[科普中国]-扩展表面换热器

扩展表面换热器是指在换热管的外表面通过采用翅、钉子、圆片及其它附属表面来大量增加或扩展换热面积的换热器。这种换热器的换热面密度(单位容积下的面积)高于在相同的外径、布置和间距下的光管式换热器。增加扩展表面，使得换热器和流体接触的外表面积比内表面积的大得多，从而使换热器总的传热系数得到极大的提高。1

简介当两股物流中一股物流的导热系数比另一股小得多时，就出现了热交换困难的问题。典型的例子是通过冷凝蒸汽去加热一种不流动的气体，例如空气。单独蒸汽的导热系数通常是空气流的150倍之多，结果总的传热系数基本上等于单独空气的传热系数，加热面的单位面积的换热量将很低，所以需要很长的管子来提供适当的容量。同样问题的其它形式也出现于粘稠液体的加热或冷却以及流速很低的物流的处理中，因为在层流中热传递的速率很低。

对于上述情况，为了节省空间和降低设备的成本，开发了一些特定的热交换表面，称为扩展的表面，而具有这种表面的散热器称为扩展表面换热器。

换热器及扩展表面换热器换热器最普遍的分类是按照其结构特征进行分类，可以分为管式、板式、扩展表面式、蓄热式换热器等。

管式换热器管式换热器可用于高温、高压力、高流体压力差场合，它又可分为管壳式、套管式和螺旋盘管式换热器。

①管壳式换热器。这一类换热器的特点是易于制造，选材的范围广，换热表面清洗比较方便，适应性强，处理能力大，能在高温高压下使用。管壳式换热器是在化工生产中所有换热器中使用最广、效率较高的一种传统的标准设备。由于管束和壳体结构形式上的不同，管壳式换热器还可以进一步分为固定管板式、U形管式、浮头式、填料函式、釜式等。这些管壳式换热器都有其各自的特点，以适应不同的使用要求。

②套管式换热器。主要有双套管换热器，由两根同心管组成，冷热流体分别在内管和内管与外管之间环形通道内逆流流动。这种换热器清洗容易，适合于高温、高压工作条件。由于制造价格高，主要用在总传热面积小于20m2的场合。

③螺旋盘管式换热器。由一个或多个盘旋成螺旋状的管子安装在壳体内组成。螺旋盘管的传热系数高于直管。在单位体积内，螺旋盘管具有较大的传热面积，热膨胀自由，但不易清洗。2

板式换热器板式换热器由光滑平板或波纹板等制成，换热器的传热单元有直平板或卷制成螺旋状板等种类。和管式换热器相比，板式换热器不能承受较高的压力，流体之间的温度差不能太大。板式换热器又可分为板式、螺旋板式、伞板式和板翅式换热器。2

扩展表面式上述所讲的管式、板式换热器主要是一次表面换热器。该类换热器的传热有效度通常为60%或更低，传热面密度通常低于700m2/m3。而一些应用中，需要更高(高达98%)的传热有效度，同时由于设备安装空间和质量的限制，还要求设备具有更紧凑的换热表面。但以气体或液体为介质的换热器，流体一侧或两侧的传热系数相当低，这就要求有很大的换热面积，因此增大换热面积和紧凑度最常用的方法之一是增加扩展表面，根据具体的设计要求选取翅片密度(翅片频率，单位为翅片数/m)尽量大的翅片。另外，根据设计不同，翅片一般可以将原换热一次表面的面积增加5～12倍。3

扩展面上的传热系数可能高于或低于无翅片表面。例如，不连续(条型、百叶等)翅片既增大了传热表面积又增大了传热系数，而管内翅片在增大管内面积的同时会降低传热系数，这取决于翅片间距。一般来讲，增大翅片密度会降低与翅片相关的传热系数。不连续翅片(如错位条型翅片、百叶型翅片等)的传热系数比相应的平翅(无切口)增大了2～4倍。3

蓄热式换热器蓄热式换热器又称蓄热器，是一个充满蓄热体的蓄热室，热容量很大。不同温度的两种流体先后交替地通过蓄热室，高温流体将热量传给蓄热体，然后蓄热体又将这部分热量传给随后流入的低温流体，这种传热是间歇进行的。在蓄热体中的热量是交替地储存和放出的。使用于气体一气体之间的换热，其热效率可达85%。常用于高温气体的冷却、空气预热和废热回收等。其主要缺点是当冷热流体交替流进蓄热体时，不可避免地带走一部分滞留在蓄热体内的另一流体。2

分类板翅式和管翅式是两种最常用的扩展表面换热器。

板翅式换热器这类换热器的组成包括：波纹型翅片(最常用的为三角形或矩形截面)，或并列板片问的定距片(指的是板片或隔板)，如图1-a所示。有的翅片带有圆角并与扁管(指前面提到的成形管)做成一体，这样可以不用边缘封条。如果液体或相变流体流经另一侧，常将隔板换成扁管，可能带内插物也可能不带(如图1-b所示)。另一种板翅式结构带有拉制外圈(如图1-c所示)和管芯u结构。

板片或扁管将流体分为两股，翅片形成单独流道。每一流体都平行地连于管箱，以形成换热器两个或更多的流道。翅片采用冲模或辊压成形，然后采用硬钎焊u、软钎焊、附着粘合、焊接、铆接或挤压的办法装配成形。翅片可用于气一气换热场合，用于气一液换热时，翅片通常仅用于气侧，用于液体侧时主要是出于增加结构强度及加大流体混合的原因。翅片有时也用于承受压力和增加刚性。

在欧洲，板翅式换热器也称为一组换热单元。板翅可以分类如下：1、平直翅片(即无切口)，如三角型翅片和矩形翅片；2、普通波型翅；3、不连续翅片，如错位条型、百叶型等。条形翅片也叫错位翅片、错位杆形翅片、锯齿形翅片或分段翅片。设计允许的情况下，各类不连续翅片广泛地应用于工业中，这是因为与平直翅片相比，不连续翅片能够更有效地利用材料的结构特点。4

管翅式换热器这些换热器可以分为传统及特殊管翅式换热器。对于传统管翅式换热器，两种流体间通过管壁导热进行热量传递。然而，对于热管换热器(一种特殊类型的管翅式换热器)，管子两端封闭且作为隔离面(热管)，两种流体间通过分离壁以导热的方式进行热量传递，热管内发生蒸发和冷凝。4

应用扩展表面，即翅片，最普通的情况是置于管子的外侧以加大传热量。如果连接有翅片的表面的传热系数比另一表面的传热系数小得多，翅片就仅有明显的总效果。随着翅片和流体之间传热系数的增加，翅片效率下降。采用翅片的典型场合是需要向气体传热或由气体释放热量时。

在空冷器中，过程的热量传到大气中散发掉了，而不是传给水。在估计其使用价值时，有必要在全空冷系统和全水冷系统之间进行适当的比较。后者不仅包括换热器，而且也包括水分布系统、冷却塔等。当环境温度比较低时，如果过程温度超过60℃，除非有某种特殊的环境条件限制，否则空冷换热器可能是最好的选择。短翅片管广泛用于管壳式换热器中。压降将会稍高一些，但在传热方面的效益是值得的。由于传热面积大，热强度较小，污垢不那么容易产生，管材也不会烘烤得那么厉害，所以翅片管常常对结垢更具限制力；而且由于不均匀膨胀所产生的应力，翅片的锋利轮廓会导致许多污垢脱落。

一组垂直放置的纵向翅片管可用于固体颗粒的加热，固体从管子和翅片之间的缝隙处流下。这种方式传热不是很迅速，然而不用机械搅拌，而机械搅拌是要设备投资的。因为没有传热流体(如空气)的加热和损失热量，这种场合的热经济性是高的。

向液体加热。有一些特殊设计的带有扩展表面的管子，用以向液体传热。这些设备大部分是用于加热燃料油的。常常在套管设计中采用带有钉头或齿形翅片的管子。这些设计在基本上是层流的情况下成功地进行了良好的传热操作，但尺寸范围和材料选择一般都受到限制。5

本词条内容贡献者为:

王强 - 副教授 - 西南大学