緊湊式換熱器

緊湊式換熱器是一種高效、緊湊的新型換熱器，目前在食品、熱能動力、化工、冶金等部門已被採用。屬於這類換熱器有板式換熱器、螺旋板式換熱番和板翅式換熱器等。這類換熱器的最大缺點是承壓能力較差，不能用於壓力較高的介質換熱。 ^[1] 

緊湊式換熱器包括殼體，殼體內設置列管、蒸汽進口、凝結水出口、被加熱水進口、被加熱水出口，其特徵在於列管的側壁上具有半圓形波峯，半圓形波峯的外表面上具有穴點。 ^[2] 

根據不同的工藝條件和操作工況，近年來開發設計了多種不同結構形式的緊湊式換熱器，已在石油、化工和製藥等行業得到了廣泛的應用，並取得了較大的經濟效益。其中，板式、翅板式、螺旋板式、翅片管式、熱管換熱器尤為突出，且在目前及未來的工程應用中具有較為廣闊。 ^[1] 

隨着科技的發展及某些新興學科的興起，對換熱器提出了新的要求，出現了許多新型的緊湊式換熱器，這些換熱器具有高效、緊湊、可靠性好等優點，在中、低壓範圍內大有取代殼管式換熱器之勢。其中，板式換熱器與板翅式換熱器是兩種最有前途的換熱器，現介紹其特點和工程中的應用。

(1)板式換熱器

板式換熱器是一種高效、緊湊的換熱設備。由於板式換熱器在製造和使用上都有一些獨特之處。因此，目前板式換熱器已經廣泛應用於石油、化工、輕工、電力、冶金、機械、能源等工業領域，成為換熱器家族中一種極有競爭力的品種。

(2)板翅式換熱器

板翅式換熱器最初應用於航空工業，後來引入低温工程領域，目前已開始應用於製冷領域，如荷蘭的學者把板翅式換熱器引入到氨製冷系統中，並對其特性進入了初步的研究，證明了板翅式換熱器應用於製冷領域的可行性。翅片是板翅式換熱器中最重要的部分，傳熱過程主要是通過翅片來完成的，目前常用的翅片有平直翅片、鋸齒形翅片、波紋翅片、多孔翅片、百葉窗翅片、釘狀翅片等形式。 ^[3] 

關於緊湊式換熱器的特徵，包括下面幾個方面：

1．通常有擴展表面；

2．換熱表面有較高的比表面積(換熱面積與容積之比)，通常在氣態流體側超過700m²/m³；

3．較小的水力直徑；

4．通常至少有一側是氣體；

5．因為水力直徑小，流體必須乾淨，相對無污染，否則流道很難清洗；當中等程度的污染不可避免時，通常用光滑整體翅片；

6．對流體泵功(即壓力降)的設計，約束條件和傳熱速率同樣重要；

7．由於採用釺焊、機械脹管等方法將薄翅片與平板或(和)管連接在一起，與殼-管式換熱器相比，操作壓力和温度有一定的限制；

8．緊湊式換熱器的迎面面積大，流動長度短，所以，端頭設計決定着流動是否均勻分佈；

9．流體的污染程度一般不成問題；

10．表面積的多樣性，換熱表面有不同數量級的表面密度；

11．冷熱兩側換熱面積的柔性分配隨設計者意願靈活設計。

製造翅片的材料取決於一定使用場合的操作温度：低温到中温的場合，翅片可由鋁、銅、黃銅來製造以保證較高的翅片效率；高温場合則要選用不鏽鋼和熱阻合金，這些材料會減少翅片效率，因而，要儘量選擇適當性能好的表面材料來避免翅片效率的降低，或者，翅片厚度也要相應減少。製造採用釺焊或焊接，在低温到中温使用場合下，翅片可以機械接合，低翅片可以擠壓而成。 ^[4] 

緊湊式換熱器(主要是板面式換熱器)自20世紀30年代開始應用以來，在石油化、核工業、航空航天等工業領域內的發展相當迅速，其應用也日益廣泛。近年來，隨着強化傳熱理論的不斷完善和機械製造工藝水平的不斷提高，國內外湧現出了許多新型高效的緊湊式換熱器。這些新型高效的緊湊式換熱器通常是通過合理佈置傳熱面，改善傳熱表面結構及使冷、熱流體儘量按照完全逆流或接近完全逆流的流動方式流動來強化其內部傳熱過程，從而不斷提高其傳熱效果。因此，當今緊湊式換熱器的技術發展趨勢是：繼續提高單位體積傳熱衙積，耐高壓、高温和耐腐蝕新材料的應用，擴散熔合焊和超塑性成形等先進製造工藝的研究，多相流傳熱機理及基於CFD（計算流體力學）技術的設計新方法的研究等。

在適用性方面，由於新材料的應用和製造工藝的發展，使得不鏽鋼板翅式換熱器、鈦制板翅式換熱器、石墨改性碳纖維增強聚四氟乙烯板翅式換熱器、陶瓷材料的板翅式換熱器等新型緊湊式換熱器在高温、高壓、腐蝕等惡劣工況下獲得推廣應用。

在製造工藝方面，真空釺焊工藝已被世界各國的板翅式換熱器生產廠家所接受，大型真空釺焊爐的生產能力也不斷提高。對於高熱流密度的傳熱表面的開發研究也進展迅速。另外，新型材料如不鏽鋼和鈦之間的焊接工藝也日漸成熟，為新材料在緊湊式換熱器中的應用奠定了基礎。

在研究方法方面，由於緊湊式換熱器的結構形式複雜多樣，內部流動異常複雜，當前國內外許多學者在傳統的理論分析與實驗研究的基礎上，開始依靠通過CFD方法模擬計算來評價、選擇和優化緊湊式換熱器的設計方案。

在尺度方面，一方面緊湊式換熱器為了滿足工業生產規模的不斷擴大，日益向着大型化發展，另一方面為了順應電子、超導、醫藥等行業的發展需求，也在向小尺度即微小型化方向發展，出現了微通道內流體流動與傳熱的新興研究領域。 ^[5]