国内外新型高效换热器.pdf

<p>提要简述了国内外近年来换热器的发展概况。介绍了管壳式换热器中管程、壳程的强化传热研究以及国内外推出的各种新型换热器的有关情况。关键词管壳式换热器，新型高效换热器随着现代新工艺、新技术、新材料的不断发展和能源问题的日益严重，必然带来更多的高性能、高参数换热设备的需求。换热器的性能对产品质量、能量利用率以及系统的经济性和可靠性起着重要的作用，有时甚至是决定性的作用。目前在发达的工业国家热回收率已达 96%，换热设备在石油炼厂中约占全部工艺设备投资的 35%40%。其中管壳式换热器仍然占绝对的优势，约 70%。其余 30%为各类高效紧凑式换热器、新型热管和蓄热器等设备，其中板式、板翅式、热管及各类高效传热元件的发展十分迅速。随着工业装置的大型化和高效率化，换热器也趋于大型化，并向低温差设计和低压力损失设计的方向发展。当今换热器的发展以 CFD（ComputationaI FIuid Dynamics）、模型化技术、强化传热技术及新型换热器开发等形成了一个高技术体系1。1管壳式换热器该换热器是当前应用最广，理论研究和设计技术完善，运用可靠性良好的一类换热器。目前各国为改善该换热器的传热性能开展了大量的研究。强化传热主要有 3 种途径提高传热系数、扩大传热面积和增大传热温差，研究主要集中在强化管程和壳程传热面方面。!管程强化传热人们想尽各种办法实施强化传热，归结起来不外乎 2 条途径，即改变传热面的形状和在传热面上或传热流路径内设置各种形状的插入物。改变传热面形状的方法有多种，用于强化管程传热的有：横纹管、螺旋槽管、螺纹管（低翅管）和缩放管以及螺旋扁管（瑞典 ALLARDS 公司生产）。我国螺纹管的标准翅化率为 1.3 2.9（3），美、英、日、德等国均有商品化低翅管。德国 Hde公司的螺旋槽管2，管内传热效率明显优于光管，在 2300 Re 105范围内，提高传热效率 2.3 11.1 倍，当 200 Re 1500 时，提高传热效率2.0 22 倍。沈阳市广厦热力设备开发制造公司开发的超薄壁（!=0.5mm）不锈钢波纹管换热器3，其承压能力可达 8Mpa。该换热器不仅强化了管内外的给热，还由于温差作用下换热管的可伸缩性，使表面结垢容易脱落，因此具有较强的防垢和自动除垢能力。其传热系数较光管式提高 2 3 倍。管内插入物4，5是强化管内单相流体传热行之有效的方法之一。目前管内插入物种类很多，如螺旋线、纽带、错开纽带、螺旋片和静态混合器等。最近，英国 CaI Garin Ltd 公司开发的一种称之为Hitran Matrix EIements 的花环式插入物6，它是一种金属丝制翅片管子插入物（Wire-Fin Tube Inserts），能增强湍流。中国石化北京设计院与华南理工大学联合研制的交叉锯齿型插入物，是华南理工大学对12 种内插件（在 Re=300 3500 和 Pr=135 范围内）进行比较后优选的型式，可直接形成流体的混合，尤其适用高粘度流体的换热。其在上海乙烯厂原油-蜡油介质换热器中使用，其总传热系数与光滑管相比提高了 50%。!#强化壳程传热传统的管壳式换热器，流体在壳侧流动存在着转折和进出口两端涡流的影响区，影响了壳侧的给热系数。壳侧的传热强化研究包括管型与管间支撑物的研究。1.2.1采用折流杆式换热器7美国在 70 年代初为解决换热器管束振动开发了这种结构的换热器。94化工进展#$!年第!期目前美国已直接应用强化传热管设计制造折流杆式换热器，如菲利普公司使用螺纹管作为换热管，不仅解决了振动问题，而且由于壳侧流动的改善使折流杆式换热器比传统的弓形折流板换热器传热系数提高 30%左右，管束的压降减少 50%。华南理工大学和大庆石油化工总厂共同开发的折流杆螺旋槽管再沸器已应用于在无相变及冷凝传热方面，其总传热系数比普通光管再沸器提高了 1.2 1.7 倍，抗振性能好。化工部化工机械研究院开发的折流杆式换热器替代了某化肥厂压缩机级间套管式冷却器，节省了占地面积。1.2.2空心环管壳式换热器8空心环管壳换热器是华南理工大学发明的一种新型管壳式换热器，已获得国家专利。长沙化工机械厂设计制造的横纹管空心环管壳换热器使用横纹管作为传热管，空心环作为支撑形式，已成功地应用于小型氮肥厂。在某化肥厂应用与原光管换热器相比，换热面积减小68%，抗振性能好。1.2.3采用纵流管束换热器德国 GRIMMA 公司制造的一种整圆形折流板换热器，其结构为折流板上开横排管孔，以 4 个孔为一组将管桥处铣通，壳侧流体在管桥处沿着轴向流动，避免了流体因转折引起的滞留区。该公司用不同粘度的甘油和水混合进行实验，结果表明在中低粘度范围内，纵流管束换热器传热效果优于传统的圆缺形折流板换热器。1.2.4强化沸腾传热的传热管9用于强化沸腾传热的传热管有：烧结多孔表面管、机械加工的多孔表面管（如日本的 ThemoexceI-E 管、改进型 Ea管，德国 WieIand-Werke 公司的 T 管）、电腐蚀加工的多孔表面管、T 型翅片管、ECR40 管和 Tube-B 型管。武汉冷冻机厂分别用表面机加工的多孔管与目前制冷业流行的低肋管组装而成的两台蒸发器进行比较，结果表明：多孔管的热流密度比低肋管高36%，可减少传热面 26%。国内近年开发的碳钢 T管也已成功地应用于重沸器，紫铜材质 E 管应用于氟里昂蒸发器。1.2.5强化冷凝传热的传热管用于强化冷凝传热的传热管有：纵槽管、低螺纹翅片管、锯齿形翅片管和径向辐射肋管式翅片管等。近年来，Hamon-Lummus 公司又推出一种 SRC 翅片管（SRC FinTube），用于冷凝传热。德国 GEWA 公司开发的TXV 管其翅片外缘呈 V 字型。华南理工大学研制的花瓣形翅片管是一种特殊的三维翅片结构强化传热管，研究表明：在自然对流条件下，其单管冷凝传热膜系数比锯齿形翅片管提高了 8%10%；在强制对流条件下，是光滑管的 5 6 倍。2新型换热器2.1可拆式板式换热器近 20 年来由于结构的改进，密封垫片材料和密封槽结构型式的发展，板片大型化制造技术的提高，板式换热器应用范围已经十分广泛。英国 APV公司制造的单片最大面积为 4.75m2，单台换热面积可达 2500m2，单台最大容板量为 700 片。垫片与板片的连接固定方法如!-LavaI 公司的“按扣”式垫片，垫片直接扣压在板片上。GEA 公司的板片，板片槽口上窄底宽呈梯形，垫片与板片槽过盈配合将垫片压紧。开发无粘接剂连接垫片的技术，使板式换热器安装和维修的时间节约 80%。我国板式换热器在 80 年代得到较大的发展，继四平板式换热器总厂、天津板式换热器厂开发单片面积 2m2后，1992 年邯郸板式换热器工贸公司试制成功国内最大的 300MN 板片专用压机，单片面积已达2.7m2。2.2焊接式板式换热器用焊接结构替代橡胶垫密封，全焊式和半焊式板式换热器的出现，消除了由于垫片材料耐温、耐腐蚀、耐压方面的限制，对于腐蚀介质使用板式换热器，近年来达到很大发展。德国与日本合作的千代田 BAVARIA 混合焊接板式换热器，操作压力可从真空到 6MPa，单元换热面积可达 1480m2以上。NouveIIes 应用技术公司发明的 Packinox 换热器，代替列管式换热器用作炼油厂催化重整装置混合料换热器，并且得到了推广应用。紧凑、轻型的 Packi-nox 换热器可用各种合金制成，能提供的表面积为1000 10000m2。2.3螺旋板换热器国外螺旋板换热器主要结构为可拆式，多为板边结构，即两端通道端面密封不用圆钢结构，整体中心隔板，制造水平较高。在材料上除多数使用不锈钢外，还使用一些可焊的镍铬合金、蒙乃尔合金、钛和钛合金、铜铝合金等。其大型化情况如下。我国螺旋板换热器结构多数为不可拆式。近年来仿制和自行设计的可拆式螺旋板结构也逐渐增多，使用材料一般为碳钢和不锈钢，也有少量的钛和钛合金。其大型化情况如下。!2001 年第1 期化工进展国家单台最大换热面积/m2最大直径/mm最大板宽/mm最高操作压力/Mpa瑞典50020001.5德国350220020001.6美国149148018251.6英国20014001.6日本200175020001.6俄罗斯10012701.0型式单台最大换热面积/m2最大直径/mm最大板宽/mm最高操作压力/Mpa!不可拆式1.50（碳钢）215012001.0、#可拆式130（不锈钢）160010001.02.4热管换热器10热管是一种新型高效的传热元件。在 60 年代首先被应用于宇航技术中，70 年代国外在电子、机械、石油、化工等方面有了广泛的应用。热管换热器在国外已经系列化生产，用户选择甚为方便。如美国 O-dot 公司开发的热管换热器已有 5000 多台的实际运行经验。日本古田电器公司设计的热管换热器已应用于 700 多套设施。经过 20 多年的努力，我国先后开发成功了气-气热管换热器、热管蒸汽发生器（废热锅炉）、高温热管（液态碱金属热管）。并在冶金、石油、化工、动力、陶瓷以及水泥等行业领域中应用取得了可喜的成果。当前热管技术已趋成熟，应用面逐步扩大。国内进行热管换热器研制和推广应用的典型厂家（单位）有：南京化工大学、抚顺石油学院、化工部化工机械研究院、抚顺石油二厂、上海 711 研究所、航天部 501所等。2.5不结垢换热器不结垢换热器的开发，国外始于 70 年代初期，用于海水脱盐，该换热器的传热面积超过 1000m2，把未经过任何处理的海水加热到 120C以上，连续运转 1500 多小时，在换热管内未发现任何结垢现象。由于在海水淡化方面应用取得了成功，80 年代初期开始把不结垢换热器应用在其他领域（如化工、食品、海水淡化、造纸等），尤其在一些会发生严重结垢的场合，或含有大量不溶解颗粒的液体处理系统中。国内从 90 年代初对不结垢换热器进行基础性试验研究，目前已掌握了一些不结垢换热器的流动和传热规律，但还未进入应用推广阶段。3结语近年来，强化传热技术得到了迅速的发展和广泛的应用，在能源的开发、利用和节约方面起着十分重要的作用。尽管国内也已进行了大量的强化传热技术的研究，但实际推广和应用仍非常有限。我国在对各种新的高效传热元件研究的同时，应大力推广管壳式换热器的强化技术，加强运用计算机流体动力学（CFd）对流体流动和传热进行计算机模拟和仿真，重视专家系统在换热器优化选型中的应用，努力赶上发达国家的先进水平。在新型换热器的开发方面与国外差距较大，尚需从事换热器专业的技术人员在制造工艺方面加大力度进行研究，使我国换热器技术从各个方面赶上国际水平。4参考文献 1 鱼津博久，小川敬雄.热交换器的进步期待.化学装置日，1995，37（3）：44 48 2 张平亮.新型高效换热器的技术进展及其应用.压力容器，1997，14（2）：146 152 3 邱广涛，丰春艳.管道技术与设备，1998，（1）：43 45 4 钱伯章.化工机械，1996，23（2）：110 115 5 崔海宁，姚仲鹏，王瑞君.化工机械，1999，26（3）：169 170 6 曹纬.石油化工设备，1999，28（2）：6 9 7 王乐龙，马晓驰，邱锋.化工机械，1996，23（4）：223 225 8 刘湘秋，吴京生，周超.化工机械，1994，21（3）：167 170 9 崔海宁，汪云.化工装备技术，1999，20（4）：25 2710庄骏，张红.化工机械，1998，25（1）：44 49马晓驰男，31 岁，工程师。收稿日期：2000-02-26中图法分类号：TO051.5；TE965Technology Development of the New Efficient Heat Exchanger atHome and AboardMa Xiaochi（Research Institute of ChemicaI Machinery，Ministry of ChemicaI Industry，Lanzhou 730060）AbstractRecent progress of heat exchanger at home and abroad in recent years is outIined.Methods of enhancing theheat transfer in heat exchanger about the sheII and tube sides are introduced and commented.Key wordssheII and tube exchangers，new high-effective heat exchangers15化工进展2001 年第1 期国内外新型高效换热器国内外新型高效换热器作者：马晓驰，Ma Xiaochi作者单位：化工部化工机械研究院,刊名：化工进展英文刊名：CHEMICAL INDUSTRY AND ENGINEERING PROGRESS年，卷(期)：2001,20(1)被引用次数：22次 参考文献(10条)参考文献(10条)1.鱼津博久;小川敬雄 热交换器的进步期待 1995(03)2.张平亮 新型高效换热器的技术进展及其应用期刊论文-压力容器 1997(02)3.邱广涛;丰春艳 查看详情 1998(01)4.钱伯章 查看详情 1996(02)5.崔海宁;姚仲鹏;王瑞君 查看详情 1999(03)6.曹纬 国外换热器新进展期刊论文-石油化工设备 1999(02)7.王乐龙;马晓驰;邱锋 查看详情 1996(04)8.刘湘秋;吴京生;周超 查看详情 1994(03)9.崔海宁;汪云 查看详情 1999(04)10.庄骏;张红 查看详情 1998(01)本文读者也读过(8条)本文读者也读过(8条)1.方书起.祝春进.吴勇.牛青川.赵银峰 强化传热技术与新型高效换热器研究进展期刊论文-化工机械2004,31(4)2.曹纬.Cao Wei 国外换热器新进展期刊论文-石油化工设备1999(2)3.来诚锋.段滋华.LAI Chengfeng.DUAN Zihua 新型管壳式换热器的技术研究期刊论文-化工进展2006,25(z1)4.矫明.徐宏.程泉.张倩.JIAO Ming.XU Hong.CHENG Quan.ZHANG Qian 新型高效换热器发展现状及研究方向期刊论文-化工设计通讯2007,33(3)5.郑雪苹.孙俊杰.李宝安 新型换热器的发展趋势期刊论文-内蒙古科技与经济2010(14)6.曹纬.Cao Wei 国外新型换热器介绍期刊论文-化学工程2000,28(6)7.矫明.徐宏.程泉.张倩 新型高效换热器发展现状及研究方向期刊论文-化工装备技术2007,28(6)8.冯国红.曹艳芝.郝红.FENG Guo-hong.CAO Yan-zhi.HAO Hong 管壳式换热器的研究进展期刊论文-化工技术与开发2009,38(6)引证文献(22条)引证文献(22条)1.江楠.吴秋华.杨传健 壳程螺旋扭片强化传热试验研究期刊论文-压力容器 2010(4)2.鹿吉明 高效换热器在渗透汽化溶剂脱水系统的应用期刊论文-机电信息 2010(2)3.曾勇.徐宏.侯峰.戴玉林.刘京雷 火焰喷涂型表面多孔管的性能研究期刊论文-化工机械 2010(2)4.李钢燕 光管翅片管热管式佘热锅炉在Consteel电炉的应用期刊论文-工业加热 2009(4)5.矫明.徐宏.程泉.张倩 新型高效换热器发展现状及研究方向期刊论文-化工设计通讯 2007(3)6.矫明.徐宏.程泉.张倩 新型高效换热器发展现状及研究方向期刊论文-化工装备技术 2007(6)7.王宏智.刘京雷.戴玉林.徐宏.孙岩.顾春辉 高效换热器用烧结型复合粉末多孔管研究期刊论文-华北电力大学学报 2010(1)8.杜娟丽.贺晓营.赵永安.崔国民 多股流换热器的数学建模与精确数学控制期刊论文-节能技术 2008(3)9.杨传健.江楠.廖晓懿 新型高效强化传热元件钉翅管的传热性能期刊论文-石油化工设备 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