新型高效换热器发展现状及研究方向

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2019-05-09
简介
换热器是化工、石油、制药及能源等行业中应用相当广泛的单元设备之一 。为了节能降耗 ,提高工业生产的经济效益 ,要求开发适用不同工业过程要求的高效能换热设备 。采用先进的测量仪器来精确测量换热器的流场分布和温度场分布 ,并结合分析计算 ,进一步摸清不同结构的强化传热机理 。强化结构组合研究,为达到管壳程同时强化的目的 ,强化结构组合研究将成为近期传热强化技术研究的发展方向。且文章综述了国内外新型高效热换器简介,并对其概况进行了阐述,简述了几种新型换热器的性能与构造特点 ,并对强化传热元件和新型高效换热器技术的发展方向进行探讨 。详细内容,请阅读文章!

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0引言换热器是化工、石油、制药及能源等行业中应用相当广泛的单元设备之一。据统计,在现代化学工业中所用换热器的投资大约占设备总投资的30%,在炼油厂中换热器占全部工艺设备的40%左右,海水淡化工艺装置则几乎全部是由换热器组成的。上个世纪70年代初发生的世界性能源危机,有力地促进了传热强化技术的发展。为了节能降耗,提高工业生产的经济效益,要求开发适用不同工业过程要求的高效能换热设备。因此,几十年来,高效换热器的开发与研究始终是人们关注的课题,国内外先后推出了一系列新型高效换热器[1]。1国内外新型高效换热器简介111螺旋折流板换热器螺旋折流板换热器(图1)是最新发展起来的一种管壳式换热器,是由美国ABB公司提出的。其基本原理为:将圆截面的特制板安装在”拟螺旋折流系统”中,每块折流板占换热器壳程中横剖面的四分之一,其倾角朝向换热器的轴线,即与换热器轴线保持一定倾斜度。相邻折流板的周边相接,与外圆处成连续螺旋状。每个折流板与壳程流体的流动方向成一定的角度,使壳程流体做螺旋运动,能减少管板与壳体之间易结垢的死角,从而提高了换热效率。在气一水换热的情况下,传递相同热量时,该换热器可减少30%~40%的传热面积,节省材料20%~30%。相对于弓形折流板,螺旋折流板消除了弓形折流板的返混现象、卡门涡街,从而提高有效传热温差,防止流动诱导振动;在相同流速时,壳程流动压降小;基本不存在震动与传热死区,不易结垢。对于低雷诺数下(Re<1000)的传热,螺旋折流板效果更为突出[2]。112折流杆式换热器20世纪70年代初,美国菲利浦公司为了解决天然气流动振动问题,将管壳式换热器中的折流板改成杆式支撑结构,开发出折流杆换热器(图2)。研究表第33卷第3期2007年9月化工设计通讯ChemicalEngineeringDesignCommunicationsVol133No13Jun12007明,这种换热器不但能防振,而且传热系数高。现在此种换热器广泛应用于单相沸腾和冷凝的各种工况。在后来出现了一种外导流筒折流杆换热器,此种换热器能最大限度地消除管壳式换热器挡板的传热不活跃区,增加了单位体积设备的有效传热面积。目前,所有的浮头式换热器均采用了外导流筒。图1螺旋形折流板换热器和折流板配置方式图2折流杆换热器近些年,又出现了直扁钢条支撑方式[3]和波浪型扁钢支撑结构[4]等新型支撑结构的折流杆换热器,如图3和图4。这些新结构除了增加有效换热面积外,更主要的是提高了对管子震动的抑制作用。图3直扁钢条支承结构图4波形扁钢条支承结构下的正三角形布管组装示意图113空心环管壳式换热器空心环管壳式换热器(图5)是华南理工大学于发明的一种新型管壳式换热器。空心环是由直径较小的钢管截成短节,均匀地分布于换热管管间的同一截面上,呈线性接触,在紧固装置螺栓力的作用下,使管束相对紧密固定。从而支撑管束并促进流体扰动。空心环支撑往往与强化管组合使用,其特点是(1)壳程流阻低。壳程轴向流道空隙率达80%的空心环管间支承物对纵向流体的形体阻力几乎可以忽略。(2)传热膜系数高。该种结构的换热器可充分发挥粗糙型强化传热管的强化传热性能,利用传热管的周向粗糙肋,促进纵向流体在传热界面上滞流层的湍流度,获得比普通光滑管界面高80%~100%的传热膜系数。图5空心环支撑114管子自支承式换热器近年来,人们将壳程强化传热的两种主要途径综合起来考虑,利用管子形状的变化来达到相互支撑和强化传热双重功能。目前主要有剌孔膜片式、螺旋扁第3期矫明,徐宏,程泉,张倩:新型高效换热器发展现状及研究方向51管式和变截面管式几种形式。如图6,剌孔膜片式其特点是刺孔膜片既是支撑元件,又是管壁的延伸,增大了单位体积内的有效传热面积;膜片上的毛刺和小孔增大了流体湍流度,各区间的流体经小孔实现一定程度的混合;刺和孔使换热表面的边界层不断更新,减薄了层流底层厚度,从而提高了换热系数;壳程流体纵向流动,压力降很小。图6刺孔膜片管螺旋扁管(图7)(TwistedTabe)是瑞典Allares公司近年推出的一种高效换热元件[5],螺旋扁管的结构特点是管子换热段的任一截面均为一长圆,当组装成换热器时可以混合管束,也可以是纯螺旋扁管。螺旋扁管的截面类似于椭圆管,椭圆的长短轴比值根据换热管程和壳程的流速设计确定,当管程流量较低时,可增大长、短轴之比值。减少流通截面以提高流速,使换热器两侧处于较理想的流动状态。变截面管式(图8)是把普通圆管按一定节距压制出互成90度或互成60度的扁圆形截面,利用这种变截面管互相支撑并构成扰流元件。这种换热器管子排列紧凑,减少了换热器的尺寸和质量,而且可实现管束间流体薄层流动。其结构比较简单,且是双面强化管,但最大弱点是管内阻力太大。图7螺旋椭圆扁管图8变截面管115纵流管束换热器流体在壳程中作纵向流动是管壳式换热器中最理想的流动形式。为了将弓形折流板支撑的横向流动尽可能地改为平行于管子的纵向流动,消除滞留死区,近年来开发出了一些新型结构,例如矩形孔,梅花孔等异形孔的折流板结构(图9),这种折流板既能支承管子,又能让传热介质流过折流板,产生射流,从而消除了管子结垢和垢下腐蚀。后来,德国GRIMMA公司制造的一种网状整圆形折流板换热器,传热效果优于传统的圆缺形折流板换热器,其结构为在折流板上开横排管孔,以4个孔为一组将管桥处铣通,壳侧流体在管桥处沿着轴向流动,避免了流体因转折引起的滞留区[1]。瑞典的WELL和GEE提出的针翅管,既能扩大传热面,又可造成流体的强烈扰动,极大地强化了传热,而且压降不大,可大大节省支承板材料,是当前国内外最先进的纵向流换热器[6]。图9整原形孔板结构简图116Packinox换热器Packinox换热器也称作板壳换热器,它由压力容器外壳和传热板束两部分组成(图10)。压力容器外壳承受操作介质压力,板束由若干板片组焊而成,板片的流道设计成波纹状人字形排列,相邻板片走向相反,板片间相互交叉的波纹顶端形成接触点,用以支承冷热介质的压差。这些接触点使流体在整个换热过程中处于湍流状态,既保持高的传热效率又产生高52化工设计通讯第33卷剪切力,抑制了板面上污垢的形成。板束的流道截面可以根据介质性质和操作要求设计成各种当量直径和形状。由板片焊接组装而成的板束,固定于压力容器壳体内部的支架上,并用波纹膨胀节与壳体接管连接。图10Packinox换热器结117块式换热器[7]块式换热器最早由德国的HoeehstCeram技术股份公司发明(图11)。它是由厚度为018mm的片状材料层叠在一起,然后用热导率为120W/m?K的陶瓷材料将其烧结成整体。该种换热器具有耐高温,耐氯化、氧化及耐腐蚀的特点,其许用温度可以达到1300~1400℃,一般用于超高温和强腐蚀环境中。图11块式换热器118整体翅片式换热器整体翅片经套胀或锡、钎焊固定于管束上而形成管翅式换热器芯子(图12),常用于空调、制冷汽车的整体翅片换热器散热器。套胀成本比锡焊或钎焊低得多,故一般采用套胀。采取适当的方式将它与管板、集流箱或集流管连接以构成管内流道。管外空间也可以用金属焊接方式严密密封来形成密闭的通道。翅片孔由专用的冲压模具冲制而成,孔眼可以是单翻边或双翻边形的。翻边可以增加翅片与管子的接触面积,保证翅片间有一定的间距。双翻边的刚度更好,胀管时不易被胀裂。可以采用机械或水力的方法胀管,管子被胀后与翅片贴紧。这种结构要求管子和翅片材料的热胀系数比较接近。整体翅片的型式很多,最常用的是平直翅片、波纹翅片及间断式翅片。在相同的翅片密度下,平直翅片有较低的阻力降,常用于对压力降限制较严的场合,波纹翅片的性能优于平直翅片,而且更加坚固,广泛地应用于空调冷却器及其它用途的换热器。图12整体翅片式换热器图13毛细板式换热器119毛细板式换热器该种换热器最早由德国的Enka公司制造(图13),它由多层毛细板叠合而成,板间距2~4mm。毛细板由直径115mm,壁厚011mm的毛细管,用环氧树脂浇注而成。这种换热器可用于从污染物和废气中回收热量的场合。第3期矫明,徐宏,程泉,张倩:新型高效换热器发展现状及研究方向531110热管换热器热管(图14)是一种新型高效的传热元件。热管是一个内部抽成真空并充以少量液体的密封管,具有高效的导热性能。在工作时热流体通过热管的一端外表面,冷流体通过热管另一部分。籍助于管内工质的潜热变化而进行冷热流体间的换热。由于是潜热的变化,具有相当高的导热能力,其当量导热系数为铜、银等金属导热系数的几百倍。在20世纪60年代首先被应用于宇航技术中,后来在电子、机械、化工和石油等行业也有了广泛的应用。热管换热器在国外已系列化生产。而我国经过20多年努力先后开发了气、气热管换热器、热管蒸汽发生器和高温热管,并在石油、化工、冶金、动力以及水泥等行业得到了广泛的应用,取得了良好的效果。图14热管结构示意图2其他类型新型换热器除了以上介绍的一些新型高效换热器外,还有以下几种:HamonLummus公司的SRCTM空冷式冷凝器、NTIW列管式换热器、英国CalGavin公司的丝状花内插物换热器(Hitran)、日本的Hybrid混合式换热器,俄罗斯的变形翅片管换热器、喷涂翅片管冷却器、非钎焊金属丝缠绕翅片管换热器和螺旋绕管式换热器、美国Chemineer公司的Kenics换热器、日本的SM型换热器(内插静态混合器)、美国的BrownFintubeLtd1的带扭带插入物的湍流增强式换热器(ExchangerWithTurbulator)、美国Yuba公司的Hemilok换热器、澳大利亚RoachHeatExchangers公司的柔性换热器(FlexibleHeatExchanger)等。此外,还有日本日阪制作所生产的世界单台最大处理能力为5000m3/h的UX-100型板式换热器、法国NordonCryogenieS1N1C1公司生产的6900mm×1525mm×1300mm(长×宽×高)换热面为1500m2/m3的板翅式换热器、英国MichaelWebbProcessEquipmentSupply公司的提箱式全焊板式换热器和其他各种紧凑式换热器(包括半焊式和全焊式板式换热器)、美国传热公司的FIVER-ROD式防振结构换热器、法国LeCarbone公司推出的新奇换热器(ExoticHeatExchanger)。3近期国内外开发研究的发展方向1)非金属材料应用。非金属材料在一定的范围内具有金属材料不可比拟的优点。石墨材料具有优良的导电、导热性能,较高的化学稳定性和良好的机加工性,氟塑料具有特别优良的耐腐蚀性。氟塑料耐腐蚀性能极强,并且与金属材料相比还具有成本上的优势。复合材料如搪瓷玻璃具有优良的耐腐蚀性能、良好的耐磨性、电绝缘性以及表面光滑不易粘附物料等优点,已经用于制作换热产品。陶瓷材料因其优异的耐腐蚀性、耐高温性能而引起工业界的高度重视,已经在换热产品的制造中得到应用。2)计算流体力学和模型化设计的应用。在换热器的热流分析中,引入计算机技术,对换热器中介质的复杂流动过程进行定量的模拟仿真。目前基于计算机技术的热流分析已经用于自然对流、剥离流、振动流和湍流热传导等的直接模拟仿真,以及对辐射传热、多相流和稠液流的机理仿真模拟等方面。在此基础上,在换热器的模型设计和设计开发中,利用CFD的分析结果和相对应的模型实验数据,使用计算机对换热器进行更为精确和细致的设计。3)加强实验和理论研究。采用先进的测量仪器来精确测量换热器的流场分布和温度场分布,并结合分析计算,进一步摸清不同结构的强化传热机理。采用数值模拟方法对换热器内流体流动和传热过程进行研究,预测各种结构对流场及传热过程的影响。54化工设计通讯第33卷4)有源技术研究。如利用振动、电场方法强化传热的机理研究、试验研究,给出对比试验数据,提出理论计算模型。5)强化结构组合研究。为达到管壳程同时强化的目的,强化结构组合研究将成为近期传热强化技术研究的发展方向。4结语今年来,国内已经进行了大量的强化传热技术的研究,但在新型高效换热器的开发方面与国外差距仍然较大,并且新型高效换热器的实际推广和应用仍非常有限。尚需从事换热器专业的技术人员在制造工艺方面加大力度进行研究,使我国换热器技术从各个方面赶上国际水平,也需要各换热设备使用厂家勇于引进和推广新型高效换热器,为我国的节能事业做出贡献。[参考文献][1]马晓驰1国内外新型高效换热器1化工进展,2001,20(1):49~511[2]KralD,StelikP,vanderPloegHJ1Helicalbafflesinshell-and-tubeheatexchangers,partone:experimentalverification[J]1HeatTransferEngineering,1996,17(1):93-1011[3]胡明辅等1折流栅抗振型换热器流体动力学及传热特性研究1压力容器,2000,17(4)1[4]中国专利,专利号O1253449181[5] 刘明1新型换热器技术进展及其应用1山西能源与节能12004133(3):31~331[6]朱冬生1钱颂文1强化传热技术及其设计应用1化工装备技术,2000,21(6):1~81[7]何世权,姜飞,郑小荣等1紧凑型换热器技术进展及应用1石油化工设备,2004,30(5):48~501(上接第47页)图1图2要是焊接速度和焊接电流大小的控制。试验结果表明,大电流、快速焊能有效防止气孔的产生。这主要是由于在焊接过程中以较快速度焊透焊缝,熔化金属受热时间短,吸收气体的机会少。收弧时,注意填满弧坑,缩小溶池,避免产生缩孔,终点的结合处应焊过20~30mm。停弧后,要延迟停气6s。可旋转的铝及铝合金管对接平焊时,焊炬应处于稍带上坡焊位置。这样有利于焊透,厚壁管子底层焊时,可不填加焊丝,但以后的焊层需加焊丝。4焊接检验按HGJ222—92《铝及铝合金焊接技术规范》对所有焊缝进行表面和射线探伤检查。5实施效果采用上述焊接工艺,实际的焊接施工中气孔和烧穿问题得到了有效的解决。焊接探伤合格率达到了97%。当然还存在背面成型问题,这主要依靠操作者的感觉,对操作者的技术要求较高。
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