浅谈换热器研究应用的发展前景

摘 要：换热器是化学工业中应用相当广泛的单元设备之一。据有关资料统计， 换热器在现代化学工业中的投资大约占设备总投资的30% ， 海水淡化工艺装置则几乎全部是由换热器组成的。对国外换热器市场的调查表明， 虽然各种板式换热器的竞争力在上升，但管壳式换热器仍占主导地位约64% 。新型换热元件与高效换热器开发研究的结果表明， 列管式换热器已进入一个新的研究时期，其流体力学性能、换热效率、抗振与防垢效果从理论研究到结构设计等方面也均有了新的进步。目前各国为改善该换热器的传热性能开展了大量的研究， 主要包括管程结构和壳程结构强化传热的发展。

关键词：换热器 现状 研究应用 前景

1.换热器的国内研究现状

换热器按其功能分为：如冷凝器、蒸发器、再热器、过热器等，按换热部件的特点可分为：管壳式换热器、翅片管式换热器、板式换热器（包括板片式换热器和板翅式换热器）。对于各型换热器的强化换热技术的研究，主要集中在对换热器内流体流态变化以及对各部件的参数优化研究两方面，而对换热器部件参数的主要研究对象就是换热管（板）排列方式（顺排或叉排）、换热管（板）排数、换热管（板）间距大小、肋片布置间距、肋片形状等。通常的研究方法包括：数值模拟计算、实验方法研究、理论研究三类。

2.当前存在的主要问题

当前， 高温热管换热器在传热方面还面临两大急需解决的问题：

2.1. 过渡段的衔接不合理， 导致部分热管处于不工作和非正常工作状态。

2.2. 结构庞大， 成本昂贵， 极大地阻碍了高温热管换热器工业化应用进程。

3.要解决好上述问题的关键

3.1. 优化高温热管换热器结构有两个途径： 一是对单根热管进行传热强化研究； 二是合理预测壳程的流场与温度场的分布， 二者的优化组合研究是今后热管换热器强化传热技术发展的方向。

3.2. 过渡段的强化传热对优化高温热管换热器结构、安全衔接各区域热管换热器起着非常重要的作用。

4.研究应用的发展前景

4.1.换热器研究的发展前景

换热器肋片换热的研究应该注重基础性的理论研究创新，寻求建立能支撑肋片设计选型的系统化的理论，同时要结合实验研究，寻求实际应用中最节能的肋片参数值。换热器制造商和设计人员对于换热器肋片外型、布置仍然没有可靠的理论依据，传统的肋片布置方式在换热效率上不如换热管表面设置的针状或圆台状肋。

换热的散布规律仍然还不明晰，理论研究非常薄弱；对替代传统的平板和环状肋片的高效换热肋片研究甚少。新型换热管的形状研究过少，目前的研究仅局限于传统的圆形或矩形换热管上，对更高效的换热管型的探索研究比较缺乏。对换热管排数和排列方式对换热器整体换热性能的影响研究的理论体系还没形成，目前对于此方面的研究多以实验研究为主，然后从实验中提取经验公式，关于管排数的纯理论的换热理论还没有得到建立。作为衡量换热器性能时的换热效率，已不能作为换热器设计选型的标准，换热效率高并不意味着制造成本的节省以及换热效果最佳化；传热因子和摩擦因子是比较合适的衡量换热器整体性能的指标，但是需要综合考虑此两种因素后建立换热器最优化换热的统一理论，单一的考虑换热因子或者摩擦因子的大小对于衡量换热器换热性能没有任何意义。

近几年来， 随着高温热管技术研究的不断成熟和深入， 高温热管换热器的应用领域逐渐扩大， 目前已广泛应用于工业、民用和国防等各个领域。在冶金、化学、陶瓷、建材及轻工等工业生产中， 常需要500℃以上的清洁空气以满足助燃、干燥和供氧等需要， 采用高温热管空气加热器可以轻易地达到这一要求， 并且从根本上解决常规空气加热器所无法解决的传热难题。

4.2.换热器技术的发展前景

4.2.1.整体装置设计的数据库技术传统的整体装置设计任务是由各个部门的工作小组分别对其中的某一项进行设计， 并通过设计说明书相互联系来完成的， 而最近发展起来用于整体装置设计的数据库技术， 可以使这种繁重的任务变得简单起来。通过数据库系统， 不同类型的设计应用软件可以有机地形成一个整体， 设计者只需通过数据库操作系统向应用软件中输入相关参数， 便可得到更多的关于设计任务的数据， 并且这些数据可以反馈到数据库中。随着CAD 软件包和数据库技术的发展， 用于整体装置设计的数据库技术必定会代替手工计算设计方法。

4.2.2.计算流体力学（ CFD） 和模型化设计的应用在换热器的热流分析中， 引入计算机技术， 对换热器中介质的复杂流动过程进行定量的模拟仿真。目前， 基于计算机技术的热流分析已经用于自然对流、剥离流、振动流和湍流热传导等的直接模拟仿真， 以及对辐射传热、多相流和稠液流的机理仿真模拟等方面。在此基础上， 在换热器的模型设计和设计开发中， 利用CFD 的分析结果和相对应的模型实验数据， 使用计算机对换热器进行更为精确和细致的

4.2.3.换热器强化传热技术的发展以采用强化传热元件和改进换热器结构为主的强化传热技术是一种能显著改善换热器传热性能的节能技术。根据传热物流条件的不同情况， 壳程传热强化的研究必然与强化传热管的优化组合相联系，这是今后换热器强化传热技术发展的方向。

4.3.换热器应用的发展前景

高温热管技术在喷雾干燥中的应用取得成功， 并已收到了令人满意的实际效果。根据现场测试的参数表明， 高温热管换热器达到的某些性能指标， 是其他类型热风发生器所达不到的， 因而在某些特定工况条件下的应用也是无法取代的：

4.3.1. 向各类干燥设备（ 喷雾于燥、沸腾干燥、气流干燥、隧道干燥及链板式干燥等） 提供清洁的高温热风。

4.3.2. 向气流焙炉提供800 ℃ 以上的高温热风，对物料直接进行气流焙烧。

4.3.3. 向各类燃烧器提供助燃热风， 改善燃烧状况， 提高燃烧效率， 节约燃料。据资料介绍， 用普通换热器将助燃风加热到300～ 400 可节约燃料15% ～ 25%， 用高温换热器可节约燃料40% 以上。

4.3.4. 高温预热煤气（ 或助燃气） ， 使冶金工厂大量的低热值高炉煤气（ 其热值约为4 187J）资源在加热炉上的利用成为可能。

4.3.5. 回收利用六大耗能工业（ 冶金、化工、炼油、玻璃、水泥及陶瓷） 的高温余热， 使这些领域的能源利用率达到一个新的水平。由以上可以预见， 高温热管热风发生器将具有广阔的推广应用前景， 对工业生产和节能技术的发展产生重大的影响。

5.结束语

建设和谐社会，节能减排已成为我国“十二五”期间重要战略的举措，高效节能换热器的研究应用已成为当今换热领域研究的热点。

参考文献：

[1]孙世梅，张红.《高温热管换热器的应用前景》 （南京工业大学），2004年

[2]汪波，茅靳丰，耿世彬，韩旭，魏鹏.《国内换热器的研究现状与展望》（1.解放军理工大学 南京 210007；2.西安陆军学院 西安 710108）第24 卷第5 期 2010 年10 月

[3]郑雪苹， 孙俊杰， 李宝安.《新型换热器的发展趋势》（ 包头液压机械有限公司， 内蒙古包头 014030） 第14 期总第216 期2010 年7月

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