劉紀陽

（四川大學化學工程學院，四川 成都 610000）

換熱器是一個具有百年發(fā)展歷史同時廣泛應用于制藥、石化等工業(yè)領域的重要設備，其制造所涉及的理論知識較為廣泛，包含制造技術、材料科學及傳熱理論等。在其發(fā)展初期由于理論知識發(fā)展不全面與不深入，其發(fā)展也受到了阻礙。20世紀80年代后，隨著理論知識的健全與完善，其發(fā)展也更加迅速、應用也更加廣泛。但隨著近年來全球性的節(jié)能環(huán)保意識的提高，對于各類工業(yè)設備的節(jié)能環(huán)保設計要求也在提高，高效節(jié)能的換熱器設計研究也得到了更多的重視。作為一種節(jié)能設備的換熱器是許多輕重工業(yè)加工的必需設備，其重要性不言而喻，且其占據(jù)著工業(yè)設備總投資的重要比重。

1 換熱器概述

1.1 換熱器定義和分類

換熱器是許多輕重工業(yè)必備的設備，如石化、動力、食品等工業(yè)。顧名思義，其工作原理即是將具有高熱量的熱流體的部分熱量傳遞給冷流體以完成熱量轉(zhuǎn)換。熱交換器在工業(yè)中所起到的作用有很多，如加熱、冷卻、冷凝及蒸發(fā)等，可以說工業(yè)中與熱量相關的技術操作都需要換熱器，這也是其應用廣泛的原因之一。換熱器的這種熱量轉(zhuǎn)移工作原理極大程度上幫助工業(yè)實現(xiàn)了節(jié)能，雖然在不同溫度的流體之間的熱能量的轉(zhuǎn)移傳遞之時會有一定的損失，但除去這種損失，其極大程度的節(jié)約了能源，同時，其還完成了流體溫度需要的指標與工藝條件工作，是大部分工業(yè)不可或缺的重要設備。

自蒸汽時代發(fā)展后，許多國家的工業(yè)都在不斷發(fā)展進步，我國至今雖然仍為農(nóng)業(yè)大國，但工業(yè)實力也是不容小覷，同時由于人口數(shù)量的龐大，對于各類行業(yè)的市場份額也較為龐大，換熱器也是如此。據(jù)調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，我國的各類工業(yè)中對換熱器的投資和應用占據(jù)了近乎總投資的一半。

在化學工業(yè)及煉油工業(yè)，甚至在海水淡化的工業(yè)中幾乎全部是換熱器設備，足可見其重要性。對于換熱器的分類，按照根據(jù)不同分類不同，主要有四種根據(jù)即用途、溫度、流體方向及傳送熱量方式等，按用途可分為預熱器冷卻器、冷凝器、蒸發(fā)器等，按溫度可分為溫度工況穩(wěn)定的熱交換器與溫度工況不穩(wěn)定的熱交換器，按流體方向可分為順流式、逆流式、錯流式、混流式換熱器，按傳送熱量的方法可分為低間壁式、混合式、蓄熱式換熱器。

1.2 換熱器發(fā)展歷程

換熱器發(fā)展至今已有兩百年的歷史，其共經(jīng)歷了19世紀的探索階段、初步發(fā)展的20世紀及至今的快速發(fā)展階段，換熱器從探索至現(xiàn)今完成了從無到有的完善過程。

對于19世紀探索階段的換熱器，出于工業(yè)應用的目的，其設計較為簡單。金屬體積較大的鑄鐵燈管制成就應用與鋼鐵化工等工業(yè)應用實踐，雖然其能簡單地進行應用，但極為簡單的結構致使其傳熱效率極低且耗能嚴重，存在著極大的問題。故有研究者對其不斷進行研究。19世紀50年代，有研究者對簡易的鑄鐵管束換熱器進行了一些改良，即煉鋼煉鐵的蓄熱器。其成為當時較為熱門的額換熱器，雖然這種改良對簡易鑄鐵換熱器進行了缺陷的完善，但改良的相當有限。19世紀末期，德國又研發(fā)出了新型的板式換熱器。

在探索階段由于既缺乏相關理論知識，又缺乏一定的技術支持，所以只能制造一些不完善的換熱器，到了20世紀的初步發(fā)展階段，這個階段已經(jīng)具備了一定的理論基礎與設計技術，即傳熱學等，所以這個階段是換熱器發(fā)展的一個新階段。在此階段發(fā)展最為迅速的則是管式換熱器，雖然在探索階段的最初鑄鐵換熱器即是管式換熱器，但隨著時代的進步和技術的提升，鑄鐵管束成為了此種換熱器突破的契機，如管殼式、套管式等，此種換熱器不僅結構發(fā)生了變革，其管束材料也得到了革新，如從最初的鑄鐵變換材質(zhì)成為鋼、銅及鋁等，這使得管式換熱器的傳熱效率、承熱能力及耗能都得到了一定的改善。

50世紀中期，換熱器迎來了快速發(fā)展時期，其研究理論和制造技術具備了一定的體系，隨著同時期的科技快速發(fā)展及時代進步，換熱器隨波逐流，各種特性及缺陷都被研究完善，如流動特性及傳熱機理等。與此同時，換熱器的各個相關元件也得到了研究發(fā)展，如新型高效的傳熱元件熱管及微通道換熱器等，前者是極大的增強了一些換熱器的導熱能力，而后者則是一種新型的換熱器，此種換熱器最大程度的減少了熱阻力及增大了熱流量。隨著時代的不斷變革和科技的飛速發(fā)展，對換熱器也提出了更高的要求，但同時也是以此飛速發(fā)展的機會，在現(xiàn)有科技的基礎上，換熱器不斷創(chuàng)新，如印刷電路板換熱器等，這些獨具特色且完善的換熱器在許多領域都有極好的應用前景，如高科技領域等?？傊?，縱觀換熱器的所有發(fā)展歷程，其大致可以說是一個完善與創(chuàng)新的過程，在不斷的彌補缺陷的同時再不斷地進行換熱器的特性創(chuàng)新。

2 換熱器研究現(xiàn)狀

2.1 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

現(xiàn)如今，對于換熱器的研究只要集中于對其換熱技術的研究，如流體流態(tài)變化、元件參數(shù)等，元件參數(shù)的研究則主要集中于換熱管的排列、排數(shù)及間距等。我國對于換熱器的研究起步較晚，同時，缺乏相關的經(jīng)驗與技術創(chuàng)新，雖然有國外技術可以進行參照，但總體而言并不會有較大的優(yōu)勢。

首先，但我國的由于自身現(xiàn)如今的科技發(fā)展具有較大優(yōu)勢，迎頭而上，對于換熱器的各類研究也在逐漸完善和深入，但仍存在著一些問題與缺陷，如換熱器理論研究仍不夠完善，可進行實踐的理論依據(jù)則更是有限，以致許多的公式都不是經(jīng)過實踐驗證的，換熱理論體系也仍然不能完善；其次，是由于試驗條件等多方面因素的影響，導致研究出來的結論并不一致且存在較大分歧，所以此結論不具備一定的指導性與權威性；再次，是目前對于換熱器的研究僅限于一維與二維，且研究的前提條件較為苛刻及并不具備普遍實用性，所以結論也不能對換熱器的實際應用產(chǎn)生較大的推動；最后，則是已經(jīng)通過實踐建立起來的換熱部分理論還存在著一些爭議和缺陷，有待完善。

2.2 國外研究現(xiàn)狀

國外對于換熱器的研究都有著自身獨特理解，同時，所研究的注重點也各有不同，其所研究的換熱器技術大致可分為兩類，即有源技術與無源技術。對于無源技術，法國主要偏向于滴狀冷凝的表面處理與流式蓄熱的位移強化，美國對于粗糙表明和螺旋管技術研究具有領先優(yōu)勢，英國對旋渦流、添加劑與開槽管具有一定的研究興趣，德國和日本則是對擴展表面、多孔結構及直接接觸式具有研究興趣。

對于有源技術而言，其大致可分為機械輔助、表面振動、流體振動、射流、旋流及誘導流等。雖然許多國家對于這些技術都有一定的研究試驗，但目前也只有旋流和誘導流進入了應用階段，其他技術還停滯在研發(fā)階段。

3 換熱器主要種類介紹

3.1 管式換熱器

在換熱器探索階段的鑄鐵管束換熱器即是管式換熱器，經(jīng)過后來的發(fā)展完善，其逐漸成為換熱器中普遍應用的存在，其間壁式的結構致使其具有操作可靠、結構簡單及耐高溫高壓等優(yōu)勢特點。隨著不斷的完善和創(chuàng)新，管式換熱器也出現(xiàn)了新型換熱元件與高效換熱器，目前，對于這些管式換熱器的創(chuàng)新，其大多都是從管程結構改進和對殼程結構改進兩方面出發(fā)，前者主要改變傳熱面積與加入管內(nèi)插入物，后者則是改變管子的理化特性與殼程管間支撐物的結構。

管式換熱器主要有4種典型，即螺旋槽紋管換熱器、管內(nèi)插入物換熱器、折流桿式換熱器及管翅式換熱器，螺旋槽紋管換熱器是一種通過高效異形傳熱管件改變傳熱面的形狀而達到更好的換熱效果的一種換熱器，在20世紀中后期，許多發(fā)達國家對換熱器的研究中就有螺旋槽紋管的研究，當時美國對此頗有成效，我國對此管也有所研究，最終得到了單頭螺紋槽管，其綜合性能較多頭管具有一定優(yōu)勢，現(xiàn)如今對此類換熱器的研究已經(jīng)較為成熟，無論是理論體系和實踐性能都較為完備。管內(nèi)插入物換熱器是一種通過在管內(nèi)添加插入物以達到增強傳熱效率目的的換熱器，在管內(nèi)添加插入物不僅可以增加流體的流動，也可以增加近壁與流體中心的混合，從而增強傳熱效率，常見的管內(nèi)添加物即是紐帶與螺旋線等，這種換熱器在曾強換熱效率的同時也會便于設備升級。折流桿式換熱器是在解決傳統(tǒng)管殼式換熱器的缺陷過程中誕生的，由于傳統(tǒng)管殼式換熱器的結構存在著易使換熱管震動被破壞的缺陷。

為解決此問題，此換熱器才誕生，其原理即是改變了殼程管間的結構以避免缺陷與增強傳熱，折流體結構不僅很好地解決了傳統(tǒng)管殼式換熱器的缺陷，同時，獨特的結構也產(chǎn)生一些相應的優(yōu)勢，如不易結垢等。管翅式換熱器是一種較為安全穩(wěn)定的換熱器，由于其結構緊湊及適用壽命長等優(yōu)勢被廣泛應用于制冷行業(yè)，其主要原理即是在管外加裝翅片以增強傳熱，對于此種換熱器，我國進行了許多深入的研究，如對其翅片參數(shù)及形式影響傳熱的研究等。

3.2 板式換熱器

板式換熱器與管式換熱器本質(zhì)上是結構上的差異，相較管式換熱器的管束，板式換熱器主要是由波紋狀的薄板按照固定間隔墊片緊壓熱誠，在同等條件下，板式換熱器則更具優(yōu)勢，且是全方面的領先，如傳熱系數(shù)、壓力損失及占地面積等，可以說性能較為齊全，但其有一個較為致命的缺陷，即密封周邊長與需要經(jīng)常清洗，同時其墊圈結構導致不能在高溫高壓情況下適用，這種缺點對于主要應用于工業(yè)方面的換熱器是致命的，所以還是管式換熱器應用較為普遍。

近年來，我國有研究者對板式換熱器的缺點及各種特性進行了深入研究，如數(shù)值模擬獲得速度場與溫度場、新型微板點波換熱器的創(chuàng)新及退火后污垢熱阻預測等，這些都在節(jié)能環(huán)保理念的基礎上與科技結合進行創(chuàng)新，無論是模型理論還是創(chuàng)新的不同形態(tài)的間隔板，雖然這些使得板式換熱器的傳熱得到了增強，但對于其致命的缺點卻是意義不大，研究進展不是很顯著。

4 換熱器發(fā)展趨勢

隨著環(huán)保理念的全球推行，各行各業(yè)都在進行實踐，換熱器未來應緊隨環(huán)保理念而實現(xiàn)自身的大型化及高效節(jié)能化。目前，我國各類應用換熱器的一些工業(yè)設備已實現(xiàn)了基本的完備制造體系，大部分工業(yè)也已基本能滿足自身行業(yè)生產(chǎn)所需要。但仍存在著一個問題，即是換熱器的升級轉(zhuǎn)型，這個問題可以說明當前的換熱器版本已跟不上各行業(yè)的發(fā)展步伐。

對于換熱器的研究，各國始終都不曾放棄，無論是其理論體系的完善，還是其高新技術的研發(fā)，各國都已逐漸開始深入研究，雖然我國近年來也加大了對換熱器的研究力度，但較發(fā)達國家而言仍存在較大差距，我國為解決此問題而出臺并推行了一些新政策，如出臺的圍繞先進制造的積極政策及之后的能源發(fā)展十二五規(guī)劃中的各項工業(yè)促進計劃等，推進了我國能源業(yè)與制造業(yè)的發(fā)展進步，但相對而言，對換熱器也是一次機遇，換熱器是能源業(yè)與制造業(yè)不可或缺的必要設備，國家在推動發(fā)展能源業(yè)與制造業(yè)的同時也會帶到換熱器的技術研發(fā)與產(chǎn)業(yè)優(yōu)化與發(fā)展，各行的輕重工業(yè)對換熱器的需求量和要求逐漸增加，如石化、冶金等，同時，一些國家主張實行的一些大型工程也會增加對換熱器的需求與要求，所以就會產(chǎn)生強大的拉動力，以實現(xiàn)換熱器的技術革新與市場穩(wěn)定增長，規(guī)模也逐漸龐大。

隨著各類工業(yè)市場需求的持續(xù)增長，換熱器的技術會不斷革新，結構和性能也會多樣化，隨著國際和國家對環(huán)保理念的更加重視，換熱器的節(jié)能環(huán)保特性也將成為主流，我國技術也意味著有更多的可能與創(chuàng)新潛力?？傊?，我國的換熱器產(chǎn)業(yè)還處于快速發(fā)展時期，其未來的發(fā)展趨勢仍是極為可觀的。