換熱器的研究現狀及應用進展

毛文睿 李亞飛 張龍龍 董玄吉

(鄭州大學，河南 鄭州 450002）

換熱器是一種十分重要的熱量交換設備，它是一種在不同溫度的多種介質之間實現熱量傳遞的節能設備。它可以用低溫介質冷卻高溫介質從而達到降溫、預冷的效果，也可以用高溫介質加熱低溫介質，使其溫度達到工藝流程的規定標準從而達到生產的需要。一直以來，換熱器的強化傳熱技術備受世界各國學者的關注，使得新型高效節能的換熱器層出不窮。

1 國內外換熱器的發展

二十世紀20年代出現了結構緊湊、 傳熱效果好的板式換熱器，并率先被用于食品工業。二十世紀30年代初期，瑞典和英國分別制造出了螺旋板式換熱器和板翅式換熱器。到了二十世紀60年代，由于科技的發展，換熱器的需求驟增，再加上沖壓、焊接等技術的發展，促使緊湊型換熱器產業蓬勃發展。進入二十一世紀以后，大量強化傳熱的工藝被應用于工業生產，世界換熱器產業的技術水平迅速提高[1]。

我國的換熱器發展起步較晚，1963年撫順機械設備制造有限公司制造出了中國第一臺符合美國TEMA 標準的管殼式換熱器。1965年蘭州石油機械研究所研制出我國第一臺板式換熱器。二十世紀60年代，蘇州新蘇化工機械有限公司研制出了我國第一臺螺旋板式換熱器。二十世紀80年代后，我國掀起了自主開發傳熱技術的熱潮，出現了一些以折流桿換熱器、雙殼程換熱器、板殼式換熱器為代表的高效換熱器[2]。

2 換熱器的研究現狀

換熱器大致可以分為混合式、蓄熱式和間壁式三類。其中混合式換熱器是使冷熱流體直接混合來進行熱量交換的，例如涼水塔、流化床等，這種換熱器結構簡單，成本低廉，并且大多數以塔的形式出現； 蓄熱式換熱器的熱量傳遞是通過蓄熱體來進行的，在傳熱過程中使冷流體通過積蓄了熱量的蓄熱體，從而使冷流體升溫。蓄熱式換熱器造價低廉、結構緊湊、連續操作性強，常被用于氣體之間的熱交換； 間壁式換熱器是兩種不同溫度的介質在相間隔的流道中流動，介質之間不會相互混合，整個過程連續而穩定，是工業中應用最為廣泛的一類換熱器，也是我們下面要主要介紹的一類換熱器。

2.1 管式換熱器

管式換熱器是最典型的間壁式換熱器，它操作可靠、結構簡單、可在高溫高壓下使用，是目前應用最為廣泛的換熱器類型之一。然而，研究表明，與以往傳統的管殼式換熱器不同，新型換熱元件和高效換熱器的研發已經進入了一個新時期。從目前諸多的研究成果來看，改善換熱器的方法主要有對管程結構改進和對殼程結構改進兩大類。在管程結構改進中主要有改變傳熱面積和加入管內插入物兩類。在殼程結構改進中主要有改變管子外形及表面特性和改變殼程管間支撐物結構兩種。下面我們通過幾種典型的例子來加以介紹。

2.1.1 螺旋槽紋管換熱器

螺旋槽紋管是一種高效益異形的強化傳熱管件，它通過改變傳熱面的形狀大大強化了流體的換熱效果。二十世紀70年代，美、日、英等國對螺旋槽紋管換熱器進行了大量的研究，基于螺旋槽紋管的特性，美國Argonne 國家實驗室和GA 技術公司設計螺旋槽紋管換熱器的傳熱效率比光管提高了2 至4 倍。我國的華南理工大學[3]、重慶大學[4]也對螺旋槽紋管進行了大量的實驗和研究，得出了單頭螺紋槽管的綜合性能優于多頭螺紋槽管的結論。目前，無論是從傳熱、流阻、阻垢性能，還是從無相變對流換熱和有相變凝結換熱，對螺旋槽管的強化傳熱研究從理論到實際已達到較高水平[5]。

2.1.2 管內插入物換熱器

管內插入物換熱器是通過在管內添加插入物增加流體的湍動程度，加強近壁面和流體中心區域的混合程度，從而達到了強化傳熱的目的。管內添加物的種類多種多樣，常見的有加入紐帶、螺旋線、螺旋片等。試驗研究表明，管內插入紐帶之后，如果是層流換熱，則對流傳熱系數可增大2 至3 倍，壓降增加3 倍以上。若是紊流換熱，傳熱系數僅增大30%左右，而壓降增大2 倍以上[6]。管內插入物加工簡單，特別適合對已有設備進行升級改造。

2.1.3 折流桿式換熱器

傳統的管殼式換熱器裝有折流板，這種結構的流動阻力大，容易使換熱管發生震動而被破壞，為了解決這個問題并強化傳熱效果，折流桿換熱器應運而生。它通過改變殼程管間支撐物結構強化了傳熱。折流桿式結構至少由四片折流柵組成，兩橫兩豎，每個折流柵由若干個相互平行的折流桿鑲嵌在一個折流圈上。折流桿換熱器幾乎不存在流動死區，從而徹底解決了傳統的折流板換熱器中存在的流動死區的問題。另外折流桿換熱器不易結垢，流體在經過折流桿時產生文丘里效應對管壁有強烈的沖刷作用使得污垢難以形成[7]。

2.1.4 管翅式換熱器

管翅式換熱器廣泛應用于制冷行業，與普通的管殼式換熱器相比，它傳熱系數高、結構緊湊、使用壽命長、拆裝簡易，是一種安全可靠的換熱器。管翅式換熱器通過在管外加裝翅片，強化了殼程的傳熱。華南理工大學的徐百平[8]等人通過研究，對總結了不同翅片形式強化傳熱的機理及翅片參數對傳熱與流阻的影響規律。華中科技大學的周飚[9]對管翅式換熱器進行了優化設計，計算出了特定工況下的最佳換熱性能參數，并進行了計算機輔助優化設計程序的開發。

2.2 板式換熱器

板式換熱器是由一系列波紋狀的薄板按照固定的間隔并通過墊片緊壓而形成的換熱器，板式換熱器與管式換熱器相比，在相同的污垢系數下，總傳熱系數是管式換熱器的2 至3 倍，壓力損失為其0.5 至1 倍，重量為其0.25 至0.5 倍。體積和占地面積為其的0.3 至0.5 倍，因此板式換熱器的性能更佳[10]。但是，由于板式換熱器密封周邊長且使用中常常需要清洗，對有墊圈的板式換熱器來說不能在高溫高壓下使用，并且它的處理量也不如管式換熱器，因此板式換熱器應用的廣泛度不如管式換熱器。

近些年來，國內的一些學者對板式換熱器的研究也獲得了很大的進展。楊勇[11]采用曲線坐標下的低雷諾數模型對波紋板式換熱器進行了數值模擬并得到了速度場和溫度場。伍肇梅[12]等人設計出了一種區別于傳統人字形波紋板的新型微板點波換熱器，它有更高的傳熱效率和更低的材料消耗并有壓降更少體積更小的優點。山東大學的文孝強[13]等人在恒定壁面材料、流速和水溫的條件下建立了基于模擬退火支持向量機的板式換熱器污垢熱阻預測模型。任承欽等[14]設計了一種六邊形隔板的板式換熱器，并對它進行了模擬，結果顯示這種換熱器具有準逆流換熱的特點并具有強化換熱的作用。

3 結語

換熱器是一種提高能源利用率的重要設備，被廣泛用于石油、化工、冶金、電力、船舶、集中供暖、制冷空調、機械、食品等領域。據《2013-2017年中國換熱器行業發展前景預測與轉型升級分析報告》數據顯示2010年中國換熱器產業市場規模在500 億元左右。近年來國內的換熱器行業在新產品的研制、新技術的研發上取得了不俗的成績，但是與發達國家之間還是有著一定的差距。因此，我們應該抓住換熱器產業的黃金增長期這個契機，借鑒世界先進技術，使我國的換熱器技術再上一個新臺階。

[1]黃蕾等.世界換熱器產業發展現狀綜述[J].石油與化工設備，2011.

[2]黃慶軍等.中國換熱器產業現狀及發展趨勢[J].石油與化工設備，2010.

[3]鄧先河，鄧頌九1 螺旋槽管管殼式換熱器的傳熱與阻力研究[J].化學工程，1991.

[4]程俊國等.螺旋管的傳熱及流阻性能[J].重慶大學學報，1980.

[5]支浩，湯慧萍，朱紀磊.換熱器的研究發展現狀[J].化工進展，2008.

[6]馮國紅等.管殼式換熱器的研究進展[J].化學工程，2009.

[7]康麗媛.折流桿換熱器的設計[J].應用技術，2012.

[8]徐百平等.管外翅片強化傳熱途徑與研究進展，石油化工設備，2004.

[9]周飚.管翅式換熱器性能及結構綜合優化的熱設計方法，華中科技大學，2004.

[10]周海成.板式換熱器的技術進展及其應用[J]，壓力容器，1996.

[11]楊勇.數值傳熱學在波紋式換熱器上的應用[J]，華北電力技術，1999.

[12]伍肇梅.一種新型板式換熱器[J]，制冷與空調，2011.

[13]文孝強.一種板式換熱器污垢熱阻預測新方法[J].化工機械，2013.

[14]任承欽等.一種新型板式換熱器的設計及傳熱特性的模擬研究[J].暖通空調，2003.