.1.6縮放管縮放管是由依次交替的收縮段和擴張段組成的波形管道，其強化傳熱的機理是：在擴張段流體速度降低，靜壓增大；在收縮段流體速度增加，靜壓減小；流體在方向反復(fù)改變的軸向壓力梯度下流動。擴張段產(chǎn)生的漩渦在收縮段被有效地利用，沖刷了流體邊界層，便邊界層減落實現(xiàn)了強化傳熱。2.2換熱器開展及進展長期以來，列管式換熱器面臨著各種新型換熱器的挑戰(zhàn)，且某些場合已被一些新型換熱器所取代，但是由于它的高度可靠性和廣泛的適應(yīng)性，至今仍然居于統(tǒng)治地位。例如在日本其產(chǎn)量占全部換熱器的70%，產(chǎn)值占60%。由于受到挑戰(zhàn)，反過來也促進了它自身的開展。例如在高溫、高壓領(lǐng)域，已有用它取代蛇管、套骨式換熱器的趨勢。［5］目前，對高效列管式換熱器的研究主要集中在強化管程和殼程兩方面，根據(jù)以上換熱管研究現(xiàn)狀針對管程有如下改良。2.2.1螺紋管換熱器螺紋管是一種優(yōu)良的高效異形強化傳熱管件，其結(jié)構(gòu)如圖2-1所示，由光滑管在車床上軋制而成，分單頭和多頭，其強化機理是：產(chǎn)生的邊界層別離流使傳熱邊界破壞。目前從傳熱、流阻、阻垢性能、無相變對流換熱、有相變凝結(jié)換熱等方面對螺紋管的強化傳熱研究從理論到實際都到達了較高水平。圖2-1螺紋管圖2-1螺紋管2.2.2橫紋管換熱器橫紋管主要用來強化管內(nèi)單相流體的傳熱，在相同流速下，橫紋管比單頭螺旋槽管比擬，流體阻力稍大但壓降較小，傳熱性能好。我國華南理工大學、沈陽化工學院和遼寧冷熱設(shè)備制造公司等單位對橫紋管進行了研究和應(yīng)用。如圖2-2。圖2-2橫紋管圖2-2橫紋管2.2.3菱形翅片管換熱器菱形翅片管與螺紋管相比，翹片距更密，傳熱面積更大，當流體流經(jīng)菱形翅片外表時，傳熱邊界層在非連續(xù)翅片上因受到周期性破壞而減薄，從而提高了冷凝傳熱系數(shù)，是光滑管的6倍。2.2.4波紋管換熱器波紋管是近10年出現(xiàn)的強化換熱管，其結(jié)構(gòu)如圖2-3所示，我國第一臺波紋管換熱器由沈陽市廣廈熱力設(shè)備公司于20世紀90年代初研制成功。圖2-3波紋管圖2-3波紋管2.2.5縮放管換熱器其結(jié)構(gòu)如圖2-4所示。華南理工大學研究認為，縮放管可強化管內(nèi)外單相流體的傳熱，在同等流阻損失下，Re=104-105范圍內(nèi)，傳熱管比光管增加70%?？s放管換熱器已在空氣預(yù)熱器、油冷卻器、冷凝器、廢熱鍋爐中廣泛使用。［6］圖2-4縮放管圖2-4縮放管三、結(jié)論換熱器在近百年來在國民經(jīng)濟的很多領(lǐng)域起著越來越重要的作用，能源與材料費用的不斷增長也極大地推動了對高效節(jié)能的換熱器的研究。而今，換熱器的類型已經(jīng)很多，但缺陷卻是大多數(shù)換熱器所共有的，其內(nèi)部強化傳熱途徑也相似。對于未來的開展，需要包括以下幾個方面：一是器械緊湊化；二是換熱高效化——減少熱量的散失；三是節(jié)能減排；四是理論系統(tǒng)化；五是技術(shù)模型化。換熱器有著極其廣泛的應(yīng)用，在開展上雖然有瓶頸但仍然有很大的需要。參考文獻［1］FrankWSchmidt,AJohnWillmott．Thermalenergystorageandregeneration［Z］．Washington：HemispherePu