新型换热器的发展趋势

来源：发布时间：2014-07-11 11:07:37点击率：

换热器在国民经济和化工生产领域中对产品质量、能量利用率以及系统经济性、可靠性起着举足轻重的作用因此开发新型高效和结构紧凑的换热器是目前换热器研究的一个重要方向。因此,几十年来,高效换热器的开发与研究始终是人们关注的课题,国内外先后推出了一系列新型高效换热器。

    1·新型高效换热器简介

    1.1 气动喷涂翅片管换热器

    俄罗斯提出了一种先进方法,即气动喷涂法,来提高翅片化表面的性能。其实质是采用高速的冷的或稍微加温的含微粒的流体给翅片表面喷镀粉末粒子。用该方法不仅可喷涂金属还能金属陶瓷混合物,从而得到各种不同性能的表面。通常在实践中翅片底面的接触阻力是限制管子加装翅片的因素之一。

    为了评估翅片管换热器元件进行了试验研究。试验是采用在翅片表面喷涂AC-铝,并添加了24A白色电炉氧化铝。将试验所得数据加以整理,便可评估翅片底面的接触阻力。

    将研究的翅片的效率与计算数据进行比较,得出的结论是:气动喷涂翅片的底面的接触阻力对效率无实质性影响。为了证实这一点,又对管子与翅片的过渡区进行了金相结构分析。对过渡区试片的分析表明,连接边界的整个长度上无不严密性的微裂纹。所以,气动喷涂法促进表面与基本相互作用的分支边界的形成,能促进粉末粒子向基体的渗透,这就说明了附着强度高,有物理接触和金属链形成。因而,气动喷涂法不但可用于成型,还可用来将按普通方法制造的翅片固定在热换器管子的表面上,也可用来对普通翅片的底面进行补充加固。可以预计,气动喷涂法在紧凑高效的换热器生产中将会得到广泛应用[1]。

    1.2 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,近年来得到很大发展。德国与日本合作的千代田混合焊接板式换热器,操作压力可从真空到6,操作温度200℃~900℃,单台换热面积F为3m2~2 000m2。可用于气-气、气-液、液-液的换热和蒸气的冷凝。

    美国VICARB公司在1989年开PBLOC焊接式板式换热器,是一种紧凑、高效、具有专利技术的换热器。如图1所示,这种换热器由焊接板束、钢框和面板等组装而成,是一种四面体结构。板束采用精密压制、自动焊接制造,立柱衬里采用电阻焊接,换热器的“核心”由焊接波纹板板束、立柱衬里和顶部、底部盖板衬里组成,螺栓连接框架由四根立柱和顶部、底部盖板以及4个带有接管的面板组成。其耐压耐温达3.2MPa和300℃,单台F为1.5m2~300m2,单台板片数为25~500,冷热介质错流排列。由 PABLOC焊接板式换热器的传热性能好且使用温度和压力较高,所以可十分经济地用这种换热器取代在相应温度范围内使用的管壳式换热器。用于油气加工工业,可用作原油冷却器、塔顶冷凝器等,还可用于其他多种工业加工过程[2-3]。

1.3 螺旋折流板换热器

   螺旋折流板换热器(图2)是发展起来的一种管壳式换热器,是由美国ABB公司提出的。在列管换热器中,壳程通常是一个薄弱环节。美国ABB公司提出了一种全新方案,采用螺旋状折流板。其基本原理为:将圆截面的特制板安装在“拟螺旋折流系统”中,每块折流板占换热器壳程中横剖面的1/4,其倾角朝向换热器的轴线,即与换热器轴线保持一定倾斜度。相邻折流板的周边相接,与外圆处成连续螺旋状。每个折流板与壳程流体的流动方向成一定的角度,使壳程流体做螺旋运动,能减少管板与壳体之间易结垢的死角,从而提高了换热效率。由于介质呈螺旋式流动,在径向产生速度梯度,形成径向湍流,彻底改变了弓形折流板换热器的流体流动方式和流场分布,减薄了传热管表面滞流底层的厚度,提高了传热膜系数,消除了弓形板的传热死区,使壳程的传热状态大为改善。此外,螺旋折流板结构可以满足的工艺条件很宽,设计方面具有很大的灵活性,可针对各种特殊的工艺条件选择的螺旋角。
1.4 新型麻花管换热器
瑞典Alares公司开发了一种扁管换热器,通常称为麻花管换热器。螺旋扁管的制造过程包括了“压扁”与“热扭”两个工序。改进后的麻花管换热器同传统的管壳式换热器一样简单,但改进了传热,减少了结垢,真正的逆流,降低了成本,无振动,节省了空间,无折流元件。由于管子结构独特使管程与壳程同时处于螺旋运动,促进了湍流程度。该换热器总传热系数较常规换热器高40%,而压力降几乎相等。组装换热器时也可采用螺旋扁管与光管混合方式。该换热器严格按照ASME标准制造,凡是用管壳式换热器和传统装置之处均可用此种换热器取代,它能获得普通管壳式换热器和板框式传热设备所获得的值,估计在化工、石油化工行业中具有广阔的应用前景[4]。
1.5  Hitan绕丝花环换热器
该型换热器是英国Cal Gavin Ltd公司开发的一种新产品,采用一种称之为Hitan matrix elements的丝状花内插物,可使流体在低速下产生径向位移和螺旋流相叠加的三维复杂流动,可提高诱发湍流和增强沿温度梯度方向上的流体扰动,能在不增加阻力的条件下大大提高传热系数。
  内插件不仅可以促进管内流体形成湍流,同时可以扩大传热面积,提高传热效率。目前,管内内插物主要是利用各种金属的条、带、片和丝等绕制或扭曲成螺旋形,如麻花铁、螺旋线、螺旋带及螺旋片等,或冲成带有缺口的插入带。英国Cal Gavin公司研制出了一种叫Heatex的内插件。这种内插件由一组延伸至管壁的圆芯体组成,它可使管侧传热效率提高2~15倍。该公司还开发了一种叫Hitran的丝网内插件,将这种内插件用于液体工况,可使管壳式换热器管程传热效率提高25倍,用于气体工况,可使相应值提高5倍。同时,与正常流速相比,这种内插件使换热管的防垢能力提高8~10倍。

    2·换热器技术的发展前景

    2.1 用于整体装置设计的数据库技术传统的整体装置设计任务是由各个部门的工作小组分别对其中的某一项进行设计,并通过设计说明书相互联系来完成的,而近发展起来用于整体装置设计的数据库技术,可以使这种繁重的任务变得简单起来。通过数据库系统,不同类型的设计应用软件可以有机地形成一个整体,设计者只需通过数据库操作系统向应用软件中输入相关参数,便可得到更多的关于设计任务的数据,并且这些数据可以反馈到数据库中。随着CAD软件包和数据库技术的发展,用于整体装置设计的数据库技术必定会代替手工计算设计方法。

    2.2 计算流体力学(CFD)和模型化设计的应用

    在换热器的热流分析中,引入计算机技术,对换热器中介质的复杂流动过程进行定量的模拟仿真。目前,基于计算机技术的热流分析已经用于自然对流、剥离流、振动流和湍流热传导等的直接模拟仿真,以及对辐射传热、多相流和稠液流的机理仿真模拟等方面。在此基础上,在换热器的模型设计和设计开发中,利用CFD的分析结果和相对应的模型实验数据,使用计算机对换热器进行更为精确和细致的设计。

    2.3 换热器强化传热技术的发展

    以采用强化传热元件和改进换热器结构为主的强化传热技术是一种能显著改善换热器传热性能的节能技术。根据传热物流条件的不同情况,壳程传热强化的研究必然与强化传热管的优化组合相联系,这是今后换热器强化传热技术发展的方向。

    3· 结束语

    目前,世界各国在换热器理论研究、新技术和新产品开发方面已经进人高层次的探索阶段,涉及领域很广。换热器的新技术得到了实用化,并进一步扩大其适用范围,具有高效、低耗、性能优越的新型换热器将推广应用,我国应借鉴国外先进换热器技术,努力赶上国际先进水平。

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