新型高效换热器

View on Knowledge 知识窗国 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]。

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。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 管程强化传热人们想尽各种办法实施强化传热 ,归结起来不外乎 2 条途径,即改变传热面的形状和在传热面上或传热流路径内设置各种形状的插入物 。

改变传热面形状的方法有多种 ,用于强化管程传热的有 : 横纹管 、 螺旋槽管 、 螺纹管 (低翅管)和缩放管以 及 螺旋扁管 (瑞典 ALLARDS 公 司 生产) 。 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 。高效换热器的使用 其传热系数较光管式提高 2 ～ 3 倍 。管内插入物[ 4 ,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HitranMatrix Elements 的花环式插入物[ 6],它是一种5]是强化管内单相流体传热行之49化工进展 2001 年第 1 期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强制对流条件下 ,是光滑管的 5 ～6 倍。

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 。

我们的主要产品是稀有金属材料的生产、镍基合金、钛合金、难溶金属、钛靶材、镍靶材、钛镍管件、钛阴极\阳极板、钛种板、钛镍备品备件以及钛镍各种常压设备的设计与制造。[0004]在一般工业生产中，气体之间的换热器多采用管壳式换热器，如u型管换热器、固定管板换热器和浮头式换热器等，这类换热器把换热管与管板相连，再用壳体相连的结构形式。铝、铜、钛及合金管壳式换热器应按2.10、2.11、2.12 中相关内容和规定，选择填写材料、焊接、热处理、无损检测、试验和验收等方面的技术要求。

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比较,结果表明 : 多孔管的热 流密度比低肋 管高36 % ,可减少传热面 26 % 。

国内近年开发的碳钢 T管也已成功地应用于重沸器 ,紫铜材质 E 管 应用于氟里昂蒸发器 。1. 2. 5 强化冷凝传热的传热管 用于强化冷凝传热的传热管有: 纵槽管 、 低螺纹翅片管 、 锯齿形翅片管和径向辐射肋管式翅片管等。 近年来 ,Hamon-Lummus 公 司 又推出 一 种 SRC 翅片 管 (SRC FinTube) ,用 于冷凝传热 。 德国 GEWA 公司 开发的TXV 管其翅片外缘呈 V 字型 。 华南理工大学研制的花瓣形翅片管是一种特殊的三维翅片结构强化传热管 ,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2 新型换热器单元换热面积可达 1480m2以上。502001 年第 1 期 化工进展国家单台最大换热面积/ m2最大直径/mm最大板宽/ mm最高操作压力/MPa瑞典500—20001. 51. 61. 61. 61. 61. 0德国35022002000美国14914801825英国200—1400日 本20017502000100—1270型式单台最大换热面积/ m2最大直径/mm最大板宽/ mm最高操作压力/MPaⅠ 不可拆式Ⅱ 、 Ⅲ可拆式1. 50 (碳钢)130(不锈钢)215012001. 01. 0160010002. 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 。高效换热器的使用 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 不结垢换热器不结垢换热器的开发 ,国外始于 70年代初期 ,用于海水脱盐,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 (如化中图法分类号 : TQ051. 5 ; TE965该换热器的传热面积超过 1000m2,[ 9]崔海宁 ,汪云 . 化工装备技术 ,1999,20 (4 ) : 25～ 27工 、 食品 、 海水淡化 、 造纸等) ,尤其在一些会发生严重结垢的场合 ,或含有大量不溶解颗粒的液体处理系统中 。

适用于不同介质、不同工况、不同温度、不同压力的换热器，结构型式也不同，换热器的具体分类如下： 1、换热器按传热原理可分为：1）间壁式换热器 间壁式换热器是温度不同的两种流体在被壁面分开的空间里流动，通过壁面的导热和流体在壁表面对流，两种流体之间进行换热。第 39卷 第2期 北京化工大学学报 自然科学版 vo1．39．no．22012正 journalofbeijinguniversityofchemicaltechnology naturalscience 2012理查德森数对多孔介质 t型管道近壁面处流动与传热的影响王永伟 卢 涛 王奎升北京化工大学 机电工程学院，北京 100029摘 要：对多孔介质t型方管内冷热流体混合过程的流动和热传递进行大涡模拟，获得了近壁面处湍流混合的瞬时速度和温度，分析了3种理查德森数 ri 一0．517，一0．093，0．517 对流动与传热的影响。当前换热器发展的基本趋势是：继续提高设备的传热效率，促进设备结构的紧凑性，加强生产制造成本的标准系列化，并在广泛的范围内继续向大型化发展，并cdf（comptational fluid dynamics）模型化技术、强化传热技术及新型换热器开发等形成一个高技术体系[15~16]。

收稿日 期 : 2000- 02 -26Technology Development of the New Efficient Heat Exchanger atHome and AboardM a Xiaochi(Research Institute of Chemical Machinery ,Ministry of Chemical Industry,Lanzhou 730060)Abstract Recent progress of heat exchanger at home and abroad in recent years is outlined . Methods of enhancing theheat transfer in heat exchanger about the shell and tube sides are introduced and commented.Key wordsshell and tube exchangers ,new high-effective heat exchangers化工进展 2001 年第 1 期51

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