探析供暖换热器节能技术

程振需

郑州裕中能源有限责任公司 河南郑州 452375

随着经济的发展，企业不断的创新，自步入21世纪以来，我国将发展的目光放在节能减排的方向中来，这是由于前期我国主要发展重工企业，直接对我国的环境造成不可挽回的损失。能源问题越来越突出，环境问题也逐渐暴露出来，为了贯彻可持续发展战略，为后续发展提供资源支持，需要进一步的减少各种重工业以及能源浪费现象严重的产业，同时，为了提高人们的生活环境，提高居民的生活质量，我国将大力发展节能企业。

1 换热器发展历程

换热器作为工业生产中不可缺少的重要设备之一，对工业的良性发展有着重要的促进作用。从1920年第一台板式换热器问世，一直到现在已经出现了多种类型的换热器，这些换热器结构不同、性能不同，使用环境与条件亦有差异。由于过去我国关于换热器的研究较少，理论基础比较薄弱，同时受到换热器制造工艺的限制，以及技术水平不足的影响。最开始制造出来的换热器结构都比较简单，比如蛇管式换热器就是早期换热器的一种典型结构，这种结构的换热器拥有较大的体积，体型非常笨重，并且传热面积较小，换热效率不高。随后后续制造工艺的发展以及技术水平的提升，管壳式换热器开始得到应用，这种换热器传热面积较大，具有良好的传热效果，在工业生产中得到长期的应用。

在上个世纪20年代左右，板式换热器正式问世，板代管制作的换热器具有较好的传热效果，结构也更为紧凑。经过10年的发展，瑞典国家成功制作出了螺旋板换热器，紧随其后的是英国，也制作出了板翅式换热器，这种换热器采用的材料为铜与合金，制造工艺为钎焊法，主要用来为飞机发动机提供散热效果。再之后，板壳式换热器的出现，开始用于生产纸浆，在换热器发展过程中，各国为了解决腐蚀性介质换热问题，逐渐开始寻找新型材料作为制作换热器的原料。到了20世纪60年代左右，随着高精尖科学技术与空间技术水平的提升，对换热器的性能要求也越来越高，受到密封技术、冲压技术等工业技术的影响，换热器制造工艺也逐渐变得更加完善，紧凑式换热器得到了快速的发展与应用。为了适应高压与高热作业条件以及节能需求，提高传热效能，又出现了管式换热器。到了21世纪之后，在工业装置中有很多强化传热技术得到应用，为了进一步的降低能耗，节约能源，达到节能减耗的目标，促进工业生产综合效益的提升，国内外在几十年的发展中，陆续推出了多种高效能的新型换热器，下面将对市场上的换热器类型作简单介绍。

2 简述换热器的分类

简单而言，市场上的换热器大致分为以下几个种类：冷凝器、蒸发器、再热器、过热器。若从制造热交换器的材料来划分，大致分为以下几种材料：金属的、陶瓷的、塑料的、石墨的、玻璃的。单从热换器的温度来划分：温度大致保持在恒温状况下的热交换器，此类热交换器不会随着时间的变化而改变温度或者热流的大小；温度工况不稳定的热交换器，此类热交换器的特点就是随着时间的变化，传热面的温度以及热流都在不断变化。

我国目前而言，取暖设备开始走向多样化，并且开始创新，以满足社会发展的需求。在冬天，传统的取暖设备开始被淘汰，更多的是趋向于节约型、简便型发展，通过大量的科技投入，给客户更好的使用体验[1]。

常见的换热器按换热部件的特点分析，主要分为以下几个换热器：管套式换热器、管壳式换热器、翅片管式换热器、板式换热器（包括板片式换热器和板翅式换热器）等。

2.1 套管式换热器

所谓的套管换热器，就是将不同直径的两根管理套成同心套管，以此为主作为元件，之后将多个元件进行连接，制作成一种换热器，在换热器的工作室内，两种流体主要以纯顺流或者纯逆流的方式进行流动。以此来看，套管式换热器的主要优势有：主要是结构较为简单，并且能够适用于高温、高压等流体，尤其是对小容量的流体的热感更加地准确[2]。除此之外，在清洁的角度来看，做成内管后可以将套管抽出以此来进行清洁工作的开展，可以将污垢清洁干净，简单而言，对于一些易于产生的流体，套管式换热器更加适用。除去优点，套管式换热器的缺点就是流动时产生的阻力较大，那么导致金属的消耗较大，加之管间的接头比较多，那么就会导致泄露的机率加大，并且套管式换热器的体积较大，导致占地空间较大，在这种情况下，套管式换热器多应用于传热面积较小的换热器。

2.2 管壳式换热器

管壳式换热器，在热交换器的操作中属于通用的工艺设备，其主要的方式就是将封闭在管壳中的管束壁面以此作为传热面进行的捡币式换热器。这种结构从工艺的角度来看，结构非常的简单并且操作简易并且非常的可靠，在这种条件下，通常各种各样的金属材料都能够制作出来，对材料的要求较低，并且能够在高温、高压的情况下正常使用，管壳式换热器的优势较为突出，因此在一些重工业中使用的较为普遍，例如：化工、石油化工、电力、冶金等行业[3]。并且在一些制造业例如：造船业、航空、供热部门的使用也较为常见。管壳式换热器在冶炼和化学加工行业的中应用较为广泛，对于企业的生产起到至关重要的作用，能够促进企业的发展，节省成本，降低能耗。

2.3 板式换热器

板式换热器，其主要组成部分就是高效传热博文板片和框架组成。在固定压紧板和活动压紧板之间，将板片利用螺丝进行固定，以此，换热器内部就会形成多个流道。利用橡胶将板与板之间的缝隙进行密封。为了确保与外界之间的联系，在压紧板上设置了专门的沟通管道。采用的板片多是一些优质、抗腐蚀的金属薄板，对流动的扰动，并且能够确保流体在低速的环境下进行湍流的目的，既能够平稳流动，又不至于流动过快，避免不必要的隐患。进而，低速流动的流体能够起到传热效果的同时，并且还能够最大程度地降低由于流速过快导致的资源流失，起到一定的节能的作用，并且还能够起到热能传递的作用。

2.4 热管换热器

在换热器中，热管属于高导热性能的传热元件，其传热性较高，并且能够在密封的真空管道内进行工质的蒸发与凝结，以此实现热能的传递，热管的优点有：传热性较快、导热性较强、恒温性较高、可以任意转换两面的冷热传递，并且还可以进行远距离的热传导，并且能够对温度进行控制等优点[4]。但是，热管的缺点也较多，例如：抗氧化、耐高温等性能较低，简单而言就是无法承受高温度，并且极易氧化，但是面对这一现状即可通过在前部安装一套陶瓷的转换器来避免氧化，这是由于陶瓷换热器能够很好地解决热管换热器面临的氧化、不耐高温等情况。在换热器中，将热管作为转换器，能够很好地提高热传递的性能，并且结构较为紧凑、流量阻力小、利于露点腐蚀等一系列的优势。目前，热管换热器主要应用于冶金、化工、炼油、锅炉、陶瓷等行业。能够很好地起到节能减排的作用，降低企业耗能，提高企业的经济效益。

3 换热器提高效率的研究

3.1 管内螺旋流动为研究对象

在换热器的运行中，将管内螺旋为研究对象，以换热管内置扭带作为模型进行研究，通过数据和数值的模拟，来对管内螺旋流动进行详细地分析，并且对扭带和雷诺数值进行详细地比较和分析，通过研究对比可知，通过扭带可以促进管内流体促使螺旋进行流动，并且加快了管内的流动速度，随之而来的就是管内的次流也会增强，边界层和传热边界层内会减薄，进而实现管内对流换热的能力[5]。通过大量的调查研究可知，管内的截面积沿轴向没有发生明显的变化，并且流体在运行中未发生旋转或者是回流，流体在流动中总体而言流速平稳、畅通。

3.2 以管外螺旋流动为研究对象

在研究中将外螺旋作为主要的研究对象，将螺旋扭片作为转换器的模型，通过大量的研究表明，管外螺旋和管内螺旋在流动过程中，传热机理相同，以此来提高热能系数。由于管外螺旋在流道内的横截面积不会出现变化，并且流体在运行中未发生旋转或者是回流，扭片的作用范围较小，并且对流体的影响也是作用甚微。

4 换热器未来研究中需要考虑的问题

当前针对换热器换热的研究常处于初级阶段，很多理论研究数据还不是很健全，尤其是肋片的实际应用研究以及优化设计研究相关的理论参考数据不多，推导与解析换热公式信息也比较少，当前通常都是根据试验来得出的经验公式和模拟数据。

针对换热理论体系来说，当前还不足以支撑换热理论的研究，还需要不断地完善换热理论体系，提高体系研究的系统性。

在进行换热器理论研究的过程中，会受到多种因素的影响，导致试验结果缺乏精确性，比如试验的整体环境、采用的试验方法、试验用到的各种材料以及试验用仪器的精度等，都会对试验结果产生直接影响。同时，对于某一方向的问题进行研究时，可能会出现多种有分歧的结论，无法统一试验的结果判断，不同人员的意见存在争论，无法对后续的实践开展提供有效支持。

在当前的换热器研究中，大部分都是针对一位与二维换热的研究，我国对于三维换热模型尚处于起步阶段，缺乏足够的理论基础作为指导。此外，在进行一维与二维传热模型的研究只能够可以了解到，开展此研究的前提条件设置要求太过严格，很难获得具有实用性的研究结论。

由于当前针对换热器的研究很多是处于试验基础上得出来的，所以换热理论的严谨性依然不足，在后续研究应用方面存在着较大的局限性，还需要进一步的完善理论基础，为开展换热器研究提供可靠地理论支撑。

针对新型换热管来说，形状太过于单一，而对于新形状的研究也不多，当前主要集中在矩形与圆形形状的换热管，缺乏对于新形状的换热管研究，所以换热管型效率无法得到有效的提升。同时，对于换热管的排列方式以及排数的影响研究也比较少，不能够掌握排列方式与排数对换热性能与效率之间的关系，缺乏具体的理论体系作为参考，试验研究依然是换热管性能研究的主要方式，根据试验得出的经验公式缺乏严谨性，针对管排数的换热理论体系还需要不断的完善。

换热效率通常作为换热器性能判定的主要指标，但是并不能作为设计换热器类型的参考标准，对于具有高换热效率的换热器来说，其换热效果可能并不是最优化的，同时其制造成本也可能不是最低的。为了更好的衡量换热器整体性能，应当选择摩擦因子以及传热因子作为主要参考指标较为适合，但要注意的是，摩擦因子和传热因子缺乏完善的换热最优化的统一理论，如果单纯增加或减小传热因子与摩擦因子数值，对于衡量换热器换热性能来说并没有实际意义。

5 结语

综上所述，随着经济的发展，节约型的技术受到各界人士的追捧，作为新型能源，换热器的发展前景良好，并且对国家的发展起到一定的影响。但是就目前而言，对于换热器的技术仍需创新，在目前的应用中，存在诸多的问题急需解决，这就需要相关技术人员不断加强研究，通过技术的创新，实现成本的节约，为企业的健康可持续发展打下坚实的基础。