新型換熱器技術(shù)進(jìn)展及其應(yīng)用

1、精品文檔劉明（山西省節(jié)能監(jiān)測中心，山西太原 050002） 摘要綜述了國內(nèi)外近年來強(qiáng)化傳熱元件與高效換熱器的研究概況，介紹了強(qiáng)化傳熱元件和新型殼程結(jié)構(gòu)的匹配與高效換熱器的開發(fā)進(jìn)展，以及制冷用板式換熱器的結(jié)構(gòu)及其特點(diǎn)，對板式換熱器在制冷技 術(shù)中的應(yīng)用與發(fā)展進(jìn)行了探討。關(guān)健字：強(qiáng)化傳熱；殼程結(jié)構(gòu)；高效換熱器；板式換熱器；焊接式 中圖分類號：TU832.2十3文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B1 .強(qiáng)化傳熱元件與高效換熱器研究進(jìn)展1.1 橫紋管折流桿換熱器這是融合了折流桿換熱器技術(shù)與橫紋管強(qiáng)化技術(shù)的一種高效換熱器.折流桿換熱器是美國菲利普公司上世紀(jì)70年代為解決天然氣換熱器的流體誘導(dǎo)振動問題開發(fā)的一種 桿式折流柵換熱器

2、。其特點(diǎn)是 抗振力強(qiáng)，消除了殼程滯流區(qū)，改善了殼程流體的速度和溫度的分布。 桂林化工機(jī)械廠曾與華南理工大學(xué)錢頌文教授合作并成功地將強(qiáng)化 傳熱元件螺旋梢管用于折流桿換熱器，節(jié)省換熱面積接近60%效果十分顯著.目前，螺旋植桿折流桿換熱器在桂林化工廠已系統(tǒng)化生產(chǎn)。近年來，桂林化工機(jī)械廠、華南理工大學(xué)化學(xué)工程研究所和國家 教委傳熱與節(jié)能開發(fā)研究實(shí)驗(yàn)室合作，將在相同管內(nèi)流速下傳熱效率 優(yōu)于螺旋梢管的橫紋管用于折流桿換熱器.1995年5月設(shè)計(jì)制造的 DN140清紋管折流桿換熱器 在云南某中型化肥廠變換系統(tǒng)投入工業(yè) 運(yùn)行，取代了原使用的DN2400列管式折流板主熱交換器，以 540mz的換熱面積取代了原設(shè)備

3、 1627ml的換熱面積，設(shè)備重量由原來的 37.61d減小到17.27d,設(shè)備投資節(jié)省1/3.強(qiáng)化傳熱元件的應(yīng)用與 高效換熱設(shè)備的開發(fā)：極大地提高了企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益.橫紋管折流桿換熱器的開發(fā)應(yīng)用結(jié)果證明，強(qiáng)化傳熱元件與折流桿的有 機(jī)組合.在提高管程換熱速率的同時(shí)也提 高了殼程的換熱速率.工業(yè) 運(yùn)行證明橫紋管具有傳熱效率高、流體阻力小、抗振性能好的特點(diǎn)。1.2 縮放管整圓梢孔折流柵板換熱器我國現(xiàn)有的中型氮肥廠氫氮?dú)鈮嚎s機(jī)冷卻器，長期以來傳熱效率 低，冷卻器的流路不暢，流體橫向沖刷所引起換熱管的振動一直是未 解決的技術(shù)難題，直接影響中氮壓縮機(jī)的工作效率.縮放管整圓梢孔折流柵板換熱器是近兩

4、年來廠校合作開發(fā)的另一種新型換熱器，是又一種強(qiáng)化傳熱元件與新型殼程折流結(jié)構(gòu)的優(yōu)化組合.通常認(rèn)為強(qiáng)化對 流給熱的方法是反復(fù)改變縱向壓力梯度作用下流體的流動，這種流動方式由依次交替的擴(kuò)展段和收縮段來實(shí)現(xiàn).大量研究證明，波型通道 在相同流動阻力下，較平行流道具有更高的傳熱性能.縮放管其擴(kuò)展段得到有效的利用，收縮段還利用了流體粘附層速度提高的效果；整圓榴孔折流柵板即折流柵板為一個(gè)整圓不開弓形口而洗通每排管的 管橋，梢孔參數(shù)可根據(jù)所需流速的大小來確定.新開發(fā)的高效換熱器 取代了我國中型氮肥廠國產(chǎn)氫氮?dú)鈮嚎s機(jī)一、二、三段原有的回環(huán)形折流板冷卻器.縮放管整圓梢孔折流柵板換熱器工業(yè)應(yīng)用操作運(yùn)行的 結(jié)果表明具有

5、明顯的強(qiáng)化傳熱效果.1.3 螺旋扁管換熱器螺旋扁管(Twisted Tabe)是瑞典AUares公司近年推出的一種高 效換熱元件，螺旋扁管的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是管子換熱段的任一截面均為一長 回，當(dāng)組裝成換熱器時(shí)可以混合管束(即螺旋扁管與光滑管混合使 用)，也可以是純螺旋扁管.螺旋扁管的制造過程由“壓偏”、“熱扭” 兩個(gè)成形過程完成，管子截面類似于橢圓管，橢圓的長短軸比值根據(jù) 換熱管程和殼程的流速設(shè)計(jì)確定，當(dāng)管程流速較低時(shí).可增大長、短 軸之比值，減少流通截面以提高流速，使換熱器兩側(cè)處于較理想的流 動狀態(tài)。從管型、管末的結(jié)構(gòu)分析，可以認(rèn)為螺旋扁管的強(qiáng)化傳熱主 要在于，螺旋扁管的獨(dú)特的結(jié)構(gòu)能使管程和殼程同時(shí)

6、處于螺旋運(yùn)行， 促使湍流程度.螺旋扁管組裝的換熱器較常規(guī)的換熱器的總傳熱系數(shù) 商40%而壓力降幾乎相等，這與以增大泵功率的消耗來提高傳熱效 率具有截然不同的效果.螺旋扁管換熱器可以用于氣一氣，液一液， 液一氣換熱過程.在化工、石油化工工業(yè)中具有廣闊的應(yīng)用前景.1.4 空心環(huán)管殼式換熱器空心環(huán)管殼式換熱器，是華南理工大學(xué)化學(xué)工程研究所和國家教 委傳熱與節(jié)能開發(fā)研究實(shí)驗(yàn)室鄧先和等人發(fā)明的一種新型管殼式換 熱器.已獲得國家發(fā)明專利?？招墓軞な綋Q熱器的開發(fā)主要解決了國 內(nèi)硫酸、石油化工等行業(yè)氣一氣換熱過程中管殼式換熱器傳熱性能 差、鋼材耗童大、流體阻力高、系統(tǒng)操作電耗大的技術(shù)難題.采用整體結(jié)構(gòu)優(yōu)化的空

7、心環(huán)管殼式換熱器取代折流隔板式換熱器，能使換熱氣鋼材減少35寫50%氣體壓降減少30%40%.空心管殼式換熱器以強(qiáng)化管型作為換熱管，能夠同時(shí)強(qiáng)化管內(nèi)與管間支撐物，空隙率大, 對流體形成阻力小，其殼程管隙間流體絕大部分壓降可作用在強(qiáng)化管 的粗糙傳熱面上用以促進(jìn)壁流體傳熱滯流層的湍流強(qiáng)度，降低傳熱傳阻、達(dá)到強(qiáng)化傳熱的目的。實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果還表明，當(dāng)支承同樣的強(qiáng)化 管束（即橫紋管束）時(shí)，空心環(huán)支承結(jié)構(gòu)較美國菲利浦石油公司上世紀(jì) 70年代開發(fā)的折流桿支承結(jié)構(gòu)更能使粗糙管束獲得好的強(qiáng)化傳熱效 果，在同等殼程條件下，給熱系數(shù)高約 35%綜上所述，強(qiáng)化傳熱元件的開發(fā)研究必然會帶來多種殼程折流結(jié) 構(gòu)的進(jìn)步，強(qiáng)化傳

8、熱元件管內(nèi)流動狀態(tài)的改變，管間折流形式要研究 相應(yīng)的結(jié)構(gòu)與之相適應(yīng)，這樣才能達(dá)到管內(nèi)與管間整體強(qiáng)化傳熱效 果。工業(yè)應(yīng)用結(jié)果表明了多種強(qiáng)化傳熱元件的研究成果是一個(gè)基礎(chǔ)， 新型殼程折流結(jié)構(gòu)（如折流桿、整圓梢孔折流柵板、空心環(huán)折流網(wǎng)板 等）的開發(fā)使管殼式換熱器的折流結(jié)構(gòu)不斷變化。目前，可以根據(jù)不 同的操作條件，不同的使用工況，組合成各種新型高效的換熱器。2 .板式換熱器在制冷技術(shù)中的應(yīng)用與發(fā)展板式換熱器是一種高效、緊湊的換熱設(shè)備。19世紀(jì)80年代它是 首先作為連續(xù)低溫殺菌器研制成功的，到上世紀(jì) 20年代開始應(yīng)用于 食品工業(yè).由于板式換熱器在制造和使用上都有一些獨(dú)特之處。因此, 目前板式換熱器已經(jīng)廣泛

9、應(yīng)用于石油、化工、輕工、電力、冶金、機(jī) 械、能源等工業(yè)領(lǐng)域，成 為換熱器家族中一種極有競爭力的品種。 在制冷技術(shù)中，換熱器是不可缺少的制冷設(shè)備，冷凝器、蒸發(fā)器、回 熱器以及中間冷卻器等換熱器設(shè)備，不僅在重量、體積和金屬耗量上 占整個(gè)制冷裝置的50寫以上，而且對制冷性能也會產(chǎn)生重大影響。 因此，強(qiáng)化制冷換熱器的傳熱，減少重量和體積，降低金屬消耗量一 直是制冷技術(shù)中的發(fā)展方向，現(xiàn)已出現(xiàn)了一種新型的、全焊接式的板 式換熱器在制冷技術(shù)中的應(yīng)用，并且表現(xiàn)出強(qiáng)勁的發(fā)展?jié)摿?。與制冷用殼程管式換熱器相比，除了具有板式換熱器的一般特 點(diǎn)，制冷用板式換熱器還具有如下特點(diǎn)。2.1 制冷劑充灌減少，有利于環(huán)坡保護(hù)和降

10、低運(yùn)行成本殼管式換熱器的殼側(cè)和管側(cè)的容積都很大， 要使制冷系統(tǒng)正常工 作，必須充灌大盆的制冷劑，而且還可能造成環(huán)境污染。而板式換熱 器一方面體積小，另一方面間距尺寸也小，每 1kw熱負(fù)荷只需6弓g 制冷劑，具充灌量只有殼管式換熱器的 1/7左右。2.2 凍結(jié)傾向少，抗凍性能高由于水在低流速時(shí)，就能在板式換熱器中形成高度紊流， 溫度分 布非常均勻，從而減少了冷凍水的凍結(jié)傾向。即使發(fā)生了凍結(jié)，也更 能承受結(jié)凍所產(chǎn)生的壓力，而不像殼管式換熱器那樣容易使熱管脹 裂，并且可以在結(jié)凍后繼續(xù)使用。2.3 燕發(fā)徹底，經(jīng)濟(jì)性高制冷劑在制冷板式換熱器中蒸發(fā)時(shí)，很容易實(shí)現(xiàn)完全蒸發(fā)達(dá)到無 液態(tài)程度，因此在大多數(shù)情況下

11、，制冷系統(tǒng)無須設(shè)置氣液分離器。并 且極易實(shí)現(xiàn)單元化，安裝簡單方便，維修和運(yùn)輸都可節(jié)約費(fèi)用，降低 成本。由于與傳統(tǒng)的殼管式換熱器相比，制冷用板式換熱器具有十分 明顯的發(fā)展優(yōu)勢。自上世紀(jì)70年代開始在制冷裝置中得到應(yīng)用以來，已經(jīng)日益受到人們的重視，特別是許多發(fā)達(dá)國家，如歐洲、美國、日 本、澳大利亞等都非常重視制冷用板式換熱器的研究和應(yīng)用。日本在上世紀(jì)80年代初開始研究制冷用板式換熱器，并在制冷裝置中使用， 收到了良好的經(jīng)濟(jì)效益。世界上一些著名的制冷公司如約克、開利、 川恩、日立、前川等也相繼在制冷裝置中采用板式換熱器.這種釬焊型板式換熱器由于采用純鋼作焊接劑，主要應(yīng)用在氟利昂 制冷系統(tǒng)， 不能在對

12、銅有腐蝕作用的氨冷系統(tǒng)中使用。進(jìn)人20世紀(jì)90年代后，制冷用板式換熱器又得到進(jìn)一步發(fā)展，一種能夠應(yīng)用于氨制冷系統(tǒng)的 板式換熱器在瑞典斯特爾公司研制成功。這種新型的組合式板式換熱 器（WPHE合了板框式（PHEK口釬焊式（CBE）的特點(diǎn)，在氨側(cè)采用焊接 密封，在制冷劑側(cè)仍采用墊片密封。與氟利昂制冷系統(tǒng)相比，采用這 種板式換熱器的氨制冷系統(tǒng)不僅在機(jī)組材料、 體積重量上有明顯的優(yōu) 勢，而且性能系數(shù)也要高10%20%M前，這種系統(tǒng)已經(jīng)形成了 8個(gè) 產(chǎn)品，冷量從10kw1000kw 氨用板式換熱器的開發(fā)成功，不僅拓 寬了板式換熱器在制冷技術(shù)中的應(yīng)用范圍，而且對保護(hù)大氣臭氧層、 保護(hù)環(huán)境都有重要意義，同時(shí)

13、也必將促進(jìn)制冷技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。 我 國自上世紀(jì)60年代初開始生產(chǎn)板式換熱器到1994年，以節(jié)能型產(chǎn)品 定點(diǎn)的板式換熱器生產(chǎn)廠家即達(dá) 15家，并且一些廠家還進(jìn)行了板式 蒸發(fā)器及其傳熱特性的研究工作。然而這些廠家也僅限于生產(chǎn)板框式 換熱器（DHE）。在我國，制冷用板式換熱器的應(yīng)用尚處于起步階段， 許多制冷廠家，如上海冷氣機(jī)廠、天津開利、北京萬眾、上海新晃等. 都在自己的產(chǎn)品中采用了制冷用板式換熱器。如上海冷氣機(jī)廠1994年開發(fā)的空氣水熱泵機(jī)組采用了 SWZ心司的制冷用板式換熱器.一 投產(chǎn)就受到用戶的青睞，該廠以這一產(chǎn)品為龍頭，1995年產(chǎn)值就達(dá)2.70 億元?？梢灶A(yù)計(jì)，隨著對制冷用板式換熱器的了解和認(rèn)識，板 式換熱器以其高效傳熱，結(jié)構(gòu)緊湊，節(jié)能節(jié)材并具環(huán)保功能等特點(diǎn)， 必將越來越廣泛地應(yīng)用于制冷裝置中。板式換熱器是一種高效緊湊的換熱設(shè)備，它的應(yīng)用幾乎涉及到所有的工業(yè)領(lǐng)域，而且其類型、結(jié)構(gòu)和使用范圍還在不斷發(fā)展。近年 來，焊接型板式換熱器的緊湊性、重量輕、制