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国内外新型高效换热器
马晓驰
(化工部化工机械研究院,兰州,730060)
提 要 简述了国内外近年来换热器的发展概况。介绍了管壳式换热器中管程、壳程的强化传热研究以及国内外推出
的各种新型换热器的有关情况。关键词 管壳式换热器,新型高效换热器
随着现代新工艺、新技术、新材料的不断发展和能源问题的日益严重,必然带来更多的高性能、高参数换热设备的需求。换热器的性能对产品质量、能量利用率以及系统的经济性和可靠性起着重要的作用,有时甚至是决定性的作用。目前在发达的工业国家热回收率已达96%,%。其余30%、新型热管和蓄热器等设备,其中板式、板翅式、热管及各类高效传热元件的发展十分迅速。随着工业装置的大型化和高效率化,换热器也趋于大型化,并向低温差设计和低压力损失设计的方向发展。当今换热器的发展以CFD(ComputationalFluidDynamics)、模型化技术、强化传热技术及新型换热器开发等形成了一个高技术体系[1]。
产)。我国螺纹管的标准翅化率为113～219(
管内插入物[4,5]是强化管内单相流体传热行之有效的方法之一。目前管内插入物种类很多,如螺旋线、纽带、错开纽带、螺旋片和静态混合器等。最近,英国CalGarinLtd公司开发的一种称之为HitranMatrixElements的花环式插入物[6],它是一种金属丝制翅片管子插入物(Wire2FinTubeInserts),能增强湍流。中国石化北京设计院与华南理工大学联合研制的交叉锯齿型插入物,是华南理工大学对12种内插件(在Re=300～3500和Pr=135范围内)进行比较后优选的型式,可直接形成流体的混合,尤其适用高粘度流体的换热。其在上海乙烯厂原油2蜡油介质换热器中使用,其总传热系数与光滑管相比提高了50%。112 强化壳程传热
1 管壳式换热器
该换热器是当前应用最广,理论研究和设计技术完善,运用可靠性良好的一类换热器。目前各国
为改善该换热器的传热性能开展了大量的研究。强化传热主要有3种途径提高传热系数、扩大传热面积和增大传热温差,研究主要集中在强化管程和壳程传热面方面。111 管程强化传热
人们想尽各种办法实施强化传热,归结起来不外乎2条途径,即改变传热面的形状和在传热面上或传热流路径内设置各种形状的插入物。
改变传热面形状的方法有多种,用于强化管程传热的有:横纹管、螺旋槽管、螺纹管(低翅管)和缩放管以及螺旋扁管(瑞典ALLARDS公司生
传统的管壳式换热器,流体在壳侧流动存在着转折和进出口两端涡流的影响区,影响了壳侧的给热系数。壳侧的传热强化研究包括管型与管间支撑物的研究。
11211 采用折流杆式换热器[7] 美国在70年代初
为解决换热器管束振动开发了这种结构的换热器。
化工进展 2001年第1期
49
目前美国已直接应用强化传热管设计制造折流杆式换热器,如菲利普公司使用螺纹管作为换热管,不仅解决了振动问题,而且由于壳侧流动的改善使折流杆式换热器比传统的弓形折流板换热器传热系数提高30%左右,管束的压降减少50%。华南理工大学和大庆石油化工总厂共同开发的折流杆螺旋槽管再沸器已应用于在无相变及冷凝传热方面,其总传热系数比普通光管再沸器提高了112～117倍,抗振性能好。化工部化工机械研究院开发的折流杆式换热器替代了某化肥厂压缩机级间套管式冷却器,节省了占地面积。11212 空心环管壳式换热器[8] 空心环管壳换热器是华南理工大学发明的一种新型管壳式换热器,已获得国家专利。长沙化工机械厂设计制造的横纹管空心环管壳换热器使用横纹管作为传热管,空心环作为支撑形式,已成功地应用于小型氮肥厂。在某化肥厂应用与原光管换热器相比,换热面积减小68%,抗振性能好。11213 采用纵流管束换热器GA上开横排管孔,,壳,避免了流体因转折引起的滞留区。该公司用不同粘度的甘油和水混合进行实验,结果表明在中低粘度范围内,纵流管束换热器传热效果优于传统的圆缺形折流板换热器。11214 强化沸腾传热的传热管[9] 用于强化沸腾传热的传热管有:烧结多孔表面管、机械加工的多孔表面管(如日本的Themoexcel2E管、改进型Ea管,德国Wieland2Werke公司的T管)、电腐蚀加工的多孔表面管、T型翅片管、ECR40管和Tube2B型管。武汉冷冻机厂分别用表面机加工的多孔管与目前制冷业流行的低肋管组装而成的两台蒸发器进行比较,结果表明:多孔管的热流密度比低肋管高36%,可减少传热面26%。国内近年开发的碳钢T管也已成功地应用于重沸器,紫铜材质E管应用于氟里昂蒸发器。11215 强化冷凝传热的传热管 用于强化冷凝传热的传热管有:纵槽管、低螺纹翅片管、锯齿形翅片管和径向辐射肋管式翅片管等。近年来,Hamon2Lummus公司又推出一种SRC翅片管(SRCFinTube),用于冷凝传热。德国GEWA公司开发的TXV管其翅片外缘呈V字型。华南理工大学研制
热管,研究表明:在自然对流条件下,其单管冷凝传热膜系数比锯齿形翅片管提高了8%～10%;在强制对流条件下,是光滑管的5～6倍。
2 新型换热器
211 可拆式板式换热器
近20年来由于结构的改进,密封垫片材料和密封槽结构型式的发展,板片大型化制造技术的提高,板式换热器应用范围已经十分广泛。英国APV公司制造的单片最大面积为4175m2,单台换热面积可达2500m2,单台最大容板量为700片。垫片与板片的连接固定方法如α2Laval公司的“按扣”式垫片,垫片直接扣压在板片上。GEA公司的板片,板片槽口上窄底宽呈梯形,垫片与板片槽过盈配合将垫片压紧。,使板80%。我国板式,继四平板式换2m2内最大的300MN板片专用压机,单片面积已达217m2。212 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,近年来达到很大发展。德国与日本合作的千代田BAVARIA混合焊接板式换热器,操作压力可从真空到6MPa,单元换热面积可达1480m2以上。Nouvelles应用技术公司发明的Packinox换热器,代替列管式换热器用作炼油厂催化重整装置混合料换热器,并且得到了推广应用。紧凑、轻型的Packi2nox换热器可用各种合金制成,能提供的表面积为1000～10000m2。213 螺旋板换热器国外螺旋板换热器主要结构为可拆式,多为板边结构,即两端通道端面密封不用圆钢结构,整体中心隔板,制造水平较高。在材料上除多数使用不锈钢外,还使用一些可焊的镍铬合金、蒙乃尔合金、钛和钛合金、铜铝合金等。其大型化情况如下。我国螺旋板换热器结构多数为不可拆式。近年来仿制和自行设计的可拆式螺旋板结构也逐渐增多,使用材料一般为碳钢和不锈钢,也有少量的钛和钛合金。其大型化情况如下。
的花瓣形翅片管是一种特殊的三维翅片结构强化传
50
2001年第1期 化工进展
国家瑞典德国美国英国日本俄罗斯
单台最大换热面积/m2
[***********]
最大直径
/mm
最大板宽最高操作压力
/mm[***********]001270
/MPa[***********]
—
22001480
工、食品、海水淡化、造纸等),尤其在一些会发生严重结垢的场合,或含有大量不溶解颗粒的液体处理系统中。国内从90年代初对不结垢换热器进行基础性试验研究,目前已掌握了一些不结垢换热器的流动和传热规律,但还未进入应用推广阶段。
—
1750
—
3 结语
近年来,强化传热技术得到了迅速的发展和广泛的应用,在能源的开发、利用和节约方面起着十分重要的作用。尽管国内也已进行了大量的强化传热技术的研究,但实际推广和应用仍非常有限。我国在对各种新的高效传热元件研究的同时,应大力推广管壳式换热器的强化技术,加强运用计算机流体动力学(CFD)对流体流动和传热进行计算机模拟和仿真,用,。在新型换热器,使。
型式Ⅰ不可拆式Ⅱ、Ⅲ可拆式
单台最大换热最大直径最大板宽最高操作压力面积/m2
1150(碳钢)
130(不锈钢)
/mm21501600
/mm12001000
/MPa110110
214 热管换热器[10]
热管是一种新型高效的传热元件。在60年代首先被应用于宇航技术中,70年代国外在电子、机械、石油、化工等方面有了广泛的应用。热管换热器在国外已经系列化生产,用户选择甚为方便。如美国Q2Dot公司开发的热管换热器已有5000多台的实际运行经验。换热器已应用于700力,、热管蒸汽发生器()(液态碱金属热管)。并在冶金、石油、化工、动力、陶瓷以及水泥等行业领域中应用取得了可喜的成果。当前热管技术已趋成熟,应用面逐步扩大。国内进行热管换热器研制和推广应用的典型厂家(单位)有:南京化工大学、抚顺石油学院、化工部化工机械研究院、抚顺石油二厂、上海711研究所、航天部501所等。215 不结垢换热器
不结垢换热器的开发,国外始于70年代初期,用于海水脱盐,该换热器的传热面积超过1000m2,把未经过任何处理的海水加热到120℃以上,连续运转1500多小时,在换热管内未发现任何结垢现象。由于在海水淡化方面应用取得了成功,80年代初期开始把不结垢换热器应用在其他领域(如化
4 参考文献
[1] 鱼津博久,小川敬雄.热交换器的の进步と期待.化学装
置[日],1995,37(3):44～48
[2] 张平亮.新型高效换热器的技术进展及其应用.压力容器,
1997,14(2):146～152
[3] 邱广涛,丰春艳.管道技术与设备,1998,(1):43～45[4] 钱伯章.化工机械,1996,23(2):110～115
[5] 崔海宁,姚仲鹏,王瑞君.化工机械,1999,26(3):169
～170
[6] 曹纬.石油化工设备,1999,28(2):6～9
[7] 王乐龙,马晓驰,邱锋.化工机械,1996,23(4):223～
225
[8] 刘湘秋,吴京生,周超.化工机械,1994,21(3):167～170[9] 崔海宁,汪云.化工装备技术,1999,20(4):25～27[10] 庄骏,张红.化工机械,1998,25(1):44～49
马晓驰 男,31岁,工程师。收稿日期:2000-02-26中图法分类号:TQ05115;TE965
TechnologyDevelopmentoftheNewEfficientHeatExchangerat
HomeandAboard
MaXiaochi
(ResearchInstituteofChemicalMachinery,MinistryofChemicalIndustry,Lanzhou730060)
Abstract Recentprogressofheatexchangerathomeandabroadinrecentyearsisoutlined.Methodsofenhancingtheheattransferinheatexchangerabouttheshellandtubesidesareintroducedandcommented.Keywords shellandtubeexchangers,newhigh2effectiveheatexchangers
化工进展 2001年第1期
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国内外新型高效换热器
马晓驰
(化工部化工机械研究院,兰州,730060)
提 要 简述了国内外近年来换热器的发展概况。介绍了管壳式换热器中管程、壳程的强化传热研究以及国内外推出
的各种新型换热器的有关情况。关键词 管壳式换热器,新型高效换热器
随着现代新工艺、新技术、新材料的不断发展和能源问题的日益严重,必然带来更多的高性能、高参数换热设备的需求。换热器的性能对产品质量、能量利用率以及系统的经济性和可靠性起着重要的作用,有时甚至是决定性的作用。目前在发达的工业国家热回收率已达96%,%。其余30%、新型热管和蓄热器等设备,其中板式、板翅式、热管及各类高效传热元件的发展十分迅速。随着工业装置的大型化和高效率化,换热器也趋于大型化,并向低温差设计和低压力损失设计的方向发展。当今换热器的发展以CFD(ComputationalFluidDynamics)、模型化技术、强化传热技术及新型换热器开发等形成了一个高技术体系[1]。
产)。我国螺纹管的标准翅化率为113～219(
管内插入物[4,5]是强化管内单相流体传热行之有效的方法之一。目前管内插入物种类很多,如螺旋线、纽带、错开纽带、螺旋片和静态混合器等。最近,英国CalGarinLtd公司开发的一种称之为HitranMatrixElements的花环式插入物[6],它是一种金属丝制翅片管子插入物(Wire2FinTubeInserts),能增强湍流。中国石化北京设计院与华南理工大学联合研制的交叉锯齿型插入物,是华南理工大学对12种内插件(在Re=300～3500和Pr=135范围内)进行比较后优选的型式,可直接形成流体的混合,尤其适用高粘度流体的换热。其在上海乙烯厂原油2蜡油介质换热器中使用,其总传热系数与光滑管相比提高了50%。112 强化壳程传热
1 管壳式换热器
该换热器是当前应用最广,理论研究和设计技术完善,运用可靠性良好的一类换热器。目前各国
为改善该换热器的传热性能开展了大量的研究。强化传热主要有3种途径提高传热系数、扩大传热面积和增大传热温差,研究主要集中在强化管程和壳程传热面方面。111 管程强化传热
人们想尽各种办法实施强化传热,归结起来不外乎2条途径,即改变传热面的形状和在传热面上或传热流路径内设置各种形状的插入物。
改变传热面形状的方法有多种,用于强化管程传热的有:横纹管、螺旋槽管、螺纹管(低翅管)和缩放管以及螺旋扁管(瑞典ALLARDS公司生
传统的管壳式换热器,流体在壳侧流动存在着转折和进出口两端涡流的影响区,影响了壳侧的给热系数。壳侧的传热强化研究包括管型与管间支撑物的研究。
11211 采用折流杆式换热器[7] 美国在70年代初
为解决换热器管束振动开发了这种结构的换热器。
化工进展 2001年第1期
49
目前美国已直接应用强化传热管设计制造折流杆式换热器,如菲利普公司使用螺纹管作为换热管,不仅解决了振动问题,而且由于壳侧流动的改善使折流杆式换热器比传统的弓形折流板换热器传热系数提高30%左右,管束的压降减少50%。华南理工大学和大庆石油化工总厂共同开发的折流杆螺旋槽管再沸器已应用于在无相变及冷凝传热方面,其总传热系数比普通光管再沸器提高了112～117倍,抗振性能好。化工部化工机械研究院开发的折流杆式换热器替代了某化肥厂压缩机级间套管式冷却器,节省了占地面积。11212 空心环管壳式换热器[8] 空心环管壳换热器是华南理工大学发明的一种新型管壳式换热器,已获得国家专利。长沙化工机械厂设计制造的横纹管空心环管壳换热器使用横纹管作为传热管,空心环作为支撑形式,已成功地应用于小型氮肥厂。在某化肥厂应用与原光管换热器相比,换热面积减小68%,抗振性能好。11213 采用纵流管束换热器GA上开横排管孔,,壳,避免了流体因转折引起的滞留区。该公司用不同粘度的甘油和水混合进行实验,结果表明在中低粘度范围内,纵流管束换热器传热效果优于传统的圆缺形折流板换热器。11214 强化沸腾传热的传热管[9] 用于强化沸腾传热的传热管有:烧结多孔表面管、机械加工的多孔表面管(如日本的Themoexcel2E管、改进型Ea管,德国Wieland2Werke公司的T管)、电腐蚀加工的多孔表面管、T型翅片管、ECR40管和Tube2B型管。武汉冷冻机厂分别用表面机加工的多孔管与目前制冷业流行的低肋管组装而成的两台蒸发器进行比较,结果表明:多孔管的热流密度比低肋管高36%,可减少传热面26%。国内近年开发的碳钢T管也已成功地应用于重沸器,紫铜材质E管应用于氟里昂蒸发器。11215 强化冷凝传热的传热管 用于强化冷凝传热的传热管有:纵槽管、低螺纹翅片管、锯齿形翅片管和径向辐射肋管式翅片管等。近年来,Hamon2Lummus公司又推出一种SRC翅片管(SRCFinTube),用于冷凝传热。德国GEWA公司开发的TXV管其翅片外缘呈V字型。华南理工大学研制
热管,研究表明:在自然对流条件下,其单管冷凝传热膜系数比锯齿形翅片管提高了8%～10%;在强制对流条件下,是光滑管的5～6倍。
2 新型换热器
211 可拆式板式换热器
近20年来由于结构的改进,密封垫片材料和密封槽结构型式的发展,板片大型化制造技术的提高,板式换热器应用范围已经十分广泛。英国APV公司制造的单片最大面积为4175m2,单台换热面积可达2500m2,单台最大容板量为700片。垫片与板片的连接固定方法如α2Laval公司的“按扣”式垫片,垫片直接扣压在板片上。GEA公司的板片,板片槽口上窄底宽呈梯形,垫片与板片槽过盈配合将垫片压紧。,使板80%。我国板式,继四平板式换2m2内最大的300MN板片专用压机,单片面积已达217m2。212 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,近年来达到很大发展。德国与日本合作的千代田BAVARIA混合焊接板式换热器,操作压力可从真空到6MPa,单元换热面积可达1480m2以上。Nouvelles应用技术公司发明的Packinox换热器,代替列管式换热器用作炼油厂催化重整装置混合料换热器,并且得到了推广应用。紧凑、轻型的Packi2nox换热器可用各种合金制成,能提供的表面积为1000～10000m2。213 螺旋板换热器国外螺旋板换热器主要结构为可拆式,多为板边结构,即两端通道端面密封不用圆钢结构,整体中心隔板,制造水平较高。在材料上除多数使用不锈钢外,还使用一些可焊的镍铬合金、蒙乃尔合金、钛和钛合金、铜铝合金等。其大型化情况如下。我国螺旋板换热器结构多数为不可拆式。近年来仿制和自行设计的可拆式螺旋板结构也逐渐增多,使用材料一般为碳钢和不锈钢,也有少量的钛和钛合金。其大型化情况如下。
的花瓣形翅片管是一种特殊的三维翅片结构强化传
50
2001年第1期 化工进展
国家瑞典德国美国英国日本俄罗斯
单台最大换热面积/m2
[***********]
最大直径
/mm
最大板宽最高操作压力
/mm[***********]001270
/MPa[***********]
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22001480
工、食品、海水淡化、造纸等),尤其在一些会发生严重结垢的场合,或含有大量不溶解颗粒的液体处理系统中。国内从90年代初对不结垢换热器进行基础性试验研究,目前已掌握了一些不结垢换热器的流动和传热规律,但还未进入应用推广阶段。
—
1750
—
3 结语
近年来,强化传热技术得到了迅速的发展和广泛的应用,在能源的开发、利用和节约方面起着十分重要的作用。尽管国内也已进行了大量的强化传热技术的研究,但实际推广和应用仍非常有限。我国在对各种新的高效传热元件研究的同时,应大力推广管壳式换热器的强化技术,加强运用计算机流体动力学(CFD)对流体流动和传热进行计算机模拟和仿真,用,。在新型换热器,使。
型式Ⅰ不可拆式Ⅱ、Ⅲ可拆式
单台最大换热最大直径最大板宽最高操作压力面积/m2
1150(碳钢)
130(不锈钢)
/mm21501600
/mm12001000
/MPa110110
214 热管换热器[10]
热管是一种新型高效的传热元件。在60年代首先被应用于宇航技术中,70年代国外在电子、机械、石油、化工等方面有了广泛的应用。热管换热器在国外已经系列化生产,用户选择甚为方便。如美国Q2Dot公司开发的热管换热器已有5000多台的实际运行经验。换热器已应用于700力,、热管蒸汽发生器()(液态碱金属热管)。并在冶金、石油、化工、动力、陶瓷以及水泥等行业领域中应用取得了可喜的成果。当前热管技术已趋成熟,应用面逐步扩大。国内进行热管换热器研制和推广应用的典型厂家(单位)有:南京化工大学、抚顺石油学院、化工部化工机械研究院、抚顺石油二厂、上海711研究所、航天部501所等。215 不结垢换热器
不结垢换热器的开发,国外始于70年代初期,用于海水脱盐,该换热器的传热面积超过1000m2,把未经过任何处理的海水加热到120℃以上,连续运转1500多小时,在换热管内未发现任何结垢现象。由于在海水淡化方面应用取得了成功,80年代初期开始把不结垢换热器应用在其他领域(如化
4 参考文献
[1] 鱼津博久,小川敬雄.热交换器的の进步と期待.化学装
置[日],1995,37(3):44～48
[2] 张平亮.新型高效换热器的技术进展及其应用.压力容器,
1997,14(2):146～152
[3] 邱广涛,丰春艳.管道技术与设备,1998,(1):43～45[4] 钱伯章.化工机械,1996,23(2):110～115
[5] 崔海宁,姚仲鹏,王瑞君.化工机械,1999,26(3):169
～170
[6] 曹纬.石油化工设备,1999,28(2):6～9
[7] 王乐龙,马晓驰,邱锋.化工机械,1996,23(4):223～
225
[8] 刘湘秋,吴京生,周超.化工机械,1994,21(3):167～170[9] 崔海宁,汪云.化工装备技术,1999,20(4):25～27[10] 庄骏,张红.化工机械,1998,25(1):44～49
马晓驰 男,31岁,工程师。收稿日期:2000-02-26中图法分类号:TQ05115;TE965
TechnologyDevelopmentoftheNewEfficientHeatExchangerat
HomeandAboard
MaXiaochi
(ResearchInstituteofChemicalMachinery,MinistryofChemicalIndustry,Lanzhou730060)
Abstract Recentprogressofheatexchangerathomeandabroadinrecentyearsisoutlined.Methodsofenhancingtheheattransferinheatexchangerabouttheshellandtubesidesareintroducedandcommented.Keywords shellandtubeexchangers,newhigh2effectiveheatexchangers
化工进展 2001年第1期
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