2009《化工设备与管道》增刊一
烧结型表面多孔高通量换热器简介
刘建书, 曹洪海, 袁云中, 谭德淼, 徐宏, 王学生, 刘京雷
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1
1
1
2
2
2
(1. 无锡化工装备总厂; 2. 华东理工大学)
采用先进节能技术提高能效、节约能源, 已经成为我国能源战略的必然选择, “十一五”期间实现单“能源”和“工业节能”在国家中长期科技发展规划中分别排在重点领域和优先主题的第一位。
通过强化传热提高换热设备的换热效率以降低
位GDP 节能20%的目标被写入全国党代会报告。
能耗是工业节能, 尤其是流程工业节能最为重要的途径, 提高换热器的传热系数以增加换热量为最为有效的强化传热手段, 也是历来强化传热的研究重点。对于汽化器、蒸发器、再沸器等有相变的沸腾传热, 提高换热系数的主要方法为增加换热面上的汽化核心。
烧结型表面多孔管的研究始于20世纪60年
代。1956年美国人Milton 进行了烧结多孔薄层应用于换热结构的研究, 并于1968年申请了烧结型表面多孔材料方面的第一个专利。相似的专利相继于1973年、1974年、1977年获得批准, 使烧结工艺渐渐成熟。美国联合碳化物公司(现UOP 公司) 买断了该四项专利, 推出著名的High-Flux 商用表面多孔管(烧结型表面多孔管) 。1996～2006年我国石化行业进口了数百吨High-Flux 高通量换热管, 在国内制成换热器, 用于新建芳烃、乙二醇、焦化装置及其扩容改造。
在我国, 表面多孔管的研究始于1978年, 由北京某研究院进行的喷涂铝表面多孔管研究。我国在气体分馏装置中使用了国产喷涂铝多孔表面换热管, 应用考核结果说明, 喷铝多孔表面具有孔隙率低、孔隙形状不合理、多孔层易剥落等明显缺点, 其强化传热效果远比烧结型表面多孔管差。目前国际上已较少采用喷铝多孔表面管。1989年, 中南大学采用粉末冶金方法进行了不锈钢粉的表面多孔管试
tm
《化
工设 备与 w w 管w . t 道》
c e d . c o m
化装置进行工业化应用。
制, 研究了多孔管的强化传热性能。所采用的烧结温度为1100～1400℃, 该温度已经远高于基体管材的正常热处理温度, 甚至接近熔化温度, 其性能必将受到不可逆转的破坏。1997年, 福州大学在获得福建省科委三项基金的资助下进行了表面多孔涂层管的研究, 文献中给出的工艺也没有实质性的进展。
本厂与华东理工大学、扬子石化公司共同承担中国石化科技开发项目进行烧结型高通量换热管与高通量换热器的研制, 首次实现6m 长钢管外表面烧结铜基合金粉末多孔层, 制造出第一台采用国产烧结型表面多孔管的换热器, 在扬子石化炼油厂催
1 技术原理
表面多孔管是高效强化传热的一种换热管, 对
沸腾换热有高效强化作用, 它不仅能在小温差下保持核状态沸腾, 而且具有高的临界热流密度和良好的抗结垢能力等优点。其制备方法主要有烧结、喷涂、电镀和机械加工等四种。多孔表面对水、氟利昂、液氮、烯烃类、苯、乙醇等多种介质的沸腾换热均有显著的强化作用, 故又将其称为高效强化沸腾换热表面。
表面多孔换热面具有大量尺寸较大的稳定汽化核心, 因而可以使工质在过热度很少的工况下产生大量气泡, 强化沸腾换热过程。表面多孔管的剖面结构如图1, 微观结构如图2, 烧结多孔层中存在许多由金属颗粒构成的凹穴和隧道, 隧道随机地将凹穴连接起来。由于烧结多孔层增多了稳定汽化核心, 所以可以使汽化强度大大增加。此外, 凹穴的开口半径也比普通换热面表面上的大, 所以可以在很低的过热度下沸腾。图1中的多孔层中的汽泡就是
・技术交流・
39
2009全国石油化工设备暨设备网年会会刊
在内凹穴中生成的。汽泡生成后便在多孔层中吸热长大并从阻力较小的孔穴中逸出, 而液体则自排汽孔穴的周围通过隧道流入多孔层进行补充。液体流入多孔层时被多孔层的换热面加热, 因而达到汽化
核心时便开始蒸发。由于多孔层中稳定汽化核心很多, 汽化核心的开口半径以及多孔层中换热面积很大, 所以烧结多孔层的表面多孔管能起到显著的强化传热作用。
液体
2 与国外产品和常规换热器的比较优势
为传热测试介质, 表1) :
《化
工设
备与 w w 管w . t 道》
c e d . c o m
2) 。
表2 进口同类产品特征参量对比
厚度/mm
孔隙率/%
当量半径/
μm
图3 1#高通量管与光滑管传热性能对比试验结果
(2) 烧结型表面多孔管与国外产品比较(表
图1 多孔覆盖层中的沸腾过程
名称备注
1—管子基体 2—烧结多孔层 3—内凹孔穴 4—汽泡 5—
本产品0. 15～0. 4040～8060～90铜合金复合粉末
美国进口产品0. 2～0. 6945～6075铜合金粉末
对烧结型表面多孔管的沸腾传热性能进行了研
究, 并且和国内外的已有研究结果做了对比, 结果表明本文制作的多孔管的传热强化效果高于国内已有研究成果中报道的强化效果。发现表面多孔管的强化传热效果随着加热温度的升高逐渐下降, 证明了孔隙率对表面多孔管的换热能力影响最大, 因此多孔管一般都追求高的孔隙率。同时, 通过扫描电镜和理论分析证明了烧结型表面多孔管能够强化传热主要是利用了凹陷形核化孔穴和小通道内的液膜蒸发这两个特性。
图4表示本产品的沸腾温差明显小于国外产品, 换热性能也优于对比的国外产品。
图2 多孔表面烧结层微观形貌
(1) 烧结型表面多孔管与光滑管比较(以丙酮
表1 烧结型表面多孔管与光滑管传热参量对比
图4 与国外同类产品的换热性能的对比
4 0 ・技术交流・
2009《化工设备与管道》增刊一
(3) 与光滑管换热器相比, 表面多孔管高通量换热器的优越性表现在如下几个方面:
①能显著地强化沸腾传热, 减少所需换热面积。
②多孔表面使沸腾换热系数提高到光滑管表面的2～10倍。
③某石化厂用12. 8m 多孔管重沸器代替原脱乙烷塔45. 8m 普通管重沸器, 除能满足该塔满负荷生产要求外, 还有余力未发挥。
⑤临界热负荷比普通管高。⑥良好的阻垢性能。
④可以在很少的温差下维持沸腾。
2
2
颈, 表面多孔管高通量换热器大有作为, 应用场合多。尤其是原有换热设备的传热面积不能满足生产要求, 但由于受到现场空间的制约, 又难以增大换热设备的体积, 在保持原有换热设备壳体尺寸不变, 采用高通量换热器替代传统换热器不仅技术上可行, 强化传热效果也十分明显。表面多孔高通量换热器可以在不增加设备体积的情况下将传热能力提高30%～50%。
制冷机组蒸发器是本产品的又一重要潜在运用领域。建筑节能十分主要的途径是空调节能, 大量中央制冷机组的蒸发器是采用表面多孔高通量换热管十分合适的场合, 也是我们即将要研究和印证的潜在运用领域。
热器与光管换热器相比节能25%以上。～60%。
3 应用领域及工业应用考核情况
3. 1 应用领域
化、空分冷冻、海水淡化等行业生产装置中采用大量的蒸发器、汽化器、再沸器、沸腾传热换热器, 均可以采用高通量换热器。另一方面, 国内许多化工、石油化工、炼油企业建成后不断进行改造和扩容或新增部分装置, 装置多次改造后, 出现了很多设备用能瓶
壳体直径/m m
换热面积/
m 2
运行负荷/
kW
《化
工设 备与 w w 管w . t 道》
c e d . c o m
⑦采用所开发的高通量换热管设计制造的换(4) 产品价格只有进口同类产品的40%
3. 2 工业应用考核情况
炼油、乙烯、化工(芳烃、乙二醇等) 、天然气液
总质量1700kg 。测试。测试情况见表3。
表3 两种换热器的运行参数情况比较(平均值)
蒸汽温度/
℃
物料温度/
℃
项目
传热温差/
℃
总传热系数/(W ・m -2・℃-1)
230. 15434. 05
普通型高通量
700700
122. 793. 4
3506. 874060. 99
189. 39165. 67
65. 2165. 5
124. 18100. 17
针对生产实际换热瓶颈, 本厂和华东理工大学、
扬子石化一起将所设计制造的高通量换热器应用于炼油厂催化分馏单元, 并对该自行研究开发的高通量换热器进行应用考核。所采用的铜基表面多孔管25mm ×2. 5m m, L =6000mm, 共204根, 换热管
从2006年4月26日至2006年5月26日, 在
扬子石化炼油厂催化裂化装置, 对原普通型换热器进行了运行参数测试。从2006年10月24日至
2006年12月1日, 又对高通量换热器进行了性能
换热管质量/
kg
2. 251. 69
从表3可看出, 高通量换热器与普通换热器相比:
(1) 换热面积减少27. 5%。高通量换热器体积小。
(2) 设备总传热系数平均提高89%, 最高值达110%。高通量换热器强化传热效果显著。
(3) 管束质量减少25%。高通量换热器质量轻。
(4) 设备运行负荷提高16%, 最高值达20%。高通量换热器效率高。
(5) 所需加热蒸汽温度由原来的189. 39℃降为165. 67℃, 降低23. 72℃。可使单位质量蒸汽的焓值增加4. 5%, 饱和蒸汽压力由1. 3M Pa 降为0. 7M Pa 。可达到节能降耗的目的。
4 目前的状况
烧结形表面多孔管已形成系列化生产。从材料上分:基管可为碳钢、合金钢和有色金属; 烧结粉末可为碳钢、合金钢和有色金属。
从烧结表面分:内表面烧结和外表面烧结; 外表
・技术交流・
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面加工成各种凹槽+内表面烧结。
烧结长度达16m 。碳钢内外表面烧结碳素钢、铜等金属粉沫; 合金钢内外表面烧结碳素钢、铜等金
属粉沫; 有色金属基管内外表面烧结碳素钢、铜等金属粉沫等; 也可根据用户要求制造。图5为部分样品。
5 结束语
提高传热能力。在大型系统中, 因为小温差的需求, 以减少重沸器的数量。
重沸器的数量需求非常大, 此时使用表面多孔管可
使用表面多孔管替代传统光管, 可以消除换热
《化
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图5 烧结表面多孔管产品样品
瓶颈, 满足更大产量对换热的需求, 显著地提高产量。同时, 在保持设计效率的情况下, 可以采用更低的蒸汽压力, 从而减少成本消耗。所有这些都是当前热交换器使用表面多孔管后可以达到的目标。
自主开发高通量烧结表面多孔换热管, 掌握相关制造关键技术, 正是我国经济建设之所需, 具有重要的经济和社会效益。
表面多孔管一方面可减少蒸汽需求量, 其二可
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刘建书, 曹洪海, 袁云中, 谭德淼, 徐宏, 王学生, 刘京雷
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(1. 无锡化工装备总厂; 2. 华东理工大学)
采用先进节能技术提高能效、节约能源, 已经成为我国能源战略的必然选择, “十一五”期间实现单“能源”和“工业节能”在国家中长期科技发展规划中分别排在重点领域和优先主题的第一位。
通过强化传热提高换热设备的换热效率以降低
位GDP 节能20%的目标被写入全国党代会报告。
能耗是工业节能, 尤其是流程工业节能最为重要的途径, 提高换热器的传热系数以增加换热量为最为有效的强化传热手段, 也是历来强化传热的研究重点。对于汽化器、蒸发器、再沸器等有相变的沸腾传热, 提高换热系数的主要方法为增加换热面上的汽化核心。
烧结型表面多孔管的研究始于20世纪60年
代。1956年美国人Milton 进行了烧结多孔薄层应用于换热结构的研究, 并于1968年申请了烧结型表面多孔材料方面的第一个专利。相似的专利相继于1973年、1974年、1977年获得批准, 使烧结工艺渐渐成熟。美国联合碳化物公司(现UOP 公司) 买断了该四项专利, 推出著名的High-Flux 商用表面多孔管(烧结型表面多孔管) 。1996～2006年我国石化行业进口了数百吨High-Flux 高通量换热管, 在国内制成换热器, 用于新建芳烃、乙二醇、焦化装置及其扩容改造。
在我国, 表面多孔管的研究始于1978年, 由北京某研究院进行的喷涂铝表面多孔管研究。我国在气体分馏装置中使用了国产喷涂铝多孔表面换热管, 应用考核结果说明, 喷铝多孔表面具有孔隙率低、孔隙形状不合理、多孔层易剥落等明显缺点, 其强化传热效果远比烧结型表面多孔管差。目前国际上已较少采用喷铝多孔表面管。1989年, 中南大学采用粉末冶金方法进行了不锈钢粉的表面多孔管试
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化装置进行工业化应用。
制, 研究了多孔管的强化传热性能。所采用的烧结温度为1100～1400℃, 该温度已经远高于基体管材的正常热处理温度, 甚至接近熔化温度, 其性能必将受到不可逆转的破坏。1997年, 福州大学在获得福建省科委三项基金的资助下进行了表面多孔涂层管的研究, 文献中给出的工艺也没有实质性的进展。
本厂与华东理工大学、扬子石化公司共同承担中国石化科技开发项目进行烧结型高通量换热管与高通量换热器的研制, 首次实现6m 长钢管外表面烧结铜基合金粉末多孔层, 制造出第一台采用国产烧结型表面多孔管的换热器, 在扬子石化炼油厂催
1 技术原理
表面多孔管是高效强化传热的一种换热管, 对
沸腾换热有高效强化作用, 它不仅能在小温差下保持核状态沸腾, 而且具有高的临界热流密度和良好的抗结垢能力等优点。其制备方法主要有烧结、喷涂、电镀和机械加工等四种。多孔表面对水、氟利昂、液氮、烯烃类、苯、乙醇等多种介质的沸腾换热均有显著的强化作用, 故又将其称为高效强化沸腾换热表面。
表面多孔换热面具有大量尺寸较大的稳定汽化核心, 因而可以使工质在过热度很少的工况下产生大量气泡, 强化沸腾换热过程。表面多孔管的剖面结构如图1, 微观结构如图2, 烧结多孔层中存在许多由金属颗粒构成的凹穴和隧道, 隧道随机地将凹穴连接起来。由于烧结多孔层增多了稳定汽化核心, 所以可以使汽化强度大大增加。此外, 凹穴的开口半径也比普通换热面表面上的大, 所以可以在很低的过热度下沸腾。图1中的多孔层中的汽泡就是
・技术交流・
39
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在内凹穴中生成的。汽泡生成后便在多孔层中吸热长大并从阻力较小的孔穴中逸出, 而液体则自排汽孔穴的周围通过隧道流入多孔层进行补充。液体流入多孔层时被多孔层的换热面加热, 因而达到汽化
核心时便开始蒸发。由于多孔层中稳定汽化核心很多, 汽化核心的开口半径以及多孔层中换热面积很大, 所以烧结多孔层的表面多孔管能起到显著的强化传热作用。
液体
2 与国外产品和常规换热器的比较优势
为传热测试介质, 表1) :
《化
工设
备与 w w 管w . t 道》
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2) 。
表2 进口同类产品特征参量对比
厚度/mm
孔隙率/%
当量半径/
μm
图3 1#高通量管与光滑管传热性能对比试验结果
(2) 烧结型表面多孔管与国外产品比较(表
图1 多孔覆盖层中的沸腾过程
名称备注
1—管子基体 2—烧结多孔层 3—内凹孔穴 4—汽泡 5—
本产品0. 15～0. 4040～8060～90铜合金复合粉末
美国进口产品0. 2～0. 6945～6075铜合金粉末
对烧结型表面多孔管的沸腾传热性能进行了研
究, 并且和国内外的已有研究结果做了对比, 结果表明本文制作的多孔管的传热强化效果高于国内已有研究成果中报道的强化效果。发现表面多孔管的强化传热效果随着加热温度的升高逐渐下降, 证明了孔隙率对表面多孔管的换热能力影响最大, 因此多孔管一般都追求高的孔隙率。同时, 通过扫描电镜和理论分析证明了烧结型表面多孔管能够强化传热主要是利用了凹陷形核化孔穴和小通道内的液膜蒸发这两个特性。
图4表示本产品的沸腾温差明显小于国外产品, 换热性能也优于对比的国外产品。
图2 多孔表面烧结层微观形貌
(1) 烧结型表面多孔管与光滑管比较(以丙酮
表1 烧结型表面多孔管与光滑管传热参量对比
图4 与国外同类产品的换热性能的对比
4 0 ・技术交流・
2009《化工设备与管道》增刊一
(3) 与光滑管换热器相比, 表面多孔管高通量换热器的优越性表现在如下几个方面:
①能显著地强化沸腾传热, 减少所需换热面积。
②多孔表面使沸腾换热系数提高到光滑管表面的2～10倍。
③某石化厂用12. 8m 多孔管重沸器代替原脱乙烷塔45. 8m 普通管重沸器, 除能满足该塔满负荷生产要求外, 还有余力未发挥。
⑤临界热负荷比普通管高。⑥良好的阻垢性能。
④可以在很少的温差下维持沸腾。
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颈, 表面多孔管高通量换热器大有作为, 应用场合多。尤其是原有换热设备的传热面积不能满足生产要求, 但由于受到现场空间的制约, 又难以增大换热设备的体积, 在保持原有换热设备壳体尺寸不变, 采用高通量换热器替代传统换热器不仅技术上可行, 强化传热效果也十分明显。表面多孔高通量换热器可以在不增加设备体积的情况下将传热能力提高30%～50%。
制冷机组蒸发器是本产品的又一重要潜在运用领域。建筑节能十分主要的途径是空调节能, 大量中央制冷机组的蒸发器是采用表面多孔高通量换热管十分合适的场合, 也是我们即将要研究和印证的潜在运用领域。
热器与光管换热器相比节能25%以上。～60%。
3 应用领域及工业应用考核情况
3. 1 应用领域
化、空分冷冻、海水淡化等行业生产装置中采用大量的蒸发器、汽化器、再沸器、沸腾传热换热器, 均可以采用高通量换热器。另一方面, 国内许多化工、石油化工、炼油企业建成后不断进行改造和扩容或新增部分装置, 装置多次改造后, 出现了很多设备用能瓶
壳体直径/m m
换热面积/
m 2
运行负荷/
kW
《化
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c e d . c o m
⑦采用所开发的高通量换热管设计制造的换(4) 产品价格只有进口同类产品的40%
3. 2 工业应用考核情况
炼油、乙烯、化工(芳烃、乙二醇等) 、天然气液
总质量1700kg 。测试。测试情况见表3。
表3 两种换热器的运行参数情况比较(平均值)
蒸汽温度/
℃
物料温度/
℃
项目
传热温差/
℃
总传热系数/(W ・m -2・℃-1)
230. 15434. 05
普通型高通量
700700
122. 793. 4
3506. 874060. 99
189. 39165. 67
65. 2165. 5
124. 18100. 17
针对生产实际换热瓶颈, 本厂和华东理工大学、
扬子石化一起将所设计制造的高通量换热器应用于炼油厂催化分馏单元, 并对该自行研究开发的高通量换热器进行应用考核。所采用的铜基表面多孔管25mm ×2. 5m m, L =6000mm, 共204根, 换热管
从2006年4月26日至2006年5月26日, 在
扬子石化炼油厂催化裂化装置, 对原普通型换热器进行了运行参数测试。从2006年10月24日至
2006年12月1日, 又对高通量换热器进行了性能
换热管质量/
kg
2. 251. 69
从表3可看出, 高通量换热器与普通换热器相比:
(1) 换热面积减少27. 5%。高通量换热器体积小。
(2) 设备总传热系数平均提高89%, 最高值达110%。高通量换热器强化传热效果显著。
(3) 管束质量减少25%。高通量换热器质量轻。
(4) 设备运行负荷提高16%, 最高值达20%。高通量换热器效率高。
(5) 所需加热蒸汽温度由原来的189. 39℃降为165. 67℃, 降低23. 72℃。可使单位质量蒸汽的焓值增加4. 5%, 饱和蒸汽压力由1. 3M Pa 降为0. 7M Pa 。可达到节能降耗的目的。
4 目前的状况
烧结形表面多孔管已形成系列化生产。从材料上分:基管可为碳钢、合金钢和有色金属; 烧结粉末可为碳钢、合金钢和有色金属。
从烧结表面分:内表面烧结和外表面烧结; 外表
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面加工成各种凹槽+内表面烧结。
烧结长度达16m 。碳钢内外表面烧结碳素钢、铜等金属粉沫; 合金钢内外表面烧结碳素钢、铜等金
属粉沫; 有色金属基管内外表面烧结碳素钢、铜等金属粉沫等; 也可根据用户要求制造。图5为部分样品。
5 结束语
提高传热能力。在大型系统中, 因为小温差的需求, 以减少重沸器的数量。
重沸器的数量需求非常大, 此时使用表面多孔管可
使用表面多孔管替代传统光管, 可以消除换热
《化
工设 备与 w w 管w . t 道》
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图5 烧结表面多孔管产品样品
瓶颈, 满足更大产量对换热的需求, 显著地提高产量。同时, 在保持设计效率的情况下, 可以采用更低的蒸汽压力, 从而减少成本消耗。所有这些都是当前热交换器使用表面多孔管后可以达到的目标。
自主开发高通量烧结表面多孔换热管, 掌握相关制造关键技术, 正是我国经济建设之所需, 具有重要的经济和社会效益。
表面多孔管一方面可减少蒸汽需求量, 其二可
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