關(guān)于供暖換熱器節(jié)能技術(shù)的研究

解野

【摘要】節(jié)約能源是當今世界的一種重要社會意識，世界各國下大力量尋找新的能源以及在節(jié)約能源上研究新途徑，換熱設備的研究受到了高度重視。換熱器的換熱技術(shù)的研究，主要集中在對換熱器內(nèi)流體流態(tài)變化以及對各部件的參數(shù)優(yōu)化研究兩方面，換熱器內(nèi)部流體的流動狀態(tài)是影響換熱器綜合性能的重要因素。本文敘述了換熱器提高熱效率的幾個因素，以及介紹當前常用的幾種換熱器，并對換熱器研究存在幾個不足進行闡述，并對換熱器的前景進行了展望。

【關(guān)鍵詞】換熱器 熱效率 換熱管

一、換熱器分類及發(fā)展現(xiàn)狀

隨著科學和生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，各種換熱器層出不窮，換熱器按照其功能可分為冷凝器、蒸發(fā)器、再熱器、過熱器等。按照制造熱交換器的材料來分：金屬的、陶瓷的、塑料的、石墨的、玻璃的等。按照溫度狀況來分：溫度工況穩(wěn)定的熱交換器，熱流大小以及在指定熱交換區(qū)域內(nèi)的溫度不隨時間而變;溫度工況不穩(wěn)定的熱交換器，傳熱面上的熱流和溫度都隨時間改變。按照熱流體與冷流體的流動方向來分：順流式、逆流式、措流式、混流式。按照傳送熱量的方法來分：問壁式、混合式、蓄熱式等。

換熱器按換熱部件的特點最常見的有：管套式換熱器、管殼式換熱器、翅片管式換熱器、板式換熱器（包括板片式換熱器和板翅式換熱器）等。

（一）套管式換熱器

套管式換熱器，將不同直徑的兩根管子桃城的同心套管作為元件，然后把多個元件加以連接而成的一種換熱器，工作室兩種流體以純順流或純逆流方式流動。套管式換熱器的優(yōu)點是：結(jié)構(gòu)簡單，適用于高溫、高壓流體，特別是小容量流體的傳熱。另外，只要做成內(nèi)管可以抽出的套管，就可清除污垢，所以它也使用于易生污垢的流體，他的主要缺點是流動阻力大，金屬消耗量多，管間接頭較多，易發(fā)生泄漏;而且體積大，占地面積大，多用于傳熱面積不大的換熱器。

（二）管殼式換熱器

管殼式換熱器，進行熱交換操作的通用工藝設備，是以封閉在殼體中管束的壁面作為傳熱面的問壁式換熱器。結(jié)構(gòu)簡單，操作可靠，可用各種結(jié)構(gòu)材料（主要是金屬材料）制造，能在高溫、高壓下使用，廣泛應用于化工、石油、石油化工、電力、輕工、冶金、原子能、造船、航空、供熱等工業(yè)部門中，特別是在石油煉制和化學加工裝置中，占有極其重要的地位。

（三）板式換熱器

板式換熱器，由高效傳熱波紋板片及框架組成。板片由螺栓夾緊在固定壓緊板及活動壓緊板之間，在換熱器內(nèi)部就構(gòu)成了許多流道，板與板之間用橡膠密封。壓緊板上有本設備與外部連接的接管。板片用優(yōu)質(zhì)耐腐蝕金屬薄板壓制而成，四角沖有供介質(zhì)進出的角孔，上下有掛孔。人字形波紋能增加對流體的擾動，使流體在低速下能達到湍流狀態(tài)，獲得高的傳熱效果。并采用特殊結(jié)構(gòu)，保證兩種流體介質(zhì)不會串漏。

（四）熱管換熱器

熱管是一種具有高導熱性能的傳熱元件，它通過在全封閉真空管殼內(nèi)工質(zhì)的蒸發(fā)與凝結(jié)來傳遞熱量，具有極高的導熱性、良好的等溫性、冷熱兩側(cè)的傳熱面積可任意改變、可遠距離傳熱、可控制溫度等一系列優(yōu)點。缺點是抗氧化、耐高溫性能較差，此缺點可以通過在前部安裝一套陶瓷換熱器來予以解決，陶瓷換熱器較好地解決了耐高溫、耐腐蝕的難題。以熱管為傳熱元件的換熱器具有傳熱效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、流體阻損小、有利于控制露點腐蝕等優(yōu)點。目前已廣泛應用于冶金、化工、煉油、鍋爐、陶瓷、交通、輕紡、機械等行業(yè)中，作為廢熱回收和工藝過程中熱能利用的節(jié)能設備，取得了顯著的經(jīng)濟效益。

二、換熱器提高熱效率的研究

（一）管內(nèi)螺旋流動為研究對象

以管內(nèi)螺旋流動為研究對象，以換熱管內(nèi)置扭帶為模型，分別用解析和數(shù)值模擬的方法分析了管內(nèi)螺旋流動，討論了扭比和雷諾數(shù)對流體流動和傳熱的影響，得出螺旋流動強化傳熱的機理主要是：扭帶使管內(nèi)流體作螺旋流動，提高了流速，隨之次流也增強，減薄了流動邊界層和傳熱邊界層，從而強化了管內(nèi)的對流換熱。螺旋流道的截面積沿軸向沒有變化，流體沒有產(chǎn)生渦和回流，流體流動連續(xù)通暢、穩(wěn)定。提高雷諾數(shù)、減小扭比都可提高流體的流速，使傳熱系數(shù)增大，從而強化了管內(nèi)的對流傳熱。

（二）以管外螺旋流動為研究對象

以管外螺旋流動為研究對象，以螺旋扭片套管換熱器為模型，用同樣的方法分析了管外螺旋流動，討論了螺旋角和雷諾數(shù)對管外螺旋流動和傳熱的影響，得出管外螺旋流動與管內(nèi)螺旋流動有著相同的強化傳熱機理，同樣可以提高傳熱系數(shù)。管外螺旋流道的橫截面積沿軸向不會變化，不會出現(xiàn)渦和回流，流體流動連續(xù)通暢、穩(wěn)定。管外螺旋流動和管內(nèi)螺旋流動不同的是扭片和扭帶的作用范圍，扭片的作用范圍較小，對流體的影響比扭帶小，做結(jié)構(gòu)設計時應盡可能擴大扭片的作用范圍。

三、當前換熱器研究存在的不足

（1）換熱器換熱的理論研究不夠完善，可供對肋片實際應用優(yōu)化設計的理論依據(jù)太少，對于換熱公式推導出的解析解較少，目前大多是通過試驗數(shù)據(jù)分析擬和而成的經(jīng)驗公式。

（2）換熱的理論體系缺乏系統(tǒng)性，不夠完善。

（3）因為試驗環(huán)境，材料，儀器的精度以及試驗方法不同，在同一個研究方向的某些問題的研究結(jié)論存在的分歧較多，很難形成統(tǒng)一的意見，暫不能形成對實踐的可靠指導。

（4）目前對換熱器的研究大多基于一維、二維的換熱，國內(nèi)對于三維的換熱模型的研究過少，同時，對于一維和二維傳熱模型的前提假設條件很苛刻，得出的結(jié)論適用性不強。

（5）結(jié)合試驗建立的部分換熱理論還缺乏嚴謹性和局限性。

四、換熱器研究的發(fā)展前景

新型換熱管的形狀研究過少，目前的研究僅局限于傳統(tǒng)的圓形或矩形換熱管上，對更高效的換熱管型的探索研究比較缺乏。對換熱管排數(shù)和排列方式對換熱器整體換熱性能的影響研究的理論體系還沒形成，目前對于此方面的研究多以實驗研究為主，然后從實驗中提取經(jīng)驗公式，關(guān)于管排數(shù)的純理論的換熱理論還沒有得到建立。

作為衡量換熱器性能時的換熱效率，已不能作為換熱器設計選型的標準，換熱效率高并不意味著制造成本的節(jié)省以及換熱效果最佳化;傳熱因子和摩擦因子是比較合適的衡量換熱器整體性能的指標，但是需要綜合考慮此兩種因素后建立換熱器最優(yōu)化換熱的統(tǒng)一理論，單一的考慮換熱因子或者摩擦因子的大小對于衡量換熱器換熱性能沒有任何意義。