我国拆装式板式换热器的应用现状与发展趋势

我国拆装式板式换热器的应用现状与发展趋势

拆卸式换热器是一种高效、能耗的换热装置。它具有传热效率高、质量轻、占地面积小、维护方便等优点。主要用于石油、化工、饮料、医药、城市集中供热、轻工、纺织、造纸、油脂、船舶、冶金、动力(包括核电站)以及近海工程等领域。自2000年以来,我国可拆卸板式换热器的设计和制造水平有很大提高,品种规格也不断完善,应用范围不断拓宽。但与国外的应用情况及发展趋势比较,我国产品还有较大的差距。1当前1.1板式换热器roi自进入21世纪以来,常规对称形、非对称形、高NTU型(浅密波纹型)、免粘型、宽流道型、板式蒸发器、板式冷凝器等国外已有的可拆卸板式换热器均已实现国产化,且已成功应用于不同的领域,其品种、规格见表1。目前,国内80%的企业仍以生产技术含量不高的常规普通型产品为主,与国际先进水平相比,我国产品在特殊品种方面还较缺乏,如性能先进的新型板式蒸发器、超大处理量的板式冷凝器以及特殊用途的激光半焊接产品等。国内只有个别企业开发了DN400、DN450或DN500的大角孔、大处理量的板式换热器,但尚未形成系列,产量有限,且产品的性能水平、可靠性仍有待提高,尤其是受平板硫化机的限制,无法生产单张板片面积大于3.0m2的垫片。而国外单张板片的最大换热面积已达到3.8m2,板片最小厚度为0.4mm,单台换热器最大换热面积可达3000m2(国内为1500m2),单台换热器组装板片数可达1000张(国内为600张)。板式冷凝器角孔最大公称直径为1400mm,蒸汽处理量可达40×104m3/h;板式蒸发器角孔最大公称直径为700mm,介质蒸发量已达100t/h。1.2弹性板片条纹受密封垫片性能的影响,目前国内可拆卸板式换热器的最高设计温度为180℃,最大设计压力为2.5MPa。板片波纹形式仍以人字形为主,各企业的板型均配备软硬板,可实现热混合设计,其NTU最大为5(国外最高可达7),可实现的末端最小温差为1℃(国外为0.5℃)。介质为水-水逆流运行、定性温度40℃、板间流速0.5m/s下的传热系数可达5000～6500W/(m2·K),接近国际先进水平。1.3气体用量占比较由于板片为模具冷压成型,因而能够进行冷拉(压)成型的材料方能用于板式换热器板片,目前国内板式换热器板片所用材质主要为常规300系列奥氏体不锈钢且以304、316L为主,其用量占全年总量的80%以上。对于国外已大量使用的904L、254SMO、654SMO等超级奥氏体不锈钢,国内应用较少,且仅限于254SMO或同等级别的185N、AL-6XN,诸如钛-钯合金、镍及其合金等特殊昂贵材料用量非常少,对于国外已成功使用的钽金属,国内至今仍未使用。我国可拆卸板式换热器板片所用材料见表2。1.4物理性能指标密封垫片是可拆卸板式换热器各主要零件中最薄弱的环节,其质量的好坏对耐压和耐温能力、可靠性和适用范围等均有明显影响。国内密封垫片制造企业经过近几年的技术革新及内部质量控制,生产的垫片外观质量和几何尺寸的精度已达到国际先进水平,但仍有不小差距,主要表现在:①物理性能指标较低。如耐温、耐老化、高温压缩永久变形、抗撕裂等性能有待进一步提高。②质量波动较大,随批次而变。③品种少。例如,应用于水、汽等一般介质的密封垫片的配方、硫化工艺较成熟,但缺少耐温性能好的丁腈橡胶(NBR)、三元乙丙橡胶(EPDM)和(膨胀)石墨垫片。没有耐腐蚀、抗蠕变性能好的包覆聚四氟乙烯(PTFE)密封垫片。从事密封垫片几何结构设计的人员对板式换热器的板形结构不了解,对密封垫片的几何形状和压缩量不能进行合理的控制,因而会影响垫片的使用和寿命(形状过大宜造成板片变形,过小则会缩短密封寿命)。此外,设计人员也不能根据不同的垫片槽形状设计相应结构的垫片,也不注意及时跟踪板式换热器最新板型的进展,造成板片结构已改变,但垫片的结构没有变化。1.5性能有待提高板式换热器的制造质量主要体现在换热板片的成型精度,其成型精度的高低会严重影响整台产品的承压、传热与流阻特性等综合性能,尽管文献已规定了换热板片的成型偏差在其单板公称换热面积不大于0.3m2、0.3～1.0m2、大于1.0m2时分别为±0.10mm、±0.15mm、±0.20mm,此规定远比国外各公司±0.10mm的要求低,但国内部分企业仍达不到此要求,严重者超差±0.50mm。同时还存在板片压痕明显、外观质量较差及波纹变形等问题。由于换热板片的精度欠佳及其与垫片的不合理匹配致使产品整机承压能力下降或整机换热面积无法提高,同时也影响了运行时的传热与流阻特性,增加了产品应用的局限性及不良影响。国内企业目前已普遍意识到对产品外观质量的提高与改善,但对内在质量的控制重视不够。主要存问题如下。(1)液压控制元件质量差板片成型的关键设备板片专用油压机的精度与可靠性均不高,如结构不合理、整体钢性弱,压制板片加压时,油压机上、下工作台首先变形,因而造成板片成型深度不均匀。由于油压机液压控制元件质量差,漏油现象严重,致使设备无法长时间运行在额定工作压力下。另外,国内板片主要使用20000t以下的油压机压制,而用于大板型或超大板型成型的30000t、40000t油压机的精度、可靠性更低,造成大规格板型的发展受到限制。(2)模的间隙控制不合理造成板片成型精度低的另一个原因是板片压制模具结构不合理或精度达不到要求,这是由于我国产品的设计与模具的制造脱钩,产品设计者对模具的设计和制造要求不高,对上、下模的间隙控制不合理,对板片的压型回弹考虑不全面,造成所加工的模具不能准确反映设计意图,偏离设计要求。表现在波纹的几何形状改变,严重者梯形波纹形状已呈锯齿形,板片减薄量过大,压制如钛、镍等特殊板材的合格率较低。国内普遍缺乏高水平的模具设计及加工人员,且加工手段落后,部分企业仍采用数控铣床加工模具,只有个别加工企业完全采用数控加工中心,而国外著名大公司均采用高转速(20000r/min)、高性能的专用加工中心及高质量的刀具来完成模具的加工,保证了模具的加工精度及使用寿命。1.6行业发展的拓展我国可拆卸板式换热器主要应用于城市集中供热、石油、化工、轻工、冶金和电力等行业中温度、压力、介质不是非常苛刻的工况,其中每年用于城市集中供热的可拆卸板式换热器台数约占产品总数的70%。尽管近几年新的板型不断问世,应用领域随之拓展,如高NTU值板片的问世,使我国产品进入了传热温差1℃的制冷空调领域;宽间隙板片的问世,使我国产品进入了酒精、制糖等粘性、颗粒性介质行业。但在核电、冶金、电力、船舶等大型产品及特殊板材需求量较大的领域仍然应用较少,主要原因是高技术含量产品的品种规格不全、质量性能水平低、可靠性不高以及工艺选型计算不准确等。2问题2.1技术选择水平低(1)产品的选型不合理不能根据工况条件正确选择板型、板片材料以及密封垫片材料。由于计算选型的经验较少,因而造成产品的选型计算不合理,安全裕量往往过大或过小,使产品不能运行在最佳状态,造成使用效果不理想,导致有些领域用户对产品的质量产生怀疑,应用范围受到限制。(2)缺乏先进的设计计算方法国内近一半的企业已使用软件进行选型,但绝大多数仅限于水-水工况,对于一些存在相变或特殊介质的工况只能凭经验估算,缺乏先进的设计计算方法、软件及配套的数据库。2.2对产品结构性能和模型的测定不到位板式换热器综合性能的好坏以及设计、制造的产品能否适合用户工况的要求,其基本依据就是试验测定的准数方程式。文献规定,每种型式的产品应进行热工性能和流体阻力特性测定。但国内企业普遍不重视试验研究工作,部分企业迫于项目招投标的要求,对产品进行热工测试,但并未对试验数据及准则方程式进行分析或有效利用。国外知名企业如ALFALAVAL、APV、GEA等公司,均设有专门的产品研发中心,每年投入销售额2%～3%的费用于对现有产品的完善以及对新产品的试验研究。2.3低创新能力(1)没有掌握的核心技术①部分企业不设技术部门或无技术人员。②板型设计水平低,没有掌握板型设计的核心技术,多为模仿或抄袭。③大部分企业产品的开发仅局限于框架设计,能够从事产品开发及模具设计的技术人员太少,高水平的研发人才更为稀缺。(2)行业规模小由于可拆卸板式换热器生产设备简单、投资小,因此生产企业很多且企业规模过小,企业间多为低水平、低价格的恶性竞争,从而造成了整个行业科研投入严重不足,不仅影响新产品的开发,而且导致技术人员不能稳定地从事板式换热器的设计开发工作,这也是高水平研发人才稀缺的根本原因。3发展趋势3.1板式换热器①大规格。随着工程项目大型化、装置大型化的发展要求,大面积换热器的使用需求增加,尤其是核电、冶金、电力、船舶、大型集中供热等领域对大角孔、大处理量、大装机容量的板式换热器需求量逐年在增加,因此角孔大于DN350mm、单片换热面积大于2.0m2的产品将不断面世。②多品种。在彻底淘汰、更新原有常规板形后,技术含量较高的板式蒸发器、板式冷凝器、宽间隙板式换热器、超高NTU值板式换热器及半焊接板式换热器将成为各企业关注的重点。③系列化。单一品种、单一规格已远不能满足多样化的市场需求,实现同一品种多种规格、多个NTU值、板片多种组合形式、多种板材应用等,提高产品的适用性,更合理的满足用户需求,将成为今后几年的发展趋势。3.2高性能、高可靠性和低成本(1)高性能同等条件下产品能够承受高的压力水平、大的装机容量,同时具有优良的传热与较低的流阻。(2)高可靠性产品在压力波动、温度波动、大面积、长周期运行时应具有高可靠性。(3)减少试验项目的成本,提高产品的竞争力通过提高板片的刚性、降低板片的厚度、提高材料利用率、简化加工工序以及压紧板、夹紧螺柱等受压元件科学合理的设计计算来降低成本,提高产品竞争力。3.3加强行业技术合作与交流,将信息分散利用,有利于生产规模化发展企业分工细化将成为一种趋势,大而全、小而全的换热器生产企业将分离成专业的垫片生产、框架生产、专用紧固件生产、粘接剂生产企业。这样可以将分散、有限的资金和科研经费充分利用,有