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離子束處理表面高效換熱器的開發與應用

點擊:1456 日期:[ 2014-04-20 00:59:05 ]

  摘要介紹了高效節能離子束處理表面換熱器的設計原理、結構、性能及應用實例等,并對各種汽-水換熱器性能進行了對比。關鍵詞離子束滴狀冷凝表面張力1前言

  在現代工業生產中,由于管殼式換熱器具有選材范圍廣、適應性強、操作彈性大,尤其能在高溫高壓下工作等特點,因此,一直被作為一種傳統的標準換熱設備為許多工業部門大量采用。但是管殼式換熱在換熱效率、設備結構的緊湊性(換熱器在單位體積中的換熱面積m 2/m 3)和金屬消耗量(kg/m 2)等方面存在著諸多不足。

  為了改善管殼式換熱器的換熱效率,多年來國內外許多人進行了大量的研究工作,通過管子形狀或表面性質的改造來強化無相變和有要求傳遞的熱量比單相流體要大很多。實驗表明:在蒸汽冷凝過程中,設法在管殼式換熱器管壁造成滴狀冷凝,是提高熱能利用率,增強放熱的最有效途徑。

  大連經濟技術開發區九圓熱交換設備制造公司與有關大專院校和研究部門共同研制的冷凝強化管式換熱器,在滴狀冷凝領域取得了突破性成果。他們對管殼式換熱器的換熱管表面進行了動態混合注入(D IM )聚四氟乙烯、鉻及二硫化鉬等材料,使換熱管表面傳熱性能顯著強化,可將冷凝傳熱總系數提高2~3倍,同時工藝簡單可行,不污染蒸汽。經幾年來試驗運行,獲得良好的效果。2冷凝強化管式換熱器的設計原理

  冷凝傳熱過程在石油、化工及動力工程中應用十分廣泛,如蒸餾塔頂蒸汽的冷凝、加熱蒸汽的冷凝、冷凍過程中冷凍劑蒸汽的冷凝等,用作蒸汽冷凝器的主要換熱設備就是管殼式冷凝器。在管殼式換熱器中,當蒸汽與溫度較低的換熱管外壁面接觸時,蒸汽立即放出熱量冷凝為液體。蒸汽的冷凝有兩種不同的方式:膜狀冷凝和滴狀冷凝。膜狀冷凝是指壁面能全部被凝液潤濕,蒸汽凝聚的液滴立即分散結成片狀液膜,壁面為一薄層液膜覆蓋,當液膜集成到一定厚度時,沿壁流下,但壁面上仍覆蓋一層液膜。蒸汽的冷凝熱按熱傳導方式通過液膜傳至壁面,由于液體的導熱系數比較小,所以液膜具有較大的熱阻,壁面上冷凝液膜越厚,其熱阻越大,冷凝給熱系數就愈小。滴狀冷凝是凝液不能全部潤濕壁面,而在壁面上形成珠狀液滴,當液滴聚集成一定大小后,由于重力作用自壁面滴落,并在流動時帶走其下方的其它液滴,使壁面重新露出,以供生成新液滴之用。由于在滴狀冷凝過程中,有相當一部分傳熱面與蒸汽直接接觸進行傳熱,蒸汽與壁面間無液膜熱阻存在,故滴狀冷凝給熱系數大于膜狀冷凝給熱系數,相差可達幾倍甚至幾十倍。

  由此可見,為了實現穩定的滴狀冷凝必須設法造成一個不能潤濕的冷卻表面。液體在固體表面上形成滴狀而不鋪展為膜的必要條件是:固體應具有低表面能。

  從微觀上,任何一個相,處于表面層中的分子和內部分子存在著能量上的差異,表面層分子不僅受到外部分子的吸引力,而且受到指向內部的拉力,且這個拉力大于前者。因此表面分子所受的合力不等于零,處于力的不平衡狀態,所謂表面能就是每增加單位表面積所需作的可逆功。表面粒子都有被拉向內部的趨勢,由此產生了表面張力,對于液體和未變形固體表面能與表面張力具有相同的數值,因此,粒子間的作用越強,表面能越高。換熱管均由金屬材料制成,金屬鍵屬于強鍵,所以金屬表面大多為高能表面,致使膜狀冷凝成為蒸汽冷凝的普遍現象,要在金屬表面獲得滴狀冷凝,必須使表面層分子處于力的平衡狀態,以降低其表面能。

  迄今為止,人們都采用在金屬外表面覆加一層低表面能的材料,靠物理或化學吸附作用與金屬表面而結合,以達到降低表面能的目的。如:①油酸或硬脂酸等帶有憎水基的鏈狀脂肪酸類,當水蒸氣中油酸濃度為3~50PPm時,能在銅、不銹鋼等表面上形成良好的滴狀冷凝,壽命可達104h以上。但這些材料高溫下不穩定,會在壁面上粘附水垢,反使熱阻增加;②金屬硫化物等無機材料,它們在水中溶解度極低;③貴重金屬材料金、鉑、銠等電鍍表面;④高分子聚合物、氟碳化合物,它們的表面能在固體材料中是很低的,聚四氟乙烯為18dyn/cm ,聚乙烯為31dyn/cm , 100℃的水蒸氣這樣低的表面能,致使蒸汽能夠形成在聚四氟乙烯表面上凝結時,水-汽的表面張力是60. 8dyn/cm ,滴狀冷凝狀態。

  我們吸取了前人的經驗,揚長避短,采用動態混合注入(D IM )的方法,對金屬材料表面進行改性處理,利用離子束把聚四氟乙烯、鉻及二硫化鉬等材料的分子轟擊到金屬表面上去,經深處理后,這些低表面能材料滲入到金屬表層或與表層金屬離子混合,工藝簡單易行。3離子束處理表面換熱器的性能

  經離子束處理表面的換熱管是一種高效冷凝強化管,經實測,用它制成的管殼式冷凝器當水側流速穩定在2m/s時,總傳熱系數可達到6000~8000W/m 2·K (本體為銅管) , 4000~6000W/m 2·K (本體為不銹鋼管)。這種采用D IM法處理的金屬表面層厚約3~4長久性地維持滴狀冷凝,沒有傳熱效率下降問題,而且具有很強的抗垢耐蝕性能,耐磨損和抗疲勞性能等。因此,這種換熱器可以滿意地使用于腐蝕性強或產品純度要求極高的場合,如電鍍業、電子工業、制藥工業以及食品工業。這種換熱器既有一般管殼式換熱器的機械結構,同時具有較高的傳熱系數,與同類產品相比(如表1) ,可大大節省設備的投資以及減少運行費用和設備維護費用。

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  4離子束處理表面汽-水換熱器的應用

  離子束處理表面管殼式換熱器一經問世,很快受到許多工業部門的歡迎。先后被集中供熱、石油化工、機械、食品等行業用于各種汽-水換熱系統,以及有機、無機物的冷凝蒸發設備中。在吉林渾江熱電廠、大連熱電廠等熱電聯產、集中供熱部門,獲得了成功的應用,取得了顯著的經濟效益和社會效益。

  如吉林某熱電廠下屬一供熱小區,汽-水換熱供暖,其工況條件為:冷卻水流量126t/h水溫從60℃升到90℃,蒸汽為1. 6bar飽和蒸汽,凝結水為飽和水,采用普通管殼式換熱器76. 8m 2,傳熱系數最高只能達1680W/m 2·K。小區擴建后,原換熱器負荷增大,水溫上不去,供不應求,換上一臺40. 4m 2的離子束處理表面的管式換熱器,在相同的工況條件下,換熱效率明顯提高,傳熱系數可達3200W/m 2·K,可為3×104m 2的小區供暖,且安全、穩定,運行3年,管外未結垢。諸多運行實際工況表明:當蒸汽側給熱系數提高10倍以上時,強化前后總傳熱系數可提高近一倍,傳熱面積減少近一半。如果換熱管采用螺旋管,又可使管內形成螺旋擾動,進一步強化換熱,這種擾動極大地破壞了邊界層熱阻,激發了流體的湍動程度,有效地提高了管內的給熱系數,此管再經離子束處理后作冷凝管,將產生管內管外雙重強化的效果,其傳熱系數可比離子束處理光管再提高10%~15%。

  目前這種離子束處理表面高效換熱器已獲國家專利,且已有多種規格、型號。隨著我國經濟的不斷發展和技術的不斷進步,工藝的不斷完善,其廣泛應用將指日可待。

 


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