波紋管與直（光）管換熱器的性能比較

諾盟品牌帶有膨脹節的雙管板換熱器有兩種形式——一種為波紋管，另一種為直（光）管。由于直（光）管的價格稍貴一些，而波紋管從字面上容易讓人產生管體不結實的理解，直（光）管好于波紋管的誤解由此而生。本文將從專業角度對照比較一下兩種形式的換熱器，以便用戶在選用時能夠做出正確的選擇。

在藥品生產的過程中，經常會涉及到對料液和介質的加熱或者冷卻，這就不可避免地會使用到換熱器。為了避免料液和介質產生交叉污染，傳統的列管式換熱器已經不再被企業所接受，所以就出現了以下幾種形式的換熱器，見表1。

由于管中管形式的換熱器面積相對較小，所以使用較多的還是雙管板換熱器。在雙管板換熱器中，直通式的換熱效果較好，故本文僅對直通式的換熱器進行討論。考慮到換熱介質的溫度范圍較大：有時為7～12 ℃的冷凍水，有時是較高溫度的蒸汽滅菌。因此，諾盟在直通式的雙管板換熱器中優化設計了殼層膨脹節的環節。諾盟雙管板換熱器無論是直（光）管，還是波紋管換熱器，都設計了膨脹節，如圖1所示。

1 波紋管形式的由來

1.1 選擇直通式換熱器的依據

上文提及管中管換熱器的換熱面積受到限制，雙管板的換熱器又有兩種形式：直通式如圖1所示，U型如圖2所示。

表1 符合GMP要求的換熱器形式

圖1 諾盟雙管板換熱器剖面示意圖

圖2 U型雙管板換熱器剖面圖

從圖2中可以看出U型換熱器的換熱流形為折流，按照換熱推動力的對數平均溫差△tm為逆流的最大、順流的最小、折流的介于兩者之間。雖然折流形式的長度可以做的相對短一些，但實際的換熱面積并不能變小多少。所以就出現了直通式的換熱器（如圖3所示），但直通式換熱器長度會被做的很長，所以需要繼續進行改進。

圖3 直通式雙管板換熱器示意圖

圖4 諾盟波紋管列管換熱器的照片

圖5 波紋管的壁厚沒有變化

圖6 波紋管列管內徑向擾動示意圖

圖7 直（光）管

圖8 波紋管

1.2 直通式換熱器的性能改善

直通式換熱器的對數平均溫差雖然最為有利，但畢竟需要做的很長，這會對安裝條件造成影響，所以在技術上有改進的需求。根據換熱量的計算公式[1]：

Q=KS△tm

公式中：Q——換熱量；

K——總傳熱系數；

S——換熱面積；

△tm——對數平均溫差。

在換熱量一定的情況下，如果要減小換熱器的長度，一個方式是將換熱器做得粗一點。但有一定的弊端，就是縮短了物料在換熱器中的停留時間，這會使熱交換的時間不夠充分。另一個方式就是設法增加K值，如果能夠提高K值的話，在Q值一定的時候，S值就能夠變小。于是就出現了波紋管列管的換熱器，如圖4所示。

2 波紋管列管換熱器的特點

波紋管列管換熱器是在直（光）管基礎上，經過技術升級換代而出現的。其機理是提高總傳熱系數，從而降低所需要的換熱面積。可以在達到同樣換熱效果的情況下節省材料，最終不但降低了成本，還減輕了設備的重量。

2.1 波紋管的穩定性

由于波紋管本體是由光管管坯冷壓痕加工而成的，一般認為其成型后對管體有強化作用。而通過外壓穩定性實驗可知，承受外壓的波紋換熱管的失穩首先發生在直管段，只有繼續升高外壓，波紋管才會失穩。這說明波紋段的穩定性優于直管段，具有高于直管段的失穩臨界壓力。

實驗同時表明，波紋段的失穩變形均發生在波谷處，同時波紋段的失穩在局部的單個波谷處，一般不會出現2個以上的波谷同時失穩[2-3]。這表明波峰的穩定性比波谷更好。當然如果冷壓痕的工藝不到位也會出現相反的情況，在冷壓痕工藝中，無論是波谷還是直段的壁厚是不變的（如圖5所示），冷壓痕完成后管體實際上變短了。這一點非常關鍵，如果做不到這一點，波紋管的穩定性會差于直（光）管。

另外，諾盟的波紋管列管與平時所見的波紋管還是有較大區別的。首先諾盟的波紋管只有波谷和平段，并沒有波峰，而且波谷在軸向是螺旋形的，并且波紋管與板連接處的直段是一體的。

2.2 波紋管列管內的換熱效果

波紋管列管由于管內有波峰、波谷的存在，所以增加了列管中徑向熱交換對流的效果，如圖6所示。

表2 波紋管與直（光）管性能對比表

徑向對流對于總傳熱系數K的影響非常大，這才是導致雙管板波紋管換熱器價格低廉、重量輕的根本原因。波紋管列管與直（光）管在同樣長度下，其管體表面的換熱面積要大一些，但這個變化遠遠不如改變K值的貢獻大。

從波紋管和直（光）管管內流形的對比，能夠清晰地看到其有著完全不同的效果，直（光）管接近管壁時流速明顯地降低，如圖7和圖8所示。

用波紋管代替直（光）管制成的波紋管換熱器，致使流體的速度與方向不斷地發生變化，從而形成充分的湍流。這就使得所有的流體都有機會與管壁進行熱交換，影響傳熱的邊界效應便“不復存在”了。其總傳熱系數可以提高2～3倍，實際運行中有的甚至達到5倍[4]。如果達到同樣的傳熱量，換熱面積就相當于原來的0.5～3。這才是波紋管換熱器價格低于直（光）管換熱器的根本原因，所需要的換熱面積少了，重量自然也就輕了。

圖9膨脹節錯位變形的圖片

根據計算和實踐經驗，1 mm厚的波紋管比0.5 mm厚的波紋管的總傳熱系數要低10%。跟蹤的數百臺波紋管換熱器之所以運行了10～14年沒有大修或損壞，主要得益于壁薄（幾乎均為0.5 mm）[4]。但在壁厚方面諾盟沒有刻意地去滿足畢渥數的要求，由于在殼層中未設置管架，所以諾盟的列管厚度設計為1 mm。

2.3 抗水錘沖擊

諾盟雙管板換熱器的外殼都接有一段膨脹節，所以在安裝使用后，如果遭受水錘的沖擊或者憋壓，換熱器的軸線上膨脹節處就會出現錯位的情況（如圖9所示）。波紋管和直（光）管的換熱器都會發生這樣的情況，外殼變形后理論上都會引起列管的扭曲。正是由于波紋管有較多伸縮的余量，在經歷變形時應變的彈性余地要大一些，也就是說在這樣的情形下抵抗失穩的能力要強一些。但無論如何，在安裝的過程中要避免水錘的發生，可以通過采取使用角坐閥、延時開關等其他措施。但如果涉及到憋壓，就需要考慮介質的閥門不能夠全部關死。這忠告用戶在安裝、使用中必須引起足夠的重視。

3 波紋管與直（光）管換熱器的對比結論

用表格的形式來對比諾盟雙管板換熱器中波紋管與直（光）管的性能情況，結果見表2。

從表2可以看出，各項關系指標中相對占優的是波紋管換熱器。諾盟品牌的直通式雙管板換熱器，其中德國生產的是直（光）管換熱器，意大利生產的是波紋管換熱器。由于直（光）管換熱器的價格要比波紋管換熱器稍貴，于是有人將原因歸結到人工費用上，但這并不是造成差價的根本原因。其實，根本原因在于波紋管換熱器的K值很大，能夠大幅度地減小S值，這才使得不銹鋼的用量、成本、重量均降低。但正因為雙管板直（光）管換熱器的價格高，才容易引起價高質優的片面聯想。

當然，波紋管的柔度大于直（光）管，剛度小于直（光）管，所以在設計波紋管換熱器時需要注意其區別。因為波紋管在軸向力的作用下產生的位移與其剛度有關，所以不能簡單地按照胡克定律來計算。

采用波紋管列管的雙管板換熱器，是彈性力學和傳熱學兩大技術的完美結合，是管殼式換熱器的一次革新。在選擇換熱器形式時，需要科學地進行判斷，進而做出正確的選擇。根據半導體行業的戈登·摩爾定律，質優價高并不是完全正確的，它將被產品的升級換代所打破。