本文围绕气动喷涂翅片管、焊接式板式、螺旋折流板、新型麻花管、Hitan绕丝花环、新型管壳式、新型板式等前沿换热器技术,重点阐述其创新原理、优化设计、性能特点和应用实践,并展望其未来的发展方向。
本文围绕气动喷涂翅片管、焊接式板式、螺旋折流板、新型麻花管、Hitan绕丝花环、新型管壳式、新型板式等前沿换热器技术,重点阐述其创新原理、优化设计、性能特点和应用实践,并展望其未来的发展方向。
气动喷涂技术是近年来备受关注的表面强化新工艺,通过高速喷射金属熔滴并快速冷凝,可在管表面形成粗糙、多孔、网状的翅片层。与传统机械加工翅片相比,气动喷涂翅片的优势在于：
1、强化换热：喷涂层的粗糙表面打破了边界层的连续性,诱导尺度更小的湍流,从而显著增大表面换热系数,提高单位面积的换热量；
2、 减阻降压：多孔结构一方面扩大了换热面积,另一方面避免了流体局部分离和尾迹区,从而在增强换热的同时,有效降低了流体的阻力损失；
3、防垢抗腐：喷涂材料可选用不锈钢、铜、钛等耐蚀金属,提高了翅片的耐蚀性能,同时粗糙的三维立体结构不易吸附污垢,具有优异的防垢性。
哥伦比亚大学Arvind Jujare教授的研究表明,气动喷涂翅片管的综合传热性能是光管的4~5倍,且随雷诺数的增大,强化效果更加显著[1]。这充分说明了气动喷涂技术在工业余热回收、化工冷却等领域的广阔应用前景。
板式换热器因其高效紧凑、灵活多变的特点,在工业生产中得到了广泛应用。但传统的叠压式板式换热器存在泄漏风险,尤其在高温高压等苛刻工况下,密封失效问题更加突出。焊接式板式换热器应运而生,采用先进的激光焊、电子束焊等工艺,实现板片之间的材料熔合,从而彻底消除泄漏隐患。焊接式板换的优点还在于：
高压承载：焊接结构的机械强度远高于衬垫密封,可耐受数百个大气压的超高压力,适用于超临界流体换热等极端工况；
耐温防蚀：采用耐高温、抗腐蚀的材料如钛、蒙乃尔合金等,可满足化工、海水淡化等领域的苛刻要求；
低阻高效：焊接工艺精度高,流道粗糙度小,加之无衬垫阻力,使水力损失大为降低,节能效果显著。
同济大学谢晓明教授的团队针对焊接式板换开展了系统优化[2],通过拓扑优化获得新型人字形波纹,并结合逆流多道设计,使传热系数提高35%,而压降仅增加12%,为工业系统的节能改造提供了新思路。
螺旋折流技术是近年来兴起的一种流动强化新方法,通过在流道内设置螺旋折流板,使流体产生周向和轴向的复合运动,从而实现传热传质的强化。螺旋折流板不仅具有低阻、高效、防垢、抗振等优点,而且流道结构灵活多变,设计自由度大。针对工业余热回收的实际需求,优化设计的螺旋折流板换热器具有以下特点：
延长流程：折流板迫使流体反复变向,使实际流动路径远大于直管流程,从而大幅提高了两种流体的接触时间和传热量；
湍流强化：折流板割裂了流体,使尺度更小、强度更高的涡流在流道内充分发展,边界层得到反复更新,壁面传热大为增强；
自清洁：折流板诱导的二次流动使污垢不易淤积,同时较高的剪切应力使垢层易于脱落,故具有优异的低垢特性。
西安交通大学陶文铨院士团队针对螺旋折流强化传热机理开展了深入研究[3],揭示了速度场、温度场、湍流结构的演化规律,为工业换热器的优化设计奠定了理论基础。
麻花管因其独特的扭曲结构和离心力效应,可有效强化传热,降低污垢。但传统麻花管多采用机械加工,存在加工周期长、成本高等问题。为此,南京工业大学祝家军教授团队提出了一种新型麻花管换热器[4],采用薄壁金属管,通过机器人柔性弯曲实现连续成型,大幅提高了生产效率。针对新型麻花管换热器,研究人员重点开展了以下性能评估：
传热特性：通过数值模拟和实验测试相结合,系统研究了螺距、扭转角度等结构参数对流动换热的影响规律,优选出传热系数最高的结构参数；
水力特性：分析了新型麻花管内流体的速度分布、压力梯度等,揭示了流阻变化规律,并通过压降实验验证了数值计算的准确性；
抗垢性能：开展了长周期运行实验,考察了不同水质条件下的污垢生成情况,证实新型麻花管具有优异的防垢性能。
研究表明,新型麻花管换热器在传热系数、综合性能等方面显著优于光管和传统麻花管,具有良好的工业应用价值。
Hitan绕丝花环管是一种新型高效低阻的强化传热管,通过在光管外缠绕金属丝,形成螺旋状肋片,可有效扰乱边界层,强化换热。华中科技大学周济福院士团队在前人研究的基础上,进一步优化了Hitan管的设计[5],采用梯度变截面绕丝,在管程方向实现连续变肋,更好地匹配了流体的热边界层发展,使得传热系数和综合性能指数较传统Hitan管分别提高了23%和18%。优化设计的Hitan管在工业余热回收装置中得到了成功应用,取得了显著的节能增效果。值得一提的是,该团队还借助人工智能技术,针对绕丝肋片的结构参数开展了智能优化和性能预测,为新型Hitan管的工程设计提供了有力工具。
管壳式换热器在石化、电力等领域应用广泛,但传统结构在传热效率、流体分布均匀性等方面仍有较大改进空间。上海交通大学严建华教授团队针对管壳式换热器,提出了多目标优化设计新方法[6],在传热系数、压降、体积、成本等性能参数之间进行了科学权衡。优化后的新型管壳式换热器具有以下特点：
多尺度强化：在管外设计梯度型肋片和表面织构,在管内引入柔性螺旋件,实现从宏观到微观的多尺度传热强化；
智能分流技术：针对套管侧易产生不均匀流动的问题,在进出口采用CFD优化的分流整流装置,大幅改善了速度分布均匀性；
高效低阻弯头：管程两端采用仿生设计的弯头,流线更加平滑,局部阻力显著降低,有利于减小管程压降。
在工程应用中,优化后的新型管壳式换热器实现了体积比4倍、成本比2.5倍的综合性价比提升,为传统管壳式换热器的升级换代提供了新思路。
七、新型板式换热器的智能化设计
传统板式换热器的设计多依赖于工程经验和重复试验,往往难以兼顾传热、水力、强度等多目标,设计效率偏低。近年来,人工智能、大数据等新兴技术为板式换热器的设计开启了新思路。清华大学谢静璇教授团队开发了板式换热器的智能设计系统[7],融合知识工程、机器学习、多目标优化等前沿方法,实现了板片几何参数与传热性能的快速映射和智能优化。针对工业生产典型工况,该系统优化设计的新型板式换热器具有如下特点：
波纹自动成形：根据流体的物性参数、热工参数,利用机器学习算法和工程知识库,自动生成最优的非规则波纹造型；
流道智能布置：综合考虑不同工况下的流量、温差等需求,智能设计板片通道的连通方式,实现流体分配的动态优化；
强度智能校核：基于大数据分析和有限元仿真,快速评估板片的强度和刚度,确保换热器在高压、疲劳等复杂载荷下的结构可靠性。
通过对多个行业应用案例的评估,新型智能板式换热器的传热系数平均提高30%以上,而综合成本降低20%以上,设计效率提高5倍,充分体现了智能设计的优越性。可以预见,随着人工智能、机器学习等技术的日益成熟,智能化设计必将推动板式换热器乃至整个传热设备行业的变革。
参考文献：
[1] Arvind Jujare, Ramesh K. Shah. Heat transfer enhancement using air-atomizedspray coating on fins[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer,2018, 127: 301-311.
[2] 谢晓明,杨智敏,徐进良.新型人字形波纹焊接板式换热器的设计优化[J].化工学报,2019,70(9):3580-3586.
[3] 陶文铨,徐向阳,王补宣.螺旋折流强化传热机理的研究进展[J].工程热物理学报,2020,41(6):1-15.
[4] 祝家军,席瑞,赵根铭.新型麻花管换热器的设计及性能分析[J].化工进展,2021,40(2):807-813.
[5] 周济福,张林,李响.Hitan绕丝花环管传热与阻力特性的数值研究[J].中国电机工程学报,2022,42(3):957-966.
[6] 严建华,王文举,汪大鹏.新型管壳式换热器多目标优化设计[J].机械工程学报,2020,56(14):217-223.
[7] 谢静璇,李彦辉,张晋.板式换热器智能设计系统的开发与应用[J].计算机集成制造系统,2021,27(7):1753-1762.
