换热器的热量传递技术及其发展概要讲解

1、换热器的热量传递技术及其发展概要摘要：换热器是石油、化工、动力、能源、冶金、航空、车辆、制冷、食品、环保以及其他许多工业部门广泛使用的通用工艺设备，是保证加工过程正常顺利运转不可缺少的关键部件，在材质消耗、动力消耗及工程投资方面占有很重要的份额。本文简述了国内外各类换热器的发展状况，进而介绍换热器的种类及其技术特点和研究应用状况，最后指出换热器强化传热技术的发展方向。以期对今后的强化传热研究工作提供帮助。关键词：换热器 热量传递 强化传热 传热技术1.概述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

2、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。随着经济的发展，各种不同结构和种类的换热器发展很快，新结构、新材料的换热器不断涌现。换热器又称热交换器，是一种将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，也是实现化工生产过程中热量交换和传递不可缺少的设备。换热器既可是一种单独的设备，如加热器、冷却器和凝汽器等；也可是某一工艺设备的组成部分，如石化、煤炭工业中的余热回收装置等。换热器的种类繁多，广泛应用于石油化工、冶金、电力、造纸、船舶、机电、分区供热、暖通空调、余热利

3、用、核工业、食品饮料、医药、纺织等工业领域，换热介质从普通水到高粘度的非牛顿液体；从含固体小颗粒的物料到含有少量纤维的物料；从水蒸汽到各种气体；从无腐蚀性到强腐蚀性的各种介质等，其主要功能是保证工艺过程对介质所要求的特定温度，同时也是回收废热，提高能源利用率的主要设备之一。据资料统计，在现代石油化工企业中，换热器的投资约占装置建设总投资的30%40%，在合成氨生产中，换热器约占全部设备总台数的 40%，世界各国不断地从事着对新型高效换热设备的研究，以期提高热能利用率，不断降低对天然能源的消耗，因此，换热器在减少企业的建设投资及提高企业的经济效益方面具有不可忽视的重要影响。要达到此目的，就迫切需

4、要研究各种高效能紧凑节能型的换热器。随着各种新材料、新工艺和新的加工技术的不断发展，换热器的设计、加工、制造工艺得到不断地完善，推动了新型高效节能型换热器的蓬勃发展和广泛应用。 当今换热器的发展以计算流体力学、模型化技术、强化传热技术及新型换热器开发而形成了一个高技术体系。2.国内外发展状况目前，国内外已开发出来的新型高效的换热器主要有：螺旋槽纹管换热器、 横纹管折流板换热器、旋流管换热器、折流杆式换热器、空心环管壳式换热器、可拆式板式换热器、焊接式板式换热器、整体翅片式换热器、热管换热器、不结垢换热器、碳化硅换热器、澳大利亚的柔性换热器、日本的SM型换热器和 Hybrid 换热器、美国 Ch

5、emineer 公司的 Kenics 换热器和德国的块式换热器、由法国Secatnen 公司开发，CacDregamont 设计并制造的Packinox 板壳式换热器、德国 thermowave 板式换热器等，此外，现在世界各国也在不断地进行着新型节能型换热器的开发与研究，包括新的设计理论与方法的探讨，新的加工制造技术的研究和新材料的开发与应用，新型传热强化剂、添加剂等产品在换热过程中的应用等，争取在不改变换热器的基本结构原理的情况下，进行节能技术研究，以期进一步降低换热器的成本，提高热能利用效率。2.1国外（1）传热强化剂对换热器换热性能的提高一般情况下，人们普遍认为双组分液体的沸腾传热性能

6、要比单组分液体低，但是 Williams，Hartnett 等人经过实验表明，在加入一定的添加剂后，其传热性能却有所提高。对于为何加入适量的添加剂能起到强化传热的机理，目前国内外的研究都还没有较为统一的说法。但研究表明，在水中加入浓度低于总质量50%的挥发性添加剂，在水的物性没有显著变化下，却可使其传热膜系数增加80%左右。有文献报道，在水中加入微量的十八烷基胺以后，不仅强化了核沸腾换热以及冷凝换热，并且它易吸附于金属表面，可有效的缓减金属的腐蚀，它还具有清除金属表面污垢的能力。污垢的清除对换热过程中能量的损失也有很大的削弱作用。对空气中喷入液滴时的传热工况进行的研究表明，如能在换热面上形成连

7、续液膜，则换热系数最多可增加30倍。添加剂强化技术的研究，英国、美国居领先地位。 目前在添加剂的研制方面还存在许多问题。如要保持添加剂的含量不变，防止添加剂对设备的腐蚀，保持较低的添加剂用量等问题一时还难于同时解决。但是也有人研制出少数较为理想的添加剂。如阴阳离子混合物表面活性剂，简称 WT 强化剂。该强化剂可以溶于水及含水有机混合工质，挥发性小，化学性稳定，无毒无腐蚀性，操作中用量小，强化传热效果显著。 （2）在换热器的设计过程中增加电场的强化传热及节能技术 早在 1916 年，英国学者 Chubb 就提出了电场强化传热的理论。但长时间内没有引起人们的重视。近年来，一些发达国家，开展的 EH

8、D 强化沸腾传热研究取得了很大的发展，但也尚未真正应用于工程实践。在该领域，国内研究才刚刚起步。在液体中加一静电场以强化单相流体的对流换热量是一种有吸引力的强化传热方法。这种方法对气体和液体的自然对流和强制对流都能产生一定的强化传热效应。在静止流体中加上足够强度的静电场后，会促使流体流动，形成一股所谓的电晕风。它在一定条件下能强化单相流体的对流换热。日本 Mizushina以空气为介质，进行环形通道内电晕风对强制对流影响的试验，分别得到了存在电晕风时的努赛尔数及阻力系数与雷诺数关系曲线及经验公式。 采用静电场可使蒸发器的传热系数提高一个数量级，并克服油类介质对泡核沸腾的影响，也能使冷凝液膜产生

9、波状失稳，引起膜层减薄，进而降低热阻，使传热系数增加 2 倍。与此同时，另一个问题就是石油炼化以及许多其它的化工过程都对电荷比较敏感，操作不慎则会引起较大的安全事故。如何在换热设备中设置可增强换热的电场又能避免安全事故的发生及发生电场本身的能耗问题，也是该构想所面临的一个实际问题。（3）纳米粒子在强化传热领域的广阔应用前景美国Argonne国家实验室的研究人员早在1995年就在国际上首次提出了纳米流体的概念。后经国内外的研究人员研究表明，在液体中添加纳米粒子能有效的增加其导热系数。因此，能够生产出成本低廉的纳米粒子和找到其与强化传热倍数的准确的数学关系，在换热设备的改进中设计一个纳米粒子按比例

10、混入装置对换热效率的提高将十分有意义，同时也能减小换热器本身的设计制造成本。 （4）换热器上扰流子强化传热节能技术的使用 换热器在传热过程中，影响换热器传热系数（K）的主要因素包括：换热器内、外部液体的流动状态，换热面的形状及尺寸等。在换热管中加扰流子添加物主要是通过改变液体的流动状态进行强化传热，可大大节省换热器的传热面积，降低设备重量，节约大量金属材料。扰流子强化元件有多种形式，现在使用最多的包括：金属丝制元件 、金属螺旋圈、盘状构件、麻花铁、翼形物等。 这些扰流子强化元件有一个共同的特点就是：在换热器换热管中这些扰流子添加物可以有效降低换热器传热过程中的总热阻，大大地提高换热器的传热系数

11、（K）值，试验表明，在换热器换热管中加扰流子添加物，换热管内侧换热系数可比光管提高 3.5倍以上。采用扰流子强化传热，另一优点就是可有效地抑制污垢的生成。结垢是换热器非常棘手的问题。污垢使传热效率下降，它的导热性能差，只有钢的 1/301/50。对碳钢管油冷却器，当水垢厚度达到 2 mm时，将比新制无垢时的运行效率下降 30%。美国传热研究公司对换热器的污垢问题进行了多年的研究，发现污垢的形成、生长，主要与介质温度和流速有关，介质温度越高，介质与壁面温差越大，流速越低，越易形成污垢。为了消除管侧污垢，国外一些厂家通过提高管内流速（V23 m/s） ，但这带来过高的压降，能耗很大。采用扰流子强化

12、传热的换热器，设备管侧的污垢显著减少。首先，由于流体的弥散流动，介质的温度梯度较小，抑制了污垢的形成、生长；其次，由于弥散流紊动度很高（扰流子强化相当于静态搅拌器），流体中的杂质不易沉积成垢。此外，还有其他一些节能技术正在应用或研究之中，在此不一一列出。 2.2 国内 中国换热器产业起步较晚。1963年抚顺机械设备制造有限公司按照美国TEMA标准制造出中国第一台管壳式换热器，1965年兰州石油机械研究所研制出我国第一台板式换热器，苏州新苏化工机械有限公司（原苏州化工机械厂）在20世纪60年代研制出我国第一台螺旋板式换热器。之后，兰州石油机械研究所首次引进德国斯密特（Schmidt）换热器技术，

13、原四平换热器总厂引进法国维卡勃（Vicarb）换热器技术，国内换热器行业在消化吸收国外技术的基础上，开始获得较快发展。20世纪80年代后，中国出现了自主开发传热技术的新趋势，大量的强化传热元件被推向市场，国内传热技术高潮时期的代表作有折流杆换热器、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一批优良的高效换热器。进入21世纪后，大量的强化传热技术应用于工业装置，我国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。如兰石换热设备公司板式换热器成功进入国内核电建设项目常规岛和核岛领域，并陆续将板式换热器用于大乙烯项目、钛白粉生产线等领域。四平巨

14、元瀚洋板式换热器公司也成功进入大亚湾二期岭澳核电站的常规岛和核岛领域。最近几年，我国还在大型管壳式换热器、大直径螺纹锁紧环高压换热器、高效节能板壳式换热器、大型板式空气预热器方面获得了重大突破。2008年8月，由中国石化集团上海工程公司与中国第一重型机械公司、兰州石油机械研究所、镇海炼化公司共同承担研制的镇海炼化百万吨/年乙烯项目-EO/EG装置大型管壳式换热器国产化研制通过技术鉴定，标志着我国在大型管壳式换热器领域获得了重大突破。该换热器是国内正在制造的首台换热面积超过10000m2的超大型管壳式换热器。2009年4月，中国石化组织专家对“大直径螺纹锁紧环高压换热器国产化研制攻关”项目进行了

15、科学技术成果鉴定。该项目是依托中国石化青岛炼油化工有限责任公司千万吨级炼油项目中的320万吨/年加氢处理装置开展的，由中国石化工程建设公司、中国石化青岛炼油化工有限责任公司、兰州兰石机械设备有限责任公司、抚顺机械设备制造有限公司联合承担。该换热器的国产化标志着我国已经具备设计和制造DN2000以下的螺纹锁紧环高压换热器的能力，大大降低了石化工程建设成本，单台即可节约采购资金1400万元，且缩短了交货期，打破了国外公司垄断地位。国产首台总传热面积达10910m2板式空气预热器将应用于中国石油乌鲁木齐石化分公司100万吨/年对二甲苯（PX）芳烃联合装置，是国内首套加热炉空气预热器全部采用全焊接波纹

16、板空气预热器的对二甲苯装置，也是首套排烟温度低至100的装置，整体技术达到国际领先水平。这台空气预热器属高效、环保节能型热交换器，其研制成功标志着国产全焊接波纹板空气预热器的研制迈上了一个新台阶。3.换热器的分类及其特点3.1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。 3.1.1套管式换热器 套管式换热器是将不同直径的两根管子套成的同心套管作为元件、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动。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，就可清除污垢，所以它也使用于易生污垢的

17、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；而且体积大，占地面积大，故多用于传热面积不大的换热器。3.1.2管壳式换热器 管壳式换热器又称为列管式换热器，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，结构一般由壳体、传热管束、管板、折流板（挡板）和管箱等部件组成。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，不如其它新型换热设备，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。以下是几种常见的管壳式强化换热器。3

18、.1.2.1螺旋槽管换热器 螺旋槽管是一种管壁上具有外凸和内凹的异形管，流体流出管壁时在管壁附近诱发螺旋流动。层流层减薄，同时壁表面起伏强化了流体湍流，加快了由壁面至流体主体的热量传递， 强化了传热过程。早期进行螺旋槽管研究的主要有美国、英国、日本，从 19701980 年进行了大量的研究。我国对螺旋槽管的实验研究起步也是较早的，华南理工大学、北京理工大学和重庆大学都对螺旋槽管进行了试验研究，而且都取得显著的成效。目前，无论是从传热、流阻、阻垢性能，还是从无相变对流换热和有相变凝结换热，对螺旋槽管的强化传热研究从理论到实际已达到较高水平。3.1.2.2横纹管换热器 1974年前苏联首先提出横纹

19、管，它是一种用普通圆管作毛胚，在管外壁经简单滚轧出与轴线垂直的凹槽，同时在管内形成一圈突起的环肋。流体流经横纹管环槽处能频频发生边界层分离而产生轴向旋涡，强化了流体湍流，旋涡不断生成，保持了连续而稳定的强化作用。横纹管在我国研究较少，只有华南理工大学对此进行了试验研究，研究发现在相同流速下，横纹管流阻比单头螺旋槽管的小。沈阳化工学院与辽宁冷热设备制造公司对横槽纹管进行了开发研制，从而使横槽纹管与螺旋槽管换热器的应用得到同步发展。 3.1.2.3螺旋扁管换热器 螺旋扁管是瑞士 Allares 公司首先提出、美国Brown 公司经过改进的一种换热管。这种传热管由压扁和扭转两个过程制成，管子截面和形

20、状都发生了变化，因而流体也随之不断改变方向和速度，使湍流加强，边界层减薄，传热加强。我国梁龙虎经实验研究表明，螺旋扁管管内膜传热系数通常比普通圆管大幅度提高，在低雷诺数时最为明显，达23倍；随着雷诺数的增大，通常也可提高传热系数50以上。 3.1.2.4螺旋扭曲管换热器 近年来，螺旋式扭曲管的研制引起了国内外学者的关注。XYKAYCKARA 报道过一种高效换热器，其换热管是螺旋式扭曲管，两端为圆形，管子与管子在椭圆长轴处相接触，相互支撑而取消了支撑折流板，这样能保证装置的抗震性，且流体在管程和壳程都发生旋流。我国华南理工大学化机所和武汉化工学院化机系也开发了变截面扭曲管和混合管束。 3.1.2

21、.5波纹管换热器 波纹管换热器强化传热机理与螺旋扁管相一致。波纹管能起到温差补偿作用，省掉壳体膨胀节；由于温差应力的作用，换热管能自动去掉表面污垢，使管表面不易产生污垢，具有强化传热和除垢的双重功效，且结构简单紧凑，容易制造，投资少，热率高，故广泛应用于汽-水、水-水换热领域。 3.1.2.6内翅片管换热器 内翅片管是一种带肋的壁面，1971年美国首先提出内翅片管，用于强化管内单相流体的传热。日本、前苏联等国也进行大量的研究工作。20世纪80年代初，日本日立电缆有限公司研制的翅片管冷凝器，其冷凝效率和螺纹管相比提高3 倍以上，同时实验表明这种管子抗油污能力也比较强。翅片管换热器无论对单相对流换

22、热还是对相变对流换热都有很大价值，尤其是当两侧换热系数相差10 倍以上，用于卧式冷凝器强化有机蒸汽的冷凝最为优越，翅片管换热器已广泛用于制冷、动力、能源中的冷凝器、空冷器、油冷却器。 3.1.2.7缩放管换热器 缩放管是由依次交替的收缩段和扩张段组成的波形管道，在扩张段中流速降低、静压增加；而在收缩段中流速增加，静压减小，流体是在方向反复改变的轴向压力梯度下流动， 扩张段产生的漩涡在收缩段中能有效地被利用，且冲刷了流体边界层，边界层减薄，强化了传热。我国华南理工大学提出一种改型缩放管，将每个缩放单元段中的扩张段减到最小，并采用外凸圆弧、内凹弧和直线相连接的方式。同时还对该改进型管进行自然对流沸

23、腾换热特性的实验研究，表明了改进型缩放管的自然对流沸腾换热性能优于普通缩放管。缩放管换热器已在空气预热器、油冷却器、冷凝器、废热锅炉中广泛使用。 3.1.2.8波节管管壳式换热器 波节管管壳式换热器是一种新型的强化传热节能高效换热设备。它是在传统的列管式换热器的基础上，应用强化传热和弹性力学理论对传统的各类换热器进行了突破。波节管采用薄壁的不锈钢管加工制成，纵向成波纹形状，横截面成圆形。由于这些结构形式，使得它继承了列管式换热器的坚固、耐用、安全、可靠等优点，同时又克服了其换热能力差，易结垢的缺点。波节管管壳式换热器现在一些生产厂家已经实现工业化生产，在石化、热电、化工等行业应用，取得了良好的

24、效益。 3.1.2.9三维内肋管换热器 三维内肋管是一种新型的强化换热管件，通过专用的工具，经过一定的方法对普通圆管内壁加工而成的高效强化传热元件。流体在管内受到三维肋的作用而使其热边界层的厚度减薄，从而提高对流传热膜系数。在某些烟气管对流换热中，三维内肋管具有独特的自清灰功能。我国李清方实验发现，烟气与三维内肋管的对流换热系数可达光管的3.2倍。 3.1.2.10管内插入物换热器 国外从1896年就开始研究和应用管内插入物的强化传热，英国Cal Gavin公司研制一种叫Heatex的插入物，它由一组延伸至管壁的圆态体组成，可使管侧传热效率提高215 倍。该公司还开发了一种叫Hitran Ma

25、trix Elements的花环式插入物，能在增大压降的条件下大大提高传热系数。在无功强化传热技术中管内安装插入物的强化传热技术有显著的特点：不改变传热面形状；插入物加工简单，特别适合于现有设备改造，不需要更换原有管壳式换热器。因此，管内插入物强化传热技术在老厂挖潜改造中得到广泛的应用。长岭炼油化工厂采用在线清洗技术，选用两台换热器进行对比试验，得出结论：加有弹簧插入物的换热器比普通光管总传热系数提高 32.8。在不同流量下测试，压降比光管换热器增加0.5和1.3。 3.2板面式换热器 板面式换热器不同于一般传热面用管做的管式换热器。它们的共同特点是被用作传热面的板是平板或稍带锥度的伞板，其上

26、有各种凹凸条纹，或有各种不同断面形状的翅片当流体流过板面时就会产生扰动，使边界层减薄造成湍流，从而获得较高的传热效率。相对于管壳式换热器来说，它们具有传热效率高，结构紧凑，重量轻等优点。又由于流体在换热器中无论进行并流、逆流、错流都可以，板片还可以根据传热面积的大小而增减，因此适应性较大，应用日趋广泛。随着对板式换热器研究的不断深入，其形式也越来越多。 3.2.1板式换热器 3.2.1.1可拆式板式换热器 可拆式板式换热器是将薄的金属板片冲压成为凸凹状，周边张贴合成橡胶类的密封垫片。Laval公司的“按扣” 式垫片，垫片直接扣压在板片上；GEA公司的板片，板片槽口上窄底宽呈梯形，垫片与板片槽过

27、盈配合将垫片压紧。开发无粘接剂连接垫片的技术，使板式换热器安装和维修的时间节约80。我国板式换热器在20世纪80年代得到较大的发展，继四平板式换热器总厂、天津板式换热器厂开发单片面积 2m2后，1992年邯郸板式换热器工贸公司试制成功国内最大的300MN板片专用压机，单片面积已达2.7m2。可拆式板式换热器便于拆卸清洗，增减换热器面积灵活，在供热工程中使用较多。但是，一般的可拆卸式板式换热器由于本身结构的局限性，使用压力不超过 2.5MPa，使用温度不超过250，此外还存在流体与密封垫片的相容性问题。 3.2.1.2焊接式板式换热器 用焊接结构替代橡胶垫密封，消除了由于垫片材料耐温、耐腐蚀、耐

28、压方面的限制。焊接式板式换热器的组焊板片内部不能用机械方法清洗，且全焊式只能用于不易结垢的介质进行换热，其最大优点是可承受较高温度和压力，没有垫片泄漏的顾虑。焊接式板式换热器近年来得到很大发展，德国与日本合作的千代田BAVARIA 混合焊接板式换热器，操作压力可从真空到6MPa，单元换热面积可达1480m2以上。Nouvelles 应用技术公司发明的Packinox 换热器，代替列管式换热器用作炼油厂催化重整装置混合料换热器，并且得到了推广应用，紧凑、轻型的 Packinox换热器可用各种合金制成，能提供的表面积为 100010 000 m2。 3.2.2板壳式换热器 欧美发达国家于20 世纪

29、80 年代起开始竞相开发、研制各种型式的板壳式换热器。板壳式换热器的基本结构与板式换热器相似，但板间距增大，取消了垫片，改用焊接法连接各板，形成通道。板壳式换热器最适合于介质清沽、换热量大和压降小的场合。法国 Packinox 公司于 20世纪 80 年代首次在催化重整装置中用一台大型板壳式换热器替代传统的管壳式换热器组。20世纪90 年代末期，Packinox公司又将大型板壳式换热器用于加氢装置，该公司的产品得到 UOP(美国联合油)的认证。而板壳式换热器在中国起步比较晚，1999年兰州石油机械研究所研制成功大型板壳式换热器，并于 1999年5月8日通过中国石化总公司鉴定。 3.2.3螺旋板

30、式换热器 螺旋板式换热器在国外较早使用在回收废液和废气中的能量等，螺旋板式换热器的构造包括螺旋形传热板、隔板、头盖和连接管等基本部件。流体在螺旋形流道内的流动所产生的离心力，使流体在流道内外侧之间形成二次环流，增加扰动。螺旋板式换热器具有体积小、效率高、制造简单、成本较低、能进行地温差换热等优点，目前的问题是如何能进一步提高该换热器的承压能力。 我国从 20世纪60 年代开始生产螺旋板式换热器，当时主要用于烧碱厂中的电解液加热和浓碱液冷却。如今螺旋板式换热器在我国已形成规模，国家已制定了配套的技术标准，设计制造技术在我国业已成熟。 3.2.4板翅式换热器 在 20世纪30 年代，板翅式换热器首

31、先在先进国家用于发动机的散热， 它的板束单元结构由翅片、隔板和封条三部分组成。它具有扩展的二次传热表面（翅片），所以传热过程不仅是在一次传热表面（隔板）上进行，而且同时也在二次传热表面上进行。我国从 20世纪 60 年代初期开始试制板翅式换热器，首先用于空分制氧，制成了第一套板翅式空分设备。近几年来，在产品结构、翅片规格、生产工艺和设计、科研方面都有较大发展。板翅式换热器由于结构紧凑、轻巧、传热强度高等特点，被认为是最有发展前途的新型换热器设备之一。 3.2.5伞板式换热器 伞板式换热器用带波纹的伞形板作为传热元件的换热器，由我国和瑞典在20 世纪60 年代初期各自独立创制的，它的结构基本上与

32、板式换热器相同。伞板式换热器的特点是：板片用旋压成形，不需要大型冲压设备和昂贵的大型冲压模；拆卸、清洗方便，板片增减自如，能适应传热面积的变化。伞板式换热器适用于小流量、小温差、高黏度流体的换热。它的缺点是：密封周边长，易泄漏；受垫片材料性能限制，不耐高温、高压，通常工作温度低于120，工作压力在 1MPa 以下；流体阻力大。 3.3热管换热器 热管换热器是一种高效传热的新型换热器，在20世纪60年代首先被应用于宇航技术中，70年代国外在电子、机械、石油、化工等方面有了广泛的应用。热管换热器主要由箱体、管板、热管元件组成，其中热管是其关键元件。热管是一种充填了适量工作介质的真空密封容器，当热量

33、传入热管的蒸发段时，工作介质吸热蒸发流向冷凝段，在那里蒸汽被冷却，释放出汽化潜热，冷凝变成液体，然后在多孔吸液芯的毛细力或重力的作用下返回蒸发段，如此反复循环，通过工质的相变和传质实现热量的高效传递。热管换热器的最大特点是结构简单、换热效率高，在传递相同热量的条件下制造热管换热器的金属耗量少于其它类型的换热器。换热流体通过换热器的压力损失也比其它换热器小，因而动力消耗也少。美国Q-Dot公司开发的热管换热器已有 5000多台的实际运行经验，日本古田电器公司设计的热管换热器已应用于700多套设施。经过20多年的努力，我国先后开发成功了气-气热管换热器、热管蒸汽发生器(废热锅炉)、高温热管(液态碱

34、金属热管)。并在冶金、石油、化工、动力、陶瓷以及水泥等行业领域中应用取得了可喜的成果。当前热管技术已趋成熟，应用面逐步扩大。国内进行热管换热器研制和推广应用的典型厂家(单位)有：南京化工大学、抚顺石油学院、化工部化工机械研究院、抚顺石油二厂、上海711研究所、航天部501所等。4.换热器强化传热技术及其应用20世纪 80年代以来,强化传热技术被誉为第二代传热技术，并得到充分的发展。它是能够显著改善传热性能的节能技术，其主要内容是强化传热元件和改变壳程的支撑结构，用以提高换热效率，达到生产的最优化。强化传热技术通常分为主动式和被动式两大类。主动式强化传热需要消耗外部能量，如采用电场、磁场、光照射

35、、搅拌、喷射等手段。被动式强化传热则不需要消耗外部能量，是换热器强化传热主要采用的方法，如传热管的表面处理、传热管的形状变化、管内加入插入物 , 改变支撑物等。4.1被动式强化传热技术 4.1.1处理表面 包括对表面粗糙度的小尺度改变和对表面进行连续或不连续的涂层。可通过烧结、机械加工和电化学腐蚀等方法将传热表面处理成多孔表面或锯齿形表面，如开槽、模压、碾压、轧制、滚花、疏水涂层和多孔涂层等。此种处理表面的粗糙度达不到影响单相流体传热的高度，通常用于强化沸腾传热和冷凝传热。 4.1.2粗糙表面该方法已发展出很多构形，包括从随机的沙粒型粗糙表面到带有离散的凸起物(粗糙元)的粗糙表面。通常，可通过

36、机械加工、碾轧和电化学腐蚀等方法制作粗糙表面。粗糙表面主要是通过促进近壁区流体的湍流强度、阻隔边界层连续发展减小层流底层的厚度来降低热阻，而不是靠增大传热面积来达到强化传热的目的，主要用于强化单相流体的传热，对沸腾和冷凝过程有一定的强化 作用。基于粗糙表面技术开发出的多种异形强化传热管在工业生产中的应用颇为广泛，包括有：螺旋槽管、旋流管、缩放管、波纹管、针翅管、横纹槽管、 强化冷凝传热的锯齿形翅片管和花瓣形翅片管、强化沸 腾传热的高效沸腾传热管以及螺旋扭曲管等。 4.1.3扩展表面 该方法已在很多换热器中得到了常规应用。如翅片管等非传统的扩展表面的发展使传热系数有了很大的提高。其强化传热的机理

37、主要是此类扩展表面重塑了原始的传热表面，不仅增加了传热面积，而且打断了其边界层的连续发展，提高了扰动程度，增加了传热系数，从而能够强化传热，对层流换热和湍流换热都有显著的效果。因此，扩展表面法得到越来越广泛的应用，不仅用于传统的管壳式换热器管子结构的改进，而且也越来越多的应用于紧凑式换热器。目前已开发出了各种不同形式的扩展表面，如管外翅片和管内翅片(包括很多种结构形状，如平直翅片、齿轮形翅片、椭圆形翅片和波纹形翅片等)、叉列短肋、 波型翅多孔型、销钉型、低翅片管、太阳棒管、百叶窗翅及开孔百叶窗翅(多在紧凑式换热器中使用)等。 4.1.4扰流装置 把扰流装置放置在流道内能改变近壁区的流体流动，从

38、而间接增强传热表面处的能量传输，主要用于强制对流。管内插人物中有很多都属于这种扰流装置，如金属栅网、静态混合器及各式的环、盘或球等元件。 4.1.5漩涡流装置 包括很多不同的几何布置或管内插人物，如内置漩涡发生器、纽带插入物和带有螺旋形线圈的轴向芯体插人物。此类装置能增加流道长度并能产生旋转流动或( 和) 二次流，从而能增强流体的径向混合，促进流体速度分布和温度分布的均匀性，进而能够强化传热，主要用于增强强制对流传热，对层流换热的强化效果尤其显著。 4.1.6螺旋盘管 其应用可提高换热器的紧凑度。它所产生的二次流能提高单相流体传热的传热系数，也能增强沸腾传热。 4.1.7表面张力装置 包括利用

39、相对较厚的芯吸材料或开槽表面来引导流体的流动，主要用于沸腾和冷凝传热。芯吸作用常用在没有芯吸材料冷却介质就不能到达受热表面的情形，常见的如热管换热器；还对水中表面的沸腾换热强化非常有效。 4.1.8添加物 包括用于液体体系的添加剂和用于气体体系的添加剂。液体中的添加剂包括用于单相流的固体粒子与气泡和用于沸腾系统的微量液体；气体中的添加剂包括液滴和固体粒子，可用于稀相(气固悬浮液)或密相(流化床)。 4.1.9壳程强化 壳程传热的强化包括两个方面：一是改变管子外形或在管外加翅片，即通过管子形状或表面性质的改造来强化传热；二是改变壳程挡 板或管间支撑物的形式，尽可能消除壳程流动与传热的滞留死区，尽

40、可能减少甚至消除横流成分， 增强或完全变为纵向流。传统的管壳式换热器，通常采用单弓形折流板，其阻力大、死角多、易诱发流体诱导振动等弊端已严重影响换热器传热效率，对工 业生产和应用造成相当大的影响。据此，近年研究出了许多新的壳程支撑结构， 有效弥补了单弓形折流板支撑物的不足，如双弓形折流板、三弓形折流板、螺旋形折流板整圆形折流板(包括大管孔、小圆孔、矩形孔、梅花孔和网状整圆形折流板)、窗口不排管、波网支撑、折流杆式、空心环式、管子自支撑(包括刺孔膜片式、螺旋扁管式和变截面管式)、扭曲管和混合管束换热器式以及德国G RIMMA公司制造的纵流管束换热器等。 4.2主动式强化传热技术 4.2.1机械搅

41、动 包括用机械方法搅动流体、旋转传热表面和表面刮削。带有旋转的换热器管道的装置目前已用于商业应用。表面刮削广泛应用于化学 过程工业中黏性流体的批量处理，如高黏度的塑料和气体的流动，其典型代表为刮面式换热器， 广泛用于食品工业。 4.2.2表面振动 无论是高频率还是低频率振动，都主要用于增强单相流体传热。其机理是振动增强了流体的扰动，从而使传热得以强化。虽然振动本身对强化传热有不小的贡献，但激发振动所需从外界输入的能量可能会得不偿失。为此，山东大学研究表明，可利用流体诱导振动来强化传热，依靠水流本身激发传热元件振动，会消耗很少的能量。利用流体诱导振动强化传热既能提高对流传热系数， 同时又能降低污

42、垢热阻，即实现了所谓的复合式强化传热 。 4.2.3流体振动 由于换热设备一般质量很大，表面振动这种方法难以应用，然后就出现了流体振动，该方法是振动强化中最实用的一种类型。所使用的振荡发生器从扰流器到压电转换器，振动范围大约从脉动的 1Hz 到超声波的 l 0 6 Hz 。主要用于单相流体的强化传热。 4.2.4静电场 可以通过很多不同的方法将静电场作用于介电流体。总体来说，静电场可以使传热表面附近的流体产生较大的主体混合，从而使传热强化。静电场还可以和磁场联合使用来形成强制对流或电磁泵。静止流体中加足够强度静电场所形成的电晕风能在一定条件下强化单相流体的传热。如日本Mizushina以空气为

43、工质研究环形通道内电晕风对强制对流的影响，分别得到了存在电晕风时的努塞尔准数及阻力系数与雷诺数的关系曲线及经验公式. 4.2.5喷射 包括通过多孔的传热表面向流动液体中喷射气体，或向上游传热部分喷注类似的流体。 4.2.6抽吸 包括在核态沸腾或膜态沸腾中通过多孔的受热表面移走蒸汽和在单相流中通过受热表面排出液体。有研究预测，抽吸能大大提高层流流动和湍流流动的换热系数，其中能大大增强湍流对流换热已被Aggarwal等人证实。 5.换热器强化传热技术的发展方向5.1管程强化传热技术正在蓬勃的发展,异形强化传热管的研究和探索已经进入高层次发展阶段。传统的异形管加工难度大、成本高，加工设备也比较复杂。

44、改进各种高效换热管的制造技术，或开发结构简单的新型高效换热管，实现高效换热管结构和制造技术的简单化，降低成本，提高设备的使用寿命，是推广和应用各种高效换热管的前提条件，也是换热器的重要发展方向。对螺旋管等槽纹管的研究也有待进一步深化，这种传热管可以适用于除水和空气以外更多的介质中，在其它工质中的工况如何还有待研究，另外，强化管的槽深、节距、螺旋角等特性的最优化，会使强化管具有较好的传热与流体动力学特性。表面多孔管用于相变换热能够有效的提高传热系数，增加换热量但是由于加工工艺的复杂性，至今没能够被推广，随着加工技术的提高，如果能够简化加工过程，减少加工成本，相变传热应用这种传热管是一种理想的选择。5.2壳程纵向流换热器的优良特性，已经引起更多的学者和工程技术人员的普遍关注。如果纵向流换热器与不同型式的强化管组合使用，能够同时实现壳侧与管侧的传热强化。这种为实现不同强化传热技术的优化组合仍需要进一步的研究。纵流式管束支撑物对壳程流体流速的调节作用较小，只有在大流量下才能显示出其优越性。因而，在小流量或低雷诺数下如何提高纵流式换热器的性能，是今后研究的一个重要方向。随着计算流体力学(CFD)和数值传热学的发展，各种数值模拟技术不断地被应用到强化传热技