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 [摘要]由于氟塑料与金属材料在物化性质方面的差异，使得氟塑料换热器在工艺和结构设计方面与金属换热器不尽相同。

    本文提出氟塑料换热器工艺（液－液状态的热交换）设计的一般原则，分析了影响氟塑料换热器传热系数的因素，通过实践对如何确
定和提高传热系数提出解决方法。
    [关健词]氟塑料；换热器
    氟塑料换热器是一种新型且可以在较高工作温度和压力条件下仍具有耐强腐蚀性能的换热器。国内对氟塑料换热器的研究应用起步较晚。1973 年由原郑州工学院和原锦西化工厂研制开发的“聚四氟乙烯（F-4）管板限胀施压加热焊接”和“聚全氟乙丙（Fs-46）金属溶芯胀一次熔合法”工艺，解决了氟塑料管子与管板连接时的冷流性、难焊接、难熔融加工三个关键技术问题后，使氟塑料换热器的制造与使用成为现实。目前氟塑料换热器凭借其优异的性能为众多行业重视及应用。由于氟塑料与金属材料在物化性质方面的差异，使得氟塑料换热器在工艺设计方面也与金属换热器不尽相同。

          表 1 氟塑料换热器与金属换热器之比较
顺序      项目      氟塑料换热器   金属换热器
1     耐腐蚀性能     优良        一般
2    工作温度与压力  范围有限制   范围较宽 
3    阻力降       较大         一般
4    结垢       不易       容易
5    体积       小          大
6    重量       轻          重
7 单位体积内提供的传热面积 大        小

    国内制作氟塑料换热器换热管束与管板的材质有聚四氟乙烯和聚全氟乙丙烯两种。将氟塑料换热管束和氟塑料管板（与氟塑料或其他材质的折流板、隔板、固定限位环等）组装以形成冷、热流体相隔开的结构称之为换热元件。
    1 氟塑料换热器工艺（液－液状态热交换）设计的一般原则
      (1)一般情况下选择加工性能良好的聚全氟乙丙烯作为换热管的材质。当对工作温度或压力有高要求且传热面积不大和流体有强腐蚀性的情况下采用聚四氟乙烯作为换热管的材质。
  (2)一般情况下腐蚀性流体选择管程。
  (3)注意工作压力与温度的关联和限制，在相同的条件下小直径换热管的工作压力大过大直径换热管的工作压力，极限工作压力取决于冷、热流体的最高工作温度。
  (4)当管程为腐蚀性流体且混浊或带有固体颗粒时，不宜采用小管径或 U 型或盘管沉浸式结构。
  (5)在设计槽、釜、塔用 U 型或盘管或其他沉浸式氟塑料换热器时，容易使设计者疏忽的是：没有认真地考虑和采取措施去防止整体的换热器（如作为冷却器应用于氯油塔顶中，其管程为水，带支承骨架的盘管沉浸式换热器的材质全部为氟塑料）或换热管束（如作为 U 型沉浸式冷却器应用于取代铸铁排管冷却 98%～93%循环硫酸中，其管程为水，氟塑料换热元件）在工作时浮起的问题。造成浮起的原因之一是当换热器的所有部件材质由氟塑料（或有部分材质为非金属部件）组成可能因其本身自重或组装强度不够而散架以致在工作中浮起；原因之二
是当冷、热流体的密度相差较大而造成浮起。其后果都会使整体的换热器或换热管束向上浮起，且悬浮在液体中或在液面上飘来飘去影响热交换。浮起的后果还会使部分处在相关部件折缘处的换热管过度弯曲，亦可能造成换热管折瘪或折爆。对槽、釜、塔采用过长的换热管束也应要求制作成同心编织结构而尽量不采用松散结构。所以，设计者应重视浮起问题，重要的是必须采取相应的措施防范。
    (6)在管壳式换热器壳程流体进口管处需设置防冲板，以防止流体冲刷破坏换热管束，壳程流体出口管处设可拆装的非金属材质的分流档板或与换热管束有接触的表面衬软性材料，以防止出现虹吸现象而破坏换热管束。壳程流体出口管处如设置弓形折流板或隔板则要求其间距要小，同时弓形折流板的弓形
缺口与出口管不宜同方向。
   (7)管程流体进入各种形式的换热器之前，若条件许可均应经过过滤装置。
   (8)一般情况下采用无缝钢管作为管壳式换热器的壳体，管壳式换热器安装后其轴线与地面应有∠3°的倾斜角以有利检修。
   (9)当金属或非金属材质的槽、釜、塔或壳体制作完毕后，凡与换热管束有接触的表面要求光滑无残留的焊渣（瘤）与尖锐凸起之物，要求接触部件折缘处倒大园角。对金属的槽、釜、塔或壳体，推荐采用防腐蚀衬里，以防止和减缓当换热管可能遭破坏时泄漏的腐蚀性流体对器壁的腐蚀。要求在壳程或管程的出口处设置取样口供取样分析确定换热管有否遭到破坏。
    2 传热系数的讨论
   以选择聚四氟乙烯管壳式换热器为例：
   传热系数计算式：
                   
     从传热系数计算式可以看出：当不考虑管壁污垢的影响时，管壁热阻就决定了传热系数的极限，即不论采用何种办法来强化管壁两侧流体的对流给热并使之为最理想状态，其传热系数最终由管壁的厚度决定。实际上人们在设计和使用氟塑料换热器时还会综合考虑其他影响氟塑料换热器传热系数的因素，诸如工艺条件、结构型式、换热管径大小、换热管内外管壁是否光滑、流体种类与流速状态、流体是否混浊或有无沉积物或有无固体颗粒、热交换时有无搅拌等。
     因此，在某些工艺条件允许的情况，下尽量减小的管壁厚度是提高传热系数的有效方法。这也就是某些厂家愿意选择小管径、薄管壁的氟塑料管作为换热管的重要原因。氟塑料换热器的换热管束采用小管径、薄管壁与金属换热器相比较其单位体积具有更多的热交换面积，这样尚能弥补氟塑料本身导热系数低所带来的缺陷。
     金属换热器的初始传热系数比氟塑料换热器的传热系数大，但金属换热器随着使用时间的延续，其换热管束的污垢层厚度逐渐增加而使传热系数逐渐降低。氟塑料换热管壁表面光滑且不易结垢，工作时在流体温度变化的作用下换热管束易沿轴向和径向方向频繁伸缩，其结果可除去污垢有利热交换。众所周知判定一台换热器传热效果的好坏并不取决于初始的传热系数，而氟塑料换热器的传热系数则基本恒定。事实上也有事例证明在使用一段时间后，两种材质的换热器其传热系数相比有可能相差无几。所以保证氟塑料换热管束表面的相对干净是稳定传热能力必不可少的条件之一。
      聚四氟乙烯的导热系数 λ 仅为 0.19 W/(m·℃)按性质属绝热材料。但人们为什么仍要选择氟塑料作为换热器换热管束的材质呢？这主要是从氟塑料具有耐强腐蚀性能、维修简单和换热器寿命长等方面考虑的。此时对传热系数的要求则是放在第二位。其实在流体具有强腐蚀性和较高温与压力的工艺条件下，使用氟塑料换热器更能显示其优异的性能（如将换热面积为240m2的氟塑料换热器用于硫酸浓度由 93%稀释至 63%～70%，酸温由<;160℃冷却至 70～92℃的热交换过程，在这种苛刻的操作条件下，换热器的寿命长达若干年）。
      国内目前聚四氟乙烯换热器常用的换热管外径为 6mm，管壁厚度为 0.5mm。倘若不考虑管壁污垢的影响和此时管内外传热膜系数取极限值。管壁厚度为 0.5mm 时聚四氟乙烯换热器的极限传热系数值 K=380W/(m2·℃)（＝λ/δ=0.19/0.0005）。
      按经验笔者建议设计者在进行氟塑料换热器设计时其传热系数的取值，按以下步骤初步拟定：依工艺条件和氟塑料换热器制造厂家情况，选择氟塑料换热管尺寸及管壁厚度；将管壁厚度带入传热系数计算式即求得极限传热系数；取小于 1/2 的极限传热系数值作为计算氟塑料换热器传热面积的传热系数。            
               

      为了便于设计，人们提出用传热因子计算传热膜系数继而进行传热系数计算的概念。通过做不同管径与流速的流体力学试验，得出传热因子与雷诺数的关联图[1]，亦建立传热因子与传热膜系数关系式。
      从 J－Re 图 1 可看出雷诺数对传热因子的影响，它与金属换热器设计的不同之处，就在于当雷诺数不是很大时就可以得到较为理想的传热因子。从 J－Re 图 1 上还可看出当雷诺数增大时传热因子有下降的趋势，这说明热交换时流体的冷却或加热需要有一定的时间，所以在氟塑料换热器设计时如何选择管程流体的流速是设计者应注意的问题。
      根据经验笔者建议：一般情况下管程流体以选择低流速为宜，其值为金属换热器管程流体流速的 1/4～1/6。氟塑料换热元件的两端管板在换热器内虽经固定，但其换热管束不像金属换热器的管束具有很好的刚性。在管、壳程流体流速的作用下，换热管束仍会产生沿轴向和径向方向的振动从而使流体更加激烈湍动，从而减少液膜热阻以提高传热系数。适宜的流速还可使流体中带有的固体颗粒保持悬浮状态，以防形成污垢和堵管
      对于氟塑料管壳式换热器来说，按传热因子法计算和按经验拟定的传热系数与实测所得传热系数基本苻合。
    3 结论
     氟塑料换热器的设计与制造在国内前者尚没形成系统的规范，设计者一般是凭借制造厂家的介绍选择氟塑料换热器的传热系数或换热面积。后者达不到美国杜邦公司 “蜂窝状”结构的制造水平。虽某些制造厂家订有企业标准，但国内开发的两种氟塑料管板与管子连接工艺与国外的制造工艺相比，虽具有工装简单，操作容易和工艺流程短等优点，但劳动生产率低，工艺操作难以机械化、管板材料消耗多，使得氟塑料换热器价格高昂，影响其推广应用。尽管目前氟塑料换热器设计与制造与国外水平相比存在以上差距，但国产氟塑料换热器在苛刻的化工单元操作条件下，满足设计和生产要求且好用，这已是不争的事实，其潜在的能力更为人们重视。所以对氟塑料换热器的设计与制造都有待于人们更深层次的研究与开发。
    参考文献
    [1]董其伍．氟塑料换热器设计与计算[A]．第十届化工部设备设计技术中心站会议交流资料[C]．郑州：郑州工学院，1981.19-20.