国内外新型高效换热器_马晓驰

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 (Computational Fluid 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 。 1.1 管程强化传热
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 。
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 120 ℃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
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 Cal Garin Ltd 公 司开发的 一种称 之为 Hitran Matrix Elements 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 %。 1.2 强化壳程传热
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国内外新型高效换热器
马晓驰 (化工部化工机械研究院 , 兰州 , 730060)
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
50 2001 年第 1 期 化工进展
国家
瑞典 德国 美国 英国 日本 俄罗斯
单台最大换 热面积/ m2
500 350 149 200 200 100
最大直径 /mm — 2200 1480 — 1750 —
最大板宽 / mm 2000 2000 1825 1400 2000 1270
最高操作压力
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 。
化工进展 2001 年第 1 期 49
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
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 α-Laval 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
/MPa 1.5 1.6 1.6 1.6 1.6 1.0
型式
单台最大换热 最大直径 最大板宽 最高操作压力
面积/ m2
/mm
/ mm
/MPa
Ⅰ 不可拆式 1.50(碳钢) 2150
1200
1.0
Ⅱ 、Ⅲ 可拆式 130(不锈钢) 1600
1000
1.0
2.4 热管换热器[ 10] 热管是一种新型高效的传热元件 。 在 60 年代
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(δ=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 Themoexcel-E 管 、 改进 型 Ea 管 , 德国 Wieland-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
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 Q-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
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 。 Nouvelles 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 Packinox 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