我国换热器的技术及发展

我国换热器的技术及发展杭州杭氧换热设备有限公司冯苗根2011.4.目录1.我国换热器技术发展概述2.我国换热器技术存在的问题3.间壁式换热器简介4.我国换热器产品发展趋势5.新型换热器的技术研究及其应用6.我国换热器行业技术研发能力7.我国换热器行业提升技术竞争力的策略8.换热器行业技术研发方向及进展1、我国换热器技术发展概述•换热器作为一种传热设备，被广泛地应用于炼油、化工、轻工、油田输油加热、城市的集中供暖等领域。特别是由于世界各国对能源危机的逐渐认识，所以，对换热器的设计、制造、结构改进及传热机理的研究从未间断过，各国科技工作者纷纷寻找节约能源的途径，其中换热器以及换热元件的研究、开发越来越受到人们的重视。尤其是电子计算机的应用，不仅节省了大量的人力、物力，提高了效率，而且可以进行最优设计与控制，使其达到最佳技术经济性能。•随着科学技术的不断发展，适用于各种工况的不同结构的换热器应运而生。而在换热设备中应用最为广泛的是管壳式换热器，它比较容易清洗，易损件容易更换，特别的结构型式允许这种换热器满足几乎所有的场合，包括特别低和特别高的压力和温度、大的温差、蒸发与凝结以及严重污染和具有腐蚀性流体的情况。然而，这种换热器传热系数较低，因而决定了其体积大。同时，这种换热器易结垢，清洗、维护工作量较大。•近年来，由于铝及铝合金钎焊技术的不断完善，促使另一种高效紧凑式的新型换热器，即板翅式换热器得到广泛地应用。但也具有自身的局限性，不能用于大流量、高温高压以及有严重污垢和腐蚀的场合，因而在石油、化工等重要领域的应用还很少。最近，热管技术的不断完善，使得热管换热器在工业生产上的应用得到迅猛发展，然而其制造工艺比较复杂，因而在一定程度上限制了它在工业领域的大量应用。2、我国换热器技术存在的问题•2.1、工艺选型水平低•(1)工艺选型水平偏低：由于计算选型的经验较少，因而造成产品的选型计算不合理，安全裕量往往过大或过小，使产品不能运行在最佳状态，造成使用效果不理想，导致有些领域用户对产品的质量产生怀疑，应用范围受到限制。•(2)缺乏先进的计算选型软件：国内近一半的企业已使用软件进行选型，但绝大多数仅限于单一介质的工况，对于一些存在相变或特殊介质的工况只能凭经验估算，缺乏先进的设计计算方法、软件及配套的数据库。•2.2、不重视试验研究•换热器综合性能的好坏以及设计、制造的产品能否适合用户工况的要求，其基本依据就是试验测定的准数方程式。每种型式的产品应进行热工性能和流体阻力特性测定。但国内企业普遍不重视试验研究工作，部分企业迫于项目招投标的要求，对产品进行热工测试，但并未对试验数据及准则方程式进行分析或有效利用•国外知名企业如ALFALAVAL、APV、GEA等公司，均设有专门的产品研发中心，每年投入销售额2%~3%的费用于对现有产品的完善以及对新产品的试验研究。•2.3、创新能力低•(1)自主开发能力差，低水平重复生产，抄袭模仿严重①部分企业不设技术部门或无技术人员。②板型设计水平低，没有掌握板型设计的核心技术，多为模仿或抄袭。③大部分企业产品的开发仅局限于框架设计，能够从事产品开发及模具设计的技术人员太少，高水平的研发人才更为稀缺•(2)科研费用投入少：由于换热器生产设备简单、投资小，因此生产企业很多且企业规模过小，企业间多为低水平、低价格的恶性竞争，从而造成了整个行业科研投入严重不足，不仅影响新产品的开发，而且导致技术人员不能稳定地从事换热器的设计开发工作，这也是高水平研发人才稀缺的根本原因。3、间壁式换热器简介•3.1、夹套式换热器•。•夹套式换热器结构简单：即在容器的外部筒体部分焊接或安装一夹套层，在夹套与器壁之间形成密闭的空间，成为一种流体的通道。•夹套式换热器主要用于反应器的加热或冷却。当蒸气进行加热时，蒸气由上部接管进入夹套，冷凝水由下部接管排出。如用冷却水进行冷却时，则由夹套下部接管进入，而由上部接管流出。由于夹套内部清洗比较困难，故一般用不易产生垢层的水蒸气、冷却水等作为载热体。•这种换热器的传热系数较小，传热面又受到容器冷凝液的限制，因此适用于传热量不大的场合。为了提高其传热性能，可在容器内安装搅拌器，使容器内金属转子流量计作强制对流。为了弥补传热面积的不足，还可在容器内加设蛇管等。当夹套内通冷却水时，可在夹套内加设挡板，这样既可使冷却水流向一定，又可使流速增大，以提高对流传热系数3.2、沉浸式蛇管换热器蛇管多以金属管子弯绕而成，或由弯头、管件和直管连接组成，也可制成适合不同设备形状要求的蛇管。使用时沉浸在盛有被加热或被冷却介质的容器中，两种流体分别在管内、外进行换热。它的特点：结构简单，造价低廉，操作敏感性较小，管子可承受较大的流体介质压力。但是，由于管外流体的流速很小，因而传热系数小，传热效率低，需要的传热面积大，设备显得笨重。沉浸式蛇管换热器常用于高压流体的冷却，以及反应器的传热元件。3.3、喷淋式蛇管换热器将蛇管成排的固定在钢架上，被冷却的流体在管内流动，冷却水由管排上方的喷淋装置均匀淋下。与沉浸式相比较，喷淋式蛇管换热器主要优点是管外流体的传热系数大，且便于检修和清洗。其缺点是体积庞大，冷却水用量较大，有时喷淋效果不够理想。3.4、套管式换热器套管式换热器是由直径不同的直管制成的同心套管，并由U形弯头连接而成.在这种换热器中，一种流体走管内，另一种流体走环隙，两者皆可得到较高的流速，故传热系数较大.另外，在套管换热器中，两种流体可为纯逆流，对数平均推动力较大。套管换热器结构简单，能承受高压，应用亦方便(可根据需要增减管段数目).特别是由于套管换热器同时具备传热系数大，传热推动力大及能够承受高压强的优点，在超高压生产过程(例如操作压力为3000大气压的高压聚乙烯生产过程)中所用的换热器几乎全部是套管式。3.5、管壳式换热器管壳式(又称列管式)换热器是最典型的间壁式换热器，它在工业上的应用有着悠久的历史，而且至今仍在所有换热器中占据主导地位。管壳式换热器主要有壳体、管束、管板和封头等部分组成，壳体多呈圆形，内部装有平行管束，管束两端固定于管板上。在管壳式换热器内进行换热的两种流体，一种在管内流动，其行程称为管程；一种在管外流动，其行程称为壳程。管束的壁面即为传热面。为提高管外流体给热系数，通常在壳体内安装一定数量的横向折流档板。折流档板不仅可防止流体短路，增加流体速度，还迫使流体按规定路径多次错流通过管束，使湍动程度大为增加。常用的档板有圆缺形和圆盘形两种，前者应用更为广泛。流体在管内每通过管束一次称为一个管程，每通过壳体一次称为一个壳程。为提高管内流体的速度，可在两端封头内设置适当隔板，将全部管子平均分隔成若干组。这样，流体可每次只通过部分管子而往返管束多次，称为多管程。同样，为提高管外流速，可在壳体内安装纵向档板使流体多次通过壳体空间，称多壳程。在管壳式换热器内，由于管内外流体温度不同，壳体和管束的温度也不同。如两者温差很大，换热器内部将出现很大的热应力，可能使管子弯曲，断裂或从管板上松脱。因此，当管束和壳体温度差超过50℃时，应采取适当的温差补偿措施，消除或减小热应力。4、我国换热器产品发展趋势•4.1、大规格：随着工程项目大型化、装置大型化的发展要求，大面积换热器的使用需求增加，尤其是核电、冶金、电力、船舶、大型集中供热等领域对大角孔、大处理量、大装机容量的板式换热器需求量逐年在增加，因此角孔大于DN350mm、单片换热面积大于2.0m2的产品将不断面世。•4.2、多品种：在彻底淘汰、更新原有常规板形后，技术含量较高的板式蒸发器、板式冷凝器、宽间隙板式换热器、超高NTU值板式换热器及半焊接板式换热器将成为各企业关注的重点。•4.3、系列化：单一品种、单一规格已远不能满足多样化的市场需求，实现同一品种多种规格、多个NTU值、板片多种组合形式、多种板材应用等，提高产品的适用性，更合理的满足用户需求，将成为今后几年的发展趋势。4.4、高性能：同等条件下产品能够承受高的压力水平、大的装机容量，同时具有优良的传热与较低的流阻。4.5、高可靠性：产品在压力波动、温度波动、大面积、长周期运行时应具有高可靠性。4.6、低成本：通过提高板片的刚性、降低板片的厚度、提高材料利用率、简化加工工序以及压紧板、夹紧螺柱等受压元件科学合理的设计计算来降低成本，提高产品竞争力。•4.7、生产企业的专业化、规模化：企业分工细化将成为一种趋势，大而全、小而全的换热器生产企业将分离成专业的垫片生产、框架生产、专用紧固件生产、粘接剂生产企业。这样可以将分散、有限的资金和科研经费充分利用，有利于新产品研发、有利于更新加工工艺及装备、有利于提高产品生产的自动化，使企业逐步向规模化方向发展。5、新型换热器的技术研究及其应用5.1、强化传热元件与高效换热器5.1.1、横坟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。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。5.1.2、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几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；整圆槽孔折流栅板即折流栅板为一个整圆不开弓形口而冼通每排管的管桥，格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。5.1.3、螺旋扁管换热器螺旋扁管是瑞典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扁长形结构，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高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---气，液---液，液---气换热过程，在化工、石油化工工业中具有广阔的应用前景5.1.4、空心环管壳式换热器空心环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---气换热过程中管壳式换热器传热性能差、钢材耗量大、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%~50%，气体压降减少30%~40%。空心环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