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新型换热器的技术研究进展及其应用

2013年9月5日 阅读:757

1.强化传热元件与高效换热器研究进展

        1.1横坟管折流杆换热器

        这是融合了折流杆换热器技术与横纹管强化技术的一 种高效换热器.折流杆换热器是美国菲利普公司上世纪70 年代为解决天然气换热器的流体诱导振动问题开发的一种 杆式折流栅换热器。其特点是抗振力强,消除了壳程滞流区, 改善了壳程流体的速度和温度的分布。桂林化工机械厂曾与 华南理工大学钱颂文教授合作并成功地将强化传热元件螺 旋描管用于折流杆换热器,节省换热面积接近60%,效果十 分显著.目前,螺旋植杆折流杆换热器在桂林化工厂已系统 化生产。近年来,桂林化工机械厂、华南理工大学化学工程研 究所和国家教委传热与节能开发研究实验室合作,将在相同 管内流速下传热效率优于螺旋植管的横纹管用于折流杆换 热器.1995年5月设计制造的DN1400横纹管折流杆换热器 在云南某中型化肥厂变换系统投人工业运行,取代了原使用的 DN2400列管式折流板主热交换器,以540mZ的换热面积取 代了原设备1627m,的换热面积,设备重量由原来的37.61d 减小到17.27d,设备投资节省1/3.强化传热元件的应用与 高效换热设备的开发:极大地提高了企业的经济效益和社会 效益.横纹管折流杆换热器的开发应用结果证明,强化传热 元件与折流杆的有机组合.在提高管程换热速率的同时也提 高了壳程的换热速率.工业运行证明横纹管具有传热效率 高、流体阻力小、抗振性能好的特点。

        1.2缩放管整圆抽孔折流姗板换热器

        我国现有的中型氮肥厂氢氮气压缩机冷却器,长期以来 传热效率低,冷却器的流路不畅,流体横向冲刷所引起换热 管的振动一直是未解决的技术难题,直接影响中氮压缩机的 工作效率.缩放管整圆槽孔折流栅板换热器是近两年来厂校 合作开发的另一种新型换热器,是又一种强化传热元件与新 型壳程折流结构的优化组合.通常认为强化对流给热的方法 是反复改变纵向压力梯度作用下流体的流动,这种流动方式由依次交替的扩展段和收缩段来实现.大童研究证明,波型 通道在相同流动阻力下,较平行流道具有更高的传热性能. 缩放管其扩展段得到有效的利用,收缩段还利用了流体粘附 层速度提高的效果;整圆榴孔折流栅板即折流姗板为一个整 圆不开弓形口而洗通每排管的管桥,格孔参数可根据所需流 速的大小来确定.新开发的高效换热器取代了我国中型氮肥 厂国产氢氮气压缩机一、二、三段原有的回环形折流板冷却 器.缩放管整圆槽孔折流栅板换热器工业应用操作运行的结 果表明具有明显的强化传热效果.

        1.3 蛛旋扁管换热器

        螺旋扁管(TwistedTabe)是瑞典AUares公司近年推出 的一种高效换热元件,螺旋扁管的结构特点是管子换热段的 任一截面均为一长回,当组装成换热器时可以混合管束(即 螺旋扁管与光滑管混合使用),也可以是纯螺旋扁管.螺旋扁 管的制造过程由“压偏”、“热扭”两个成形过程完成,管子截 面类似于椭圆管,椭目的长短轴比值根据换热管程和壳程的 流速设计确定,当管程流盆较低时.可增大长、短轴之比值, 减少流通截面以提高流速,使换热器两侧处于较理想的流动 状态。从管型、管末的结构分析,可以认为螺旋扁管的强化传 热主要在于,螺旋扁管的独特的结构能使管程和壳程同时处 于螺旋运行,促使湍流程度.螺旋扁管组装的换热器较常规 的换热器的总传热系数商40%,而压力降几乎相等,这与以 增大泵功率的消耗来提高传热效率具有截然不同的效果.螺 旋扁管换热器可以用于气一气,液一液,液一气换热过程.在 化工、石油化工工业中具有广阔的应用前景.

        1.4 空心环管壳式换热器

        空心环管壳式换热器,是华南理工大学化学工程研究所 和国家教委传热与节能开发研究实验室邓先和等人发明的 一种新型管壳式换热器.已获得国家发明专利。空心管壳式 换热器的开发主要解决了国内硫酸、石油化工等行业气一气 换热过程中.管壳式换热器传热性能差、钢材耗童大、流体阻 力高、系统操作电耗大的技术难题.采用整体结构优化的空 心环管壳式换热器取代折流隔板式换热器,能使换热气钢材 减少35写~50%,气体压降减少30%~40%. 空心管壳式换热器以强化管型作为换热管,能够同时强化管内与管间支撑物,空隙率大,对流体形成阻力小,其壳程 管隙间流体绝大部分压降可作用在强化管的粗糙传热面上 用以促进壁流体传热滞流层的湍流强度,降低传热传阻、达 到强化传热的目的。实验研究结果还表明,当支承同样的强 化管束(即横纹管束)时,空心环支承结构较美国菲利浦石油 公司上世纪70年代开发的折流杆支承结构更能使粗糙管束 获得好的强化传热效果,在同等壳程条件下,给热系数高约 35%。

        综上所述,强化传热元件的开发研究必然会带来多种壳 程折流结构的进步,强化传热元件管内流动状态的改变,管 间折流形式要研究相应的结构与之相适应,这样才能达到管 内与管间整体强化传热效果。工业应用结果表明了多种强化 传热元件的研究成果是一个基础,新型壳程折流结构(如折 流杆、整圃槽孔折流栅板、空心环折流网板等)的开发使管壳 式换热器的折流结构不断变化。目前,可以根据不同的操作 条件,不同的使用工况,组合成各种新型高效的换热器。

        2.板式换热器在制冷技术中的应用与发展

        板式换热器是一种高效、紧凑的换热设备。19世纪80 年代它是首先作为连续低温杀菌器研制成功的,到上世纪 20年代开始应用于食品工业.由于板式换热器在制造和使 用上都有一些独特之处。因此,目前板式换热器已经广泛应 用于石油、化工、轻工、电力、冶金、机械、能源等工业领域,成 为换热器家族中一种极有竞争力的品种。 在制冷技术中,换热器是不可缺少的制冷设备,冷凝器、 蒸发器、回热器以及中间冷却器等换热器设备,不仅在重量、 体积和金属耗量上占整个制冷装置的50写以上,而且对制 冷性能也会产生重大影响。因此,强化制冷换热器的传热,减 少重量和体积,降低金属消耗量一直是制冷技术中的发展方向,现已出现了一种新型的、全焊接式的板式换热器在制冷 技术中的应用,并且表现出强劲的发展潜力。

        与制冷用壳程管式换热器相比,除了具有板式换热器的 一般特点,制冷用板式换热器还具有如下特点。

        2.1 制冷剂充灌减少,有利于环坡保护和降低运行成本

        壳管式换热器的壳侧和管侧的容积都很大,要使制冷系 统正常工作,必须充灌大盆的制冷剂,而且还可能造成环境 污染。而板式换热器一方面体积小,另一方面间距尺寸也小, 每1kw热负荷只需6弓g制冷剂,其充灌量只有壳管式换热 器的1/7左右。

        2.2冻结倾向少,抗冻性能高

        由于水在低流速时,就能在板式换热器中形成高度紊 流,温度分布非常均匀,从而减少了冷冻水的冻结倾向。即使 发生了冻结,也更能承受结冻所产生的压力,而不像壳管式 换热器那样容易使热管胀裂,并且可以在结冻后继续使用。

        2.3燕发彻底,经济性高

        制冷剂在制冷板式换热器中蒸发时,很容易实现完全蒸 发达到无液态程度,因此在大多数情况下,制冷系统无须设置气液分离器。并且极易实现单元化,安装简单方便,维修和 运输都可节约费用,降低成本。 由于与传统的壳管式换热器相比,制冷用板式换热器具 有十分明显的发展优势。自上世纪70年代开始在制冷装置 中得到应用以来,已经日益受到人们的重视,特别是许多发 达国家,如欧洲、美国、日本、澳大利亚等都非常重视制冷用 板式换热器的研究和应用。日本在上世纪80年代初开始研 究制冷用板式换热器,并在制冷装置中使用,收到了良好的 经济效益。世界上一些著名的制冷公司如约克、开利、川恩、 日立、前川等也相继在制冷装置中采用板式换热器.这种钎 焊型板式换热器由于采用纯钢作焊接剂,主要应用在氟利昂 制冷系统,不能在对铜有腐蚀作用的氨冷系统中使用。进人 20世纪90年代后,制冷用板式换热器又得到进一步发展, 一种能够应用于氨制冷系统的板式换热器在瑞典斯特尔公 司研制成功。这种新型的组合式板式换热器(WPHE)结合了 板框式(PHE)和钎焊式(CBE)的特点,在氨侧采用焊接密 封,在制冷剂侧仍采用垫片密封。与氟利昂制冷系统相比,采 用这种板式换热器的氨制冷系统不仅在机组材料、体积重量 上有明显的优势,而且性能系数也要高10%~20%.目前, 这种系统已经形成了8个产品,冷量从10kw~1000kw。 氨用板式换热器的开发成功,不仅拓宽了板式换热器在制冷 技术中的应用范围,而且对保护大气臭氧层、保护环境都有 重要意义,同时也必将促进制冷技术的进一步发展。 我国自上世纪60年代初开始生产板式换热器.到1994 年,以节能型产品定点的板式换热器生产厂家即达15家,并 且一些厂家还进行了板式蒸发器及其传热特性的研究工作。 然而这些厂家也仅限于生产板框式换热器(DHE)。在我国, 制冷用板式换热器的应用尚处于起步阶段,许多制冷厂家, 如上海冷气机厂、天津开利、北京万众、上海新晃等.都在自 己的产品中采用了制冷用板式换热器。如上海冷气机厂 1994年开发的空气水热泵机组采用了SWZP公司的制冷用 板式换热器.一投产就受到用户的青睐,该厂以这一产品为 龙头,1995年产值就达2.70亿元。可以预计,随着对制冷用 板式换热器的了解和认识,板式换热器以其高效传热,结构 紧凑,节能节材并具环保功能等特点,必将越来越广泛地应 用于制冷装置中。

        板式换热器是一种高效紧凑的换热设备,它的应用几乎 涉及到所有的工业领域,而且其类型、结构和使用范围还在 不断发展。近年来,焊接型板式换热器的紧凑性、重量轻、制 冷性能好、运行成本低等优越性已越来越被人们所认识。随 着我国经济的发展,制冷技术的发展前途远大,特别是各种 大型的工业制冷装置和空调用制冷装置发展迅速,这为各种 制冷用板式换热器的应用提供了广阔的市场.目前,我国已 有较好的板框式研究、生产基础,建议尽快进行制冷用板式 换热器的研究与开发工作。一方面可扩大板式换热器的应用 范围和生产规模,另一方面可提高制冷装置的性能,节约换 热设备的投资,促进制冷技术的发展。 

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