探析供暖換熱器節(jié)能技術(shù)

程振需

鄭州裕中能源有限責(zé)任公司 河南鄭州 452375

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，企業(yè)不斷的創(chuàng)新，自步入21世紀(jì)以來(lái)，我國(guó)將發(fā)展的目光放在節(jié)能減排的方向中來(lái)，這是由于前期我國(guó)主要發(fā)展重工企業(yè)，直接對(duì)我國(guó)的環(huán)境造成不可挽回的損失。能源問(wèn)題越來(lái)越突出，環(huán)境問(wèn)題也逐漸暴露出來(lái)，為了貫徹可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，為后續(xù)發(fā)展提供資源支持，需要進(jìn)一步的減少各種重工業(yè)以及能源浪費(fèi)現(xiàn)象嚴(yán)重的產(chǎn)業(yè)，同時(shí)，為了提高人們的生活環(huán)境，提高居民的生活質(zhì)量，我國(guó)將大力發(fā)展節(jié)能企業(yè)。

1 換熱器發(fā)展歷程

換熱器作為工業(yè)生產(chǎn)中不可缺少的重要設(shè)備之一，對(duì)工業(yè)的良性發(fā)展有著重要的促進(jìn)作用。從1920年第一臺(tái)板式換熱器問(wèn)世，一直到現(xiàn)在已經(jīng)出現(xiàn)了多種類型的換熱器，這些換熱器結(jié)構(gòu)不同、性能不同，使用環(huán)境與條件亦有差異。由于過(guò)去我國(guó)關(guān)于換熱器的研究較少，理論基礎(chǔ)比較薄弱，同時(shí)受到換熱器制造工藝的限制，以及技術(shù)水平不足的影響。最開始制造出來(lái)的換熱器結(jié)構(gòu)都比較簡(jiǎn)單，比如蛇管式換熱器就是早期換熱器的一種典型結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)的換熱器擁有較大的體積，體型非常笨重，并且傳熱面積較小，換熱效率不高。隨后后續(xù)制造工藝的發(fā)展以及技術(shù)水平的提升，管殼式換熱器開始得到應(yīng)用，這種換熱器傳熱面積較大，具有良好的傳熱效果，在工業(yè)生產(chǎn)中得到長(zhǎng)期的應(yīng)用。

在上個(gè)世紀(jì)20年代左右，板式換熱器正式問(wèn)世，板代管制作的換熱器具有較好的傳熱效果，結(jié)構(gòu)也更為緊湊。經(jīng)過(guò)10年的發(fā)展，瑞典國(guó)家成功制作出了螺旋板換熱器，緊隨其后的是英國(guó)，也制作出了板翅式換熱器，這種換熱器采用的材料為銅與合金，制造工藝為釬焊法，主要用來(lái)為飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)提供散熱效果。再之后，板殼式換熱器的出現(xiàn)，開始用于生產(chǎn)紙漿，在換熱器發(fā)展過(guò)程中，各國(guó)為了解決腐蝕性介質(zhì)換熱問(wèn)題，逐漸開始尋找新型材料作為制作換熱器的原料。到了20世紀(jì)60年代左右，隨著高精尖科學(xué)技術(shù)與空間技術(shù)水平的提升，對(duì)換熱器的性能要求也越來(lái)越高，受到密封技術(shù)、沖壓技術(shù)等工業(yè)技術(shù)的影響，換熱器制造工藝也逐漸變得更加完善，緊湊式換熱器得到了快速的發(fā)展與應(yīng)用。為了適應(yīng)高壓與高熱作業(yè)條件以及節(jié)能需求，提高傳熱效能，又出現(xiàn)了管式換熱器。到了21世紀(jì)之后，在工業(yè)裝置中有很多強(qiáng)化傳熱技術(shù)得到應(yīng)用，為了進(jìn)一步的降低能耗，節(jié)約能源，達(dá)到節(jié)能減耗的目標(biāo)，促進(jìn)工業(yè)生產(chǎn)綜合效益的提升，國(guó)內(nèi)外在幾十年的發(fā)展中，陸續(xù)推出了多種高效能的新型換熱器，下面將對(duì)市場(chǎng)上的換熱器類型作簡(jiǎn)單介紹。

2 簡(jiǎn)述換熱器的分類

簡(jiǎn)單而言，市場(chǎng)上的換熱器大致分為以下幾個(gè)種類：冷凝器、蒸發(fā)器、再熱器、過(guò)熱器。若從制造熱交換器的材料來(lái)劃分，大致分為以下幾種材料：金屬的、陶瓷的、塑料的、石墨的、玻璃的。單從熱換器的溫度來(lái)劃分：溫度大致保持在恒溫狀況下的熱交換器，此類熱交換器不會(huì)隨著時(shí)間的變化而改變溫度或者熱流的大??；溫度工況不穩(wěn)定的熱交換器，此類熱交換器的特點(diǎn)就是隨著時(shí)間的變化，傳熱面的溫度以及熱流都在不斷變化。

我國(guó)目前而言，取暖設(shè)備開始走向多樣化，并且開始創(chuàng)新，以滿足社會(huì)發(fā)展的需求。在冬天，傳統(tǒng)的取暖設(shè)備開始被淘汰，更多的是趨向于節(jié)約型、簡(jiǎn)便型發(fā)展，通過(guò)大量的科技投入，給客戶更好的使用體驗(yàn)[1]。

常見的換熱器按換熱部件的特點(diǎn)分析，主要分為以下幾個(gè)換熱器：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。

2.1 套管式換熱器

所謂的套管換熱器，就是將不同直徑的兩根管理套成同心套管，以此為主作為元件，之后將多個(gè)元件進(jìn)行連接，制作成一種換熱器，在換熱器的工作室內(nèi)，兩種流體主要以純順流或者純逆流的方式進(jìn)行流動(dòng)。以此來(lái)看，套管式換熱器的主要優(yōu)勢(shì)有：主要是結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，并且能夠適用于高溫、高壓等流體，尤其是對(duì)小容量的流體的熱感更加地準(zhǔn)確[2]。除此之外，在清潔的角度來(lái)看，做成內(nèi)管后可以將套管抽出以此來(lái)進(jìn)行清潔工作的開展，可以將污垢清潔干凈，簡(jiǎn)單而言，對(duì)于一些易于產(chǎn)生的流體，套管式換熱器更加適用。除去優(yōu)點(diǎn)，套管式換熱器的缺點(diǎn)就是流動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的阻力較大，那么導(dǎo)致金屬的消耗較大，加之管間的接頭比較多，那么就會(huì)導(dǎo)致泄露的機(jī)率加大，并且套管式換熱器的體積較大，導(dǎo)致占地空間較大，在這種情況下，套管式換熱器多應(yīng)用于傳熱面積較小的換熱器。

2.2 管殼式換熱器

管殼式換熱器，在熱交換器的操作中屬于通用的工藝設(shè)備，其主要的方式就是將封閉在管殼中的管束壁面以此作為傳熱面進(jìn)行的撿幣式換熱器。這種結(jié)構(gòu)從工藝的角度來(lái)看，結(jié)構(gòu)非常的簡(jiǎn)單并且操作簡(jiǎn)易并且非常的可靠，在這種條件下，通常各種各樣的金屬材料都能夠制作出來(lái)，對(duì)材料的要求較低，并且能夠在高溫、高壓的情況下正常使用，管殼式換熱器的優(yōu)勢(shì)較為突出，因此在一些重工業(yè)中使用的較為普遍，例如：化工、石油化工、電力、冶金等行業(yè)[3]。并且在一些制造業(yè)例如：造船業(yè)、航空、供熱部門的使用也較為常見。管殼式換熱器在冶煉和化學(xué)加工行業(yè)的中應(yīng)用較為廣泛，對(duì)于企業(yè)的生產(chǎn)起到至關(guān)重要的作用，能夠促進(jìn)企業(yè)的發(fā)展，節(jié)省成本，降低能耗。

2.3 板式換熱器

板式換熱器，其主要組成部分就是高效傳熱博文板片和框架組成。在固定壓緊板和活動(dòng)壓緊板之間，將板片利用螺絲進(jìn)行固定，以此，換熱器內(nèi)部就會(huì)形成多個(gè)流道。利用橡膠將板與板之間的縫隙進(jìn)行密封。為了確保與外界之間的聯(lián)系，在壓緊板上設(shè)置了專門的溝通管道。采用的板片多是一些優(yōu)質(zhì)、抗腐蝕的金屬薄板，對(duì)流動(dòng)的擾動(dòng)，并且能夠確保流體在低速的環(huán)境下進(jìn)行湍流的目的，既能夠平穩(wěn)流動(dòng)，又不至于流動(dòng)過(guò)快，避免不必要的隱患。進(jìn)而，低速流動(dòng)的流體能夠起到傳熱效果的同時(shí)，并且還能夠最大程度地降低由于流速過(guò)快導(dǎo)致的資源流失，起到一定的節(jié)能的作用，并且還能夠起到熱能傳遞的作用。

2.4 熱管換熱器

在換熱器中，熱管屬于高導(dǎo)熱性能的傳熱元件，其傳熱性較高，并且能夠在密封的真空管道內(nèi)進(jìn)行工質(zhì)的蒸發(fā)與凝結(jié)，以此實(shí)現(xiàn)熱能的傳遞，熱管的優(yōu)點(diǎn)有：傳熱性較快、導(dǎo)熱性較強(qiáng)、恒溫性較高、可以任意轉(zhuǎn)換兩面的冷熱傳遞，并且還可以進(jìn)行遠(yuǎn)距離的熱傳導(dǎo)，并且能夠?qū)囟冗M(jìn)行控制等優(yōu)點(diǎn)[4]。但是，熱管的缺點(diǎn)也較多，例如：抗氧化、耐高溫等性能較低，簡(jiǎn)單而言就是無(wú)法承受高溫度，并且極易氧化，但是面對(duì)這一現(xiàn)狀即可通過(guò)在前部安裝一套陶瓷的轉(zhuǎn)換器來(lái)避免氧化，這是由于陶瓷換熱器能夠很好地解決熱管換熱器面臨的氧化、不耐高溫等情況。在換熱器中，將熱管作為轉(zhuǎn)換器，能夠很好地提高熱傳遞的性能，并且結(jié)構(gòu)較為緊湊、流量阻力小、利于露點(diǎn)腐蝕等一系列的優(yōu)勢(shì)。目前，熱管換熱器主要應(yīng)用于冶金、化工、煉油、鍋爐、陶瓷等行業(yè)。能夠很好地起到節(jié)能減排的作用，降低企業(yè)耗能，提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

3 換熱器提高效率的研究

3.1 管內(nèi)螺旋流動(dòng)為研究對(duì)象

在換熱器的運(yùn)行中，將管內(nèi)螺旋為研究對(duì)象，以換熱管內(nèi)置扭帶作為模型進(jìn)行研究，通過(guò)數(shù)據(jù)和數(shù)值的模擬，來(lái)對(duì)管內(nèi)螺旋流動(dòng)進(jìn)行詳細(xì)地分析，并且對(duì)扭帶和雷諾數(shù)值進(jìn)行詳細(xì)地比較和分析，通過(guò)研究對(duì)比可知，通過(guò)扭帶可以促進(jìn)管內(nèi)流體促使螺旋進(jìn)行流動(dòng)，并且加快了管內(nèi)的流動(dòng)速度，隨之而來(lái)的就是管內(nèi)的次流也會(huì)增強(qiáng)，邊界層和傳熱邊界層內(nèi)會(huì)減薄，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)管內(nèi)對(duì)流換熱的能力[5]。通過(guò)大量的調(diào)查研究可知，管內(nèi)的截面積沿軸向沒(méi)有發(fā)生明顯的變化，并且流體在運(yùn)行中未發(fā)生旋轉(zhuǎn)或者是回流，流體在流動(dòng)中總體而言流速平穩(wěn)、暢通。

3.2 以管外螺旋流動(dòng)為研究對(duì)象

在研究中將外螺旋作為主要的研究對(duì)象，將螺旋扭片作為轉(zhuǎn)換器的模型，通過(guò)大量的研究表明，管外螺旋和管內(nèi)螺旋在流動(dòng)過(guò)程中，傳熱機(jī)理相同，以此來(lái)提高熱能系數(shù)。由于管外螺旋在流道內(nèi)的橫截面積不會(huì)出現(xiàn)變化，并且流體在運(yùn)行中未發(fā)生旋轉(zhuǎn)或者是回流，扭片的作用范圍較小，并且對(duì)流體的影響也是作用甚微。

4 換熱器未來(lái)研究中需要考慮的問(wèn)題

當(dāng)前針對(duì)換熱器換熱的研究常處于初級(jí)階段，很多理論研究數(shù)據(jù)還不是很健全，尤其是肋片的實(shí)際應(yīng)用研究以及優(yōu)化設(shè)計(jì)研究相關(guān)的理論參考數(shù)據(jù)不多，推導(dǎo)與解析換熱公式信息也比較少，當(dāng)前通常都是根據(jù)試驗(yàn)來(lái)得出的經(jīng)驗(yàn)公式和模擬數(shù)據(jù)。

針對(duì)換熱理論體系來(lái)說(shuō)，當(dāng)前還不足以支撐換熱理論的研究，還需要不斷地完善換熱理論體系，提高體系研究的系統(tǒng)性。

在進(jìn)行換熱器理論研究的過(guò)程中，會(huì)受到多種因素的影響，導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果缺乏精確性，比如試驗(yàn)的整體環(huán)境、采用的試驗(yàn)方法、試驗(yàn)用到的各種材料以及試驗(yàn)用儀器的精度等，都會(huì)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生直接影響。同時(shí)，對(duì)于某一方向的問(wèn)題進(jìn)行研究時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)多種有分歧的結(jié)論，無(wú)法統(tǒng)一試驗(yàn)的結(jié)果判斷，不同人員的意見存在爭(zhēng)論，無(wú)法對(duì)后續(xù)的實(shí)踐開展提供有效支持。

在當(dāng)前的換熱器研究中，大部分都是針對(duì)一位與二維換熱的研究，我國(guó)對(duì)于三維換熱模型尚處于起步階段，缺乏足夠的理論基礎(chǔ)作為指導(dǎo)。此外，在進(jìn)行一維與二維傳熱模型的研究只能夠可以了解到，開展此研究的前提條件設(shè)置要求太過(guò)嚴(yán)格，很難獲得具有實(shí)用性的研究結(jié)論。

由于當(dāng)前針對(duì)換熱器的研究很多是處于試驗(yàn)基礎(chǔ)上得出來(lái)的，所以換熱理論的嚴(yán)謹(jǐn)性依然不足，在后續(xù)研究應(yīng)用方面存在著較大的局限性，還需要進(jìn)一步的完善理論基礎(chǔ)，為開展換熱器研究提供可靠地理論支撐。

針對(duì)新型換熱管來(lái)說(shuō)，形狀太過(guò)于單一，而對(duì)于新形狀的研究也不多，當(dāng)前主要集中在矩形與圓形形狀的換熱管，缺乏對(duì)于新形狀的換熱管研究，所以換熱管型效率無(wú)法得到有效的提升。同時(shí)，對(duì)于換熱管的排列方式以及排數(shù)的影響研究也比較少，不能夠掌握排列方式與排數(shù)對(duì)換熱性能與效率之間的關(guān)系，缺乏具體的理論體系作為參考，試驗(yàn)研究依然是換熱管性能研究的主要方式，根據(jù)試驗(yàn)得出的經(jīng)驗(yàn)公式缺乏嚴(yán)謹(jǐn)性，針對(duì)管排數(shù)的換熱理論體系還需要不斷的完善。

換熱效率通常作為換熱器性能判定的主要指標(biāo)，但是并不能作為設(shè)計(jì)換熱器類型的參考標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于具有高換熱效率的換熱器來(lái)說(shuō)，其換熱效果可能并不是最優(yōu)化的，同時(shí)其制造成本也可能不是最低的。為了更好的衡量換熱器整體性能，應(yīng)當(dāng)選擇摩擦因子以及傳熱因子作為主要參考指標(biāo)較為適合，但要注意的是，摩擦因子和傳熱因子缺乏完善的換熱最優(yōu)化的統(tǒng)一理論，如果單純?cè)黾踊驕p小傳熱因子與摩擦因子數(shù)值，對(duì)于衡量換熱器換熱性能來(lái)說(shuō)并沒(méi)有實(shí)際意義。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，節(jié)約型的技術(shù)受到各界人士的追捧，作為新型能源，換熱器的發(fā)展前景良好，并且對(duì)國(guó)家的發(fā)展起到一定的影響。但是就目前而言，對(duì)于換熱器的技術(shù)仍需創(chuàng)新，在目前的應(yīng)用中，存在諸多的問(wèn)題急需解決，這就需要相關(guān)技術(shù)人員不斷加強(qiáng)研究，通過(guò)技術(shù)的創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)成本的節(jié)約，為企業(yè)的健康可持續(xù)發(fā)展打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。