淺析換熱器在化工工藝中的作用

（新疆天智辰業(yè)化工有限公司，石河子市，832000） 趙小強(qiáng)

1 引言

國(guó)家倡導(dǎo)綠色生產(chǎn)，在確保生產(chǎn)工藝科學(xué)環(huán)保的基礎(chǔ)上，以最小的能源損耗獲得最大的經(jīng)濟(jì)效益。隨著新時(shí)代的各種新型工藝、新型技術(shù)、新型材料的不斷發(fā)展，以及能源枯竭問(wèn)題日益嚴(yán)重，人們不得不采用一些新的技術(shù)設(shè)備，盡量建設(shè)能源的損耗，換熱器便在這一過(guò)程中被研發(fā)出來(lái)。換熱器的作用是將熱量從溫度較高的流體向溫度較低的流體傳遞，這個(gè)作用可以廣泛地運(yùn)用到化工生產(chǎn)中，化工生產(chǎn)工藝流程往往存在著許多的熱交換過(guò)程，利用換熱器便合理地分配熱量，實(shí)現(xiàn)工藝的優(yōu)化。換熱器的性能會(huì)對(duì)產(chǎn)品品質(zhì)、能量利用率、系統(tǒng)的可靠性以及系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性起著重要的作用，對(duì)于熱交換器的研究仍在繼續(xù)。在一些發(fā)達(dá)國(guó)家，他們使用的換熱器設(shè)備已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了絕大部分的熱回收。換熱設(shè)備在石油煉制等領(lǐng)域運(yùn)用十分廣泛，在全部工藝設(shè)備中占有40%左右的比重，這些換熱器中以管殼式換熱器為主，緊湊換熱器等次之。隨著工業(yè)裝置的高效率化和大型化，換熱器也向著大型化發(fā)展。

2 管殼式換熱器簡(jiǎn)介及其運(yùn)用

管殼式換熱器是目前運(yùn)用最廣的一類換熱器，有關(guān)這種換熱器的理論研究和設(shè)計(jì)技術(shù)都相當(dāng)完善，并且可靠性高。這種傳熱器被各國(guó)爭(zhēng)相研究，大大改善了該換熱器的傳熱性能。

2.1 螺紋管和低齒管式換熱器

低齒管在美、英、日、德等國(guó)家均有生產(chǎn)和使用，適用于管內(nèi)的給熱系數(shù)大于或等于關(guān)外給熱系數(shù)的兩倍的時(shí)候。而管外螺紋的傳熱管能夠有效地提高傳熱系數(shù)。

2.2 螺旋槽管式換熱器

這種換熱器采用的是被擠壓有單頭或多頭螺旋管，這種傳熱管主要通過(guò)兩種流動(dòng)方式進(jìn)行管內(nèi)傳熱強(qiáng)化，其一，便是螺旋槽對(duì)近壁處的流體流動(dòng)起到的限制作用，讓管內(nèi)的流體進(jìn)行螺旋式的運(yùn)動(dòng)來(lái)產(chǎn)生局部二次流；其二，就是螺旋槽引起的形體阻力，導(dǎo)致了逆向壓力梯度的產(chǎn)生，使邊界層出現(xiàn)分離。相對(duì)于光管，這種螺旋槽管的管內(nèi)傳熱效率擁有明顯的優(yōu)勢(shì)。此外，這種螺旋槽管能夠用于液液傳熱、液氣傳熱和氣氣傳熱的強(qiáng)化，而且這種管還具有較強(qiáng)的抗污垢性能和高度，被廣泛的用于動(dòng)力、船舶煉油、海水淡化、石油化工等工藝的導(dǎo)熱回收換熱設(shè)備上。

2.3 內(nèi)波紋式螺旋管換熱器

這種換熱器是用專業(yè)的設(shè)備將光管加工，變成內(nèi)波紋螺紋管，這是對(duì)傳熱原件管束進(jìn)行優(yōu)化的結(jié)果。通過(guò)對(duì)光管的軋制，將傳熱面積擴(kuò)大到原本的三倍左右，同時(shí)借助于管內(nèi)的螺旋狀波紋能夠有效地提高紊流的脈動(dòng)性，減小流體與流體層、管壁之間的摩擦，改進(jìn)介質(zhì)邊界層的流動(dòng)狀態(tài)，最終達(dá)到良好的強(qiáng)化傳熱的效果。某煉油廠經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)比較，得知波紋管換熱器的總傳熱系數(shù)是光管換熱器的2.7倍，在工業(yè)生產(chǎn)時(shí)，有兩臺(tái)代三臺(tái)的能力，有效地減少了換熱群體的數(shù)量。

2.4 折流桿換熱器

折流桿換熱器是管殼式換熱器的一種，它將原本的折流板變?yōu)檎哿鳀?，這樣能有效地改善傳性能。這種換熱器很早以前就是研究的熱點(diǎn)，于80年代，低齒管的折流桿換熱器就已經(jīng)誕世，這種換熱器的總傳熱系數(shù)相比與傳熱管殼式的有所提高，殼程壓降低了一半?，F(xiàn)如今，折流桿換熱器被廣泛地運(yùn)用在沸騰、冷凝以及單向等工況中，例如胺重沸器、氣體預(yù)熱換熱器、生物技術(shù)發(fā)酵罐冷卻盤管等。

2.5 強(qiáng)化沸騰傳熱的高效沸騰傳熱器

這種傳熱器采用的是高效沸騰傳熱管作為傳熱管，這中傳熱管是以光滑管為原材料，通過(guò)機(jī)械加工或是燒結(jié)、電化學(xué)腐蝕讓其表面呈現(xiàn)許多有規(guī)則的三角形小孔，小孔是通過(guò)其下方的隧道相互連接的，這種特殊的表面結(jié)構(gòu)強(qiáng)化了沸騰傳熱，這種管被世界血多的儀器公司紛紛采用，曾經(jīng)被譽(yù)為世界上最佳強(qiáng)化傳熱管之一。這種傳熱器除了在制冷劑的蒸發(fā)上廣泛運(yùn)用外，也能用于海水溫差發(fā)電、輕烴的分離、水溶液的蒸發(fā)、廢熱余熱的動(dòng)力回收以及地?zé)岚l(fā)電等低溫差沸騰傳熱過(guò)程中。

2.6 強(qiáng)化冷凝傳熱鋸齒形翅片管傳熱器

這種傳熱器使用的是鋸齒形翅片管，這種管是新進(jìn)發(fā)展起來(lái)的冷凝傳熱管。相比于螺紋管，鋸齒管的翅片距更小，由于在其翅片的邊緣處開(kāi)有鋸齒狀的缺口，可以讓其具備有更大的外涂面積，具備比螺旋管更大的傳熱面積。于翅片頂部是錯(cuò)開(kāi)鋸齒形狀，所以使得冷凝液的流動(dòng)呈擾動(dòng)狀態(tài)，有利于冷凝液膜的對(duì)流傳熱，故而其管外的熱凝傳熱系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于光管和低管。合肥通用機(jī)械研究與華南理工大學(xué)聯(lián)合，共同研制了使用了“S+C”的氟里昂冷凝器，這種管的傳熱系數(shù)高達(dá)9400w/m2·K，相比原來(lái)使用的螺紋管冷凝器，熱傳系數(shù)數(shù)提高了一倍以上，還能節(jié)省一部分材料。

3 板式換熱器及其應(yīng)用

由于傳熱理論的的不斷發(fā)展與機(jī)械加工技術(shù)的不斷提高，換熱器也在不斷改進(jìn)和發(fā)展。目前國(guó)內(nèi)也出現(xiàn)了許多新型的、高效的換熱器，它們?cè)趥鳠崦娣e的增大上做出了很大的努力。

3.1 焊接板式換熱器

在換熱器的研究過(guò)程中，曾經(jīng)用焊接結(jié)構(gòu)替換了原來(lái)的橡膠墊密封，出現(xiàn)了全焊式和半焊式的辦事?lián)Q熱器，這樣彌補(bǔ)了原本的墊片材料不耐高溫、不耐腐蝕以及不耐壓方面的不足，其中，腐蝕介質(zhì)大都采用板式換熱器，這些年來(lái)，板式換熱器得到了很大的發(fā)展。繼德國(guó)與日本研發(fā)的千代田BAVARIA型的混合焊接板式換熱器后，Nouvelles公司又研發(fā)了Packinox型換熱器，這種換熱器在煉油廠中代替了原本的列管式換熱器，這種換熱器可用各種合金制成，擁有較大的表面積，一致得到推廣運(yùn)用。

3.2 螺旋板式換熱器

螺旋板式換熱器運(yùn)用也較為廣泛，這種換熱器主要結(jié)構(gòu)是可以拆換的，大都是板邊結(jié)構(gòu)。這種板式結(jié)構(gòu)實(shí)質(zhì)上就是兩端的通道密封不采用圓鋼結(jié)構(gòu)，而是整體中心隔板。采用的金屬材料除了不銹鋼以外，還會(huì)使用到諸如鎳鉻合金、鈦和鈦合金、蒙乃爾合金、銅鋁合金等可焊接的合金。目前我國(guó)使用的螺旋板式換熱器多數(shù)是不可拆型的，使用的金屬材料多為碳鋼和不銹鋼，也有少量使用鈦和鈦合金。

3.3 可拆板式換熱器

近年來(lái)，研究者們對(duì)換熱器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了很大的改進(jìn)，并且密封槽式結(jié)構(gòu)和密封片材料也在一直發(fā)展，使得板片的制造技術(shù)得到了普遍的提高和發(fā)展，推進(jìn)了板式換熱器的應(yīng)用。英國(guó)APV公司就積極研發(fā)這種換熱器，他們制造的單片面積最大可達(dá)5m2左右，換熱器內(nèi)可容納700片單片，單臺(tái)換熱面積非?？捎^。GEA也曾對(duì)板片進(jìn)行了研究，他們開(kāi)發(fā)了一種槽口上窄下寬的梯形板片，板片槽與之過(guò)盈配合實(shí)現(xiàn)將墊片緊壓的目地。我國(guó)的板式換熱器與上世紀(jì)80年代才得到較大的發(fā)展，四平式換熱器總廠和邯鄲式板式換熱器工貿(mào)公司相繼研發(fā)了單片面積為2平方米和2.7平方米的單片，用于制造板式換熱器。

4 結(jié)束語(yǔ)

換熱器在世界各國(guó)工業(yè)生產(chǎn)工藝中普遍使用，它不但對(duì)國(guó)名經(jīng)濟(jì)產(chǎn)生一定的影響，也會(huì)對(duì)工業(yè)生產(chǎn)的的經(jīng)濟(jì)性以和可靠性、產(chǎn)品質(zhì)量、能量利用率起著舉足輕重的作用?，F(xiàn)如今，世界各國(guó)對(duì)換熱器理論研究和新型換熱器的開(kāi)發(fā)已經(jīng)進(jìn)入到高層次的探索階段，并且涉及到廣闊的領(lǐng)域，這就需要我們不斷發(fā)展綜合技術(shù)水平，才能確保換熱器得到的不斷提高和改進(jìn)。此外，還應(yīng)進(jìn)一步擴(kuò)大新型換熱器的實(shí)用化范圍，在各種生產(chǎn)工藝中推廣具有高效、低成本、低能耗、性能優(yōu)越的換熱器，借鑒國(guó)外的一些先進(jìn)的換熱器技術(shù)，提高我國(guó)的換熱器技術(shù)，使其更好的為我國(guó)的化工工藝服務(wù)。

[1]陳永東，陳學(xué)東.我國(guó)大型換熱器的技術(shù)進(jìn)展[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2013，49(10)：134-143.

[2]齊洪洋，高磊，張瑩瑩，等.管殼式換熱器強(qiáng)化傳熱技術(shù)概述[J].壓力容器，2012，29(7)：73-78.

[3]陳群，吳晶，王沫然，等.換熱器組傳熱性能的優(yōu)化原理比較[J].科學(xué)通報(bào)，2011，56(1)：79-84.