新型高效換熱器發(fā)展現(xiàn)狀和研究方向

胡開豐

摘 要：近年來(lái)，換熱器在石油、化工、制藥等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，在國(guó)內(nèi)外能源危機(jī)嚴(yán)峻的今天，現(xiàn)代化的新工藝、新材料、新技術(shù)的發(fā)展是必然的發(fā)展趨勢(shì)。強(qiáng)化傳熱技術(shù)等新技術(shù)為能源的開發(fā)和高效利用發(fā)揮重要的作用，換熱器是眾多行業(yè)中應(yīng)用廣泛的單元設(shè)備，與國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)新型換熱器的開發(fā)較為落后，因此，如何將強(qiáng)工藝技術(shù)的研究，提升我國(guó)換熱器技術(shù)水平是值得研究的問(wèn)題。本文主要探討了新型高效換熱器發(fā)展現(xiàn)狀，并對(duì)未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)和研究方向做出了簡(jiǎn)單論述。

關(guān)鍵詞：新型；高效換熱器；現(xiàn)狀；研究方向

上世紀(jì)七十年代的世界性能源危機(jī)為傳熱強(qiáng)化技術(shù)的發(fā)展起了重要的推動(dòng)作用，多年來(lái)，高效換熱器的開發(fā)和研究始終是人們關(guān)注的課題。在經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的今天，能源和環(huán)境問(wèn)題日益嚴(yán)峻，換熱器在趨于大型化的同時(shí)，向低溫差設(shè)計(jì)和低壓損失設(shè)計(jì)方向發(fā)展，新型高效換熱器的研究和開發(fā)已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外關(guān)注的問(wèn)題。

1.國(guó)內(nèi)外幾種新型高效換熱器

1.1板式換熱器

板式換熱器以其輕便、小巧、效率高、易清洗等優(yōu)點(diǎn)在食品、化工、醫(yī)藥等行業(yè)的應(yīng)用十分廣泛，隨著技術(shù)的不斷創(chuàng)新，板式換熱器的結(jié)構(gòu)得到了不斷的改進(jìn)，性能大大提高，傳熱系數(shù)高達(dá)3500-7500w/m2·k；換熱器逐漸向單片面積大型化發(fā)展，換熱面積不斷增大；通過(guò)設(shè)計(jì)不同的板片波形角，擴(kuò)大了板式換熱器的應(yīng)用范圍；用于制作板片的材料多樣化，許多新型材料如高鉻鎳合金、蒙乃爾、哈氏合金等都可用于制作板片。

1.2 Packinox換熱器

Packinox換熱器由法國(guó)Donges煉油廠投入運(yùn)行，它屬于板式換熱器的一種，主要由壓力容器外殼和傳熱板束兩部分組成，其所有部件都是焊接而成但是不存在密封圈。操作過(guò)程的介質(zhì)壓力由Packinox換熱器的容器外殼承受，板間交叉波紋頂端觸點(diǎn)用來(lái)支撐冷熱介質(zhì)的壓力差。換熱過(guò)程中，處于湍流狀態(tài)的流體在保持高的傳熱效率和高剪切力同時(shí)，又可以有效阻止板面上污垢的形成。

1.3螺旋折流板換熱器

螺旋折流板換熱器是由美國(guó)ABB公司提出并研發(fā)而成的，所用材料一般為碳鋼、不銹鋼、鈦和鈦合金等，國(guó)外螺旋折流板換熱器結(jié)構(gòu)多位為可拆式，我國(guó)螺旋折流板換熱器多設(shè)計(jì)成不可拆式。它是在螺旋折流系統(tǒng)中安裝圓截面的特制板，兩端通道端面密封不用圓鋼結(jié)構(gòu)，相鄰折流板周邊相連接，與外圓形成連續(xù)螺旋狀，殼程流體的流動(dòng)方向與折流板間存在一定的夾角，因而殼程流體做螺旋運(yùn)動(dòng)。

1.4焊接式板式換熱器

焊接式板式換熱器可以擺脫由于墊片材料耐溫、耐腐蝕、耐壓方面的限制。焊接式板式換熱器可分為全焊式和半焊式，它以焊接結(jié)構(gòu)代替了橡膠墊密封。德國(guó)和日本合作研制而成的BAV.MRIA混合焊接板式換熱器操作壓力高達(dá)6MPa，而且其具有較大的換熱面積。

1.5塊式換熱器

塊式換熱器最早源于德國(guó)的Hoeehst Ceram公司，塊式換熱器的塊式元件是由極薄的片狀材料層疊在一起，再通過(guò)熱導(dǎo)率極高的陶瓷材料將其燒結(jié)成一個(gè)整體。此種換熱器具有耐高溫、抗氧化、抗腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，在超高溫和強(qiáng)腐蝕環(huán)境下工作，而且可以在冷卻攻擊的情況下進(jìn)行操作，因而塊式換熱器具有廣泛的應(yīng)用空間和良好的發(fā)展前景。

1.6整體翅片式換熱器

將整體翅片固定于管束上作為翅片式換熱器芯子，多應(yīng)用在空調(diào)、制冷汽車的整體翅片換熱器、散熱器。由于錫焊和釬焊價(jià)格昂貴，所以通常用套脹代替，通過(guò)一定的手段將其與管板連接在一起形成管內(nèi)流道，在管外空間可采用金屬焊接形成密封管道。翅片分為多種類型，平直翅片、波紋翅片及間斷式翅片是較為常用的翅片。為了增大翅片與管子之間的接觸面積，利用沖壓模具在翅片上沖制出單翻邊或雙翻邊的翅片孔，使翅片間留有一定的間距。此外，要注意控制好雙翻邊的剛度，以免在脹管時(shí)出現(xiàn)脹裂情況。

2.新型高效換熱器未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)和研究方向

2.1計(jì)算流體力學(xué)（CFD）和模型化設(shè)計(jì)的應(yīng)用

計(jì)算機(jī)軟硬件的迅速發(fā)展，為計(jì)算流體力學(xué)（CFD）和模型化設(shè)計(jì)的應(yīng)用奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。為了更好的分析研究換熱器熱氣流，可對(duì)換熱器中復(fù)雜的流動(dòng)過(guò)程進(jìn)行定量的仿真模仿，此外還可以實(shí)現(xiàn)分子水平的輻射傳熱、多相流和稠液流的機(jī)理仿真模擬，未來(lái)致力于對(duì)細(xì)微機(jī)理的模擬和理解。CFD是換熱器性能檢驗(yàn)和評(píng)價(jià)的有效方法，今后的換熱器模型設(shè)計(jì)中，CFD分析結(jié)果和模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)將作為換熱器精確設(shè)計(jì)的依據(jù)。

2.2非金屬材料的應(yīng)用

與金屬材料相比，非金屬材料在換熱器中的應(yīng)用具有一定的優(yōu)越性，也是未來(lái)的發(fā)展方向。例如石墨的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能優(yōu)越，而且化學(xué)穩(wěn)定性搶，具備良好的機(jī)械加工性；氟塑料成本較低，具有極強(qiáng)的抗腐蝕性；陶瓷材料耐高溫、抗腐蝕，例如復(fù)合材料陶瓷玻璃，以其優(yōu)越的性能已經(jīng)用于制作換熱產(chǎn)品

2.3用于整體裝置設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)

以往的整體裝置設(shè)計(jì)是通過(guò)設(shè)計(jì)說(shuō)明書互相聯(lián)系完成的，為了簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)過(guò)程，用于整體裝置的數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)逐漸發(fā)展起來(lái)，使原本復(fù)雜的任務(wù)變得簡(jiǎn)單易行。數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)可以將不同類型的設(shè)計(jì)應(yīng)用軟件形成一個(gè)有機(jī)的整體，在得到設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)之前，設(shè)計(jì)者只需要在應(yīng)用軟件中輸入相關(guān)參數(shù)即可，得到的數(shù)據(jù)會(huì)反饋到數(shù)據(jù)庫(kù)中。未來(lái)的整體裝置設(shè)計(jì)中，手工計(jì)算設(shè)計(jì)方法必將會(huì)被數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)所取代。

2.4換熱器強(qiáng)化傳熱技術(shù)的發(fā)展

換熱器強(qiáng)化傳熱技術(shù)的發(fā)展為換熱器性能的改進(jìn)和提升做出了重要貢獻(xiàn)，此項(xiàng)技術(shù)增強(qiáng)了換熱器的環(huán)保效果，有利于能源的開發(fā)和高效利用。未來(lái)的換熱器強(qiáng)化傳熱技術(shù)必將向殼程傳熱強(qiáng)化與強(qiáng)化傳熱管優(yōu)化組合方向發(fā)展。

2.5傳熱促進(jìn)技術(shù)的發(fā)展

低翅片管、空管、帶齒管的普遍應(yīng)用推動(dòng)了傳熱促進(jìn)技術(shù)的新發(fā)展，在對(duì)流、凝縮、沸騰熱傳導(dǎo)的促進(jìn)技術(shù)中產(chǎn)生廣受矚目的EHD效果，在絕緣性優(yōu)越的流體氣液界面上，如果外加高電壓的電極接近時(shí)，液體被電極吸引，由于氣液界面的不安定，所以液柱在液面上產(chǎn)生突起現(xiàn)象，此技術(shù)能夠通過(guò)適當(dāng)調(diào)節(jié)附加能量來(lái)控制促進(jìn)量。

3.結(jié)束語(yǔ)

高效、低耗、性能優(yōu)越的新型換熱器是推進(jìn)我國(guó)節(jié)能事業(yè)發(fā)展的主要?jiǎng)恿Γ谖覈?guó)，新型高效換熱器的實(shí)際推廣和應(yīng)用水平與國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家存在一定的差距，因此需要在制造工藝方面加大研究力度，不斷探索新技術(shù)和新產(chǎn)品，努力趕上國(guó)際先進(jìn)水平。

參考文獻(xiàn)：

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