新型换热器技术进展及其应用

刘明(山西省节能监测中心，山西太原050002)摘要综述了国内外近年来强化传热元件与高效换热器的研究概况，介绍了强化传热元件和新型壳程结构的匹配与高效换热器的开发进展，以及制冷用板式换热器的结构及其特点，对板式换热器在制冷技术中的应用与发展进行了探讨。关健字:强化传热;壳程结构;高效换热器;板式换热器;焊接式中图分类号:TU832.2十3文献标识码:B1.强化传热元件与高效换热器研究进展1.1横纹管折流杆换热器这是融合了折流杆换热器技术与横纹管强化技术的一种高效换热器.折流杆换热器是美国菲利普公司上世纪70年代为解决天然气换热器的流体诱导振动问题开发的一种杆式折流栅换热器。其特点是抗振力强，消除了壳程滞流区，改善了壳程流体的速度和温度的分布。桂林化工机械厂曾与华南理工大学钱颂文教授合作并成功地将强化传热元件螺旋槽管用于折流杆换热器，节省换热面积接近60%，效果十分显著.目前，螺旋植杆折流杆换热器在桂林化工厂已系统化生产。近年来，桂林化工机械厂、华南理工大学化学工程研究所和国家教委传热与节能开发研究实验室合作，将在相同管内流速下传热效率优于螺旋槽管的横纹管用于折流杆换热器.1995年5月设计制造的DN1400横纹管折流杆换热器在云南某中型化肥厂变换系统投人工业运行，取代了原使用的DN2400列管式折流板主热交换器，以540mZ的换热面积取代了原设备1627m，的换热面积，设备重量由原来的37.61d减小到17.27d，设备投资节省1/3.强化传热元件的应用与高效换热设备的开发:极大地提高了企业的经济效益和社会效益.横纹管折流杆换热器的开发应用结果证明，强化传热元件与折流杆的有机组合.在提高管程换热速率的同时也提高了壳程的换热速率.工业运行证明横纹管具有传热效率高、流体阻力小、抗振性能好的特点。1.2缩放管整圆槽孔折流栅板换热器我国现有的中型氮肥厂氢氮气压缩机冷却器，长期以来传热效率低，冷却器的流路不畅，流体横向冲刷所引起换热管的振动一直是未解决的技术难题，直接影响中氮压缩机的工作效率.缩放管整圆槽孔折流栅板换热器是近两年来厂校合作开发的另一种新型换热器，是又一种强化传热元件与新型壳程折流结构的优化组合.通常认为强化对流给热的方法是反复改变纵向压力梯度作用下流体的流动，这种流动方式由依次交替的扩展段和收缩段来实现.大量研究证明，波型通道在相同流动阻力下，较平行流道具有更高的传热性能.缩放管其扩展段得到有效的利用，收缩段还利用了流体粘附层速度提高的效果;整圆榴孔折流栅板即折流栅板为一个整圆不开弓形口而洗通每排管的管桥，槽孔参数可根据所需流速的大小来确定.新开发的高效换热器取代了我国中型氮肥厂国产氢氮气压缩机一、二、三段原有的回环形折流板冷却器.缩放管整圆槽孔折流栅板换热器工业应用操作运行的结果表明具有明显的强化传热效果.1.3螺旋扁管换热器螺旋扁管(TwistedTabe)是瑞典AUares公司近年推出的一种高效换热元件，螺旋扁管的结构特点是管子换热段的任一截面均为一长回，当组装成换热器时可以混合管束(即螺旋扁管与光滑管混合使用)，也可以是纯螺旋扁管.螺旋扁管的制造过程由“压偏”、“热扭”两个成形过程完成，管子截面类似于椭圆管，椭圆的长短轴比值根据换热管程和壳程的流速设计确定，当管程流速较低时.可增大长、短轴之比值，减少流通截面以提高流速，使换热器两侧处于较理想的流动状态。从管型、管末的结构分析，可以认为螺旋扁管的强化传热主要在于，螺旋扁管的独特的结构能使管程和壳程同时处于螺旋运行，促使湍流程度.螺旋扁管组装的换热器较常规的换热器的总传热系数商40%，而压力降几乎相等，这与以增大泵功率的消耗来提高传热效率具有截然不同的效果.螺旋扁管换热器可以用于气一气，液一液，液一气换热过程.在化工、石油化工工业中具有广阔的应用前景.1.4空心环管壳式换热器空心环管壳式换热器，是华南理工大学化学工程研究所和国家教委传热与节能开发研究实验室邓先和等人发明的一种新型管壳式换热器.已获得国家发明专利。空心管壳式换热器的开发主要解决了国内硫酸、石油化工等行业气一气换热过程中管壳式换热器传热性能差、钢材耗童大、流体阻力高、系统操作电耗大的技术难题.采用整体结构优化的空心环管壳式换热器取代折流隔板式换热器，能使换热气钢材减少35写~50%，气体压降减少30%~40%.空心管壳式换热器以强化管型作为换热管，能够同时强化管内与管间支撑物，空隙率大，对流体形成阻力小，其壳程管隙间流体绝大部分压降可作用在强化管的粗糙传热面上用以促进壁流体传热滞流层的湍流强度，降低传热传阻、达到强化传热的目的。实验研究结果还表明，当支承同样的强化管束(即横纹管束)时，空心环支承结构较美国菲利浦石油公司上世纪70年代开发的折流杆支承结构更能使粗糙管束获得好的强化传热效果，在同等壳程条件下，给热系数高约35%。综上所述，强化传热元件的开发研究必然会带来多种壳程折流结构的进步，强化传热元件管内流动状态的改变，管间折流形式要研究相应的结构与之相适应，这样才能达到管内与管间整体强化传热效果。工业应用结果表明了多种强化传热元件的研究成果是一个基础，新型壳程折流结构(如折流杆、整圆槽孔折流栅板、空心环折流网板等)的开发使管壳式换热器的折流结构不断变化。目前，可以根据不同的操作条件，不同的使用工况，组合成各种新型高效的换热器。2.板式换热器在制冷技术中的应用与发展板式换热器是一种高效、紧凑的换热设备。19世纪80年代它是首先作为连续低温杀菌器研制成功的，到上世纪20年代开始应用于食品工业.由于板式换热器在制造和使用上都有一些独特之处。因此，目前板式换热器已经广泛应用于石油、化工、轻工、电力、冶金、机械、能源等工业领域，成为换热器家族中一种极有竞争力的品种。在制冷技术中，换热器是不可缺少的制冷设备，冷凝器、蒸发器、回热器以及中间冷却器等换热器设备，不仅在重量、体积和金属耗量上占整个制冷装置的50写以上，而且对制冷性能也会产生重大影响。因此，强化制冷换热器的传热，减少重量和体积，降低金属消耗量一直是制冷技术中的发展方向，现已出现了一种新型的、全焊接式的板式换热器在制冷技术中的应用，并且表现出强劲的发展潜力。与制冷用壳程管式换热器相比，除了具有板式换热器的一般特点，制冷用板式换热器还具有如下特点。2.1制冷剂充灌减少，有利于环坡保护和降低运行成本壳管式换热器的壳侧和管侧的容积都很大，要使制冷系统正常工作，必须充灌大盆的制冷剂，而且还可能造成环境污染。而板式换热器一方面体积小，另一方面间距尺寸也小，每1kw热负荷只需6弓g制冷剂，其充灌量只有壳管式换热器的1/7左右。2.2冻结倾向少，抗冻性能高由于水在低流速时，就能在板式换热器中形成高度紊流，温度分布非常均匀，从而减少了冷冻水的冻结倾向。即使发生了冻结，也更能承受结冻所产生的压力，而不像壳管式换热器那样容易使热管胀裂，并且可以在结冻后继续使用。2.3燕发彻底，经济性高制冷剂在制冷板式换热器中蒸发时，很容易实现完全蒸发达到无液态程度，因此在大多数情况下，制冷系统无须设置气液分离器。并且极易实现单元化，安装简单方便，维修和运输都可节约费用，降低成本。由于与传统的壳管式换热器相比，制冷用板式换热器具有十分明显的发展优势。自上世纪70年代开始在制冷装置中得到应用以来，已经日益受到人们的重视，特别是许多发达国家，如欧洲、美国、日本、澳大利亚等都非常重视制冷用板式换热器的研究和应用。日本在上世纪80年代初开始研究制冷用板式换热器，并在制冷装置中使用，收到了良好的经济效益。世界上一些著名的制冷公司如约克、开利、川恩、日立、前川等也相继在制冷装置中采用板式换热器.这种钎焊型板式换热器由于采用纯钢作焊接剂，主要应用在氟利昂制冷系统，不能在对铜有腐蚀作用的氨冷系统中使用。进人20世纪90年代后，制冷用板式换热器又得到进一步发展，一种能够应用于氨制冷系统的板式换热器在瑞典斯特尔公司研制成功。这种新型的组合式板式换热器(WPHE)结合了板框式(PHE)和钎焊式(CBE)的特点，在氨侧采用焊接密封，在制冷剂侧仍采用垫片密封。与氟利昂制冷系统相比，采用这种板式换热器的氨制冷系统不仅在机组材料、体积重量上有明显的优势，而且性能系数也要高10%~20%.目前，这种系统已经形成了8个产品，冷量从10kw~1000kw。氨用板式换热器的开发成功，不仅拓宽了板式换热器在制冷技术中的应用范围，而且对保护大气臭氧层、保护环境都有重要意义，同时也必将促进制冷技术的进一步发展。我国自上世纪60年代初开始生产板式换热器到1994年，以节能型产品定点的板式换热器生产厂家即达15家，并且一些厂家还进行了板式蒸发器及其传热特性的研究工作。然而这些厂家也仅限于生产板框式换热器(DHE)。在我国，制冷用板式换热器的应用尚处于起步阶段，许多制冷厂家，如上海冷气机厂、天津开利、北京万众、上海新晃等.都在自己的产品中采用了制冷用板式换热器。如上海冷气机厂1994年开发的空气水热泵机组采用了SWZP公司的制冷用板式换热器.一投产就受到用户的青睐，该厂以这一产品为龙头，1995年产值就达2.70亿元。可以预计，随着对制冷用板式换热器的了解和认识，板式换热器以其高效传热，结构紧凑，节能节材并具环保功能等特点，必将越来越广泛地应用于制冷装置中。板式换热器是一种高效紧凑的换热设备，它的应用几乎涉及到所有的工业领域，而且其类型、结构和使用范围还在不断发展。近年来，焊接型板式换热器的紧凑性、重量轻、制冷性能好、运行成本低等优越性已越来越被人们所认识。随着我国经济的发展，制冷技术的发展前途远大，特别是各种大型的工业制冷装置和空调用制冷装置发展迅速，这为各种制冷用板式换热器的应用提供了广阔的市场.目前，我国已有较好的板框式研究、生产基础，建议尽快进行制冷用板式换热器的研究与开发工作。一方面可扩大板式换热器的应用范围和生产规模，另一方面可提高制冷装置的性能，节约换热设备的投资，促进制冷技术的发展。