原標題：10類新型高效換熱器詳細介紹，漲知識！
換熱器
在工、農(nóng)業(yè)的各領域應用十分廣泛，在日常生活中傳熱設備也隨處可見，是不可缺少的工藝設備之一。
隨著研究的深入，工業(yè)應用取得了令人矚目的成果，得到了大量的回報，如板翅式換熱器、大型板殼式換熱器和強化沸騰的表面多孔管、T形翅片管、強化冷凝的螺紋管、鋸齒管等都得到了國際傳熱界專家的首肯，社會效益非常顯著，大大緩解了能源的緊張狀況。
近年來國內在節(jié)能、增效等方面改進換熱器性能，在提高傳熱效率，減少傳熱面積，降低壓降，提高裝置熱強度等方面的研究取得了顯著成績，且隨著工業(yè)裝置的大型化和高效率化, 換熱器也趨于大型化, 并向低溫差設計和低壓力損失設計的方向發(fā)展。
近幾年著重提出了以下幾種新型換熱器。
氣動噴涂翅片管換熱器
俄羅斯提出了一種**方法, 即氣動噴涂法, 來提高翅片化表面的性能。其實質是采用高速的冷的或稍微加溫的含微粒的流體給翅片表面噴鍍粉末粒子。用該方法不僅可噴涂金屬還能金屬陶瓷混合物,從而得到各種不同性能的表面。
通常在實踐中翅片底面的接觸阻力是限制管子加裝翅片的因素之一。為了評估翅片管換熱器元件進行了試驗研究。試驗是采用在翅片表面噴涂AC - 鋁, 并添加了24A 白色電爐氧化鋁。將試驗所得數(shù)據(jù)加以整理, 便可評估翅片底面的接觸阻力。
將研究的翅片的效率與計算數(shù)據(jù)進行比較, 得出的結論是: 氣動噴涂翅片的底面的接觸阻力對效率無實質性影響。
為了證實這一點, 又對管子與翅片的過渡區(qū)進行了金相結構分析。對過渡區(qū)試片的分析表明, 連接邊界的整個長度上無不嚴密性的微裂紋。
所以, 氣動噴涂法促進表面與基本相互作用的分支邊界的形成, 能促進粉末粒子向基體的滲透, 這就說明了附著強度高, 有物理接觸和金屬鏈形成。
因而, 氣動噴涂法不但可用于成型, 還可用來將按普通方法制造的翅片固定在熱換器管子的表面上, 也可用來對普通翅片的底面進行補充加固。可以預計, 氣動噴涂法在緊湊高效的換熱器生產(chǎn)中將會得到廣泛應用。
2. 焊接式板式換熱器
用焊接結構替代橡膠墊密封, 全焊式和半焊式板式換熱器的出現(xiàn), 消除了由于墊片材料耐溫、耐腐蝕、耐壓方面的限制。對于腐蝕介質使用板式換熱器, 近年來得到很大發(fā)展。德國與日本合作的千代田混合焊接板式換熱器, 操作壓力可
從真空到6, 操作溫度200℃～900℃, 單臺換熱面積F 為3m2～2 000m2。可用于氣- 氣、氣- 液、液- 液的換熱和蒸氣的冷凝。
美國VICARB 公司在1989 年開發(fā)COMPBLOC焊接式板式換熱器, 是一種緊湊、高效、具有專利技術的換熱器。
圖1 COMPBLOC 焊接式板式換熱器
如圖1 所示, 這種換熱器由焊接板束、鋼框和面板等組裝而成, 是一種四面體結構。板束采用精密壓制、自動焊接制造, 立柱襯里采用電阻焊接, 換熱器的“核心”由焊接波紋板板束、立柱襯里和頂部、底部蓋板襯里組成, 螺栓連接框架由四根立柱和頂部、底部蓋板以及4 個帶有接管的面板組成。
其耐壓耐溫達3. 2MPa 和300℃, 單臺F 為1. 5m2～300m2, 單臺板片數(shù)為25～500, 冷熱介質錯流排列。由于COM PA BLOC 焊接板式換熱器的傳熱性能好且使用溫度和壓力較高, 所以可十分經(jīng)濟地用這種換熱器取代在相應溫度范圍內使用的管殼式換熱器。用于油氣加工工業(yè), 可用作原油冷卻器、塔頂冷凝器等, 還可用于其他多種工業(yè)加工過程。
3螺旋折流板換熱器
螺旋折流板換熱器( 圖2) 是*新發(fā)展起來的一種管殼式換熱器, 是由美國ABB 公司提出的。在列管換熱器中, 殼程通常是一個薄弱環(huán)節(jié)。美國ABB公司提出了一種全新方案, 采用螺旋狀折流板。
其基本原理為: 將圓截面的特制板安裝在“擬螺旋折流系統(tǒng)”中, 每塊折流板占換熱器殼程中橫剖面的1/ 4, 其傾角朝向換熱器的軸線, 即與換熱器軸線保持一定傾斜度。相鄰折流板的周邊相接, 與外圓處成連續(xù)螺旋狀。
每個折流板與殼程流體的流動方向成一定的角度, 使殼程流體做螺旋運動, 能減少管板與殼體之間易結垢的死角, 從而提高了換熱效率。由于介質呈螺旋式流動, 在徑向產(chǎn)生速度梯度, 形成徑向湍流,徹底改變了弓形折流板換熱器的流體流動方式和流場分布, 減薄了傳熱管表面滯流底層的厚度, 提高了傳熱膜系數(shù), 消除了弓形板的傳熱死區(qū), 使殼程的傳熱狀態(tài)大為改善。此外, 螺旋折流板結構可以滿足的工藝條件很寬, 設計方面具有很大的靈活性, 可針對各種特殊的工藝條件選擇*佳的螺旋角。
圖2 螺旋形折流板換熱器和折流板配置方式
4.新型麻花管換熱器
瑞典Alares 公司開發(fā)了一種扁管換熱器, 通常稱為麻花管換熱器。螺旋扁管的制造過程包括了“壓扁”與“熱扭”兩個工序。改進后的麻花管換熱器同傳統(tǒng)的管殼式換熱器一樣簡單, 但改進了傳熱, 減少了結垢, 真正的逆流, 降低了成本, 無振動, 節(jié)省了空間, 無折流元件。由于管子結構獨特使管程與殼程同時處于螺旋運動, 促進了湍流程度。該換熱器總傳熱系數(shù)較常規(guī)換熱器高40%, 而壓力降幾乎相等。組裝換熱器時也可采用螺旋扁管與光管混合方式。該換熱器嚴格按照ASME 標準制造, 凡是用管殼式換熱器和傳統(tǒng)裝置之處均可用此種換熱器取代, 它能獲得普通管殼式換熱器和板框式傳熱設備所獲得的*佳值, 估計在化工、石油化工行業(yè)中具有廣闊的應用前景。
5. Hitan 繞絲花環(huán)換熱器
該型換熱器是英國Cal Gavin Ltd 公司開發(fā)的一種新產(chǎn)品, 采用一種稱之為Hitan mat rix element s的絲狀花內插物, 可使流體在低速下產(chǎn)生徑向位移 和螺旋流相疊加的三維復雜流動, 可提高誘發(fā)湍流和增強沿溫度梯度方向上的流體擾動, 能在不增加阻力的條件下大大提高傳熱系數(shù)。
圖3 Hitan 換熱器用內插物
內插件不僅可以促進管內流體形成湍流, 同時可以擴大傳熱面積, 提高傳熱效率。目前, 管內內插物主要是利用各種金屬的條、帶、片和絲等繞制或扭 曲成螺旋形, 如麻花鐵、螺旋線、螺旋帶及螺旋片等,或沖成帶有缺口的插入帶。英國Cal Gavin 公司研制出了一種叫Heatex的內插件。這種內插件由一組延伸至管壁的圓芯體組成, 它可使管側傳熱效率提高2～15倍。該公司還開發(fā)了一種叫Hit ran 的絲網(wǎng)內插件, 將這種內插件用于液體工況, 可使管殼式換熱器 管程傳熱效率提高25 倍, 用于氣體工況, 可使相應值提高5倍。同時, 與正常流速相比, 這種內插件使換熱管的防垢能力提高8～10倍。
在電廠中，換熱器的應用以管殼式和板式為主，具體形式隨著新工藝、新技術、新材料的不斷發(fā)展而發(fā)展。
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1.對于常用的管殼式換熱器，可通過改變管子外形或在管內加入插入物的方式，來強化傳熱，提高其效率。
常用的措施有應用螺旋槽管，橫紋管，管內插入物（麻花鐵、螺旋面，對于縮小換熱器體積，提高換熱器效率有很重要的作用。
目前，已經(jīng)線圈、螺旋帶、螺旋片、扭帶和靜態(tài)混合器等），翅片管，低肋管，波紋管等替代原有的光管。低肋管是開發(fā)較早的換熱器之一, 主要應用于強化沸騰傳熱, 不僅換熱系數(shù)較高, 而且能有效地擴大傳熱面積。
光滑管的傳熱面積只是低肋管的38% 。螺紋管是一種由鋼管經(jīng)過環(huán)向滾壓軋制而成的整體低翅片管, 適應于強化對流、冷凝傳熱。
內、外螺紋管換熱器可提高傳熱系數(shù), 螺紋管的總傳熱系數(shù)為光滑管的兩倍以上, 一般在滿足生產(chǎn)的情況下, 2 臺內、外螺紋管換熱器具有3 臺光滑管換熱器的傳熱能力。
對于相同結構的管殼式換熱器,內、外螺紋管的換熱面積是光滑管的1.5- 2.5倍。波紋管是管內流道截面連續(xù)不斷地突變, 造成流體即使在流速很低的情況下也始終處于高度的湍流狀態(tài), 難以形成層流, 使對流傳熱的主要熱阻被有效克服, 管內、外傳熱被同時強化。波紋管傳熱系數(shù)很高, 一般為傳統(tǒng)管殼式換熱器的2-3倍。
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2. 新型的板式換熱器
組波紋金屬板組成,板片上裝有密封墊,引導流體交替的流至各自的通道內,提高湍流程度。新型板式換熱器在安陽電廠經(jīng)半年的試運行,具有以下優(yōu)越性：
（1）在傳熱面積相同時,新型板式換熱器的體積和重量均是管殼式冷卻器的 1/3 左右,具有體積小、整體重量輕,外形美觀,傳熱效果好等特點。
（2）由于波形板組件的特殊波紋結構,內部流體呈紊流狀態(tài),不易產(chǎn)生結垢和表面附著物,其傳熱系數(shù)不易改變,冷卻效果恒定。
（3）結構簡單,可就地拆開、組裝、清洗、檢修,且密封性能好,未發(fā)現(xiàn)漏水,漏油現(xiàn)象。
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3.*近幾年，熱管式換熱器在電廠中得到了很大的應用。
熱管是憑借充裝在管內封閉的工作介質反復發(fā)生蒸發(fā)和凝結相變而進行熱量傳遞的。
熱管結構上分加熱段、絕緣段和冷凝段三段, 加熱段與余熱熱源接觸吸收余熱, 熱管工作介質不論是液態(tài)或是固態(tài), 總是在開始工作傳熱時均集中在熱管的加熱段, 當熱管的加熱段一接觸吸收余熱熱源吸熱時, 熱管工作介質就蒸發(fā)或升華, 并以高速度向冷卻段運動, 同時將熱量帶到了冷卻段, 傳遞的熱量是熱管工作介質的汽化潛熱, 放出汽化潛熱,工作介質就凝結成液態(tài), 連續(xù)循環(huán)下去, 工作介質就不斷傳遞熱量。
熱管式換熱器的一種：復合相變換熱器技術在燃煤鍋爐上的到了應用。這種技術**提出將換熱器*低金屬壁面溫度定義為“**設計要素”的理念，以及**提出將對產(chǎn)生煙氣低溫結露和腐蝕具有關鍵性影響的*低壁面溫度置于“可控可調狀態(tài)”的創(chuàng)新概念。
該技術的核心在于“復合”和“相變”，即通過“相變換熱器”的設置，并利用不同“強化傳熱技術”與不同“控制技術”的合理配置，借助于優(yōu)化設計，改變包括熱管技術在內的一般換熱器壁面溫度分布的“ 函數(shù)”特征，在始終保證金屬壁面溫度處于酸露點以上以避免出現(xiàn)低溫結露和腐蝕的同時，為大幅度回收煙氣低溫余熱提供了可能。復合相變換熱器中的“相變段”是整個技術得以實施的核心部件之一。
它將原熱管換熱器中相互獨立的部分，通過優(yōu)化設計構造成一個相互關聯(lián)的結構化的整體，充分利用氣（ 化）液（ 化）間“ 兩相同向流動”、“汽液相變換熱”，“工質自然循環(huán)”，將氣化潛熱與液化潛熱交替進行，以2243kJ/kg的熱容量進行高效傳熱。
在換熱平均溫差20度時，與傳統(tǒng)的煙氣橫掠列管換熱的氣氣換熱器的20kJ/kg?20℃換熱能力相比，二者具有102以上數(shù)量級的傳熱量差別。
熱管換熱器在余熱回收、降低能耗、節(jié)約能源、減少二氧化碳排放、改善環(huán)境等方面所帶來的綜合效益是巨大的。
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4.折流桿式換熱器
折流桿式換熱器又分為板式折流桿換熱器和管殼式折流桿換熱器。板式換熱器由一組波紋形的平行金屬板構成，在板片的4個拐角處都有通道孔，傳熱板被夾緊在一個側面附有連接管的固定板和活動壓緊板的框架中，并用螺栓緊固夾緊。
這些連接管同板上的通道孔對中，并與熱交換的2 種液體的外部管路相連，傳熱板和活動壓緊板懸掛在頂部承載梁的下面，并由底部橫梁使其對準定位。傳熱板被緊固的墊片密封，以防止外部泄漏。
流體的流量、物理性質，壓降和溫度差決定了板片的數(shù)目和尺寸。板式換熱器的冷卻水和被冷卻水在波紋板的兩側對流，這些傳熱板的波紋斜交。由于流動方向不斷變化，致使流道形狀改變而引起湍 流。
電站用的水－ 水換熱器為固定管板弓形折流板管殼式換熱器。在殼程設置若干塊折流板，使流體在殼程反復換向橫向沖刷換熱管束，增大了流體的流速和湍動，從而提高了殼程的傳熱效果。其總傳熱系數(shù)K 值一般為2000 W/( m2?K) 左右。
針對普通折流桿式換熱器的缺陷，廣東某電力設備廠和華中科技大學合作，開發(fā)了電站外導流折流桿海水－ 工業(yè)水換熱器，在華能汕頭電廠試用成功。2004 年8月，該技術獲得國家實用新型專利(專利號: ZL 02 2 ．0)。
該專利設備通過改變換熱器管束、外殼及折流桿的結構，打破傳統(tǒng)換熱器利用折流板間距改變流速、控制振動及阻力來確定傳熱效率的技術路線，殼程流體由折流板結構的相對換熱管為橫流改為順流，降低流動阻力，利用折流桿使低速流體也變成湍流來提高換熱器傳熱效率。
在結構上，微擾流折桿換熱器殼程不設置折流板，而是沿流體流動方向布置折流環(huán)。環(huán)上裝置若干普通折流桿和起微擾流作用的折流桿，折流桿依次按水平和垂直方向安置，普通折流桿用以固定換熱管( 見圖4) 。
圖4 折流桿換熱器結構圖
當流體順著管束流動時，遇到普通折流桿產(chǎn)生擾流，遇到微擾流折流桿產(chǎn)生帶有微振動的擾流，然后再流到下一個折流桿產(chǎn)生同樣的擾流，如此多次擾動減薄了層流邊界層，形成紊流，增強了傳熱。
殼程進出口處設置外導流筒，使流體低速進出管束，同時把流體由橫掠管束改為順換熱管流動，消滅了流動死區(qū)，充分利用了換熱面積。高效節(jié)能折流桿換熱器由于有高效節(jié)能微擾流折流桿的強化傳熱、殼程流體相對于換熱管順流(見圖5) ，故該技術換熱器具有如下特性: 換熱效率高，其總傳熱系數(shù)K 一般為2600～3500W/( m2?K) ，消滅了流動死區(qū)，基本消除了誘導振動，流動阻力大為減小，污垢也因擾流的自潔作用而不易沉積，運行換熱效率穩(wěn)定。不用安裝海水升壓泵
圖5 高效節(jié)能微擾流折流桿換熱器示意圖
結果表明，電站外導流微擾流折流桿水－ 水換熱器為電廠解決了傳熱、阻力、振動等多個難題，提高了電廠的發(fā)電效益。秦山核電310 MWe 系統(tǒng)設備改造是成功的，新型高效折流桿式換熱器在新建核電項目推廣應用，其技術將得到進一步提高，應用前景較好。
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5.超聲波抑垢強化換熱實驗研究
電廠設備中的換熱器也存在不同程度的結垢問題。凝汽器長期工作，在其內壁常會形成污垢，污垢不僅增大了熱阻，降低了換熱效果，造成巨大的經(jīng)濟損失，而且更嚴重的是污垢的集聚會直接危害汽輪機本體的安全可靠性。
川維廠1#汽輪發(fā)電機組于2011 年3 月，在凝汽器附近的墻壁上安裝超聲波防除垢裝置的4 臺主機，主機裝置采用電源為AC220 V，通過內置的主控單元、參數(shù)調測單元、匹配單元、顯示單元、功放單元、遙控單元等硬件設備和軟件系統(tǒng)來實現(xiàn)對超聲震蕩的發(fā)生、頻率、振幅、脈沖周期、脈沖寬度、加速度等參數(shù)實現(xiàn)實時調測和控制，產(chǎn)生功率一定的超聲波—脈沖電信號。于2011 年11 月3 日，打開凝汽器觀察，發(fā)現(xiàn)凝汽器管板表面較潔凈，管束內壁有少量灰褐色軟泥漿狀物，經(jīng)常壓水沖洗后，灰褐色軟泥漿狀物可清除，冷卻管端部向內300 mm用金屬刮檢查未見硬垢。以下為使用超聲波防除垢裝置前后凝汽器內部對比照片:
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