【文章內(nèi)容簡介】 大型化過程中所遇到的一個復(fù)雜問題就是 管 束的振動。由于大型化而加 劇 了核電站換熱器 的振動破壞， 因 此人們對管殼式換熱器振動研究 的 興趣與日俱 增 。大型換熱 器 在高流速 下 尤其容易產(chǎn)生振動，振動位管子破裂，損壞設(shè)備的就礎(chǔ)與管路，同時產(chǎn)生噪音。迄今雖然有關(guān)振動方面的問題，還遠 未 被人們 認 識清楚，但是通過大量 的 試驗研究，現(xiàn)在已經(jīng)能 預(yù) 測管束的自振頻率，從而在設(shè)計小可以確定出適當?shù)牧魉俜秶?，以防止流體的 激 振。此外，在結(jié)構(gòu)設(shè)計上 也采用 了一些防振措施，例如菲利普斯石油公司設(shè)計了一種沒有普通折流板的管殼式換熱器，采用 一 組 柵格式緊固控置代缽折梳板，管 Ⅱ 束被井個型的柵格條緊緊固定，柵格條同管于外壁之間水留間隙。使用納果表明，這種結(jié)構(gòu)有效地克服了管束的振動，延長了管子為 壽 命， 而且結(jié)構(gòu)緊湊，符 合小 管 徑、密 排 列的原則，提 高了 工藝性能，使完程壓降降低丁 二分之一，且不易淤塞臟物，清洗 方便。 （ 5） ．發(fā)展強化傳熱管 傳熱管是管殼式換熱器的主要傳熱元件。國外對傳熱管的研究非常重視，通過改進傳熱管的性能，就能提高換熱器的性能。強化傳熱管的方法主要有兩種：一種是盡量擴大它的有效傳熱面積，但又不過分增大流阻，例如將管子的內(nèi)、外表面軋制成各種不同 的表面形狀，促進流體產(chǎn)生湍流提高傳熱性能，如翅片管、螺紋管等。有的國家已成批生產(chǎn)翅片管換熱器，并已標誰化、系列化。我國也在煉油廠中使用螺紋管換熱器，只要使用條件恰當，工藝流程合理，總傳熱系數(shù)就可以大大提高。 1967 年蘭州煉油廠 12 單元仗用一臺螺紋管換熱器， K 廈高達 500 大卡／米”小時飛。 1981年南京煉油廠實行節(jié)能改造，使用了螺紋管換熱器，實測 K 值達 370 ~ 400 千卡／米“小時 t。另一種方法是改良傳熱表面的性能，使之既符合傳熱機理的要求，又能充分發(fā)揮其特點，如美國聯(lián)合碳化公司研制成功的一種表面 多孔管，可以使汽抱核心的數(shù)量大幅度增加，從而使拂騰給熱系數(shù)提高十倍乃至幾十倍，總傳熱系數(shù)一般可提高五倍左右，并民還有很好的抗污垢能力。國內(nèi)一些單位（如北京化工研究院等）也研究試制成功了表面多孔管，并得到了應(yīng)用（如在南京煉油廠用于重沸器）取得了明顯效果。新的強化傳熱管還有單面縱槽管、雙面縱槽管、周向波紋管、螺旋波紋管等。 （ 6） ．采用新材料 由于工藝條件日趨苛刻，迫切需要一些新的材料。在換熱器制造中，由于欽具有很高的抗腐蝕性能、高的強度限和屈服限，且比重小、重量輕，又有一走的杭污塞性，因此西德 在 含氯溶液中采用 了欽制換熱器，在煉油廠中使用欽制冷卻器和冷凝器?，F(xiàn)在欽制換熱器的應(yīng)用有了迅速的增加。滲鋁管換熱器及鍍鋅鋼管換熱器的使用也日益增多。非金屬材料方面最具有代表性的是聚四氟乙烯塑料，自美國杜邦公司于六十年代中期研究成功這種塑料換熱器以來，由于它優(yōu)越的抗腐蝕抗污垢性能，國外推廣使用很快，到了七十年代，凡是適用這種換熱器的場合，幾乎達到了普及的地步。此外還有石墨換熱器，一般使用壓力為 3 公斤／厘米 2，使用溫度為 150 ~ 170℃ 。 Ⅱ （ 7） ．控制結(jié)垢及高效運行 美國傳熱研究公司對換熱器的污垢問題已進行了多年的研究。通過 對污垢形成的機理、生長速度、影響因素的研究，預(yù)測污垢曲線，從而為控制結(jié)垢、適時清洗提供了途徑和依據(jù)。廣泛采用渦流測試技術(shù)來加強運行中的檢漏，使快要損壞的管子能及早得到更換或堵漏，避免非計劃停工損失。在換熱器中采用有機涂層，能有效地防止海水腐蝕，且不易結(jié)垢（若是涂于冷凝側(cè)還可以變成滴狀冷凝從而強化傳熱）。此外，國外對發(fā)展換熱器的清洗技術(shù)極為重視，組織專業(yè)的維修清洗公司，針對不同條件，采取最適合的清洗方祛，并研究了專門的清洗設(shè)備和工具，如化學清洗車、高壓水 清洗車及管束拔出裝置等。這樣就能保證換熱器高效率、低消 耗、長周期的運行。 （ 8）．熱管換熱器的使用 熱管是利用小的表面積傳遞大的熱量，體現(xiàn)了一種優(yōu)良的設(shè)計方法。熱管是六十年代中期在宇航工業(yè)中發(fā)展起來的新型傳熱元件，于七十年代進入民用工業(yè)，由于它具有效率高、壓降小、結(jié)構(gòu)簡單、緊湊性好等優(yōu)點，發(fā)展較為迅速。美國道（ Dow）化學公司采用瓊一多特（ Q 一 Dot）公司生產(chǎn)的不銹鋼熱管空氣預(yù)熱器，在一座 190萬千卡／小時的加熱爐上回收余熱，使煙氣出口溫度從原來的 3” t 降到 168t 以下，并使進風溫度提高了 230t ,每小時回收余熱 25 . 2 萬千卡，從而使加熱爐的天然氣消耗量 減少巧緯。 1979 年美國卡特拉斯堡煉油廠的重整加熱爐上使用了熱量為 80 萬千卡／小時的熱管換熱器閉。美國杜邦化學公司在一套化工裝置上采用一套由埃索舍默克斯（ Isothermics）公司制造的鋁質(zhì)熱管空氣預(yù)熱器，其造價僅為普通空氣預(yù)熱器的25%，而安裝費用相同，故獲得了顯著的經(jīng)濟效果叻。國內(nèi)科學 院力學研究所、重慶大學等單位首先引進和研究熱管技術(shù)。近幾年來，一 些研究單位及煉油廠都先后開展了熱管換熱器的試制研究工作。一些煉油廠開始采用熱管換熱器來回收煙氣中的低溫余熱提高了熱效率，取得了較好的應(yīng)用效果。 換熱器及 傳熱研究的 主攻方向 當前換熱器發(fā)展的基本動向是繼續(xù)提高設(shè)備的熱效率，促進設(shè)備結(jié)構(gòu)的緊湊性，加強生產(chǎn)制造的標準化、系列化和專業(yè)化，并在廣泛的范圍內(nèi)繼續(xù)向大型化的方向發(fā)展。同時仍然注意基礎(chǔ)理論及測試方法的研究。 （ 1） 、新能源換熱器的研究 能源的充分供應(yīng)對發(fā)展生產(chǎn)，保持并提高人類的生活水平是必不． JT 少的。盡 Ⅱ 管能源的供應(yīng)前景仍不樂觀，但是工業(yè)和民用的需求卻在日益增長，這是世界范圍內(nèi)極需解決的問題。要求集中力量研究各種形式的能量轉(zhuǎn)換技術(shù)，有效地利用能源。核能是有前途能源，核電站的大型換熱器，要解決多項重大技術(shù)難關(guān) ，也是換熱器技術(shù)發(fā)展的尖端。太陽以輻射傳熱的方式將熱量傳給地球。太陽能的利用盡管受到地理、氣候、晝夜、 季節(jié)的限制，但它不影響地球大氣的熱量平衡，而且不消耗燃料，沒有污染，很有開發(fā)價值。由于世界上能源日益緊張，許多國家在使用新技術(shù)的基礎(chǔ)上，開發(fā)利用太陽能。美國制定了一項太陽能發(fā)展計劃，預(yù)期到公元 2021 年要供給全國熱消耗的 20％以上。但是太陽能比較分散，經(jīng)物質(zhì)吸收后，溫度不高，如何提高轉(zhuǎn)換效率，在技術(shù)上有相當難度，其中換熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計，是關(guān)鍵問題之一。地熱也是一種豐富的能源，但是大都溫度不高（低于 100t)， 用這種資源豐富、低焙的熱能來發(fā)電在國內(nèi)外都是新課題。地熱換熱器的熱介質(zhì)大部分是地熱水，少部分是蒸氣。換熱器應(yīng)具有耐污垢、耐腐蝕、高效率、易清洗的性能。地熱利用在很大程度上取決于換熱器的性能，因此必須加緊進行地熱換熱器的研究工作。 （ 2） ．余熱回收裝置的研究 工業(yè)余熱的利用潛力很大，對生產(chǎn)影響顯著，主要是： 1000℃左右的高溫熱量及其高壓能量的合理利用，這是石油化學工業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)之一。從換熱器的整體結(jié)構(gòu)、各類管板的結(jié)構(gòu)設(shè)計、熱膨脹補償方法直到高溫側(cè)熱通量的控制，都有許多課題極待解決； 100 ~200t 的低溫余 熱回收，對一般企業(yè)有普遍意義。企業(yè)的熱利用率低的原因大多是低溫位熱能沒有很好地利用起來。這種熱能量大面廣，合理利用有著巨大的現(xiàn)實意義。 （ 3） ．緊湊式換熱器的研究 緊湊式換熱器包括板翅、板式、板殼式等換熱器，它們具有優(yōu)異的性能，在采用多流道布置后，其優(yōu)越性更為顯著。板式換熱器需要改進密封結(jié)構(gòu)，指強板片的剛度，研究新的墊片材料以提高操作溫度和操作壓力是今后發(fā)展的重點。板殼式換熱器由于從結(jié)構(gòu)上解決了耐溫、抗壓和高效之間的矛盾，因而在化學工業(yè)中很快得到推廣應(yīng)用。但是，由于它的制造工藝比較復(fù)雜，焊接要求高，因而今后 應(yīng)注重改進結(jié)構(gòu)設(shè)計，發(fā)展新的成型和焊接工藝。 （ 4） ．強化傳熱管的研究 近年來國內(nèi)外在采用強化傳熱管改進換熱器性能、提高傳熱效率、減少傳熱面積、 Ⅱ 降低設(shè)備投資等方面，取得了顯著的成績。強化傳熱管同時也是利用低溫位熱量的關(guān)鍵部件。表面多孔管可以在非常小的溫差下產(chǎn)生很多的飽核，使汽化核心增加許多倍，但是制造工藝要求比較嚴格，且生產(chǎn)成本也高，這些都是今后有待解決的問題。 （ 5） ．換熱器基礎(chǔ)技術(shù)理論及測試技術(shù)的研究 發(fā)展基礎(chǔ)理論是指導(dǎo)推進設(shè)計研究的必要前提。例如小溫差傳熱的強化是解決低位新能源開發(fā)的關(guān)鍵；污垢和防蝕的 研究對換熱器的設(shè)計、運行有重大的影響；有相變傳熱的研究關(guān)系到能量的轉(zhuǎn)換及傳質(zhì)技術(shù)。 傳熱和換熱器測試技術(shù)的研究，可以使試驗分析工作進行得更精確、更迅速。高效換熱設(shè)備的研究，使得傳熱表面形狀更加復(fù)雜，流體流動更加不規(guī)律，因此需要更加先進的測試手段。 此外，兩相流動及傳熱；非牛頓型流體的流變特性的測定；核反應(yīng)堆的安全措施等都是現(xiàn)在和今后研究的課題。 國 內(nèi) 換熱器發(fā)展前景 在我國換熱器的制造技術(shù)遠落后于外國 ， 由于制造工藝和科學水平的限制 ， 早期的換熱器只能采用簡單的結(jié)構(gòu) ， 而且傳熱面積小、體積大和笨重 ， 如蛇管式換熱 器等。隨著制造工藝的發(fā)展 ， 逐步形成一種管殼式換熱器 ， 它不僅單位體積具有較大的傳熱面積 ， 而且傳熱效果也較好 ， 長期以來在工業(yè)生產(chǎn)中成為一種典型的換熱器。 在我國隨著經(jīng)濟快速發(fā)展的同時 ， 各種不同型式和種類的換熱器發(fā)展很快 ， 新結(jié)構(gòu)、新材料的換熱器不斷涌現(xiàn)。為了適應(yīng)發(fā)展的需要 ， 我國對某些種類的換熱器已經(jīng)建立了標準 ， 形成了系列。完善的換熱器在設(shè)計或選型時應(yīng)滿足以下基本要求： （ 1） 合理地實現(xiàn)所規(guī)定的工藝條件； （ 2） 結(jié)構(gòu)安全可靠； （ 3） 便于制造、安裝、操作和維修； （ 4） 經(jīng)濟上合理。 70 年代的世界能源危機 ， 有力促進了換熱強化技術(shù)的發(fā)展。為了節(jié)能將耗 ， 提高工業(yè)生產(chǎn)經(jīng)濟效益 ， 要求開發(fā)適用于不同工業(yè)過程要求的高效換熱設(shè)備。所以這些年來 ， 換熱器的開發(fā)和研究成了人們關(guān)注的課題。當今換熱器技術(shù)的發(fā)展以 CFD（ 計算流體力學技術(shù) ） 、模型化技術(shù)、強化傳熱技術(shù)等形成一個高技術(shù)體系。所謂提高換熱器性能 ， 就是提高其傳熱性能。狹義的強化傳熱系數(shù)指提高流體和傳熱之間的傳熱 Ⅱ 系數(shù)。其主要方法歸結(jié)為下述兩個原理：溫度邊界層減勃和調(diào)換傳熱面附近的流體。 因此最近十幾年來 ， 強化傳熱技術(shù)受到了工業(yè)界的廣泛重視 ， 得到了十分迅速的發(fā)展 ， 凝結(jié)是工業(yè)中普 遍遇到的另一種相變換熱過程 ， 凝結(jié)換熱系數(shù)很高 ， 但經(jīng)過強化措施還可以進一步提升換熱效率。 1. 管外凝結(jié)換熱的強化 （ 1） 冷卻表面的特殊處理 對冷卻表面的特殊處理 ， 主要是為了在冷卻表面上產(chǎn)生珠狀凝結(jié)。珠狀凝結(jié)的換熱系數(shù)可比通常的膜狀凝結(jié)高 5~10 倍 ， 由于水和有機液體能潤濕大部分的金屬壁面 ，所以應(yīng)采用特殊的表面處理方法 （ 化學覆蓋法、聚合物涂層法和電鍍法等 ） ， 使冷凝液不能潤濕壁面 ， 從而形成珠狀凝結(jié)。用電鍍法在表面涂一層貴金屬 ， 如金、鉑、鈀等效果很好 ， 缺點是價格昂貴。 （ 2） 冷卻表面的粗糙化 粗糙表面可增加凝結(jié)液膜 的湍流度 ， 亦可強化凝結(jié)換熱。實驗證明 ， 當粗糙高度為 時 ， 水蒸氣的凝結(jié)換熱系數(shù)可提高 90%。值得注意的是 ， 當凝結(jié)液膜增厚到可將粗糙壁面淹沒時 ， 粗糙度對增強凝結(jié)換熱不起作用。有時當液膜流速較低時 ，粗糙壁面還會滯留液膜 ， 對換熱反而不利。 （ 3） 采用擴展表面 在管外膜狀凝結(jié)中常常采用低肋管 ， 低肋管不但增加換熱面積 ， 而且由于冷凝流體的表面張力 ， 肋片上形成的液膜較薄 ， 因此其凝結(jié)換熱系數(shù)可比光管高 75%~100%。 應(yīng)用螺旋槽管和管外加螺旋線圈。螺旋槽管 ， 管子內(nèi)外壁均有螺紋槽 ， 既可強化冷凝換熱 ， 又可強化冷卻側(cè)的單 相對流換熱 ， 與光管相比其凝結(jié)強度可提高 35~50%。在管外加螺旋線圈 ， 由于表面張力使凝結(jié)液流到金屬螺旋線圈的底部而排出 ， 上部及四周液膜變薄 ， 從而凝結(jié)換熱系數(shù)有時甚至可提高 2 倍。 2. 管內(nèi)凝結(jié)換熱的強化 （ 1） 擴展表面法 采用內(nèi)肋管是強化管內(nèi)凝結(jié)的最有效的方法 ， 試驗表明 ， 其換熱系數(shù)比光管高20~40%。按光面計算則換熱系數(shù)可高 1~2 倍。 （ 2） 采用流體旋轉(zhuǎn)法 采用螺旋槽管等流體旋轉(zhuǎn)法可以強化凝結(jié)換熱。換熱效率同比提升 30%， 但此時 Ⅱ 流動阻力也會增加。 （ 3） 改變傳熱面形狀 改變傳熱面形狀的方法有多種 ， 其中用于 無相變強化傳熱的有橫波紋管、螺旋螺紋管和縮放管 ， 還有螺旋扁管和偏置折邊翅片管。都是高效換熱元件。 值得注意的是 ， 在強化凝結(jié)換熱之前 ， 應(yīng)首先保證凝結(jié)過程的正常進行。例如 ，排除不凝氣體的影響 ， 順利地排除冷凝液等。改變實踐證明 ， 在降低流體在殼程的阻力并保證流體在湍流狀態(tài)下流動 ， 這樣才能充分的提高介質(zhì)的換熱系數(shù) ， 內(nèi)翅片管、橫螺紋管、螺旋螺紋管都一樣 ， 不但可用于單相對流傳熱 ， 也可以有效的用于管內(nèi)流動沸騰傳熱 （ 螺紋管在湍流時可使對流傳熱系數(shù)增加一倍多 ） 。當然現(xiàn)在各式換熱器的設(shè)計各有新穎之處 ， 結(jié)構(gòu)上各具特色。原有的換熱器 廠家最近也研制出一種新型Hybrid 換熱器 ， 他克服了板式因密封問題而受到限制的弱點 ， 很有發(fā)展前途。 近年來 ， 隨著制造技術(shù)的進步 ， 強化換熱元件的開發(fā) ， 使得新型高效換熱器的研究有了較大的發(fā)展 ， 根據(jù)不同的工藝條件與工況設(shè)計制造了不同結(jié)構(gòu)形式的新型換熱器 ， 也取得了較