第六节近代研究成果及发服趋势[19]excel-O)。如图1-13中所示。对于用在沸腾中，为了增强热传递效率而提出的一种，称为“高热流传热管-E"(Thermoexcel-E）（见图1-13中所示)。联邦德用Wieland-WerkeAG 也提出一种称为"Gewa-T"的翅片管(如图中所示)。它用于蒸发器中，它也是一种高性能的翅片管。该管其有一种T型截面的螺旋围绕翅片，这样布置产生一种沿管子外表面具有一窄缝的螺旋室，能使周围流体诱入所形成的室内。基于蒸发，气泡沿继隙长度跑出，起者成核的位子作用，以增强沸腾。这种翅片比习惯上的低翅片总的热传递系数提高约80%近年来对操作在高压和高温下的换热器的结构给予了更多的注意，虽然管壳式换热器仍是一种比较理想的结构，但从热传递的观点来说，较厚的管壁是不利的。因此，为了促进光管热传递表面的特性,而采取了增加流体流速和使用小直径管与紧读的管束等措施,但它也只能适用于一定的流体阻力的范围中。为了补偿厚壁管带来热阻的不利影响，而采用了扩大表面的翅片，它比光管表面可增大5～10倍，而翅片的璧厚要比管壁的厚度小。并采用电焊焊接的方法，将翅片固定在管子的表面上。具有纵向翅片的管，热传递强化主要是由于在翅片之间狭通道中，增加了流体的速度和降低了通道的当量直径之放。O.A.Kremnov和 N.T.Duhnenko 等[a还提出了一种具有带孔的纵向翅片管，这种翅片单元能在翅片上形成一种新的边界层，促进了热传递的状况。根据技术经济和操作的比较，对于在较高流体温度下操作时，发现具有焊接翅片的管是有发展前途的。在具有焊接翅片管应用中的经验证实了上述的情况。例如在一容量为5万kW的气体透平发电厂中，使用焊接翅片管来代替光管，允许减少管子的消耗为40万米纵长和回热器的质量200纯。（4）提高原有热传递表面：这是一种比较新的表面种类，它给与的热传递系数比一般表面增大较多。这种增进遭常是由于永久性的表面处理的结果。这种措施的例子，如对冷溉情况使用惜水性的覆盖层。对沸腾情况则使用多孔性的覆盖层，对冷凝和沸腾情况均适应的可使用有纹理的或成形的表面。上述各种措施的使用，都必须结合具体条件来权衡它们的经济性，这样才是最合理的。P.s.O"Neill;O.F.Gottzmann 和J.W.Terbot 等[7曾研究了在管子的外表面或内表面覆益了一一层由多孔性金属烧结层组咸的表面，这种表面以粗糙面出现，其厚度为0.25~0.5mm,空隙率为50~65%。这种多孔表面本质上能够降低产生蒸汽所需过热,在相同的总温差的条件下，热通量的能力比光管增加7倍。日本的一些研究者(25曾采用一种方法即借铜喷镀法在光滑表面上固定铜微粒面给出一种微孔表面层，作为增强核池沸腾的热传避表面。并以冷冻剂 R-113 和 R-11 在10-Pa下进行试验。结果指出：具有微孔的表面比光滑表面有一更高的沸膀给热系数，且上述两者的比值随热通量的降低和铜微粒大小的降低而增加，随微孔层数的增加而增加。新近由UOP公司所开发的一种称为“Koro-Tex II"的多孔表面管，作为装备大型工业冷冻蒸发器和冷凝器之用。该管是一种波纹状的钢管，其外部键合一种“泡沫"多孔铜。采用双波纹状的管来提高原有热传逆表面的方法是近年来的一种新的技术开发。它是苗 G L.Diedrich 和 O. W.Lodtz0)所首先提出来的,用于脱盐装置中的垂直管蒸发器,读垂直管璧的内外两侧均为波纹状的表面，故称为双波纹状管。波纹的大部分具有一种非常薄的凝液膜，这样就可大大地降低通过隆起面积的热流阻力，同时还可控侧下降液膜，保证
[20 ]它能均匀分布地沿管长下降。T.d.Oarnavost2对双波纹管作为冷凝与沸腾热传递的性能报道指出：在一定的热通基的情况下，基于管子外表面的给热系数，对波纹管的数值要比光滑管大几倍,并都处于可被接受的滴状冷凝范围。W.S.Chia 曾在同一条件下试验了七种绪构的同一直径和长度的双波纹管和一根光滑管，根据试验的结果：双波纹管具有的外表面要比相向直径的光滑管大1.25~1.85倍，冷凝和沸膀给热系数比光滑管的增强因数约为1.8左右。联邦德国Veroiniste Deutsche Metawerke(VDM）提出以双波纹管作为一种特殊的换热器管，并认为它的波纹的最适宜数决定于管子的直径。其它在采用异形管截面降低当量直径以提高热传递方面也进行了一些工作，如D.R.O1iver,s. S. Raoca1曾对椭圆形截面的管在流体为层状流动时,进行了加热和冷却两种情况的试验。所得的结果表明：对椭圆形截面的管，在热传递中是显著有利的，但在压力降方面比圆形截面管也有所增加。苏联的 I.3.BobypoBa 等曾研究了具有星形裁面的铜管中的热传递，并使用液氮作为冷却剂，所得的结果，它的给热系数比一般光滑的圆形截面管高出50%在设备结构的改进和创新方面，除了以上四类技术措施以外，为了处理强腐蚀性介质的换热问题，近年来新型材料换热器的研究和推广应用发展也很快，其中尤以氟塑料换热器和钛制换热器等更为突出。最近Godlsey在法国的专利上c20提出，在金属换热器元件的表面上，提供一层网状有机泡沫，如具有开式微孔的聚氨酯和石墨颗粒等，这种表面将增强泡核沸膦的核心。 R. A.O1ydeco~曾提出使用一种所谓“游缩”瓷，它是由一种具有复杂微孔并含有碳化硅题粒的陶瓷组成，制成一种陶瓷换热器，它既能耐腐蚀;又能承受高温;因此可用在陶瓷、水泥、铝或核工业，从炉子里回收热，冷却氛气或硫酸以及吸收氯化氢的气体等。Phlip M.Kohnca认为最近开发的磁化硅陶瓷换热器，可用在高温热传递的过程中，如煤的气化系统，其操作温度约为1400℃，而一般金属换热器使用在稍高于1000℃就不行了。由于新型传热元件-一热管,能利用小的表面积传递大的热量,体现了一种优良的设计。近年来,无论在其本身的研究工作或对它的推广应用,均发展得异常迅速。它的研究工作主要致力于最佳的芯材设计和对特殊用途的特殊结构等。热管应用于化工过程中已得到一定的发展，根据K.s.N.Raj扣等的报道，Dow化学公司使用热管，从烟道气中回收热量，用来加热高温栽热剂，以供蒸馏单元加热超片热管推观察修孔之用。Sun公司使用热管从约870℃的烟冷气出口卤冷气进口道气中回收热量，用以预热室温空气到约40°℃。 并且指出热管在化学反应器中控制热气入品热气出口X放热或吸热反应的温度为一埋想的工具。由于使用热管，可把在大反应器中的局部图1-14热管换热器示图热点减至最少。目前在化工生产中，热管应用的最大领域是作为气一气换热器，但也可作为气-液换热器。这种换热器一般可由带翅片的热管排所组成，如图1-14 所示。它的外壳为一长方形，在外壳的中部安有一块隔板，纵便将内部的热管排分隔成两半，使热流体通过隔板的一侧，而冷流体逛过隔板的另一侧。为了简化芯子的结构，并可利用重力实现凝液返回，而把热管的蒸发段放在它的冷段之下，亦即将热流体通道置于冷流体通道的下方。热管的排数不应过多，一般为4～12排，否鸡就会增加压力降。最近国外研制了一种大处理量的热管换热器5，它是由多个热管束单
(21]第六节近代研究成果及发展超势元所纽成，外部轮廊景蜗壳形，冷气流由顶部中间进，并由侧面出，热气滋则由隔板下方侧面进，并由底部中间出。这和结构具有压力降小的特点，如图1-15所示。近年来在国内已开展了对热管的研究工作，有些炼油厂[33]已开始将热管空气预热器用于加热炉上。3. 设计方法和计算对于换热器设计方法和计算的研究，一方面由于考虑到在进行换热器最佳化设计时，需要进行许多复杂的计算,包括综合技术经济指标的对比和分析,工艺计算与机械强度计算等。采用人工计算，一般都要经过若干次反复试算，这不仅很难找出最佳值，而且既费时间，又易出错。因此，近年来采用电子计算机进行换热器的设计；得到了普遍重视和发展，同时，也把它应用于换热器网络的最佳设计。其次，通过研究对管壳式换热器和其它形式换热器的设计计算公式进行了修正，以减少其误差。另外，还研究和提出了一些有关特殊条件下所使用的换热器的设计方法，如超高容量换热器的特殊设计等(1）计算机应用于换热器的设计：图1-15大型热管换热器在这方面美国发展较快，他们所开发的一种广泛的计算机设计程序，可以用来计算按照美国和英国的规范所设计的管壳式换热器的所有部件。使用计算机，不仅可以缩短计算时间，减少人为的差错，而且能进行最佳设计，求出重量最轻和成本最低的部件。近年来，T.W.Hofman534曾对电子计算机应用于换热器网络最佳设计中通用程序进行了评述，并指出：当将这些方法应用于实际问题时，所揭示的一些缺点，尤其是在这些方法对计算机存储的高要求方面来说，它们还不能用于大系统的设计。但其中由 N.Nishida 所提出的结合最佳化的程序看来是更有价值，但因这个程序所提出的方法只是经验地支配了它的实际使用，故不能保证整体的最佳化。O. L. Spigt,F,van derWalle 和且. I. Bardoux等[can结合实例描述了将计算机技术应用于在稳定和不稳定操作情况下，对换热设备工作特性的分析，其结果有助于解决在最佳化设计和特殊设计中所遇到的困难问题。此外，还报道了利用电子计算机对换热器的灵敏度分析的研究。(2)对设计计算的一些修正：美国热传递研究公司（HTRI)5结合近年来在管亮式换热器方面的研究成果，对通用设计方法中所使用的一些计算公式进行了修正。苏联高温研究所结合对物理性质变化的液体满流中热传递问题的研究8，提出了一些计算流体流动阻力和热传递的方法，它们与实际情况更相一致。过去在换热器的设计中，对流体流动可能引起换热器中传热管的振动问题，一直未能引起注意,近年来对这方面曾进行了一些研究，Y.S.Shint381 等综合报道了这方面的研究成果，指出壳侧流体流动是引起振动的主要根源，同时分析了引起振动的儿种流体激摄机理，并认为在设计和验收中应注意随着各种激振机理和各种负荷所出现的最大联合应力不得大于耐久极限，以避免引起疲劳破坏。其次最大可能位彩必领小于管间窄道之半，以免发生管间相碰撞。第三对主要是横向流区域，管子的固有题率必须显著地大于可能
[22]出现的最大旋涡分离频率和因流体弹性旋涡所产生的临界频率，以保证共振和流体弹性不稳定性不致出现。对于冷却冷凝器和蒸发冷却器的设计计算问题，由于在这些过程中同时存在着热和物质的传递，而使计算复杂化，并且还由于饱和蒸汽压力与温度之间的非线性关系进一步引起在计算过程中的困难。日本的一些研究者3发展了这类换热器的设计计算方法。此外，在换热器的设计中,由于过去对污垢形成的机理研究很少,但对它的热阻的影响,在设计中又必须加以考虑，为此,过去往往凭经验对所计算的传热系数加以修正,降低其数值，但根据经验估计一个污垢层的厚度，再结合污垢的导热系数，来计算传热系数值。最近,根据报道，有紫研究者曾分析了污垢的形成机理,并提出了一些初步的计算。(3）特殊条件下换热器的设计：近年来，由于大量近代技术的发展，对换热器也必然会遇到一些新的要求，其中关于超高容量换热器的设计0。例如，在一座使用矿石燃料的1200MW(或120万kW)涡轮发电装置中，要排出的热量大约为5.4×10°kJ/h，这个数值意味着当循环空气量约为220×10m/h时,需要循环的冷却水量为 18 ×10*m/h。由于经济理由,在水和空气侧的流动压力降,必须保持在窄的限制范围之内。这就要求在低的流速条件下,如何提高它的热传递的效果，一般知道，随着热传递表面当量直径的降低，可使在层流情况下的热传递系数有效地增加。为此,将狭缝翅片垂直于空气流向而布置，这样,在流向中它们的尺寸是很小的。结合这种设计,在低的空气流速下，热传递系数是比较高的。并且，,将冷却单元曲折地布置，从而更有利于热传递过程。这种换热器所用的管和翘片均为纯铝(99.5%)制造。为了保证冷却单元足够加强，将它们插入电镀的钢结构中，该结构允许铝部件热膨胀所露的同隙。 例如，将6个这种标准的冷却单元装配成一个所调""形装置，每个装置就能达到相当于发电容量为200kW所需的冷却设备。另外还曾建立了一座 22万W发电容量透平的于冷却塔，该塔高120m，下部直径为108m,m,上部直径为 60 m。另一-种作为这类热传递方法的是使用液态金属作为热传递的介质，一般用铅，即所谓“铅工艺”。这种方法首先用于化工、石油化工和合成材料的处理过程中，后来把它进一步用于冶金领域中的废热的回收和核电站中回收废度热作为蒸汽的发生。此法所用的液态铅具有熔点为827°℃，而过程在此温度以上进行。由于熔融 1+ 铅，并把它加热到 400℃,只需要 75,00kI 的热，因而比较容易将这种装置投入操作。液态铅的导热系数为16W/(mK)，它足以保持整个金属浴处于相同的温度。这种方法的优点是铅的价格较低，但由于铅有毒，必须保证铅系统的严格密闭，并有一定的安全措施。、生产制造工艺换热器的发展和制造工艺水平有着密切关系。 任何高效紧麦式的换热设备结构，都必须有一定的先进制造工艺来保证它的质量,运行的可靠，并能扩大产量,降低制造成本，这样才有推广使用的生命力。近年来,在制造工艺方面，采取了以下一些主要的措施。(1)扩大标准系列,进一步组织专业化生产;产品系列化，零部件标准化和生产专业化是密切相关，而又相互促进的。近年来，国外一般都通过专业化的生产来提高产品的产量和质量，降低产品的成本。一些国家、公司和厂家都在不断地扩大自己的产品系列，修改和完善零部件的标准，以适应生产发展的需要。如日本对于换热器和其它化工设备所需要的标准零部件，如法兰、封头和密封填料等都是实行专业化生产的。111
[28]第六节近代研究成果及发展趋势(2）提高机械化和加速自动化生产：在一切可能使用机械的地方应尽可能不用手工操作，同时能采用新技术如电子计算机的场合，则尽量实现自动控制。如在管光式换热器的管板加工中，采用多轴钻孔，实现“多轴化”，并实行程序控制。管子与管板的连接已采用了有42根主轴的多头自动胀管机，每小时可胀接管子1200根411(8）采用新技术、新工艺和新材料：近年来，为了适应处理强腐蚀性介质之间的换热，而较快地发展了采用新的结构材料来制造换热设备,其中如钛、钼、错和其它合金，以及氟塑料、测硅玻璃、石墨和碳化硅陶瓷等。这些材料的加工制造常常需要特殊的制造工艺技术。有些新的加工制造技术能提高劳动生产率和提高产品的质量。如在换热器的制造中，管子与管板的连接方面，已有若于新的方法，如爆炸胀接、液压胀接。脉冲胀接和橡胶胀接等。而橡胶胀接法是新近由日本所提出的2,这种方法由于操作简单，胀管条件易于掌握，操作安全可，且胀管处表面光滑，无加工硬化现象，强度与耐腐蚀性优良，可靠性显著提高，因此已在化工设备、电力设备和大型冷冻机用的换热器上得到实际应用。各种复合材料被广泛地使用，其加工技术一般已经掌握。管板、壳体和管箱的大面积堆焊衬里或爆炸衬里，双金属管和双金属翅片管的轧制等工艺均已在换热器生产制造中得到采用。 此外，还发展了各种管子的表面处理技术和各种新型翅片管的制造工艺等。二、发展趋势当前换热器发展的基本趋势将是：继续提高设备的传热效率，促进设备结构的紧漆性，加强生产制造的标准系列化和专业化,并在广泛的范围内继续向大型化的方向发展管壳式换热器：由于它具有结构坚固、弹性大和使用材料范围广等独特的优点，今后仍将在广泛的领域内得到继续发展。尤其在高温、高压和大型化的场合下,更有其广属的发展前途。但为了加强其传热效率,在高温和高压的条件下，采用电焊焊接式的翅片管的结构将会得到重视和发展。制造工艺上进一步机械化和自动化以及采用各种新技术，在发展管壳式换热器方面仍将占有重要的地位。各种新型高效紧凌式换热器的应用范围将得到进一步扩大。在压力、温度和流量的许可范围内，尤其是处理强腐蚀性介质而要使用贵重金属材料的场合下，新型高效紧漆式换热器将进一步取代管壳式换热器。板式换热器：虽然它具有某些优异的性能，但尚存在一些问题，有待今后继续加以妥善解决。该种形式的换热器进一步发展的趋势，将是提高操作溢度和操作压力，设计大型板推龄染片以增大它的处理量，扩大它的使用范围,并采用新的结构材料和新的制造工艺。其中尤以研制新的垫片材料，改进密封结构，增强板片的刚度，以便提高操作温度和操作压力,扩大使用范围等，将是今后发展的重点。板壳式换热器；由于它较好地从结构上解决了耐温、抗压与高效之间的矛盾，它兼有管B壳式与板式换热器的优点，因而在化学工业中得到很快地握广应用。今后将进一步扩大其使用范围。另一方面，由于它的制造工艺比较复杂，焊接要求高，今后发展的趋势将如何进一步改进结构设计，发展新的成型和焊接工艺等。螺旋板换热器的近期发展，将对其各种结构形式的换热器扩大其应用场合，同时，如何