套管式列管换热器发展前景简析

    长期以来，非接触式换热器一直是管壳式换热器一国独大的局面。然而近几十年来，这种平衡有所改变。
    这种改变是由于各种板式换热器的逐步开发和应用所带来的。板式换热器能够被深入研究和开发，固然是有其历史必然的。回顾换热器发展历程，虽然板式换热设备的充分开发只是近些年的事情，但是其理论和技术的出现却要早的多。但是人们最初舍弃了这种换热性能远远占优的换热器形式，而是选择并大量应用了管壳式换热器。当初人们之所以做出这种选择，原因很简单，只是出于强度考虑。板式换热器的结构强度远远低于管壳类换热器，所以不能够应用于高压或大多的中压场合。板式换热器的这个缺点是由其结构特点所决定的，所以在其自身范围内无法改变和突破，而它也就严重地制约了这种高换热性能换热器的应用和发展。形成了在最初的相当长的一段时期里，板式换热器没有受到人们喜爱的局面，其技术进展自然也相当可怜。即便是在其有了长足发展和应用的今天，仍然是由于其结构强度低的原因——这个自身无法逾越的痼疾，它的应用领域也仍旧局限在一定范围内。
    那么，既然是结构强度没有得到根本性的改变，近些年板式换热器又是怎样被重视起来的呢？这种变化是与世界经济的发展环境，尤其是能源发展环境的变化息息相关的。　　世界能源的日益紧张与危机，使得“节能”与“高效”逐渐受到重视，加之“节能——减排——环保”的概念日益深入人心，各国政府和机构都逐年加大了这方面投入的人力和物力，同时也取得了许多可喜的成果。很显然，板式换热器这种高效的换热方式，也就顺理成章地受到重视，并进行了再次开发，且在其强度范围所能允许的范围内大量应用遍地开花。其技术发展也达到了前所未有的时刻。制造规格越来越大，结构形式越来越多。并出现了不可拆的焊合一体式板式换热器，尽管不能方便地拆洗，强度却有所增加。
    管壳类换热器由于始终受到普遍应用和重视，其理论研究的深度和设备改进的步伐都是板式换热器所不能比拟的。在新的节能及环保浪潮中，其技术和发展速度又有所提高。许多新型高效换热器不短涌现，如折流杆换热器、新结构高效换热器、高效重沸器、高效冷凝器、双壳程换热器、螺纹管换热器、螺纹锁紧环换热器、Ω环高压换热器、以及非金属换热器、稀有金属换热器等都是其代表杰作，这些新型高效换热器的出现已经并正在为飞速发展的经济和节约能源作出了不可估量的贡献。
    纵观换热设备的发展及演变历史，不难看出，在板式换热器广泛发展，管壳类换热器不再一国独大的今天，以下四个特点始终没有改变：
    1.结构强度高的管壳类换热器仍居于主导地位。
    2.管壳类换热器换热性能仍远低于板式换热器。
    3.板式换热器的结构强度仍远低于管壳类换热器。
    4.没有换热性能强同时结构强度高的理想型换热器。
    总之一句话：坚固者不高效（不节能），高效者（节能）不坚固。一直以来，虽然期望出现一种兼具二者之优的传热性能高结构强度好的理想形式的换热器是众望所归的事情，但这个目标显然不容易达到。　一方面，在板式换热器上采用诸如管壳类换热器的耐压的圆管结构是比较复杂的问题。即使是设计较合理的螺旋板换热器，
    由于其截面是螺旋而不是圆，设备强度也不尽理想。另一方面，在管式类换热器上采用类似板式换热器的高效换热的薄层换热结构也是有一定难度的。
    如板壳式换热器并没有从本质上融合二者的优点。退而求其次，在管壳类换热器的技术改进中，人们把主要精力放在以下三个方面上：
    1、换热管直径尽量的细小，这样，管子半径越小，单位距离温度梯度越大，有利于获得较高的换热系数。
    2、使管子内外表面变化，增加湍流程度及汽化功能，加槽道、波纹、翅片等等。
    3、改善管外液流方式：多程，错流，折流，导向等等。
    以上变化，都在很大程度上改善或强化了传热，但由于不改变管内流体的柱状流动状态，不改变圆管内流体传热的规律，不改变管内滞流层厚度（热阻最大），所以传热性能和传热系数难以有大幅度的提高，仍与板式换热器在换热强度上有较大的差距。令人欣喜的是，最新出现的一种管壳类换热器——套管式列管换热器，在寻求解决以上的诸问题方面作出了有益的探索。
    首先，这种结构新颖的换热器，其结构改进重心，不是类似于过去的诸般改造，它不着眼于管外的流体，也不着眼于管径的缩小和管内外表面的结构形式，而是着眼于转化板式类薄层换热结构包含于管壳类换热器之中，着眼于将板式换热器高换热性能和管壳类换热器高强度结构寓含于一体的一种结构巧妙意义深远的新式换热器。仔细分析这种套管式列管换热器的原理，应该说：结构是新颖的，构思是巧妙的，设计是成功的，理论是独到的，实践上也是可行的。
    套管式列管换热器的核心是由众套管形成的套管束，其设备主要结构（见图）由筒体、封头、管板及套管束等组成。两侧封头与筒体相连，筒体两端各固定两道管板，两端共四道管板。由套管束构成换热管束，管束中每组套管均由一根内管及一根外管组成。其中，套管中各外管固定在两道内管板上（上内、下内），套管中各内管固定在两道外管板上（上外、下外）。
    这种结构，在其加热器内部形成三个流体流动的空间：内流空间——封头与外管板之间及管束中各内管内部的空间构成；外流空间——由筒体、内管板及管束中各外管外部的空间构成；间流空间——由筒体、内管板、外管板三者之间及管束中各外管内部与各内管外部的环形流道在内的空间构成。很显然。这是一种十分新颖独特的换热器结构形式，由于它具有三个流体流动的空间，所以它不仅适用于二相流体的换热，而且它也适用与三相流体间换热。特别需要指出的是，它所具有的更重要的意义，还在于以下几个方面：
    （1）改善了设备换热性能
    这种换热器，在列管式换热器基础上加以改进，换热方式以薄层换热为主，这是一种理论上明显占有很大优势的换热方式，并且是实践上在板式换热器以及螺旋板换热器上已经普遍证明了的十分高效的换热方式，通过这种改进，换热器的换热系数和换热速率有一个很大的提高，将会是现有管壳类换热器所难以企及的。而换热器的广泛应用性，决定了换热器换热性能的较大改善，其结果不仅是对企业经济和工业发展有不可估量的有益效果，而且对节约能源和环境保护有比较突出的贡献。
    （2）增强了设备竞争力
    这种在列管式换热器上所做的巧妙的改进，通过薄层换热使换热器的换热系数和换热速率有一个很大的提高，将会使管壳类换热器与板式换热器在换热系数与换热性能方面的巨大差距缩小以至于消失，增强了设备竞争力。
    （3）开辟了新的换热理论
    这种换热器的这种改进设计，不仅设计构思了环形流道的模式，而且发明了环状流动的概念，奠定了双面换热的理论。
    这种改进不仅提供了一种利国利民的坚固高效的换热器设备，而且开启了传质与传热领域内一个新的极具生命力的研究方向，伴随着这一方向理论的探讨与深入，以及这一换热设备的日臻完善与开发，我国换热器领域的研究与制造水平在世界舞台上又将有一个质的飞跃。
    （4）对板式换热技术的进一步发展有促动作用　　这种换热器的这种改进设计，实质上也是将管壳换热器的坚强结构借鉴到板式换热器中的板式换热这种优质的核心上来，使得板式薄层换热这种优质的心脏有一个坚强的躯体，解决了长期困扰板式换热器结构强度低，应用领域始终受限制的痼疾。当然这种新型高效换热器结构形式的出现，同样对现有板式换热器也是一个刺激和挑战，有利于技术进步和发展。
    （5）拓宽了换热设备的应用领域
    这种换热器新颖的结构设计，不仅仅是综合了管壳类换热器强度高及板式换热器换热强的优点，摒弃了二者的缺点，而且其传热性能更优于板式换热器，尤其是它具备速冷速热能力和具有较小的换热温差二大优势，这都能增加换热单元设备的应用范围，增加工艺设计中传热操作的设计范畴，并且为以前一些受传热速率或温差限制的换热设计提供了可能性，如小温差回收热能，小温差冷却，以及快速精确恒温控制等等，其所以能够如此，这是由于板式换热器中虽然也是薄层换热，但二相流体的流道体积相接近，不区分目标流体和环境流体，而在套管式列管换热器中，被冷却或被加热的流体作为目标流体在环形流道中做环状薄层流动，而另一相流体做为环境流体同时在内流空间及外流空间流动，其体积远大于目标流体，温度变化较小，并与目标流体的终温值较小，所以可以取得较理想的速冷速热或极小温差换热的传热效果。
    （6）有利于理想型换热器的研究与探索
    尽管换热器已经历史悠久，结构种类五花八门，但是在当前科学技术都已经很发达的今天，应该说换热器还没有一种让人们觉得很理想的结构形式。始终居于主导地位的管壳类换热器换热性能不强，板式换热器换热性能强但结构强度低应用范围受限。
    所以，换热设备实际上是一种换热和强度不能兼顾的二无奈局面。套管式列管换热器在探索融合管壳式换热器和板式换热器二者优点，寻求提供一种理想型的可以作为更新换代的换热器结构形式方面，迈出了具有实质性意义的一步。这将刺激人们对这方面问题的重新重视和注意，加大投入研究和开发的力度，其结果不仅是换热理论和设备水平的又一次提高，也一定会对工业经济的发展做出贡献，对节约能源和环境保护有不可估量的促进意义。
    结语：总而言之，套管式列管换热器，不仅有结构上的创新，也有理论上的突破，不仅换热性能好，而且结构强度高，不仅为我们提供了新的产品，而且为我们提出了新的课题。
    所以可以说它是一个好技术，好产品。而一个好的技术总是会被重视的，一个好的产品也没有理由不会被市场所接受。而一个有价值的好项目，也就一定会在实践中展现它无穷的魅力的，所以我们有理由相信：套管式列管换热器，在不远的将来会与管壳类换热器和板式换热器三分天下，鼎足而立！