板翅式换热器新技术及应用_凌祥

第31卷　第2期2002年3月 石　油　化　工　设　备

PET RO-CHEM ICAL EQ U IPM EN T

V o l.31　N o.2

M ar.

2002

试验研究

文章编号:1000-7466(2002)02-0001-04

板翅式换热器新技术及应用

凌　祥,周帼彦,邹群彩,涂善东

(南京工业大学过程装备先进制造技术重点实验室,江苏南京　210009)

摘要:介绍了作者近年来在板翅式换热器研究与开发方面所做的工作:①为提高铝板翅式换热器翅片和隔板表面的耐蚀性和亲水性,开发了一种表面处理技术。②开发的板翅式换热器快速创型系统,具有优化设计、参数化绘图和快速报价等功能,能降低产品成本,提高设计效率十几倍。③通过应用先进制造工艺和引进新材料开发了一系列具有抗强腐蚀、抗结垢、耐高温和耐高压能力的板翅式换热器系列新产品。④应用大型有限元分析系统对高压板翅式换热器的结构特性进行了初步分析,得出了一些提高产品可靠性的设计准则。

关　键　词:板翅式换热器;快速创型;表面处理;先进制造工艺;有限元分析

中图分类号:TQ051.51 文献标识码:A

N ew techniques of plate-fin heat exchangers and its application

LIN G Xiang,ZHO U Guo-ya n,ZO U Qun-cai,T U Sha n-do ng

(Adv anced M a nufacturing Technolog y Lab.o f Process Equipment,

N anjing Univ ersity o f Techno lo g y,N anjing210009,China)

Abstract:The resear ches made o n plat e-fin heat exchang ers by author s w ere intro duced.Fir stly,a surface tr eatment me tho d for fins and pa rting sheet is propo sed in o rder to enha nce their resistance to co rr osio n and hydro philic ca pability.Secondly,a rapid innov ation sy stem which inv o lv ed a lo t of functio ns such a s optima l ther mal desig n,pa ramet ric dr awing and r apid quo tatio n is dev eloped.The practice applicatio n o f this sy stem sho ws the desig n efficiency increases8to10tim es and the cost decr ease va stly.Thir dly,sev eral new type o f pla te-fin heat ex cha ng ers with specia l perfo rma nce,such as co rro sio n-proo f,anti-fo uling a nd high temper ature resistant etc,w er e dev eloped th ro ug h ado pting new adva nced ma terials and new a dv anced manufac turing techno log y.

Fina lly,the st reng th ana ly sis fo r plate-fin heat exchang ers subjected to hig h pr essur e w as car ried out.So me design criteria to ensure the reliability of pla te-fin heat ex chang er s a re o btained.

Key words:pla te-fin heat ex chang er;r apid innov ation;sur face t reatme nt;adv anced manufac turing techno log y;

finite element a naly sis

板翅式换热器具有结构紧凑、传热效率高等特点,与传统的管壳式换热器相比,其传热效率提高20%～30%,成本可降低50%,现已广泛应用于石油化工、航空航天、电子、原子能和机械等领域。目前板翅式换热器的制造材料主要使用铝合金,因此存在耐腐蚀性差、承压低等缺点。另外,板翅式换热器结构比较复杂,人工进行热力设计困难,特别是有相变、多股流体换热的情况,用手工进行精确热力设计计算几乎不可能。为了进一步拓宽其应用范围,近年来板翅式换热器的设计理论、试验研究、制造工艺及开拓应用的研究方兴未艾[1],特别是一些新技术的渗透,使板翅式换热器的应用范围更加广泛,下面将

收稿日期:2001-09-22

　基金项目:江苏省教委自然科学研究项目(99K JB460005)

　作者简介:凌　祥(1967-),男(汉族),江苏东台人,副教授,主要从事过程装备先进再制造技术、新型高效过程设备和计算机辅助工程(CA E)的研究与开发。

介绍我们近年来在板翅式换热器研究与开发方面所做的工作。

1　表面处理技术

板翅式换热器在压缩机中主要用于油冷却器和压缩空气冷却器,有空冷和水冷两种形式。无论是空冷还是水冷冷却器,高温压缩空气在冷却过程中都会有冷凝水析出,并在翅片上聚集形成“水桥”,阻止了空气的流通,从而使空气压力降增大,并导致热交换效率下降,空调中的板翅式换热器也存在类似的情况。尽管铝及其合金具有良好的抗蚀性能,但是长期滞留在铝表面的冷凝水吸收空气中的氧、硫及氮等,在铝表面形成腐蚀电池,加速腐蚀。腐蚀产物在铝翅片表面聚集,将降低热交换效率。对于水冷却器,在水侧同样存在腐蚀性问题,长期运行也将缩短铝制板翅式换热器的寿命。

为提高铝表面的抗腐蚀和亲水性能,作者对铝翅片表面处理技术进行研究,提出了一种两步成膜法。先用铬酸-铬盐在铝翅片表面形成一层防蚀纳米膜。在此涂层之上,再用小于100nm的细硅酸微粒进行涂膜,这样,-SiO H基团将在水中离解并产生负电荷,可使水中分散的负电荷很稳定,当加热此液态悬浮液时,硅粒子就很难再分散并且很难从表面移走。这些粒子上的-SiO H基团可以吸附水分子形成亲水表面。实际使用效果表明,采用此方法能提高换热器寿命和减小空气侧压力降。

2　快速创型系统[2]

目前,不借助计算机,手工完全可以进行一个完整的换热器热力计算。然而,由于板翅式换热器的设计公式比较复杂,通道设计又十分困难,计算过程将十分费时且易出现人为的误差,为便于简化计算还必须忽略许多二阶量的影响。另外多股流板翅式换热器和有相变板翅式换热器的手工计算几乎不可能,因此板翅式换热器经常弃置不用,设计者通常选用低效但相对简单的管壳式换热器[3]。近年来计算机辅助工程技术(Com puter Aided Engineering)的发展,使应用计算机模拟技术对换热器稳态和瞬时进行性能模拟已成为可能,这将解决多年来一直困扰设计人员的手工热力计算的难题。

Shah首先对紧凑式换热器的计算机辅助热工计算进行了讨论[4]。英国传热服务公司HTFS、美国ALT EC公司和SW公司等都曾推出专用商业软件。笔者经过多年的研究与开发,于1995年正式推出了板翅式换热器的快速创型系统(RIS-PFHE)软件包[5],该系统具有优化设计、参数化绘图和快速报价等功能。经过部分厂家使用,结果表明可提高设计效率10～20倍,大大减少了过去设计、绘图文件生成中的人为错误,使产品的设计周期大为缩短。与国外软件相比,除了热工计算外,还具有物性计算模块和用C++开发的基于AutoC AD系统的计算机参数化绘图模块以及快速报价等功能[6,7]。

一个高水平的计算机辅助设计程序必须兼备优化功能[4],RIS-PFHE系统应用遗传算法实现了板翅式换热器多目标的人工智能设计优化。实际使用表明,该方法具有极强的鲁棒性和全局寻优能力,应用该方法,我们已开发了风冷和水冷两个系列的压缩空气板翅式中冷器和后冷器。

3　新产品

虽然板翅式换热器的设计和制造技术已有很大的发展,其优点也已得到公认,但人们始终没有放弃对造价更低,适应性更广,特别是能耐更高压力、耐高温和耐腐蚀、不易结垢的新型板翅式换热器的研究。近年来,笔者应用先进制造工艺和引进新材料开发出一系列板翅式换热器新产品。

3.1　板翅式风机[8]

在风冷式冷热水空调机组中,分散空气调节系统的末端装置广泛使用的是风机盘管,应用的是管翅式换热器,存在体积和质量大、热效率较低等缺点。针对上述问题,笔者应用板翅式换热器来代替管翅式换热器,提出了一种板翅式风机,其单位体积内换热面积大,热效率高,能很好克服常用风机盘管的缺点。实验证明,板翅式风机的热效率比同样风量风机盘管提高30%,水侧压力降仅为风机盘管的25%,总质量减小20%,现已申请实用新型专利。3.2　非金属板翅式换热器

由作者开发的非金属板翅式换热器,系采用改性增强的聚四氟乙烯制成[9]。聚四氟乙烯(简称F4)有塑料王之美称,化学性能相当稳定,可耐一切有机、无机化合物腐蚀介质,是迄今为止耐腐蚀性能最好的材料。F4具有优异的抗老化性能,根据国外资料,其老化期在10a以上。F4分子间引力小,表面自由能仅为 1.9×10-4N/cm2,几乎所有介质都不能粘附其表面,使用时不会有污垢,具有极强的抗结垢能力。鉴于上述优异的性能,该换热器可用于石油化工、制药和冶炼等行业中有特殊要求(如强酸、强碱等)的冷凝、冷却及加热等多种工艺操作中。

自从20世纪60年代杜邦公司最早研制成功氟塑料换热器以来,国外先后开发了管壳式、板式和浸没螺旋管式等多种形式的塑料换热器,所用材料有

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