基本介紹
- 中文名：擴展表面換熱器
- 外文名：Expanded surface heat exchanger
- 定義：在換熱管外表面增加翅片的換熱器
- 原理：利用附屬表面大量擴展換熱面積
- 優點：傳熱係數大大提高
- 分類：管翅式換熱器、板翅式換熱器等
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簡介
當兩股物流中一股物流的導熱係數比另一股小得多時，就出現了熱交換困難的問題。典型的例子是通過冷凝蒸汽去加熱一種不流動的氣體，例如空氣。單獨蒸汽的導熱係數通常是空氣流的150倍之多，結果總的傳熱係數基本上等於單獨空氣的傳熱係數，加熱面的單位面積的換熱量將很低，所以需要很長的管子來提供適當的容量。同樣問題的其它形式也出現於粘稠液體的加熱或冷卻以及流速很低的物流的處理中，因為在層流中熱傳遞的速率很低。
對於上述情況，為了節省空間和降低設備的成本，開發了一些特定的熱交換表面，稱為擴展的表面，而具有這種表面的散熱器稱為擴展表面換熱器。
換熱器及擴展表面換熱器
換熱器最普遍的分類是按照其結構特徵進行分類，可以分為管式、板式、擴展表面式、蓄熱式換熱器等。
管式換熱器
管式換熱器可用於高溫、高壓力、高流體壓力差場合，它又可分為管殼式、套管式和螺旋盤管式換熱器。
①管殼式換熱器。這一類換熱器的特點是易於製造，選材的範圍廣，換熱表面清洗比較方便，適應性強，處理能力大，能在高溫高壓下使用。管殼式換熱器是在化工生產中所有換熱器中使用最廣、效率較高的一種傳統的標準設備。由於管束和殼體結構形式上的不同，管殼式換熱器還可以進一步分為固定管板式、U形管式、浮頭式、填料函式、釜式等。這些管殼式換熱器都有其各自的特點，以適應不同的使用要求。
②套管式換熱器。主要有雙套管換熱器，由兩根同心管組成，冷熱流體分別在內管和內管與外管之間環形通道內逆流流動。這種換熱器清洗容易，適合於高溫、高壓工作條件。由於製造價格高，主要用在總傳熱面積小於20m的場合。
③螺旋盤管式換熱器。由一個或多個盤旋成螺旋狀的管子安裝在殼體內組成。螺旋盤管的傳熱係數高於直管。在單位體積內，螺旋盤管具有較大的傳熱面積，熱膨脹自由，但不易清洗。
板式換熱器
板式換熱器由光滑平板或波紋板等製成，換熱器的傳熱單元有直平板或卷製成螺旋狀板等種類。和管式換熱器相比，板式換熱器不能承受較高的壓力，流體之間的溫度差不能太大。板式換熱器又可分為板式、螺旋板式、傘板式和板翅式換熱器。
擴展表面式
上述所講的管式、板式換熱器主要是一次表面換熱器。該類換熱器的傳熱有效度通常為60%或更低，傳熱面密度通常低於700m/m。而一些套用中，需要更高(高達98%)的傳熱有效度，同時由於設備安裝空間和質量的限制，還要求設備具有更緊湊的換熱表面。但以氣體或液體為介質的換熱器，流體一側或兩側的傳熱係數相當低，這就要求有很大的換熱面積，因此增大換熱面積和緊湊度最常用的方法之一是增加擴展表面，根據具體的設計要求選取翅片密度(翅片頻率，單位為翅片數/m)儘量大的翅片。另外，根據設計不同，翅片一般可以將原換熱一次表面的面積增加5～12倍。
擴展面上的傳熱係數可能高於或低於無翅片表面。例如，不連續(條型、百葉等)翅片既增大了傳熱表面積又增大了傳熱係數，而管內翅片在增大管內面積的同時會降低傳熱係數，這取決於翅片間距。一般來講，增大翅片密度會降低與翅片相關的傳熱係數。不連續翅片(如錯位條型翅片、百葉型翅片等)的傳熱係數比相應的平翅(無切口)增大了2～4倍。
蓄熱式換熱器
蓄熱式換熱器又稱蓄熱器，是一個充滿蓄熱體的蓄熱室，熱容量很大。不同溫度的兩種流體先後交替地通過蓄熱室，高溫流體將熱量傳給蓄熱體，然後蓄熱體又將這部分熱量傳給隨後流入的低溫流體，這種傳熱是間歇進行的。在蓄熱體中的熱量是交替地儲存和放出的。使用於氣體一氣體之間的換熱，其熱效率可達85%。常用於高溫氣體的冷卻、空氣預熱和廢熱回收等。其主要缺點是當冷熱流體交替流進蓄熱體時，不可避免地帶走一部分滯留在蓄熱體內的另一流體。
分類
板翅式和管翅式是兩種最常用的擴展表面換熱器。
板翅式換熱器
這類換熱器的組成包括：波紋型翅片(最常用的為三角形或矩形截面)，或並列板片問的定距片(指的是板片或隔板)，如圖1中（a）所示。有的翅片帶有圓角並與扁管(指前面提到的成形管)做成一體，這樣可以不用邊緣封條。如果液體或相變流體流經另一側，常將隔板換成扁管，可能帶內插物也可能不帶(如圖1中（b）所示)。另一種板翅式結構帶有拉制外圈(如圖1中（c）所示)和管芯u結構。
圖1
板片或扁管將流體分為兩股，翅片形成單獨流道。每一流體都平行地連於管箱，以形成換熱器兩個或更多的流道。翅片採用沖模或輥壓成形，然後採用硬釺焊u、軟釺焊、附著粘合、焊接、鉚接或擠壓的辦法裝配成形。翅片可用於氣一氣換熱場合，用於氣一液換熱時，翅片通常僅用於氣側，用於液體側時主要是出於增加結構強度及加大流體混合的原因。翅片有時也用於承受壓力和增加剛性。
在歐洲，板翅式換熱器也稱為一組換熱單元。板翅可以分類如下：1、平直翅片(即無切口)，如三角型翅片和矩形翅片；2、普通波型翅；3、不連續翅片，如錯位條型、百葉型等。條形翅片也叫錯位翅片、錯位桿形翅片、鋸齒形翅片或分段翅片。設計允許的情況下，各類不連續翅片廣泛地套用於工業中，這是因為與平直翅片相比，不連續翅片能夠更有效地利用材料的結構特點。
管翅式換熱器
這些換熱器可以分為傳統及特殊管翅式換熱器。對於傳統管翅式換熱器，兩種流體間通過管壁導熱進行熱量傳遞。然而，對於熱管換熱器(一種特殊類型的管翅式換熱器)，管子兩端封閉且作為隔離面(熱管)，兩種流體間通過分離壁以導熱的方式進行熱量傳遞，熱管內發生蒸發和冷凝。
套用
擴展表面，即翅片，最普通的情況是置於管子的外側以加大傳熱量。如果連線有翅片的表面的傳熱係數比另一表面的傳熱係數小得多，翅片就僅有明顯的總效果。隨著翅片和流體之間傳熱係數的增加，翅片效率下降。採用翅片的典型場合是需要向氣體傳熱或由氣體釋放熱量時。
在空冷器中，過程的熱量傳到大氣中散發掉了，而不是傳給水。在估計其使用價值時，有必要在全空冷系統和全水冷系統之間進行適當的比較。後者不僅包括換熱器，而且也包括水分布系統、冷卻塔等。當環境溫度比較低時，如果過程溫度超過60℃，除非有某種特殊的環境條件限制，否則空冷換熱器可能是最好的選擇。短翅片管廣泛用於管殼式換熱器中。壓降將會稍高一些，但在傳熱方面的效益是值得的。由於傳熱面積大，熱強度較小，污垢不那么容易產生，管材也不會烘烤得那么厲害，所以翅片管常常對結垢更具限制力；而且由於不均勻膨脹所產生的應力，翅片的鋒利輪廓會導致許多污垢脫落。
一組垂直放置的縱向翅片管可用於固體顆粒的加熱，固體從管子和翅片之間的縫隙處流下。這種方式傳熱不是很迅速，然而不用機械攪拌，而機械攪拌是要設備投資的。因為沒有傳熱流體(如空氣)的加熱和損失熱量，這種場合的熱經濟性是高的。
向液體加熱。有一些特殊設計的帶有擴展表面的管子，用以向液體傳熱。這些設備大部分是用於加熱燃料油的。常常在套管設計中採用帶有釘頭或齒形翅片的管子。這些設計在基本上是層流的情況下成功地進行了良好的傳熱操作，但尺寸範圍和材料選擇一般都受到限制。
