换热器发展现状与未来趋势研究综述

刘纪阳

（四川大学化学工程学院，四川 成都 610000）

换热器是一个具有百年发展历史同时广泛应用于制药、石化等工业领域的重要设备，其制造所涉及的理论知识较为广泛，包含制造技术、材料科学及传热理论等。在其发展初期由于理论知识发展不全面与不深入，其发展也受到了阻碍。20世纪80年代后，随着理论知识的健全与完善，其发展也更加迅速、应用也更加广泛。但随着近年来全球性的节能环保意识的提高，对于各类工业设备的节能环保设计要求也在提高，高效节能的换热器设计研究也得到了更多的重视。作为一种节能设备的换热器是许多轻重工业加工的必需设备，其重要性不言而喻，且其占据着工业设备总投资的重要比重。

1 换热器概述

1.1 换热器定义和分类

换热器是许多轻重工业必备的设备，如石化、动力、食品等工业。顾名思义，其工作原理即是将具有高热量的热流体的部分热量传递给冷流体以完成热量转换。热交换器在工业中所起到的作用有很多，如加热、冷却、冷凝及蒸发等，可以说工业中与热量相关的技术操作都需要换热器，这也是其应用广泛的原因之一。换热器的这种热量转移工作原理极大程度上帮助工业实现了节能，虽然在不同温度的流体之间的热能量的转移传递之时会有一定的损失，但除去这种损失，其极大程度的节约了能源，同时，其还完成了流体温度需要的指标与工艺条件工作，是大部分工业不可或缺的重要设备。

自蒸汽时代发展后，许多国家的工业都在不断发展进步，我国至今虽然仍为农业大国，但工业实力也是不容小觑，同时由于人口数量的庞大，对于各类行业的市场份额也较为庞大，换热器也是如此。据调查数据显示，我国的各类工业中对换热器的投资和应用占据了近乎总投资的一半。

在化学工业及炼油工业，甚至在海水淡化的工业中几乎全部是换热器设备，足可见其重要性。对于换热器的分类，按照根据不同分类不同，主要有四种根据即用途、温度、流体方向及传送热量方式等，按用途可分为预热器冷却器、冷凝器、蒸发器等，按温度可分为温度工况稳定的热交换器与温度工况不稳定的热交换器，按流体方向可分为顺流式、逆流式、错流式、混流式换热器，按传送热量的方法可分为低间壁式、混合式、蓄热式换热器。

1.2 换热器发展历程

换热器发展至今已有两百年的历史，其共经历了19世纪的探索阶段、初步发展的20世纪及至今的快速发展阶段，换热器从探索至现今完成了从无到有的完善过程。

对于19世纪探索阶段的换热器，出于工业应用的目的，其设计较为简单。金属体积较大的铸铁灯管制成就应用与钢铁化工等工业应用实践，虽然其能简单地进行应用，但极为简单的结构致使其传热效率极低且耗能严重，存在着极大的问题。故有研究者对其不断进行研究。19世纪50年代，有研究者对简易的铸铁管束换热器进行了一些改良，即炼钢炼铁的蓄热器。其成为当时较为热门的额换热器，虽然这种改良对简易铸铁换热器进行了缺陷的完善，但改良的相当有限。19世纪末期，德国又研发出了新型的板式换热器。

在探索阶段由于既缺乏相关理论知识，又缺乏一定的技术支持，所以只能制造一些不完善的换热器，到了20世纪的初步发展阶段，这个阶段已经具备了一定的理论基础与设计技术，即传热学等，所以这个阶段是换热器发展的一个新阶段。在此阶段发展最为迅速的则是管式换热器，虽然在探索阶段的最初铸铁换热器即是管式换热器，但随着时代的进步和技术的提升，铸铁管束成为了此种换热器突破的契机，如管壳式、套管式等，此种换热器不仅结构发生了变革，其管束材料也得到了革新，如从最初的铸铁变换材质成为钢、铜及铝等，这使得管式换热器的传热效率、承热能力及耗能都得到了一定的改善。

50世纪中期，换热器迎来了快速发展时期，其研究理论和制造技术具备了一定的体系，随着同时期的科技快速发展及时代进步，换热器随波逐流，各种特性及缺陷都被研究完善，如流动特性及传热机理等。与此同时，换热器的各个相关元件也得到了研究发展，如新型高效的传热元件热管及微通道换热器等，前者是极大的增强了一些换热器的导热能力，而后者则是一种新型的换热器，此种换热器最大程度的减少了热阻力及增大了热流量。随着时代的不断变革和科技的飞速发展，对换热器也提出了更高的要求，但同时也是以此飞速发展的机会，在现有科技的基础上，换热器不断创新，如印刷电路板换热器等，这些独具特色且完善的换热器在许多领域都有极好的应用前景，如高科技领域等。总之，纵观换热器的所有发展历程，其大致可以说是一个完善与创新的过程，在不断的弥补缺陷的同时再不断地进行换热器的特性创新。

2 换热器研究现状

2.1 国内研究现状

现如今，对于换热器的研究只要集中于对其换热技术的研究，如流体流态变化、元件参数等，元件参数的研究则主要集中于换热管的排列、排数及间距等。我国对于换热器的研究起步较晚，同时，缺乏相关的经验与技术创新，虽然有国外技术可以进行参照，但总体而言并不会有较大的优势。

首先，但我国的由于自身现如今的科技发展具有较大优势，迎头而上，对于换热器的各类研究也在逐渐完善和深入，但仍存在着一些问题与缺陷，如换热器理论研究仍不够完善，可进行实践的理论依据则更是有限，以致许多的公式都不是经过实践验证的，换热理论体系也仍然不能完善；其次，是由于试验条件等多方面因素的影响，导致研究出来的结论并不一致且存在较大分歧，所以此结论不具备一定的指导性与权威性；再次，是目前对于换热器的研究仅限于一维与二维，且研究的前提条件较为苛刻及并不具备普遍实用性，所以结论也不能对换热器的实际应用产生较大的推动；最后，则是已经通过实践建立起来的换热部分理论还存在着一些争议和缺陷，有待完善。

2.2 国外研究现状

国外对于换热器的研究都有着自身独特理解，同时，所研究的注重点也各有不同，其所研究的换热器技术大致可分为两类，即有源技术与无源技术。对于无源技术，法国主要偏向于滴状冷凝的表面处理与流式蓄热的位移强化，美国对于粗糙表明和螺旋管技术研究具有领先优势，英国对旋涡流、添加剂与开槽管具有一定的研究兴趣，德国和日本则是对扩展表面、多孔结构及直接接触式具有研究兴趣。

对于有源技术而言，其大致可分为机械辅助、表面振动、流体振动、射流、旋流及诱导流等。虽然许多国家对于这些技术都有一定的研究试验，但目前也只有旋流和诱导流进入了应用阶段，其他技术还停滞在研发阶段。

3 换热器主要种类介绍

3.1 管式换热器

在换热器探索阶段的铸铁管束换热器即是管式换热器，经过后来的发展完善，其逐渐成为换热器中普遍应用的存在，其间壁式的结构致使其具有操作可靠、结构简单及耐高温高压等优势特点。随着不断的完善和创新，管式换热器也出现了新型换热元件与高效换热器，目前，对于这些管式换热器的创新，其大多都是从管程结构改进和对壳程结构改进两方面出发，前者主要改变传热面积与加入管内插入物，后者则是改变管子的理化特性与壳程管间支撑物的结构。

管式换热器主要有4种典型，即螺旋槽纹管换热器、管内插入物换热器、折流杆式换热器及管翅式换热器，螺旋槽纹管换热器是一种通过高效异形传热管件改变传热面的形状而达到更好的换热效果的一种换热器，在20世纪中后期，许多发达国家对换热器的研究中就有螺旋槽纹管的研究，当时美国对此颇有成效，我国对此管也有所研究，最终得到了单头螺纹槽管，其综合性能较多头管具有一定优势，现如今对此类换热器的研究已经较为成熟，无论是理论体系和实践性能都较为完备。管内插入物换热器是一种通过在管内添加插入物以达到增强传热效率目的的换热器，在管内添加插入物不仅可以增加流体的流动，也可以增加近壁与流体中心的混合，从而增强传热效率，常见的管内添加物即是纽带与螺旋线等，这种换热器在曾强换热效率的同时也会便于设备升级。折流杆式换热器是在解决传统管壳式换热器的缺陷过程中诞生的，由于传统管壳式换热器的结构存在着易使换热管震动被破坏的缺陷。

为解决此问题，此换热器才诞生，其原理即是改变了壳程管间的结构以避免缺陷与增强传热，折流体结构不仅很好地解决了传统管壳式换热器的缺陷，同时，独特的结构也产生一些相应的优势，如不易结垢等。管翅式换热器是一种较为安全稳定的换热器，由于其结构紧凑及适用寿命长等优势被广泛应用于制冷行业，其主要原理即是在管外加装翅片以增强传热，对于此种换热器，我国进行了许多深入的研究，如对其翅片参数及形式影响传热的研究等。

3.2 板式换热器

板式换热器与管式换热器本质上是结构上的差异，相较管式换热器的管束，板式换热器主要是由波纹状的薄板按照固定间隔垫片紧压热诚，在同等条件下，板式换热器则更具优势，且是全方面的领先，如传热系数、压力损失及占地面积等，可以说性能较为齐全，但其有一个较为致命的缺陷，即密封周边长与需要经常清洗，同时其垫圈结构导致不能在高温高压情况下适用，这种缺点对于主要应用于工业方面的换热器是致命的，所以还是管式换热器应用较为普遍。

近年来，我国有研究者对板式换热器的缺点及各种特性进行了深入研究，如数值模拟获得速度场与温度场、新型微板点波换热器的创新及退火后污垢热阻预测等，这些都在节能环保理念的基础上与科技结合进行创新，无论是模型理论还是创新的不同形态的间隔板，虽然这些使得板式换热器的传热得到了增强，但对于其致命的缺点却是意义不大，研究进展不是很显著。

4 换热器发展趋势

随着环保理念的全球推行，各行各业都在进行实践，换热器未来应紧随环保理念而实现自身的大型化及高效节能化。目前，我国各类应用换热器的一些工业设备已实现了基本的完备制造体系，大部分工业也已基本能满足自身行业生产所需要。但仍存在着一个问题，即是换热器的升级转型，这个问题可以说明当前的换热器版本已跟不上各行业的发展步伐。

对于换热器的研究，各国始终都不曾放弃，无论是其理论体系的完善，还是其高新技术的研发，各国都已逐渐开始深入研究，虽然我国近年来也加大了对换热器的研究力度，但较发达国家而言仍存在较大差距，我国为解决此问题而出台并推行了一些新政策，如出台的围绕先进制造的积极政策及之后的能源发展十二五规划中的各项工业促进计划等，推进了我国能源业与制造业的发展进步，但相对而言，对换热器也是一次机遇，换热器是能源业与制造业不可或缺的必要设备，国家在推动发展能源业与制造业的同时也会带到换热器的技术研发与产业优化与发展，各行的轻重工业对换热器的需求量和要求逐渐增加，如石化、冶金等，同时，一些国家主张实行的一些大型工程也会增加对换热器的需求与要求，所以就会产生强大的拉动力，以实现换热器的技术革新与市场稳定增长，规模也逐渐庞大。

随着各类工业市场需求的持续增长，换热器的技术会不断革新，结构和性能也会多样化，随着国际和国家对环保理念的更加重视，换热器的节能环保特性也将成为主流，我国技术也意味着有更多的可能与创新潜力。总之，我国的换热器产业还处于快速发展时期，其未来的发展趋势仍是极为可观的。