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1、高效换热器高效换热器赵锦杰赵锦杰一一 高效换热器的现状与分类高效换热器的现状与分类二二 国内外高效换热器简介国内外高效换热器简介三三 国内外高效换热器的开发研究的方国内外高效换热器的开发研究的方向向一一 高效换热器的现状与分类高效换热器的现状与分类二二 国内外高效换热器简介国内外高效换热器简介三三 国内外高效换热器的开发研究的方国内外高效换热器的开发研究的方向向传统换热器一高效换热器的现状一高效换热器的现状换热器是化工、石油、制药及能源等行业中应用相当广泛的单元设备之一。据统计,在现代化学工业中所用换热器的投资大约占设备总投资的30 % ,在炼油厂中换热器占全部工艺设备的40 %左右,海水淡化
2、工艺装置则几乎全部是由换热器组成的。上个世纪70 年代初发生的世界性能源危机,有力地促进了传热强化技术的发展。为了节能降耗,提高工业生产的经济效益,要求开发适用不同工业过程要求的高效能换热设备。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。螺旋板式换热器折流杆式换热器空心环管壳式换热器管子自支承式换热器纵流管束换热器Packinox换热器（板壳换热器）块式换热器整体翅片式换热器毛细板式换热器热管换热器高效换热器高效换热器的分类高效换热器的分类一一 高效换热器的现状与分类高效换热器的现状与分类二二 国内外高效换热器简介国内外高效换热器简介三三
3、国内外高效换热器的开发研究的方国内外高效换热器的开发研究的方向向1 螺旋板式换热器螺旋板式换热器是一种新型的管壳式换热器，是继承和针对弓形折流板而改进的一种高效换热器。20世纪60年代就有提出，到1994年由ABB LUMMUS公司制造成功，我国自20世纪90年代末开始对此进行研究，由于国外专利信息保密，多年来我国对螺旋折流板的研究停留在表面阶段，对其强化传热的机理一直没有完善的解释。流路分析及强化传热原理流路分析：螺旋板式换热器是通过改变壳侧折流板的布置，使壳程流体呈连续的螺旋状流动。但是由于加工连续的螺旋曲面困难，而且换热管与连续螺旋折流板的配合也比较难实现，考虑到这些，螺旋折流板通常采用
4、一系列的扇形平面板来替代曲面相间连接。强化传热：一方面是壳侧的螺旋流动更加接近于柱塞状流动，提高了传热温差；另一方面，螺旋流动使壳侧流体存在半径方向的速度梯度并破坏了边界层，从而强化传热。可惜的是，对于螺旋板式换热器的传热系数和压降，目前还没有通用的公式，只有一些通过实验提出的可以借鉴的公式。2，当保持螺旋周期为定值时, 在相同流量下和相同壳径下, 螺旋折流板换热器的壳侧压降随螺旋角增大而减小, 且远低于弓形折流板的管壳式换热器壳径减小时, 压降增加明显相同。下, 螺旋折流板换热器的壳侧换热系数低于弓形折流板, 在螺旋角为时达到最大值相同流量下, 螺旋折流板管壳式换热器单位压降和单位泵功下的换
5、热系数均高于弓形折流板管壳式换热器1，在同一油流量的条件下, 螺旋折流板换热器比弓型折流板换热器的壳程传热效率高, 并且随着油流量的增加, 螺旋折流板换热器壳程传热效率提高得越明显。以螺旋角度为18的螺旋折流板换热器和弓型折流板换热器的最后一组试验数据进行对比可得, 螺旋折流板换热器的壳程传热效率比弓形折流板壳程的传热效率提高了30.69% 流动及换热性能研究提出背景：2 折流杆式换热器由于管壳式换热器的高度可靠性和广泛适用性，在使用方面它仍然是占有优势的，工业用换热器中，占90%。而现在它遇到的两个较大的问题是（1）传热性能的提高（2）因流体流动诱导的换热管振动问题。从二十世纪七十年代开始美
6、国菲利普公司就开始了对于折流杆式换热器的研究，开发和应用技术在国外已趋于成熟。而国内是八十年代开始的，也取得了一定成果。华南工学院、桂林化工机械厂、天津大学等高校与企业都进行了研究。结构与原理在结构上，主要采用了支持杆、折流杆环、折流杆组、侧向拉条、挡板和最新出来的外导流筒、直扁钢条支承方式、波浪型扁钢支撑结构等新型折流杆结构。采用折流杆结构，不但防止了诱导振动，消除了传热死区，而且使壳程给热系数增加近60%，压降损失降低1/3。3 空心环管式换热器空心环管壳式换热器是华南理工大学发明的一种新型管壳式换热器。空心环是由直径较小的钢管截成短节,均匀地分布于换热管管间的同一截面上,呈线性接触,在紧
7、固装置螺栓力的作用下,使管束相对紧密固定。从而支撑管束并促进流体扰动。流动和传热性能空心环管壳式换热器采用双面强化传热的缩放型传热管, 对管内外两侧气体均有促进界面湍流、强化对流传热的作用, 换热器总传热系数最高可达30W/ ( m2) , 与传统换热器相比, 可节省传热面积40%50%; 由于采用空心环管间支承结构, 该支承方式轴向流道空隙率大, 达80% , 故对轴向冲刷的流体形体阻力非常小, 可使绝大部分壳程流体的压降作用在强化传热管的粗糙传热界面上, 用以促进界面上的对流传热, 充分发挥强化管的传热强化作用, 在低流阻条件下获得高的传热性能。空心环支撑往往与强化管组合使用,其特点是(1
8、) 壳程流阻低。壳程轴向流道空隙率达80 %的空心环管间支承物对纵向流体的形体阻力几乎可以忽略。(2)传热膜系数高。该种结构的换热器可充分发挥粗糙型强化传热管的强化传热性能,利用传热管的周向粗糙肋,促进纵向流体在传热界面上滞流层的湍流度,获得比普通光滑管界面高80 %100 %的传热膜系数。特点：空心环管壳式换热器作为国内创造的专利产品, 技术性能上在国内外居领先地位, 经10 年来在硫酸工业的推广应用已为企业与社会创造了巨大的经济与社会效益, 在节能、节材、增产与环保方面都作出了贡献。4 管子自承式换热器管子自承式换热器目前主要有刺孔膜片式、螺旋扁管式和变截面管式几种形式。刺孔膜片式剌孔膜片
9、式其特点是刺孔膜片既是支撑元件,又是管壁的延伸,增大了单位体积内的有效传热面积;膜片上的毛刺和小孔增大了流体湍流度,各区间的流体经小孔实现一定程度的混合;刺和孔使换热表面的边界层不断更新,减薄了层流底层厚度,从而提高了换热系数;壳程流体纵向流动,压力降很小。螺旋扁管式螺旋扁管 ( Twisted Tabe) 是瑞典Allares 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圆,当组装成换热器时可以混合管束,也可以是纯螺旋扁管。螺旋扁管的截面类似于椭圆管,椭圆的长短轴比值根据换热管程和壳程的流速设计确定,当管程流量较低时,可增大长、短轴之比值。减少流通截面以提
10、高流速,使换热器两侧处于较理想的流动状态。强化传热a. 管程内流体的螺旋流动提高了其湍流程度,从而强化了管内传热，同时流动阻力也相应增加。b. 壳程内螺旋扁管之间的流道也呈螺旋状,流体在其间流动时受离心力作用而周期性地改变速度和方向,从而加强了流体的纵向混合。同时,流体经过相邻管子的螺旋线接触点时形成脱离管壁的尾流,增强了流体自身的湍流度,破坏了流体在管壁上的传热边界层,因而强化了壳程传热。c. 由于增加了湍流,且壳程没有折流板,因此降低了压降,还消除了流动死区。因冲刷的作用,使得管壳程减少了结垢，保持了其良好的传热性能。d. 单管传热试验结果表明,在低雷诺数下,螺旋扁管内的传热性能明显优于普
11、通光管 。这是由于换热管形状的改变,使流动速度增加,减薄了流动边界层,减少了传热热阻,增强了传热效果。但随着雷诺数的增大,这种优势逐渐削弱。因此采用螺旋扁管换热器大大优于普通折流板换热器,特别是对于流体粘度大,一侧或两侧呈层流流动状态的换热器,其效果更为突出。螺旋扁管换热器具有双面强化传热的功能,比普通弓形板换热器的总传热系数提高50% ,可大大节省换热面积,缩小设备尺寸,减少投资。在强化传热的同时,还具有良好的抗结垢性能,确保设备长周期运行及传热性能,降低了装置能耗,减少了检修费用。另外,螺旋扁管轧管技术和装配工艺的成功开发,为螺旋扁管换热器的批量生产奠定了基础。变截面管式变截面管式是把普通
12、圆管按一定节距压制出互成90 度或互成60 度的扁圆形截面,利用这种变截面管互相支撑并构成扰流元件。这种换热器管子排列紧凑,减少了换热器的尺寸和质量,而且可实现管束间流体薄层流动。其结构比较简单,且是双面强化管,但最大弱点是管内阻力太大。5 纵流管束换热器流体在壳程中作纵向流动是管壳式换热器中最理想的流动形式。为了将弓形折流板支撑的横向流动尽可能地改为平行于管子的纵向流动,消除滞留死区,近年来开发出了一些新型结构,例如矩形孔,梅花孔等异形孔的折流板结构这种折流板既能支承管子,又能让传热介质流过折流板,产生射流,从而消除了管子结垢和垢下腐蚀。后来,德国GRIMMA公司制造的一种网状整圆形折流板换
13、热器,传热效果优于传统的圆缺形折流板换热器,其结构为在折流板上开横排管孔,以4 个孔为一组将管桥处铣通,壳侧流体在管桥处沿着轴向流动,避免了流体因转折引起的滞留区。6 Packinox换热器Packinox 换热器也称作板壳换热器,它由压力容器外壳和传热板束两部分组成。压力容器外壳承受操作介质压力,板束由若干板片组焊而成,板片的流道设计成波纹状人字形排列,相邻板片走向相反,板片间相互交叉的波纹顶端形成接触点,用以支承冷热介质的压差。这些接触点使流体在整个换热过程中处于湍流状态,既保持高的传热效率又产生高剪切力,抑制了板面上污垢的形成。板束的流道截面可以根据介质性质和操作要求设计成各种当量直径和
14、形状。由板片焊接组装而成的板束,固定于压力容器壳体内部的支架上,并用波纹膨胀节与壳体接管连接。主要特点A 传热效率高。这是由于（1）冷热两侧流体均有很高的膜传热系数，一般为管壳换热器的23倍（2）流速分布均匀，既无死角，又无旁路和渗漏（3）纯逆流换热，使热端接近温度达到低点。B 结构紧凑，重量轻，占地少。C 压降小，操作弹性大，无振动。D 因为湍流及均匀的停留时间，结垢倾向远远低于管壳换热器。E 受压外壳承受介质的压力，即使在高温高压下操作也是非常安全，壳体上没有庞大的设备法兰和管板，消除了主要的外部泄漏点，也避免了因管子与管板连接失效而产生的内部泄漏。F 外壳开设有人孔，可以进入器内进行检修
15、，方便清洗。7 块式换热器块式换热器最早由德国的Hoeehst Ceram 技术股份公司发明。它是由厚度为018mm 的片状材料层叠在一起,然后用热导率为120W/ mK 的陶瓷材料将其烧结成整体。该种换热器具有耐高温,耐氯化、氧化及耐腐蚀的特点,其许用温度可以达到13001 400 ,一般用于超高温和强腐蚀环境中8整体翅片式换热器整体翅片经套胀或锡、钎焊固定于管束上而形成。管翅式换热器芯子整体翅片的型式很多,最常用的是平直翅片、波纹翅片及间断式翅片。在相同的翅片密度下,平直翅片有较低的阻力降,常用于对压力降限制较严的场合,波纹翅片的性能优于平直翅片,而且更加坚固,广泛地应用于空调冷却器及其它
16、用途的换热器。在相同的翅片密度下,平直翅片有较低的阻力降,常用于对压力降限制较严的场合,波纹翅片的性能优于平直翅片,而且更加坚固。广泛地应用于空调冷却器及其它用途的换热器。9 毛细板式换热器该种换热器最早由德国的Enka 公司制造 ,它由多层毛细板叠合而成,板间距24mm。毛细板由直径115mm ,壁厚011mm 的毛细管,用环氧树脂浇注而成。这种换热器可用于从污染物和废气中回收热量的场合，如以水-空气介质为例，在板面上热传导系数为37W/(m2k),则0.046m2的细胞核产生39kW能量的转换。10 热管换热器热管是一种新型高效的传热元件。热管是一个内部抽成真空并充以少量液体的密封管,具有
17、高效的导热性能。在工作时热流体通过热管的一端外表面,冷流体通过热管另一部分。籍助于管内工质的潜热变化而进行冷热流体间的换热。借助于管内工质的潜热变化而进行冷热流体间的换热。由于是潜热的变化,具有相当高的导热能力,其当量导热系数为铜、银等金属导热系数的几百倍原理发展与应用在20 世纪60 年代首先被应用于宇航技术中,后来在电子、机械、化工和石油等行业也有了广泛的应用。热管换热器在国外已系列化生产。而我国经过20 多年努力先后开发了气、气热管换热器、热管蒸汽发生器和高温热管,并在石油、化工、冶金、动力以及水泥等行业得到了广泛的应用,取得了良好的效果。一一 高效换热器的现状与分类高效换热器的现状与分
18、类二二 国内外高效换热器简介国内外高效换热器简介三三 国内外高效换热器的开发研究的方国内外高效换热器的开发研究的方向向一 非金属材料应用。非金属材料在一定的范围内具有金属材料不可比拟的优点。石墨材料具有优良的导电、导热性能,较高的化学稳定性和良好的机加工性,氟塑料具有特别优良的耐腐蚀性。氟塑料耐腐蚀性能极强,并且与金属材料相比还具有成本上的优势。复合材料如搪瓷玻璃具有优良的耐腐蚀性能、良好的耐磨性、电绝缘性以及表面光滑不易粘附物料等优点,已经用于制作换热产品。陶瓷材料因其优异的耐腐蚀性、耐高温性能而引起工业界的高度重视,已经在换热产品的制造中得到应用。二 计算流体力学和模型化设计的应用。在换热
19、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。三 加强实验和理论研究。采用先进的测量仪器来精确测量换热器的流场分布和温度场分布,并结合分析计算,进一步摸清不同结构的强化传热机理。采用数值模拟方法对换热器内流体流动和传热过程进行研究,预测各种结构对流场及传热过程的影响。四 有源技术研究。如利用振动、电场方法强化传热的机理研究、试验研究,给出对比试验数据,提出理论计算模型。五 强化结构组合研究。为达到管壳程同时强化的目的,强化结构组合研究将成为近期传热强化技术研究的发展方向。thanks
