（材料科学与工程专业论文）聚偏氟乙烯中空纤维换热器研制及耦合减压膜蒸馏过程研究.pdf

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一、利用熔融纺丝法制备聚偏氟乙烯( p v d f ) 中空纤维换热丝，组 装p v d f 中空纤维换热器，对换热器的蒸汽冷凝传热进行测试，并且 对p v d f 进行填充改性。国内外现无此类报道。 二、对p v d f 中空纤维换热器填充方式进行优化，通过添加挡板，编 织换热丝方法，改变流体分布状态，得到了较好的传热强化效果。 三、将制作的p v d f 中空纤维换热器用于真空膜蒸馏( v m d ) 过程 中，与玻璃蛇形管换热器相比，单位体积传热面积大，所需冷却水量 小。在冷却过程中，可以直接预热原水，达到热量回收的目的。 摘要 塑料紧凑式换热器( p o l y m e r i cc o m p a c th e a te x c h a n g e r ，p c h e ) 是近几年发展 起来的一种新型高效传热设备，受到广大研究者的青睐。p c h e 以其大比表面积， 高传热效率和强耐腐蚀性能，在热量回收领域有着得天独厚的优势。本文自主纺 制了p v d f 中空纤维换热丝，组装p v d f 中空纤维换热器，用于p v d f 中空纤 维换热器v m d 过程。 本文主要内容包括：熔融纺丝法制备p v d f 中空纤维；鳞片石墨填充p v d f 改性；p v d f 中空纤维换热器填充方式优化；p v d f 中空纤维换热器耦合v m d 过程研究。 通过比较向上纺丝法和向下纺丝法，发现向下纺丝法能够纺出较为稳定的中 空纤维换热丝，控制入水距离为8 0 10 0 c m ，调节气量在心0 l h 之间，纺出不 同规格的中空纤维。 由于p v d f 本身的导热系数较低，作为换热器用材料，其导热性能的不足非 常明显，所以，本文对p v d f 进行石墨填充改性，提高其导热性能，通过实验测 定和理论计算，发现添加偶联剂后，改性后的p v d f 拉伸性能较不添加偶联剂有 所提高，石墨添加量为2 5 v 0 1 时，改性p v d f 导热系数为纯p v d f 的2 倍。 改进了p v d f 换热器的填充方法，发现添加圆形档板，对换热丝进行编织均 可以有效的增大换热器总传热系数k ，安装挡板后，总传热系数k 比初始值增 加了1 0 0 ；对换热丝进行编织可以增大k ，通过试验得出，选择编织根数为1 5 根为最佳编织根数。 通过对p v d f 中空纤维换热器耦合v m d 过程研究，确定了：最佳蒸汽冷 凝途径；冷凝传热系数k n 的选择范围；换热器冷热侧进出口温度的选择范 围；蒸汽冷凝过程中的压降以及蒸汽冷凝百分数。 关键词：中空纤维换热器( h f h e ) ；聚偏氟乙烯；真空膜蒸馏；集成膜过程；热 量回收 a b s t r a c t p l a s t i cc o m p a c th e a te x c h a n g e r ( p c h e ) i san e wt y p eo fh i 曲l ye f f i c i e n t t r a n s f e re q u i p m e n td e v e l o p e di nr e c e n ty e a r s i tp o s s e s s e su n i q u ea d v a n t a g e si n r e c o v e r yp r o c e s sc o m p a r i n gt ot r a d i t i o n a li r o no n e s t 1 1 ea d v a n t a g e si n c l u d i n gl a r g e s u r f a c ea r e a ，h i 曲h e a tt r a n s f e re f f i c i e n c ya n ds t r o n gc o r r o s i o nr e s i s t a n c e i nt h i sp a p e r , p o l y v i n y l i d e n ef l u o r i d e ( p v d f ) h o l l o wf i b e rw a sp r e p a r e dv i am e l t s p i n n i n gm e t h o d t h e nh o l l o wf i b e rh e a te x c h a n g e r s ( h f h e ) w e r ea s s e m b l e df o rt h e s t e a mc o n d e n s a t i o no fv m d s y s t e m h t 髓c o u p l e dv m dp r o c e s sw a sd e s i g n e da n d o p t i m i z e d f i r s t l y , p v d fh o l l o wf i b e r so fd i f f e r e n tp e r f o r m a n c ew e r ep r e p a r e db ya d j u s t i n g t h es p i n n i n gc o n d i t i o n s h o l l o wf i b e rw i t hb e s tp e r f o r m a n c ew a so b t a i n e dw h e nt h e d i s t a n c eb e t w e e nt h es p i n n e r e ta n dw a t e rb a t hw a si nt h er a n g eo f8 0 1o o c m a n d b o r i n gg a so fa b o u t 2 0 l h o nt h eb a s i so ft h i sw o r k ，g r a p h i t eb l e n d i n gp v d fh o l l o w f i b e r sw e r ep r e p a r e dt oi m p r o v et h eh e a tc o n d u c t i v i t yo ft h ef i b e r s t h er e s u l t s s h o w e dt h a tt h eh e a tc o n d u c t i v i t yi n c r e a s e d10 0 a st h ec o n t e n to fg r a p h i t ei n c r e a s e d f r o m0t o2 5 刃 e n p v d fh o l l o wf i b e r sw e r ef i l l e di nap o l y m e r i cc y l i n d e rt op r e p a r eh o l l o w f i b e rh e a te x c h a n g e r s t h es p e c i f i c a t i o no ft h ef i b e r s ，t h ef i l l i n gm e t h o da n dt h e s t r u c t u r eo ft h ee x c h a n g e r so nt h eh e a te x c h a n g i n gp e r f o r m a n c eo ft h e mw e r es t u d i e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h et o t a lh e a tt r a n s f e rc o e 伍c i e n tw a si n c r e a s e d10 0 b y a d d i n gc i r c u l a rb a f j f l e sw i t hp r o p e rd i s t a n c ei n t h es h e l l s i d e t h eh e a tt r a n s f e r c o e f ! f i c i e n tc o u l da l s ob ee n h a n c e do b v i o u s l yb y w e a v i n gt h ef i b e r sb e f o r eb e i n gf i l l e d i nt h es h e l l s a tl a s t h f h ec o u p l e dv m dp r o c e s sw a sc o n s t r u c t e d n l ee f f e c t so ff i b e r s p e c i f i c a t i o n ，h f h es t r u c t u r e ，a n do p e r a t i n gc o n d i t i o n so fv m d a n dh e a te x c h a n g i n g e e l lo nt h ep e r f o r m a n c eo fv m dp r o c e s sa n dh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n tw e r es t u d i e d a f t e rt h eo p t i m i z a t i o no ft h ei n t e g r a t e dm e m b r a n ep r o c e s s t h eb e s tf i b e ra n dh f 腿 m o d u l ef i l l i n gm e t h o dw a so b t a i n e d 1 1 1 ep r o p e ro p e r a t i n gc o n d i t i o n sf o rt h e c o n d e n s a t i o no fs t e a mf r o mv m dp r o c e s sw a so b t a i n e d k e y w o r d s ：h o l l o wf i b e rh e a te x c h a n g e lp o l y v i n y l i d e n ef l u o r i d e ，v a c u u mm e m b r a n e d i s t i l l a t i o n ，i n t e g r a t e dm e m b r a n ep r o c e s s ，e n e r g yr e c o v e r y 目录 第一章绪论1 1 1 塑料换热器研究进展1 1 1 1 塑料换热器发展现状1 1 1 2 常用工程塑料及其性质2 1 1 3 聚合物换热器的分类。5 1 1 4 塑料紧凑式换热器7 1 2 管壳式换热器强化传热研究进展1 l 1 2 1 强化传热技术分类1 l 1 2 2 强化传热结构1 3 1 2 2 1 整圆形折流板1 3 1 2 2 2 弓形折流板1 4 1 2 2 3 螺旋折流板1 4 1 2 2 4 管式自支撑结构1 5 1 3 膜蒸馏概述1 5 1 3 1 膜蒸馏简介1 5 1 3 2m d 热量传递过程研究进展。1 6 1 3 3 1 直接接触式膜蒸馏传热传质机理1 6 1 3 3 2 气隙式膜蒸馏传热传质机理。1 7 1 3 3 3 气扫式膜蒸馏传热传质机理。1 7 1 3 3 4 真空膜蒸馏传热传质机理。1 7 1 3 3 膜蒸馏用换热器要求1 7 1 4 本研究目的与意义1 8 1 4 1 本课题目的1 8 1 4 2 论文思路1 8 1 4 3 本课题意义1 8 第二章理论部分2 1 2 1 熔融纺丝制备p v d f 中空纤维机理2 1 2 2v m d 热量传递与质量传递机理2 3 2 3 毛细管内表面和外表面的冷凝传热过程。2 6 2 3 1 两相流模型2 6 2 3 2v m d 过程蒸汽性质2 7 2 3 3 毛细管内部v m d 蒸汽冷凝过程2 8 2 4 本章小结2 8 第三章熔融纺丝法制备p v d f 中空纤维及p v d f 改性研究2 9 3 1实验部分2 9 3 1 1 实验仪器及材料2 9 3 1 2 实验装置及运行2 9 3 2 结果与讨论3 0 3 2 1 纺丝方向比较3 0 3 2 1 1 向上纺丝法31 3 2 1 2 向下纺丝法3 1 3 2 2 操作参数对p v d f 中空纤维内径壁厚的影响3 1 3 2 3v m d 系统用p v d f 中空纤维选择3 2 3 2 4p v d f 中空纤维拉伸强度3 2 3 2 5 p v d f 填充改性3 3 3 2 5 1 实验流程3 3 3 2 5 2 测试方法3 3 3 2 5 3 鳞片石墨填充p v d f 改性( 不加偶联剂) 3 4 3 2 5 4 添加偶联剂后复合材料的拉伸性能3 5 3 2 5 5 两种填充方法比较3 6 3 2 - 5 6 p v d f 改性聚合物导热系数模拟3 7 3 3 结论3 7 第四章p v d f 中空纤维换热器换热性能研究及优化3 9 4 1 实验部分。3 9 4 1 1 实验装置及运行3 9 4 1 2 数据处理3 9 4 2 结果与讨论。4 l 4 2 1 不同填充密度对换热性能影响4 l 4 2 2 换热器长度对换热性能影响4 2 4 2 3 换热器填充方式优化4 2 4 2 3 1 圆形挡板对换热器换热性能影响4 2 4 2 3 2 h f h e l 水水对流传热性能4 3 4 2 3 3h f h e l 蒸汽冷凝性能4 4 4 2 3 4h f h e l 换热器流动阻力4 5 4 2 3 5p v d f 中空纤维紧凑式换热器性能4 5 4 2 3 6 编织方法对换热器换热性能影响( i d o d = i o 1 3 ) 4 6 4 3 结 仑4 8 第五章p v d f 中空纤维换热器耦合v m d 过程研究4 9 5 1 实验部分4 9 i i 5 1 1 实验装置及运行4 9 5 1 2v m d 通量j 计算方法5 0 5 1 - 3 冷凝传热系数o n 的计算方法5 0 5 2 结果与讨论一5 1 5 2 1 冷凝方式的确定5 l 5 2 2 换热器安装倾斜角度对换热器性能的影响5 2 5 2 2 1 蒸汽在管外冷凝的情况( i d o d = 0 4 0 5 2 m m ) 5 2 5 2 2 2 蒸汽在管内冷凝的情况( i d o d = i 0 1 3 m m ) 5 3 5 2 3冷凝传热系数范围的确定5 3 5 2 4 流体两端温度的确定5 5 5 2 4 1 冷却水出口温度t o u 。的范围5 5 5 2 4 2 产水出口温度t o 。t 的确定5 6 5 2 5 换热器功率q 和冷却水流量v 。的确定5 6 5 2 6 换热器面积s i 设计5 7 5 2 7 换热器压降计算及测定5 7 5 2 7 1v m d 进料温度对蒸汽冷凝压降的影响5 9 5 2 7 2v m d 进料温度对蒸汽冷凝程度的影响6 0 5 3 结论6 1 第六章结论与展望6 3 6 1 结论6 3 6 2 展望6 3 参考文献6 5 i i i i v 第一章绪论 第一章绪论 当今，节约能源是一个世晃性的重大课题，随着人口增多和经济增长，能 源的需求越来越多，地球的矿物资源、水资源以及化石能源等日趋枯竭，“十一 五”期间单位国内生产总值能耗降低2 0 左右、主要污染物排放总量减少1 0 。这是贯彻落实科学发展观、构建社会主义和谐社会的重大举措；是建设资 源节约型、环境友好型社会的必然选择；是推进经济结构调整，转变增长方式 的必由之路；是维护中华民族长远利益的必然要求。 节约能源的一项重要举措就是能源的循环利用。膜蒸馏f m e m b r a n e d i s t i l l a t i o n ，m d ) 是在远低于沸点的条件下操作，可以利用低热值的废热，节约 能耗。但是在常规的膜蒸馏过程中，透过蒸汽所携带的热量全部排出，热量利 用率低。为促进膜蒸馏工业化进程，增加热量回收过程，提高热能利用效率， 使其更具竞争力。 塑料紧凑式换热器( p o l y m e r i cc o m p a c th e a te x c h a n g e r ，p c h e ) 是近几年发 展起来的一种新型高效传热设备，受到广大研究者的青睐。p c h e 以其大比表 面积，高传热效率和强耐腐蚀性能，在热量回收领域有着得天独厚的优势。p c h e 可以设计成多种不同形式，如波纹板式，管壳式和浸没式等。与普通金属换热 器相比，p c h e 具有以下优势良好的耐腐蚀性能和加工性能；换热器便于 修复，不需要特殊焊接工艺，易于组装。换热器紧凑而灵活，可制作成各种 形状，放置于不同场合。使用寿命长，投资少。 1 1 塑料换热器研究进展 1 1 1 塑料换热器发展现状 塑料换热器是一种新型的换热器，美国d u p o n t 公司于1 9 6 5 年率先试制成 功了氟塑料换热器；以后一些工业先进国家也开发成功了塑料换热器，并实现了 商品化生产。现已有氟塑料换热器、p p o 换热器、p p 换热器、石墨改性p p 换 热器、石墨改性p v c 换热器等产品【l ，2 】。 塑料换热器的初期研究主要集中在处理气体和液体( 单相流和两相流) 的能 力、耐腐蚀和耐结垢性能以及在湿气和除湿环境中的应用。现在塑料换热器已 天津工业大学硕士学位论文 广泛应用在化工、医药、食品、石油、冶金和半导体等行业。 近年，塑料换热器朝着高比表面积，薄管壁的紧凑形式方向发展，尤其在 热量回收领域，更是要求换热器具有换热效率高，热损失率小等特点，下面我 们对常用工程塑料进行对比，以选择合适的聚合物作为换热器材料。 1 1 2 常用工程塑料及其性质 在选择一种新型换热器材料时，必须对其热传导性能，比热容，热塑性塑 料软化点，热膨胀系数，拉伸强度，拉伸模量以及密度等性质进行对比，以选 择合适的材料。表1 1 列出了常用热塑性塑料聚合物的性质： 表1 - 1 部分热塑性聚合物性质【3 】 通过以上比较，对塑料换热器有了初步的认识，作为针对v m d 能量回收 专门设计的换热器，我们还要对材料进行进一步筛选，以选择合适的聚合物制 作换热器。下面对几种常用的工程塑料做简单介绍： 氟塑料( f l u o r o p o l y m e r s ) 1 4 1 得益于它们的化学结构，氟塑料有优异的耐腐 蚀性能。聚偏氟乙烯( p v d f ) 在酮中溶胀，溶于极性溶剂，可用于酸性环境的热 量回收，减少污染排放过程和烟气净化过程中，使用温度范围为4 0 1 5 4 。聚 四氟乙烯( p t f e ) 除了对熔融碱金属和氟的耐受性差以外，能够抵抗其他任何化学 物质的腐蚀，其最高使用温度为2 0 4 ，广泛应用于提溴、金属酸洗、电镀、去 离子水加热等系统。 液晶聚合物( l i q u i dc r y s t a lp o l y m e r sl c p s ) 口l 同时拥有液晶和聚合物的特 2 第一章绪论 性，r e a y 认为由于他们的自增强性和抗蠕变性能，l c p s 可以在超过3 0 0 的环 境中使用。d e r o n z i e ra n db e r t o l i n i 发表的数据显示，纯l c p 对有机溶剂、酸和碱 性溶液均有较好的耐受性，拥有高的抗拉强度和弹性模量，低热膨胀系数，非常 适用于换热器领域。 聚丙烯( p o l y p r o p y l e n ep p ) 无毒、无染色性以及良好的耐腐蚀性，在机 械压缩式海水淡化装置中有应用报道【6 l 。 聚乙烯( p o l y e t h y l e n ep e ) 有相对较低的密度，在室温下有较好的惰性， 但是会被慢慢氧化，在有机溶剂中软化或溶胀，正常使用温度不高于8 0 c 。 聚碳酸酯( p o l y c a r b o n a t ep c ) 对酸有优良的耐性，但不能用于碱性和溶 剂环境，不溶于无机酸、有机酸和油脂存在的环境，溶于腈、聚酰胺和热熔胶， 正常使用温度在5 1 3 5 。 聚苯硫醚( p o l y p h e n y l e n es u l f i d ep s ) 有着优异的耐酸性。在1 2 0 。c8 5 的浓硫酸中浸泡5 0 0 0 h 的测试显示其耐酸性能优于p v d f 和p t f e 。 聚苯醚( p o l y p h e n y l e n eo x i d ep p o ) 拥有良好的耐热性，但其耐化学腐蚀 性能较差，固不使用于换热器。 聚醚醚酮( p o l y e t h e r e t h e r k e t o n ep e e k ) 连续工作温度可以高达2 5 0 ， 在3 0 0 。c 时，机械性能仍然良好，浓硫酸等强氧化酸对其有腐蚀性。p e e k 对 5 0 的硫酸和5 0 的氢氧化钠均有耐受性。 聚砜( p o l y s u l f o n ep s u ) 为非晶态热塑性聚合物，最高连续使用温度为 19 0 ，有较高的抗蠕变性和热稳定性，对大部分的溶剂、油、酸碱有耐受性。 因为v m d 过程产水是以蒸汽形式抽出，并在换热器中冷凝，所以换热器 冷凝传热能力是重要的参考。 众所周知，当饱和蒸气与温度较低的壁面相接触时，蒸气放出冷凝热，并 在壁面上冷凝成液体。蒸气冷凝有膜状冷凝和滴状冷凝两种方式。若壁面能被 冷凝液润湿，则冷凝液将在壁面上形成一层完整的液膜，蒸汽冷凝放出的潜热 只有通过该层液膜进行传递，由于蒸汽本身热阻很小，则传热热阻主要热阻集 中在液膜上。若冷凝液不能够润湿壁面，由于表面张力的作用，冷凝液在壁面 形成许多液滴，并沿壁面落下，此种冷凝称为滴状冷凝。滴状冷凝的传热系数 比膜状冷凝要大几倍到几十倍1 8 】，所以选择表面张力较小的聚合物作为换热器 材料，可以有效促进滴状冷凝形成，增大传热系数。不同材料的临界表面张力 如表1 2 所示： 天津工业大学硕士学位论文 表1 - 2 部分聚合物临界表面张力【9 1 p l a t i cs u r f a c et e n s i o n ( m n m ) w uv a no s s 从蒸汽冷凝方式上考虑，m a 等人【l o 】报道了用p t f e 作为诱导滴状冷凝的 内附塑料，涂覆p t f e 薄膜的铜管冷凝传热系数为普通铜管的4 6 倍，滴状冷凝 可以持续2 2 ，0 0 0 小时。p v d f 也有类似的性能，v a nd e rg e l d 1 1 】等人发现蒸汽 在纯p v d f 板式换热器表面冷凝方式为滴状冷凝。但是，对于紧凑式换热器， 滴状冷凝有可能导致管路堵塞，影响传热过程【1 2 l 。 结合表l - 1 、表l 一2 和以上描述，从耐候性能和材料导热性能综合考虑， p v d f 和p t f e 是用作蒸汽热量回收换热器的首选材质。 从加工性能和导热系数上考虑，由表1 1 可知p v d f 熔融温度为1 7 5 导 热系数为0 1 9 w m 2 。c ，p t f e 熔融温度为3 3 0 c 导热系数为o 2 7w m 2 。c 。p t f e 导热系数最高但是加工困难，并不能用常规的熔融挤出法制作，p v d f 导热系 数优于p p 且在熔纺温度为2 2 0 。c 时，可以纺制细管径毛细管，制作高填充密度 换热器进行热量回收。 综上所述，聚偏氟乙烯( p v d f ) 有易加工，导热系数较高，耐腐蚀性能优良， 表面张力小等优点，所以我们选择p v d f 作为原材料，制作紧凑换热器。 目前，聚合物换热器在工业上尚未广泛应用，其原因是缺乏值得信赖的设 计方案和换热器结构优化方法。在此，对工业上常见的三种塑料紧凑式换热器 类型进行简要介绍。 4 第一章绪论 1 1 3 聚合物换热器的分类 1 1 3 1 板式换热器 m i l i e u p a r t n e r sb 3 1 公司制作c a l o r p l a s t ( 图1 1 ) 板式换热器，用于带有冷凝过 程的气体冷却，因为没有翅片结构，冷凝液可以自由流出，换热器有自清洗功 能。聚合物板式换热器具有独特的结构设计，g r e e n b o x 1 4 】公司( 图1 3 ) 设计的板 式换热器，全部结构都用聚合物制作，换热器进口为机翼结构，以保证最小的 压降和流体分散，可以进行潜热和显热交换，污染结垢现象不明显，维护费用 低。 g e o r g ef i s c h e r 用p v d f 和p p 制作管板式换热器，用作腐蚀性流体之间的 热交换。以色列的p l a s t i cm a g e n 公司用类似的方法制作了p v d f 和p p 塑料换 热器，用作收集太阳能加热游泳池水，换热器为矩形管路，公称外径为5 m m ， 壁厚0 5 m m 。1 0 0 下，p v d f 换热器耐压强度为6 0 0 k p a ，而p p 换热器在8 0 下耐压为2 0 0 k p a 。只有p v d f 换热器适用于6 5 以上的环境。 法国c i a t 公司引进德国t a r g o r 公司生产的3 0 0 m 2 ，5 m w 的p p 换热器， 用作丙烯净化流程，用以产生丙烷蒸汽，通过更换异形管，壁光滑管换热系数 增加了2 3 倍，总功率增加1 m w ，丙烯生产能力增加了2 0 。 图1 - 1m i l i e u p a r t n e r s 公司c a l o r p l a s t 板式换热器 图1 2g r e e n b o x 2 7 】公司设计的板式换热器 1 1 3 2 盘管式换热器 f l u o r o t h e r m 公司生产的聚四氟乙烯浸没管式换热器用于腐蚀性液体的加 热，其特点是换热器全部用纯四氟乙烯制备，耐化学腐蚀性强，可以用于腐蚀 天津t 业大学硕士学位论文 性气体冷凝，酸洗，金属电镀，半导体晶片加工和镀锌等流程，浸没式换热器 的优点是可以制作成各种形状，以适应容器外形【坫1 。 图1 3f l u o r o t h e r m 公司生产的聚四氟乙烯浸没管式换热器 s o l v a y 公司生产的p v d f 浸没式换热器【1 6 】，用作加热或冷却腐蚀性液体， 由于p v d f 优良的机械性能，加热蒸汽温度为1 4 5 。c 时，仍然可以正常使用， 且耐水锤性能优异。g e o r g ef i s c h e r 1 7 1 公司生产的浸没式换热器，换热管有 p v d f 、p p 和p e 三种材质，换热管o d 为6 5 r a m 壁厚0 6 m m ，共1 1 7 根换热管， 温差为1 0 时，换热器功率为1 2 0 0 w 。 1 1 3 3 管壳式换热器 f l u o r o t h e r m 公司生产的t e f l o n 管壳式换热器【”】用于腐蚀性流体的换热过程 中，例如半导体、生物科学( 超净水) 和环境科学等领域。根据不同操作温度和 流体腐蚀性能，换热器壳程可以选择多种材质，如p p 、p e 、p t f e 、f e p 或者 p f a 。 图l - 4f l u o r o t h e r m 管壳式换热器 d u p o n t 公司最近生产了一种尼龙管壳式换热器，用作汽车散热器，换热器 有8 6 根管束，总传热面积为o 4 2 m 2 ，相比金属散热器而言，它的设计会更加灵 巧，可以制作成各种样式，安装更紧凑，重量更轻。 t h e r m e 2 a m e r i c a 生产的p v d f 管壳式换热器，允许使用温度为4 0 1 3 8 。c ， p v d f 原料由s o l e f 公司生产。p v d f 为半结晶性聚合物，不会对流体形成二次 污染，每种换热器都设计成大管径，以防止堵塞。清洗方法为化学清洗或者反 6 第一章绪论 冲洗。 图1 - 5t h e r r n e 2 - a m e r i c a 公司p v d f 管壳式换热器 1 1 4 塑料紧凑式换热器 1 1 4 1 紧凑式换热暑$ ( c o m p a c th e a te x c h a n g e r s ，c h e s ) 紧凑式换热器是指各种传热面积与体积之比很大的工业用换热器。一般以 传热面积密度1 31 1 8 1 作为衡量换热器紧凑程度的尺度： 1 3 =( 1 3 ) 作为管壳式换热器，两侧流道的1 3 一般不相同，只要有- n 的p 值符合紧 凑式换热器的标准，该换热器就可以称为紧凑式换热器。国际上比较公认的标 事 准是s h a h 和k a y s 等人的意见，将0 。伽p a c t 定义在7 0 0 m 2 m 3 。图1 - 6 列出了传 统换热器的1 3 值大致范围。 图1 石各种类型换热器的1 3 及d h 值的大致范围 d h ，m m 由上图可知，工业上管壳式换热器传热面密度在5 0 0 m 2 m 3 以下，换热器管 径大于5 m m ，本文自制的换热丝直径为0 5 1 5 m m 之间，换热器管程传热面积 7 天津工业大学硕士学位论文 密度1 3 在3 6 0 0 1 0 4 m e m 3 之间，属于紧凑式换热器的范畴。 有人认为，因为塑料本身的强度低、抗蠕变性差、热膨胀系数大以及导热 系数相对较低，会导致设计和安装方面出现问题。但是，塑料换热器的耐腐蚀 性和低成本能克服这些缺点。 以p v d f 紧凑式换热器为例，p v d f 的导热系数为0 1 9 w m 2 * c ，比传统金 属低1 0 0 1 0 0 0 倍1 9 】，单从导热系数看，p v d f 换热器并没有任何优势，综合总 传热系数公式【2 0 1 计算，我们会得出不一样的结论。 管壳式换热器总传热系数计算公式如下所示： 上：r l n 生+ 土+ 土+ 上生+ 上生 k 2 k 嘶ed ih |于ih od o ，od o 将上式简化，视为平板两侧的热对流传热，计算公式如下： 1b111l 一= 一+ 一+ 一+ 一+ 一 k k w 口l lh tf ih of o 当换热器材质为n i c 卜m o 合金时： b = l m m h i = h o = 4 0 0 0 w m 2 f i = f o = 4 0 0 0 w m 2 10 0 0 11l11 一= 一+ + + + k 84 0 0 04 0 0 04 0 0 04 0 0 0 k l = 8 9 0 w m 2 * c 换热器材质为p v d f 时， b = l m m h i = h o = 4 0 0 0 w m 2 * c f i = = 4 0 0 0 w m 2 l0 0 0 11 1 1 1 = + + + + ko 1 94 0 0 04 0 0 04 0 0 04 0 0 0 k 2 = 15 9 7 w m 2 * c 所以，得出两种材质换热器的换热系数比值为：k l k 2 = 8 9 0 1 5 9 7 = 5 6 ：1 ( 2 ) 两种换热器重量比较 假设p v d f 换热管和n i - c r - m o 换热管的规格相同，两种换热管的重量比为： l 朋2 n i c r m o 合金重量8 9， 一= = 一= = l m 2 p 理) 用重量 1 7 8 。 在两种换热器换热面积相同的情况下，比较两者的成本： 8 第一章绪论 priceofni-cr-moheatexchanger：上三塑=268 p r i c eo fp v d fh e a te x c h a n g e r 5 6l10 0 0 s n 卜m 0 s p v d f = 1 ：5 6 g n i - c 卜dg p v o v = 5 ：1 p r i c e n k r _ m o p r i c e p v o r = 3 0 0 0 ：10 0 0 经过以上分析，可以看出，在其他条件相同时，镍镉钼合金换热器的成本是 p v d f 换热器的2 6 8 倍。 通过以上计算我们发现，在换热管径与合金换热器相同时，金属换热器的 成本是p v d f 换热器的2 6 8 倍。如果发挥p v d f 的优势，将其做成小直径薄壁 厚的换热管，塑料换热器的优势将更加明显。 1 1 4 2 塑料薄膜式紧凑换热器进展 鉴于聚合物本身换热能力差，为了增加聚合物换热器的换热系数，近些年， 研究者开发了一种聚合物薄膜式换热器技术，可用于常规的管壳式换热器、板 式换热器或者浸没式换热器。 目前，换热器设计中，在不影响聚合物的强度前提下，换热管管壁厚度在 0 5 一l m m 之间。但是，为了减小热阻，尤其值得注意的是1 0 0 u m 厚度的设计方案， 利用皱折形成狭小的通道内层流换热，可有效提高传热系数，同时压降较小。塑 料薄膜式紧凑换热器( p o l y m e rf i n n e dc o m p a c th e a te x c h a n g e r ，p f c h e ) 节能以 及防腐抗垢的特性有望成为新技术的前沿而揭开化工领域一个新的商机【2 1 1 。， z a h e e d | 2 2 1 等人将p e e k 匍j 作成波纹板式换热器，换热器板厚度为1 0 0um ，是由互 相叠加的换热版制作而成，相邻层的换热版沟槽相互垂直，使用温度最高可达2 2 0 ，能够承受l o b a r 的压强。 图1 7p e e k 波纹板式换热器 z a k a r d a s 2 3 】等人研制了聚合物管壳式紧凑换热器，其比表面积可达 1 5 0 0 m 2 m 3 ，水水换热系数为6 4 7 。1 3 1 4 w m 2 * c ，体积换热系数达到9 l o s 1 8 9 天津工业大学硕士学位论文 1 0 6 w m 3 。该换热器中没有添加挡板，但是对不同长度和不同对流方式进 行了考察，可用于水水，水乙醇，蒸汽水的换热过程。换热器材质为 p p ( 4 2 5 5 7 5 1 a mi d o d ) ，p e e k ( 1 5 0 3 6 0 1 t mi d o d ) 。 黼 蝻l c = 夺 图1 - 8 聚合物紧凑式换热i 器( z a k a r d a s ) m 当 o 叫 l i u l 2 4 等人研究了聚合物紧凑式换热器，选择合适的聚合物( p e x 和n y l o n l 分别对管壳式和浸没式换热器进行优化设计，考察了管束排列方式、填充数目、 管程流速和壳程流速、换热器长度等参数。p e x 和n y l o n 有着相近的热传热系 数，o 3 8 w m 和0 3 1 w