浅谈国内管壳式换热器发展

胡津铭

【摘 要】换热器是工业生产中最常用的设备，在不同工作条件下对换热器性能要求不同，它是冷热流体间传递热量的设备。一般国内换热器最为常用的是管壳式换热器，比如：浮头式换热器，固定管板式换热器，U形管式换热器等等。换热器主要有管板、壳体、换热管、折流板、拉杆、定距管、封头等组成。由于换热器结构比其他压力容器相对简单，所以其运用比较广泛。换热器在工、农业的各个领域应用十分广泛，在日常生活中传热设备也随处见，是不可缺少的工艺设备之一。随着研究的深入，工业应用取得了令人瞩目的成果。本文就换热器的换热形式以及近几年换热器的发展进行讨论。

【关键词】换热器；压力容器；流体；换热形式

近年来，随着现代工业的迅速发展，以能源为中心的环境、生态等问题日益加剧。世界各国在寻找新能源的同时，也更加注重了节能新途径的研发。强化传热技术的应用不但能节约能源、保护环境，而且能大大节约投资成本。换热器由于其在化工、石油、动力和原子能等工业部门的广泛应用，使得换热器的强化传热技术一直以来受到研究人员的重视，各种研究成果不断涌现。本文主要以管式换热器进行研究探讨。

1 管式换热器

管式换热器主要有套管式换热器和管壳式换热器两种。

1.1 套管式换热器

套管式换热器是将不同直径的两根换热器管套成同心套管作为元件、然后把多个元件加以连接而成的一种换热器，工作时两种流体以纯顺流或纯逆流方式流通。套管式换热器的优点是：结构简单，适用于高温、高压流体，特别是小容量流体的传热。另外，只要做成内管可以抽出的套管，就可清楚污垢，所以它也使用于易生污垢的流体。他的主要缺点是流动阻力大；金属消耗量多；管间接头较多，易发生泄露而且容易弯曲引起震动；而且体积大，占地面积大，故多用于传热面积不大的换热器。

1.2 管壳式换热器

管壳式换热器又称谓列管式换热器，是以封闭在壳体中管束的壁面作为传热面的间壁式换热器，结构一般由管箱、壳体、管束、管板、折流板等部件组成。目前，国内外工业生产中所用的换热设备中，管壳式换热器仍占主导地位，虽然它在换热效率、结构紧凑性和金属材料消耗等方面，不如其他新型换热设备，但它具有结构坚固，操作弹性大，适应性强，可靠程度高，选材范围广，处理能力大，能承受高温高压等特点，所以在工程中仍得到广泛应用。以下几种常见的管壳式强化换热器。

1.2.1 螺旋折流板式换热器

螺旋折流板换热器是传统换热器中最普遍应用，螺旋折流板换热器工作原理是壳程的折流板是以螺旋壮排列的，这样使壳程介质自进口向出口呈螺旋壮、连续螺旋推进，将传统的横向折流方式变成纵向螺旋折流方式。折流通道为螺旋式，不会出现流动“死区”，由于换热器壳程中的介质呈螺旋式的柱塞流动方式，在壳程横街面径向产生速度梯度，将每根换热管都置于换热介质旋窝中，提高了流体径向湍流程度，有利于冲刷强撑内的颗粒物及沉淀物，防止污垢沉淀。按流道又可分为单螺旋和双螺旋两种结构。

1.2.2 螺旋叶片折流板式换热器

螺旋叶片折流板式换热器是基于螺旋折流板换热器的基础上，进行短位调整。把螺旋折流板的流体周期缩短，4个叶片成风扇状，而不像螺旋折流板成连续旋窝状。使流体一个周期一个周期的冲刷折流板进行换热。它的好处在于大大降低了壳程流体的速度，使介质长时间在壳程中进行换热。这样的换热器相比其他普通弓型折流板式换热器而言，大大提高了换热器中介质的换热效率。但是它的缺点是不能使用污垢比较多的介质或者粘稠的介质，因为本身壳程就已经降低了介质的流速，再使用粘稠的介质，会使壳程阻塞或者沉淀物增多，反而影响了整个系统的运转。螺旋叶片折流板换热器性能在理论上有较好的优越性，但对它的研究尚处在起始阶段，对其流动和传热机理还需做深入的试验与计算机模拟，相信在以后的道路中，会成为换热的主导。

1.2.3 扭曲管式换热器

扭曲管式换热器是在传统管壳式换热器的基础上，以扭曲扁管代替光管，壳程没有折流板，可依靠螺旋扭曲扁管外缘螺旋线的点接触进行自支撑。管内螺旋流道使流体在流动时产生纵向旋转和二次旋转，这种螺旋扰流作用增加了流体的扰动程度，减薄了传热边界层，增强了流体的混合，这种混合使得管壁附近保持较高的温度梯度，极大的提高了传热系数。壳程流体在通道内由于离心力的作用而周期性地改速度和方向，强化了流体的纵向混合。同时，壳程流体流经相邻管子的螺旋线接触点后形成脱离管壁的尾流，增大了流体自身的湍流度破坏了管壁上的流体边界层，从而使壳程传热得到增强。但是由于没有折流板，所以应用捆扎带进行固定管束，但是高速流体介质进入壳程后会引起管子强烈振动和下榻。所以不能应用壳程高速流体介质。

1.2.4 波纹管换热器

波纹管换热器是在传统列管式换热器的基础上，应用强化传热理论及换热管独特的波峰与波谷的设计，与传统管壳式换热器不同的是波纹管换热器采用带波纹的换热管，而管壳式换热器采用光滑的直管作为换热管。主要适用于管内外介质有加热、冷却热交换的场合，其特点为传热效率高，这一特点是依靠独特的传热元件—波纹管来实现的。波纹管特殊的波峰与波谷设计，使流体在关内外形成强烈扰动，大大提高了换热管的传热系数，其传热系数比传统管式换热器高2～3倍。波纹管在工作过程中，一方面管内外介质始终处于高度湍流状态，另一方面内外介质产生温度差，使得波纹管会产生微量的轴向伸缩变形，管内外的曲率会随之频繁变化，由于污垢与污垢之间会产生拉脱力，所以使水垢破裂而自动脱落，从而不会产生污垢。对于波纹管的拉伸作用，以前设计人员因为这个作用，而不设定膨胀节。使它成为波纹管的一大有利优点。但近年来，由于介质要求越来越高，设计压力越来越大，波纹管越来越受到人们关注与应用，在设计压力高的情况下，由于波纹管的轴向许用应力因为波纹而降低，会使波纹管弯曲与失效，所以不设定膨胀节也不是波纹管的优点了。这点技术还得需要时间的累计和研究人员的探讨。

2 国内换热器发展需要

20世纪20年代出现板式换热器，以板代管，结构紧凑，传热效果好，并应用于食品工业。30年代初，瑞典首次制成螺旋板换热器。接着英国用钎焊法制造出一种由铜及其合金材料制成的板翅式换热器，用于飞机发动机的散热。30 年代末，瑞典又制造出第一台板壳式换热器，用于纸浆工厂。

60年代左右，由于空间技术和尖端科学的迅速发展，迫切需要各种高效能紧凑型的换热器，再加上冲压、钎焊和密封等技术的发展，换热器制造工艺得到进一步完善，从而推动了紧凑型板面式换热器的蓬勃发展和广泛应用。此外，自60年代开始，为了适应高温和高压条件下的换热和节能的需要，典型的管壳式换热器也得到了进一步的发展。70 年代中期，为了强化传热，在研究和发展热管的基础上又创制出热管式换热器。

20世纪80年代后，大量的强化传热元件被推向市场，如折流杆换热器、新结构高效换热器、高效重沸器、高效冷凝器、双壳程换热器、板壳式换热器、表面蒸发式空冷器等高效换热器。

进入21世纪后，大量的强化传热技术应用于工业装臵，世界换热器产业在技术水平上获得了快速提升，板式换热器日渐崛起。

总结说来，换热器的技术发展主要分为三个阶段：第一阶段主要解决是否能够实现换热的问题；第二阶段以提升冷却效率为目标，主要是对传热过程的研究和对换热部件的改进；第三阶段强调生产成本、运行成本、环境消耗成本等综合成本与冷却效果的优化匹配。世界换热器产业在产品与技术方面的发展趋势主要表现为产品大型化、高效化、节能化。此外，换热器新材料的开发应用、产品技术的更新换代、不同应用领域产品的细分化也都是行业的发展趋势。

【参考文献】

[1]毛文睿，李亚飞，等.换热器的研究现状及应用发展[J].2014.

[责任编辑：汤静]