如何提高換熱器的換熱效率

張 奇

（吉林省四平地質工程勘察院，吉林 四平 136001）

1 換熱器的分類與應用

換熱器是一種將熱流體的能量傳遞給冷流體，來達到一定工藝要求的設備裝置，通常也稱為熱交換器。我國上個世紀60年代研制出第一臺管殼式換熱器，而后接連又研制出板式換熱器、螺旋板式換熱器，標志著我國完全可自主研制符合世界制造標準的換熱器。目前，我國換熱器已經得到了長足的發展，因為其節能環保的優勢，得到各個行業的重視，主要應用在石油化工、電力、冶金等行業中。換熱器根據介質、壓力等不同，具有很多種分類方法，但最常用的分類主要包括間壁式換熱器、混合式換熱器和蓄能式換熱器[1]。

（1）間壁式換熱器是最常用的一種換熱器，其工作原理是通過分隔冷熱兩種液體，使其通過間壁進行熱交換，主要應用在石油化工行業。這種換熱器結構簡單，造價低廉，性能穩定，傳熱面積大，清洗維護方便，因此應用非常廣泛。間壁式換熱器可制造成多種形式，最常用的就是管殼式的，還有U型管式的和浮頭式的換熱設備。

（2）混合式換熱器也可稱為直接接觸式換熱器，其工作原理是將兩種互不溶解的液體或氣體和液體混合，在一個容器里，互相傳遞熱量的裝置。混合式換熱器結構簡單，操作方便，維護保養容易，適用于兩種介質能夠混合在一起的情況，同時需要設置分離裝置。

（3）蓄能式換熱器的特點是適用于高溫的工況，一般超過1300℃的情況下，是設計人員的首選。蓄能式換熱器的工作原理是在設備內部裝上可以儲存能量的填充物，然后冷熱兩種液體交替的與這種填充物接觸，在這個過程中，實現液體熱量的傳遞[2]。

2 換熱器的熱計算的方法

現有的關于換熱器熱計算的方法主要是以間壁式換熱器為基礎研究的。主要包括兩方面的研究，一是設計性計算，其目的是根據一些已知條件，設計新的換熱器，確定換熱面積，這種計算由于換熱器結構不同，其構造尺寸會影響換熱系數，因此，還要結合結構計算，交叉進行。二是校核計算，這種計算方法是已知現有換熱器的各項結構，但現有工況與設計工況差別很大，需要確定進出口流體溫度，看能否滿足現有工況的要求。

根據流體傳熱原理及能量守恒定律，換熱器在整個工作過程中，應符合傳熱方程式①和熱平衡方程式②：

Q——熱負荷；K——總傳熱系數；Δtm—對數平均溫差；

F——傳熱面積

Mc——熱容，可用W表示。

熱交換器的工作內容是傳遞熱量，它的傳熱效率（學術上稱傳熱有效度）是評價熱交換器好壞的重要指標。傳熱有效度的定義是熱交換器實際傳遞的熱量與理想狀態最大能傳遞熱量的比值，一般用ε表示，公式③如下：

ε——傳遞有效度；Q——實際傳遞的熱量；Qmax——傳遞的最大熱量。

根據推導公式可得式④：

定義NTU為傳熱單元數

通過變換可得：

順流時：

逆流時：

當冷熱流體發生相變或兩種流體熱容相等時，熱交換器的傳熱效率表達式變得相對簡單，這里不給出。當設計計算時，ε和Rc已知，由關系式或圖可求出NTU，進而求出換熱面積；當進行校核時，可根據關系式和圖表求出ε，進而確定換熱器的換熱效率，看是否滿足換熱實際工況要求。工程上，利用式⑤或者⑥計算換熱器效率的方法稱為效能-傳熱單元數法，在熱交換器的校核計算中，采用這種方法應用最多也最廣泛[3]。

3 提高換熱器換熱效率的方法

（1）影響換熱器換熱效率的因素。由于以上計算過程都是以間壁式換熱器來計算的，因此這里說的影響因素也是針對間壁式換熱器的，其他類型的換熱器可參考實際情況，計算換熱效率以及分析總結影響因素。從式⑤和⑥看出，換熱器的傳熱效率與NTU和Rc有非常密切的關系，而NTU與總傳熱系數、傳遞面積和熱容有關，Rc與熱容有關，因此，分析影響換熱器換熱效率的因素應從這幾個方面著手。從實際應用得知，影響換熱器換熱效率的因素還有換熱器的板材、管材材料、壁厚、進出口的設置、焊接形式的選擇、殼程以及導流管設置等等，這些結構的影響主要集中在設計階段。

（2）提高換熱器換熱效率的方法。換熱效率是評價換熱器應用的最主要指標，也是設計換熱器過程中考慮的最主要因素。設計時，要根據工況和換熱器特點選擇合適的換熱器類型，充分考慮影響換熱效率的因素，通過計算，設計出合理的換熱器。

為了能夠提高換熱器的傳熱系數，人們進行了大量的研究，最終可以從以下三個方面進行，一是提高板片表面的傳熱系數。在這方面人們發現，板片波紋的幾何結構形狀不同，可以獲得不同的表面傳熱系數。經過研究和試驗，板面截面斷面為三角形或人字形時，具有較高的熱傳熱系數，并且壓降減小，介質流速增加。二是降低換熱器板片污垢層。研究發現，污垢層的厚度直接影響板片的傳熱系數，應該時刻監測換熱器冷熱管的水質，防止水質中的雜物附著在換熱管管壁上，不得人為在冷熱兩側添加任何粘稠物，以防粘稠物黏貼在管壁上，一方面影響流速，一方面降低熱傳遞效率。必要時可在進出口兩端采用過濾器。三是板片材料的選擇。設計時選用的板片材料最好選用熱傳導率高的板片。隨著我國新材料、新技術的發展，越來越多的新材料應用到熱交換器中，經過對比發現，銅及銅合金的導熱系數要好于鋁及鋁合金、鐵基合金，但不是說所有的板式換熱器都要應用銅管或者銅板作為導熱材料，還要根據具體工況、流體介質以及成本綜合考慮。目前，石墨換熱器也得到了廣泛的應用，主要是因為其具有耐腐蝕性、高導熱性、耐高溫、耐熱沖擊、線膨脹系數小、表面不易結垢、加工性能好等特點，主要應用于強酸、強堿、各種鹽溶液以及大部分有機溶液等化工行業，其獨特的特點，受到制造行業和應用行業的廣泛認可。

4 換熱器的維護與保養

設備的維護與保養是企業生產的重要環節，國內由于設備保養不善導致的安全生產事故屢見不鮮。任何設備都應該列在維護和保養范圍內，尤其是像換熱器這種特種設備，要更加嚴格的制定維護與保養的計劃，并嚴格按計劃實施。

日常工作中要時刻檢測換熱器的運行情況，有條件的企業，要適時智能監控，發現問題及時解決，換熱器除了日常的點檢外，還要進行以下操作，一是清洗，上文提到管壁污垢導致換熱系數降低，所以定期清洗換熱器內壁對換熱器的換熱效率有極大改觀，但選擇洗液最為關鍵，要根據流體的性質，必要時要分析污垢的成分，科學的選擇洗液。清洗的方法有人工清洗法、反沖洗法和在線清洗法。二是振動，如果監測時發現換熱器有振動現象，一般情況是輸送介質的頻率或外管道的頻率產生共振現象，這時，要改變流體的流速，同時就改變了介質的頻率，同時也可測定外部管道的頻率，改變流動狀態，通過這亮相措施，基本可以消除振動。

5 結論

當前，換熱器在各行業的基礎作用越來越重要，在節能減排、建設資源節約型、環境友好型社會的大背景下，選擇高換熱效率的換熱器對各應用企業至關重要。在換熱器的行業發展過程中，一方面生產與應用企業應研究提高換熱器效率的理論和方法，另一方面生產企業應加大研發力度，將新型材料、新技術應用到設計生產中。另外，換熱器的設計生產要形成系列化與規范化，我國GB/T 151-2014標準中有詳細的關于管殼式熱交換器的設計和說明，可以指導我國換熱器行業的有序發展。