如何提高換熱器的換熱效率

張 奇

（吉林省四平地質(zhì)工程勘察院，吉林 四平 136001）

1 換熱器的分類與應(yīng)用

換熱器是一種將熱流體的能量傳遞給冷流體，來(lái)達(dá)到一定工藝要求的設(shè)備裝置，通常也稱為熱交換器。我國(guó)上個(gè)世紀(jì)60年代研制出第一臺(tái)管殼式換熱器，而后接連又研制出板式換熱器、螺旋板式換熱器，標(biāo)志著我國(guó)完全可自主研制符合世界制造標(biāo)準(zhǔn)的換熱器。目前，我國(guó)換熱器已經(jīng)得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，因?yàn)槠涔?jié)能環(huán)保的優(yōu)勢(shì)，得到各個(gè)行業(yè)的重視，主要應(yīng)用在石油化工、電力、冶金等行業(yè)中。換熱器根據(jù)介質(zhì)、壓力等不同，具有很多種分類方法，但最常用的分類主要包括間壁式換熱器、混合式換熱器和蓄能式換熱器[1]。

（1）間壁式換熱器是最常用的一種換熱器，其工作原理是通過(guò)分隔冷熱兩種液體，使其通過(guò)間壁進(jìn)行熱交換，主要應(yīng)用在石油化工行業(yè)。這種換熱器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)低廉，性能穩(wěn)定，傳熱面積大，清洗維護(hù)方便，因此應(yīng)用非常廣泛。間壁式換熱器可制造成多種形式，最常用的就是管殼式的，還有U型管式的和浮頭式的換熱設(shè)備。

（2）混合式換熱器也可稱為直接接觸式換熱器，其工作原理是將兩種互不溶解的液體或氣體和液體混合，在一個(gè)容器里，互相傳遞熱量的裝置。混合式換熱器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，維護(hù)保養(yǎng)容易，適用于兩種介質(zhì)能夠混合在一起的情況，同時(shí)需要設(shè)置分離裝置。

（3）蓄能式換熱器的特點(diǎn)是適用于高溫的工況，一般超過(guò)1300℃的情況下，是設(shè)計(jì)人員的首選。蓄能式換熱器的工作原理是在設(shè)備內(nèi)部裝上可以儲(chǔ)存能量的填充物，然后冷熱兩種液體交替的與這種填充物接觸，在這個(gè)過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)液體熱量的傳遞[2]。

2 換熱器的熱計(jì)算的方法

現(xiàn)有的關(guān)于換熱器熱計(jì)算的方法主要是以間壁式換熱器為基礎(chǔ)研究的。主要包括兩方面的研究，一是設(shè)計(jì)性計(jì)算，其目的是根據(jù)一些已知條件，設(shè)計(jì)新的換熱器，確定換熱面積，這種計(jì)算由于換熱器結(jié)構(gòu)不同，其構(gòu)造尺寸會(huì)影響換熱系數(shù)，因此，還要結(jié)合結(jié)構(gòu)計(jì)算，交叉進(jìn)行。二是校核計(jì)算，這種計(jì)算方法是已知現(xiàn)有換熱器的各項(xiàng)結(jié)構(gòu)，但現(xiàn)有工況與設(shè)計(jì)工況差別很大，需要確定進(jìn)出口流體溫度，看能否滿足現(xiàn)有工況的要求。

根據(jù)流體傳熱原理及能量守恒定律，換熱器在整個(gè)工作過(guò)程中，應(yīng)符合傳熱方程式①和熱平衡方程式②：

Q——熱負(fù)荷；K——總傳熱系數(shù)；Δtm—對(duì)數(shù)平均溫差；

F——傳熱面積

Mc——熱容，可用W表示。

熱交換器的工作內(nèi)容是傳遞熱量，它的傳熱效率（學(xué)術(shù)上稱傳熱有效度）是評(píng)價(jià)熱交換器好壞的重要指標(biāo)。傳熱有效度的定義是熱交換器實(shí)際傳遞的熱量與理想狀態(tài)最大能傳遞熱量的比值，一般用ε表示，公式③如下：

ε——傳遞有效度；Q——實(shí)際傳遞的熱量；Qmax——傳遞的最大熱量。

根據(jù)推導(dǎo)公式可得式④：

定義NTU為傳熱單元數(shù)

通過(guò)變換可得：

順流時(shí)：

逆流時(shí)：

當(dāng)冷熱流體發(fā)生相變或兩種流體熱容相等時(shí)，熱交換器的傳熱效率表達(dá)式變得相對(duì)簡(jiǎn)單，這里不給出。當(dāng)設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，ε和Rc已知，由關(guān)系式或圖可求出NTU，進(jìn)而求出換熱面積；當(dāng)進(jìn)行校核時(shí)，可根據(jù)關(guān)系式和圖表求出ε，進(jìn)而確定換熱器的換熱效率，看是否滿足換熱實(shí)際工況要求。工程上，利用式⑤或者⑥計(jì)算換熱器效率的方法稱為效能-傳熱單元數(shù)法，在熱交換器的校核計(jì)算中，采用這種方法應(yīng)用最多也最廣泛[3]。

3 提高換熱器換熱效率的方法

（1）影響換熱器換熱效率的因素。由于以上計(jì)算過(guò)程都是以間壁式換熱器來(lái)計(jì)算的，因此這里說(shuō)的影響因素也是針對(duì)間壁式換熱器的，其他類型的換熱器可參考實(shí)際情況，計(jì)算換熱效率以及分析總結(jié)影響因素。從式⑤和⑥看出，換熱器的傳熱效率與NTU和Rc有非常密切的關(guān)系，而NTU與總傳熱系數(shù)、傳遞面積和熱容有關(guān)，Rc與熱容有關(guān)，因此，分析影響換熱器換熱效率的因素應(yīng)從這幾個(gè)方面著手。從實(shí)際應(yīng)用得知，影響換熱器換熱效率的因素還有換熱器的板材、管材材料、壁厚、進(jìn)出口的設(shè)置、焊接形式的選擇、殼程以及導(dǎo)流管設(shè)置等等，這些結(jié)構(gòu)的影響主要集中在設(shè)計(jì)階段。

（2）提高換熱器換熱效率的方法。換熱效率是評(píng)價(jià)換熱器應(yīng)用的最主要指標(biāo)，也是設(shè)計(jì)換熱器過(guò)程中考慮的最主要因素。設(shè)計(jì)時(shí)，要根據(jù)工況和換熱器特點(diǎn)選擇合適的換熱器類型，充分考慮影響換熱效率的因素，通過(guò)計(jì)算，設(shè)計(jì)出合理的換熱器。

為了能夠提高換熱器的傳熱系數(shù)，人們進(jìn)行了大量的研究，最終可以從以下三個(gè)方面進(jìn)行，一是提高板片表面的傳熱系數(shù)。在這方面人們發(fā)現(xiàn)，板片波紋的幾何結(jié)構(gòu)形狀不同，可以獲得不同的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。經(jīng)過(guò)研究和試驗(yàn)，板面截面斷面為三角形或人字形時(shí)，具有較高的熱傳熱系數(shù)，并且壓降減小，介質(zhì)流速增加。二是降低換熱器板片污垢層。研究發(fā)現(xiàn)，污垢層的厚度直接影響板片的傳熱系數(shù)，應(yīng)該時(shí)刻監(jiān)測(cè)換熱器冷熱管的水質(zhì)，防止水質(zhì)中的雜物附著在換熱管管壁上，不得人為在冷熱兩側(cè)添加任何粘稠物，以防粘稠物黏貼在管壁上，一方面影響流速，一方面降低熱傳遞效率。必要時(shí)可在進(jìn)出口兩端采用過(guò)濾器。三是板片材料的選擇。設(shè)計(jì)時(shí)選用的板片材料最好選用熱傳導(dǎo)率高的板片。隨著我國(guó)新材料、新技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的新材料應(yīng)用到熱交換器中，經(jīng)過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，銅及銅合金的導(dǎo)熱系數(shù)要好于鋁及鋁合金、鐵基合金，但不是說(shuō)所有的板式換熱器都要應(yīng)用銅管或者銅板作為導(dǎo)熱材料，還要根據(jù)具體工況、流體介質(zhì)以及成本綜合考慮。目前，石墨換熱器也得到了廣泛的應(yīng)用，主要是因?yàn)槠渚哂心透g性、高導(dǎo)熱性、耐高溫、耐熱沖擊、線膨脹系數(shù)小、表面不易結(jié)垢、加工性能好等特點(diǎn)，主要應(yīng)用于強(qiáng)酸、強(qiáng)堿、各種鹽溶液以及大部分有機(jī)溶液等化工行業(yè)，其獨(dú)特的特點(diǎn)，受到制造行業(yè)和應(yīng)用行業(yè)的廣泛認(rèn)可。

4 換熱器的維護(hù)與保養(yǎng)

設(shè)備的維護(hù)與保養(yǎng)是企業(yè)生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)，國(guó)內(nèi)由于設(shè)備保養(yǎng)不善導(dǎo)致的安全生產(chǎn)事故屢見(jiàn)不鮮。任何設(shè)備都應(yīng)該列在維護(hù)和保養(yǎng)范圍內(nèi)，尤其是像換熱器這種特種設(shè)備，要更加嚴(yán)格的制定維護(hù)與保養(yǎng)的計(jì)劃，并嚴(yán)格按計(jì)劃實(shí)施。

日常工作中要時(shí)刻檢測(cè)換熱器的運(yùn)行情況，有條件的企業(yè)，要適時(shí)智能監(jiān)控，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)解決，換熱器除了日常的點(diǎn)檢外，還要進(jìn)行以下操作，一是清洗，上文提到管壁污垢導(dǎo)致?lián)Q熱系數(shù)降低，所以定期清洗換熱器內(nèi)壁對(duì)換熱器的換熱效率有極大改觀，但選擇洗液最為關(guān)鍵，要根據(jù)流體的性質(zhì)，必要時(shí)要分析污垢的成分，科學(xué)的選擇洗液。清洗的方法有人工清洗法、反沖洗法和在線清洗法。二是振動(dòng)，如果監(jiān)測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)換熱器有振動(dòng)現(xiàn)象，一般情況是輸送介質(zhì)的頻率或外管道的頻率產(chǎn)生共振現(xiàn)象，這時(shí)，要改變流體的流速，同時(shí)就改變了介質(zhì)的頻率，同時(shí)也可測(cè)定外部管道的頻率，改變流動(dòng)狀態(tài)，通過(guò)這亮相措施，基本可以消除振動(dòng)。

5 結(jié)論

當(dāng)前，換熱器在各行業(yè)的基礎(chǔ)作用越來(lái)越重要，在節(jié)能減排、建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會(huì)的大背景下，選擇高換熱效率的換熱器對(duì)各應(yīng)用企業(yè)至關(guān)重要。在換熱器的行業(yè)發(fā)展過(guò)程中，一方面生產(chǎn)與應(yīng)用企業(yè)應(yīng)研究提高換熱器效率的理論和方法，另一方面生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)加大研發(fā)力度，將新型材料、新技術(shù)應(yīng)用到設(shè)計(jì)生產(chǎn)中。另外，換熱器的設(shè)計(jì)生產(chǎn)要形成系列化與規(guī)范化，我國(guó)GB/T 151-2014標(biāo)準(zhǔn)中有詳細(xì)的關(guān)于管殼式熱交換器的設(shè)計(jì)和說(shuō)明，可以指導(dǎo)我國(guó)換熱器行業(yè)的有序發(fā)展。