换热器的发展现状及前景

换热器的研究发展现状及前景 摘摘要要 随着现代工业的迅速发展 以能源为中心的环境 生态等问题日益加剧 世界各国在寻找新能源的 同时 也更加注重了节能新途径的研发 强化传热技术的应用不但能节约能源 保护环境 而且能大大节 约投资成本 换热器由于其在化工 石油 动力和原子能等工业部门的广泛应用 使得换热器的强化传热 技术一直以来受到研究人员的重视 各种研究成果不断涌现 随着经济的发展 各种不同结构和种类的换 热器发展很快 新结构 新材料的换热器不断涌现 换热器又称热交换器 是一种将热流体的部分热量传 递给冷流体的设备 也是实现化工生产过程中热量交换和传递不可缺少的设备 换热器既可是一种单独的 设备 如加热器 冷却器和凝汽器等 也可是某一工艺设备的组成部分 如石化 煤炭工业中的余热回收 装置等 本文主要介绍了现有换热器的分类 各种换热器的特点工作原理及应用情况 对目前换热器的存 在问题和发展趋势进行分析 关键词关键词 换热器 强化换热 研究现状 随着现代工业的迅速发展 以能源为中心的环 境 生态等问题日益加剧 世界各国在 寻找新能源的同时也更加注重了节能新途径的研发 强化传热技术的应用不但能节约能源 保护环境 而且能大大节约投资成本 换热器由于其在化工 石油 动力和原子能等工业 部门的广泛应用 使得换热器的强化传热技术一直以来受到研究人员的重视 各种研究成 果不断涌现 1 换热器的分类方式换热器的分类方式 随着科学和生产技术的发展 各种换热器层出 不穷 难以对其进行具体 统一的划分 虽然如此 所有的换热器仍可按照它们的一些共同特征来加以区分 具体如下 按照用途来分 预热器 或加热器 冷却器 冷凝器 蒸发器等 按照制造热交换器的材料来分 金属的 陶瓷的 塑料的 石墨的 玻璃的等 按照温度状况来分 温度工况稳定的热交换器 热流大小以及在指定热交换区域内的温 度不随时间而变 温度工况不稳定的热交换器 传热面上的热流和温度都随时间改变 按照热流体与冷流体的流动方向来分 顺流式 逆流式 错流式 混流式 1 按照传送热量的方法来分 间壁式 混合式 蓄热式等三大类 其中间壁式换热器的 冷 热流体被固体间壁隔开 并通过间壁进行热量交换的换热器 因此又称表面式换热器 这类换热器应用最广 间壁式换热器根据传热面的结构不同可分为管式和板面式 管式换热器以管子表面作 为传热面 包括套管式换热器和管壳式换热器等 板面式换热器以板面作为传热面 包括 板式换热器 螺旋板换热器 板翅式换热器 板壳式换热器和伞板换热器等 2 管式换热器管式换热器 管式换热器主要有套管式换热器和管壳式换热器两种 2 1 套管式换热器套管式换热器 套管式换热器是将不同直径的两根管子套成的同心套管作为元件 然后把多个元件加 以连接而成的一种换热器 工作时两种流体以纯顺流或纯逆流方式流动 套管式换热器的 优点是 结构简单 适用于高温 高压流体 特别是小容量流体的传热 另外 只要做成 内管可以抽出的套管 就可清除污垢 所以它也使用于易生污垢的流体 他的主要缺点是 流动阻力大 金属消耗量多 管间接头较多 易发生泄露 而且体积大 占地面积大 故 多用于传热面积不大的换热器 2 2 管壳式换热器管壳式换热器 管壳式换热器又称为列管式换热器 是以封闭在壳体中管束的壁面作为传热面的间壁 式换热器 结构一般由壳体 传热管束 管板 折流板 挡板 和管箱等部件组成 目前 国内外工业生产中所用的换热设备中 管壳式换热器仍占主导地位 虽然它在换热效率 结构紧凑性和金属材料消耗等方面 不如其它新型换热设备 但它具有结构坚固 操作弹性 大 适应性强 可靠程度高 选材范围广 处理能力大 能承受高温高压等特点 所以在 工程中仍得到广泛应用 以下是几种常见的管壳式强化换热器 2 2 1 螺旋槽管换热器螺旋槽管换热器 螺旋槽管是一种管壁上具有外凸和内凹的异形管 流体流出管壁时在管壁附近诱发螺 旋流动 层流层减薄 同时壁表面起伏强化了流体湍流 加快了由壁面至流体主体的热量 传递 强化了传热过程 早期进行螺旋槽管研究的主要有美国 英国 日本 从 1970 1980 年进行了大量的研究 我国对螺旋槽管的实验研究起步也是较早的 华南理工 大学 北京理工大学和重庆大学都对螺旋槽管进行了试验研究 而且都取得显著的成效 2 目前 无论是从传热 流阻 阻垢性能 还是从无相变对流换热和有相变凝结换热 对螺 旋槽管的强化传热研究从理论到实际已达到较高水平 2 2 2 横纹管换热器横纹管换热器 1974 年前苏联首先提出横纹管 它是一种用普通圆管作毛胚 在管外壁经简单滚轧出与 轴线垂直的凹槽 同时在管内形成一圈突起的环肋 流体流经横纹管环槽处能频频发生边 界层分离而产生轴向旋涡 强化了流体湍流 旋涡不断生成 保持了连续而稳定的强化作 用 横纹管在我国研究较少 只有华南理工大学对此进行了试验研究 研究发现在相同流 速下 横纹管流阻比单头螺旋槽管的小 沈阳化工学院与辽宁冷热设备制造公司对横槽纹 管进行了开发研制 从而使横槽纹管与螺旋槽管换热器的应用得到同步发展 2 2 3 螺旋扁管换热器螺旋扁管换热器 螺旋扁管是瑞士 Allares 公司首先提出 美国Brown 公司经过改进的一种换热管 这种传热管由压扁和扭转两个过程制成 管子截面和形状都发生了变化 因而流体也随之 不断改变方向和速度 使湍流加强 边界层减薄 传热加强 我国梁龙虎经实验研究表明 螺旋扁管管内膜传热系数通常比普通圆管大幅度提高 在低雷诺数时最为明显 达 2 3 倍 随着雷诺数的增大 通常也可提高传热系数 50 以上 2 2 4 螺旋扭曲管换热器螺旋扭曲管换热器 近年来 螺旋式扭曲管的研制引起了国内外学者的关注 XYKAYCKARA 报道过一种高效 换热器 其换热管是螺旋式扭曲管 两端为圆形 管子与管子在椭圆长轴处相接触 相互 支撑而取消了支撑折流板 这样能保证装置的抗震性 且流体在管程和壳程都发生旋流 我国华南理工大学化机所和武汉化工学院化机系也开发了变截面扭曲管和混合管束 2 2 5 波纹管换热器波纹管换热器 波纹管换热器强化传热机理与螺旋扁管相一致 波纹管能起到温差补偿作用 省掉壳 体膨胀节 由于温差应力的作用 换热管能自动去掉表面污垢 使管表面不易产生污垢 具 有强化传热和除垢的双重功效 且结构简单紧凑 容易制造 投资少 热率高 故广泛应 用于汽 水 水 水换热领域 2 2 6 内翅片管换热器内翅片管换热器 3 内翅片管是一种带肋的壁面 1971 年美国首先提出内翅片管 用于强化管内单相流体的 传热 日本 前苏联等国也进行大量的研究工作 20 世纪 80 年代初 日本日立电缆有限 公司研制的翅片管冷凝器 其冷凝效率和螺纹管相比提高 3 倍以上 同时实验表明这种管 子抗油污能力也比较强 翅片管换热器无论对单相对流换热还是对相变对流换热都有很大 价值 尤其是当两侧换热系数相差 10 倍以上 用于卧式冷凝器强化有机蒸汽的冷凝最为优 越 翅片管换热器已广泛用于制冷 动力 能源中的冷凝器 空冷器 油冷却器 2 2 7 缩放管换热器缩放管换热器 缩放管是由依次交替的收缩段和扩张段组成的 波形管道 在扩张段中流速降低 静压 增加 而在收缩段中流速增加 静压减小 流体是在方向反复改变的轴向压力梯度下流动 扩张段产生的漩涡在收缩段中能有效地被利用 且冲刷了流体边界层 边界层减薄 强化 了传热 我国华南理工大学提出一种改型缩放管 将每个缩放单元段中的扩张段减到最小 并采用外凸圆弧 内凹弧和直线相连接的方式 同时还对该改进型管进行自然对流沸腾换 热特性的实验研究 表明了改进型缩放管的自然对流沸腾换热性能优于 普通缩放管 缩放管 换热器已在空气预热器 油冷却器 冷凝器 废热锅炉中广泛使用 3 板板面面式式换换热热器器 板面式换热器不同于一般传热面用管做的管式换热器 它们的共同特点是被用作传热 面的板是平板或稍带锥度的伞板 其上有各种凹凸条纹 或有各种不同断面形状的翅片当 流体流过板面时就会产生扰动 使边界层减薄造成湍流 从而获得较高的传热效率 相对 于管壳式换热器来说 它们具有传热效率高 结构紧凑 重量轻等优点 又由于流体在换 热器中无论进行并流 逆流 错流都可以 板片还可以根据传热面积的大小而增减 因此 适应性较大 应用日趋广泛 随着对板式换热器研究的不断深入 其形式也越来越多 3 1 板式换热器板式换热器 3 1 1 可拆式板式换热器可拆式板式换热器 可拆式板式换热器是将薄的金属板片冲压成为凸凹状 周边张贴合成橡胶类的密封垫 片 Laval 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 开发无粘接剂连接垫片的技术 使板 式换热器安装和维修的时间节约 80 我国板式换热器在 20 世纪 80 年代得到较大的发展 继四平板式换热器总厂 天津板式换热器厂开发单片面积 2m2 后 1992 年邯郸板式换热器 工贸公司试制成功国内最大的 300MN 板片专用压机 单片面积已达 2 7m2 可拆式板式换热 4 器便于拆卸清洗 增减换热器面积灵活 在供热工程中使用较多 但是 一般的可拆卸式 板式换热器由于本身结构的局限性 使用压力不超过 2 5MPa 使用温度不超过 250 此 外还存在流体与密封垫片的相容性问题 3 1 2 焊接式板式换热器焊接式板式换热器 用焊接结构替代橡胶垫密封 消除了由于垫片材料耐温 耐腐蚀 耐压方面的限制 焊接式板式换热器的组焊板片内部不能用机械方法清洗 且全焊式只能用于不易结垢的介 质进行换热 其最大优点是可承受较高温度和压力 没有垫片泄漏的顾虑 焊接式板式换 热器近年来得到很大发展 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 Packinox 换热器可用各种合金制成 能提供的表面积为 1000 10 000 m2 3 2 板壳式换热器板壳式换热器 欧美发达国家于 20 世纪 80 年代起开始竞相开发 研制各种型式的板壳式换热器 板 壳式换热器的基本结构与板式换热器相似 但板间距增大 取消了垫片 改用焊接法连接 各板 形成通道 板壳式换热器最适合于介质清沽 换热量大和压降小的场合 法国 Packinox 公司于 20 世纪 80 年代首次在催化重整装置中用一台大型板壳式换热器替代传统 的管壳式换热器组 20 世纪 90 年代末期 Packinox 公司又将大型板壳式换热器用于加氢 装置 该公司的产品得到 UOP 美国联合油 的认证 而板壳式换热器在中国起步比较晚 1999 年兰州石油机械研究所研制成功大型板壳式换热器 并于 1999 年 5 月 8 日通过中国石 化总公司鉴定 3 3 螺旋板式换热器螺旋板式换热器 螺旋板式换热器在国外较早使用在回收废液和废气中的能量等 螺旋板式换热器的构 造包括螺旋形传热板 隔板 头盖和连接管等基本部件 流体在螺旋形流道内的流动所产 生的离心力 使流体在流道内外侧之间形成二次环流 增加扰动 螺旋板式换热器具有体 积小 效率高 制造简单 成本较低 能进行地温差换热等优点 目前的问题是如何能进 一步提高该换热器的承压能力 我国从 20 世纪 60 年代开始生产螺旋板式换热器 当时主 要用于烧碱厂中的电解液加热和浓碱液冷却 如今螺旋板式换热器在我国已形成规模 国 家已制定了配套的技术标准 设计制造技术在我国业已成熟 5 3 4 板翅式换热器板翅式换热器 在 20 世纪 30 年代 板翅式换热器首先在先进国家用于发动机的散热 它的板束单元 结构由翅片 隔板和封条三部分组成 它具有扩展的二次传热表面 翅片 所以传热过 程不仅是在一次传热表面 隔板 上进行 而且同时也在二次传热表面上进行 我国从 20 世纪 60 年代初期开始试制板翅式换热器 首先用于空分制氧 制成了第一套板翅式空分设 备 近几年来 在产品结构 翅片规格 生产工艺和设计 科研方面都有较大发展 板翅 式换热器由于结构紧凑 轻巧 传热强度高等特点 被认为是最有发展前途的新型换热器 设备之一 4 热热管管换换热热器器 热管换热器是一种高效传热的新型换热器 在 20 世纪 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 热管换热器主要由箱 体 管板 热管元 件组成 其中热管是其关键元件 热管是一种充填了适量工作介质的真 空密封容器 当热量传入热管的蒸发段时 工作介质吸热蒸发流向冷凝段 在那里蒸汽被 冷却 释放出汽化潜热 冷凝变成液体 然后在多孔吸液芯的毛细力或重力的作用下返回 蒸发段 如此反复循环 通过工质的相变和传质实现热量的高效传递 热管换热器的最大 特点是结构简单 换热效率高 在传递相同热量的条件下制造热管换热器的金属耗量少于 其它类型的换热器 经过 20 多年的努力 我国先后开发成功了气 气热管换热器 热管蒸 汽发生器 废热锅炉 高温热管 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 5 结结 语语 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 我国是世 界最重要换热 散热 冷却设备市场 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 在炼油厂中换热器约占全部工艺设备的 40 海水淡化工艺装置则 几乎全部是由换热器组成的 目前世界各国在换热器理论研究 新技术和新产品开发方面 已经进入高层次的探索阶段 涉及领域很广 虽然近年来我国加大了对各种换热器的研发 但在一些高效换热器领域方面与发达国家还存在一定差距 因此 我国应借鉴国外先进换 热器技术 努力赶上国际先进水平 6 参参 考考 文文 献献 1 张立强 张及瑞 杨春光 等 当代国内外高效传热设备发展现状 J 无机化工信息 2003 3 14 17 2 马晓驰 国内外新型高效换热器 J 化工进展 2001 1 49 51 3 李安军 邢桂菊 周丽雯 换热器强化传热技术的研究进展 J 冶 金能源 2008 27 1 50 54 4 张平亮 新型换热器及其技术进展 J 炼油技术与工程 2007 37 1 25 29 5 朱跃钊 廖传华 史勇春 传热过程与设备 M 北京 中国石化出版社 2008 51 160 6 Shah R K Thononb B Benforado D M Opportunities for heat exchanger applications in environ