淺論換熱器及其發(fā)展趨勢(shì)

淺論換熱器及其開(kāi)展趨勢(shì)摘要:換熱器是工業(yè)部門廣泛使用的一種設(shè)備。為了適應(yīng)所需，換熱器的類型多而復(fù)雜，本文根據(jù)作用原理和傳熱方式主要分為直接接觸式換熱器、蓄熱式換熱器、間壁式換熱器和中間載熱體式換熱器進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹。間壁式換熱器仍是應(yīng)用最廣泛的一類換熱器，因此以其一列管式換熱器為例概括了換熱管的現(xiàn)狀和相應(yīng)的換熱器的開(kāi)展進(jìn)展。關(guān)鍵詞：換熱器；換熱管；現(xiàn)狀；開(kāi)展一、換熱器介紹換熱器是一種使熱量從熱流體傳遞到冷流體的設(shè)備，它在許多工業(yè)部門被廣泛使用，包括化工、煉油、動(dòng)力、食品、輕工、原子能、制藥、機(jī)械等等。其主要功能有兩點(diǎn)，一是使流體溫度到達(dá)工藝流程規(guī)定的指標(biāo)，以滿足工藝流程上的需要；二是有效的回收利用預(yù)熱、廢熱，特別是低位熱能。在化工生產(chǎn)中換熱器可作為加熱器、冷卻器、冷凝器、蒸發(fā)器和再沸器等，應(yīng)用相當(dāng)廣泛，自然的，其類型也相當(dāng)多，假設(shè)按照作用原理和傳熱方式那么分為直接接觸式換熱器、蓄熱式換熱器、間壁式換熱器和中間載熱體式換熱器。1.1直接接觸式換熱器直接接觸式換熱器又稱混合式換熱器，是依靠冷、熱流體直接接觸而進(jìn)行傳熱的，這種傳熱方式防止了傳熱間壁及其兩側(cè)的污垢熱阻，只要流體間的接觸情況良好，就有較大的傳熱速率。故凡允許流體相互混合的場(chǎng)合，都可以采用混合式熱交換器，例如氣體的洗滌與冷卻、循環(huán)水的冷卻、汽-水之間的混合加熱、蒸汽的冷凝等等，具體應(yīng)用有冷卻塔、氣壓冷凝器、氣體洗滌器等。圖1-1直接接觸式換熱器圖1-1直接接觸式換熱器蓄熱式換熱器與回?zé)崾綋Q熱器相對(duì)應(yīng)，是一種應(yīng)用歷史比擬久遠(yuǎn)的換熱裝置，回?zé)崾綋Q熱器中兩種流體的換熱是通過(guò)各個(gè)位置的固定邊界進(jìn)行的，在穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)換熱器的內(nèi)的溫度只與位置有關(guān)，而在蓄熱式換熱器熱量的傳遞都是動(dòng)態(tài)的，同時(shí)依賴于位置和時(shí)間。［1］在蓄熱式換熱器中，冷、熱流體交替地流過(guò)同一固體傳熱面及其所形成的通道，依靠構(gòu)成傳熱面的物體的熱容作用〔吸熱或放熱〕，實(shí)現(xiàn)冷、熱流體之問(wèn)的熱交換。蓄熱式換熱器有受熱面回轉(zhuǎn)式和風(fēng)罩回轉(zhuǎn)式兩種：前者是由轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)使煙氣和空氣交替沖刷蓄熱元件；后者是由風(fēng)罩轉(zhuǎn)使煙氣和空氣交替沖刷蓄熱元件。該換熱器適用于流量大的氣一氣熱交換場(chǎng)合，如動(dòng)力、硅酸鹽及石油化工等工業(yè)中的余熱利用和廢熱回收等方面。［2］蓄熱式換熱器的優(yōu)點(diǎn)也很明顯，首先是結(jié)構(gòu)緊湊，其次它是由由固體填充物構(gòu)成的蓄熱體作為傳熱面的，交替地通過(guò)同一通道利用蓄熱體來(lái)吸熱和放熱，其單位面積傳熱面大，適用于氣-氣熱交換，如回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器。但局限在于不允許兩種流體混合。圖1-2蓄熱式換熱器圖1-3燃燒室圖1-2蓄熱式換熱器圖1-3燃燒室1.3間壁式換熱器間壁式換熱器又稱為外表式換熱器，利用間壁〔固體壁面〕進(jìn)行熱交換。是應(yīng)用最廣泛的一類換熱器，形式也多種多樣，如板式換熱器、板翅式換熱器、列管換熱器三類。相比而言，板式換熱器具有換熱效率高、熱損失小、結(jié)構(gòu)緊湊輕巧、占地面積小、安裝清洗方便，使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)；板翅式換熱器制造工藝要求更為嚴(yán)格，且容易堵塞，不耐腐蝕，清洗檢修困難，但其傳熱性能特別好；列管式換熱器又稱管殼式換熱器，是工業(yè)上應(yīng)用最廣泛的換熱設(shè)備，又分為固定管板式換熱器、U形管式換熱器、浮頭式換熱器。管殼式換熱器由一個(gè)殼體和包含許多管子的管束所構(gòu)成，冷、熱流體之間通過(guò)管壁進(jìn)行換熱的換熱器。它適應(yīng)于冷卻、冷凝、加熱、蒸發(fā)和廢熱回收等各個(gè)方面。通常管殼式換熱器的工作壓力可達(dá)4兆帕，工作作溫度在200℃以下。在個(gè)別情況下還可到達(dá)更高的壓力和溫度。一般殼體直徑在1800ram以下，管子長(zhǎng)度在9m以下，在個(gè)別情況下也有更大或更長(zhǎng)的。其優(yōu)于其他兩種的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)鞏固、可選用的結(jié)構(gòu)材料范圍廣，故適應(yīng)性強(qiáng)、操作彈性較大。因此，在高溫、高壓和大型裝置上多采用列管式換熱器。圖1-4管殼式換熱器圖1-4管殼式換熱器間壁式換熱器應(yīng)用廣泛，工作壞境多變且較為惡劣，例如局部間壁式換熱器操作壓強(qiáng)高達(dá)2*105Kpa，溫度-250到1500℃的范圍內(nèi)變化，某些流體的腐蝕性又特別嚴(yán)重等。每種類型的換熱器都有優(yōu)缺點(diǎn)，選擇換熱器類型時(shí)，要考慮的因素很多，例如材料，壓強(qiáng)，溫度，溫度差，壓強(qiáng)降，結(jié)垢腐蝕情況，流動(dòng)狀態(tài)，傳熱效果，檢修和操作等。對(duì)同一種換熱器而言，某種情況下使用是好的，而在另外的情況下卻不能夠令人滿意，甚至根本不能用。因此在實(shí)際應(yīng)用中，工作人員需對(duì)各種間壁式換熱器的優(yōu)缺點(diǎn)和操作方式了然于胸，最大發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)。［3］1.4中間載熱體式換熱器中間載熱體式換熱器是將兩個(gè)間壁式換熱器由在其中循環(huán)的載熱體連接，載熱體在高溫流體換熱器和低溫流體換熱器間循環(huán)，從高溫流體換熱器中吸收熱量，向低溫流體換熱器中釋放熱量給低溫流體。圖1-5熱管換熱器圖1-5熱管換熱器二、換熱器的開(kāi)展換熱器在國(guó)民經(jīng)濟(jì)和化工生產(chǎn)領(lǐng)域中對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量、能量利用率以及系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性、可靠性起著舉足輕重的作用。近年來(lái)，能源與材料費(fèi)用的不斷增長(zhǎng)極大地推動(dòng)了對(duì)高效節(jié)能換：熱器的研究，作為一種節(jié)能設(shè)備，換熱器不僅是保證加工過(guò)程正常運(yùn)轉(zhuǎn)不可缺少的設(shè)備，而且就金屬消耗、動(dòng)力消耗和投資來(lái)說(shuō)，其在整個(gè)工程中所占有比例很大。據(jù)統(tǒng)計(jì)，換熱器的投資約占全部設(shè)備投資的40%。因此開(kāi)發(fā)新型高效和結(jié)構(gòu)緊湊的換熱器是目前換熱器研究的一個(gè)重要方向。其內(nèi)部強(qiáng)化傳熱主要有兩種途徑：增大傳熱面積，但換熱器的傳熱面積不可能無(wú)限制地增大，否那么投資費(fèi)用會(huì)大大增加，并且隨著工業(yè)化的進(jìn)展，設(shè)備要緊湊化：提高傳熱系數(shù)，主要從管程和殼程傳熱強(qiáng)化系數(shù)的提高方面上考慮。2.1常見(jiàn)換熱管的研究現(xiàn)狀2.1.1螺旋槽管螺旋槽管是種管壁上具有外凸和內(nèi)凸的異形管，管壁上的螺旋槽能在有相變和無(wú)相變的傳熱中明顯提高管內(nèi)外的傳熱系數(shù)，起到雙邊強(qiáng)化的作用。根據(jù)在光管外表加螺旋槽的類型，螺旋槽管有單頭和多頭之分，其主要結(jié)構(gòu)參數(shù)有槽深e、槽距p和槽旋角β。，研究還說(shuō)明單頭螺旋槽管比多頭螺旋槽管的性能好。目前，無(wú)論足從傳熱、流阻、結(jié)垢性能，還是從無(wú)相變對(duì)流換熱和有相變凝結(jié)換熱，對(duì)螺旋槽管的強(qiáng)化傳熱研究從理論到實(shí)際已到達(dá)較高水平。2.1.2橫紋管橫紋管是一種普通圓管作毛胚，在管外壁經(jīng)簡(jiǎn)單滾軋出與軸線垂直的凹槽，同時(shí)在管內(nèi)形成一圈突起的環(huán)肋。其強(qiáng)化機(jī)理為：當(dāng)管內(nèi)流體經(jīng)橫向環(huán)肋時(shí)，管壁附近形成軸向漩渦，增加了邊界層的擾動(dòng)，有利于熱量通過(guò)邊界層的傳遞。當(dāng)渦流即將消失時(shí)，流體又流經(jīng)下一個(gè)橫肋，不斷產(chǎn)生軸向渦流，因而保持連續(xù)且穩(wěn)定的強(qiáng)化作用。2.1.3管內(nèi)插入物管內(nèi)插入物的類型有很多，主要有：麻花鐵、螺旋線圈、螺旋帶、螺旋片、扭帶和靜態(tài)混合器等。各種插入物的強(qiáng)化傳熱機(jī)理一般可分為四種：形成旋轉(zhuǎn)流；破壞邊界層；中心流體與管壁流體產(chǎn)牛置換作用；產(chǎn)生二次流。管內(nèi)插入物的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)舊的換熱器設(shè)備進(jìn)行改造，以提高其換熱性能。在強(qiáng)化傳熱的同時(shí)，能到達(dá)去除污垢的目的。2.1.4內(nèi)翅片管內(nèi)翅片管是采用特殊的焊接工藝和設(shè)備加工而成，流體在管內(nèi)的換熱過(guò)程為單相強(qiáng)制對(duì)流換熱。其豐要特點(diǎn)是通過(guò)在傳熱管管內(nèi)擴(kuò)大傳熱面積、強(qiáng)化管內(nèi)傳熱的途徑來(lái)提高換熱器的傳熱性能。八十年代初，日立電纜研究說(shuō)明，采用左右錯(cuò)式的螺旋內(nèi)翅片管強(qiáng)化單相流體的傳熱可使管內(nèi)給熱系數(shù)提高到光管的2.8倍左右。［4］2.1.5波紋管波紋管是將光管加工成波紋形狀的翹片，其強(qiáng)化傳熱機(jī)理是：通過(guò)改變斷面使弧形段內(nèi)壁處發(fā)生兩次反向擾動(dòng)，增加對(duì)管內(nèi)流體的擾動(dòng)，擴(kuò)大低熱阻區(qū)域，以提高傳熱系數(shù)，增強(qiáng)傳熱效果。具有不易結(jié)垢，單位容積傳熱面積大，耐腐蝕性強(qiáng)，溫差應(yīng)力小等優(yōu)點(diǎn)。2.1.6縮放管縮放管是由依次交替的收縮段和擴(kuò)張段組成的波形管道，其強(qiáng)化傳熱的機(jī)理是：在擴(kuò)張段流體速度降低，靜壓增大；在收縮段流體速度增加，靜壓減小；流體在方向反復(fù)改變的軸向壓力梯度下流動(dòng)。擴(kuò)張段產(chǎn)生的漩渦在收縮段被有效地利用，沖刷了流體邊界層，便邊界層減落實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)化傳熱。2.2換熱器開(kāi)展及進(jìn)展長(zhǎng)期以來(lái)，列管式換熱器面臨著各種新型換熱器的挑戰(zhàn)，且某些場(chǎng)合已被一些新型換熱器所取代，但是由于它的高度可靠性和廣泛的適應(yīng)性，至今仍然居于統(tǒng)治地位。例如在日本其產(chǎn)量占全部換熱器的70%，產(chǎn)值占60%。由于受到挑戰(zhàn)，反過(guò)來(lái)也促進(jìn)了它自身的開(kāi)展。例如在高溫、高壓領(lǐng)域，已有用它取代蛇管、套骨式換熱器的趨勢(shì)。［5］目前，對(duì)高效列管式換熱器的研究主要集中在強(qiáng)化管程和殼程兩方面，根據(jù)以上換熱管研究現(xiàn)狀針對(duì)管程有如下改良。2.2.1螺紋管換熱器螺紋管是一種優(yōu)良的高效異形強(qiáng)化傳熱管件，其結(jié)構(gòu)如圖2-1所示，由光滑管在車床上軋制而成，分單頭和多頭，其強(qiáng)化機(jī)理是：產(chǎn)生的邊界層別離流使傳熱邊界破壞。目前從傳熱、流阻、阻垢性能、無(wú)相變對(duì)流換熱、有相變凝結(jié)換熱等方面對(duì)螺紋管的強(qiáng)化傳熱研究從理論到實(shí)際都到達(dá)了較高水平。圖2-1螺紋管圖2-1螺紋管2.2.2橫紋管換熱器橫紋管主要用來(lái)強(qiáng)化管內(nèi)單相流體的傳熱，在相同流速下，橫紋管比單頭螺旋槽管比擬，流體阻力稍大但壓降較小，傳熱性能好。我國(guó)華南理工大學(xué)、沈陽(yáng)化工學(xué)院和遼寧冷熱設(shè)備制造公司等單位對(duì)橫紋管進(jìn)行了研究和應(yīng)用。如圖2-2。圖2-2橫紋管圖2-2橫紋管2.2.3菱形翅片管換熱器菱形翅片管與螺紋管相比，翹片距更密，傳熱面積更大，當(dāng)流體流經(jīng)菱形翅片外表時(shí)，傳熱邊界層在非連續(xù)翅片上因受到周期性破壞而減薄，從而提高了冷凝傳熱系數(shù)，是光滑管的6倍。2.2.4波紋管換熱器波紋管是近10年出現(xiàn)的強(qiáng)化換熱管，其結(jié)構(gòu)如圖2-3所示，我國(guó)第一臺(tái)波紋管換熱器由沈陽(yáng)市廣廈熱力設(shè)備公司于20世紀(jì)90年代初研制成功。圖2-3波紋管圖2-3波紋管2.2.5縮放管換熱器其結(jié)構(gòu)如圖2-4所示。華南理工大學(xué)研究認(rèn)為，縮放管可強(qiáng)化管內(nèi)外單相流體的傳熱，在同等流阻損失下，Re=104-105范圍內(nèi)，傳熱管比光管增加70%?？s放管換熱器已在空氣預(yù)熱器、油冷卻器、冷凝器、廢熱鍋爐中廣泛使用。［6］圖2-4縮放管圖2-4縮放管三、結(jié)論換熱器在近百年來(lái)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)的很多領(lǐng)域起著越來(lái)越重要的作用，能源與材料費(fèi)用的不斷增長(zhǎng)也極大地推動(dòng)了對(duì)高效節(jié)能的換熱器的研究。而今，換熱器的類型已經(jīng)很多，但缺陷卻是大多數(shù)換熱器所共有的，其內(nèi)部強(qiáng)化傳熱途徑也相似。對(duì)于未來(lái)的開(kāi)展，需要包括以下幾個(gè)方面：一是器械緊湊化；二是換熱高效化——減少熱量的散失；三是節(jié)能減排；四是理論系統(tǒng)化；五是技術(shù)模型化。換熱器有著極其廣泛的應(yīng)用，在開(kāi)展上雖然有瓶頸但仍然有很大的需要。參考文獻(xiàn)［1］FrankWSchmidt,AJohnWillmott．Thermalenergystorageandregeneration［Z］．Washington：HemispherePu