创新的热交换器技术

壳管式热交换器的使用寿命比任何阅读本文的人都更长。热交换器具有许多优点。它可以用于冷凝，沸腾或单相应用；它可以在很宽的压力和温度范围内使用；它可以由多种材料制成，以满足腐蚀和其他设计要求；维护非常简单明了；它可以适应各种身体方向。

但是，设计存在一些限制。传统的管壳式换热器在壳侧包含折流板，以提供支撑并引导气流穿过整个管子的a回路线。不利的一面是，低流量区域或死区会导致折流板附近发生结垢，腐蚀不受控制，传热降低。由挡板引起的方向变化也消耗能量，并且壳侧压力降低可能是显着的。经典设计还容易引起流量引起的管振动，最终可能导致故障。

重塑热传递

考虑到这些问题，工程师继续进行研究以增强壳管设计也就不足为奇了，从而产生了改进热交换器性能，解决结垢问题，节省空间，降低成本和提高效率的新技术。传热研究公司（HTRI）是引领这项工作的一个小组。

HTRI位于德克萨斯州纳瓦索塔，是一家研究和软件开发公司，致力于测试各种换热器类型和传热表面。其员工对设备进行面向应用的研究，并使用这些专有数据来开发用于热交换器和燃烧式加热器的热设计和分析的方法和软件。它的研究包括物理测试，计算流体动力学和流量可视化。

HTRI技术计划高级副总裁Joe Schroeder表示：“ HTRI已经并且正在继续研究新型的商业化换热器类型，例如板壳式或螺旋折流式换热器。”

在Schroeder提到的螺旋折流板换热器中，象限形的平板折流板以与管轴成一定角度的顺序排列放置，以产生螺旋形流动模式。螺旋流设计提高了热效率，增强了热传递，减少了压力损失，减少了结垢，并显着减少了振动问题。这种设计已经在全球运行的1800多种HELIXCHANGER热交换器中得到了充分证明。

扩展金属挡板

除了螺旋形挡板的设计之外，扩展金属挡板也正在改变整个行业。该设计具有一个由已切割和扩展的板材制成的扩展金属挡板格栅（图1）。多孔金属挡板形成开放式流动结构，允许在壳体侧进行纵向流动，从而减少了热交换器中的压力损失。

1.扩大想法。金属网被用于许多发电厂，但是在热交换器中穿过菱形空隙的管道是相当新的发展。

壳侧流体沿着管流动，并且在每个折流板交叉处，流动区域受到限制，从而产生局部湍流并增加了速度，同时破坏了管周围的边界层。除了纵向整体流动模式之外，栅格形状还引起局部横流分量，从而改善了热交换器的传热特性。

当边界层沿束的长度在每个膨胀金属挡板处反复破裂时，压力损失有效地转化为改善的热传递（图2）。该公司表示，EM折流板设计中的传热与壳侧压力下降的比率明显高于采用传统折流板布置的热交换器所经历的比率。

2.开放的支持系统。

扩展的金属挡板格栅反复破坏沿管形成的流体边界层。

纵向流动本质上不容易受到流动引起的振动的影响，这在常规热交换器中可能是一个问题。在扩展金属网设计中，管由适当数量的扩展金属网栅完全支撑，相邻栅网之间的空间最小可降至100毫米（小于4英寸），从而消除了任何形式的管子振动。另外，在折流板式换热器中不存在分段挡板式换热器中的死区（图3），这减少了结垢问题，并使设备在两次清洁之间可以运行更长的时间。

3.一大堆好处。

更好的热传递，降低的结垢率，没有流动引起的振动以及更少的壳侧压力损失是值得考虑的扩展金属挡板设计的部分原因。

该厂用于热能存储系统的油/熔融盐热交换器采用EMbaffle设计。安装了三个金属折流板式换热器，而不是六个传统的换热器，减少了项目所需的管道，阀门，绝热和伴热。该解决方案还减少了支撑结构和基础上的负荷，并减少了系统所需的传热流体和熔融盐的量。

扭曲管式热交换器技术

壳管式热交换器的一个有趣的“扭曲”是扭曲管设计,其扭曲管束技术具有与扩展金属设计相同的许多优点。

顾名思义，扭曲管是此设计的新颖特征。这些管子是通过独特的工艺制成的，其结果是椭圆形的横截面具有重叠的螺旋线，从而提供了螺旋形的管子侧流路。据说成型过程可保持均匀的管壁厚度，从而保持材料的机械完整性。管端是圆形的，但是可以进行常规的管对管板连接。

该设计完全不需要挡板。螺旋形的管子以三角形的间距组装成一束，一次排成一排，每根管子都转动以使沿着束子长度的每个平面上的扭曲对齐（图4）。这样，每根管子都会由相邻的管子反复牢固地支撑着，这有助于消除管子的振动。然后将完整的捆束沿周向紧紧捆扎，以确保没有管子运动，从而形成坚固的组件。扭曲的排列方式在管子之间对齐，在外壳一侧也提供了清晰的洗涤通道，使高压水枪成为一种有效的清洁方法。

4.新的转折。新的扭管设计的优点包括不需要挡板，这有助于消除管振动，并且易于高压清洗。

该公司表示，扭曲管设计比任何其他类型的管式热交换器提供更高的传热系数，原因有以下三个：壳侧复杂的涡流会引起湍流；反之亦然。扭曲的管子产生强大的管子湍流。均匀的流量分布延长了管束的有效长度，比传统的管壳式换热器提供更大的表面积。根据一些估计，采用扭管设计的传热系数比具有类似压力降低的传统管壳式换热器的传热系数高40％。

扭曲管设计已用于电力行业，用于涡轮机蒸汽冷凝，锅炉给水加热和润滑油冷却以及其他应用。

石墨烯：奇迹材料？

对于电力行业而言，可能会改变游戏规则的一种传热改进与冷凝器的物理设计无关，而与蒸汽在热交换器内部的冷凝方式无关。水蒸气通常以两种方式冷凝：它可以在润湿的表面上形成薄膜，或者可以在非润湿的表面上形成液滴。当形成水膜并覆盖冷凝器管的表面时，它会阻碍传热，从而降低效率。因此，促进液滴形成而不是膜形成是提高冷凝器效率的一种方法。

最近，麻省理工学院（MIT）的一组研究人员成功地测试了超薄可扩展化学气相沉积石墨烯涂层在促进滴状冷凝的同时提供化学稳定性和低耐热性的有效性。这个想法并不完全是新颖的。过去已经使用聚合物涂料来增强液滴的形成，但是这些涂料往往会迅速降解。当增厚以补偿降解时，传热改善被否定。

石墨烯是人类已知的最薄的材料-仅一个原子厚-但它也非常坚固（比钢强200倍）。它非常灵活，并且还是热和电的极佳导体，但它并不便宜。以每平方英寸约60美元的价格，石墨烯目前过于昂贵，无法证明涂覆冷凝器管的成本是合理的。

但是，麻省理工学院的研究小组证明，与膜状冷凝相比，石墨烯涂层可以使传热提高四倍（图5），并且据估计，这可以使整个电厂的效率提高2％至3％。如果将效率提高该数量，平均每个燃煤电厂每年将节省超过100万美元的燃料。它还可以帮助工厂减少排放并满足清洁能源计划的要求。

5.高效冷凝。在涂有石墨烯的类似管子（右上）旁边显示了未涂覆的铜冷凝器管（左上）。当暴露于100°C的水蒸气中时，未涂覆的管会产生无效的水膜（左下），而涂覆的管会呈现出更理想的滴结（右下）。

因此，当石墨烯的价格下降时（随着产能的增加和生产成本的下降，这种情况可能会在未来几年出现），涂覆石墨烯的冷凝器管可能会找到一个渴望升级的市场。研究人员还没有完成；他们仍然希望通过优化操作条件，通过石墨烯涂层的管子记录的传热可能比未涂层的管子好五到七倍。

替代解决方案

由于水一直是发电厂关注的问题，一些设施已转向风冷热交换器解决方案（请参见侧栏）。HTRI拥有自己的风冷换热器研究计划，该公司已使用其低压冷凝装置（LPCU）对椭圆管（在某些风冷冷凝器中使用）进行了测试。

不断变化的景观：风冷冷凝器

风冷冷凝器（ACC）在发电行业中已经相当普遍。仅中国就有超过130GW的风冷燃煤电厂在使用。

过去，两家公司（SPX冷却技术和GEA热交换器）主导了ACC市场。最近，两家公司都经历了重大变革。11月30日，GEA的前电力冷却解决方案部门（包括其ACC产品线）将其名称更改为ENEXIO，作为所有权变更后的品牌重塑工作的一部分。大约两周后，SPX宣布已同意将其干冷业务出售给印度加尔各答的Paharpur Cooling TowersLtd。

如果该交易如期完成，如预期在2016年中之前，Paharpur将获得的产品之一就是SPX的ModuleAir ACC（图6）。与以前的ACC模型相比，该设计被认为是一项重大改进。据说模块化样式的建造成本比标准A形框架的建造成本低25％。原因是热交换器束，导管和结构部件都在工厂组装，因此现场焊接的需求减少，从而可以加快安装速度。

6.时间就是金钱。ModuleAir的工厂组装组件减少了现场焊接的要求，从而加快了北爱尔兰利萨里（Lisahally）生物质发电厂的建设过程。礼貌：SPX冷却技术

尽管ModuleAir ACC的工作原理与标准ACC相同，但集成的蒸汽集管和冷凝水歧管在现场消除了管板焊接的麻烦。它的A形框架束也比经典束要短得多，只有2米而不是11米长。结果不仅降低了高度，减小了占地面积，而且改善了热传递。热交换器中的蒸汽速度和蒸汽侧压力降低，从而提高了工厂的年平均产量

尽管ModuleAir ACC的工作原理与标准ACC相同，但集成的蒸汽集管和冷凝水歧管在现场消除了管板焊接的麻烦。它的A形框架束也比经典束要短得多，只有2米而不是11米长。结果不仅降低了高度，减小了占地面积，而且改善了热传递。热交换器中的蒸汽速度和蒸汽侧压力降低，从而提高了工厂的年平均产量。

施罗德说：“关于风冷式换热器的性能，还有很多东西要学习，尤其是与风扇关闭运转，空气再循环和风力影响有关。”

除了LPCU，HTRI还拥有其他九个运营研究部门，包括高温污垢单元，液-液热交换器测试单元，多功能沸腾单元，多功能冷凝单元和多功能可视化单元（MVU）。MVU可以对过程热交换器设备中的两相空气/水流进行定性和定量的流量可视化。该装置的测试部分是透明的管壳式交换器，可以很容易地用不同的束布局和挡板类型，切口和间距重新配置。

经过多年研究和开发而完善的另一种设计是圆形板壳式热交换器。与板壳式热交换器相比，其焊接板式热交换器（PHE）在升高的工艺条件下以较小的空间和较低的成本提供了较高的传热速率。

圆形板壳式换热器的关键特征是传热元件或板芯，它由圆形或长方形V形V型板组成，这些板通过舷窗周边焊缝焊接到暗盒中。然后将盒式磁带放在一起，并在周边进行相互焊接，以产生手风琴状的芯，该芯具有很高的热膨胀耐受性（图7）。

7.改善了热传递。板的波纹状即使在低速下也可促进圆形板壳式换热器（PHE）中的湍流。.

该板组被插入圆柱形外壳中。位于壳体和板组件之间的分流器有助于引导流体通过壳体侧通道。将端板，喷嘴以及顶盖和底盖焊接到壳体上，以形成高完整性的压力容器。该设计的失败率极低，因为无需更换垫片，并且设计具有最佳的应力分布形状。由于没有管子在流动条件下振动，因此在焊接，挡板和支撑件上产生的应力较小。

圆形板壳式换热器设计与传统的管壳式换热器之间最令人惊讶的差异之一是可比工作所需的组件尺寸。在一种水-水传热应用中，将采用重量为7吨，管壳面积为100平方英尺的管壳式换热器来替换重量不到一吨且仅需8平方英尺的PHE（图8）。结果是减少了材料和支撑结构的成本。

8.紧凑高效。与传统的管壳式换热器相比，原型板壳式换热器的占地面积不到其十分之一。

标准圆形板壳式换热器设计用于最高1,450 psig的压力和–50F至1,650F的温度（也提供扩展范围的单位）。该设计可以适应热交换器板侧或壳侧的相变。电力行业的一些常见应用包括闭环冷却交换器，润滑油冷却器，压盖蒸汽冷凝器，低压给水加热器，排污热回收交换器，冷凝器和蒸发器。