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  吴江通用胀管器厂 2019-10-22 15:09:42 作者:admin 来源: 文字大小:[大][中][小]

  换热器，是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，又称热交换器。换热器是制冷空调、暖通、化工、石油、动力、食品及其它许多工业部门的通用设备，在生产中占有主体地位。按使用功能分：冷凝器、蒸发器、再热器、过热器和再沸器等。换热器种类很多，但根据冷、热流体热量交换的原理和方式基本上可分三大类即：间壁式、混合式和蓄热式。在制冷空调、暖通等领域主要涉及混合式换热器和间壁式换热器，其中以间壁式换热器应用最多。

  在工业上用这种设备来洗涤气体有各种目的，例如用液体吸收气体混合物中的某些组分，除净气体中的灰尘，气体的增湿或干燥等。但其最广泛的用途是冷却气体，而冷却所用的液体以水居多。空调工程中普遍的使用的喷淋室，可以认为是它的一种特殊形式。喷淋室不仅能像气体洗涤塔一样对空气进行冷却，而且还可对其加热处理。但是，它也有对水质要求高、占地面积大、水泵耗能多等缺点：所以，目前在一般建筑中，喷淋室已不常使用或仅作为加湿设备使用。但是，在以调节湿度为最大的目的的纺织厂、卷烟厂等仍大量使。

  壳管式换热器是石油、化工、冶金和制冷等工业部门中应用最普遍(约占70％)，理论研究和设计技术最完善，运用可靠性良好的一类换热器。分为列管式和盘管式(平面型和空间型)，列管式又分为卧式壳管式与立式壳管式。其研究包括了管程和壳程两侧的传热强化研究。

  其由壳体、传热管束、管板、折流板（挡板）和管箱等部件组成。壳体多为圆筒形，内部装有管束，管束两端固定在管板上。进行换热的冷热两种流体，一种在管内流动，称为管程流体；另一种在管外流动，称为壳程流体。为提高管外流体的传热分系数，通常在壳体内安装若干挡板。挡板可提高壳程流体速度，迫使流体按规定路程多次横向通过管束，增强流体湍流程度。

  1.由于冷却流量大流速高，故传热系数较高，一般K=600～700(kcal/m2?h?℃)。2.垂直安装占地面积小，且能安装在室外。3.冷却水直通流动且流速大，故对水质要求不高，一般水源都可当作冷却水。4.管内水垢易清除，且不必停止制冷系统工作。5.但因立式冷凝器中的冷却水温升一般只有2～4℃，对数平均温差一般在5～6℃左右，故耗水量较大。且由于设备置于空气中，管子易被腐蚀，泄漏时比易被发现。

  卧式冷凝器制冷设备与立式冷凝器有相类似的壳体结构，但在总体上又有很多不同之处，主要不同之处在于壳体的水平安放和水的多路流动。卧式冷凝器两端管板外面各用一个端盖封闭，端盖上铸有经过设计互相配合的分水筋，把整个管束分隔成几个管组。从而使冷却水从一端端盖下部进入，按顺序流过每个管组，最后从同一端盖上上部流出过程中，要往返4～10个回程。这样做既能大大的提升管内冷却水的流速，来提升传热系数，又使使高温的制冷剂蒸气从壳体上部的进气管进入管束间与管内冷却水进行充分的热交换。冷凝下来的液体从下部出液管流入贮液筒。

  目前国内壳管式换热器其实是采用弓型隔板作为管间的支撑结构，在这种结构的换热器中，流体在壳程呈“z”形流动，在隔板和壳体内壁相连处存在流动死区；流体在隔板间分离引起动量的急剧变化而造成压力的严重损失；在隔板与壳体和传热管与隔板之间有旁路流和泄漏流，降低了流体的有效质量流量，这些缺点导致了壳管式换热器传热系数低、压降高。随着金属材料价格的一直增长和节能工作的迫切需求，促进了高效壳管式换热器的研究和应用。近年来，螺旋隔板换热器作为一种新型的壳管式换热器形式，受到国内外学者的广泛关注，并在工业中推广应用，取得了很好的节能、节材经济效益。

  折流板是提高换热器工效的重要部件。传统换热器中最普遍应用的是弓形折流板，由于存在阻流与压降大、有流动滞死区、易结垢、传热的平均温差小、振动条件下易失效等缺陷，近年来逐渐被螺旋折流板所取代。理想的螺旋折流板应具有连续的螺旋曲面。由于加工困难，目前所采用的折柳板，一般由若干个1/4的扇形平面板替代曲面相间连接，形成近似的螺旋面。在折流时，流体处于近似螺旋流动状态。相比于弓形折流板，在相同工况下，这样的折流板（被称为非连续型螺旋折流板）可减少压降45%左右，而总传热系数可提高20%～30%，在相同热负荷下，可大大减小换热器尺寸。

  套管式换热器是用两种尺寸不同的标准管连接称为同心圆的套管，外面的叫壳程， 内部的叫管程。两种不同介质可在壳程和管程内逆向流动(或同向)以达到换热的效果。两种不同直径的管子套在一起组成同心套管，每一段套管称为“一程”，程的内管（传热管）借U形肘管,而外管用短管依次连接成排,固定于支架上。热量通过内管管壁由一种流体传递给另一种流体。通常，热流体（A流体）由上部引入,而冷流体（B流体）则由下部引入。套管中外管的两端与内管用焊接或法兰连接。内管与U形肘管多用法兰连接,便于传热管的清洗和增减。每程传热管的有效长度取4～7米。这种换热器传热面积最高达18m2,故适用于小容量换热。当内外管壁温差较大时,可在外管设置U形膨胀节或内外管间采用填料函滑动密封,以减小温差应力。管子可用钢、铸铁、陶瓷和玻璃等制成,若选材得当,它可用于腐蚀性介质的换热。这种换热器具有若干突出的优点，所以至今仍被大范围的使用在石油、石油化学工业等工业部门。

  ②传热效能高。它是一种纯逆流型换热器，同时还可以选取合适的截面尺寸，以提高流体速度，增大两侧流体的给热系数，因此它的传热效果好。液-液换热时,传热系数为870～1750W/（m 2·℃）。

  这一点特别适合于高压、小流量、低给热系数流体的换热，非常适合于小型水冷式制冷与空调装置。套管式换热器的缺点是占地面积大；单位传热面积金属耗量多，约为管壳式换热器的5倍；管接头多，易泄漏；流阻大。

  结构简单，工作适应范围大，传热面积增减方便，两侧流体均可提高流速，使传热面的两侧都可以有较高的传热系数；缺点是单位传热面的金属消耗量大，检修、清洗和拆卸都较麻烦，在可拆连接处易引起泄漏。为增大传热面积、提高传热效果，可在内管外壁加设各种各样的形式的翅片，并在内管中加设刮膜扰动装置，以适应高粘度流体的换热。

  基于制冷与低温技术中的特定工作条件，绝大多数场合都是使用间壁式换热器，其中尤以传热元件为管子的热交换器在制冷与低温装置中应用最为广泛，历史也最为悠久。这是因为圆管加工简单、工艺成熟、市场上容易得到、可以在很宽的压力和温度范围内可靠地工作，即使在工况不稳定，热应力冲击与机械振动等条件下仍能正常工作。此外，对传热管元件非常容易实现强化传热的加工要求，诸如传热管内、外两侧加翅片，以及加工出所要求的翅片形状，以实现强化传热；可使整个换热器传热效率高、结构紧密相连、尺寸小、重量轻、流动阻力也较小；可按设计目的组合成所要求的几何尺寸特性和外表轮廓尺寸，具有较大的灵活性；和制冷与低温装置的其它部件组装时，连接方便等等。此种形式的换热器被大范围的使用在家用空调的蒸发器和冷凝器，在早期的汽车空调或者冷藏车空调冷凝器中也广泛采用。

  翅片管式也叫管片式、管翅式，是较早应用的换热器形式。其套片方法是将厚度很薄的铝箔，按管组排列方式，在高速冲片机上冲出折边孔。然后将圆管穿人肋片孔中，将安装好的管片在专门的胀管机上进行胀管，减小接触热阻。

  管翅式换热器的研究进展可从研究内容、研究目标和研究手段等方面来概括，早期对管翅式换热器的研究大多分布在在翅片管排总的换热性能和流动性能上，翅片的形式多是平直翅片，主要考察管径、管排数、翅片间距、管排排列方式、翅片厚度等几何参数对换热及流阻的影响情况。其采用的翅片形式主要有：平直型翅片、波纹型翅片、条缝行翅片、百叶窗翅片、带纵向涡发生器翅片等形式及其组合形式。

  管片式冷凝器一般由圆管和各种型式的翅片构成，翅片与传热管之间通过胀管联结。套片法是我国当前许多厂家所采用的工艺。其方法是将厚度为O．1～0．3mm铝箔，按管组排列形式速冲片机上冲出折边孔。现普遍采用双翻边孔，这样做即可增加铝箔与管子的接触面积，提高换热效率5％～9％，同时，也提高了肋片本身的刚度，便于装配工序提高工效和质量。还可控制肋片与肋片之间的间距，增加了产品的美观程度。然后将铜管穿人片孔中，为保证铝箔的孔边与管子接触良好，以减少接触热阻，必须将装好的管片在专门的胀管机上进行胀管。

  胀管的方法有液压式的和机械式的。液压胀管是用10～20MPa的油压或水压通入管内，使管径胀大约0.2~0.4mm，使管子达到塑性变形。这样，管间的接触面上就有一定的接触压力，保证管子与肋片之间接触紧密。但是，有时因管子的材质不均匀，受胀程度不一，会造成一些地方胀不足，而另一些地方又胀过头。胀不足使管子和肋片接触不良，导致过大的接触热阻，胀过头，则可能使肋片的翻边胀裂，同样会造成过大的接触热阻。另外，液压胀管后，尚需对管内的油或水进行清理洗涤、烘干。机械胀管是用比管子内径适当大些的钢球，以机械压力挤过去，使管子胀大并达到塑性变形，这样做可保证管子和肋片之间有良好的接触。机械胀管较之液压胀管均匀，接触热阻小，且可省去胀管后的许多后续工序，为当今工厂广泛使用的方法。

  值得注意的是，由于管壁厚度与肋片厚度相差许多倍，所以，在换热器工作过程中受到热胀冷缩的影响，管子和肋片的线膨胀率不完全一样，两者之间产生相对运动，经过一段时间的工作之后，肋片上的基孔在这样的一种情况下被逐渐扩大，管与片之间由胀管所造成的塑性变形内应力会随之下降，接触应力相应减低，从而引起接触热阻增大，换热效率降低，这样的一个问题对汽车空调器更值得重视。由于汽车在行驶中将产生比较强烈的颠簸和震动，管子和肋片之间原有的内应力在这样条件下就更容易疲劳，引起管子和肋片之间的微观松动。另外，肋片上的孔边也会在强烈的振动下，因管子与肋片的振动频率不同，相互之间产生相对运动被扩大，更加降低了换热效率，同时还会带来工作噪音的加大和常规使用的寿命的缩短。因此，目前汽车空调冷凝器中很少采用这种形式，现在主要是采用管带式或者板翅式（平流式）。

  ，翅片管式换热器表面结霜是很普遍的问题，换热器表面结霜增加了翅片和气流间的热阻，降低了换热器的冷却能力，减少了通过换热器的气流量，增加了气流的压力降。换热器长时间结霜以后，气流通道可能被完全堵塞，为了能够更好的保证换热器的理想性能，要周期性地循环除霜。在用来除霜的热量中，事实上只有15%-20%被有效利用，其余的热量都散到周围的环境中。由于结霜的存在，工业上使用的制冷设备与相同条件下没有结霜的设备相比较，体积大50%左右，能耗增加了25%。

  吹胀式蒸发器目前在国内外家用冰箱中采用的十分普遍。铝复合板式蒸发器是利用预先以铝-锌-铝三层金属板冷轧而成的铝复合板，按蒸发器所需的尺寸裁切好，平放在刻有管路通道的模具上，加压到4900N，并用电加热到440~500℃，待复合板中间的锌熔化后，以2.4~2.8MPa的高压氮气吹胀便形成管型，经过数秒后再进行抽空，冷却后，锌层便与铝板粘合，之后可以将其弯曲成所要的形状，再将其搭边铆接即成。

  板片式换热器是由传热板片、密封垫片、压紧板、上下导杆、支柱、加紧螺栓等零件组成。传热板片四个角开有角孔并镶贴密封垫片，设备加紧时，密封垫片按流程组合形式将各传热板片密封连接，角孔处互相连通，形成迷宫式的介质通道，使介质在相邻的通道内逆向流动，经强化热辐射、热对流、热传导进行充分的热交换。

  由于传热片特殊的结构，装配后在较低的流速下（Re=200）就能激起强烈的湍流，因而加快了流体边界层的破坏，强化了传热。板式换热器一般工作所承受的压力为0.3MPa~1.6MPa,工作时候的温度一般低于160℃。

  螺旋板式换热器是一种高效换热器设备,适用汽－汽、汽－液、液－液，对液传热。它适用于化学、石油、溶剂、医药、食品、轻工、纺织、冶金、轧钢、焦化等行业。它主要由传热板、定距柱、连接管、头盖及衬垫等组成。两块厚约2.5~6mm的金属板卷成一对同心圆的螺旋形流道，流道始于中心，终于边缘。中心处用隔板将两边流体隔开，甲乙流体在金属板两边的流道内逆流流动而实现了热交换。

  。螺旋板换热器内介质螺旋型流动的离心力能增强湍流。据实验，当Re=1400～1800时就能形成湍流，且因流阻比壳管式小，流速可以更大。结果可以使传热系数提高2.5倍左右。此外，螺旋板式为全逆流，传热温差也会更大。

  板翅式换热器是一种传热效果更好，更为紧凑的板式换热器，它是由平隔板和各种型式的翅片构成板束组装而成。在两块平行薄金属板（平隔板）间，夹入波纹状或其他形状的翅片，两边以侧条密封，即组成为一个单元体。各个单元体又以不同的叠积适当排列，并用钎焊固定，成为常用的逆流或错流式权翅式换热器组装件，或称为板束，现时将带有集流进出口的集流箱焊接到板束上，就成为板翅式换热器。

  作为一种新型的紧凑式换热器。它的发展使得换热器的效率提高到新的水平，结构更紧凑。这种换热器的采用，满足了飞机发动机中间冷却和内燃机车发动机、汽车发动机冷却的需要。由于具有体积小、质量轻、效率高、可处理两种以上介质的优点，板翅结构换热器迅速在石油化学工业、乙烯装置中得到推广使用。在制冷空调领域，应用于余热回收有较大前景，比如：中央空调用热回收式新风机组、发动机余热回收等；在空分行业，作为一种紧凑高效的换热器，实现作为原料气的空气、增压空气和氧气、氮气、污氮气等返流气体之间的热交换。

  板翅式换热器的内部结构核心是板束，板束是以多个由将翅片、导流片放入两个隔板间再配合封条组成的通道焊接而成的整体。板翅式换热器的板束装配以必要的封头、接管和制成部件就形成了完整的换热器装置。

  板翅式换热器首先应用于汽车和航空工业，20世纪50年代开始在空分设备中应用。冶金、化学工业对空分设备的大量需求，有力推动了板翅式换热器的技术进步。在我国，铝制板翅式换热器由杭州制氧机集团公司(以下简称：杭氧)等在20世纪60年代中期开发成功，使我国成为继英国、美国和日本之后第四个能够生产这种换热器的国家。但杭氧当时设计生产的铝制板翅式换热器多以低压换热器为主(2．0MPa)。随着空分技术的持续不断的发展，尤其是内压缩流程的不断成熟和应用，要求板翅式换热器的设计压力提高。尤其进入20世纪80年代以来，随着我们国家内地和沿海油田的不断开发和石油化学工业行业的加快速度进行发展，承受中、高压的板翅式换热器应用日趋广泛，由于国内无法制造中、高压力的板翅式换热器，当时我国用于大型空分设备和石油化学工业设备中的中、高压板翅式换热器全部依赖进口。

  板翅式换热器是由整体的板束组成，内部结构紧密相连，再加上多数部件以铝合金为材料制造，因此板翅式换热器的体积小、重量轻，便于安装和维护。传热面积可高达17300m2/m3,一般为管壳式换热器的6-10倍。

  汽车空调冷凝器的阻力和换热性能，直接影响着整个空调系统的性能。它的换热效率，不仅直接影响冷性能，而且对降低整个空调系统的体积和质量、节约原材料都有决定性意义。从质量来看，它们占了整个汽车空调系统质量的50％，而体积则占80％。直接威胁着汽车空间布局和有效容积。新型换热设备在持续不断的发展，并迅速应用于汽车空调系统中，对冷凝器的优化设计具备极高的现实意义，并日益成为研究热点。

  由于管带式换热器和平流式换热器具有结构紧密相连，换热效率高等优点，现在在汽车空调中普遍应用。（平行流式冷凝器换热能力较管带式冷凝器提高约30％，而制冷剂侧压降仅是管带式的20％～30％。因此，平流式冷凝器作为一种新一代高效紧凑式换热器必将为未来汽车空调主流。）

  换热器的强化传热就是力求使换热器在单位时间内，单位传热面积传递的热量达到最多。应用强化传热技术的目的是：提高现有换热器的换热能力；减小设计传热面积，以减小换热器的体积和质量；减小换热器的阻力，以减小换热器的动力消耗；使换热器能在较低温差下工作。强化传热主要有3种途径：提高传热系数、扩大传热面积和增大传热温差。

  强化传热技术通常分为主动式和被动式两大类。主动式强化传热需要消耗外部能量，如采用电场、磁场、光照射、搅拌：喷射等手段。被动式强化传热则不需要消耗外部能量，是换热器强化传热主要是采用的方法，如传热管的表面处理、传热管的形状变化、管内加入插入物，改变支撑。这里主要介绍被动式传热。

  螺旋槽纹管是表面具有螺旋形凹槽的一种强化传热管，传热管内外表面的凸起或槽纹，干扰了管内流体的流动，破坏了层流边界层，流动状态达到充分的湍流，产生的漩涡又不断地扰动边界层的流体，促进了传热管同流体间的热交换；湍流度的增加也有助于避免污垢在传热管壁面的沉积，提高传热系数，增强了管内外流体的换热。螺旋升角对换热的影响很大，大螺旋升角更加有助于换热。研究表明，螺旋槽管换热器比光管的传热系数提高了2—4倍，在阻力损失和换热面积相同时，换热量可增加30％一40％。

  旋流管是螺旋槽纹管的衍生品，也叫异型螺旋槽管。其槽纹是半流线的勺形或w形，流体在其内流动呈波状特性，它的传热机理与螺旋槽管大体相同。这种传热管的传热面积和传热系数大幅度提升，传热系数比光管提高3．5倍，并且在相同传热量下旋流管的换热系数比螺旋槽管高3％一8％，而压力损失低5％一10％。

  波纹管是表面有波纹状突起的强化传热管，由于波纹管的壁很薄，传热管可以自由伸缩。流体在管内流动时，截面不断的变化，扰动流体，破坏层流边界层，以强化传热。波纹管的传热效率通常是光管的2—4倍，同时还具有除垢能力强，温差应力小，结构紧密相连轻巧等特点。波纹管的壁薄，有波纹突起，可以轻松又有效地消除纵向应力，但是波纹管的强度问题没有很好的解决，应用场景范围受到限制。

  横纹管由光管的外表面被滚压成一圈圈有序的环形凹槽而成，与管子轴线。角。影响横纹槽管综合传热性能的主要结构参数为肋节距和肋形，而肋高影响较小，并且传热综合因子随流动Re数增大而迅速降低。横纹抗垢能力要优于光管，渐近污垢热阻值约为光管的0．83，污垢状态下横纹管的强化比约为1．4。说明横纹管其性能比光管要好，也比螺纹管好，在同样传热效果下，阻力增加比螺旋槽管少。

  螺旋椭圆扁管是把圆形光管压成椭圆形，然后扭曲而成，流体在管内处于螺旋流动状态，因而破坏了管壁附近的层流边界层，提高了传热效率。这种管束结构的特点是：两个并行排列的相邻管子的椭圆长轴相互接触，互相支撑，应用这种管的换热器取消了附加的管束支撑物，节约了材料和成本。研究表明，螺旋椭圆扁管换热器具备比较好的强化传热性能，管径大小和螺旋导程对传热和阻力性能均有影响。从综合性能来看，大管径优于小管径；对于相同规格的管子，导程增大，传热性能降低．流动阻力减小。这种结构的换热器与光管换热器相比，热流密度高50％，容积小30％。

  不结垢换热器的开发，国外始于20世纪70年代初，用于海水脱盐，后来应用到化工、食品、海水淡化和造纸等领域，尤其应用在一些会发生严重结垢的场合，或含有大量不溶解颗粒的液体处理系统中。而国内从20世纪90年代初对不结垢换热器进行基础性试验研究。近年来，长岭炼油化工总厂研制成功了一种称之为管内弹簧自动清洁洗涤高效自洁换热器，其技术核心是螺旋形弹簧和固定元件组成的一个简单的机械系统，将此系统安装在换热器管内，在流体动能作用下，该系统产生连续的振动，促进湍流程度，破坏了污垢生成条件，进而达到防垢和强化传热的目的。使用该换热器总传热系数可提高30％～50％，除垢率达到50％～70％。

  换热器T质通过的水力学直径从管片式的庐10～50mm，板式的声3～10mm，持续不断的发展到小通道的Φ0．6～2mm，微通道的Φ10～600μm，这是现代微电子机械加快速度进行发展对传热的现实需求，也是微通道具有的优良传热特性使然。微通道技术同时触发了传统工业制冷、汽车空调、家用空调等领域提高效率、降低排放的技术革新。

  在家用空调方面，当流道尺寸小于3 mm时，气液两相流动与相变传热规律将不同于常规较大尺寸，通道越小，这种尺寸效应越明显。当管内径小到Φ0．5～1mm时，对流换热系数可增大50％～100％。将这种强化传热技术用在空调换热器，适当改变换热器结构、工艺及空气侧的强化传热措施，预计可有效增强空调换热器的传热、提高其节能水平。与最高效的常规换热器相比，空调器的微通道换热效率可望提高20％～30％L3J。在这方面，全球几大散热器生产厂商如Delphi，Aluventa和Danfoss经开始将微通道散热器推广应用于家用空调如多联机、户式中央空调，这将使产品拥有巨大的竞争力。我国阳江宝马利、江苏康泰也在紧跟全球换热器发展步伐，已开发出多种微通道家用空调散热器。

  塑料换热器是以小直径塑料软管作为传热组件的换热器。常用的塑料有聚四氟乙烯（F4）、聚全氟代乙丙烯（F46）、可熔性聚四氟乙烯（PFA）、聚丙烯或聚乙烯。塑料换热器大多数都用在工作所承受的压力为0.2~0.4MPa﹑工作时候的温度在-200～200℃之间的各种强腐蚀性介质的换热﹐如硫酸﹑腐蚀性极强的氯化物溶液﹑醋酸和苛性介质的冷却或加热。

  塑料换热器的结构有管壳式换热器和沉浸式换热器两种型式。它们的主要部分都是由许多小直径薄壁的塑料传热软管组成的管束。常用的管子规格有多种﹐外径×壁厚分别为3～12mm×0.3～1.0mm。管束包含有60～5000根管子﹐两端各用聚四氟乙烯卷带互相隔开。管束插在一环中﹐焊成整体蜂窝状管板。塑料换热器的其它部件与常见的﹑用金属管作为传热组件的管壳式换热器和沉浸式换热器略同。

  塑料的化学性能极稳定﹐抗蚀性能尤好。塑料管壁表面十分光滑﹐并且有适度的挠性﹐使用时微有振动﹐故不易结垢。塑料换热器体积小﹐结构紧密相连﹐设备单位体积内传热面积为金属管的管壳式换热器的4倍多。挠性的塑料管能在流体的冲击和振动中安全工作﹐管束可按需要制作成各种特殊形状。塑料的导热系数低﹐力学性能较金属差﹐不耐高温。采用小直径﹑薄管壁﹐虽对导热系数和力学性能有所补偿﹐但仍只能用于较低压力和较低温度的场合。

  例如：在工质为氮的单级焦耳-汤姆逊液化循环中，当高压压力为1.96x107Pa，低压压力为9.8x104Pa，换热器的效率低于85.5%时，液化率就等于零。低温换热器中换热不完全的冷损需要冷量来补偿，随着低温设备工作时候的温度的逐步降低，为获得此温度水平冷量花的代价越大，即冷量的价值越大，所以低温换热器的工作时候的温度越低，对它的要求越高。低温换热器的传热多在小温差下进行，传热温差越小，换热不可逆损失也越小。例如，在氦液化设备中，某些低温换热器当其热端温差超过0.5K时，液化设备就无法正常运行。