換熱器的發(fā)展前景

1、換熱器的發(fā)展前景摘要：換熱器是化工、石油、能源等各工業(yè)中應用相當廣泛的單元設備之一。據(jù)統(tǒng)計，在現(xiàn)代化學工業(yè)中換熱器的投資大約占設備總投資的30% ,在煉油廠中占全部工藝設備的 40%左右，海水淡化工藝裝置則幾乎全部是由換熱器組成 的。對國外換熱器市場的調查表明，雖然各種板式換熱器的競爭力在上升，但管 殼式換熱器仍占主導地位約 64%。新型換熱元件與高效換熱器開發(fā)研究的結果 表明，列管式換熱器已進入一個新的研究時期 ，無論是換熱器傳熱管件，還是 殼程的折流結構都比傳統(tǒng)的管殼式換熱器有了較大的改變，其流體力學性能、換熱效率、抗振與防垢效果從理論研究到結構設計等方面也均有了新的進步。目前各國為改善該

2、換熱器的傳熱性能開展了大量的研究，主要包括管程結構和殼程 結構強化傳熱的發(fā)展。關鍵詞：換熱器：發(fā)展前景：存在問題一. 應用前景近幾年來，隨著高溫熱管技術研究的不斷成熟和深入，高溫熱管換熱器的應 用領域逐漸擴大，目前已廣泛應用于工業(yè)、民用和國防等各個領域。在冶金、化 學、陶瓷、建材及輕工等工業(yè)生產中，常需要500C以上的活潔空氣以滿足助燃、 十燥和供氧等需要，采用高溫熱管空氣加熱器可以輕易地達到這一要求，并且從 根本上解決常規(guī)空氣加熱器所無法解決的傳熱難題。高溫熱管技術在噴霧十燥中的應用取得成功，并已收到了令人滿意的實際 效果。根據(jù)現(xiàn)場測試的參數(shù)表明，高溫熱管換熱器達到的某些性能指標，是其他 類

3、型熱風發(fā)生器所達不到的，因而在某些特定工況條件下的應用也是無法取代 的：1. 向各類十燥設備（噴霧于燥、沸騰十燥、氣流十燥、隧道十燥及鏈板式十 燥等）提供活潔的高溫熱風。2. 向氣流焙爐提供800 C以上的高溫熱風，對物料直接進行氣流焙燒。3. 向各類燃燒器提供助燃熱風，改善燃燒狀況，提高燃燒效率，節(jié)約燃料。 據(jù)資料介紹，用普通換熱器將助燃風加熱到 300- 400 可節(jié)約燃料15% 25%， 用高溫換熱器可節(jié)約燃料40%以上。4. 高溫預熱煤氣（或助燃氣），使冶金工廠大量的低熱值高爐煤氣（其熱值 約為4 187J境源在加熱爐上的利用成為可能。5. 回收利用六大耗能工業(yè)（冶金、化工、煉油、玻璃

4、、水泥及陶瓷）的高溫 余熱，使這些領域的能源利用率達到一個新的水平。由以上可以預見 ，高溫熱管 熱風發(fā)生器將具有廣闊的推廣應用前景，對工業(yè)生產和節(jié)能技術的發(fā)展產生重 大的影響。二. 存在的問題當前，高溫熱管換熱器在傳熱方面還面臨兩大急需解決的問題 ：1. 結構龐大，成本昂貴，極大地阻礙了高溫熱管換熱器工業(yè)化應用進程。2. 過渡段的銜接不合理，導致部分熱管處于不工作和非正常工作狀態(tài)。三. 要解決好上述問題的關鍵：1. 優(yōu)化高溫熱管換熱器結構有兩個途徑：一是對單根熱管進行傳熱強化研 究；二是合理預測殼程的流場與溫度場的分布，二者的優(yōu)化組合研究是今后熱管 換熱器強化傳熱技術發(fā)展的方向。2. 過渡段的

5、強化傳熱對優(yōu)化高溫熱管換熱器結構、安全銜接各區(qū)域熱管換 熱器起著非常重要的作用。換熱器研究的發(fā)展前景換熱器肋片換熱的研究應該注重基礎性的理論研究創(chuàng)新，尋求建立能支撐肋 片設計選型的系統(tǒng)化的理論，同時要結合實驗研究，尋求實際應用中最節(jié)能的肋 片參數(shù)值。換熱器制造商和設計人員對于換熱器肋片外型、布置仍然沒有可靠的 理論依據(jù)，傳統(tǒng)的肋片布置方式在換熱效率上不如換熱管表面設置的針狀或圓臺 狀肋，而對于針狀肋片在換熱管表面的最佳換熱的散布規(guī)律仍然還不明晰，理論研究非常薄弱；對替代傳統(tǒng)的平板和環(huán)狀肋 片的高效換熱肋片研究其少。新型換熱管的形狀研究過少，目前的研究僅局限于 傳統(tǒng)的圓形或矩形換熱管上，對更高效

6、的換熱管型的探索研究比較缺乏。 對換熱 管排數(shù)和排列方式對換熱器整體換熱性能的影響研究的理論體系還沒形成，目前對于此方面的研究多以實驗研究為主， 然后從實驗中提取經驗公式，關于管排數(shù) 的純理論的換熱理論還沒有得到建立。作為衡量換熱器性能時的換熱效率，已不 能作為換熱器設計選型的標準，換熱效率高并不意味著制造成本的節(jié)省以及換熱 效果最佳化；傳熱因子和摩擦因子是比較合適的衡量換熱器整體性能的指標，但是需要綜合考慮此兩種因素后建立換熱器最優(yōu)化換熱的統(tǒng)一理論，單一的考慮換熱因子或者摩擦因子的大小對于衡量換熱器換熱性能沒有任何意義。四. 換熱器的國內研究現(xiàn)狀照其功能可命名，如冷凝器、蒸發(fā)器、再熱器、過熱

7、器等，按換熱部件的特 點可分為：管殼式換熱器、翅片管式換熱器、板式換熱器（包括板片式換熱器和 板翅式換熱器）。對于各型換熱器的強化換熱技術的研究，主要集中在對換熱器 內流體流態(tài)變化以及對各部件的參數(shù)優(yōu)化研究兩方面，而對換熱器部件參數(shù)的主 要研究對象就是換熱管（板）排列方式（順排或義排）、換熱管（板）排數(shù)、換 熱管（板）間距大小、肋片布置問距、肋片形狀等。通常的研究方法包括：數(shù)值 模擬計算、實驗方法研究、理論研究三類。五. 換熱器技術的發(fā)展前景1. 于整體裝置設計的數(shù)據(jù)庫技術傳統(tǒng)的整體裝置設計任務是由各個部門的工 作小組分別對其中的某一項進行設計，并通過設計說明書相互聯(lián)系來完成的， 而最近發(fā)展起

8、來用于整體裝置設計的數(shù)據(jù)庫技術 ，可以使這種繁重的任務變得 簡單起來。通過數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，不同類型的設計應用軟件可以有機地形成一個整體 設計者只需通過數(shù)據(jù)庫操作系統(tǒng)向應用軟件中輸入相關參數(shù) ，便可得到更多的 關于設計任務的數(shù)據(jù)，并且這些數(shù)據(jù)可以反饋到數(shù)據(jù)庫中。 隨著CAD軟件包和數(shù) 據(jù)庫技術的發(fā)展，用于整體裝置設計的數(shù)據(jù)庫技術必定會代替手工計算設計方法。2. 計算流體力學（CFD）和模型化設計的應用在換熱器的熱流分析中，引入計算機技術，對換熱器中介質的復雜流動過程進行定量的模擬仿真。目前，基于計算機技術的熱流分析已經用于自然對流、剝離流、振動流和湍流熱傳導等的直 接模擬仿真，以及對輻射傳熱、多相流

9、和稠液流的機理仿真模擬等方面。在此基 礎上，在換熱器的模型設計和設計開發(fā)中，利用CFD的分析結果和相對應的模 型實驗數(shù)據(jù)，使用計算機對換熱器進行更為精確和細致的3. 換熱器強化傳熱技術的發(fā)展以采用強化傳熱元件和改進換熱器結構為主的強化傳熱技術是一種能顯著改善換熱器傳熱性能的節(jié)能技術。根據(jù)傳熱物流條件的不同情況，殼程傳熱強化的研究必然與強化傳熱管的優(yōu)化組合相聯(lián)系，這是今 后換熱器強化傳熱技術發(fā)展的方向。六. 換熱器在工作中存在的震動問題管殼式換熱器作為一種傳統(tǒng)的換熱設備廣泛地應用在工農業(yè)各個領域，尤其在化工、石油、能源等部門處于主導地位。當今科學技術的發(fā)展日新月異和過程 工業(yè)向大型化發(fā)展都對換熱

10、器提出了新的要求，尤其是換熱器向高溫、高壓、大容量、高效益等方向發(fā)展，管殼式換熱器無論是在設計理論還是在應用實踐方面 都面臨一系列新的機遇和挑戰(zhàn)。由于管殼式換熱器的殼程流體流動誘發(fā)振動的物 理現(xiàn)象非常復雜，會引起不同流體漩渦、抖振、彈性激振及聲學共振，這些振蕩 組合起來就形成劇烈振動。隨著換熱器向大型化、高溫、高壓、高流 速、高負荷方向發(fā)展，振動有可能更加激烈，從而導致管子不斷撞擊折流板， 產 生管子被折流板邊緣切割穿透、管子與管板連接處被拉裂至發(fā)生泄漏、聲振動等 現(xiàn)象。七. 造成振動的振動形式及原因管殼式換熱器管束振動主要是由殼程流體流動所引起,產生振動的振源為流體特性不穩(wěn)定產生的振動、流體

11、速度的波動、通過其它連接件傳播的動力機械振 動等，橫向流是流體誘導管束振動的主要根源。主要可以分為一下幾種：1. 卡門漩渦的誘導振動當殼程流體橫向流過管束時，在管子后面形成一個交變的漩渦尾流， 稱為卡門漩 渦。它以交變的橫向推力(垂直于流向)作用于管子的兩側，使管子產生振動。當 漩渦橫向的交變頻率接近管子的自振固有頻率時， 就會引起管子的強烈共振?？?門漩渦可能產生在下列范圍內：對排管束 T/d0=1.33.02 , (L/ d0)=1.25 3.0;對錯管束 T/d0=1.54.65 , (L/ d0)=1.25 7.9;式中：T一橫排管心距；L一縱向管心距；d0管外徑。2. 流體彈性振動當

12、流體橫向沖刷管排達到某一速度后，如果此時管排中有某根管子從它原有平衡位置發(fā)生瞬時位移，則可使流場發(fā)生變化，破壞相鄰管子的平衡，使它們也 產生位移，處于振動狀態(tài)。如果流體被管子吸收的振動能超過了管子阻尼消耗的 能量，管子便發(fā)生劇烈振動，使管子遭到碰撞，最終導致設備損壞。3 .湍流抖振(紊流抖振)當殼程流體的流動在湍流時，由于湍流本身存在一個主導頻率的頻帶振動，所以如果該主導頻率接近管子或折流板的自振頻率，而且殼程介質為阻尼較小的氣體時，即會引起它們的共振。殼體流體的雷諾數(shù) Re大于10000即流動是充分的湍 流。4 .聲振動當高速氣流向一個較大的容積沖射時， 將產生一個聲振動，該振動的頻率與幾何 空間有關。在換熱器的殼程中，當介質為氣態(tài)時，可能產生頻率在 40125Hz的 低頻振動。八. 結束語節(jié)能減排已成為我國“十二五”期間重要戰(zhàn)略的舉措，高效節(jié)能換熱器的研 究也成為當今地下?lián)Q熱領域研究的熱點。 所以現(xiàn)在的換熱器越來越向高精尖的技 術水品發(fā)展。參考文獻孫世梅張紅高溫熱管換熱器的應用前景（南京工業(yè)大學）2004年汪波 茅靳豐 耿