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換熱器在國民經濟和化工生產領域中對產品質量、能量利用率以及系統(tǒng)經濟性、可靠性起著舉足輕重的作用因此開發(fā)新型高效和結構緊湊的換熱器是目前換熱器研究的一個重要方向。因此,幾十年來,高效換熱器的開發(fā)與研究始終是人們關注的課題,國內外先后推出了一系列新型高效換熱器及換熱機組。
1·新型高效換熱器簡介
1.1氣動噴涂翅片管換熱器
俄羅斯提出了一種先進方法,即氣動噴涂法,來提高翅片化表面的性能。其實質是采用高速的冷的或稍微加溫的含微粒的流體給翅片表面噴鍍粉末粒子。用該方法不僅可噴涂金屬還能金屬陶瓷混合物,從而得到各種不同性能的表面。通常在實踐中翅片底面的接觸阻力是限制管子加裝翅片的因素之一。
為了評估翅片管換熱器元件進行了試驗研究。試驗是采用在翅片表面噴涂AC-鋁,并添加了24A白色電爐氧化鋁。將試驗所得數(shù)據(jù)加以整理,便可評估翅片底面的接觸阻力。
將研究的翅片的效率與計算數(shù)據(jù)進行比較,得出的結論是:氣動噴涂翅片的底面的接觸阻力對效率無實質性影響。為了證實這一點,又對管子與翅片的過渡區(qū)進行了金相結構分析。對過渡區(qū)試片的分析表明,連接邊界的整個長度上無不嚴密性的微裂紋。所以,氣動噴涂法促進表面與基本相互作用的分支邊界的形成,能促進粉末粒子向基體的滲透,這就說明了附著強度高,有物理接觸和金屬鏈形成。因而,氣動噴涂法不但可用于成型,還可用來將按普通方法制造的翅片固定在熱換器管子的表面上,也可用來對普通翅片的底面進行補充加固。可以預計,氣動噴涂法在緊湊高效的換熱器生產中將會得到廣泛應用[1]。
1.2焊接式板式換熱器
用焊接結構替代橡膠墊密封,全焊式和半焊式板式換熱器的出現(xiàn),消除了由于墊片材料耐溫、耐腐蝕、耐壓方面的限制。對于腐蝕介質使用板式換熱器,近年來得到很大發(fā)展。德國與日本合作的千代田混合焊接板式換熱器,操作壓力可從真空到6,操作溫度200℃~900℃,單臺換熱面積F為3m2~2000m2?？捎糜跉?/font>-氣、氣-液、液-液的換熱和蒸氣的冷凝。
美國VICARB公司在1989年開發(fā)COMPBLOC焊接式板式換熱器,是一種緊湊、高效、具有專利技術的換熱器。如圖1所示,這種換熱器由焊接板束、鋼框和面板等組裝而成,是一種四面體結構。板束采用精密壓制、自動焊接制造,立柱襯里采用電阻焊接,換熱器的“核心”由焊接波紋板板束、立柱襯里和頂部、底部蓋板襯里組成,螺栓連接框架由四根立柱和頂部、底部蓋板以及4個帶有接管的面板組成。其耐壓耐溫達3.2MPa和300℃,單臺F為1.5m2~300m2,單臺板片數(shù)為25~500,冷熱介質錯流排列。由于COMPABLOC焊接板式換熱器的傳熱性能好且使用溫度和壓力較高,所以可十分經濟地用這種換熱器取代在相應溫度范圍內使用的管殼式換熱器。用于油氣加工工業(yè),可用作原油冷卻器、塔頂冷凝器等,還可用于其他多種工業(yè)加工過程[2-3]。
1.3螺旋折流板換熱器
螺旋折流板換熱器(圖2)是最新發(fā)展起來的一種管殼式換熱器,是由美國ABB公司提出的。在列管換熱器中,殼程通常是一個薄弱環(huán)節(jié)。美國ABB公司提出了一種全新方案,采用螺旋狀折流板。其基本原理為:將圓截面的特制板安裝在“擬螺旋折流系統(tǒng)”中,每塊折流板占換熱器殼程中橫剖面的1/4,其傾角朝向換熱器的軸線,即與換熱器軸線保持一定傾斜度。相鄰折流板的周邊相接,與外圓處成連續(xù)螺旋狀。每個折流板與殼程流體的流動方向成一定的角度,使殼程流體做螺旋運動,能減少管板與殼體之間易結垢的死角,從而提高了換熱效率。由于介質呈螺旋式流動,在徑向產生速度梯度,形成徑向湍流,徹底改變了弓形折流板換熱器的流體流動方式和流場分布,減薄了傳熱管表面滯流底層的厚度,提高了傳熱膜系數(shù),消除了弓形板的傳熱死區(qū),使殼程的傳熱狀態(tài)大為改善。此外,螺旋折流板結構可以滿足的工藝條件很寬,設計方面具有很大的靈活性,可針對各種特殊的工藝條件選擇最佳的螺旋角。
1.4新型麻花管換熱器
瑞典Alares公司開發(fā)了一種扁管換熱器,通常稱為麻花管換熱器。螺旋扁管的制造過程包括了“壓扁”與“熱扭”兩個工序。改進后的麻花管換熱器同傳統(tǒng)的管殼式換熱器一樣簡單,但改進了傳熱,減少了結垢,真正的逆流,降低了成本,無振動,節(jié)省了空間,無折流元件。由于管子結構獨特使管程與殼程同時處于螺旋運動,促進了湍流程度。該換熱器總傳熱系數(shù)較常規(guī)換熱器高40%,而壓力降幾乎相等。組裝換熱器時也可采用螺旋扁管與光管混合方式。該換熱器嚴格按照ASME標準制造,凡是用管殼式換熱器和傳統(tǒng)裝置之處均可用此種換熱器取代,它能獲得普通管殼式換熱器和板框式傳熱設備所獲得的最佳值,估計在化工、石油化工行業(yè)中具有廣闊的應用前景[4]。
1.5Hitan繞絲花環(huán)換熱器
該型換熱器是英國CalGavinLtd公司開發(fā)的一種新產品,采用一種稱之為Hitanmatrixelements的絲狀花內插物,可使流體在低速下產生徑向位移和螺旋流相疊加的三維復雜流動,可提高誘發(fā)湍流和增強沿溫度梯度方向上的流體擾動,能在不增加阻力的條件下大大提高傳熱系數(shù)。
內插件不僅可以促進管內流體形成湍流,同時可以擴大傳熱面積,提高傳熱效率。目前,管內內插物主要是利用各種金屬的條、帶、片和絲等繞制或扭曲成螺旋形,如麻花鐵、螺旋線、螺旋帶及螺旋片等,或沖成帶有缺口的插入帶。英國CalGavin公司研制出了一種叫Heatex的內插件。這種內插件由一組延伸至管壁的圓芯體組成,它可使管側傳熱效率提高2~15倍。該公司還開發(fā)了一種叫Hitran的絲網內插件,將這種內插件用于液體工況,可使管殼式換熱器管程傳熱效率提高25倍,用于氣體工況,可使相應值提高5倍。同時,與正常流速相比,這種內插件使換熱管的防垢能力提高8~10倍。
2·換熱器技術的發(fā)展前景
2.1用于整體裝置設計的數(shù)據(jù)庫技術傳統(tǒng)的整體裝置設計任務是由各個部門的工作小組分別對其中的某一項進行設計,并通過設計說明書相互聯(lián)系來完成的,而最近發(fā)展起來用于整體裝置設計的數(shù)據(jù)庫技術,可以使這種繁重的任務變得簡單起來。通過數(shù)據(jù)庫系統(tǒng),不同類型的設計應用軟件可以有機地形成一個整體,設計者只需通過數(shù)據(jù)庫操作系統(tǒng)向應用軟件中輸入相關參數(shù),便可得到更多的關于設計任務的數(shù)據(jù),并且這些數(shù)據(jù)可以反饋到數(shù)據(jù)庫中。隨著CAD軟件包和數(shù)據(jù)庫技術的發(fā)展,用于整體裝置設計的數(shù)據(jù)庫技術必定會代替手工計算設計方法。
2.2計算流體力學(CFD)和模型化設計的應用
在換熱器的熱流分析中,引入計算機技術,對換熱器中介質的復雜流動過程進行定量的模擬仿真。目前,基于計算機技術的熱流分析已經用于自然對流、剝離流、振動流和湍流熱傳導等的直接模擬仿真,以及對輻射傳熱、多相流和稠液流的機理仿真模擬等方面。在此基礎上,在換熱器的模型設計和設計開發(fā)中,利用CFD的分析結果和相對應的模型實驗數(shù)據(jù),使用計算機對換熱器進行更為精確和細致的設計。
2.3換熱器強化傳熱技術的發(fā)展
以采用強化傳熱元件和改進換熱器結構為主的強化傳熱技術是一種能顯著改善換熱器傳熱性能的節(jié)能技術。根據(jù)傳熱物流條件的不同情況,殼程傳熱強化的研究必然與強化傳熱管的優(yōu)化組合相聯(lián)系,這是今后換熱器強化傳熱技術發(fā)展的方向。
3·結束語
目前,世界各國在換熱器理論研究、新技術和新產品開發(fā)方面已經進人高層次的探索階段,涉及領域很廣。換熱器的新技術得到了實用化,并進一步擴大其適用范圍,具有高效、低耗、性能優(yōu)越的新型換熱器將推廣應用,我國應借鑒國外先進換熱器技術,努力趕上國際先進水平。
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