关于供暖换热器节能技术的研究

解野

【摘要】节约能源是当今世界的一种重要社会意识，世界各国下大力量寻找新的能源以及在节约能源上研究新途径，换热设备的研究受到了高度重视。换热器的换热技术的研究，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，换热器内部流体的流动状态是影响换热器综合性能的重要因素。本文叙述了换热器提高热效率的几个因素，以及介绍当前常用的几种换热器，并对换热器研究存在几个不足进行阐述，并对换热器的前景进行了展望。

【关键词】换热器 热效率 换热管

一、换热器分类及发展现状

随着科学和生产技术的发展，各种换热器层出不穷，换热器按照其功能可分为冷凝器、蒸发器、再热器、过热器等。按照制造热交换器的材料来分：金属的、陶瓷的、塑料的、石墨的、玻璃的等。按照温度状况来分：温度工况稳定的热交换器，热流大小以及在指定热交换区域内的温度不随时间而变;温度工况不稳定的热交换器，传热面上的热流和温度都随时间改变。按照热流体与冷流体的流动方向来分：顺流式、逆流式、措流式、混流式。按照传送热量的方法来分：问壁式、混合式、蓄热式等。

换热器按换热部件的特点最常见的有：管套式换热器、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）等。

（一）套管式换热器

套管式换热器，将不同直径的两根管子桃城的同心套管作为元件，然后把多个元件加以连接而成的一种换热器，工作室两种流体以纯顺流或纯逆流方式流动。套管式换热器的优点是：结构简单，适用于高温、高压流体，特别是小容量流体的传热。另外，只要做成内管可以抽出的套管，就可清除污垢，所以它也使用于易生污垢的流体，他的主要缺点是流动阻力大，金属消耗量多，管间接头较多，易发生泄漏;而且体积大，占地面积大，多用于传热面积不大的换热器。

（二）管壳式换热器

管壳式换热器，进行热交换操作的通用工艺设备，是以封闭在壳体中管束的壁面作为传热面的问壁式换热器。结构简单，操作可靠，可用各种结构材料（主要是金属材料）制造，能在高温、高压下使用，广泛应用于化工、石油、石油化工、电力、轻工、冶金、原子能、造船、航空、供热等工业部门中，特别是在石油炼制和化学加工装置中，占有极其重要的地位。

（三）板式换热器

板式换热器，由高效传热波纹板片及框架组成。板片由螺栓夹紧在固定压紧板及活动压紧板之间，在换热器内部就构成了许多流道，板与板之间用橡胶密封。压紧板上有本设备与外部连接的接管。板片用优质耐腐蚀金属薄板压制而成，四角冲有供介质进出的角孔，上下有挂孔。人字形波纹能增加对流体的扰动，使流体在低速下能达到湍流状态，获得高的传热效果。并采用特殊结构，保证两种流体介质不会串漏。

（四）热管换热器

热管是一种具有高导热性能的传热元件，它通过在全封闭真空管壳内工质的蒸发与凝结来传递热量，具有极高的导热性、良好的等温性、冷热两侧的传热面积可任意改变、可远距离传热、可控制温度等一系列优点。缺点是抗氧化、耐高温性能较差，此缺点可以通过在前部安装一套陶瓷换热器来予以解决，陶瓷换热器较好地解决了耐高温、耐腐蚀的难题。以热管为传热元件的换热器具有传热效率高、结构紧凑、流体阻损小、有利于控制露点腐蚀等优点。目前已广泛应用于冶金、化工、炼油、锅炉、陶瓷、交通、轻纺、机械等行业中，作为废热回收和工艺过程中热能利用的节能设备，取得了显著的经济效益。

二、换热器提高热效率的研究

（一）管内螺旋流动为研究对象

以管内螺旋流动为研究对象，以换热管内置扭带为模型，分别用解析和数值模拟的方法分析了管内螺旋流动，讨论了扭比和雷诺数对流体流动和传热的影响，得出螺旋流动强化传热的机理主要是：扭带使管内流体作螺旋流动，提高了流速，随之次流也增强，减薄了流动边界层和传热边界层，从而强化了管内的对流换热。螺旋流道的截面积沿轴向没有变化，流体没有产生涡和回流，流体流动连续通畅、稳定。提高雷诺数、减小扭比都可提高流体的流速，使传热系数增大，从而强化了管内的对流传热。

（二）以管外螺旋流动为研究对象

以管外螺旋流动为研究对象，以螺旋扭片套管换热器为模型，用同样的方法分析了管外螺旋流动，讨论了螺旋角和雷诺数对管外螺旋流动和传热的影响，得出管外螺旋流动与管内螺旋流动有着相同的强化传热机理，同样可以提高传热系数。管外螺旋流道的横截面积沿轴向不会变化，不会出现涡和回流，流体流动连续通畅、稳定。管外螺旋流动和管内螺旋流动不同的是扭片和扭带的作用范围，扭片的作用范围较小，对流体的影响比扭带小，做结构设计时应尽可能扩大扭片的作用范围。

三、当前换热器研究存在的不足

（1）换热器换热的理论研究不够完善，可供对肋片实际应用优化设计的理论依据太少，对于换热公式推导出的解析解较少，目前大多是通过试验数据分析拟和而成的经验公式。

（2）换热的理论体系缺乏系统性，不够完善。

（3）因为试验环境，材料，仪器的精度以及试验方法不同，在同一个研究方向的某些问题的研究结论存在的分歧较多，很难形成统一的意见，暂不能形成对实践的可靠指导。

（4）目前对换热器的研究大多基于一维、二维的换热，国内对于三维的换热模型的研究过少，同时，对于一维和二维传热模型的前提假设条件很苛刻，得出的结论适用性不强。

（5）结合试验建立的部分换热理论还缺乏严谨性和局限性。

四、换热器研究的发展前景

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較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。