换热器的发展与改进-

换热器的发展与改进换热器是化工、石油、能源等各工业中应用相当广泛的单元设备之一。

据统计, 在现代化学工业中换热器的投资大约占设备总投资的30% , 在炼油厂中占全部工艺设备的40% 左右, 海水淡化工艺装置则几乎全部是由换热器组成的。

对国外换热器市场的调查表明, 虽然各种板式换热器的竞争力在上升,但管壳式换热器仍占主导地位约64%。

新型换热元件与高效换热器开发研究的结果表明, 列管式换热器已进入一个新的研究时期, 无论是换热器传热管件, 还是壳程的折流结构都比传统的管壳式换热器有了较大的改变, 其流体力学性能、换热效率、抗振与防垢效果从理论研究到结构设计等方面也均有了新的进步。

目前各国为改善该换热器的传热性能开展了大量的研究, 主要包括管程结构和壳程结构强化传热的发展。

一．换热器设备的发展二十世纪20年代出现板式换热器，并应用于食品工业。

以板代管制成的换热器，结构紧凑，传热效果好，因此陆续发展为多种形式。

30年代初，瑞典首次制成螺旋板换热器。

接着英国用钎焊法制造出一种由铜及其合金材料制成的板翅式换热器，用于飞机发动机的散热。

30年代末，瑞典又制造出第一台板壳式换热器，用于纸浆工厂。

在此期间，为了解决强腐蚀性介质的换热问题，人们对新型材料制成的换热器开始注意60年代左右，由于空间技术和尖端科学的迅速发展，迫切需要各种高效能紧凑型的换热器，再加上冲压、钎焊和密封等技术的发展，换热器制造工艺得到进一步完善，从而推动了紧凑型板面式换热器的蓬勃发展和广泛应用。

此外，自60年代开始，为了适应高温和高压条件下的换热和节能的需要，典型的管壳式换热器也得到了进一步的发展。

70年代中期，为了强化传热，在研究和发展热管的基础上又创制出热管式换热器。

二．换热器的分类(一).按用途分类换热器按用途不同可分为加热器、冷却器、冷凝器、和蒸发器等。

(二).按冷，热流体的传热方式分类1.两流体直接接触式换热器2.蓄热式换热器3.间壁式换热器这类换热器使用最多，热流体与冷流体用间壁隔开，热流体的热量通过间壁传给冷流体。

间壁式换热管可分：夹套式换热器，沉浸式蛇管换热器，喷淋式换热器，套管式换热器，螺旋板式换热器，板式换热器，板翅式换热器，热管式换热器，列管式换热器三．主流列管换热器列管式换热器又称管壳式换热器，在化工生产中被广泛利用。

它结构简单、坚固、制造较容易，处理能力大，适应性能，操作弹性较大，尤其在高压、高温和大型装置中使用更为普遍。

管壳式换热器可分为以下几种主要类型：固定管板式换热器固定管板式换热器固定管板式换热器固定管板式换热器它是管壳式换热器的基本结构形式。

管子的两端分别固定在与壳体焊接的两块管板上。

在操作状态下由于管子与壳体的壁温不同，二者的热变形量也不同，从而在管子、壳体和管板中产生温差应力。

这一点在分析管板强度和管子与管板连接的可靠性时必须予以考虑。

为减小温差应力，可在壳体上设置膨胀节。

固定管板式换热器一般只在适当的温差应力范围、壳程压力不高的场合下采用。

固定管板式换热器的结构简单、制造成本低，但参与换热的两流体的温差受一定限制；管间用机械方法清洗有困难，须采用化学方法清洗，不然壳程易结垢。

浮头式换热器浮头式换热器的结构为管子一端固定在固定管板上，管板夹持在壳体法兰与管箱法兰之间，用螺栓连接；管子另一端固定在浮头管板上，浮头管板与浮头盖用螺栓连接，形成可在壳体内自由移动的浮头。

由于壳体和管束间没有相互约束,即使两流体温差再大，也不会在管子、壳体和管板中产生温差应力。

浮头式换热器适用于温度波动和温差大的场合；管束可从壳体内抽出用机械方法清洗管间或更换管束。

但与固定管板式换热器相比，它的结构复杂、造价高。

U型管式换热器一束管子被弯制成不同曲率半径的U型管，其两端固定在同一块管板上，组成管束。

管板夹持在管箱法兰与壳体法兰之间，用螺栓连接。

拆下管箱即可直接将管束抽出，便于清洗管间。

管束的U形端不加固定，可自由伸缩，故它适用于两流体温差较大的场合；又因其构造较浮头式换热器简单，只有一块管板，单位传热面积的金属消耗量少，造价较低，也适用于高压流体的换热。

但管子有U形部分，管内清洗较直管困难，因此要求管程流体清洁，不易结垢。

管束中心的管子被外层管子遮盖，损坏时难以更换。

相同直径的壳体内，U形管的排列数目较直管少，相应的传热面积也较小。

双重管式换热器将一组管子插入另一组相应的管子中而构成的换热器。

管程流体从管箱进口管流入，通过内插管到达外套管的底从管箱出口管流出。

其特点是内插管与外套管之间没有约束，可自由伸缩。

因此，它适用于温差很大的两流体换热。

但管程流体的阻力较大，设备造价较高。

填函式换热器填函式换热器的结构，管束一端与壳体之间用填料密封。

管束的另一端管板与浮头式换热器同样夹持在管箱法兰与壳体法兰之间，用螺栓连接。

拆下管箱、填料压盖等有关零件后，可将管束抽出壳体外，便于清洗管间。

管束可自由伸缩，具有与浮头式换热器相同的优点。

由于减少了壳体大盖，它的结构较浮头式换热器简单，造价也较低；但填料处容易渗漏，工作压力和温度受一定限制，直径也不宜过大。

列管式换热器特点是：这种换热器结构较简单，操作可靠，可用各种结构材料（主要是金属材料）制造，能在高温、高压下使用，是目前应用最广的类型。

由壳体、传热管束、管板、折流板（挡板）和管箱等部件组成。

壳体多为圆筒形，内部装有管束，管束两端固定在管板上。

进行换热的冷热两种流体，一种在管内流动，称为管程流体；另一种在管外流动，称为壳程流体。

为提高管外流体的传热分系数，通常在壳体内安装若干挡板。

挡板可提高壳程流体速度，迫使流体按规定路程多次横向通过管束，增强流体湍流程度。

换热管在管板上可按等边三角形或正方形排列。

等边三角形排列较紧凑，管外流体湍动程度高，传热分系数大；流体每通过管束一次称为一个管程；每通过壳体一次称为一个壳程。

图示为最简单的单壳程单管程换热器,简称为1-1型换热器。

为提高管内流体速度,可在两端管箱内设置隔板，将全部管子均分成若干组。

这样流体每次只通过部分管子，因而在管束中往返多次，这称为多管程。

同样，为提高管外流速，也可在壳体内安装纵向挡板，迫使流体多次通过壳体空间，称为多壳程。

多管程与多壳程可配合应用。

五．换热器的改进与发展方向对与换热器的改进和新型换热器的发展方向其实相同。

基本可以定义为强化传热。

有传热方程 Q=KA△tm 可知：增大传热系数K、传热面积A或传热平均温差△tm，都能是热流量Q增加。

所以提高传热效率的措施基本可以归结如下三点:1.增大传热面积A换热器单位体积内传热面积增大，传热将会得到强化。

这通过改进传热面结构就能做到。

例如，采用小直径管，翅片管或者螺纹管等代替光滑管，都可以增大单位体积的传热面积。

2.增大传热系数K对于在传热过程中无相变的流体，增大流速和改变流动条件都可以增加流体的湍流程度，从而提高对流体的传热系数。

此外，采用导热系数较大的流体以及传热过程中有相变的载热体，都能增大传热系数。

3.增大传热平均温差△tm传热温差主要是由物料和载热体的温度决定，物料温度有生产工艺决定，不能随意改变；载热体温度则与载热体种类有关。

载热体种类很多，温度范围各不相同，在选择是要考虑技术上的可行性和经济上的合理性。

当然上面是从公式入手还有其他方面提高传热.(1)非金属材料的应用。

非金属材料在一定的范围内具有金属材料不可比拟的优点。

石墨材料具有优良的导电、导热性能,较高的化学稳定性和良好的机加工性。

氟塑料具有特别优良的耐腐蚀性。

氟塑料耐腐蚀性能极强,并且与金属材料相比还具有成本上的优势。

复合材料如搪瓷玻璃具有优良的耐腐蚀性能、良好的耐磨性、电绝缘性以及表面光滑不易粘附物料等优点,已经用于制作换热产品。

陶瓷材料因其优异的耐腐蚀性、耐高温性能而引起工业界的高度重视,已经在换热产品的制造中得到应用。

(2)计算流体力学和模型化设计的应用。

在换热器的热流分析中,引入计算机技术,对换热器中介质的复杂流动过程进行定量的模拟仿真。

目前基于计算机技术的热流分析已经用于自然对流、剥离流、振动流和湍流热传导等的直接模拟仿真,以及对辐射传热、多相流和稠液流的机理仿真模拟等方面。

在此基础上,在换热器的模型设计和设计开发中,利用CFD的分析结果和相对应的模型实验数据,使用计算机对换热器进行更为精确和细致的设计。

(3)加强实验和理论研究。

采用先进的测量仪器来精确测量换热器的流场分布和温度场分布,并结合分析计算,进一步摸清不同结构的强化传热机理。

采用数值模拟方法对换热器内流体流动和传热过程进行研究,预测各种结构对流场及传热过程的影响。

(4)有源技术研究。

如利用振动、电场方法强化传热的机理研究、试验研究,给出对比试验数据,提出理论计算模型。

、(5)强化结构组合研究。

为达到管壳程同时强化的目的,强化结构组合研究将成为近期传热强化技术研究的发展方向。

下面介绍几种新型换热器1. 螺旋折流板换热器螺旋折流板换热器是最新发展起来的一种管壳式换热器,是由美国ABB公司提出的。

其基本原理为:将圆截面的特制板安装在“拟螺旋折流系统”中,每块折流板占换热器壳程中横剖面的四分之一,其倾角朝向换热门涡街,从而提高有效传热温差,防止流动诱导振动;在相同流速时,壳程流动压降小;基本不存在震动与传热死区,不易结垢。

对于低雷诺数下(Re<1000)的传热,螺旋折流板效果更为突出。

2. 新型麻花管换热器瑞典Alares公司开发了一种扁管换热器,通常称为麻花管换热器。

螺旋扁管的制造过程包括了“压扁”与“热扭”两个工序。

改进后的麻花管换热器同传统的管壳式换热器一样简单,但改进了传热,减少了结垢,真正的逆流,降低了成本,无振动,节省了空间,无折流元件。

由于管子结构独特使管程与壳程同时处于螺旋运动,促进了湍流程度。

该换热器总传热系数较常规换热器高40%,而压力降几乎相等。

组装换热器时也可采用螺旋扁管与光管混合方式。

该换热器严格按照ASME标准制造,凡是用管壳式换热器和传统装置之处均可用此种换热器取代,它能获得普通管壳式换热器和板框式传热设备所获得的最佳值,估计在化工、石油化工行业中具有广阔的应用前景。

3. Hitan绕丝花环换热器该型换热器是英国CalGavinLtd公司开发的一种新产品,采用一种称之为Hitanmatrixelements的丝状花内插物,可使流体在低速下产生径向位移和螺旋流相叠加的三维复杂流动,可提高诱发湍流和增强沿温度梯度方向上的流体扰动,能在不增加阻力的条件下大大提高传热系数。

图 3 Hitan换热器用内插物内插件不仅可以促进管内流体形成湍流,同时可以扩大传热面积,提高传热效率。

目前,管内内插物主要是利用各种金属的条、带、片和丝等绕制或扭曲成螺旋形,如麻花铁、螺旋线、螺旋带及螺旋片等,或冲成带有缺口的插入带。