換熱器的發(fā)展前景

1、換熱器的發(fā)展前景摘要：換熱器是化工、石油、能源等各工業(yè)中應(yīng)用相當(dāng)廣泛的單元設(shè)備之一。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在現(xiàn)代化學(xué)工業(yè)中換熱器的投資大約占設(shè)備總投資的30% ,在煉油廠中占全部工藝設(shè)備的 40%左右，海水淡化工藝裝置則幾乎全部是由換熱器組成 的。對(duì)國(guó)外換熱器市場(chǎng)的調(diào)查表明，雖然各種板式換熱器的競(jìng)爭(zhēng)力在上升，但管 殼式換熱器仍占主導(dǎo)地位約 64%。新型換熱元件與高效換熱器開發(fā)研究的結(jié)果 表明，列管式換熱器已進(jìn)入一個(gè)新的研究時(shí)期 ，無(wú)論是換熱器傳熱管件，還是 殼程的折流結(jié)構(gòu)都比傳統(tǒng)的管殼式換熱器有了較大的改變，其流體力學(xué)性能、換熱效率、抗振與防垢效果從理論研究到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面也均有了新的進(jìn)步。目前各國(guó)為改善該

2、換熱器的傳熱性能開展了大量的研究，主要包括管程結(jié)構(gòu)和殼程 結(jié)構(gòu)強(qiáng)化傳熱的發(fā)展。關(guān)鍵詞：換熱器：發(fā)展前景：存在問(wèn)題一. 應(yīng)用前景近幾年來(lái)，隨著高溫?zé)峁芗夹g(shù)研究的不斷成熟和深入，高溫?zé)峁軗Q熱器的應(yīng) 用領(lǐng)域逐漸擴(kuò)大，目前已廣泛應(yīng)用于工業(yè)、民用和國(guó)防等各個(gè)領(lǐng)域。在冶金、化 學(xué)、陶瓷、建材及輕工等工業(yè)生產(chǎn)中，常需要500C以上的活潔空氣以滿足助燃、 十燥和供氧等需要，采用高溫?zé)峁芸諝饧訜崞骺梢暂p易地達(dá)到這一要求，并且從 根本上解決常規(guī)空氣加熱器所無(wú)法解決的傳熱難題。高溫?zé)峁芗夹g(shù)在噴霧十燥中的應(yīng)用取得成功，并已收到了令人滿意的實(shí)際 效果。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的參數(shù)表明，高溫?zé)峁軗Q熱器達(dá)到的某些性能指標(biāo)，是其他 類

3、型熱風(fēng)發(fā)生器所達(dá)不到的，因而在某些特定工況條件下的應(yīng)用也是無(wú)法取代 的：1. 向各類十燥設(shè)備（噴霧于燥、沸騰十燥、氣流十燥、隧道十燥及鏈板式十 燥等）提供活潔的高溫?zé)犸L(fēng)。2. 向氣流焙爐提供800 C以上的高溫?zé)犸L(fēng)，對(duì)物料直接進(jìn)行氣流焙燒。3. 向各類燃燒器提供助燃熱風(fēng)，改善燃燒狀況，提高燃燒效率，節(jié)約燃料。 據(jù)資料介紹，用普通換熱器將助燃風(fēng)加熱到 300- 400 可節(jié)約燃料15% 25%， 用高溫?fù)Q熱器可節(jié)約燃料40%以上。4. 高溫預(yù)熱煤氣（或助燃?xì)猓?，使冶金工廠大量的低熱值高爐煤氣（其熱值 約為4 187J境源在加熱爐上的利用成為可能。5. 回收利用六大耗能工業(yè)（冶金、化工、煉油、玻璃

4、、水泥及陶瓷）的高溫 余熱，使這些領(lǐng)域的能源利用率達(dá)到一個(gè)新的水平。由以上可以預(yù)見 ，高溫?zé)峁?熱風(fēng)發(fā)生器將具有廣闊的推廣應(yīng)用前景，對(duì)工業(yè)生產(chǎn)和節(jié)能技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生重 大的影響。二. 存在的問(wèn)題當(dāng)前，高溫?zé)峁軗Q熱器在傳熱方面還面臨兩大急需解決的問(wèn)題 ：1. 結(jié)構(gòu)龐大，成本昂貴，極大地阻礙了高溫?zé)峁軗Q熱器工業(yè)化應(yīng)用進(jìn)程。2. 過(guò)渡段的銜接不合理，導(dǎo)致部分熱管處于不工作和非正常工作狀態(tài)。三. 要解決好上述問(wèn)題的關(guān)鍵：1. 優(yōu)化高溫?zé)峁軗Q熱器結(jié)構(gòu)有兩個(gè)途徑：一是對(duì)單根熱管進(jìn)行傳熱強(qiáng)化研 究；二是合理預(yù)測(cè)殼程的流場(chǎng)與溫度場(chǎng)的分布，二者的優(yōu)化組合研究是今后熱管 換熱器強(qiáng)化傳熱技術(shù)發(fā)展的方向。2. 過(guò)渡段的

5、強(qiáng)化傳熱對(duì)優(yōu)化高溫?zé)峁軗Q熱器結(jié)構(gòu)、安全銜接各區(qū)域熱管換 熱器起著非常重要的作用。換熱器研究的發(fā)展前景換熱器肋片換熱的研究應(yīng)該注重基礎(chǔ)性的理論研究創(chuàng)新，尋求建立能支撐肋 片設(shè)計(jì)選型的系統(tǒng)化的理論，同時(shí)要結(jié)合實(shí)驗(yàn)研究，尋求實(shí)際應(yīng)用中最節(jié)能的肋 片參數(shù)值。換熱器制造商和設(shè)計(jì)人員對(duì)于換熱器肋片外型、布置仍然沒(méi)有可靠的 理論依據(jù)，傳統(tǒng)的肋片布置方式在換熱效率上不如換熱管表面設(shè)置的針狀或圓臺(tái) 狀肋，而對(duì)于針狀肋片在換熱管表面的最佳換熱的散布規(guī)律仍然還不明晰，理論研究非常薄弱；對(duì)替代傳統(tǒng)的平板和環(huán)狀肋 片的高效換熱肋片研究其少。新型換熱管的形狀研究過(guò)少，目前的研究?jī)H局限于 傳統(tǒng)的圓形或矩形換熱管上，對(duì)更高效

6、的換熱管型的探索研究比較缺乏。 對(duì)換熱 管排數(shù)和排列方式對(duì)換熱器整體換熱性能的影響研究的理論體系還沒(méi)形成，目前對(duì)于此方面的研究多以實(shí)驗(yàn)研究為主， 然后從實(shí)驗(yàn)中提取經(jīng)驗(yàn)公式，關(guān)于管排數(shù) 的純理論的換熱理論還沒(méi)有得到建立。作為衡量換熱器性能時(shí)的換熱效率，已不 能作為換熱器設(shè)計(jì)選型的標(biāo)準(zhǔn)，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(biāo)，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(duì)于衡量換熱器換熱性能沒(méi)有任何意義。四. 換熱器的國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀照其功能可命名，如冷凝器、蒸發(fā)器、再熱器、過(guò)熱

7、器等，按換熱部件的特 點(diǎn)可分為：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）。對(duì)于各型換熱器的強(qiáng)化換熱技術(shù)的研究，主要集中在對(duì)換熱器 內(nèi)流體流態(tài)變化以及對(duì)各部件的參數(shù)優(yōu)化研究?jī)煞矫?，而?duì)換熱器部件參數(shù)的主 要研究對(duì)象就是換熱管（板）排列方式（順排或義排）、換熱管（板）排數(shù)、換 熱管（板）間距大小、肋片布置問(wèn)距、肋片形狀等。通常的研究方法包括：數(shù)值 模擬計(jì)算、實(shí)驗(yàn)方法研究、理論研究三類。五. 換熱器技術(shù)的發(fā)展前景1. 于整體裝置設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)傳統(tǒng)的整體裝置設(shè)計(jì)任務(wù)是由各個(gè)部門的工 作小組分別對(duì)其中的某一項(xiàng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并通過(guò)設(shè)計(jì)說(shuō)明書相互聯(lián)系來(lái)完成的， 而最近發(fā)展起

8、來(lái)用于整體裝置設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù) ，可以使這種繁重的任務(wù)變得 簡(jiǎn)單起來(lái)。通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，不同類型的設(shè)計(jì)應(yīng)用軟件可以有機(jī)地形成一個(gè)整體 設(shè)計(jì)者只需通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)操作系統(tǒng)向應(yīng)用軟件中輸入相關(guān)參數(shù) ，便可得到更多的 關(guān)于設(shè)計(jì)任務(wù)的數(shù)據(jù)，并且這些數(shù)據(jù)可以反饋到數(shù)據(jù)庫(kù)中。 隨著CAD軟件包和數(shù) 據(jù)庫(kù)技術(shù)的發(fā)展，用于整體裝置設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)必定會(huì)代替手工計(jì)算設(shè)計(jì)方法。2. 計(jì)算流體力學(xué)（CFD）和模型化設(shè)計(jì)的應(yīng)用在換熱器的熱流分析中，引入計(jì)算機(jī)技術(shù)，對(duì)換熱器中介質(zhì)的復(fù)雜流動(dòng)過(guò)程進(jìn)行定量的模擬仿真。目前，基于計(jì)算機(jī)技術(shù)的熱流分析已經(jīng)用于自然對(duì)流、剝離流、振動(dòng)流和湍流熱傳導(dǎo)等的直 接模擬仿真，以及對(duì)輻射傳熱、多相流

9、和稠液流的機(jī)理仿真模擬等方面。在此基 礎(chǔ)上，在換熱器的模型設(shè)計(jì)和設(shè)計(jì)開發(fā)中，利用CFD的分析結(jié)果和相對(duì)應(yīng)的模 型實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，使用計(jì)算機(jī)對(duì)換熱器進(jìn)行更為精確和細(xì)致的3. 換熱器強(qiáng)化傳熱技術(shù)的發(fā)展以采用強(qiáng)化傳熱元件和改進(jìn)換熱器結(jié)構(gòu)為主的強(qiáng)化傳熱技術(shù)是一種能顯著改善換熱器傳熱性能的節(jié)能技術(shù)。根據(jù)傳熱物流條件的不同情況，殼程傳熱強(qiáng)化的研究必然與強(qiáng)化傳熱管的優(yōu)化組合相聯(lián)系，這是今 后換熱器強(qiáng)化傳熱技術(shù)發(fā)展的方向。六. 換熱器在工作中存在的震動(dòng)問(wèn)題管殼式換熱器作為一種傳統(tǒng)的換熱設(shè)備廣泛地應(yīng)用在工農(nóng)業(yè)各個(gè)領(lǐng)域，尤其在化工、石油、能源等部門處于主導(dǎo)地位。當(dāng)今科學(xué)技術(shù)的發(fā)展日新月異和過(guò)程 工業(yè)向大型化發(fā)展都對(duì)換熱

10、器提出了新的要求，尤其是換熱器向高溫、高壓、大容量、高效益等方向發(fā)展，管殼式換熱器無(wú)論是在設(shè)計(jì)理論還是在應(yīng)用實(shí)踐方面 都面臨一系列新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。由于管殼式換熱器的殼程流體流動(dòng)誘發(fā)振動(dòng)的物 理現(xiàn)象非常復(fù)雜，會(huì)引起不同流體漩渦、抖振、彈性激振及聲學(xué)共振，這些振蕩 組合起來(lái)就形成劇烈振動(dòng)。隨著換熱器向大型化、高溫、高壓、高流 速、高負(fù)荷方向發(fā)展，振動(dòng)有可能更加激烈，從而導(dǎo)致管子不斷撞擊折流板， 產(chǎn) 生管子被折流板邊緣切割穿透、管子與管板連接處被拉裂至發(fā)生泄漏、聲振動(dòng)等 現(xiàn)象。七. 造成振動(dòng)的振動(dòng)形式及原因管殼式換熱器管束振動(dòng)主要是由殼程流體流動(dòng)所引起,產(chǎn)生振動(dòng)的振源為流體特性不穩(wěn)定產(chǎn)生的振動(dòng)、流體

11、速度的波動(dòng)、通過(guò)其它連接件傳播的動(dòng)力機(jī)械振 動(dòng)等，橫向流是流體誘導(dǎo)管束振動(dòng)的主要根源。主要可以分為一下幾種：1. 卡門漩渦的誘導(dǎo)振動(dòng)當(dāng)殼程流體橫向流過(guò)管束時(shí)，在管子后面形成一個(gè)交變的漩渦尾流， 稱為卡門漩 渦。它以交變的橫向推力(垂直于流向)作用于管子的兩側(cè)，使管子產(chǎn)生振動(dòng)。當(dāng) 漩渦橫向的交變頻率接近管子的自振固有頻率時(shí)， 就會(huì)引起管子的強(qiáng)烈共振。卡 門漩渦可能產(chǎn)生在下列范圍內(nèi)：對(duì)排管束 T/d0=1.33.02 , (L/ d0)=1.25 3.0;對(duì)錯(cuò)管束 T/d0=1.54.65 , (L/ d0)=1.25 7.9;式中：T一橫排管心距；L一縱向管心距；d0管外徑。2. 流體彈性振動(dòng)當(dāng)

12、流體橫向沖刷管排達(dá)到某一速度后，如果此時(shí)管排中有某根管子從它原有平衡位置發(fā)生瞬時(shí)位移，則可使流場(chǎng)發(fā)生變化，破壞相鄰管子的平衡，使它們也 產(chǎn)生位移，處于振動(dòng)狀態(tài)。如果流體被管子吸收的振動(dòng)能超過(guò)了管子阻尼消耗的 能量，管子便發(fā)生劇烈振動(dòng)，使管子遭到碰撞，最終導(dǎo)致設(shè)備損壞。3 .湍流抖振(紊流抖振)當(dāng)殼程流體的流動(dòng)在湍流時(shí)，由于湍流本身存在一個(gè)主導(dǎo)頻率的頻帶振動(dòng)，所以如果該主導(dǎo)頻率接近管子或折流板的自振頻率，而且殼程介質(zhì)為阻尼較小的氣體時(shí)，即會(huì)引起它們的共振。殼體流體的雷諾數(shù) Re大于10000即流動(dòng)是充分的湍 流。4 .聲振動(dòng)當(dāng)高速氣流向一個(gè)較大的容積沖射時(shí)， 將產(chǎn)生一個(gè)聲振動(dòng)，該振動(dòng)的頻率與幾何 空間有關(guān)。在換熱器的殼程中，當(dāng)介質(zhì)為氣態(tài)時(shí)，可能產(chǎn)生頻率在 40125Hz的 低頻振動(dòng)。八. 結(jié)束語(yǔ)節(jié)能減排已成為我國(guó)“十二五”期間重要戰(zhàn)略的舉措，高效節(jié)能換熱器的研 究也成為當(dāng)今地下?lián)Q熱領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。 所以現(xiàn)在的換熱器越來(lái)越向高精尖的技 術(shù)水品發(fā)展。參考文獻(xiàn)孫世梅張紅高溫?zé)峁軗Q熱器的應(yīng)用前景（南京工業(yè)大學(xué)）2004年汪波 茅靳豐 耿