内展翅片换热器在空气除湿系统中的应用
摘要：从换热器强化换热原理分析入手，针对气(汽)一液换热特殊工况，提出了应用内展翅片换热器的优越性，并通过空气除湿系统的应用实例，论述其的节能优势。
换热是医药、化工生产中的常见工艺，在换热过程中往往存在着两侧介质对流换热系数相差极大的情况，比较典型的是气(汽)一液换热。对于这类工况的换热，如果使用普通型的换热器，其传热效率极低，导致耗水量与冷却水动力泵耗电大，设各的制造成本和运行成本也高。
近几年国内针对气(汽)一液换热这个特殊工况的需求，出现了内展翅片换热器，其通过让对流换热系数较小的介质流经换热管翅片侧来强化其换热性能，从而达到提高换热器总传热系数的目的。经过东北制药总厂实践应用，具有良好的节能效果，在气(汽)一液换热领域有很高的推广价值。
1 强化换热的基本原理
换热设备效率的高低主要取决于换热器的传热系数，各种强化传热的手段主要是依靠增加传热系数k，其核心问题是要对传热过程进行分析，确定控制整个传热过程的分热阻。
在换热过程中，热量由高温流体传给低温流体的主要热阻来自以下几个方面：(1)两侧介质与换热管内、外壁之间的对流换热热阻；(2)管壁本身的热阻；(3)两侧介质的污垢热阻。当不考虑污垢热阻时，传热系数可以写成下列形式：
一般换热管都采用金属薄壁作为换热面，由于管壁本身的热阻非常小，强化换热的潜力不大，因此强化换热性能主要就是要降低两侧介质与换热管内、外壁之间的对流换热热阻，重点应抓住最薄弱的环节，即分热阻最大的一项进行强化，才能有效地增大传热系数。
2 气(汽)一液换热所遇到的问题
在通常的换热过程中，一些换热介质之间的换热系数相差较大，特别是气(汽)一液换热工况 以空气一水换热为例，一般空气的对流换热系数在2O～100 w／(m2·℃)， 而水一般可以达到1 000～15 000 w／(m2·℃)，二者相差上百倍。对常规换热器，换热壁两侧换热面积基本相等，但气(汽)一液换热热交换介质的换热系数不同，导致热交换不平衡，造成总传热系数低下与能源产生极大浪费的状况。
为解决这一问题，一般可采用以下几个方法：
(1)加大换热面积。但此法往往使得换热器体积过于庞大，初期投资增加，同时对于换热系数大的一侧来说，也是一种换热面积的浪费：
(2)提高冷却介质流速。提高流速固然可以增强传热，但同时造成阻力降成倍增加，运行费用上升，并容易产生水蚀或震动现象：
(3)加大传热温差。这就需要降低冷却介质温度，甚至使用盐水深冷，运行成本增加，而且整个热力系统的不可逆性增加，降低了热力系统的可用性。
3 内展翅片换热器
根据上述传热系数关系式，针对气(汽)一液换热特点，降低气体侧的传热热阻，对强化传热可谓事半功倍。由换热器介质与管壁传热热阻公式：
可知，对对流换热系数较小的换热侧，可通过增大其来达到减小热阻的目的。
&nbs p;扩展表面是紧凑式换热器和管壳式换热器最常用的强化措施，扩展表面又可分为外扩展表面与内扩展表面。外扩展表面是在管外侧加翅片强化管外换热，是最普遍的方式，技术已经相对成熟：而内扩展表面是利用内翅片管来强化换热。
内展翅片换热器如图1所示，是针对气(汽)一液换热的特点研制、生产的新型换热器。其通过在换热管内部加装波纹型内展翅片，加大了气体侧的热交换面积，降低气体对流换热热阻，提高了总传热系数，有效地解决了热交换介质导热系数不同而导致的热交换不平衡问题，改善了传热效果。
3．1 内展翅片换热器与普通光管换热器的比较
(1)内展翅片换热管与光管换热器相比，在消耗金属材料相同的情况下具有更大的表面积，但实质上换热面积增大的同时带来了传热系数的提高，改善了传热效率，解决了因两种介质换热系数不同而产生的热交换不平衡这一基本问题；
(2)与普通换热器相比，内展翅片换热器因为降低气侧传热热阻，而使光管换热面积减少，使得整台设备体积大大减少。设备制造所需要材料少，在同等处理量情况下总体耗材量相对于相同材质的常规换热器要少。
3．2 内展翅片换热器其它特性
(1)波纹型翅片纵向置入管内，气体流动阻力小；
(2)冷却水走壳程，不断折流扰动，降低水垢形成几率。高压气体走管程，高温、高压气体的流速较大，污垢系数较小，这样就使得换热器的清洗周期大大加长，维护成本降低。
4 内展翅片换热器在空气除湿系统中的应用
东北制药总厂空气除湿系统是典型的气(汽)一液换热工艺，原使用列管换热器(原空气除湿系统换热流程，如图2所示)，2004年根据系统工艺特性，改造采用内展翅片换热器(改造后空气除湿系统换热流程，如图3所示)。应用结果表明，该产品对气(汽)一液介质热交换效果特别突出，真正达到换热器的专业化配置。
从上表可见：(1)采用内展翅片换热器，节约用水47 t／h，相对普通壳管式换热器节水率为63％，系统补水量大幅度减少；(2)改造后停运37 kW水泵1台，另1台负荷降低25％，每年节电约l5万元；(3)夏季停止冷冻盐水的使用，3个月节约盐水制取费用22万元。由此看来，在空气除湿系统中应用内展翅片换热器将具有明显的经济效益。
5 结语
翅片管换热器与普通光管换热器相比具有许多热性能和经济上的优点，对于我国工业企业降低能源消耗，节约能源，节约水资源具有重大意义。在目前化工、医药企业为提高总体能效进行的增容、增效技术改造过程中，应用翅片换热器可以解决管壳式换热器运行中的许多问题，新型翅片管换热器将会得到越来越广泛的研究和应用。
[参考资料]
[1] 杨世铭，传热学．高等教育出版社，1987
[2] 换热器．中国石化出版社，1993
