波紋管換熱器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與應(yīng)用

任偉平

西安石油大學(xué) 陜西西安 710065

波紋管換熱器是一種強(qiáng)化傳熱節(jié)能高效的換熱設(shè)備， 其結(jié)構(gòu)見圖1。 它在傳統(tǒng)換熱器的基礎(chǔ)上，應(yīng)用強(qiáng)化傳熱和力學(xué)理論對(duì)傳統(tǒng)換熱器進(jìn)行了突破。 它繼承了管式換熱器的堅(jiān)固、耐用、安全、可靠等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)克服了其換熱能力差、易結(jié)垢的缺陷。波紋管能起到溫差補(bǔ)償?shù)淖饔茫捎跍夭顟?yīng)力的作用，換熱管會(huì)自動(dòng)清除表面污垢。 波紋管換熱器具有強(qiáng)化傳熱和清除污垢的雙重功效，結(jié)構(gòu)簡單，投資低，熱效率高，廣泛應(yīng)用于換熱裝置上，在石油化工等行業(yè)中都取得了良好的效益。

圖1 波紋管換熱器結(jié)構(gòu)

1 波紋管換熱器的強(qiáng)化傳熱原理與結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

1.1 強(qiáng)化傳熱原理

波紋管換熱器采用波紋管替代光管， 將波紋管與管殼式結(jié)構(gòu)兩者的優(yōu)點(diǎn)相結(jié)合，使換熱器具有良好的傳熱效果。波紋管是一種雙面強(qiáng)化的傳熱管型，內(nèi)壁與外壁都被軋成波紋狀，內(nèi)壁能改變流體邊界層的流動(dòng)狀態(tài)，外壁能增大傳熱表面積，從而達(dá)到雙面?zhèn)鳠岬哪康模鋸?qiáng)化傳熱示意見圖2。

流體在管內(nèi)流動(dòng)和傳熱分為兩部分：直管中，流體呈等徑流束，由于直段長度較短，流體在管壁附近的層流邊界層尚未充分展開，流型開始改變；弧管中，流體呈變徑流束，在弧管的進(jìn)口處會(huì)產(chǎn)生噴射效果，使得管內(nèi)產(chǎn)生漩渦和橫向流，對(duì)流體的邊界層和污垢層產(chǎn)生破壞力，顯著提高弧管的傳熱系數(shù)。

圖2 強(qiáng)化傳熱示意圖

1.2 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

波紋管換熱器其外表與普通換熱器類似， 殼程采用普通的圓筒型結(jié)構(gòu)，相比普通換熱器，最大的特點(diǎn)是管程采用薄壁波紋式換熱管，管料經(jīng)過擠波器加工而成，使換熱管壁形成凸起，并經(jīng)過與其焊接的管套，與管板進(jìn)行強(qiáng)度焊接而成。

2 波紋管換熱器的性能分析

2.1 換熱性能分析

2.1.1 傳熱效率高

波紋管換熱器是依靠獨(dú)特的傳熱元件-波節(jié)管來實(shí)現(xiàn)的。波節(jié)管特殊的波峰與波谷設(shè)計(jì)， 使流體流動(dòng)時(shí)由于管內(nèi)外截面連續(xù)不斷地突變形成強(qiáng)烈湍流，即使在流速很小的情況下，流體在管內(nèi)外均可形成強(qiáng)烈擾動(dòng)，大大提高了換熱管的傳熱系數(shù)，其傳熱系數(shù)比傳統(tǒng)管式換熱器高2～3倍。

2.1.2 換熱面積大

由于采用波紋換熱管，外表面形成波紋，所以內(nèi)外表面積均比同長度的光管大， 所以波紋管換熱器比普通換熱器換熱面積大。

2.1.3 防垢能力強(qiáng)

由于管內(nèi)流體的高速湍流，使流體中的微粒難以沉積結(jié)垢，即使有少量污垢生成， 由于波紋管上存在的管程殼程溫差應(yīng)力而產(chǎn)生的應(yīng)變，使具有彈性特征的波紋管曲率發(fā)生微觀變化，從而使波紋管換熱器具有防垢和除垢的特性。 介質(zhì)在管內(nèi)外的高速湍流對(duì)管壁沖刷強(qiáng)烈， 波紋管表面的光滑弧線也能抑制污垢的生成。

2.2 使用性能分析

2.2.1 不污、不堵、不結(jié)垢，運(yùn)行平穩(wěn)

波紋管在工作過程中， 一方面管內(nèi)外介質(zhì)始終處于高度湍流狀態(tài)，使得介質(zhì)中的固體微粒難以沉積結(jié)垢；另一方面受介質(zhì)溫差影響，波節(jié)管會(huì)產(chǎn)生微量的軸向伸縮變形，管內(nèi)外的曲率會(huì)隨之頻繁變化，由于垢層和波節(jié)管的線膨脹系數(shù)相差很大，所以污垢和換熱管之間會(huì)產(chǎn)生較大的拉脫力， 即使有污垢沉著也會(huì)因此破裂而自動(dòng)脫落，從而使換熱器始終保持持久、高效的換熱性能。同時(shí)管路通道大，壓降小、節(jié)能效果明顯，也不存在堵塞問題。

2.2.2 具有自動(dòng)補(bǔ)償功能

波紋管的特殊結(jié)構(gòu)形狀，使其在受熱情況下，能有效的降低熱應(yīng)力，無須加設(shè)膨脹節(jié)，從而簡化了產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，提高了產(chǎn)品的可靠性。

2.2.3 防震能力強(qiáng)

波紋管與套管焊接后，再與管板相焊的結(jié)構(gòu)，這樣就使波紋換熱管與管板不直接接觸，減少了因厚度差引起的局部應(yīng)力。另外與波紋管焊接的套管處，采用了緩沖節(jié)結(jié)構(gòu)，提高了其抗震性能。

2.2.4 減少設(shè)備維修量

由于波紋管換熱器不污、不堵、不腐蝕、不結(jié)垢，密封性能好，因此不必年年檢修。 維修時(shí)工作量也很小。

2.2.5 較高的承壓能力由于換熱管做成波紋型結(jié)構(gòu)， 對(duì)比光管增強(qiáng)了其承載壓力的能力，使其更適合在較高壓力下工作。

2.2.6 結(jié)構(gòu)緊湊，既小又輕

由于傳熱系數(shù)明顯提高，因而在換熱面積相同的情況下，外形尺寸減小，波紋管管壁較薄，所以波紋管換熱器結(jié)構(gòu)緊湊，既小又輕。

3 波紋管換熱器的適用范圍和應(yīng)用研究

3.1 適用范圍

波紋管換熱器主要適用于管內(nèi)外介質(zhì)有加熱、 冷卻熱交換的場合。其換熱管材質(zhì)為碳鋼、銅、薄壁不銹鋼。最適合采用波紋管換熱管的是固定管板式換熱器，波紋管又具有補(bǔ)償功能，可省去常規(guī)所需要的膨脹節(jié)。另外，在波紋管換熱器的使用過程中對(duì)介質(zhì)的熱性具有一定的要求。

3.2 應(yīng)用研究

對(duì)比普通換熱器，波紋管換熱器有以下三個(gè)方面優(yōu)點(diǎn)：

(1)節(jié)省檢修費(fèi)用。 不必年年進(jìn)行清理和檢修，節(jié)省檢修費(fèi)用。

(2)節(jié)省投資。 使用壽命長，節(jié)省投資。

(3)增加效益。 由于波紋管換熱器的高效節(jié)能作用，裝置的生產(chǎn)負(fù)荷得到了提高， 全年運(yùn)行時(shí)間和產(chǎn)量增加， 效益隨之增加。

目前波紋管式換熱器優(yōu)于其它各類強(qiáng)化型換熱器， 在管殼類換熱器中，傳熱效率最高，因此可以說應(yīng)用前景十分廣闊。 波紋管換熱器優(yōu)異的傳熱優(yōu)點(diǎn)， 使其具備廣泛使用于石油化工等行業(yè)的潛力，在很多項(xiàng)目的裝置中都具有較好的應(yīng)用性。

4 結(jié)語

對(duì)于波紋管換熱器的性能分析和應(yīng)用研究， 為降低能耗和費(fèi)用提供了可靠的理論依據(jù)，也有利于制造技術(shù)的提升。波紋管換熱器適用范圍廣，加工制作工藝成熟，可廣泛推廣應(yīng)用，對(duì)比光管換熱器傳熱系數(shù)大大增加，減少了換熱管的使用，節(jié)約了成本，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益，有很好的應(yīng)用前景。

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2 高志偉.波紋管強(qiáng)化傳熱機(jī)理及應(yīng)用[J].東北電力技術(shù).2000(12)

3 王泓偉，張志英.波紋管式換熱器的特性研究[J].氮肥設(shè)計(jì).1994(06)