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哈雷釬焊板式換熱器
專業生產:換熱器;分水器;過水熱;冷卻器
新聞動態

新型高效換熱器發展現狀及研究方向

點擊:2351 日期:[ 2014-04-26 22:13:54 ]
                                新型高效換熱器發展現狀及研究方向                                   1.矯明  1.徐宏  2.程泉  1.張倩 (1 華東理工大學機械與動力工程學院,上海 200237;2 大連深藍重工有限公司,大連 116031)       摘要:綜述了國內外近年來新型高效換熱器的研究概況,簡述了幾種新型換熱器的性能與構造特點,并對強化傳熱元件和新型高效換熱器技術的發展方向進行了探討。     關鍵詞:高效換熱器;新型換熱器;強化傳熱     中圖分類號:TQ051 5  文獻標識碼:A  文章編號:1003-6490(2007)03-0050-06     0 引 言     換熱器是化工、石油、制藥及能源等行業中應用相當廣泛的單元設備之一。據統計,在現代化學工業中所用換熱器的投資大約占設備總投資的30%,在煉油廠中換熱器占全部工藝設備的40%左右,海水淡化工藝裝置則幾乎全部是由換熱器組成的。上個世紀70年代初發生的世界性能源危機,有力地促進了傳熱強化技術的發展。為了節能降耗,提高工業生產的經濟效益,要求開發適用不同工業過程要求的高效能換熱設備。因此,幾十年來,高效換熱器的開發與研究始終是人們關注的課題,國內外先后推出了一系列新型高效換熱器[1]。     1 國內外新型高效換熱器簡介     1.1 螺旋折流板換熱器螺旋折流板換熱器(圖1)是最新發展起來的一種管殼式換熱器,是由美國ABB公司提出的。其基本原理為:將圓截面的特制板安裝在”擬螺旋折流系統”中,每塊折流板占換熱器殼程中橫剖面的四分之一,其傾角朝向換熱器的軸線,即與換熱器軸線保持一定傾斜度。相鄰折流板的周邊相接,與外圓處成連續螺旋狀。每個折流板與殼程流體的流動方向成一定的角度,使殼程流體做螺旋運動,能減少管板與殼體之間易結垢的死角,從而提高了換熱效率。在氣一水換熱的情況下,傳遞相同熱量時,該換熱器可減少30%~40%的傳熱面積,節省材料20%~30%。相對于弓形折流板,螺旋折流板消除了弓形折流板的返混現象、卡門渦街,從而提高有效傳熱溫差,防止流動誘導振動;在相同流速時,殼程流動壓降小;基本不存在震動與傳熱死區,不易結垢。對于低雷諾數下(Re<1000)的傳熱,螺旋折流板效果更為突出[2]。     1.2 折流桿式換熱器     20世紀70年代初,美國菲利浦公司為了解決天然氣流動振動問題,將管殼式換熱器中的折流板改成桿式支撐結構,開發出折流桿換熱器(圖2)。研究表明,這種換熱器不但能防振,而且傳熱系數高。現在此種換熱器廣泛應用于單相沸騰和冷凝的各種工況。在后來出現了一種外導流筒折流桿換熱器,此種換熱器能最大限度地消除管殼式換熱器擋板的傳熱不活躍區,增加了單位體積設備的有效傳熱面積。目前,所有的浮頭式換熱器均采用了外導流筒。                                                                                   圖1螺旋形折流板換熱器和折流板配置方式                                                                                                    圖2折流桿換熱器     近些年,又出現了直扁鋼條支撐方式[3]和波浪型扁鋼支撐結構[4]等新型支撐結構的折流桿換熱器,如圖3和圖4。這些新結構除了增加有效換熱面積外,更主要的是提高了對管子震動的抑制作用。                       1 3 空心環管殼式換熱器      空心環管殼式換熱器(圖5)是華南理工大學于發明的一種新型管殼式換熱器。空心環是由直徑較小的鋼管截成短節,均勻地分布于換熱管管間的同一截面上,呈線性接觸,在緊固裝置螺栓力的作用下,使管束相對緊密固定。從而支撐管束并促進流體擾動。空心環支撐往往與強化管組合使用,其特點是(1)殼程流阻低。殼程軸向流道空隙率達80%的空心環管間支承物對縱向流體的形體阻力幾乎可以忽略。(2)傳熱膜系數高。該種結構的換熱器可充分發揮粗糙型強化傳熱管的強化傳熱性能,利用傳熱管的周向粗糙肋,促進縱向流體在傳熱界面上滯流層的湍流度,獲得比普通光滑管界面高80%~100%的傳熱膜系數。                                      1.4 管子自支承式換熱器      近年來,人們將殼程強化傳熱的兩種主要途徑綜合起來考慮,利用管子形狀的變化來達到相互支撐和強化傳熱雙重功能。目前主要有剌孔膜片式、螺旋扁管式和變截面管式幾種形式。如圖6,剌孔膜片式其特點是刺孔膜片既是支撐元件,又是管壁的延伸,增大了單位體積內的有效傳熱面積;膜片上的毛刺和小孔增大了流體湍流度,各區間的流體經小孔實現一定程度的混合;刺和孔使換熱表面的邊界層不斷更新,減薄了層流底層厚度,從而提高了換熱系數;殼程流體縱向流動,壓力降很小。                              螺旋扁管(圖7)(TwistedTabe)是瑞典Allares公司近年推出的一種高效換熱元件[5],螺旋扁管的結構特點是管子換熱段的任一截面均為一長圓,當組裝成換熱器時可以混合管束,也可以是純螺旋扁管。螺旋扁管的截面類似于橢圓管,橢圓的長短軸比值根據換熱管程和殼程的流速設計確定,當管程流量較低時,可增大長、短軸之比值。減少流通截面以提高流速,使換熱器兩側處于較理想的流動狀態。     變截面管式(圖8)是把普通圓管按一定節距壓制出互成90度或互成60度的扁圓形截面,利用這種變截面管互相支撐并構成擾流元件。這種換熱器管子排列緊湊,減少了換熱器的尺寸和質量,而且可實現管束間流體薄層流動。其結構比較簡單,且是雙面強化管,但最大弱點是管內阻力太大。                            1 5 縱流管束換熱器     流體在殼程中作縱向流動是管殼式換熱器中最理想的流動形式。為了將弓形折流板支撐的橫向流動盡可能地改為平行于管子的縱向流動,消除滯留死區,近年來開發出了一些新型結構,例如矩形孔,梅花孔等異形孔的折流板結構(圖9),這種折流板既能支承管子,又能讓傳熱介質流過折流板,產生射流,從而消除了管子結垢和垢下腐蝕。后來,德國GRIMMA公司制造的一種網狀整圓形折流板換熱器,傳熱效果優于傳統的圓缺形折流板換熱器,其結構為在折流板上開橫排管孔,以4個孔為一組將管橋處銑通,殼側流體在管橋處沿著軸向流動,避免了流體因轉折引起的滯留區[1]。瑞典的WELL和GEE提出的針翅管,既能擴大傳熱面,又可造成流體的強烈擾動,極大地強化了傳熱,而且壓降不大,可大大節省支承板材料,是當前國內外最先進的縱向流換熱器[6]。剪切力,抑制了板面上污垢的形成。板束的流道截面可以根據介質性質和操作要求設計成各種當量直徑和形狀。由板片焊接組裝而成的板束,固定于壓力容器殼體內部的支架上,并用波紋膨脹節與殼體接管連接。                           1.7 塊式換熱器[7]      塊式換熱器最早由德國的HoeehstCeram技術股份公司發明(圖11)。它是由厚度為0 8mm的片狀材料層疊在一起,然后用熱導率為120W/m·K的陶瓷材料將其燒結成整體。該種換熱器具有耐高溫,耐氯化、氧化及耐腐蝕的特點,其許用溫度可以達到1300~1400℃,一般用于超高溫和強腐蝕環境中。                                       1.8 整體翅片式換熱器      整體翅片經套脹或錫、釬焊固定于管束上而形成管翅式換熱器芯子(圖12),常用于空調、制冷汽車的整體翅片換熱器散熱器。套脹成本比錫焊或釬焊低得多,故一般采用套脹。采取適當的方式將它與管板、集流箱或集流管連接以構成管內流道。管外空間也可以用金屬焊接方式嚴密密封來形成密閉的通道。翅片孔由專用的沖壓模具沖制而成,孔眼可以是單翻邊或雙翻邊形的。翻邊可以增加翅片與管子的接觸面積,保證翅片間有一定的間距。雙翻邊的剛度更好,脹管時不易被脹裂。可以采用機械或水力的方法脹管,管子被脹后與翅片貼緊。這種結構要求管子和翅片材料的熱脹系數比較接近。整體翅片的型式很多,最常用的是平直翅片、波紋翅片及間斷式翅片。在相同的翅片密度下,平直翅片有較低的阻力降,常用于對壓力降限制較嚴的場合,波紋翅片的性能優于平直翅片,而且更加堅固,廣泛地應用于空調冷卻器及其它用途的換熱器。                       1.9 毛細板式換熱器      該種換熱器最早由德國的Enka公司制造(圖13),它由多層毛細板疊合而成,板間距2~4mm。毛細板由直徑1 5mm,壁厚0 1mm的毛細管,用環氧樹脂澆注而成。這種換熱器可用于從污染物和廢氣中回收熱量的場合。      1.10 熱管換熱器      熱管(圖14)是一種新型高效的傳熱元件。熱管是一個內部抽成真空并充以少量液體的密封管,具有高效的導熱性能。在工作時熱流體通過熱管的一端外表面,冷流體通過熱管另一部分。籍助于管內工質的潛熱變化而進行冷熱流體間的換熱。由于是潛熱的變化,具有相當高的導熱能力,其當量導熱系數為銅、銀等金屬導熱系數的幾百倍。在20世紀60年代首先被應用于宇航技術中,后來在電子、機械、化工和石油等行業也有了廣泛的應用。熱管換熱器在國外已系列化生產。而我國經過20多年努力先后開發了氣、氣熱管換熱器、熱管蒸汽發生器和高溫熱管,并在石油、化工、冶金、動力以及水泥等行業得到了廣泛的應用,取得了良好的效果。                             2 其他類型新型換熱器      除了以上介紹的一些新型高效換熱器外,還有以下幾種:HamonLummus公司的SRCTM空冷式冷凝器、NTIW列管式換熱器、英國CalGavin公司的絲狀花內插物換熱器(Hitran)、日本的Hybrid混合式換熱器,俄羅斯的變形翅片管換熱器、噴涂翅片管冷卻器、非釬焊金屬絲纏繞翅片管換熱器和螺旋繞管式換熱器、美國Chemineer公司的Kenics換熱器、日本的SM型換熱器(內插靜態混合器)、美國的BrownFintubeLtd 的帶扭帶插入物的湍流增強式換熱器(ExchangerWithTurbulator)、美國Yuba公司的Hemilok換熱器、澳大利亞RoachHeatExchangers公司的柔性換熱器(FlexibleHeatExchanger)等。此外,還有日本日阪制作所生產的世界單臺最大處理能力為5000m3/h的UX-100型板式換熱器、法國NordonCryogenieS N C 公司生產的6900mm×1525mm×1300mm(長×寬×高)換熱面為1500m2/m3的板翅式換熱器、英國MichaelWebbProcessEquipmentSupply公司的提箱式全焊板式換熱器和其他各種緊湊式換熱器(包括半焊式和全焊式板式換熱器)、美國傳熱公司的FIVER-ROD式防振結構換熱器、法國LeCarbone公司推出的新奇換熱器(ExoticHeatExchanger)。      3 近期國內外開發研究的發展方向      1)非金屬材料應用。非金屬材料在一定的范圍內具有金屬材料不可比擬的優點。石墨材料具有優良的導電、導熱性能,較高的化學穩定性和良好的機加工性,氟塑料具有特別優良的耐腐蝕性。氟塑料耐腐蝕性能極強,并且與金屬材料相比還具有成本上的優勢。復合材料如搪瓷玻璃具有優良的耐腐蝕性能、良好的耐磨性、電絕緣性以及表面光滑不易粘附物料等優點,已經用于制作換熱產品。陶瓷材料因其優異的耐腐蝕性、耐高溫性能而引起工業界的高度重視,已經在換熱產品的制造中得到應用。       2)計算流體力學和模型化設計的應用。在換熱器的熱流分析中,引入計算機技術,對換熱器中介質的復雜流動過程進行定量的模擬仿真。目前基于計算機技術的熱流分析已經用于自然對流、剝離流、振動流和湍流熱傳導等的直接模擬仿真,以及對輻射傳熱、多相流和稠液流的機理仿真模擬等方面。在此基礎上,在換熱器的模型設計和設計開發中,利用CFD的分析結果和相對應的模型實驗數據,使用計算機對換熱器進行更為精確和細致的設計。       3)加強實驗和理論研究。采用先進的測量儀器來精確測量換熱器的流場分布和溫度場分布,并結合分析計算,進一步摸清不同結構的強化傳熱機理。采用數值模擬方法對換熱器內流體流動和傳熱過程進行研究,預測各種結構對流場及傳熱過程的影響。      4)有源技術研究。如利用振動、電場方法強化傳熱的機理研究、試驗研究,給出對比試驗數據,提出理論計算模型。      5)強化結構組合研究。為達到管殼程同時強化的目的,強化結構組合研究將成為近期傳熱強化技術研究的發展方向。       4 結 語       今年來,國內已經進行了大量的強化傳熱技術的研究,但在新型高效換熱器的開發方面與國外差距仍然較大,并且新型高效換熱器的實際推廣和應用仍非常有限。尚需從事換熱器專業的技術人員在制造工藝方面加大力度進行研究,使我國換熱器技術從各個方面趕上國際水平,也需要各換熱設備使用廠家勇于引進和推廣新型高效換熱器,為我國的節能事業做出貢獻。      [參 考 文 獻]      [1] 馬曉馳 國內外新型高效換熱器 化工進展,2001,20(1):49~51        [2] KralD,StelikP,vanderPloegHJ Helicalbafflesinshell-and-tubeheatexchangers,partone:experimentalverification[J] HeatTransferEngineering,1996,17(1):93-101        [3] 胡明輔等 折流柵抗振型換熱器流體動力學及傳熱特性研究 壓力容器,2000,17(4)        [4] 中國專利,專利號O1253449 8        [5] 劉明 新型換熱器技術進展及其應用 山西能源與節能 2004 33(3):31~33        [6] 朱冬生 錢頌文 強化傳熱技術及其設計應用 化工裝備技術,2000,21(6):1~8         [7] 何世權,姜飛,鄭小榮等 緊湊型換熱器技術進展及應用 石油化工設備,2004,30(5):48~50       
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