1.1.2 殼程的傳熱強化
在管殼式換熱器中，管束支撐結(jié)構(gòu)的主要作用是：支撐管束，使殼程流體產(chǎn)生期望的流型和流速，阻止管子因流體誘導振動而發(fā)生失效。因此，管束支撐結(jié)構(gòu)是殼程內(nèi)的關鍵部件，直接影響著換熱器殼程的流體流動和傳熱性能。管束支撐結(jié)構(gòu)經(jīng)過多年的研究、應用和發(fā)展，概括起來有 3 種類型：
（1）橫流式支撐，如傳統(tǒng)的弓形折流板，使殼程流體呈橫向流動；
（2）縱流式支撐，如折流桿式等新型支撐，使殼程流體呈縱向流動；
（3）螺旋流式支撐，如螺旋折流板，使殼程流體呈螺旋流動，分別見圖 11～圖13。

其中，傳統(tǒng)的管殼式換熱器殼程流體橫向沖刷管束傳熱效率較低，流動阻力大，常發(fā)生流體誘導振動而導致破壞。為解決換熱管束的振動問題，美國菲利浦石油公司在 20 世紀 70 年代開發(fā)了折流桿式換熱器，該換熱器不僅解決了振動問題，而且由于殼側(cè)流體的縱向流動使折流桿換熱器比傳統(tǒng)的弓形折流板換熱器傳熱系數(shù)提高 30%左右，殼程壓降減少 50%。由于流體在殼程中作縱向流動是管殼式換熱器中最理想的流動形式，因此近年來又開發(fā)出了一些新型縱流式換熱器，圖 14 中列舉了幾種常見的整圓形折流板，如矩形孔折流板，梅花孔折流板等。

這種異型折流板性能特點是：
（1）能有效地支撐管束，從而避免管束發(fā)生流體誘導振動（“大管孔”式除外）；
（2）孔板截面積小于殼程流通面積，因而可以調(diào)節(jié)殼程流體速度；
（3）各種形式的孔對流體具有“射流作用”，射流流體速度高且直接沖刷管外壁，因而能增加流體湍流度，減薄管壁液體的邊界層，因而有效強化了殼程傳熱，適用于中、低粘度流體且雷諾數(shù)不太大的場合。而螺旋折流板換熱器又可分為單螺旋折流板換熱器和雙螺旋折流板換熱器。螺旋折流板換熱器與常規(guī)折流板相互平行布置方式不同，它的折流板相互形成一種螺旋形結(jié)構(gòu)，每個折流板與殼程流體的流動方向成一定的角度，使殼程流體做螺旋運動，能減少管板與殼體之間易結(jié)垢的死角，從而提高了換熱效率。螺旋流換熱器的強化傳熱機理為螺旋通道內(nèi)的流型減弱了邊界層的形成，從而使傳熱系數(shù)有較大增加。相對于弓形折流板，螺旋折流板消除了弓形折流板的返混現(xiàn)象，從而提高有效傳熱溫差，防止流動誘導振動；在相同流速時，殼程流動壓降��；基本不存在流動與傳熱死區(qū)，不易結(jié)垢，適宜于處理含固體顆粒、粉塵、泥沙等流體。對于低雷諾數(shù)下（Re＜1000）的傳熱，螺旋折流板效果更為突出。在螺旋折流板換熱器中，螺旋角β（即殼側(cè)介質(zhì)流動方向與管束橫截面之間的夾角）將直接影響殼側(cè)流體的流動及傳熱性能。
 
1.2 板面式換熱器的傳熱強化
板面式換熱器不同于一般傳熱面用管做的管式換熱器。它們的共同特點是被用作傳熱面的板是平板或稍帶錐度的傘板，其上有各種凹凸條紋，或有各種不同斷面形狀的翅片當流體流過板面時就會產(chǎn)生擾動，使邊界層減薄造成湍流，從而獲得較高的傳熱效率。相對于管殼式換熱器來說，它們具有傳熱效率高，結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕等優(yōu)點。又由于流體在換熱器中無論進行并流、逆流、錯流都可以，板片還可以根據(jù)傳熱面積的大小而增減，因此適應性較大，應用日趨廣泛。隨著對板式換熱器研究的不斷深入，其形式也越來越多。
與管式換熱器相比，板式換熱器為換熱過程提供了更大的單位換熱面積，除此之外，通過對換熱板面的改進還可以提高流體的湍流程度，從而達到提高換熱效率的目的。我國是從上實際80年代開始發(fā)展板式換熱器的，繼四平板式換熱器總廠、天津板式換熱器廠開發(fā)單片面積 2m2 后，1992 年邯鄲板式換熱器工貿(mào)公司試制成功國內(nèi)最大的300MN板片專用壓機，單片面積已達 2.7m2。
 
1.2.1 目前國內(nèi)外主要的板面式換熱器有：
（1）板式換熱器
板式換熱器又分為可拆式和焊接式。可拆式板式換熱器是將薄的金屬板片沖壓成為凸凹狀，周邊張貼合成橡膠類的密封墊片。Laval公司的“按扣”式墊片，墊片直接扣壓在板片上；GEA 公司的板片，板片槽口上窄底寬呈梯形，墊片與板片槽過盈配合將墊片壓緊。開發(fā)無粘接劑連接墊片的技術，使板式換熱器安裝和維修的時間節(jié)約80％�？刹鹗桨迨綋Q熱器便于拆卸清洗，增減換熱器面積靈活，在供熱工程中使用較多。但是，一般的可拆卸式板式換熱器由于本身結(jié)構(gòu)的局限性，使用壓力不超過 2.5MPa，使用溫度不超過250℃，此外還存在流體與密封墊片的相容性問題。而焊接式板式換熱器是用焊接結(jié)構(gòu)替代橡膠墊密封，消除了由于墊片材料耐溫、耐腐蝕、耐壓方面的限制。焊接式板式換熱器的組焊板片內(nèi)部不能用機械方法清洗，且全焊式只能用于不易結(jié)垢的介質(zhì)進行換熱，其最大優(yōu)點是可承受較高溫度和壓力，沒有墊片泄漏的顧慮。焊接式板式換熱器近年來得到很大發(fā)展，德國與日本合作的千代田 BAVARIA 混合焊接板式換熱器，操作壓力可從真空到 6MPa，單元換熱面積可達1480m2以上。Nouvelles 應 用 技 術 公 司 發(fā) 明 的Packinox 換熱器，代替列管式換熱器用作煉油廠催化重整裝置混合料換熱器，并且得到了推廣應用，緊湊、輕型的 Packinox 換熱器可用各種合金制成，能提供的表面積為 1000m2～10 000 m2。
（2）板殼式換熱器
歐美發(fā)達國家于 20 世紀 80 年代起開始競相開發(fā)、研制各種型式的板殼式換熱器。板殼式換熱器的基本結(jié)構(gòu)與板式換熱器相似，但板間距增大，取消了墊片，改用焊接法連接各板，形成通道。板殼式換熱器最適合于介質(zhì)清沽、換熱量大和壓降小的場合。法國 Packinox 公司于 20 世紀 80 年代首次在催化重整裝置中用一臺大型板殼式換熱器替代傳統(tǒng)的管殼式換熱器組。20 世紀 90 年代末期，Packinox公司又將大型板殼式換熱器用于加氫裝置，該公司的產(chǎn)品得到 UOP(美國聯(lián)合油)的認證。而板殼式換熱器在中國起步比較晚，1999 年蘭州石油機械研究所研制成功大型板殼式換熱器，并于 1999 年 5 月 8日通過中國石化總公司鑒定。
（3）螺旋板式換熱器
螺旋板式換熱器在國外較早使用在回收廢液和廢氣中的能量等，螺旋板式換熱器的構(gòu)造包括螺旋形傳熱板、隔板、頭蓋和連接管等基本部件。流體在螺旋形流道內(nèi)的流動所產(chǎn)生的離心力，使流體在流道內(nèi)外側(cè)之間形成二次環(huán)流，增加擾動。螺旋板式換熱器具有體積小、效率高、制造簡單、成本較低、能進行地溫差換熱等優(yōu)點，目前的問題是如何能進一步提高該換熱器的承壓能力。我國從 20 世紀60 年代開始生產(chǎn)螺旋板式換熱器，當時主要用于燒堿廠中的電解液加熱和濃堿液冷卻。如今螺旋板式換熱器在我國已形成規(guī)模，國家已制定了配套的技術標準，設計制造技術在我國業(yè)已成熟。
（4）板翅式換熱器
在 20 世紀 30 年代，板翅式換熱器首先在先進國家用于發(fā)動機的散熱，它的板束單元結(jié)構(gòu)由翅片、隔板和封條三部分組成。它具有擴展的二次傳熱表面（翅片），所以傳熱過程不僅是在一次傳熱表面（隔板）上進行，而且同時也在二次傳熱表面上進行。我國從 20 世紀 60 年代初期開始試制板翅式換熱器，首先用于空分制氧，制成了第一套板翅式空分設備。近幾年來，在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、翅片規(guī)格、生產(chǎn)工藝和設計、科研方面都有較大發(fā)展。板翅式換熱器由于結(jié)構(gòu)緊湊、輕巧、傳熱強度高等特點，被認為是最有發(fā)展前途的新型換熱器設備之一。
 
1.3 傳熱強化小結(jié)
綜上所述，新型高效換熱器提高換熱效率主要是通過改變傳統(tǒng)換熱器管程和殼程的結(jié)構(gòu)，增加流體的湍流程度，以此來減薄邊界層，或者影響邊界層的形成和增大單位換熱面積，這樣既節(jié)省了材料又達到了提高換熱效率的目的，從而充分地將效率與經(jīng)濟性結(jié)合，同時滿足了目前我國所倡導的節(jié)能減排政策。其實還有其他的調(diào)高效率的辦法，例如更換換熱元件，采用新型材料等。
從整個換熱器產(chǎn)業(yè)來看，一些發(fā)達國家仍然占據(jù)著技術優(yōu)勢，我國雖然取得了一定的進步，但與國外先進水平相比較，我國換熱器產(chǎn)業(yè)最大的技術差距在于換熱器產(chǎn)品的基礎研究和原理研究，尤其是缺乏介質(zhì)物性數(shù)據(jù)，對于流場、溫度場、流動狀態(tài)等工作原理研究不足。在換熱器制造上，我國目前還以仿制為主，雖然在整體制造水平上差距不大，但是在模具加工水平和板片壓制方面與發(fā)達國家還有一定的差距。在設計標準上，我國換熱器設計標準和技術較為滯后。目前，我國的管殼式換熱器標準的最大產(chǎn)品直徑還僅停留在2.5米，而隨著石油化工領域的大型化要求，目前對管殼式換熱器直徑已經(jīng)達到4.5米甚至5米，超出了我國換熱器設計標準范圍，使得我國換熱器設計企業(yè)不得不按照美國TEMA標準設計。更為嚴重的是，我國在大型專業(yè)化換熱器設計軟件方面嚴重滯后。目前我國在換熱器設計過程中還不能實現(xiàn)虛擬制造、仿真制造，缺乏自主知識產(chǎn)權的大型專業(yè)計算軟件。由于在換熱器的相關工藝計算、傳熱計算和振動模型的計算方面缺少大型專業(yè)化軟件支持，使得我國對設計出來的換熱器產(chǎn)品無法準確預計其使用效果，這使得我國企業(yè)在換熱器產(chǎn)品招標過程中處于不利地位[3]。找到問題所在，接下來我們要做的就是在在提高制造水平的基礎上，加大基礎研究和原理研究，同時要努力開發(fā)出所需的專業(yè)計算軟件，這樣才不會受制于具有技術優(yōu)勢的國家。