新型換熱器的發(fā)展趨勢(shì)

 換熱器在國(guó)民經(jīng)濟(jì)和化工生產(chǎn)領(lǐng)域中對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量、能量利用率以及系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性、可靠性起著舉足輕重的作用因此開(kāi)發(fā)新型高效和結(jié)構(gòu)緊湊的換熱器是目前換熱器研究的一個(gè)重要方向。因此,幾十年來(lái),高效換熱器的開(kāi)發(fā)與研究始終是人們關(guān)注的課題,國(guó)內(nèi)外先后推出了一系列新型高效換熱器。

    1·新型高效換熱器簡(jiǎn)介

    1.1 氣動(dòng)噴涂翅片管換熱器

    俄羅斯提出了一種先進(jìn)方法,即氣動(dòng)噴涂法,來(lái)提高翅片化表面的性能。其實(shí)質(zhì)是采用高速的冷的或稍微加溫的含微粒的流體給翅片表面噴鍍粉末粒子。用該方法不僅可噴涂金屬還能金屬陶瓷混合物,從而得到各種不同性能的表面。通常在實(shí)踐中翅片底面的接觸阻力是限制管子加裝翅片的因素之一。

    為了評(píng)估翅片管換熱器元件進(jìn)行了試驗(yàn)研究。試驗(yàn)是采用在翅片表面噴涂AC-鋁,并添加了24A白色電爐氧化鋁。將試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)加以整理,便可評(píng)估翅片底面的接觸阻力。

    將研究的翅片的效率與計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行比較,得出的結(jié)論是:氣動(dòng)噴涂翅片的底面的接觸阻力對(duì)效率無(wú)實(shí)質(zhì)性影響。為了證實(shí)這一點(diǎn),又對(duì)管子與翅片的過(guò)渡區(qū)進(jìn)行了金相結(jié)構(gòu)分析。對(duì)過(guò)渡區(qū)試片的分析表明,連接邊界的整個(gè)長(zhǎng)度上無(wú)不嚴(yán)密性的微裂紋。所以,氣動(dòng)噴涂法促進(jìn)表面與基本相互作用的分支邊界的形成,能促進(jìn)粉末粒子向基體的滲透,這就說(shuō)明了附著強(qiáng)度高,有物理接觸和金屬鏈形成。因而,氣動(dòng)噴涂法不但可用于成型,還可用來(lái)將按普通方法制造的翅片固定在熱換器管子的表面上,也可用來(lái)對(duì)普通翅片的底面進(jìn)行補(bǔ)充加固?？梢灶A(yù)計(jì),氣動(dòng)噴涂法在緊湊高效的換熱器生產(chǎn)中將會(huì)得到廣泛應(yīng)用[1]。

    1.2 焊接式板式換熱器

    用焊接結(jié)構(gòu)替代橡膠墊密封,全焊式和半焊式板式換熱器的出現(xiàn),消除了由于墊片材料耐溫、耐腐蝕、耐壓方面的限制。對(duì)于腐蝕介質(zhì)使用板式換熱器,近年來(lái)得到很大發(fā)展。德國(guó)與日本合作的千代田混合焊接板式換熱器,操作壓力可從真空到6,操作溫度200℃~900℃,單臺(tái)換熱面積F為3m2~2 000m2?？捎糜跉?氣、氣-液、液-液的換熱和蒸氣的冷凝。

    美國(guó)VICARB公司在1989年開(kāi)發(fā)COMPBLOC焊接式板式換熱器,是一種緊湊、高效、具有專利技術(shù)的換熱器。如圖1所示,這種換熱器由焊接板束、鋼框和面板等組裝而成,是一種四面體結(jié)構(gòu)。板束采用精密壓制、自動(dòng)焊接制造,立柱襯里采用電阻焊接,換熱器的“核心”由焊接波紋板板束、立柱襯里和頂部、底部蓋板襯里組成,螺栓連接框架由四根立柱和頂部、底部蓋板以及4個(gè)帶有接管的面板組成。其耐壓耐溫達(dá)3.2MPa和300℃,單臺(tái)F為1.5m2~300m2,單臺(tái)板片數(shù)為25~500,冷熱介質(zhì)錯(cuò)流排列。由于COM PABLOC焊接板式換熱器的傳熱性能好且使用溫度和壓力較高,所以可十分經(jīng)濟(jì)地用這種換熱器取代在相應(yīng)溫度范圍內(nèi)使用的管殼式換熱器。用于油氣加工工業(yè),可用作原油冷卻器、塔頂冷凝器等,還可用于其他多種工業(yè)加工過(guò)程[2-3]。

1.3 螺旋折流板換熱器

   螺旋折流板換熱器(圖2)是最新發(fā)展起來(lái)的一種管殼式換熱器,是由美國(guó)ABB公司提出的。在列管換熱器中,殼程通常是一個(gè)薄弱環(huán)節(jié)。美國(guó)ABB公司提出了一種全新方案,采用螺旋狀折流板。其基本原理為:將圓截面的特制板安裝在“擬螺旋折流系統(tǒng)”中,每塊折流板占換熱器殼程中橫剖面的1/4,其傾角朝向換熱器的軸線,即與換熱器軸線保持一定傾斜度。相鄰折流板的周邊相接,與外圓處成連續(xù)螺旋狀。每個(gè)折流板與殼程流體的流動(dòng)方向成一定的角度,使殼程流體做螺旋運(yùn)動(dòng),能減少管板與殼體之間易結(jié)垢的死角,從而提高了換熱效率。由于介質(zhì)呈螺旋式流動(dòng),在徑向產(chǎn)生速度梯度,形成徑向湍流,徹底改變了弓形折流板換熱器的流體流動(dòng)方式和流場(chǎng)分布,減薄了傳熱管表面滯流底層的厚度,提高了傳熱膜系數(shù),消除了弓形板的傳熱死區(qū),使殼程的傳熱狀態(tài)大為改善。此外,螺旋折流板結(jié)構(gòu)可以滿足的工藝條件很寬,設(shè)計(jì)方面具有很大的靈活性,可針對(duì)各種特殊的工藝條件選擇最佳的螺旋角。
1.4 新型麻花管換熱器
瑞典Alares公司開(kāi)發(fā)了一種扁管換熱器,通常稱為麻花管換熱器。螺旋扁管的制造過(guò)程包括了“壓扁”與“熱扭”兩個(gè)工序。改進(jìn)后的麻花管換熱器同傳統(tǒng)的管殼式換熱器一樣簡(jiǎn)單,但改進(jìn)了傳熱,減少了結(jié)垢,真正的逆流,降低了成本,無(wú)振動(dòng),節(jié)省了空間,無(wú)折流元件。由于管子結(jié)構(gòu)獨(dú)特使管程與殼程同時(shí)處于螺旋運(yùn)動(dòng),促進(jìn)了湍流程度。該換熱器總傳熱系數(shù)較常規(guī)換熱器高40%,而壓力降幾乎相等。組裝換熱器時(shí)也可采用螺旋扁管與光管混合方式。該換熱器嚴(yán)格按照ASME標(biāo)準(zhǔn)制造,凡是用管殼式換熱器和傳統(tǒng)裝置之處均可用此種換熱器取代,它能獲得普通管殼式換熱器和板框式傳熱設(shè)備所獲得的最佳值,估計(jì)在化工、石油化工行業(yè)中具有廣闊的應(yīng)用前景[4]。
1.5  Hitan繞絲花環(huán)換熱器
 該型換熱器是英國(guó)Cal Gavin Ltd公司開(kāi)發(fā)的一種新產(chǎn)品,采用一種稱之為Hitan matrix elements的絲狀花內(nèi)插物,可使流體在低速下產(chǎn)生徑向位移和螺旋流相疊加的三維復(fù)雜流動(dòng),可提高誘發(fā)湍流和增強(qiáng)沿溫度梯度方向上的流體擾動(dòng),能在不增加阻力的條件下大大提高傳熱系數(shù)。
  內(nèi)插件不僅可以促進(jìn)管內(nèi)流體形成湍流,同時(shí)可以擴(kuò)大傳熱面積,提高傳熱效率。目前,管內(nèi)內(nèi)插物主要是利用各種金屬的條、帶、片和絲等繞制或扭曲成螺旋形,如麻花鐵、螺旋線、螺旋帶及螺旋片等,或沖成帶有缺口的插入帶。英國(guó)Cal Gavin公司研制出了一種叫Heatex的內(nèi)插件。這種內(nèi)插件由一組延伸至管壁的圓芯體組成,它可使管側(cè)傳熱效率提高2~15倍。該公司還開(kāi)發(fā)了一種叫Hitran的絲網(wǎng)內(nèi)插件,將這種內(nèi)插件用于液體工況,可使管殼式換熱器管程傳熱效率提高25倍,用于氣體工況,可使相應(yīng)值提高5倍。同時(shí),與正常流速相比,這種內(nèi)插件使換熱管的防垢能力提高8~10倍。

    2·換熱器技術(shù)的發(fā)展前景

    2.1 用于整體裝置設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)傳統(tǒng)的整體裝置設(shè)計(jì)任務(wù)是由各個(gè)部門的工作小組分別對(duì)其中的某一項(xiàng)進(jìn)行設(shè)計(jì),并通過(guò)設(shè)計(jì)說(shuō)明書相互聯(lián)系來(lái)完成的,而最近發(fā)展起來(lái)用于整體裝置設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù),可以使這種繁重的任務(wù)變得簡(jiǎn)單起來(lái)。通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng),不同類型的設(shè)計(jì)應(yīng)用軟件可以有機(jī)地形成一個(gè)整體,設(shè)計(jì)者只需通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)操作系統(tǒng)向應(yīng)用軟件中輸入相關(guān)參數(shù),便可得到更多的關(guān)于設(shè)計(jì)任務(wù)的數(shù)據(jù),并且這些數(shù)據(jù)可以反饋到數(shù)據(jù)庫(kù)中。隨著CAD軟件包和數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)的發(fā)展,用于整體裝置設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)必定會(huì)代替手工計(jì)算設(shè)計(jì)方法。

    2.2 計(jì)算流體力學(xué)(CFD)和模型化設(shè)計(jì)的應(yīng)用

    在換熱器的熱流分析中,引入計(jì)算機(jī)技術(shù),對(duì)換熱器中介質(zhì)的復(fù)雜流動(dòng)過(guò)程進(jìn)行定量的模擬仿真。目前,基于計(jì)算機(jī)技術(shù)的熱流分析已經(jīng)用于自然對(duì)流、剝離流、振動(dòng)流和湍流熱傳導(dǎo)等的直接模擬仿真,以及對(duì)輻射傳熱、多相流和稠液流的機(jī)理仿真模擬等方面。在此基礎(chǔ)上,在換熱器的模型設(shè)計(jì)和設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)中,利用CFD的分析結(jié)果和相對(duì)應(yīng)的模型實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),使用計(jì)算機(jī)對(duì)換熱器進(jìn)行更為精確和細(xì)致的設(shè)計(jì)。

    2.3 換熱器強(qiáng)化傳熱技術(shù)的發(fā)展

    以采用強(qiáng)化傳熱元件和改進(jìn)換熱器結(jié)構(gòu)為主的強(qiáng)化傳熱技術(shù)是一種能顯著改善換熱器傳熱性能的節(jié)能技術(shù)。根據(jù)傳熱物流條件的不同情況,殼程傳熱強(qiáng)化的研究必然與強(qiáng)化傳熱管的優(yōu)化組合相聯(lián)系,這是今后換熱器強(qiáng)化傳熱技術(shù)發(fā)展的方向。

    3· 結(jié)束語(yǔ)

    目前,世界各國(guó)在換熱器理論研究、新技術(shù)和新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)方面已經(jīng)進(jìn)人高層次的探索階段,涉及領(lǐng)域很廣。換熱器的新技術(shù)得到了實(shí)用化,并進(jìn)一步擴(kuò)大其適用范圍,具有高效、低耗、性能優(yōu)越的新型換熱器將推廣應(yīng)用,我國(guó)應(yīng)借鑒國(guó)外先進(jìn)換熱器技術(shù),努力趕上國(guó)際先進(jìn)水平。