程振需

鄭州裕中能源有限責任公司 河南鄭州 452375

隨著經濟的發(fā)展，企業(yè)不斷的創(chuàng)新，自步入21世紀以來，我國將發(fā)展的目光放在節(jié)能減排的方向中來，這是由于前期我國主要發(fā)展重工企業(yè)，直接對我國的環(huán)境造成不可挽回的損失。能源問題越來越突出，環(huán)境問題也逐漸暴露出來，為了貫徹可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，為后續(xù)發(fā)展提供資源支持，需要進一步的減少各種重工業(yè)以及能源浪費現象嚴重的產業(yè)，同時，為了提高人們的生活環(huán)境，提高居民的生活質量，我國將大力發(fā)展節(jié)能企業(yè)。

1 換熱器發(fā)展歷程

換熱器作為工業(yè)生產中不可缺少的重要設備之一，對工業(yè)的良性發(fā)展有著重要的促進作用。從1920年第一臺板式換熱器問世，一直到現在已經出現了多種類型的換熱器，這些換熱器結構不同、性能不同，使用環(huán)境與條件亦有差異。由于過去我國關于換熱器的研究較少，理論基礎比較薄弱，同時受到換熱器制造工藝的限制，以及技術水平不足的影響。最開始制造出來的換熱器結構都比較簡單，比如蛇管式換熱器就是早期換熱器的一種典型結構，這種結構的換熱器擁有較大的體積，體型非常笨重，并且傳熱面積較小，換熱效率不高。隨后后續(xù)制造工藝的發(fā)展以及技術水平的提升，管殼式換熱器開始得到應用，這種換熱器傳熱面積較大，具有良好的傳熱效果，在工業(yè)生產中得到長期的應用。

在上個世紀20年代左右，板式換熱器正式問世，板代管制作的換熱器具有較好的傳熱效果，結構也更為緊湊。經過10年的發(fā)展，瑞典國家成功制作出了螺旋板換熱器，緊隨其后的是英國，也制作出了板翅式換熱器，這種換熱器采用的材料為銅與合金，制造工藝為釬焊法，主要用來為飛機發(fā)動機提供散熱效果。再之后，板殼式換熱器的出現，開始用于生產紙漿，在換熱器發(fā)展過程中，各國為了解決腐蝕性介質換熱問題，逐漸開始尋找新型材料作為制作換熱器的原料。到了20世紀60年代左右，隨著高精尖科學技術與空間技術水平的提升，對換熱器的性能要求也越來越高，受到密封技術、沖壓技術等工業(yè)技術的影響，換熱器制造工藝也逐漸變得更加完善，緊湊式換熱器得到了快速的發(fā)展與應用。為了適應高壓與高熱作業(yè)條件以及節(jié)能需求，提高傳熱效能，又出現了管式換熱器。到了21世紀之后，在工業(yè)裝置中有很多強化傳熱技術得到應用，為了進一步的降低能耗，節(jié)約能源，達到節(jié)能減耗的目標，促進工業(yè)生產綜合效益的提升，國內外在幾十年的發(fā)展中，陸續(xù)推出了多種高效能的新型換熱器，下面將對市場上的換熱器類型作簡單介紹。

2 簡述換熱器的分類

簡單而言，市場上的換熱器大致分為以下幾個種類：冷凝器、蒸發(fā)器、再熱器、過熱器。若從制造熱交換器的材料來劃分，大致分為以下幾種材料：金屬的、陶瓷的、塑料的、石墨的、玻璃的。單從熱換器的溫度來劃分：溫度大致保持在恒溫狀況下的熱交換器，此類熱交換器不會隨著時間的變化而改變溫度或者熱流的大?。粶囟裙r不穩(wěn)定的熱交換器，此類熱交換器的特點就是隨著時間的變化，傳熱面的溫度以及熱流都在不斷變化。

我國目前而言，取暖設備開始走向多樣化，并且開始創(chuàng)新，以滿足社會發(fā)展的需求。在冬天，傳統(tǒng)的取暖設備開始被淘汰，更多的是趨向于節(jié)約型、簡便型發(fā)展，通過大量的科技投入，給客戶更好的使用體驗[1]。

常見的換熱器按換熱部件的特點分析，主要分為以下幾個換熱器：管套式換熱器、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）等。

2.1 套管式換熱器

所謂的套管換熱器，就是將不同直徑的兩根管理套成同心套管，以此為主作為元件，之后將多個元件進行連接，制作成一種換熱器，在換熱器的工作室內，兩種流體主要以純順流或者純逆流的方式進行流動。以此來看，套管式換熱器的主要優(yōu)勢有：主要是結構較為簡單，并且能夠適用于高溫、高壓等流體，尤其是對小容量的流體的熱感更加地準確[2]。除此之外，在清潔的角度來看，做成內管后可以將套管抽出以此來進行清潔工作的開展，可以將污垢清潔干凈，簡單而言，對于一些易于產生的流體，套管式換熱器更加適用。除去優(yōu)點，套管式換熱器的缺點就是流動時產生的阻力較大，那么導致金屬的消耗較大，加之管間的接頭比較多，那么就會導致泄露的機率加大，并且套管式換熱器的體積較大，導致占地空間較大，在這種情況下，套管式換熱器多應用于傳熱面積較小的換熱器。

2.2 管殼式換熱器

管殼式換熱器，在熱交換器的操作中屬于通用的工藝設備，其主要的方式就是將封閉在管殼中的管束壁面以此作為傳熱面進行的撿幣式換熱器。這種結構從工藝的角度來看，結構非常的簡單并且操作簡易并且非常的可靠，在這種條件下，通常各種各樣的金屬材料都能夠制作出來，對材料的要求較低，并且能夠在高溫、高壓的情況下正常使用，管殼式換熱器的優(yōu)勢較為突出，因此在一些重工業(yè)中使用的較為普遍，例如：化工、石油化工、電力、冶金等行業(yè)[3]。并且在一些制造業(yè)例如：造船業(yè)、航空、供熱部門的使用也較為常見。管殼式換熱器在冶煉和化學加工行業(yè)的中應用較為廣泛，對于企業(yè)的生產起到至關重要的作用，能夠促進企業(yè)的發(fā)展，節(jié)省成本，降低能耗。

2.3 板式換熱器

板式換熱器，其主要組成部分就是高效傳熱博文板片和框架組成。在固定壓緊板和活動壓緊板之間，將板片利用螺絲進行固定，以此，換熱器內部就會形成多個流道。利用橡膠將板與板之間的縫隙進行密封。為了確保與外界之間的聯系，在壓緊板上設置了專門的溝通管道。采用的板片多是一些優(yōu)質、抗腐蝕的金屬薄板，對流動的擾動，并且能夠確保流體在低速的環(huán)境下進行湍流的目的，既能夠平穩(wěn)流動，又不至于流動過快，避免不必要的隱患。進而，低速流動的流體能夠起到傳熱效果的同時，并且還能夠最大程度地降低由于流速過快導致的資源流失，起到一定的節(jié)能的作用，并且還能夠起到熱能傳遞的作用。

2.4 熱管換熱器

在換熱器中，熱管屬于高導熱性能的傳熱元件，其傳熱性較高，并且能夠在密封的真空管道內進行工質的蒸發(fā)與凝結，以此實現熱能的傳遞，熱管的優(yōu)點有：傳熱性較快、導熱性較強、恒溫性較高、可以任意轉換兩面的冷熱傳遞，并且還可以進行遠距離的熱傳導，并且能夠對溫度進行控制等優(yōu)點[4]。但是，熱管的缺點也較多，例如：抗氧化、耐高溫等性能較低，簡單而言就是無法承受高溫度，并且極易氧化，但是面對這一現狀即可通過在前部安裝一套陶瓷的轉換器來避免氧化，這是由于陶瓷換熱器能夠很好地解決熱管換熱器面臨的氧化、不耐高溫等情況。在換熱器中，將熱管作為轉換器，能夠很好地提高熱傳遞的性能，并且結構較為緊湊、流量阻力小、利于露點腐蝕等一系列的優(yōu)勢。目前，熱管換熱器主要應用于冶金、化工、煉油、鍋爐、陶瓷等行業(yè)。能夠很好地起到節(jié)能減排的作用，降低企業(yè)耗能，提高企業(yè)的經濟效益。

3 換熱器提高效率的研究

3.1 管內螺旋流動為研究對象

在換熱器的運行中，將管內螺旋為研究對象，以換熱管內置扭帶作為模型進行研究，通過數據和數值的模擬，來對管內螺旋流動進行詳細地分析，并且對扭帶和雷諾數值進行詳細地比較和分析，通過研究對比可知，通過扭帶可以促進管內流體促使螺旋進行流動，并且加快了管內的流動速度，隨之而來的就是管內的次流也會增強，邊界層和傳熱邊界層內會減薄，進而實現管內對流換熱的能力[5]。通過大量的調查研究可知，管內的截面積沿軸向沒有發(fā)生明顯的變化，并且流體在運行中未發(fā)生旋轉或者是回流，流體在流動中總體而言流速平穩(wěn)、暢通。

3.2 以管外螺旋流動為研究對象

在研究中將外螺旋作為主要的研究對象，將螺旋扭片作為轉換器的模型，通過大量的研究表明，管外螺旋和管內螺旋在流動過程中，傳熱機理相同，以此來提高熱能系數。由于管外螺旋在流道內的橫截面積不會出現變化，并且流體在運行中未發(fā)生旋轉或者是回流，扭片的作用范圍較小，并且對流體的影響也是作用甚微。

4 換熱器未來研究中需要考慮的問題

當前針對換熱器換熱的研究常處于初級階段，很多理論研究數據還不是很健全，尤其是肋片的實際應用研究以及優(yōu)化設計研究相關的理論參考數據不多，推導與解析換熱公式信息也比較少，當前通常都是根據試驗來得出的經驗公式和模擬數據。

針對換熱理論體系來說，當前還不足以支撐換熱理論的研究，還需要不斷地完善換熱理論體系，提高體系研究的系統(tǒng)性。

在進行換熱器理論研究的過程中，會受到多種因素的影響，導致試驗結果缺乏精確性，比如試驗的整體環(huán)境、采用的試驗方法、試驗用到的各種材料以及試驗用儀器的精度等，都會對試驗結果產生直接影響。同時，對于某一方向的問題進行研究時，可能會出現多種有分歧的結論，無法統(tǒng)一試驗的結果判斷，不同人員的意見存在爭論，無法對后續(xù)的實踐開展提供有效支持。

在當前的換熱器研究中，大部分都是針對一位與二維換熱的研究，我國對于三維換熱模型尚處于起步階段，缺乏足夠的理論基礎作為指導。此外，在進行一維與二維傳熱模型的研究只能夠可以了解到，開展此研究的前提條件設置要求太過嚴格，很難獲得具有實用性的研究結論。

由于當前針對換熱器的研究很多是處于試驗基礎上得出來的，所以換熱理論的嚴謹性依然不足，在后續(xù)研究應用方面存在著較大的局限性，還需要進一步的完善理論基礎，為開展換熱器研究提供可靠地理論支撐。

針對新型換熱管來說，形狀太過于單一，而對于新形狀的研究也不多，當前主要集中在矩形與圓形形狀的換熱管，缺乏對于新形狀的換熱管研究，所以換熱管型效率無法得到有效的提升。同時，對于換熱管的排列方式以及排數的影響研究也比較少，不能夠掌握排列方式與排數對換熱性能與效率之間的關系，缺乏具體的理論體系作為參考，試驗研究依然是換熱管性能研究的主要方式，根據試驗得出的經驗公式缺乏嚴謹性，針對管排數的換熱理論體系還需要不斷的完善。

換熱效率通常作為換熱器性能判定的主要指標，但是并不能作為設計換熱器類型的參考標準，對于具有高換熱效率的換熱器來說，其換熱效果可能并不是最優(yōu)化的，同時其制造成本也可能不是最低的。為了更好的衡量換熱器整體性能，應當選擇摩擦因子以及傳熱因子作為主要參考指標較為適合，但要注意的是，摩擦因子和傳熱因子缺乏完善的換熱最優(yōu)化的統(tǒng)一理論，如果單純增加或減小傳熱因子與摩擦因子數值，對于衡量換熱器換熱性能來說并沒有實際意義。

5 結語

綜上所述，隨著經濟的發(fā)展，節(jié)約型的技術受到各界人士的追捧，作為新型能源，換熱器的發(fā)展前景良好，并且對國家的發(fā)展起到一定的影響。但是就目前而言，對于換熱器的技術仍需創(chuàng)新，在目前的應用中，存在諸多的問題急需解決，這就需要相關技術人員不斷加強研究，通過技術的創(chuàng)新，實現成本的節(jié)約，為企業(yè)的健康可持續(xù)發(fā)展打下堅實的基礎。