换热器的技术研究进展及其应用

一、强化传热元件与高效换热器研究进展

1.1横坟管折流杆换热器

这是融合了折流杆换热器技术与横纹管强化技术的一 种高效换热器。折流杆换热器是美国菲利普公司上世纪70 年代为解决天然气换热器的流体诱导振动问题开发的一种 杆式折流栅换热器。其特点是抗振力强，消除了壳程滞流区， 改善了壳程流体的速度和温度的分布。桂林化工机械厂曾与 华南理工大学钱颂文教授合作并成功地将强化传热元件螺 旋描管用于折流杆换热器，节省换热面积接近60%，效果十 分显著。目前，螺旋植杆折流杆换热器在桂林化工厂已系统 化生产。近年来，桂林化工机械厂、华南理工大学化学工程研 究所和国家教委传热与节能开发研究实验室合作，将在相同 管内流速下传热效率优于螺旋植管的横纹管用于折流杆换 热器。1995年5月设计制造的DN1400横纹管折流杆换热器 在云南某中型化肥厂变换系统投人工业运行，取代了原使用的 DN2400列管式折流板主热交换器，以540mZ的换热面积取 代了原设备1627m，的换热面积，设备重量由原来的37。61d 减小到17。27d，设备投资节省1/3。强化传热元件的应用与 高效换热设备的开发:极大地提高了企业的经济效益和社会 效益。横纹管折流杆换热器的开发应用结果证明，强化传热 元件与折流杆的有机组合。在提高管程换热速率的同时也提 高了壳程的换热速率。工业运行证明横纹管具有传热效率 高、流体阻力小、抗振性能好的特点。

1.2缩放管整圆抽孔折流姗板换热器

我国现有的中型氮肥厂氢氮气压缩机冷却器，长期以来 传热效率低，冷却器的流路不畅，流体横向冲刷所引起换热 管的振动一直是未解决的技术难题，直接影响中氮压缩机的 工作效率。缩放管整圆槽孔折流栅板换热器是近两年来厂校 合作开发的另一种新型换热器，是又一种强化传热元件与新 型壳程折流结构的优化组合。通常认为强化对流给热的方法 是反复改变纵向压力梯度作用下流体的流动，这种流动方式由依次交替的扩展段和收缩段来实现。大童研究证明，波型 通道在相同流动阻力下，较平行流道具有更高的传热性能。 缩放管其扩展段得到有效的利用，收缩段还利用了流体粘附 层速度提高的效果;整圆榴孔折流栅板即折流姗板为一个整 圆不开弓形口而洗通每排管的管桥，格孔参数可根据所需流 速的大小来确定。新开发的高效换热器取代了我国中型氮肥 厂国产氢氮气压缩机一、二、三段原有的回环形折流板冷却 器。缩放管整圆槽孔折流栅板换热器工业应用操作运行的结 果表明具有明显的强化传热效果。

1.3 蛛旋扁管换热器

螺旋扁管(TwistedTabe)是瑞典AUares公司近年推出 的一种高效换热元件，螺旋扁管的结构特点是管子换热段的 任一截面均为一长回，当组装成换热器时可以混合管束(即 螺旋扁管与光滑管混合使用)，也可以是纯螺旋扁管。螺旋扁 管的制造过程由“压偏”、“热扭”两个成形过程完成，管子截 面类似于椭圆管，椭目的长短轴比值根据换热管程和壳程的 流速设计确定，当管程流盆较低时。可增大长、短轴之比值， 减少流通截面以提高流速，使换热器两侧处于较理想的流动 状态。从管型、管末的结构分析，可以认为螺旋扁管的强化传 热主要在于，螺旋扁管的独特的结构能使管程和壳程同时处 于螺旋运行，促使湍流程度。螺旋扁管组装的换热器较常规 的换热器的总传热系数商40%，而压力降几乎相等，这与以 增大泵功率的消耗来提高传热效率具有截然不同的效果。螺 旋扁管换热器可以用于气一气，液一液，液一气换热过程。在 化工、石油化工工业中具有广阔的应用前景。

1.4 空心环管壳式换热器

空心环管壳式换热器，是华南理工大学化学工程研究所 和国家教委传热与节能开发研究实验室邓先和等人发明的 一种新型管壳式换热器。已获得国家发明专利。空心管壳式 换热器的开发主要解决了国内硫酸、石油化工等行业气一气 换热过程中。管壳式换热器传热性能差、钢材耗童大、流体阻 力高、系统操作电耗大的技术难题。采用整体结构优化的空 心环管壳式换热器取代折流隔板式换热器，能使换热气钢材 减少35写~50%，气体压降减少30%~40%。 空心管壳式换热器以强化管型作为换热管，能够同时强化管内与管间支撑物，空隙率大，对流体形成阻力小，其壳程 管隙间流体绝大部分压降可作用在强化管的粗糙传热面上 用以促进壁流体传热滞流层的湍流强度，降低传热传阻、达 到强化传热的目的。实验研究结果还表明，当支承同样的强 化管束(即横纹管束)时，空心环支承结构较美国菲利浦石油 公司上世纪70年代开发的折流杆支承结构更能使粗糙管束 获得好的强化传热效果，在同等壳程条件下，给热系数高约 35%。

综上所述，强化传热元件的开发研究必然会带来多种壳 程折流结构的进步，强化传热元

件管内流动状态的改变，管 间折流形式要研究相应的结构与之相适应，这样才能达到管 内与管间整体强化传热效果。工业应用结果表明了多种强化 传热元件的研究成果是一个基础，新型壳程折流结构(如折 流杆、整圃槽孔折流栅板、空心环折流网板等)的开发使管壳 式换热器的折流结构不断变化。目前，可以根据不同的操作 条件，不同的使用工况，组合成各种新型高效的换热器。

二、板式换热器在制冷技术中的应用与发展

板式换热器是一种高效、紧凑的换热设备。19世纪80 年代它是首先作为连续低温杀菌器研制成功的，到上世纪 20年代开始应用于食品工业。由于板式换热器在制造和使 用上都有一些独特之处。因此，目前板式换热器已经广泛应 用于石油、化工、轻工、电力、冶金、机械、能源等工业领域，成 为换热器家族中一种极有竞争力的品种。 在制冷技术中，换热器是不可缺少的制冷设备，冷凝器、 蒸发器、回热器以及中间冷却器等换热器设备，不仅在重量、 体积和金属耗量上占整个制冷装置的50写以上，而且对制 冷性能也会产生重大影响。因此，强化制冷换热器的传热，减 少重量和体积，降低金属消耗量一直是制冷技术中的发展方向，现已出现了一种新型的、全焊接式的板式换热器在制冷 技术中的应用，并且表现出强劲的发展潜力。

与制冷用壳程管式换热器相比，除了具有板式换热器的 一般特点，制冷用板式换热器还具有如下特点。

2.1 制冷剂充灌减少，有利于环坡保护和降低运行成本

壳管式换热器的壳侧和管侧的容积都很大，要使制冷系 统正常工作，必须充灌大盆的制冷剂，而且还可能造成环境 污染。而板式换热器一方面体积小，另一方面间距尺寸也小， 每1kw热负荷只需6弓g制冷剂，其充灌量只有壳管式换热 器的1/7左右。

2.2冻结倾向少，抗冻性能高

由于水在低流速时，就能在板式换热器中形成高度紊 流，温度分布非常均匀，从而减少了冷冻水的冻结倾向。即使 发生了冻结，也更能承受结冻所产生的压力，而不像壳管式 换热器那样容易使热管胀裂，并且可以在结冻后继续使用。

2.3蒸发彻底，经济性高

制冷剂在制冷板式换热器中蒸发时，很容易实现完全蒸 发达到无液态程度，因此在大多数情况下，制冷系统无须设置气液分离器。并且极易实现单元化，安装简单方便，维修和 运输都可节约费用，降低成本。 由于与传统的壳管式换热器相比，制冷用板式换热器具 有十分明显的发展优势。自上世纪70年代开始在制冷装置 中得到应用以来，已经日益受到人们的重视，特别是许多发 达国家，如欧洲、美国、日本、澳大利亚等都非常重视制冷用 板式换热器的研究和应用。日本在上世纪80年代初开始研 究制冷用板式换热器，并在制冷装置中使用，收到了良好的 经济效益。世界上一些著名的制冷公司如约克、开利、川恩、 日立、前川等也相继在制冷装置中采用板式换热器。这种钎 焊型板式换热器由于采用纯钢作焊接剂，主要应用在氟利昂 制冷系统，不能在对铜有腐蚀作用的氨冷系统中使用。进人 20世纪90年代后，制冷用板式换热器又得到进一步发展， 一种能够应用于氨制冷系统的板式换热器在瑞典斯特尔公 司研制成功。这种新型的组合式板式换热器(WPHE)结合了 板框式(PHE)和钎焊式(CBE)的特点，在氨侧采用焊接密 封，在制冷剂侧仍采用垫片密封。与氟利昂制冷系统相比，采 用这种板式换热器的氨制冷系统不仅在机组材料、体积重量 上有明显的优势，而且性能系数也要高10%~20%。目前， 这种系统已经形成了8个产品，冷量从10kw~1000kw。 氨用板式换热器的开发成功，不仅拓宽了板式换热器在制冷 技术中的应用范围，而且对保护大气臭氧层、保护环境都有 重要意义，同时也必将促进制冷技术的进一步发展。 我国自上世纪60年代初开始生产板式换热器。到1994 年，以节能型产品定点的板式换热器生产厂家即达15家，并 且一些厂家还进行了板式蒸发器及其传热特性的研究工作。 然而这些厂家也仅限于生产板框式换热器(DHE)。在我国， 制冷用板式换热器的应用尚处于起步阶段，许多制冷厂家， 如上海冷气机厂、天津开利、北京万众、上海新晃等。都在自 己的产品中采用了制冷用板式换热器。如上海冷气机厂 1994年开发的空气水热泵机组采用了SWZP公司的制冷用 板式换热器。一投产就受到用户的青睐，该厂以这一产品为 龙头，1995年产值就达2。70亿元。可以预计，随着对制冷用 板式换热器的了解和认识，板式换热器以其高效传热，结构 紧凑，节能节材并具环保功能等特点，必将越来越广泛地应 用于制冷装置中。

板式换热器是一种高效紧凑的换热设备，它的应用几乎 涉及到所有的工业领域，而且其类型、结构和使用范围还在 不断发展。近年来，焊接型板式换热器的紧凑性、重量轻、制 冷性能好、运行成本低等优越性已越来越被人们所

认识。随 着我国经济的发展，制冷技术的发展前途远大，特别是各种 大型的工业制冷装置和空调用制冷装置发展迅速，这为各种 制冷用板式换热器的应用提供了广阔的市场。目前，我国已 有较好的板框式研究、生产基础，建议尽快进行制冷用板式 换热器的研究与开发工作。一方面可扩大板式换热器的应用 范围和生产规模，另一方面可提高制冷装置的性能，节约换 热设备的投资，促进制冷技术的发展。