波紋管換熱器

波紋管是在普通換熱管的基礎上經特殊工藝加工而成的一種管內外都有凹凸波形，既能強化管內又能強化管外的雙面強化傳熱管。從波形上分為螺旋形波紋和環形波紋二大類。由於螺旋型波紋管接頭部位難處理從而使其使用受限，故現在廣泛使用的是環形波紋管。其中環形波紋管分為波谷型波紋管、梯形波紋管、縮放管、波節管等幾大類。

波紋管換熱器堅固、耐用、安全、可靠等優點，同時又克服了其換熱能力差、易結垢等特點。缺點是抗氧化、耐高温性能較差。此缺點可以通過在前部安裝一套陶瓷換熱器來予以解決，陶瓷換熱器較好地解決了耐高温、耐腐蝕的難題。 ^[1] 

波紋管換熱器的結構按管板、殼體及其配合部分的形式可分為固定管板式、浮頭式、釜式、U型管式四種結構型式，與管殼式換熱器中的固定管板式、浮頭式、釜式及U 型管式四種結構型式大體上相同，所不同的是內部主要傳熱元件（換熱管）不同而已。波紋管換熱器採用帶波紋的換熱管，而管殼式換熱器採用光滑的直管作為換熱管。具體選用哪種類型的換熱器要根據工作條件全面衡量．同時應選擇合適的流速來提高傳熱係數。

1、傳熱原理

化工生產中的物質間熱交換常遇到的是温度不太高的流體間的熱交換，熱量自熱流體傳到間壁表面的一側，自間壁另一側表面傳給冷流體，以對流傳熱為主。對流傳熱是在流體流動的過程中發生的熱量傳遞現象，所以和介質流動的情況密切相關。在湍流流動的情況下，流體主流中由於旋渦叢生，流體各部分相互混合，所以熱阻很小，從而在流體流動方向垂直的截面上，湍流中心區各點流體之間的温度趨於一致。但在緊靠壁面處，總有一層流體膜順着壁面作層流流動，稱為層流底層。由於通過這層流體膜的傳熱是以導熱方式進行的，所以流體膜雖薄，卻是對流傳熱的主要熱阻，温度降也主要集中在層流底層中。

2、提高換熱係數的途徑

傳熱學傳熱速率公式如下：

式中：

——換熱量；

——換熱係數；

——換熱面積；

——傳熱温度差。

從公式可以看到，換熱量和換熱係數K成正比，要提高換熱器的熱交換能力，就必須想辦法提高換熱係數

值。

提高換熱係數K值有如下途徑：

1)減少層流層，增加湍流層，從而提高對流傳熱係數，由傳熱學得知，

值主要取決於對流傳熱係數，因此，必須設法同時提高流體兩側的對流傳熱係數。

2)減少傳熱距離，即減少換熱管壁厚。

3)提高傳熱係數，此問題可以通過選用導熱性能好的換熱管材料實現。

4)降低污垢熱阻，當污垢熱阻起很大作用時，必須設法減慢污垢生成速率或清洗。 ^[2] 

波紋管換熱器主要適用於管內外介質有加熱、冷卻熱交換的場合。其換熱管材料為碳鋼、銅、薄壁不鏽鋼。其內壁能改變流體流動狀態，外壁能增大傳熱面積和擾動，從而達到雙面強化傳熱的目的。

波紋管換熱器的傳熱係數是普通管殼換熱器的1.2～2.4倍，由於波紋換熱管的特殊波形截面具有很好的補償能力，管板熱應力不會出現因拉應力大產生裂紋而失效。 ^[1] 

1.傳熱效率高

波紋管換熱器是依靠獨特的傳熱元件—波節管來實現的。波節管特殊的波峯與波谷設計，使流體流動時由於管內外截面連續不斷地突變形成強烈湍流，即使在流速很小的情況下，流體在管內外均可形成強烈擾動，大大提高了換熱管的傳熱係數，其傳熱係數比傳統管式換熱器高 2—3 倍。

2.不污不堵不結垢，運行平穩。

波紋管在工作過程中，一方面管內外介質始終處於高度湍流狀態，使得介質中的固體微粒難以沉積結垢；另一方面受介質温差影響，波節管會產生微量的軸向伸縮變形，管內外的曲率會隨之頻繁變化，由於垢層和波節管的線膨脹係數相差很大，所以污垢和換熱管之間會產生較大的拉脱力，即使有水垢沉着也會因此破裂而自動脱落，從而使換熱器始終保持持久、高效的換熱性能。同時管路通道大，壓降小、節能效果明顯，也不存在堵塞問題。

3.具有自動補償功能

波紋管的特殊結構形狀，使其在受熱情況下，可有效的降低熱應力，無須加設膨脹節，從而簡化了產品結構，提高了產品的可靠性。

4、體積小，投資少省

由於傳熱係數明顯提高，因而相同換熱面積的情況下，外形尺寸減小，從換熱器的壽命及運行費用等綜合來考慮，相對投資較小。

5、採用優質的鈦材料，設備抗腐蝕能力高，設備使用壽命長。

6、體積小，佔地面積小，運行維護費用低。

7、獨特的完全自由成形工藝，沒有強烈形變，無晶間缺陷，應力分佈均勻。 ^[1] 

波紋管換熱器是從傳統的管殼式換熱器發展起來的，但是並不是所有的管殼式換熱器都可以用波紋換熱管。

目前常用的有四種型式換熱器：󰀁固定管板式換熱器；󰀁浮式換熱器；󰀁填料函式換熱器；󰀁U型管式換熱器。其中固定管板式換熱器最適合採用波紋換熱管；浮頭式換熱器和填料函式換熱器也比較適合；U型管式換熱器不適合，具體原因如下：

(1)固定管板式結構形式緊湊，強化傳熱效果明顯。波紋換熱管又有一定熱補償能力，在某些場合可省去按常規需要的膨脹節。

(2)使用填料函的目的與使用浮頭式的功能相近，都是為了保證管束有一定的自由伸縮，從而省去膨脹節，並易於清洗管束。如果在浮頭式換熱器和填料函式換熱器中採用薄壁波紋換熱管，那麼薄壁波紋換熱管具有的軸向補償功能就不能發揮出來。因此填料函式換熱器和浮頭式換熱器也不是較好的應用波紋換熱管場合。但是，採用波紋換熱管所達到的強化換熱效果與固定管板式的強化換熱效果一樣。

(3)用波紋換熱管彎制U型管難以實施。按GB151—89規定：󰀁32換熱管的最小彎曲半徑Rmin=65mm；󰀁=42換熱管的最小彎曲半徑Rmin=85mm。首先，因為彎曲半徑過大，布管數會明顯減少使整台換熱器的換熱面積鋭減。其次是由於波紋換熱管較薄，相對壁厚很小，彎制時極易起縐。

1、傳熱效率

波紋管由於存在波峯與波谷設計， 使流體流動時由於管內外截面連續不斷地突變形成強烈湍流，即使在流速很小的情況下，流體在管內外均可形成強烈擾動，大大提高了換熱管的傳熱係數。

2、換熱面積

與光管比較，波紋管的凹凸結構增加了冷熱流體的接觸面積，相同換熱能力下，能夠縮短換熱管長度。

3、結垢性能

流體流經波紋管的變截面後，產生小漩渦，不斷沖刷邊界層，在較低流速下形成湍流狀態，污垢不易聚集，阻礙了污垢層的形成。 ^[3] 

1、波紋換熱管用水進行液壓試驗後，應將水清除乾淨，當無法達到這一要求時，應控制水的氯離子含量不超過25ppm。實際使用中也應注意這一要求，避免不必要的損失。

2、尚沒安裝使用的換熱器應儘量避免露天存放。如果無庫房不得不露天存放時，應將各接口用防水材料封死，以避免雨水侵入而腐蝕換熱管。實際上有存放不當，尚未安裝使用即告腐蝕損壞的例子。據事後分析，有可能是換熱器內部有積水，積水蒸發濃縮後造成氯離子局部濃度增高，從而導致腐蝕損壞。

3、還有，波紋換熱管由於抗彎能力差，尤其如釜式重沸器、容積式換熱器等對換熱管支撐較差的設備，應加強支撐結構佈置，防止運輸顛簸和使用時由於管子劇烈振動造成損壞。

4、單獨的波紋換熱管管束運輸時一定要製做托架。 ^[3]