波纹管换热器性能及效益分析
1、 引言
换热器是热能交换的主要设备，在热电联产、集中供热、石油化工、油品输送、冶金、轻工及宾馆、医院等领域具有广泛的应用。下面我要分析介绍的波纹管换热器，是我公司根据客户要求及借鉴外来经验设计研制的换热器，是一种新型的高性能的热交换器，是换热器家族中一个高新技术产品，也是我国自己研制与应用的唯一具有竞争力及优越性能的换热器。其具有高效、安全、可靠、节能、不易堵漏、密封周期长的，综合性优点，尤其适合在高温、高压的条件下实用。
本文根据传热学原理，对波纹管换热器的结构特点，进行了详细的理论及技术性能分析、经济效益和社会效益的分析。对今后压力容器行业换热器产品的更新改造有着较大的借鉴意义。
2 波纹管换热器的主要结构特点
2.1 传热原理
我们先来分析一下间壁两侧流体热交换过程:流体在圆管内流动时，分层流层和湍流层，介质在管内各点的速度随该点与管中心的距离而变，距离管壁附近流速最慢，为层流层，越离管壁较远处，流速越快，为湍流层。
物质间热交换过程有三种：热辐射、对流传热和热传导。化工中常遇到的是温度不太高的流体间的热交换问题,此时辐射传热通常可不予考虑。热量自热流体传到间壁表面的一侧,或自间壁另一侧表面传给冷流体,都属于对流传热。对流传热是在流体流动的过程中发生的热量传递现象,所以和介质流动的情况密切相关。即使是在湍流流动的情况下，流体主流中由于旋涡丛生，流体各部分相互混合，所以热阻很小，从而在和流体流动方向垂直的截面上，湍流中心区各点流体之间的温度趋于一致；但在紧靠壁面处，总有一层流体膜顺着壁面作层流流动，称为层流底层。在冷流体一侧，热量在传入冷流体主体之前，必须首先通过它。由于通过这层流体膜的传热是以导热方式进行的，所以流体膜虽薄，却是对流传热的主要热阻，温度降也主要集中在层流底层中。
图1为对流传热时沿热流方向的温度分布情况示意图。图中F1F1与F2F2为层流底层的界面，T`为热流体中心温度，也即最高温度，t`为冷流体中心温度，也即最低温度。在热流体的湍流主体中，由于流体质点充分混合，温度基本上是一致的，即图中T`。在层流底层内，由于热阻较大，温度急剧由Tb下降到Tw。在层流底层和湍流主体之间，存在一个温度逐渐变化的区域，称为过渡区，其中温度由T`下降到Tb。再往左通过管壁，因其材料通常为金属，热阻很小，因此，管壁两侧的温度Tw和tw相差很小，此后在冷流体内，又顺次通过层流底层、过渡区而到达湍流主体，温度由tw经tb下降到t`。图中曲线twtbt`和曲线T`TbTw的意义相似。
图1 对流传热时沿热流方向温度分布情况
2.2总传热系数影响因素
传热学传热速率公式如下：
Q=KA(T-t)-----------------------（2-1）
式中: Q------换热量
K------换热系数
A------换热面积
(T-t)------传热温度差
从公式（2-1）可以看到，换热量和换热系数K 成正比，要提高换热器的热交换能力，就必须想办法提高换热系数K值。
对流传热时根据传热学原理,圆筒型壁热交换管的总热阻公式为：
1/K=1/α1+b/λ(d1/dm)+1/α2(d1/d2)+Rs(d1/d2)-----（2-2）
式中: K------总传热系数
α1、α2------管壳程对流传热系数
b------换热管壁厚
λ-----换热管传热系数
Rs-----污垢热阻
d1、d2、dm-----分别为换热管内径、外径、中径
2.3提高换热器换热性能途径分析:
由2.1 间壁两侧流体热交换过程及公式（2-2）可以看出，要想提高热交换器的换热性能，就要努力降低总热阻1/K，既提高总热交换系数K值，从中不难看出提高换热系数K值有如下途径：
1）．减少层流层，增加湍流层，从而提高对流传热系数α1、α2：
由化工原理中有关传热学知道，K值几乎主要取决于对流传热系数，则必须设法同时提高流体两侧的对流传热系数α1、α2。
2）．减少传热距离，既减小换热管壁厚b。
3）．提高传热系数λ
可以通过选用导热性能好的换热管材料实现。
4）．降低污垢热阻Rs
当污垢热阻起很大作用时，则必须设法减慢污垢生成速率或勤予清洗。
2.4 波纹管换热器结构特点:
如图2所示为波纹管换热器的一般设计结构,其外表与普通换热器相同,壳程采用普通的圆筒形结构，其与普通换热器相比，最大的特点是管程采用薄壁不锈钢波纹式换热管,波纹换热管结构组件见图3，它是由壁厚为0.5mm～0.7mm的管料经过挤波器设备加工而成，使换热管壁形成一个个凸起，并经过与其焊接的管套，与管板进行强度焊接而成。
图2 波纹管换热器结构
图3 波纹换热管结构组件
3 波纹管换热器性能分析
3.1波纹管换热器换热性能分析:
(1)良好的对流传热性能
由于换热管壁制造成一个个的波纹,所以介质在管内流动时,其层流层被凸凹不平的壁面所破坏,这样就大大提高了介质的湍流层, 形成不断的旋涡式湍流流动,可达到更充分的换热效果，从而提高了介质间的对流传热系数α（可大约提高2～３倍），降低了对流热阻1/α，使波纹换热器具有良好的对流传热性能。
(2)良好的热传导性能
本设备波纹换热管采用不锈钢薄壁管制成，不锈钢具有良好的热传导性能，即热传导系数λ大。切采用０.5ｍｍ～0.7ｍｍ的薄壁管,这样就保证减小了传导热阻b/λ值。
普通换热器的换热管壁厚一般厚度达２ｍｍ～３ｍｍ,而波纹管换热器与之相比，同材质情况下可提高热传导性能２～３倍。所以它具有良好的热传导性能。
(3)较低的污垢热阻
由于换热管采用波纹形,所以介质在换热管内外壁流过时,增加了湍流流速,形成了一个个向前不断涡流流动的流态，大大减少了介质在换热管内外壁上积垢的可能，从而大幅度降低了污垢热阻Rs。
(4)单位容积传热面积大
由于换热管是由光管连续胀形,外表面形成一圈圈的波纹,所以内外表面积均比同长度的光管大,如用φ27X0.7光管制成后的波纹管表面积可以比原来增大20%左右，所以同壳径的换热器，装有同数量的换热管，装波纹管的可以比装光管的换热面积大。
从以上分析可知，波纹管换热器具有良好的热交换性能。
3.2波纹管换热器使用性能分析
(1)不污、不堵、不结垢
由于该设备的换热管采用不锈钢材料制成，换热管为波纹形的特点，增大了介质的湍流层，减少了易滞留积垢的平流层，大幅度减少了换热管内外壁积污的可能,故防堵性能好，管程耐蚀性好。不所以它照比其它换热器大幅度减少了设备的清理维护工作量，方便了用户的使用。最近证实首台换热器在浑河供热所已经使用五个供暖期仍不结垢，这足以证明新产品有很强的防结垢能力，从而也保障了换热器的稳定运行（换热效率不降低）。
(2)防漏能力强
因为每根换热管的各个波纹都具有自身补偿热胀冷缩的功能,因此不需要膨胀节之类的设置来减少管壳程的温差应力，有较强的适应热膨胀能力。
(3)防震能力强
第一. 由于换热管波纹的加工,使其自身带有可塑性。
第二. 选用具有较好的可塑性不锈钢材料。
第三. 采用了波纹管与套管焊接后,再与管板相焊的结构。这样就使波纹换热管与管板不直接接触，减少了因厚度差引起的局部应力。
第四. 与波纹管焊接的套管处,采用了缓冲节加工结构，如图2局部放大图所示，也提高了其抗震性能。
(4)动态性能好
由于产生强化扰动的流速范围达0.2m/s以上,故负荷变化而引起的管内流速变化时,也不影响换热性能。
(5)减少设备维修量
由于该产品不污、不堵、不腐蚀、不结垢、密封性能好，不必象其它换热器那样年年维修。一旦需维修，工作量也很小。
(6) 较高的承压能力
由于换热管做成一个个的波纹形结构,照比光管增强了其承载压力的能力,使其更适合在较高的压力下工作。
由以上分析可知,波纹管换热器具有良好的使用性能。
4波纹管换热器经济社会效益分析
4.1较高的经济效益性能
(1)可以节省材料成本
换热管管壁加工为波形,如图4所示为波纹管结构加工尺寸图，设凸波球面半径为R,管外半径为r,加工波纹凸波率为R/r=1.2,波纹间距(相邻两波峰间的距)为24mm,由几何公式可得到球面面积S球、球冠面积S冠、圆柱侧面面积S柱如下：
S球 =4πR2
=4π（1.2r）2
=5.76πr2
S冠 =2πR[R-(R2-r2)1/2]
=2π(1.2r){1.2r-[(1.2r)2-r2]1/2}
=1.3πr2
S柱 =4πr(R2-r2)1/2
=4πr[(1.2r)2-r2]1/2
=2.65πr2
图4波纹管结构尺寸
由以上公式得到等长波纹外表面S波与直管外表面S直之比值如下:
α=S波/S直
=(S球-2S冠)/S直
=(5.76-2X1.3) πr2/2.65πr2
=1.2
沿换热管长度方向上波纹分布率η为:
η=2[(1.2r)2-r2]1/2/24=2[(1.2r)2-r2]1/2/24=0.055r
如按φ25X0.7规格的波纹管计算,得到沿管长布波率为68.75%,若按布波率50%保守计算,波纹管换热面积与原直管换热面积比μ为：
μ=(1.2S波+S直)/2S直=1.1 (4-1)
由式(4-1)的结果及(2-1)公式可以知道,同样换热量Q，由于面积 A(=S波+S直)的增大及K值的提高，照比直管式不锈钢换热器,波纹管式换热器可以较大幅度减少设备制造用料成本。其中外壳用料,可以至少降低为普通换热器用料的90%(=1/μ)；换热管用料,如果照比同材质不锈钢材料可以降低大约一半以上材料,如果照比碳钢材料，虽然成本提高了一些，但照比其换热能力的提高幅度，总造价并不高。所以波纹管换热器具有较高的经济效益性。
(2)减少附件制造费用
由于具有良好的热膨胀适应能力，所以可以照比一般结构材料换热器，可以减少安装热膨胀节的购置安装费用上千元。
4.2良好的社会效益性
对于相同的热交换需求量Q，由于其热阻小，换热系数高，所以可以减少热能动力源需求，节约煤碳及电力资源，所以具有良好的社会效益。
由以上分析可知，波纹管换热器具有良好的经济效益和社会效益。
5．结论
由上述分析可以知道，波纹管换热器具有合理的设计结构，较高的换热性能及使用性能，良好的社会效益及经济效益。目前，我公司已经开发生产出多种该系列产品，市场应用前景广泛，竞争力强。所以是一项非常值得大力开发生产的换热器产品。