新型換熱器技術進展及其應用

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)外近年來強化傳熱元件與高效換熱器的研究概況，介紹了強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)進展，以及制冷用板式換熱器的結(jié)構(gòu)及其特點，對板式換熱器在制冷技 術中的應用與發(fā)展進行了探討。關健字：強化傳熱；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文獻標識碼：B1 .強化傳熱元件與高效換熱器研究進展1.1 橫紋管折流桿換熱器這是融合了折流桿換熱器技術與橫紋管強化技術的一種高效換熱器.折流桿換熱器是美國菲利普公司上世紀70年代為解決天然氣換熱器的流體誘導振動問題開發(fā)的一種 桿式折流柵換熱器

2、。其特點是 抗振力強，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。 桂林化工機械廠曾與華南理工大學錢頌文教授合作并成功地將強化 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，桂林化工機械廠、華南理工大學化學工程研究所和國家 教委傳熱與節(jié)能開發(fā)研究實驗室合作，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月設計制造的 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備

3、 1627ml的換熱面積，設備重量由原來的 37.61d減小到17.27d,設備投資節(jié)省1/3.強化傳熱元件的應用與 高效換熱設備的開發(fā)：極大地提高了企業(yè)的經(jīng)濟效益和社會效益.橫紋管折流桿換熱器的開發(fā)應用結(jié)果證明，強化傳熱元件與折流桿的有 機組合.在提高管程換熱速率的同時也提 高了殼程的換熱速率.工業(yè) 運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。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氣壓縮機冷卻器，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 解決的技術難題，直接影響中氮壓縮機的工作效率.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.通常認為強化對 流給熱的方法是反復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展段和收縮段來實現(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)氫氮氣壓縮機一、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)應用操作運行的 結(jié)果表明具有

5、明顯的強化傳熱效果.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)特點是管子換熱段的任一截面均為一長 回，當組裝成換熱器時可以混合管束(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計確定，當管程流速較低時.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，可以認為螺旋扁管的強化傳熱主 要在于，螺旋扁管的獨特的結(jié)構(gòu)能使管程和殼程同時

6、處于螺旋運行， 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，是華南理工大學化學工程研究所和國家教 委傳熱與節(jié)能開發(fā)研究實驗室鄧先和等人發(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化管型作為換熱管，能夠同時強化管內(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化管 的粗糙傳熱面上用以促進壁流體傳熱滯流層的湍流強度，降低傳熱傳阻、達到強化傳熱的目的。實驗研究結(jié)果還表明，當支承同樣的強化 管束（即橫紋管束）時，空心環(huán)支承結(jié)構(gòu)較美國菲利浦石油公司上世紀 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)的進步，強化傳

8、熱元件管內(nèi)流動狀態(tài)的改變，管間折流形式要研究 相應的結(jié)構(gòu)與之相適應，這樣才能達到管內(nèi)與管間整體強化傳熱效 果。工業(yè)應用結(jié)果表明了多種強化傳熱元件的研究成果是一個基礎， 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中的應用與發(fā)展板式換熱器是一種高效、緊湊的換熱設備。19世紀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 20年代開始應用于 食品工業(yè).由于板式換熱器在制造和使用上都有一些獨特之處。因此, 目前板式換熱器已經(jīng)廣泛

9、應用于石油、化工、輕工、電力、冶金、機 械、能源等工業(yè)領域，成 為換熱器家族中一種極有競爭力的品種。 在制冷技術中，換熱器是不可缺少的制冷設備，冷凝器、蒸發(fā)器、回 熱器以及中間冷卻器等換熱器設備，不僅在重量、體積和金屬耗量上 占整個制冷裝置的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中的應用，并且表現(xiàn)出強勁的發(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，制冷用板式換熱器還具有如下特點。2.1 制冷劑充灌減少，有利于環(huán)坡保護和降

10、低運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，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)濟性高制冷劑在制冷板式換熱器中蒸發(fā)時，很容易實現(xiàn)完全蒸發(fā)達到無 液態(tài)程度，因此在大多數(shù)情況下

11、，制冷系統(tǒng)無須設置氣液分離器。并 且極易實現(xiàn)單元化，安裝簡單方便，維修和運輸都可節(jié)約費用，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70年代開始在制冷裝置中得到應用以來，已經(jīng)日益受到人們的重視，特別是許多發(fā)達國家，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用。日本在上世紀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。進人20世紀90年代后，制冷用板式換熱器又得到進一步發(fā)展，一種能夠應用于氨制冷系統(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，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 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中的應用范圍，而且對保護大氣臭氧層、 保護環(huán)境都有重要意義，同時

13、也必將促進制冷技術的進一步發(fā)展。 我 國自上世紀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 定點的板式換熱器生產(chǎn)廠家即達 15家，并且一些廠家還進行了板式 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用尚處于起步階段， 許多制冷廠家，如上海冷氣機廠、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。如上海冷氣機廠1994年開發(fā)的空氣水熱泵機組采用了 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2.70 億元?？梢灶A計，隨著對制冷用板式換熱器的了解和認識，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， 必將越來越廣泛地應用于制冷裝置中。板式換熱器是一種高效緊湊的換熱設備，它的應用幾乎涉及到所有的工業(yè)領域，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