新型高效換熱器發(fā)展現(xiàn)狀及研究方向

1、新型高效換熱器發(fā)展現(xiàn)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(nèi)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(gòu)造特點 , 并 對強化傳熱元件和新型高效換熱器技術(shù)的發(fā)展方向進行了探討。0引 言換熱器是化工、石油、制藥及能源等行業(yè)中應(yīng)用相當廣泛的單元設(shè)備之一。據(jù)統(tǒng)計 , 在現(xiàn)代化學工業(yè) 中所用換熱器的投資大約占設(shè)備總投資的 30%,在煉油廠中換熱器占全部工藝設(shè)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

2、紀 70年代初發(fā)生的世界性能源危機 , 有力地促進了傳熱強化 技術(shù)的發(fā)展。為了節(jié)能降耗 , 提高工業(yè)生產(chǎn)的經(jīng)濟效益 , 要求開發(fā)適用不同工業(yè)過程要求的高效能換熱設(shè) 備。 因此 , 幾十年來 , 高效換熱器的開發(fā)與研究始終是人們關(guān)注的課題 , 國內(nèi)外先后推出了一系列新型高效換 熱器 1。1國內(nèi)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(fā)展起來的一種管殼式換熱器 , 是由美國AB B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(tǒng) ” 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

3、斜度。相鄰折流板的周邊相接 , 與外圓處成連續(xù)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(jié)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(jié)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(xiàn)象、卡門渦街 , 從而提高有效傳熱溫差 , 防止流動誘導(dǎo)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(qū) , 不易結(jié)垢。對于低雷諾數(shù)下 (Re <1000的傳熱 , 螺旋折流板效果更為突出 2。1.2折流

4、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(jié)構(gòu) , 開發(fā)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(shù)高?，F(xiàn)在此種換 熱器廣泛應(yīng)用于單相沸騰和冷凝的各種工況。在后來出現(xiàn)了一種外導(dǎo)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(qū) , 增加了單位體積設(shè)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(dǎo)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(xiàn)了直扁鋼條支撐方式 3和波浪型扁鋼支撐結(jié)構(gòu) 4等新型支撐結(jié)構(gòu)的折

5、流桿換熱器 , 如 圖 3和圖 4。這些新結(jié)構(gòu)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(huán)管殼式換熱器空心環(huán)管殼式換熱器 (圖 5 是華南理工大學于發(fā)明的一種新型管殼式換熱器。 空心環(huán)是由直徑較小的 鋼管截成短節(jié) , 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(huán)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(huán)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(shù)高。 該種結(jié)構(gòu)的換熱器可充分發(fā)揮粗糙型強化傳熱

6、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(shù)。 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(nèi)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(qū)間的流體經(jīng)小孔實現(xiàn)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

7、 , 從而提高了換熱系數(shù) ; 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(jié)構(gòu)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(jù)換熱管程和殼程的流速設(shè)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(cè)處于較理想的流動狀態(tài)。 變截面管式 (圖 8 是把普通圓管按一定節(jié)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

8、并構(gòu)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(zhì)量 , 而且可實現(xiàn)管束間 流體薄層流動。其結(jié)構(gòu)比較簡單 , 且是雙面強化管 , 但最大弱點是管內(nèi)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(qū) , 近年來開發(fā)出了一些新型結(jié)構(gòu) , 例如矩形孔 , 梅花孔等 異形孔的折流板結(jié)構(gòu) (圖 9, 這種折流板既能支承管子 , 又能讓傳熱介質(zhì)流過折流板 , 產(chǎn)生射流 , 從而消除了管 子結(jié)垢和垢下腐蝕。后來 , 德國GRIMMA公司制造的一種網(wǎng)狀整圓形折流板換熱器 ,

9、傳熱效果優(yōu)于傳統(tǒng) 的圓缺形折流板換熱器 , 其結(jié)構(gòu)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(cè)流體在管橋 處沿著軸向流動 , 避免了流體因轉(zhuǎn)折引起的滯留區(qū) 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(jié)省支承板材料 , 是當前國內(nèi)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(jù)介質(zhì)性質(zhì)和操作要 求設(shè)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(nèi)部的支架上 , 并用波紋 膨脹節(jié)與殼體接管連接。 1.7塊式換熱器

10、 7塊式換熱器最早由德國的HoeehstCeram技術(shù)股份公司發(fā)明 (圖 11 。它是由厚度為 0 8 mm的片狀材料層疊在一起 , 然后用熱導(dǎo)率為 120W /m ·K的陶瓷材料將其燒結(jié)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 13001400 , 一般用于超高溫和強腐蝕環(huán)境中。1.8整體翅片式換熱器整體翅片經(jīng)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(diào)、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?shù)姆绞綄⑺c管板、 集流箱或集流管連接以構(gòu)成管內(nèi)流道。管外空間也

11、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?？梢圆捎脵C械或水力的方法脹管 , 管子 被脹后與翅片貼緊。這種結(jié)構(gòu)要求管子和翅片材料的熱脹系數(shù)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(yōu)于平直翅片 , 而且更加堅固 , 廣泛地應(yīng)用于空調(diào)冷卻器及其它用途的換熱 器。 1.9 毛細板式換熱器 該種換

12、熱器最早由德國的公司制造(圖 13,它由多層毛細板疊合而成,板間距 24。毛 細板由直徑 1 5,壁厚 0 1的毛細管,用環(huán)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(nèi)部抽成真空并充以少量液體的密封管,具有高 效的導(dǎo)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(nèi)工質(zhì)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(dǎo)熱能力,其當量導(dǎo)熱系數(shù)為銅、銀等 金屬導(dǎo)熱系數(shù)的幾百倍。在 20 世紀 60 年代首先被應(yīng)用于宇航技術(shù)中,后來在電子、機械、化工和石油等

13、 行業(yè)也有了廣泛的應(yīng)用。熱管換熱器在國外已系列化生產(chǎn)。而我國經(jīng)過 20 多年努力先后開發(fā)了氣、氣熱 管換熱器、熱管蒸汽發(fā)生器和高溫熱管,并在石油、化工、冶金、動力以及水泥等行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)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:公司的 空冷式冷凝器、列管式換熱器、英國公司的絲狀花內(nèi)插物換熱器( 、日本的混合式換熱器,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、美國公司的換熱器、日本的 型換熱器(內(nèi)插靜態(tài)混合器、美國的 的帶扭帶插入物的湍流增強 式換熱器(、美國公司的換 熱器、澳大利亞

14、公司的柔性換熱器( 等。此外,還有日本日阪制作所生產(chǎn)的世界單臺最大處理能力為 50003/的 -100 型板式換熱器、法國 公司生產(chǎn)的 6900×1525 ×1300(長×寬×高換熱面為 15002/3 的板翅式換熱器、英國 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-式防振結(jié)構(gòu)換熱器、法國 公司推出的新奇換熱器(。 3 近期國內(nèi)外開發(fā)研究的發(fā)展方向 1非金屬材料應(yīng)用。非金屬材料在一定的范圍內(nèi)具有金屬材料不可比擬的優(yōu)點。石墨材料具有優(yōu)良 的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能,較高的化學穩(wěn)定性和良好的機加工性,氟塑料具有特

15、別優(yōu)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(yōu)勢。復(fù)合材料如搪瓷玻璃具有優(yōu)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(yōu)點,已經(jīng)用于制作換熱產(chǎn)品。陶瓷材料因其優(yōu)異的耐 腐蝕性、耐高溫性能而引起工業(yè)界的高度重視,已經(jīng)在換熱產(chǎn)品的制造中得到應(yīng)用。 2計算流體力學和模型化設(shè)計的應(yīng)用。在換熱器的熱流分析中,引入計算機技術(shù),對換熱器中介質(zhì)的 復(fù)雜流動過程進行定量的模擬仿真。目前基于計算機技術(shù)的熱流分析已經(jīng)用于自然對流、剝離流、振動 流和湍流熱傳導(dǎo)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(chǔ) 上,在換熱器的模型設(shè)計和設(shè)計

16、開發(fā)中,利用的分析結(jié)果和相對應(yīng)的模型實驗數(shù)據(jù),使用計算機對換 熱器進行更為精確和細致的設(shè)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(jié)合 分析計算,進一步摸清不同結(jié)構(gòu)的強化傳熱機理。采用數(shù)值模擬方法對換熱器內(nèi)流體流動和傳熱過程進行 研究,預(yù)測各種結(jié)構(gòu)對流場及傳熱過程的影響。 4有源技術(shù)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(shù)據(jù),提出理 論計算模型。 5強化結(jié)構(gòu)組合研究。為達到管殼程同時強化的目的,強化結(jié)構(gòu)組合研究將成為近期傳熱強化技術(shù)研 究的發(fā)展方向。 4 結(jié) 語 今年來,國內(nèi)已經(jīng)進行了大量的強化傳熱技術(shù)的研究,但在新型高效換熱器的開發(fā)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(yīng)用仍非常有限。尚需從事?lián)Q熱器專業(yè)的技術(shù)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(shù)從各個方面趕上國際水平,也需要各換熱設(shè)備使用廠家勇于 引進和推廣新型高效換熱器,為我國的節(jié)能事業(yè)做出貢獻。 參 考 文 獻 1