橢圓管換熱器

橢圓管換熱器是指一種利用橢圓形管將熱流體的部分熱量傳遞給冷流體，使流體溫度達到工藝流程規定的指標的熱量交換設備。橢圓管換熱器主要包括受熱面管子和連線受熱面管子的金屬板受熱面管子的截面為橢圓形。圓管換熱器存在易飄水、高風阻以及低效率的缺點，需要通過增加擋水板、加大換熱迎風面、增加換熱器排數、增加換熱器片數、加大迎風面積、降低風速來改善其性能，但這樣會使得初投資加大、運行能耗增加以及運行費用加大。橢圓管換熱器具有高性能、高風速、地風阻的特點。因此廣泛的套用於組合式空調機組、集約型空調箱、直流無刷風機盤管、乾表冷（DCC）、電子潔淨廠房以及捷運空調系統等領域。還詳細介紹了扭曲橢圓管換熱器、橢圓管換熱器在電子潔淨廠房以及捷運空調系統中的套用實例。

基本介紹

• 中文名：橢圓管換熱器
• 外文名：Oval tube heat exchanger
• 別名：橢圓管熱交換器
• 類型：換交熱設備
• 領域：能源
• 學科：熱力學

簡介

管殼式換熱器在能源化工、冶金、食品及造紙等領域得到廣泛套用。隨著現代工業技術水平的提高，對設備的換熱效率要求也越來越苛刻，強化傳熱技術在換熱器的研究中變得越發重要，但這項技術的實施存在一個幾乎難以避免的問題，即傳熱效率的強化提高是以流動阻力的增加為代價，甚至存在流動阻力的增幅到一定程度，相對提高的傳熱效率己失去意義的現象，反而帶來更大的技術難題或經濟損失。如何在強化換熱的同時使流動阻力也保持在較低的狀態，是目前強化換熱技術發展的關鍵，因此，高效低阻強化換熱元件的開發和研究具有重要意義。

圓管換熱器存在易飄水、高風阻以及低效率的缺點，需要通過增加擋水板、加大換熱迎風面、增加換熱器排數、增加換熱器片數、加大迎風面積、降低風速來改善其性能，但這樣會使得初投資加大、運行能耗增加以及運行費用加大。橢圓管形狀特點，空氣側阻力小，流體間的換熱係數增大；管內熱阻比較小，增加了管內流體的換熱量。橢圓管換熱器具有高性能、高風速、地風阻的特點，因此廣泛的套用於組合式空調機組、集約型空調箱、直流無刷風機盤管、乾表冷（DCC）、電子潔淨廠房以及捷運空調系統等領域。

橢圓管換熱器的特點

橢圓管換熱器對管外繞流而言將脫體繞流點延遲，可減小管外壓降;對管內流動而言，管道當量直徑減小，對換熱是有利的。同時，橢圓管管間距減小使得同樣的空間可以布置更多的換熱管。己有試驗證明，橢圓管換熱器的風側阻力、導熱係數、換熱效率等各項性能均優於圓管換熱器。橢圓管套用於製冷劑一空氣換熱器，可使管外空氣側壓降減小，換熱器換熱能力加強，使蒸發溫度升高、冷凝溫度降低，可提高空調系統COP。

橢圓管的優勢

（1）相對於圓管，橢圓管更容易實現緊湊布置，使整個換熱器整體體積減小，從而減小了占地面積。
（2）由於橢圓管形狀特點，空氣側阻力小，流體間的換熱係數增大；管內熱阻比較小，增加了管內流體的換熱量。
（3）橢圓管的換熱面積大於同等截面積的圓管，這是因為同等的橫截面積下，橢圓管的傳熱周邊比較長。
（4）橢圓管，強度高，基管冬季不宜凍裂，使用壽命長。
（5）由於橢圓管可以更緊湊的布置，前排管對後排的影響比較大，可以通過增大後排管的翅片間距，減小管外流阻，但是管排數不宜過大。

扭曲橢圓管換熱器

扭曲橢圓管換熱器作為一種新型螺旋截面高效換熱設備兼具有折流板換熱器傳熱係數高以及折流桿換熱器壓降低的特點，將扭曲橢圓管換熱器的構想套用於實際的換熱器生產製造，主要由瑞典的Alards公司和後來美國的Brown Fintube公司完成的。後來，美國的Brown Fintube公司，對扭曲橢圓管換熱器生產進行了改進，其公司的研究人員BlazoLjubici。等也對其傳熱與流阻特性進行了研究，扭曲橢圓管換熱器作為一種新型換熱設備己經逐漸在化工、石油、鋼鐵行業體現出其優勢，石化行業的套用數據表明，相比於普通折流板換熱器，該換熱器能節省成本近25 %。

扭曲橢圓管換熱器的結構

扭曲橢圓管換熱器是由圓管軋製成的具有一定導程的扭曲橢圓管作為換熱元件。橢圓形截面沿著管長方向呈螺旋形流道，這種螺旋橢圓形流道能使管程流體產生以旋轉為主要特徵的複雜流動以獲得較強的旋轉擾動，換熱器殼程靠相鄰管長軸處的點接觸支撐管子，省掉折流擋板，使扭曲橢圓管在換熱器殼體內的排列緊湊，減小換熱器的尺寸和質量，同時又能很好地克服換熱管的振動。殼程流受離心力作用而周期性改變流速和流動方向，加強了流體的縱向混合。同時，流體經過相鄰管子的螺旋線接觸點後形成脫離管壁的尾流，增加流體自身的湍流度、破壞流體在管壁上的傳熱邊界層，從而強化傳熱。

扭曲橢圓管換熱器的特點

傳統的管殼式換熱器採用光滑圓管作為傳熱元件，殼程採用折流板結構，具有安裝方便、運行可靠等優點。扭曲橢圓管換熱器除管內流體二次流的強化傳熱以外，相比於折流板換熱器而言還具有如下特點:

（1）殼程流體為縱向流。這種結構有效地減小了折流板換熱器殼程流體在流動過程中流動方向的不斷改變而帶來的壓降，避免了折流板與殼體連線部位的流動死區與結垢，增加了有效換熱器面積，同時縱向流的特點還能減少橫向沖刷換熱造成的換熱管的振動。

(2)殼程採用管束多點自支撐的結構。殼程流道由於自支撐的存在，具有一體化以及格線化的特點，殼程通道內流體由於格線化點的作用而周期性地衝擊換熱管壁面，強化流體的縱向混合，提高換熱器殼程的換熱效果。

捷運空調機組中橢圓管換熱器的套用

捷運列車空調機組功耗約占列車牽引動力的40 %，合理有效提高列車空調機組能效比(COP)是降低捷運能耗的重要課題。文獻提出了將橢圓管換熱器套用於捷運列車空調的構想，通過建立仿真模型，對原設計採用圓管換熱器的製冷系統與採用橢圓管換熱器的製冷系統進行了對比。結果表明:將冷凝器和蒸發器都用橢圓管最佳化後，製冷系統COP提升了12.4 %，製冷量提升了12.6%，可以選擇小號的壓縮機來進一步降低成本。此外，對強化管蒸發器最佳化的製冷系統進行了分析，結果表明，採用強化管蒸發器的製冷系統性能也有改善，略次於採用橢圓管蒸發器的製冷系統。因此，橢圓管換熱器套用於捷運列車空調機組中，對製冷系統性能改善顯著，對降低捷運列車能耗有重要意義。

橢圓管直翅換熱器作為乾表冷的優勢

當前，常規圓管換熱器技術普遍存在一些問題。

(1)風阻問題。當換熱器而風速為2.5 m/s時，6排換熱器風阻可達250 Pa，此時的風機能耗大，當風速提高時風阻增加。

(2)傳熱問題。圓管翅片式換熱器熱傳導性能提升已到瓶頸，現階段沒有有效措施，為提升換熱器的換熱量只能加大散熱而積，但同時也得加大換熱器的體積，增加了成本。

橢圓管技術用於電子潔淨廠房時，由於其迎風而風阻小，可大幅削減FFU循環風系統的空氣輸送動力，降低FFU系統能耗。同時，還由於其橢圓管的特殊結構，可以增大換熱器的換熱係數。

較低的迎而風阻

橢圓管換熱器是利用直徑9.52 mm的普通圓銅管，經過特殊擠壓製作成長軸=12.55 mm，短軸=8mm的橢圓管，其迎風而為橢圓的短軸方向。此時，假如兩種換熱器有相同的管中心距D,橢圓管的管間距為dl，圓管的管間距為d2，顯而易見d1>d2,d1-d2=2x(9.52-8)=3.04 mm,橢圓管可以形成比較大的空氣流道，對於相同迎風而積的兩個換熱器，在同等風量條件下，在相同管中心距時，可增加10%左右的管間淨流通而積，減小淨而風速，同時還可以有效減小橢圓管背風側的擾流，以上的2個因素都可減小風側阻力。

較高的導熱係數

(1)圓管經過擠壓成為橢圓管，管內而積略有增大。

(2)同時增大的還有銅管與空氣流體的換熱濕周。橢圓管比圓管有更大的換熱而積。

(3)橢圓管的長軸也加強了風側空氣紊流程度，提高了整體換熱效果，增大了導熱係數K,橢圓管用於換熱器可以起到強化換熱的結果，是一種管外強化技術的套用。
在供熱工況下，圓管和橢圓管換熱器在紅外照相機下的溫度分布情況，顯而易見，橢圓管與氣流換熱更為充分。