波紋管與直（光）管換熱器的性能比較

諾盟品牌帶有膨脹節(jié)的雙管板換熱器有兩種形式——一種為波紋管，另一種為直（光）管。由于直（光）管的價(jià)格稍貴一些，而波紋管從字面上容易讓人產(chǎn)生管體不結(jié)實(shí)的理解，直（光）管好于波紋管的誤解由此而生。本文將從專業(yè)角度對(duì)照比較一下兩種形式的換熱器，以便用戶在選用時(shí)能夠做出正確的選擇。

在藥品生產(chǎn)的過(guò)程中，經(jīng)常會(huì)涉及到對(duì)料液和介質(zhì)的加熱或者冷卻，這就不可避免地會(huì)使用到換熱器。為了避免料液和介質(zhì)產(chǎn)生交叉污染，傳統(tǒng)的列管式換熱器已經(jīng)不再被企業(yè)所接受，所以就出現(xiàn)了以下幾種形式的換熱器，見(jiàn)表1。

由于管中管形式的換熱器面積相對(duì)較小，所以使用較多的還是雙管板換熱器。在雙管板換熱器中，直通式的換熱效果較好，故本文僅對(duì)直通式的換熱器進(jìn)行討論?？紤]到換熱介質(zhì)的溫度范圍較大：有時(shí)為7～12 ℃的冷凍水，有時(shí)是較高溫度的蒸汽滅菌。因此，諾盟在直通式的雙管板換熱器中優(yōu)化設(shè)計(jì)了殼層膨脹節(jié)的環(huán)節(jié)。諾盟雙管板換熱器無(wú)論是直（光）管，還是波紋管換熱器，都設(shè)計(jì)了膨脹節(jié)，如圖1所示。

1 波紋管形式的由來(lái)

1.1 選擇直通式換熱器的依據(jù)

上文提及管中管換熱器的換熱面積受到限制，雙管板的換熱器又有兩種形式：直通式如圖1所示，U型如圖2所示。

表1 符合GMP要求的換熱器形式

圖1 諾盟雙管板換熱器剖面示意圖

圖2 U型雙管板換熱器剖面圖

從圖2中可以看出U型換熱器的換熱流形為折流，按照換熱推動(dòng)力的對(duì)數(shù)平均溫差△tm為逆流的最大、順流的最小、折流的介于兩者之間。雖然折流形式的長(zhǎng)度可以做的相對(duì)短一些，但實(shí)際的換熱面積并不能變小多少。所以就出現(xiàn)了直通式的換熱器（如圖3所示），但直通式換熱器長(zhǎng)度會(huì)被做的很長(zhǎng)，所以需要繼續(xù)進(jìn)行改進(jìn)。

圖3 直通式雙管板換熱器示意圖

圖4 諾盟波紋管列管換熱器的照片

圖5 波紋管的壁厚沒(méi)有變化

圖6 波紋管列管內(nèi)徑向擾動(dòng)示意圖

圖7 直（光）管

圖8 波紋管

1.2 直通式換熱器的性能改善

直通式換熱器的對(duì)數(shù)平均溫差雖然最為有利，但畢竟需要做的很長(zhǎng)，這會(huì)對(duì)安裝條件造成影響，所以在技術(shù)上有改進(jìn)的需求。根據(jù)換熱量的計(jì)算公式[1]：

Q=KS△tm

公式中：Q——換熱量；

K——總傳熱系數(shù)；

S——換熱面積；

△tm——對(duì)數(shù)平均溫差。

在換熱量一定的情況下，如果要減小換熱器的長(zhǎng)度，一個(gè)方式是將換熱器做得粗一點(diǎn)。但有一定的弊端，就是縮短了物料在換熱器中的停留時(shí)間，這會(huì)使熱交換的時(shí)間不夠充分。另一個(gè)方式就是設(shè)法增加K值，如果能夠提高K值的話，在Q值一定的時(shí)候，S值就能夠變小。于是就出現(xiàn)了波紋管列管的換熱器，如圖4所示。

2 波紋管列管換熱器的特點(diǎn)

波紋管列管換熱器是在直（光）管基礎(chǔ)上，經(jīng)過(guò)技術(shù)升級(jí)換代而出現(xiàn)的。其機(jī)理是提高總傳熱系數(shù)，從而降低所需要的換熱面積。可以在達(dá)到同樣換熱效果的情況下節(jié)省材料，最終不但降低了成本，還減輕了設(shè)備的重量。

2.1 波紋管的穩(wěn)定性

由于波紋管本體是由光管管坯冷壓痕加工而成的，一般認(rèn)為其成型后對(duì)管體有強(qiáng)化作用。而通過(guò)外壓穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)可知，承受外壓的波紋換熱管的失穩(wěn)首先發(fā)生在直管段，只有繼續(xù)升高外壓，波紋管才會(huì)失穩(wěn)。這說(shuō)明波紋段的穩(wěn)定性優(yōu)于直管段，具有高于直管段的失穩(wěn)臨界壓力。

實(shí)驗(yàn)同時(shí)表明，波紋段的失穩(wěn)變形均發(fā)生在波谷處，同時(shí)波紋段的失穩(wěn)在局部的單個(gè)波谷處，一般不會(huì)出現(xiàn)2個(gè)以上的波谷同時(shí)失穩(wěn)[2-3]。這表明波峰的穩(wěn)定性比波谷更好。當(dāng)然如果冷壓痕的工藝不到位也會(huì)出現(xiàn)相反的情況，在冷壓痕工藝中，無(wú)論是波谷還是直段的壁厚是不變的（如圖5所示），冷壓痕完成后管體實(shí)際上變短了。這一點(diǎn)非常關(guān)鍵，如果做不到這一點(diǎn)，波紋管的穩(wěn)定性會(huì)差于直（光）管。

另外，諾盟的波紋管列管與平時(shí)所見(jiàn)的波紋管還是有較大區(qū)別的。首先諾盟的波紋管只有波谷和平段，并沒(méi)有波峰，而且波谷在軸向是螺旋形的，并且波紋管與板連接處的直段是一體的。

2.2 波紋管列管內(nèi)的換熱效果

波紋管列管由于管內(nèi)有波峰、波谷的存在，所以增加了列管中徑向熱交換對(duì)流的效果，如圖6所示。

表2 波紋管與直（光）管性能對(duì)比表

徑向?qū)α鲗?duì)于總傳熱系數(shù)K的影響非常大，這才是導(dǎo)致雙管板波紋管換熱器價(jià)格低廉、重量輕的根本原因。波紋管列管與直（光）管在同樣長(zhǎng)度下，其管體表面的換熱面積要大一些，但這個(gè)變化遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如改變K值的貢獻(xiàn)大。

從波紋管和直（光）管管內(nèi)流形的對(duì)比，能夠清晰地看到其有著完全不同的效果，直（光）管接近管壁時(shí)流速明顯地降低，如圖7和圖8所示。

用波紋管代替直（光）管制成的波紋管換熱器，致使流體的速度與方向不斷地發(fā)生變化，從而形成充分的湍流。這就使得所有的流體都有機(jī)會(huì)與管壁進(jìn)行熱交換，影響傳熱的邊界效應(yīng)便“不復(fù)存在”了。其總傳熱系數(shù)可以提高2～3倍，實(shí)際運(yùn)行中有的甚至達(dá)到5倍[4]。如果達(dá)到同樣的傳熱量，換熱面積就相當(dāng)于原來(lái)的0.5～3。這才是波紋管換熱器價(jià)格低于直（光）管換熱器的根本原因，所需要的換熱面積少了，重量自然也就輕了。

圖9膨脹節(jié)錯(cuò)位變形的圖片

根據(jù)計(jì)算和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，1 mm厚的波紋管比0.5 mm厚的波紋管的總傳熱系數(shù)要低10%。跟蹤的數(shù)百臺(tái)波紋管換熱器之所以運(yùn)行了10～14年沒(méi)有大修或損壞，主要得益于壁?。◣缀蹙鶠?.5 mm）[4]。但在壁厚方面諾盟沒(méi)有刻意地去滿足畢渥數(shù)的要求，由于在殼層中未設(shè)置管架，所以諾盟的列管厚度設(shè)計(jì)為1 mm。

2.3 抗水錘沖擊

諾盟雙管板換熱器的外殼都接有一段膨脹節(jié)，所以在安裝使用后，如果遭受水錘的沖擊或者憋壓，換熱器的軸線上膨脹節(jié)處就會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)位的情況（如圖9所示）。波紋管和直（光）管的換熱器都會(huì)發(fā)生這樣的情況，外殼變形后理論上都會(huì)引起列管的扭曲。正是由于波紋管有較多伸縮的余量，在經(jīng)歷變形時(shí)應(yīng)變的彈性余地要大一些，也就是說(shuō)在這樣的情形下抵抗失穩(wěn)的能力要強(qiáng)一些。但無(wú)論如何，在安裝的過(guò)程中要避免水錘的發(fā)生，可以通過(guò)采取使用角坐閥、延時(shí)開(kāi)關(guān)等其他措施。但如果涉及到憋壓，就需要考慮介質(zhì)的閥門(mén)不能夠全部關(guān)死。這忠告用戶在安裝、使用中必須引起足夠的重視。

3 波紋管與直（光）管換熱器的對(duì)比結(jié)論

用表格的形式來(lái)對(duì)比諾盟雙管板換熱器中波紋管與直（光）管的性能情況，結(jié)果見(jiàn)表2。

從表2可以看出，各項(xiàng)關(guān)系指標(biāo)中相對(duì)占優(yōu)的是波紋管換熱器。諾盟品牌的直通式雙管板換熱器，其中德國(guó)生產(chǎn)的是直（光）管換熱器，意大利生產(chǎn)的是波紋管換熱器。由于直（光）管換熱器的價(jià)格要比波紋管換熱器稍貴，于是有人將原因歸結(jié)到人工費(fèi)用上，但這并不是造成差價(jià)的根本原因。其實(shí)，根本原因在于波紋管換熱器的K值很大，能夠大幅度地減小S值，這才使得不銹鋼的用量、成本、重量均降低。但正因?yàn)殡p管板直（光）管換熱器的價(jià)格高，才容易引起價(jià)高質(zhì)優(yōu)的片面聯(lián)想。

當(dāng)然，波紋管的柔度大于直（光）管，剛度小于直（光）管，所以在設(shè)計(jì)波紋管換熱器時(shí)需要注意其區(qū)別。因?yàn)椴y管在軸向力的作用下產(chǎn)生的位移與其剛度有關(guān)，所以不能簡(jiǎn)單地按照胡克定律來(lái)計(jì)算。

采用波紋管列管的雙管板換熱器，是彈性力學(xué)和傳熱學(xué)兩大技術(shù)的完美結(jié)合，是管殼式換熱器的一次革新。在選擇換熱器形式時(shí)，需要科學(xué)地進(jìn)行判斷，進(jìn)而做出正確的選擇。根據(jù)半導(dǎo)體行業(yè)的戈登·摩爾定律，質(zhì)優(yōu)價(jià)高并不是完全正確的，它將被產(chǎn)品的升級(jí)換代所打破。