我國拆裝式板式換熱器的應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

我國拆裝式板式換熱器的應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

拆卸式換熱器是一種高效、能耗的換熱裝置。它具有傳熱效率高、質(zhì)量輕、占地面積小、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。主要用于石油、化工、飲料、醫(yī)藥、城市集中供熱、輕工、紡織、造紙、油脂、船舶、冶金、動力(包括核電站)以及近海工程等領(lǐng)域。自2000年以來,我國可拆卸板式換熱器的設(shè)計(jì)和制造水平有很大提高,品種規(guī)格也不斷完善,應(yīng)用范圍不斷拓寬。但與國外的應(yīng)用情況及發(fā)展趨勢比較,我國產(chǎn)品還有較大的差距。1當(dāng)前1.1板式換熱器roi自進(jìn)入21世紀(jì)以來,常規(guī)對稱形、非對稱形、高NTU型(淺密波紋型)、免粘型、寬流道型、板式蒸發(fā)器、板式冷凝器等國外已有的可拆卸板式換熱器均已實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化,且已成功應(yīng)用于不同的領(lǐng)域,其品種、規(guī)格見表1。目前,國內(nèi)80%的企業(yè)仍以生產(chǎn)技術(shù)含量不高的常規(guī)普通型產(chǎn)品為主,與國際先進(jìn)水平相比,我國產(chǎn)品在特殊品種方面還較缺乏,如性能先進(jìn)的新型板式蒸發(fā)器、超大處理量的板式冷凝器以及特殊用途的激光半焊接產(chǎn)品等。國內(nèi)只有個別企業(yè)開發(fā)了DN400、DN450或DN500的大角孔、大處理量的板式換熱器,但尚未形成系列,產(chǎn)量有限,且產(chǎn)品的性能水平、可靠性仍有待提高,尤其是受平板硫化機(jī)的限制,無法生產(chǎn)單張板片面積大于3.0m2的墊片。而國外單張板片的最大換熱面積已達(dá)到3.8m2,板片最小厚度為0.4mm,單臺換熱器最大換熱面積可達(dá)3000m2(國內(nèi)為1500m2),單臺換熱器組裝板片數(shù)可達(dá)1000張(國內(nèi)為600張)。板式冷凝器角孔最大公稱直徑為1400mm,蒸汽處理量可達(dá)40×104m3/h;板式蒸發(fā)器角孔最大公稱直徑為700mm,介質(zhì)蒸發(fā)量已達(dá)100t/h。1.2彈性板片條紋受密封墊片性能的影響,目前國內(nèi)可拆卸板式換熱器的最高設(shè)計(jì)溫度為180℃,最大設(shè)計(jì)壓力為2.5MPa。板片波紋形式仍以人字形為主,各企業(yè)的板型均配備軟硬板,可實(shí)現(xiàn)熱混合設(shè)計(jì),其NTU最大為5(國外最高可達(dá)7),可實(shí)現(xiàn)的末端最小溫差為1℃(國外為0.5℃)。介質(zhì)為水-水逆流運(yùn)行、定性溫度40℃、板間流速0.5m/s下的傳熱系數(shù)可達(dá)5000～6500W/(m2·K),接近國際先進(jìn)水平。1.3氣體用量占比較由于板片為模具冷壓成型,因而能夠進(jìn)行冷拉(壓)成型的材料方能用于板式換熱器板片,目前國內(nèi)板式換熱器板片所用材質(zhì)主要為常規(guī)300系列奧氏體不銹鋼且以304、316L為主,其用量占全年總量的80%以上。對于國外已大量使用的904L、254SMO、654SMO等超級奧氏體不銹鋼,國內(nèi)應(yīng)用較少,且僅限于254SMO或同等級別的185N、AL-6XN,諸如鈦-鈀合金、鎳及其合金等特殊昂貴材料用量非常少,對于國外已成功使用的鉭金屬,國內(nèi)至今仍未使用。我國可拆卸板式換熱器板片所用材料見表2。1.4物理性能指標(biāo)密封墊片是可拆卸板式換熱器各主要零件中最薄弱的環(huán)節(jié),其質(zhì)量的好壞對耐壓和耐溫能力、可靠性和適用范圍等均有明顯影響。國內(nèi)密封墊片制造企業(yè)經(jīng)過近幾年的技術(shù)革新及內(nèi)部質(zhì)量控制,生產(chǎn)的墊片外觀質(zhì)量和幾何尺寸的精度已達(dá)到國際先進(jìn)水平,但仍有不小差距,主要表現(xiàn)在:①物理性能指標(biāo)較低。如耐溫、耐老化、高溫壓縮永久變形、抗撕裂等性能有待進(jìn)一步提高。②質(zhì)量波動較大,隨批次而變。③品種少。例如,應(yīng)用于水、汽等一般介質(zhì)的密封墊片的配方、硫化工藝較成熟,但缺少耐溫性能好的丁腈橡膠(NBR)、三元乙丙橡膠(EPDM)和(膨脹)石墨墊片。沒有耐腐蝕、抗蠕變性能好的包覆聚四氟乙烯(PTFE)密封墊片。從事密封墊片幾何結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的人員對板式換熱器的板形結(jié)構(gòu)不了解,對密封墊片的幾何形狀和壓縮量不能進(jìn)行合理的控制,因而會影響墊片的使用和壽命(形狀過大宜造成板片變形,過小則會縮短密封壽命)。此外,設(shè)計(jì)人員也不能根據(jù)不同的墊片槽形狀設(shè)計(jì)相應(yīng)結(jié)構(gòu)的墊片,也不注意及時跟蹤板式換熱器最新板型的進(jìn)展,造成板片結(jié)構(gòu)已改變,但墊片的結(jié)構(gòu)沒有變化。1.5性能有待提高板式換熱器的制造質(zhì)量主要體現(xiàn)在換熱板片的成型精度,其成型精度的高低會嚴(yán)重影響整臺產(chǎn)品的承壓、傳熱與流阻特性等綜合性能,盡管文獻(xiàn)已規(guī)定了換熱板片的成型偏差在其單板公稱換熱面積不大于0.3m2、0.3～1.0m2、大于1.0m2時分別為±0.10mm、±0.15mm、±0.20mm,此規(guī)定遠(yuǎn)比國外各公司±0.10mm的要求低,但國內(nèi)部分企業(yè)仍達(dá)不到此要求,嚴(yán)重者超差±0.50mm。同時還存在板片壓痕明顯、外觀質(zhì)量較差及波紋變形等問題。由于換熱板片的精度欠佳及其與墊片的不合理匹配致使產(chǎn)品整機(jī)承壓能力下降或整機(jī)換熱面積無法提高,同時也影響了運(yùn)行時的傳熱與流阻特性,增加了產(chǎn)品應(yīng)用的局限性及不良影響。國內(nèi)企業(yè)目前已普遍意識到對產(chǎn)品外觀質(zhì)量的提高與改善,但對內(nèi)在質(zhì)量的控制重視不夠。主要存問題如下。(1)液壓控制元件質(zhì)量差板片成型的關(guān)鍵設(shè)備板片專用油壓機(jī)的精度與可靠性均不高,如結(jié)構(gòu)不合理、整體鋼性弱,壓制板片加壓時,油壓機(jī)上、下工作臺首先變形,因而造成板片成型深度不均勻。由于油壓機(jī)液壓控制元件質(zhì)量差,漏油現(xiàn)象嚴(yán)重,致使設(shè)備無法長時間運(yùn)行在額定工作壓力下。另外,國內(nèi)板片主要使用20000t以下的油壓機(jī)壓制,而用于大板型或超大板型成型的30000t、40000t油壓機(jī)的精度、可靠性更低,造成大規(guī)格板型的發(fā)展受到限制。(2)模的間隙控制不合理造成板片成型精度低的另一個原因是板片壓制模具結(jié)構(gòu)不合理或精度達(dá)不到要求,這是由于我國產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與模具的制造脫鉤,產(chǎn)品設(shè)計(jì)者對模具的設(shè)計(jì)和制造要求不高,對上、下模的間隙控制不合理,對板片的壓型回彈考慮不全面,造成所加工的模具不能準(zhǔn)確反映設(shè)計(jì)意圖,偏離設(shè)計(jì)要求。表現(xiàn)在波紋的幾何形狀改變,嚴(yán)重者梯形波紋形狀已呈鋸齒形,板片減薄量過大,壓制如鈦、鎳等特殊板材的合格率較低。國內(nèi)普遍缺乏高水平的模具設(shè)計(jì)及加工人員,且加工手段落后,部分企業(yè)仍采用數(shù)控銑床加工模具,只有個別加工企業(yè)完全采用數(shù)控加工中心,而國外著名大公司均采用高轉(zhuǎn)速(20000r/min)、高性能的專用加工中心及高質(zhì)量的刀具來完成模具的加工,保證了模具的加工精度及使用壽命。1.6行業(yè)發(fā)展的拓展我國可拆卸板式換熱器主要應(yīng)用于城市集中供熱、石油、化工、輕工、冶金和電力等行業(yè)中溫度、壓力、介質(zhì)不是非常苛刻的工況,其中每年用于城市集中供熱的可拆卸板式換熱器臺數(shù)約占產(chǎn)品總數(shù)的70%。盡管近幾年新的板型不斷問世,應(yīng)用領(lǐng)域隨之拓展,如高NTU值板片的問世,使我國產(chǎn)品進(jìn)入了傳熱溫差1℃的制冷空調(diào)領(lǐng)域;寬間隙板片的問世,使我國產(chǎn)品進(jìn)入了酒精、制糖等粘性、顆粒性介質(zhì)行業(yè)。但在核電、冶金、電力、船舶等大型產(chǎn)品及特殊板材需求量較大的領(lǐng)域仍然應(yīng)用較少,主要原因是高技術(shù)含量產(chǎn)品的品種規(guī)格不全、質(zhì)量性能水平低、可靠性不高以及工藝選型計(jì)算不準(zhǔn)確等。2問題2.1技術(shù)選擇水平低(1)產(chǎn)品的選型不合理不能根據(jù)工況條件正確選擇板型、板片材料以及密封墊片材料。由于計(jì)算選型的經(jīng)驗(yàn)較少,因而造成產(chǎn)品的選型計(jì)算不合理,安全裕量往往過大或過小,使產(chǎn)品不能運(yùn)行在最佳狀態(tài),造成使用效果不理想,導(dǎo)致有些領(lǐng)域用戶對產(chǎn)品的質(zhì)量產(chǎn)生懷疑,應(yīng)用范圍受到限制。(2)缺乏先進(jìn)的設(shè)計(jì)計(jì)算方法國內(nèi)近一半的企業(yè)已使用軟件進(jìn)行選型,但絕大多數(shù)僅限于水-水工況,對于一些存在相變或特殊介質(zhì)的工況只能憑經(jīng)驗(yàn)估算,缺乏先進(jìn)的設(shè)計(jì)計(jì)算方法、軟件及配套的數(shù)據(jù)庫。2.2對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)性能和模型的測定不到位板式換熱器綜合性能的好壞以及設(shè)計(jì)、制造的產(chǎn)品能否適合用戶工況的要求,其基本依據(jù)就是試驗(yàn)測定的準(zhǔn)數(shù)方程式。文獻(xiàn)規(guī)定,每種型式的產(chǎn)品應(yīng)進(jìn)行熱工性能和流體阻力特性測定。但國內(nèi)企業(yè)普遍不重視試驗(yàn)研究工作,部分企業(yè)迫于項(xiàng)目招投標(biāo)的要求,對產(chǎn)品進(jìn)行熱工測試,但并未對試驗(yàn)數(shù)據(jù)及準(zhǔn)則方程式進(jìn)行分析或有效利用。國外知名企業(yè)如ALFALAVAL、APV、GEA等公司,均設(shè)有專門的產(chǎn)品研發(fā)中心,每年投入銷售額2%～3%的費(fèi)用于對現(xiàn)有產(chǎn)品的完善以及對新產(chǎn)品的試驗(yàn)研究。2.3低創(chuàng)新能力(1)沒有掌握的核心技術(shù)①部分企業(yè)不設(shè)技術(shù)部門或無技術(shù)人員。②板型設(shè)計(jì)水平低,沒有掌握板型設(shè)計(jì)的核心技術(shù),多為模仿或抄襲。③大部分企業(yè)產(chǎn)品的開發(fā)僅局限于框架設(shè)計(jì),能夠從事產(chǎn)品開發(fā)及模具設(shè)計(jì)的技術(shù)人員太少,高水平的研發(fā)人才更為稀缺。(2)行業(yè)規(guī)模小由于可拆卸板式換熱器生產(chǎn)設(shè)備簡單、投資小,因此生產(chǎn)企業(yè)很多且企業(yè)規(guī)模過小,企業(yè)間多為低水平、低價格的惡性競爭,從而造成了整個行業(yè)科研投入嚴(yán)重不足,不僅影響新產(chǎn)品的開發(fā),而且導(dǎo)致技術(shù)人員不能穩(wěn)定地從事板式換熱器的設(shè)計(jì)開發(fā)工作,這也是高水平研發(fā)人才稀缺的根本原因。3發(fā)展趨勢3.1板式換熱器①大規(guī)格。隨著工程項(xiàng)目大型化、裝置大型化的發(fā)展要求,大面積換熱器的使用需求增加,尤其是核電、冶金、電力、船舶、大型集中供熱等領(lǐng)域?qū)Υ蠼强?、大處理量、大裝機(jī)容量的板式換熱器需求量逐年在增加,因此角孔大于DN350mm、單片換熱面積大于2.0m2的產(chǎn)品將不斷面世。②多品種。在徹底淘汰、更新原有常規(guī)板形后,技術(shù)含量較高的板式蒸發(fā)器、板式冷凝器、寬間隙板式換熱器、超高NTU值板式換熱器及半焊接板式換熱器將成為各企業(yè)關(guān)注的重點(diǎn)。③系列化。單一品種、單一規(guī)格已遠(yuǎn)不能滿足多樣化的市場需求,實(shí)現(xiàn)同一品種多種規(guī)格、多個NTU值、板片多種組合形式、多種板材應(yīng)用等,提高產(chǎn)品的適用性,更合理的滿足用戶需求,將成為今后幾年的發(fā)展趨勢。3.2高性能、高可靠性和低成本(1)高性能同等條件下產(chǎn)品能夠承受高的壓力水平、大的裝機(jī)容量,同時具有優(yōu)良的傳熱與較低的流阻。(2)高可靠性產(chǎn)品在壓力波動、溫度波動、大面積、長周期運(yùn)行時應(yīng)具有高可靠性。(3)減少試驗(yàn)項(xiàng)目的成本,提高產(chǎn)品的競爭力通過提高板片的剛性、降低板片的厚度、提高材料利用率、簡化加工工序以及壓緊板、夾緊螺柱等受壓元件科學(xué)合理的設(shè)計(jì)計(jì)算來降低成本,提高產(chǎn)品競爭力。3.3加強(qiáng)行業(yè)技術(shù)合作與交流,將信息分散利用,有利于生產(chǎn)規(guī)?；l(fā)展企業(yè)分工細(xì)化將成為一種趨勢,大而全、小而全的換熱器生產(chǎn)企業(yè)將分離成專業(yè)的墊片生產(chǎn)、框架生產(chǎn)、專用緊固件生產(chǎn)、粘接劑生產(chǎn)企業(yè)。這樣可以將分散、有限的資金和科研經(jīng)費(fèi)充分利用,有