國外換熱器新進展

1、國外換熱器新進展囪如囹畫囪至囹國外換熱器新進展原作者：曹緯出處：【關鍵詞】強化傳熱，傳熱元件，殼程設計，新型高效換熱器【論文摘要】簡述了國外近年來換熱器的發(fā)展概況，介紹了強化傳熱研究、強化傳熱元件開發(fā)、新型殼程結構設計以及國外推出的各種新型高效換熱器的有關情況。分類號TQ051.5RecentadvancesonforeignheatexchangersSeniorTranslatorCaoWei(LanzhouPetroleumMachineryReseachInstitute,Lanzhou730050)AbstractTherecentprogressofforeignheatexcha

2、ngersinlastedyearsisoutlined,researchofenhancedheattransfer,developmentofheattransferelementsandstructuraldesignofnewtypeshellsideareintroduced,andnewhigh-effectiveheatexchangersabroadarecommented.Keywords:enhancedheattransfer,heattransferelements,shellsidedesign,newhigh-effectiveheatexchangers1概述70

3、年代的世界能源危機，有力地促進了傳熱強化技術的發(fā)展。為了節(jié)能降耗，提高工業(yè)生產(chǎn)經(jīng)濟效益，要求開發(fā)適用于不同工業(yè)過程要求的高效能換熱設備1。這是因為，隨著能源的短缺(從長遠來看，這是世界的總趨勢)，可利用熱源的溫度越來越低，換熱允許溫差將變得更小，當然，對換熱技術的發(fā)展和換熱器性能的要求也就更高2。所以，這些年來，換熱器的開發(fā)與研究成為人們關注的課題。最近，隨著工藝裝置的大型化和高效率化，換熱器也趨于大型化，并向低溫差設計和低壓力損失設計的方向發(fā)展。同時，對其一方面要求成本適宜，另一方面要求高精度的設計技術。當今換熱器技術的發(fā)展以CFD(ComputationalFluidDynamics)、模

4、型化技術、強化傳熱技術及新型換熱器開發(fā)等形成了一個高技術體系3。2強化傳熱技術所謂提高換熱器性能，就是提高其傳熱性能。狹義的強化傳熱系指提高流體和傳熱面之間的傳熱系數(shù)。其主要方法歸結為下述兩個原理，即使溫度邊界層減薄和調換傳熱面附近的流體。前者采用各種間斷翅片結構，后者采用泡核沸騰傳熱2。最近還興起一種EHD技術，即電氣流體力學技術，又稱為電場強化冷凝傳熱技術，進一步強化了對流、冷凝和沸騰傳熱，特別適用于強化冷凝傳熱，并適用于低傳熱性介質的冷凝，因而引起人們的普遍關注3。其原理是，對某些不導電液體的表面施以相垂直的電場，使液體表面變得很不穩(wěn)定，借冷凝液表面的張力作用和在靜電場下液膜的不穩(wěn)定現(xiàn)象

5、使液膜厚度減薄，從而強化冷凝傳熱。其所需電場耗用的電力很小。人們想盡各種辦法實施強化傳熱，歸結起來不外乎兩條途徑，即改變傳熱面的形狀和在傳熱面上或傳熱流路徑內設置各種形狀的湍流增進器或插入物。2.1 傳熱面形狀的改變改變傳熱面形狀的方法有多種，其中用于無相變強化傳熱的有：橫槽管、螺旋槽管（S管）和縮放管。新近又開發(fā)出偏置折邊翅片管（一種間斷翅片管）和螺旋扁管，后者也叫麻花管（TwistedTube）,這原是瑞士的Allares公司技術，后經(jīng)布朗公司（BrownFintube,Ltd.）改進，是一種高效換熱元件4。用于有相變強化傳熱的強化沸騰傳熱管有：燒結多孔表面管、機械加工的多孔表面管（如日本

6、的Themoexcel-E管）、電腐蝕加工的多孔表面管7、T型翅片管、ECR40管和Tube-B型管。從所報導數(shù)據(jù)來看，在整體低肋管上切縱槽后再滾壓成型的Tube-B型管似乎有較高的傳熱性能，它可能符合薄液膜面積較大，隧道與外界液體相通，因而有利于蒸汽流出和液體吸入等要求1。俄羅斯也開發(fā)出一種稱之為"變形翅片管”的傳熱管，可用于空分裝置的冷凝-蒸發(fā)器8。用于強化冷凝傳熱的傳熱管有：縱槽管、低螺紋翅片管、鋸齒形翅片管（ST管）和徑向輻射肋管式翅片管（R管）等。近年來，Hamon-Lummus公司又新推出一種SRC翅片管（SRCFinTube）3,用于冷凝傳熱。內翅片管與橫槽管和螺旋槽管

7、一樣，不但可用于單相對流傳熱，也可有效地用于強化管內流動沸騰傳熱1。而橫槽管和螺旋槽管不但能強化管內傳熱，同時還能強化管外傳熱。外翅片管可以利用液體表面張力減薄冷凝液膜厚度以強化傳熱，這一發(fā)現(xiàn)大大促進了新型翅片管的研究開發(fā)。人們用不同金屬制造不同形狀的翅片管，其翅片形狀有：三角肋三角槽、梯形肋三角槽、梯形肋梯形槽、三角肋梯形槽和WolverineTube-C管等。翅片密度在503000個翅片/m,與光管相比，給熱系數(shù)可提高112倍9。俄羅斯還介紹了1種空冷器用的軋制翅片管，為雙金屬管，每隔1個翅片有切口，用以強化傳熱10。俄羅斯還有1種金屬絲纏繞的繞絲翅片管14和氣動噴涂翅片管15。內螺旋翅片

8、管（NL管）是美國新開發(fā)的1種高效強化管內相變傳熱元件，根據(jù)翅片形狀不同，可分為三角肋、梯形肋和矢I形肋等，用于沸騰傳熱9。內波紋螺紋管在湍流時可使對流傳熱系數(shù)增加1倍多11。多頭內螺紋管（ISF管）也是一種高效強化傳熱管，具有較好的強化管內沸騰傳熱的性能，傳熱膜系數(shù)為光管的1.62.2倍，在相同的傳熱面積下，能夠完成相當于光管168%200%的傳熱負荷。ISF管的強化傳熱作用主要是內表面和二次流的增加所致?？捎糜诟墒秸舭l(fā)器，與目前制冷行業(yè)通用的星形內肋管蒸發(fā)器相比，質量可以減輕近50%12。截面管也是近年來國外研究開發(fā)的強化傳熱元件，可分為蛋形管、豆狀管和菱形管，統(tǒng)稱為異形管。實驗證明，此類

9、管件與光圓管相比，具有顯著的強化傳熱效果13o2.2 流路湍流增進器與管內插入物增進器是在傳熱面附近設置一個小物體（不一定與傳熱面相連接），它可以是各種形狀和型式，最常見的是在傳熱面上等距離設置突起物，通過攪亂流動來達到強化傳熱的目的：2o管內插入物有：扭帶(Turbulators)、螺旋片、螺旋線圈(SpireleElements)和靜態(tài)混合器(KenicsMixers)。它們適合于強化管內單相流體傳熱，尤其對強化氣體、低雷諾數(shù)或高粘度流體傳熱更為有效9。最近，國外又開發(fā)出一種稱之為HitranMatrixElements的花環(huán)式插入物，它是一種金屬絲制翅片管子插入件(Wire-FinTub

10、eInserts),能增強湍流，改善傳熱性能。它是英國CalGarinLtd.公司的產(chǎn)品，并取得了專利權5。3殼程設計為了強化殼程傳熱，除上述改變管子外形或在管外加翅片外，另一途徑就是改變殼程檔板或管間支撐物。為了克服單弓形檔板的缺點，先后開發(fā)了雙檔板(DoubleSegmentalBaffles)、三檔板(TripleSegmentalBaffles)、折流桿(RodBaffles)、窗口不排管(NTIW)和波網(wǎng)(Nest)等新殼程結構16。隨后有人設計了一種"外導流筒(ShellsideFlowDistribution)"結構，接著又出現(xiàn)了整圓槽孔折流柵板17。最近AB

11、BLummus公司又新推出了HelicalBaffles折流板結構18,19。實踐證明，這些改進都大大降低了流體在殼程中的阻力。Taborek曾指出，流體在殼程中作縱向流動是管殼式換熱器中的最理想結構形式，如果殼程流體流量足以保證在湍流條件下作縱向流動，這種選擇看來是有利的。為了強化殼程傳熱，目前，殼程設計也在向各種強化結構組合的方向發(fā)展。4新型換熱器近年來，隨著制造技術的進步，強化傳熱元件的開發(fā)，使得新型高效換熱器的研究有了較大的發(fā)展，根據(jù)不同的工藝條件與換熱工況設計制造了不同結構形式的新型換熱器，并已在化工、煉油、石油化工、制冷、空分及制藥各行業(yè)得到應用與推廣，取得了較大的經(jīng)濟效益。國外推

12、出的新型換熱器有：ABB公司的螺旋折流板換熱器(HelixchangerTM)18、HamonLummus公司的SRCTM空冷式冷凝器3、Packinox換熱器3、NTIW歹U管式換熱器16、英國CalGavin公司的絲狀花內插物換熱器(Hitran)5、日本的Hybrid混合式換熱器20,俄羅斯的變形翅片管換熱器(AeopMHpOBaOipi®(£peHne)8、噴涂翅片管冷卻器15、非釬焊金屬絲纏繞翅片管換熱器14和螺旋繞管式換熱器(BnTol'jia/i,KOTpy66Ti(airHi0o6Me22Cc美國Chemineer公司的Kenics換熱器(Kenic

13、sHeatExchanger)、日本的SM型換熱器(內插靜態(tài)混合器卜美國的BrownFintubeLtd.的帶扭帶插入物的湍流增強式換熱器(ExchangerWithTurbulator)和麻花扁管換熱器(TwistedTubeHeatExchanger)、美國Yuba公司的HemilokOR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(chǎn)的世界單臺最大處理能力為5,000m3/h的UX-100型板式換熱器、法國NordonCryogenieS.N.C.公司生產(chǎn)的6900mm<1525mm

14、<1300mm(長期)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卜美國傳熱公司的FIVER-ROD式防振結構換熱器。更值一提的是在今年歐洲化工設備展覽會上，法國LeCarbone公司還推出了1種稱為新奇換熱器(ExoticHeatExchanger),它是一種防腐的鋁制換熱器，光滑如玻璃，供制藥工業(yè)用，配有防污平管板，避免了任何污物在管接合處聚積。該換熱器尺寸很大。此外，空冷器方向也有新進展。以上介紹的各式換熱器的設計思想各有新穎之處，結構上

15、各具特色。有的在于強化管內傳熱，有的著眼于殼程強化傳熱，有的改進了管箱設計，有的著重防止管板誘導振動，有的緊湊了設備結構，有的在于防腐防垢。其中最先進的要數(shù)PACKINOX、SRCTM、HelixchangerTM、Twisted-tubeExchanger、HiTRAN、Hybrid、ExoticHeatExchanger幾種換熱器。PACKINOX換熱器實際上是一種新型板式換熱器，代替列管式換熱器用作煉油廠催化重整裝置混合料換熱器，并且得到了迅速推廣應用。SRCTM換熱器，采用扁平翅片管（19mnX200mm）,由于傳熱面造型特異，最適于強化傳熱，解決了偏流問題。其用于空冷式換熱，傳熱特性

16、高，壓力損失低。HeliechangerTM換熱器，采用了螺旋狀折流板結構，設計原理是：將圓截面的特制板安裝在擬螺旋狀折流系統(tǒng)中。每塊折流板占換熱器殼程中橫剖面的1/4,其傾角朝向換熱器的軸線，即與換熱器軸線保持一傾斜度。相鄰折流板的周邊相接，與外圓處成連續(xù)螺旋狀，折流板軸向重疊。如欲減少支撐管子的跨度時，也可以采用雙螺旋設計。獨特的設計避免弓形折流板曲折的Z字形流道系統(tǒng)導致的死角和較高的返混。美國Brown公司最新推出了Twisted-tubeExchanger換熱器，此換熱器原本是瑞典Allares公司產(chǎn)品，Brown公司作了改進。其螺旋扁管制造過程包括”壓扁"、"熱扭

17、"兩個工序。由于管子結構獨特，使管程與殼程同時處于螺旋流動，促進了湍流程度。該換熱器總傳熱系數(shù)較常規(guī)換熱器高40%,而壓力降幾乎相等。換熱器組裝時亦可采用螺旋扁管與光管混合方式。這種換熱器在化工、石油化工行業(yè)中將具有廣闊的應用前景17。HiTRAN換熱器，采用絲狀花內插物，可使流體在低速下產(chǎn)生徑向位移和螺旋流相疊加的三維復雜流動，可提高誘發(fā)湍流和增強沿溫度梯度方向上的流體擾動，能在不增加阻力的條件下大大提高傳熱系數(shù)20。Hybrid換熱器是日本近幾年開發(fā)的一種新型換熱器，它綜合了板式換熱器與管殼式換熱器兩者的優(yōu)點，克服了板式換熱器因密封問題而受到限制的弱點，很有發(fā)展前途20。由于文章

18、篇幅所限，上述國外換熱器新進展僅是提示性介紹，對于各種新型換熱器的詳細情況，筆者擬另文再作敘述。作者單位：曹緯（蘭州石油機械研究所（蘭州730050）副譯審）參考文獻1鄧頌九.提高管殼式換熱器傳熱性能的途徑.化學工程，1992,20(2):30362棚澤一郎.換熱技術研究開發(fā)G最新動向.配管技術日,1988,30(7):51563魚津博久，小川敬雄.熱交換器的G進步占期待.化學裝置日,1995,37(3):4448Insight:Atwistinthetale.TheChemicalEngineer,1997,(626):2124RajivMukherjee.Bwoadenyourheatex

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