先进换热装备的制造及高效节能设计

先进换热装备的制造及高效节能设计

朱冬生1,2，郭新超2

(1.华东理工大学机械与动力工程学院 承压系统与安全教育部重点实验室，上海200237

2.华南理工大学化学与化工学院 传热强化与过程节能教育部重点实验室，广州 510640）

摘要：先进换热装备的制造及高效节能设计是实现低碳经济技术发展的前沿科技，也是国家节能减排的重大需求。本文介绍一高端节能技术创新成果--激光焊接内高压膨胀（无模具）快速成型高效节能换热器制造技术，可实现耐污垢可清洗组合栅板式换热器快速成型制造；通过高效节能技术设计成体积小的组合式栅板换热器，以适应行业不同节能工艺和场地的需求。

耐污垢可清洗组合式栅板换热器可以使换热器传热能力增加10％-20％，壳程阻力下降50-70%，实现节能25-35%。

关键词：先进换热设备、组合式栅板换热器、节能、激光焊接

The Manufacturing and the Design of High Efficiency and Energy-saving on the Advanced Heat Transmission Equipment

Zhu Dongsheng1,2,Guo Xinchao2

（1.School of Machinery and Power Engineering of East China University of Science and Technology The Key Laboratory of Safety Science of Pressurized System,Ministry of Education ,Shanghai 200237

2.School of Chemistry and Chemical Engineering of South China University of Technology The Key Laboratory of Enhanced Heat Transfer and Energy Conservation, Ministry of Education

Guangdong Guangzhou 510640)

Abstract:The manufacturing and the design of high efficiency and energy-saving on the advanced heat transmission equipment is the frontier science and technology to achieve a low carbon economy technology. And it is also the great demand of energy conservation and emission reduction of our country. This paper introduces a high energy-saving technology innovation-laser welding internal,high-pressure expansion (not die)and rapid prototyping manufacturing technology. It can produce a combination resistant dirt cleaning plate heat exchanger. The combination plate heat exchanger which is made by the technology of high efficiency and energy-saving has the advantages of small size ,so it can adapt to the different needs of energy-saving technology and the site.

Compared with the traditional heat exchanger ,the combination resistant dirt cleaning plate heat exchanger can increase 10-20% of heat transfer effect, reduce 50-70% of shell side resistance and increase 25- 35% of energy-saving.

Keywords:the advanced heat transmission equipment; combination plate heat exchanger; energy saving;laser welding

1.前言

我国把制造业列为了我国工业化的支柱产业，并作为国家发展战略目标。先进换热装备的制造及高效节能设计瞄准低碳经济技术发展的前沿，结合国家节能减排的重大需求，从提高设计、制造和集成能力入手，研究先进制造的关键技术、换热装备的制造，以高效设计低碳运行为指导思想[1]。以推进换热器制造业信息化、自动化，发展节能、降耗、环保、高效换热装备制造业，用高新技术和先进适用技术改造制造业，整体提升我国先进制造技术的研发水平和自主创新能力为主要目标。

2.先进可清洗组合栅板式节能换热器的快速制造技术

快速成型制造技术[2,3]是集CAD技术、数控技术、激光加工、新材料科学、机械电子工程等多学科、多技术为一体的新技术。传统的换热设备制造过程往往需要车、钳、铣、磨等多种机加工设备和各种夹具、刀具、模具，制造成本高，周期长，而快速成型技术的出现,

开辟了不使用刀具、模具等传统工具高效换热设备的快速制造技术，就是根据换热设备的三维模型数据，迅速而精确地制造出该设备。它是在20世纪80年代后期发展起来的，被认为是最近20年来制造领域的一次重大突破，是目前先进制造领域研究的热点之一。

高效换热设备的快速成型制造技术可以自动、快捷地将设计思想物化为具有一定结构和功能的原型产品,从而可以对产品设计进行快速评价、修改及功能实验,有效地缩短了产品的研制周期。激光缝焊技术是换热器制造业中最具潜力的加工技术。快速成型制造技术利用激光焊接技术生产的高效换热器可以减轻换热设备整体重量，提高换热设备板片的结构精度, 缩减冲压设备。通过使用激光缝焊技术,将材料的强度、厚度得到合理组合,使结构的刚度得到大大改善。结构的抗腐蚀性能也得到提高。使用缝焊技术更加重要的作用便是通过厚度与强度的组合, 大大提高了换热器板片的耐压能力。与传统点焊工艺相比,使用激光缝焊板的板组式换热器尺寸和形状精度也大大提高，从而使换热设备精度得到改善。利用激光焊接技术生产的缝焊板的优势主要体现在以下几方面[4]：

(1) 对整体换热设备重量的减轻。使用激光缝焊板,消除了使用多余加强件的需要,从而带来整体换热设备重量的降低。

(2) 减少换热设备零部件的数量，提高换热设备板片的结构精度。

(3) 材料利用率提高，节省材料。通过在落料工序中采用排料技术,将各种各样的钢板得到合理组合从而大大降低材料工程废料率。

(4) 结构功能得到大大提高。通过使用激光缝焊技术,由于将材料的强度、厚度得到合理组合,使结构的刚度得到大大改善。

(5) 为生产大型换热器提供可能。由于受钢厂轧机宽度的限制,钢厂提供的板宽是有一定限度的,而随着节能设备工业的发展,换热器对宽板的需求却日趋紧迫,采用激光缝焊不失为一种有效而经济的工艺方法。

与传统模具成形相比，换热设备快速制造技术具有如下技术特点[4,5]：

(1)实现无模成形。通过对各基本体行程的控制来构造出各种不同的成形曲面，可以部分取代传统的整体模具，节约模具材料及设计和制造费用，缩短产品生产周期，降低生产成本，提高产品的竞争力。

(2)优化传热流体流动路径。根据栅板换热器内腔相变与非相变传热设计栅板，控制变形曲面，随意改变板腔内流体流动路径和相变状态，提高传热表面缝焊点线的连续性，实现低压降，高传热流体流动。

(3)小设备成形大型件。采用分段多点成形新技术，可以连续逐次成形超过设备工作台尺寸数倍或数十倍的大型工件。

(4)易于实现自动化。曲面造型、工艺计算、压力机控制、工件测试等整个过程都可以采用计算机技术，实现 CAD/CAM/CAT 一体化生产，工作效率高，劳动强度小，极大地改善劳动者作业环境。

中国高耗能工业行业内部的生产过程及能源利用方式上均存在较大的差异,从而使得这些工业行业各自的节能场地和节能设备运行不尽相同。基于此,研究中国高耗能工业换热设备节能理论,采用快速制造技术开发适应高耗能工业不同节能特征的换热设备,对于更好地把握高耗能工业行业节能技术特征,提高工业部门换热设备效率,促进节能减排目标的实现具有重要的现实意义。

3先进换热装备的高效节能设计

据统计，我国石油、石化、冶金、电力等四大行业在役换热器56余万台，按目前换热器的效率水平提高10%，年节约9596万吨标准煤，换热器效率水平仅达到70～80%，仅接近中等发达国家水平。《国家中长期科学和技术发展规划纲要》中将能源、制造业领域工业节能、流程工业的绿色化、自动化及装备等列为优先主题之一。换热器作为合理利用与节约能源的关键设备，对上述领域工业装置的投资、钢材消耗以及动力消耗有着重要的影响。提高换热器性能对实现整个装置的能效利用有着重要的作用[6]。

目前国内没有符合我国换热设备的国家标准体系的工艺设计计算规范标准与软件，国外现有软件在语言、行业标准等诸多方面与我国换热设备国家标准体系存在差异，且国外软件的界面、功能并不是很好，价格也非常昂贵。所以开发出具有自主知识产权的有中国特色的传热工艺计算软件所产生的经济与社会效应都将会是空前巨大的[7]。