淺談國內管殼式換熱器發展

胡津銘

【摘 要】換熱器是工業生產中最常用的設備，在不同工作條件下對換熱器性能要求不同，它是冷熱流體間傳遞熱量的設備。一般國內換熱器最為常用的是管殼式換熱器，比如：浮頭式換熱器，固定管板式換熱器，U形管式換熱器等等。換熱器主要有管板、殼體、換熱管、折流板、拉桿、定距管、封頭等組成。由于換熱器結構比其他壓力容器相對簡單，所以其運用比較廣泛。換熱器在工、農業的各個領域應用十分廣泛，在日常生活中傳熱設備也隨處見，是不可缺少的工藝設備之一。隨著研究的深入，工業應用取得了令人矚目的成果。本文就換熱器的換熱形式以及近幾年換熱器的發展進行討論。

【關鍵詞】換熱器；壓力容器；流體；換熱形式

近年來，隨著現代工業的迅速發展，以能源為中心的環境、生態等問題日益加劇。世界各國在尋找新能源的同時，也更加注重了節能新途徑的研發。強化傳熱技術的應用不但能節約能源、保護環境，而且能大大節約投資成本。換熱器由于其在化工、石油、動力和原子能等工業部門的廣泛應用，使得換熱器的強化傳熱技術一直以來受到研究人員的重視，各種研究成果不斷涌現。本文主要以管式換熱器進行研究探討。

1 管式換熱器

管式換熱器主要有套管式換熱器和管殼式換熱器兩種。

1.1 套管式換熱器

套管式換熱器是將不同直徑的兩根換熱器管套成同心套管作為元件、然后把多個元件加以連接而成的一種換熱器，工作時兩種流體以純順流或純逆流方式流通。套管式換熱器的優點是：結構簡單，適用于高溫、高壓流體，特別是小容量流體的傳熱。另外，只要做成內管可以抽出的套管，就可清楚污垢，所以它也使用于易生污垢的流體。他的主要缺點是流動阻力大；金屬消耗量多；管間接頭較多，易發生泄露而且容易彎曲引起震動；而且體積大，占地面積大，故多用于傳熱面積不大的換熱器。

1.2 管殼式換熱器

管殼式換熱器又稱謂列管式換熱器，是以封閉在殼體中管束的壁面作為傳熱面的間壁式換熱器，結構一般由管箱、殼體、管束、管板、折流板等部件組成。目前，國內外工業生產中所用的換熱設備中，管殼式換熱器仍占主導地位，雖然它在換熱效率、結構緊湊性和金屬材料消耗等方面，不如其他新型換熱設備，但它具有結構堅固，操作彈性大，適應性強，可靠程度高，選材范圍廣，處理能力大，能承受高溫高壓等特點，所以在工程中仍得到廣泛應用。以下幾種常見的管殼式強化換熱器。

1.2.1 螺旋折流板式換熱器

螺旋折流板換熱器是傳統換熱器中最普遍應用，螺旋折流板換熱器工作原理是殼程的折流板是以螺旋壯排列的，這樣使殼程介質自進口向出口呈螺旋壯、連續螺旋推進，將傳統的橫向折流方式變成縱向螺旋折流方式。折流通道為螺旋式，不會出現流動“死區”，由于換熱器殼程中的介質呈螺旋式的柱塞流動方式，在殼程橫街面徑向產生速度梯度，將每根換熱管都置于換熱介質旋窩中，提高了流體徑向湍流程度，有利于沖刷強撐內的顆粒物及沉淀物，防止污垢沉淀。按流道又可分為單螺旋和雙螺旋兩種結構。

1.2.2 螺旋葉片折流板式換熱器

螺旋葉片折流板式換熱器是基于螺旋折流板換熱器的基礎上，進行短位調整。把螺旋折流板的流體周期縮短，4個葉片成風扇狀，而不像螺旋折流板成連續旋窩狀。使流體一個周期一個周期的沖刷折流板進行換熱。它的好處在于大大降低了殼程流體的速度，使介質長時間在殼程中進行換熱。這樣的換熱器相比其他普通弓型折流板式換熱器而言，大大提高了換熱器中介質的換熱效率。但是它的缺點是不能使用污垢比較多的介質或者粘稠的介質，因為本身殼程就已經降低了介質的流速，再使用粘稠的介質，會使殼程阻塞或者沉淀物增多，反而影響了整個系統的運轉。螺旋葉片折流板換熱器性能在理論上有較好的優越性，但對它的研究尚處在起始階段，對其流動和傳熱機理還需做深入的試驗與計算機模擬，相信在以后的道路中，會成為換熱的主導。

1.2.3 扭曲管式換熱器

扭曲管式換熱器是在傳統管殼式換熱器的基礎上，以扭曲扁管代替光管，殼程沒有折流板，可依靠螺旋扭曲扁管外緣螺旋線的點接觸進行自支撐。管內螺旋流道使流體在流動時產生縱向旋轉和二次旋轉，這種螺旋擾流作用增加了流體的擾動程度，減薄了傳熱邊界層，增強了流體的混合，這種混合使得管壁附近保持較高的溫度梯度，極大的提高了傳熱系數。殼程流體在通道內由于離心力的作用而周期性地改速度和方向，強化了流體的縱向混合。同時，殼程流體流經相鄰管子的螺旋線接觸點后形成脫離管壁的尾流，增大了流體自身的湍流度破壞了管壁上的流體邊界層，從而使殼程傳熱得到增強。但是由于沒有折流板，所以應用捆扎帶進行固定管束，但是高速流體介質進入殼程后會引起管子強烈振動和下榻。所以不能應用殼程高速流體介質。

1.2.4 波紋管換熱器

波紋管換熱器是在傳統列管式換熱器的基礎上，應用強化傳熱理論及換熱管獨特的波峰與波谷的設計，與傳統管殼式換熱器不同的是波紋管換熱器采用帶波紋的換熱管，而管殼式換熱器采用光滑的直管作為換熱管。主要適用于管內外介質有加熱、冷卻熱交換的場合，其特點為傳熱效率高，這一特點是依靠獨特的傳熱元件—波紋管來實現的。波紋管特殊的波峰與波谷設計，使流體在關內外形成強烈擾動，大大提高了換熱管的傳熱系數，其傳熱系數比傳統管式換熱器高2～3倍。波紋管在工作過程中，一方面管內外介質始終處于高度湍流狀態，另一方面內外介質產生溫度差，使得波紋管會產生微量的軸向伸縮變形，管內外的曲率會隨之頻繁變化，由于污垢與污垢之間會產生拉脫力，所以使水垢破裂而自動脫落，從而不會產生污垢。對于波紋管的拉伸作用，以前設計人員因為這個作用，而不設定膨脹節。使它成為波紋管的一大有利優點。但近年來，由于介質要求越來越高，設計壓力越來越大，波紋管越來越受到人們關注與應用，在設計壓力高的情況下，由于波紋管的軸向許用應力因為波紋而降低，會使波紋管彎曲與失效，所以不設定膨脹節也不是波紋管的優點了。這點技術還得需要時間的累計和研究人員的探討。

2 國內換熱器發展需要

20世紀20年代出現板式換熱器，以板代管，結構緊湊，傳熱效果好，并應用于食品工業。30年代初，瑞典首次制成螺旋板換熱器。接著英國用釬焊法制造出一種由銅及其合金材料制成的板翅式換熱器，用于飛機發動機的散熱。30 年代末，瑞典又制造出第一臺板殼式換熱器，用于紙漿工廠。

60年代左右，由于空間技術和尖端科學的迅速發展，迫切需要各種高效能緊湊型的換熱器，再加上沖壓、釬焊和密封等技術的發展，換熱器制造工藝得到進一步完善，從而推動了緊湊型板面式換熱器的蓬勃發展和廣泛應用。此外，自60年代開始，為了適應高溫和高壓條件下的換熱和節能的需要，典型的管殼式換熱器也得到了進一步的發展。70 年代中期，為了強化傳熱，在研究和發展熱管的基礎上又創制出熱管式換熱器。

20世紀80年代后，大量的強化傳熱元件被推向市場，如折流桿換熱器、新結構高效換熱器、高效重沸器、高效冷凝器、雙殼程換熱器、板殼式換熱器、表面蒸發式空冷器等高效換熱器。

進入21世紀后，大量的強化傳熱技術應用于工業裝臵，世界換熱器產業在技術水平上獲得了快速提升，板式換熱器日漸崛起。

總結說來，換熱器的技術發展主要分為三個階段：第一階段主要解決是否能夠實現換熱的問題；第二階段以提升冷卻效率為目標，主要是對傳熱過程的研究和對換熱部件的改進；第三階段強調生產成本、運行成本、環境消耗成本等綜合成本與冷卻效果的優化匹配。世界換熱器產業在產品與技術方面的發展趨勢主要表現為產品大型化、高效化、節能化。此外，換熱器新材料的開發應用、產品技術的更新換代、不同應用領域產品的細分化也都是行業的發展趨勢。

【參考文獻】

[1]毛文睿，李亞飛，等.換熱器的研究現狀及應用發展[J].2014.

[責任編輯：湯靜]