國內(nèi)外新型高效換熱器

1、View o n Knowledge知識(shí)窗國內(nèi)外新型高效換熱器馬曉馳(化工部化工機(jī)械研究院 , 蘭州 , 730060)提 要 簡(jiǎn)述了國內(nèi)外近年來換熱器的發(fā)展概況。介紹了管殼式換熱器中管程、殼程的強(qiáng)化傳熱研究以及國內(nèi)外推出的各種新型換熱器的有關(guān)情況。關(guān)鍵詞管殼式換熱器 , 新型高效換熱器隨著現(xiàn)代新工藝、新技術(shù)、新材料的不斷發(fā)展和能源問題的日益嚴(yán)重 , 必然帶來更多的高性能、高參數(shù)換熱設(shè)備的需求。換熱器的性能對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量、能量利用率以及系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和可靠性起著重要的作用 , 有時(shí)甚至是決定性的作用。目前在發(fā)達(dá)的工業(yè)國家熱回收率已達(dá) 96 % , 換熱設(shè)備在石油煉廠中約占全部工藝設(shè)備投資的 35 %

2、40 %。其中管殼式換熱器仍然占絕對(duì)的優(yōu)勢(shì) , 約 70 %。其余 30 %為各類高效緊湊式換熱器、新型熱管和蓄熱器等設(shè)備 , 其中板式、板翅式、熱管及各類高效傳熱元件的發(fā)展十分迅速。隨著工業(yè)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(shè)計(jì)和低壓力損失設(shè)計(jì)的方向發(fā)展。當(dāng)今換熱器的發(fā)展以 CFD (Computational Fluid Dynamics) 、模型化技術(shù)、強(qiáng)化傳熱技術(shù)及新型換熱器開發(fā)等形成了一個(gè)高技術(shù)體系1 。1 管殼式換熱器該換熱器是當(dāng)前應(yīng)用最廣 , 理論研究和設(shè)計(jì)技術(shù)完善 , 運(yùn)用可靠性良好的一類換熱器。目前各國為改善該換熱器的傳熱性能開展了大量的研究。強(qiáng)化

3、傳熱主要有 3 種途徑提高傳熱系數(shù)、擴(kuò)大傳熱面積和增大傳熱溫差 , 研究主要集中在強(qiáng)化管程和殼程傳熱面方面。111管程強(qiáng)化傳熱人們想盡各種辦法實(shí)施強(qiáng)化傳熱 , 歸結(jié)起來不外乎 2 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(nèi)設(shè)置各種形狀的插入物。改變傳熱面形狀的方法有多種 , 用于強(qiáng)化管程傳熱的有: 橫紋管、螺旋槽管、螺紋管 (低翅管)和縮放管以及螺旋扁管 ( 瑞典 ALLARDS 公司生產(chǎn)) 。我國螺紋管的標(biāo)準(zhǔn)翅化率為 113219 ( 3) , 美、英、日、德等國均有商品化低翅管。德國 Hde 公司的螺旋槽管2 , 管內(nèi)傳熱效率明顯優(yōu)于光管 ,在 2300 Re 105 范圍內(nèi)

4、 , 提高傳熱效率 213 1111 倍 ,當(dāng) 200 Re 1500 時(shí) , 提高傳熱效率21022 倍。沈陽市廣廈熱力設(shè)備開發(fā)制造公司開發(fā)的超薄壁 (= 015mm) 不銹鋼波紋管換熱器3 , 其承壓能力可達(dá) 8MPa 。該換熱器不僅強(qiáng)化了管內(nèi)外的給熱 , 還由于溫差作用下?lián)Q熱管的可伸縮性 , 使表面結(jié)垢容易脫落 , 因此具有較強(qiáng)的防垢和自動(dòng)除垢能力。其傳熱系數(shù)較光管式提高 23 倍。管內(nèi)插入物4 ,5 是強(qiáng)化管內(nèi)單相流體傳熱行之有效的方法之一。目前管內(nèi)插入物種類很多 , 如螺旋線、紐帶、錯(cuò)開紐帶、螺旋片和靜態(tài)混合器等。最近 , 英國 Cal Garin Ltd 公司開發(fā)的一種稱之為 Hi

5、tran Matrix Elements 的花環(huán)式插入物6 , 它是一種金屬絲制翅片管子插入物 ( Wire2Fin Tube Inserts) , 能增強(qiáng)湍流。中國石化北京設(shè)計(jì)院與華南理工大學(xué)聯(lián)合研制的交叉鋸齒型插入物 , 是華南理工大學(xué)對(duì) 12 種內(nèi)插件 ( 在 Re = 3003500 和 Pr = 135 范圍內(nèi)) 進(jìn)行比較后優(yōu)選的型式 , 可直接形成流體的混合 , 尤其適用高粘度流體的換熱。其在上海乙烯廠原油2蠟油介質(zhì)換熱器中使用 , 其總傳熱系數(shù)與光滑管相比提高了 50 %。112強(qiáng)化殼程傳熱傳統(tǒng)的管殼式換熱器 , 流體在殼側(cè)流動(dòng)存在著轉(zhuǎn)折和進(jìn)出口兩端渦流的影響區(qū) , 影響了殼側(cè)的

6、給熱系數(shù)。殼側(cè)的傳熱強(qiáng)化研究包括管型與管間支撐物的研究。11211采用折流桿式換熱器7 美國在 70 年代初為解決換熱器管束振動(dòng)開發(fā)了這種結(jié)構(gòu)的換熱器。化工進(jìn)展2001 年第 1 期49目前美國已直接應(yīng)用強(qiáng)化傳熱管設(shè)計(jì)制造折流桿式換熱器 , 如菲利普公司使用螺紋管作為換熱管 , 不僅解決了振動(dòng)問題 , 而且由于殼側(cè)流動(dòng)的改善使折流桿式換熱器比傳統(tǒng)的弓形折流板換熱器傳熱系數(shù)提高 30 %左右 , 管束的壓降減少 50 %。華南理工大學(xué)和大慶石油化工總廠共同開發(fā)的折流桿螺旋槽管再沸器已應(yīng)用于在無相變及冷凝傳熱方面 , 其總傳熱系數(shù)比普通光管再沸器提高了 112 117 倍 , 抗振性能好?；げ炕?/p>

7、工機(jī)械研究院開發(fā)的折流桿式換熱器替代了某化肥廠壓縮機(jī)級(jí)間套管式冷卻器 , 節(jié)省了占地面積。11212 空心環(huán)管殼式換熱器8 空心環(huán)管殼換熱器是華南理工大學(xué)發(fā)明的一種新型管殼式換熱器 , 已獲得國家專利。長(zhǎng)沙化工機(jī)械廠設(shè)計(jì)制造的橫紋管空心環(huán)管殼換熱器使用橫紋管作為傳熱管 , 空心環(huán)作為支撐形式 , 已成功地應(yīng)用于小型氮肥廠。在某化肥廠應(yīng)用與原光管換熱器相比 , 換熱面積減小 68 % , 抗振性能好。11213 采用縱流管束換熱器 德國 GRIMMA 公司制造的一種整圓形折流板換熱器 , 其結(jié)構(gòu)為折流板上開橫排管孔 , 以 4 個(gè)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(dòng) , 避免了

8、流體因轉(zhuǎn)折引起的滯留區(qū)。該公司用不同粘度的甘油和水混合進(jìn)行實(shí)驗(yàn) , 結(jié)果表明在中低粘度范圍內(nèi) , 縱流管束換熱器傳熱效果優(yōu)于傳統(tǒng)的圓缺形折流板換熱器。11214 強(qiáng)化沸騰傳熱的傳熱管9 用于強(qiáng)化沸騰傳熱的傳熱管有: 燒結(jié)多孔表面管、機(jī)械加工的多孔表面管 ( 如日本的 Themoexcel2E 管、改進(jìn)型 Ea管 , 德國 Wieland2Werke 公司的 T 管) 、電腐蝕加工的多孔表面管、T 型翅片管、ECR40 管和 Tube2B 型管。武漢冷凍機(jī)廠分別用表面機(jī)加工的多孔管與目前制冷業(yè)流行的低肋管組裝而成的兩臺(tái)蒸發(fā)器進(jìn)行比較 , 結(jié)果表明: 多孔管的熱流密度比低肋管高36 % , 可減少

9、傳熱面 26 %。國內(nèi)近年開發(fā)的碳鋼 T 管也已成功地應(yīng)用于重沸器 , 紫銅材質(zhì) E 管應(yīng)用于氟里昂蒸發(fā)器。11215 強(qiáng)化冷凝傳熱的傳熱管 用于強(qiáng)化冷凝傳熱的傳熱管有: 縱槽管、低螺紋翅片管、鋸齒形翅片管和徑向輻射肋管式翅片管等。近年來 , Hamon2 Lummus 公司又推出一種 SRC 翅片管 ( SRC Fin Tube) , 用于冷凝傳熱。德國 GEWA 公司開發(fā)的TXV 管其翅片外緣呈 V 字型。華南理工大學(xué)研制的花瓣形翅片管是一種特殊的三維翅片結(jié)構(gòu)強(qiáng)化傳熱管 , 研究表明: 在自然對(duì)流條件下 , 其單管冷凝傳熱膜系數(shù)比鋸齒形翅片管提高了 8 %10 % ;在強(qiáng)制對(duì)流條件下 ,

10、是光滑管的 56 倍。2 新型換熱器211可拆式板式換熱器近 20 年來由于結(jié)構(gòu)的改進(jìn) , 密封墊片材料和密封槽結(jié)構(gòu)型式的發(fā)展 , 板片大型化制造技術(shù)的提高 , 板式換熱器應(yīng)用范圍已經(jīng)十分廣泛。英國 APV公司制造的單片最大面積為 4175m2 , 單臺(tái)換熱面積可達(dá) 2500m2 , 單臺(tái)最大容板量為 700 片。墊片與板片的連接固定方法如2Laval 公司的“按扣”式墊片 , 墊片直接扣壓在板片上。GEA 公司的板片 , 板片槽口上窄底寬呈梯形 , 墊片與板片槽過盈配合將墊片壓緊。開發(fā)無粘接劑連接墊片的技術(shù) , 使板式換熱器安裝和維修的時(shí)間節(jié)約 80 %。我國板式換熱器在 80 年代得到較大

11、的發(fā)展 , 繼四平板式換熱器總廠、天津板式換熱器廠開發(fā)單片面積 2m2后 , 1992 年邯鄲板式換熱器工貿(mào)公司試制成功國內(nèi)最大的 300MN 板片專用壓機(jī) , 單片面積已達(dá)217m2 。212焊接式板式換熱器用焊接結(jié)構(gòu)替代橡膠墊密封 , 全焊式和半焊式板式換熱器的出現(xiàn) , 消除了由于墊片材料耐溫、耐腐蝕、耐壓方面的限制 , 對(duì)于腐蝕介質(zhì)使用板式換熱器 , 近年來達(dá)到很大發(fā)展。德國與日本合作的千代田 BAVARIA 混合焊接板式換熱器 , 操作壓力可從真空到 6MPa , 單元換熱面積可達(dá) 1480m2 以上。Nouvelles 應(yīng)用技術(shù)公司發(fā)明的 Packinox 換熱器 , 代替列管式換熱

12、器用作煉油廠催化重整裝置混合料換熱器 , 并且得到了推廣應(yīng)用。緊湊、輕型的 Packi2nox 換熱器可用各種合金制成 , 能提供的表面積為100010000m2 。213螺旋板換熱器國外螺旋板換熱器主要結(jié)構(gòu)為可拆式 ,多為板邊結(jié)構(gòu) ,即兩端通道端面密封不用圓鋼結(jié)構(gòu) ,整體中心隔板 ,制造水平較高。在材料上除多數(shù)使用不銹鋼外 ,還使用一些可焊的鎳鉻合金、蒙乃爾合金、鈦和鈦合金、銅鋁合金等。其大型化情況如下。我國螺旋板換熱器結(jié)構(gòu)多數(shù)為不可拆式。近年來仿制和自行設(shè)計(jì)的可拆式螺旋板結(jié)構(gòu)也逐漸增多 , 使用材料一般為碳鋼和不銹鋼 , 也有少量的鈦和鈦合金。其大型化情況如下。502001 年第 1 期化

13、工進(jìn)展主任室 換熱器檔案電子版共享地址：/shared/folder_5426953_77e63d0c/目錄：ASPEN EDR 7.2換熱器設(shè)計(jì)模式計(jì)算實(shí)例.EDR EXCEL計(jì)算表管殼式換熱器的分析與計(jì)算.pdf化工機(jī)械手冊(cè)換熱器.pdf化工設(shè)備設(shè)計(jì)全書.換熱器設(shè)計(jì).pdf國內(nèi)外新型高效換熱器.pdf換熱器及配管的設(shè)計(jì).pdf換熱器工藝計(jì)算器 3.00換熱器模擬實(shí)例教程.pdf換熱器的選型和設(shè)計(jì)指南.pdf換熱器設(shè)計(jì)用書.pdf換熱器設(shè)計(jì)計(jì)算軟件文件名.txt無標(biāo)題.jpg板式換熱器工程設(shè)計(jì)手冊(cè).pdf板式換熱器計(jì)算手冊(cè).pdf武漢工程大學(xué)換熱器計(jì)算熱

14、管換熱器的設(shè)計(jì)計(jì)算.pdf石油化工設(shè)備設(shè)計(jì)選用手冊(cè) 換熱器.pdf石油化工鋼制套管換熱器設(shè)計(jì)規(guī)范.pdf管殼式換熱器工藝計(jì)算軟件(THecal Ver 1.3)管殼式換熱器熱力計(jì)算軟件開發(fā).pdf管殼式換熱器的分析與計(jì)算.pdf翅片式換熱器的設(shè)計(jì)及計(jì)算.pdf鋼制列管式固定管板換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè).pdfEXCEL計(jì)算表-螺旋板換熱器計(jì)算.xlsEXCEL計(jì)算表列管式換熱器計(jì)算表.xlsEXCEL計(jì)算表換熱器計(jì)算書.xlsEXCEL計(jì)算表換熱器計(jì)算公式.xlsEXCEL計(jì)算表無相變換熱器的計(jì)算.xlsEXCEL計(jì)算表汽水換熱器熱力計(jì)算(管內(nèi)水).xlsxEXCEL計(jì)算表汽水管殼式換熱器熱力計(jì)算書

15、.xlsEXCEL計(jì)算表通用管殼式換熱器熱工計(jì)算(V2.8).xls換熱器工藝計(jì)算器 3.00首次運(yùn)行.exe換熱器設(shè)計(jì)計(jì)算軟件exchanger.exe武漢工程大學(xué)換熱器計(jì)算換熱器工藝計(jì)算器 3.0.exe 管殼式換熱器工藝計(jì)算軟件(THecal Ver 1.3)setup.exe原資料庫，在線查詢地址：/shared/folder_2512281_71cb8ba9/單臺(tái)最大換最大直徑最大板寬 最高操作壓力國家熱面積/ m2/ mm/ mm/ MPa瑞典500200015德國35022002000116美國14914801825116英國2001400116日本20

16、017502000116俄羅斯1001270110型式單臺(tái)最大換熱 最大直徑 最大板寬最高操作壓力面積/ m2/ mm/ mm/ MPa不可拆式12150120011 50 (碳鋼)10、可拆式130 (不銹鋼)160010001110214熱管換熱器10 熱管是一種新型高效的傳熱元件。在 60 年代首先被應(yīng)用于宇航技術(shù)中 , 70 年代國外在電子、機(jī)械、石油、化工等方面有了廣泛的應(yīng)用。熱管換熱器在國外已經(jīng)系列化生產(chǎn) , 用戶選擇甚為方便。如美國 Q2Dot 公司開發(fā)的熱管換熱器已有 5000 多臺(tái)的實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。日本古田電器公司設(shè)計(jì)的熱管換熱器已應(yīng)用于 700 多套設(shè)施。經(jīng)過 20 多年的努

17、力 , 我國先后開發(fā)成功了氣 - 氣熱管換熱器、熱管蒸汽發(fā)生器 (廢熱鍋爐) 、高溫?zé)峁?(液態(tài)堿金屬熱管) 。并在冶金、石油、化工、動(dòng)力、陶瓷以及水泥等行業(yè)領(lǐng)域中應(yīng)用取得了可喜的成果。當(dāng)前熱管技術(shù)已趨成熟 , 應(yīng)用面逐步擴(kuò)大。國內(nèi)進(jìn)行熱管換熱器研制和推廣應(yīng)用的典型廠家 (單位) 有: 南京化工大學(xué)、撫順石油學(xué)院、化工部化工機(jī)械研究工、食品、海水淡化、造紙等) , 尤其在一些會(huì)發(fā)生嚴(yán)重結(jié)垢的場(chǎng)合 , 或含有大量不溶解顆粒的液體處理系統(tǒng)中。國內(nèi)從 90 年代初對(duì)不結(jié)垢換熱器進(jìn)行基礎(chǔ)性試驗(yàn)研究 , 目前已掌握了一些不結(jié)垢換熱器的流動(dòng)和傳熱規(guī)律 , 但還未進(jìn)入應(yīng)用推廣階段。3 結(jié)語近年來 , 強(qiáng)化傳

18、熱技術(shù)得到了迅速的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用 , 在能源的開發(fā)、利用和節(jié)約方面起著十分重要的作用。盡管國內(nèi)也已進(jìn)行了大量的強(qiáng)化傳熱技術(shù)的研究 , 但實(shí)際推廣和應(yīng)用仍非常有限。我國在對(duì)各種新的高效傳熱元件研究的同時(shí) , 應(yīng)大力推廣管殼式換熱器的強(qiáng)化技術(shù) , 加強(qiáng)運(yùn)用計(jì)算機(jī)流體動(dòng)力學(xué) (CFD) 對(duì)流體流動(dòng)和傳熱進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬和仿真 , 重視專家系統(tǒng)在換熱器優(yōu)化選型中的應(yīng)用 , 努力趕上發(fā)達(dá)國家的先進(jìn)水平。在新型換熱器的開發(fā)方面與國外差距較大 , 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(jìn)行研究 , 使我國換熱器技術(shù)從各個(gè)方面趕上國際水平。4 參考文獻(xiàn) 1 魚津博久 , 小川敬雄. 熱交換器的進(jìn)步

19、期待. 化學(xué)裝置 日 , 1995 , 37(3) : 4448 2 張平亮. 新型高效換熱器的技術(shù)進(jìn)展及其應(yīng)用. 壓力容器 ,1997 , 14(2) : 146152 3 邱廣濤 , 豐春艷. 管道技術(shù)與設(shè)備 , 1998 , (1) : 4345 4 錢伯章. 化工機(jī)械 , 1996 , 23 (2) : 110115 5 崔海寧 , 姚仲鵬 , 王瑞君. 化工機(jī)械 , 1999 , 26 (3) : 169院、撫順石油二廠、上海 711 研究所、航天部 501170所等。 6曹緯. 石油化工設(shè)備 , 1999 , 28 (2) : 691 71, 1996 , 23 (4) : 2232 5 不結(jié)垢換熱器王樂龍 , 馬曉馳 , 邱鋒. 化工機(jī)械不結(jié)垢換熱器的開發(fā) , 國外始于 70 年代初期 ,225()用于海水脫鹽 , 該換熱器的傳熱面積超過 1000m2 , 8劉湘秋 ,吳京生 ,周超. 化工機(jī)械 ,1994 ,21:1671703把未經(jīng)過任何處理的海水加熱到 120 以上 , 連續(xù) 9崔海寧 , 汪云. 化工裝備技術(shù) , 1999 , 20 (4) :