新型换热设备及应用

新型换热设备及应用 化工机械专题 姓 名: 孙启迪 学 号: 132080706019 学 院: 石油化工学院 专 业: 化工过程机械 兰州理工大学石油化工学院(毕业论文) 新型换热设备及应用 孙启迪 (兰州理工大学,石油化工学院，兰州，730050，中国) 摘要:本文从换热设备的换热原理出发，介绍了新型换热设备在国内外的发展状况，将换热设备从不同方式进行分类及定义。并从工作原理、结构、材料、优缺点、发展前景等方面，对几种常用换热设备进行了详细介绍。针对新型换热设备在工作中出现的问题，提出了强化换热技术，不同的强化换热技术手段及其应用。 关键字:新型换热设备;换热器;汽化器;强化传热技术 i 兰州理工大学石油化工学院(毕业论文) 目录 1 引言 ...................................................................................................................... 1 2新型换热设备在国内外的发展 ................................................................................ 1 2.1新型换热设备在国内的发展 .......................................................................... 1 2.2新型换热设备在国外的发展 .......................................................................... 1 3不同类型的换热设备简介 ....................................................................................... 2 3.1 不同类型换热器的简介 ................................................................................ 2 3.2不同类型汽化器简介 ..................................................................................... 5 4新型换热设备所面临的问题 .................................................................................... 7 4.1设备堵塞 ...................................................................................................... 7 [11]4.2结垢.......................................................................................................... 7 4.3 密封失效 ..................................................................................................... 7 4.4腐蚀 ............................................................................................................. 8 4.5其他问题 ...................................................................................................... 8 5强化传热 ................................................................................................................ 9 5.1强化传热技术的出现 ..................................................................................... 9 5.2强化传热技术及应用 ..................................................................................... 9 6结论 ..................................................................................................................... 11 致谢........................................................................................................................ 12 参考文献................................................................................................................. 12 ii 兰州理工大学石油化工学院(毕业论文) 1 引言 换热设备是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，又称热交换设备。换热设备是化工,石油,动力,食品及其它许多工业部门的通用设备,在生产中占有重要地位.在化工生产中换热器可作为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等,应用更加广泛。 随着现代新工艺、新技术、新材料的不断发展和能源问题的日益严重，必然带来更多高性能、高参数换热设备的需求。换热设备的性能对产品质量、能量利用率以及系统的经济型和可靠性起着重要的作用，甚至是决定性的作用。目前在发达的工业国家热回收率已经高达 [1]96%，换热设备在石油炼厂中约占全部工艺设备投资的35%-40%。其中管壳式换热器仍占绝 [1][1]对的优势，约70%。其余30%为各类高效紧凑型换热器、新型热管和蓄热器等设备，其中板式、板翅式、热管及各类高效传热元件的发展十分迅速。随着工业装置的大型化和高效率化，换热器也趋向大型化，并向低温差设计和低压力损失设计的方向发展。当今换热器的发展以CFD、模型化技术、强化传热技术及新型换热器开发形成了一个高技术体系。 2新型换热设备在国内外的发展 2.1新型换热设备在国内的发展 目前，我国换热器产业的市场规模大概为420亿人民币。基于石油、化工、电力、冶金、船舶、机械、食品、制药等行业对换热器稳定的需求增长，我国换热器产业在未来一段时期内将保持稳定增长。预计2010年至2020年期间，我国换热器产业将保持年均10-15%左右的速度增长。到2015年，我国换热器产业规模将突破880亿元;到2020年我国换热器产业规模有望达到1500亿元。 按照产品的不同，我国换热器产业市场竞争主要集中在四大产品领域。板式换热器领域，国内外竞争激烈，大量的外资企业已完成在中国的布局。其中，四平巨元瀚洋、兰石换热设备、四平威克斯是我国板式换热器领域内资企业的龙头企业，其板式换热器年产值都在2亿以上。管壳式换热器领域我国生产企业众多且规模较小。其中，抚顺机械设备制造有限公司、兰石集团炼化设备有限公司、中石化南京化工机械是我国内资管壳式换热器的领头企业。空冷式换热器领域，哈空调是我国最大的空冷式换热器生产企业。此外江苏双良股份、国电集团北京龙源冷却技术有限公司、四川简阳空冷器、兰科高新、兰州兰石集团长征机械、西安大秦化工机械、湖北长江石化设备、江阴电力设备冷却器公司等企业也具有一定的竞争力。板翅式换热器领域，杭州杭氧股份和开封空分集团是我国石油化工领域著名的板翅式换热器企业，浙江银轮股份、贵州永红航空机械、无锡马山永红换热器则是我国汽车、工程机械、农业机械行业油冷器中冷器领域的著名换热器企业。 2.2新型换热设备在国外的发展 国外推出的新型换热器有:ABB公司的螺旋折流板换热器、Hamon Lummus 公司的SRCTM空冷式冷凝器、Packinox换热器、NTIW列管式换热器、英国Cal Gavin 公司的丝状花内插物换热器、日本的Hybrid 混合式换热器，俄罗斯的变形翅片管换热器、喷涂翅片管冷却器、非钎焊金属丝缠绕翅片管换热器和螺旋绕管式换热器、美国Chemineer公司的 1 兰州理工大学石油化工学院(毕业论文) Kenics换热器、日本的SM型换热器(内插静态混合器)、美国的Brown Fintube Ltd.的带扭带插入物的湍流增强式换热器和麻花扁管换热器、美国Yuba公司的Hemilok? R换热器、澳大利亚Roach Heat Exchangers公司的柔性换热器等。此外，还有日本日阪制作所生产的世 3界单台最大处理能力为5000 m,h的UX-100型板式换热器、 法国Nordon Cryogenie S.N.C. 23公司生产的6900 mm×1525 mm×1300 mm (长×宽×高)换热面为1500 m,m的板翅式换热器、英国Michael Webb Process Equipment Supply公司的提箱式全焊板式换热器和其他各种紧凑式换热器(包括半焊式和全焊式板式换热器)、美国传热公司的FIVER-ROD式防振结构换热器。更值一提的是在今年欧洲化工设备展览会上，法国Le Carbone公司还推出了1种称为新奇换热器，它是一种防腐的钽制换热器，光滑如玻璃，供制药工业用，配有防污平管板，避免了任何污物在管接合处聚积。 3不同类型的换热设备简介 3.1 不同类型换热器的简介 换热器是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，即在一个大的密闭容器内装上水或其他介质，而在容器内有管道穿过。让热水从管道内流过。由于管道内热水和容器内冷热水的温度差，会形成热交换，也就是初中物理的热平衡，高温物体的热量总是向低温物体传递， 。 这样就把管道里水的热量交换给了容器内的冷水，换热器又称热交换器 3.1.1换热器的分类 换热器的分类良多，可以按传热原理、结构和用途等进行分类。 1) 按传热原理可分为 , 表面式换热器:表面式换热器是温度不同的两种流体在被壁面分开的空间里流动，通过 壁面的导热和流体在在壁表面对流，两种流体之间进行换热。表面式换热器有管壳式、 套管式和其他形式的换热器。 , 蓄热式换热器:蓄热式换热器通过固体物质构成的蓄热体，把热量从高温流体传递给低 温流体，热介质先通过加热固体物质达到一定温度后，冷介质再通过固体物质被加热， 使之达到热量传递的目的。蓄热式换热器有旋转式、阀门切换式等。 , 流体连接间接式换热器:流体连接间接式换热器，是把两个表面换热器由其中循环的热 载体连接起来的换热器，热载体在高温流体换热器和低温流体之间循环，在高温流体接 受热量，在低温流体换热器把热量释放给低温流体。 , 直接接触式换热器:直接接触式换热器是两种流体直接接触进行换热的设备，例如，冷 水塔、气体冷凝器等。 2) 按用途可分 , 加热器:加热器是把流体加热到必要的温度，但加热流体没有发生相的变化。 , 预热器:预热器先加热流体，为工序操作提供标准的工艺参数。 , 过热器:过热器用于把流体(工艺或蒸汽)加热到过热状态。 , 蒸发器:蒸发器用于加热流体，达到沸点以上温度，使其流体蒸发，一般有相的变化。 3) 按结构可分为:管壳式换热器和板式换热器。 [2]4) 按制造材料可分为:金属的、陶瓷的、塑料的、石墨的、玻璃的等。 2 兰州理工大学石油化工学院(毕业论文) 5) 按温度状况可分为 , 温度工况稳定的热交换器，热流大小以及在制定热交换区域内的温度不随时间而变。 [2], 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而变化。 3.1.2国内应用最广的换热器 1) 管壳式换热器 管壳式换热器又可分为固定管板式、U形管式、浮头式及填料函式，管壳式换热器是进行热交换操作的通用工艺设备,广泛应用于化工、石油、石油化工、电力、轻工、冶金、原 [3]子能、造船、航空、供热等工业部门中。特别是在石油炼制和化学加工装置中，占有极其重要的地位。管壳式换热器 又称列管式换热器。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。这种换热器具有结构较简单，操作可靠，单位体积设备所能提供的传热面积大，传热效果好，可用各种结构材料制造，操作弹性大，能在高温、高压下使用等优点，是目前应用最广的类型。 管壳式换热器由壳体、传热管束、管板、折流板(挡板)和管箱等部件组成。壳体多为圆筒形，内部装有管束，管束两端固定在管板上。进行换热的冷热两种流体，一种在管内流动，称为管程流体;另一种在管外流动，称为壳程流体。为提高管外流体的传热分系数，通常在壳体内安装若干挡板。挡板可提高壳程流体速度，迫使流体按规定路程多次横向通过管束，增强流体湍流程度。换热管在管板上可按等边三角形或正方形排列。等边三角形排列较紧凑，管外流体湍动程度高，传热分系数大;正方形排列则管外清洗方便，适用于易结垢的流体。流体每通过管束一次称为一个管程;每通过壳体一次称为一个壳程。图示为最简单的单壳程单管程换热器,简称为1-1型换热器。为提高管内流体速度,可在两端管箱内设置隔板，将全部管子均分成若干组。这样流体每次只通过部分管子，因而在管束中往返多次，这称为多管程。同样，为提高管外流速，也可在壳体内安装纵向挡板，迫使流体多次通过壳体空间，称为多壳程。多管程与多壳程可配合应用。 , 管板式换热器 管板式换热器主要有外壳、管板、管束、封头压盖等部件组成。管板式换热器的结构特点是在壳体中设置有管束，管束两端用焊接或胀接的方法将管子固定在管板上，两端管板直接和壳体焊接在一起，壳程的进出口管直接焊在壳体上，管板外圆周和封头法兰用螺栓紧固，管程的进出口管直接和封头焊在一起，管束内根据换热管的长度设置了若干块折流板。管板式换热器的两端管板和壳体制成一体，当两流体的温度差较大时，在外壳的适当位置上焊上一个补偿圈(或膨胀节)。当壳体和管束热膨胀不同时，补偿圈发生缓慢的弹性变形来补偿 [3]因温差应力引起的热膨胀。 管板式换热器的优点有:结构简单，制造成本低;管程清洗方便;管程可以分成多程，壳程也可以分成双程;规格范围广，故在工程上广泛应用。缺点有:壳体和管壁的温差较大，易产生温差力;壳程无法清洗，管子腐蚀后连同壳体报废，设备寿命较低，不适用于壳程易结垢场合;壳程清洗困难，对于较脏或有腐蚀性的介质不宜采用。 2)板式换热器 板式换热器又分为螺旋板式、板片式和板翅式三种，板式换热器由高效传热波纹板片及框架组成。板片由螺栓夹紧在固定压紧板及活动压紧板之间，在换热器内部就构成了许多流 3 兰州理工大学石油化工学院(毕业论文) 道，板与板之间用橡胶密封。压紧板上有本设备与外部连接的接管。板片用优质耐腐蚀金属薄板由各种不同形式的磨具压成形状各异的波纹，并在板片的四个角上开有角孔，用于介质的流道。板片的周边及角孔处用橡胶垫片加以密封。 , 板翅式换热器 板翅式换热器主要由板束和封头等构成。板束中有若干通道。在每层通道的两平板间放置翅片，并在两侧用封条密封。根据流体流动方式不同，冷、热流体通道间隔迭置、排列并钎焊成整体，即制成板束。A、B流体分别由入口封头经一分配段的导流片导入各自的板束通道，再经另一分配段的导流片导至出口封头而引出，两流体呈逆流间壁换热。两流体流动方式有逆流、错流和错逆流等。 板翅式换热器的优点有:传热效率高，温度控制性好，翅片的特殊结构，使流体形成强烈湍流，从而有效降低热阻，提高传热效率，传热效率与功耗比低，可精确控制介质温度; 23结构紧凑，传热面积密度可高达17300 m/m，一般为管壳式换热器的6-10倍，最大可达几十倍;轻巧、经济性好，翅片很薄，而结构很紧凑、体积小、又可用铝合金制造，因而重量很轻(可比管壳式换热器降低80%)，故成本低;可靠性高，全钎焊结构，杜绝了泄漏可能[4][5]性。同时，翅片兼具传热面和支撑作用，故强度高;灵活性及适应性大，两侧的传热面积密度可以相差一个数量级以上、可以组织多股流体换热，每股流的流道数和流道长都可不同。缺点有:流道狭小，容易引起堵塞而增大压降;当换热器结垢以后，清洗比较困难，因此要求介质比较干净;铝板翅式换热器的隔板和翅片都很薄，要求介质对铝不腐蚀，若腐蚀而造成内部串漏，则很难修补，生产成本较高;板翅式换热器的设计公式较为复杂，通道设计十分困难，不利于手工计算，这也是限制板翅式换热器应用的主要原因。 , 螺旋板式换热器 在管壳式换热器中，壳程通常是一个薄弱环节。通常普通的弓形折流板能造成曲折的流道系统(z字形流道)，这样会导致较大的死角和相对高的返混。而这些死角又能造成壳程结垢加剧，对传热效率不利。返混也能使平均温差失真和缩小。其后果是，与活塞流相比，弓形折流板会降低净传热。优越弓形折流板管壳式换热器很难满足高热效率的要求，故常为其他型式的换热器所取代(如紧凑型板式换热器)。对普通折流板几何形状的改进，是发展壳程的第一步。虽然引进了密封条和附加诸如偏转折流板及采取其他措施来改进换热器的性 [6]能，但普通折流板设计的主要缺点依然存在。 为此，美国提出了一种新 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 ，即建议采用螺旋状折流板。这种设计的先进性已为流体动力学研究和传热试验结果所证实，此设计已获得专利权。此种结构克服了普通折流板的主要缺点。螺旋折流板的设计原理很简单:将圆截面的特制板安装在“拟螺旋折流系统”中，每块折流板占换热器壳程中横剖面的四分之一，其倾角朝向换热器的轴线，即与换热器轴线保持一倾斜度。相邻折流板的周边相接，与外圆处成连续螺旋状。折流板的轴向重叠，如欲缩小支持管子的跨度，也可得到双螺旋设计。螺旋折流板结构可满足相对宽的工艺条件。此种设计具有很大的灵活性，可针对不同操作条件，选取最佳的螺旋角;可分别情况选用重叠折流板或是双螺旋折流板结构。 螺旋板换热器的结构及换热原理决定了其具有结构紧凑、占地面积小、传热效率高、操 [7]作灵活性大、应用范围广、热损失小、安装和清洗方便等特点。两种介质的平均温差可以 4 兰州理工大学石油化工学院(毕业论文) 小至1?，热回收效率可达99%以上。在相同压力损失情况下，螺旋板式换热器的传热是列管式换热器的3,5倍，占地面积为其的1/3，金属耗量只有其的2/3。因螺旋板式换热器是一种高效、节能、节约材料、节约投资的先进热交换设备。所以目前已广泛用于化工、石化、食品饮料、机械、集中供热、冶金、动力、船舶、造纸、纺织、医药、核工业和海水淡化及热电联产等工业领域，可满足各类冷却、加热、冷凝、浓缩、消毒和余热的回收等工艺的要求。 3.2不同类型汽化器简介 3.2.1汽化器分类 汽化器可按加热方式和交换介质分类。 1) 按直接加热方式分为 , 浸没燃烧汽化器:这种汽化器是一种利用燃料(如煤油、汽油等)燃烧后产生的热量加 热液态气体，从而使得液态气体迅速转化为气态气体的一种汽化器。 , 固体导热式汽化器:固体导热式汽化器在国内比较少见。用防爆电加热器对液态气体间 接加热的。这种汽化器对使用气体的温度要求较高的时候才用到。一般用于严寒地区， 也可以用在冬天较冷的地区 2) 按间接加热方式分为 , 空温式汽化器(也叫空浴式汽化器、自然通风空温式汽化器、空温气化器)，空温式汽 化器一般是用带翅片的铝管制作的，当“冰冷”的液态气体流入汽化器时，汽化器周围的 空气跟翅片铝管内的冰冷液态气体产生热交换，温度降低。从而造成空气的流动，有新 的“相对较热”的空气涌到汽化器周围继续发生新的热交换。 , 强制通风式汽化器，这种汽化器是基于空温式汽化器的基础上改进而来的，里面加装了 通风装置，让热交换过程中变冷的空气迅速离开汽化器周围，从而达到高效汽化的效果。 , 循环热水水浴式汽化器，这种汽化器是使用富余热水来加热的，好处是热水多，而且是 循环利用。效果非常的明显。 , 蒸汽加热水浴式汽化器，这种汽化器一般被广泛的用于各种化工厂和钢铁厂，一般是作 为空温式汽化器的一个备用设备。也就是天气冷了之后，空温式汽化器的气化量达不到 使用的要求的时候，会用到蒸汽加热水浴式汽化器。优点是:汽化能力比空温式汽化器 大几倍，而且不会产生结冰的现象。 , 电加热水浴式汽化器，这种汽化器呢，是通过加热汽化器中的水来加热液态气体的。很 实用。但是对加热部分的自动控制一般都有要求，要防爆的。 2) 按热交换介质可分为 , 水浴式汽化器， , 空浴式汽化器 , 海水开架式汽化器 3.2.2 几种汽化器的介绍 [8]1)浸没燃烧式汽化器 浸没燃烧型汽化器是一种水浴式汽化器，天然气管路置于水浴液位以下。天然气管路大多采用不锈钢材料。一个或几个燃烧器将燃烧后的燃气直接排入水浴中 ,引起水浴的剧烈扰 5 兰州理工大学石油化工学院(毕业论文) 动 ,燃气的放热量基本相当于 LNG汽化所需的热量 ,水浴的温度保持不变。这种汽化器的特点是设备投资低 ,启动快 ,能适应负荷的突然变化 ,因而适于紧急情况或调峰时使用。如果采用这种汽化器作为基本负荷型汽化器 ,建议采用一个大的燃烧器代替多个小的燃烧器 ,这样可使运行更经济 ,同时减少废气中 NO ,CO的排放量。浸没燃烧型汽化器汽化装置的x 热效率高 ,燃烧器的加热能力足 ,使得传热管外部获得激烈的循环水流 ,管外的换热系数可 2以达 5000, 8000 W/ (mK)。 2) 空温式汽化器 空温式气化器包含蒸发部与加热部,蒸发部由端板管连接并排的导热管构成,加热部由用弯管接头串联成一体的导热管组成。导热管是将散热片和管材挤压成型,其横截面一般为星形翅片,翅片材质采用铝合金。LNG空温式气化器的安装形式为立式、露天。 空温式汽化器与电加热式汽化器相比:零能耗、节约能源、低碳环保、运行成本极地;无专门外加热电热装置及控制线路等，一次性投资较小，同时不需要电力提供及控制保护不存在电气绝缘被破坏、漏电短路及引致电气火灾的安全隐患;基本免日常维修保养，不产生维修费用和管理成本;低碳节能、安全系数高、运行稳定性好、管理简单，完全符合绿色环保的要求。研究空温式气化器的传热是一项十分重要的技术基础性工作,可为合理选择空温式气化器及其经济评价提供理论依据,也可作为工程设计的参考,具有现实意义。 3) 海水浴开架式汽化器 开架式气化器是以海水为热源用来使液态天然气气化的换热器，是用于基本负荷型的大型气化装置。整个气化器利用铝合金支架固定安装，其基本组成单元为换热管，一块面板(Panel)由平行分布的约80根连接上下总管的换热管组成，换热管两端由集气管或集液管焊接形成一个板型管束，5-6 块面板组合在一起形成一个模块(Block)，组成面板的翅片管为星状翅型。管内安装了传热加速器以提高传热系数，管外表面喷有一层含1%锌的铝合金涂层，作为避免海水腐蚀基底金属的牺牲阳极。气化器顶部具有海水喷淋装置，用于制造在面板表面流下的海水薄膜，其依靠重力的作用自上而下流动，喷淋装置最重要的功能是实现海水的均匀性、连续性流动。LNG在换热管内自下而上流动，上升过程中连续换热气化并 [9]过热化，在NG总管中汇集并输出。 这种类型的气化器具有工艺简单，运行可靠，耐用性和安全性高，运行和维护方便;应用广泛，海水、河水、锅炉和工艺废热都可以利用，尤其是海水;对海水有要求:防腐蚀;操作成本大，运行费用低，成本效益明显，但由于提供热源的海水进出口温差较小，以致开架式气化器设备比较大，投资较高;受气候等因素影响较大;管外易结冰，降低气化能力等 [10]特点。越来越多的用户和专家意识到使用ORV的优越性，在冬季最大限度地使用ORV，可以降低能耗和生产风险，因此具有良好的降级效益和社会效益。 4) 电加热水浴式汽化器 目前电加热水浴式气化器常见的外形分为“圆柱形”和“长方体形”。从制作的难易程度及维护的方便程度来讲，圆柱形的电加热水浴式气化器，设计的更为科学。电加热水浴式气化器就是一个大的圆筒(为了描述的方便，我们称之为A)，内部有很多管子(液态气体就是从这些管子中通过的，为了描述的方便，我们称之为B)，这些管子是密闭的，与圆筒内的水是不相通的。这个圆筒里面，装满了水，然后用类似于“热得快”的一种防爆型电加 6 兰州理工大学石油化工学院(毕业论文) 热器来加热圆筒中的水，从而加热管子B中的液态气体，使得液态气体转化为气态气体。 优点:从第一次加水，调试后，以后的运行不需要任何干预和操作，很方便;在其使用寿命内，不需要任何的维护;可以一步到位，把液态气体转化为气态气体，压力和温度都可以一步到位。缺点 :因为管子B浸没在水中，所以难免要被腐蚀，当腐蚀到一定程度的时候，电加热气化器的寿命基本上就到了;耗费电能，从节能的角度来讲，不是一个很好的选择。 使用电加热水浴式气化器的地区多数都是北方。在南方大部分都是作为调峰用，不作为日常的使用。在目前能源紧张的大环境下，天然气LNG或CNG、液化石油气LPG等都会得到充分的开发和利用。 4新型换热设备所面临的问题 4.1设备堵塞 最典型为板式换热器，板式换热器的流道间隙较小(2.5-6mm)，直径大于1.5-3mm的颗粒杂物容易阻塞板片通道，使设备的压力降急剧恶化，导致设备因堵塞而换热能力大幅降低，严重的造成装置连续生产中断。因为循环水中杂质较多，在生产过程中会多次堵塞，从而造成装置频繁停工，给企业经济效益带来一定的影响。根据需要在介质的进口处设置粗过滤器或反冲洗装置能有效的防止板式换热器的堵塞。 [11]4.2结垢 结垢可导致传热设备的传热系数降低，严重时还会堵塞通道。如换热器的板片设计有大量的支承点，旨在对介质起扰流(使介质紊流以提高传热系数)和承压支承作用，是固体杂物和纤维容易集聚的地方，其副作用是使流体形成了局部的滞流而生成污垢积瘤，介质中的钙镁离子在适宜的温度析出后很容易在积瘤上附着长大，形成蜂窝状的垢样。堵塞与结垢在成因上虽然不同，但在板式换热器上的影响现象是相同的。可采有以下对策缓解结构问题: 1) 换热器不宜用在较脏或易结垢的环境(除非增设有效的其他措施); 2)使用未经软化的冷却水作冷却介质时，操作温度应控制在50?左右或者更低，以避开介质中钙镁离子析出的敏感温度。 4.3 密封失效 [12]1)压力影响 换热器在工作压力之内使用时出现泄漏，除设备在制造装配方面的质量因素外，主要与系统中出现的非正常冲击载荷有关(水锤、气锤)这是不易观察到的现象。冲击所造成的瞬间压力峰值往往比正常的工作压力高出 1-3倍，使安装在换热器中的橡胶密封垫移位，导致密封失效。 2)温度影响 温度的急剧变化也能造成密封失效。当温度变化过快时，橡胶密封垫的线胀系数与弹性变形量和密封预紧力不相匹配，使密封预紧力下降，造成设备承压能力低于额定设计压力。 3)时间影响 7 兰州理工大学石油化工学院(毕业论文) 使用或闲置几年的设备，密封材料的自身老化有可能影响密封可靠性，所以应利用检修机会及时更换新的密封垫片。 4.4腐蚀 腐蚀是复杂的化学现象，材料为奥氏体不锈钢的换热器表现出的腐蚀现象大多是 Cl- [11]引起的应力腐蚀，常发生在密封槽底部以及有污垢形成后的垢底部位，其主要成因: 1)不锈钢传热板片由机械冲压而成，不可避免地残存一定量的表面残余应力，对于不含钼元素的不锈钢薄板，表面残余应力的消除是很困难的，或者甚至是不可行的; 2)板片组装后形成了多缝隙结构，如板片之间的触点、密封槽底等部位。而缝隙容易造成 Cl-的富集，局部富集程度往往远远超过了不锈钢自身抗应力腐蚀的能力 ; 3)当板片表面的污垢严重时，介质中的腐蚀元素(Cl、S 等)可能大量附着于污垢，并在垢底缝隙处富集; 4)密封槽底中的有害元素往往是粘结剂中的 Cl 因温度升高温析出来的。如氯丁胶系列的粘接剂 、压缩石棉(含有CaCl),往往在水与蒸汽工况条件下，析出的富集Cl- 与 H+ 形2 成HCl,使槽底缝隙处发生严重的应力腐蚀开裂。 板片缝隙在表面残余应力、Cl- 的富集程度及温度等条件下，经过一定的腐蚀孕育期，就有可能发生应力腐蚀开裂。在板式换热器的选材、安装及使用过程中设法破坏上述任一条件，都可有效地防止或延缓腐蚀发生，使设备安全正常地运行。为此，正确选用材料 ，定期清垢以破坏腐蚀的生成条件和孕育期，选用非氯元素的粘接剂，这样可在一定程度上有效防止应力腐蚀。 4.5其他问题 1)在换热器的制造中，为防止腐蚀或者污染，需采用复合层的方法，既经济又能满足需要。但若在壳程侧进行管板复合，无论采取何种方法都是行不通的，也不能取得任何效果。在管箱侧进行堆焊复合层，采用管子与管板焊接结构是合理的，采用胀结结构显然是不合理的。另外，有的生产厂家在管板的壳程侧采用了复含板的方式，不但对校验带来麻烦，还造成了穿管的不方便、这种作法是毫无意义的; 2)折流板的不规范。按GB151-89的规定，折流板的孔径及其允许偏差，都有严格的规定和标准，但有的生产厂家在下料时错误操作，即采取气割方式切割换热器折流板的外圈又不进行规则圆整，造成了孔的间隙严重超差，尤其波坟管被用到折流板的方式，其孔径应以波峰为基准，而在组装时，其对应位置不定，间隙也就无法与标准相对应，更淡不上达到标准的要求; 3)管子的截取。在正常的施工中，采用锯床或砂轮切割机截取的管子。都可以满足GB151-89标准规定的伸出管板两端3+2mm的规定。有的企业虽然采取了上述方法进行管子的截取。但操作中误差太大，更有甚者，操作中用切割下料，组装后再用电动砂轮机进行磨削，严重地浪费材料和加工工时;也有的没有清除切割时留下的毛边，影响了胀管质量的稳定性，同时，也影响了换热器的换热效果。 [13] 4)换热管底部结霜(冰)问题。空温式气化器运行时常会在板型管束的外部(尤其是集液管外表面)结结霜，霜层的存在极大程度会影响气化器的传热，降低管束材料的传 8 兰州理工大学石油化工学院(毕业论文) 热系数，使得传热管与空气之间的传热面积变小，传热效果明显降低。相对于海水浴开架式汽化器，由于其介质是海水，在管板束底部会结冰。 5强化传热 5.1强化传热技术的出现 随着能源危机日益严重，节能和能源的合理利用显得尤为重要。在工业生产中占有重要地位的换热器作为能量传递的基础设备，其传热性能好坏对节能有很大的影响。强化传热是提高换热器综合效率、降低其寿命周期费用的有效措施。20世纪70年代初发生的世界性能源危机，有力地促进了强化传热技术的迅猛发展。要节能降耗，提高工业生产的经济效益，必须研究各种传热过程的强化问题，开发适用不同过程工业要求的强化传热结构及高效换热设备，这不仅是现代工业发展过程中必须要解决的课题，同时也是开发新能源和开展节能工 [14]作的迫切任务。 5.2强化传热技术及应用 换热器的强化传热就是力求使单位面积在单位时间内，换热单位传热面积传递的热量达 [15]到最多。应用强化技术的目的是力图以最经济(体积小、重量轻、成本低)的换热器来传递规定的热量，这就要求所研制的换热器，尽可能地节省资金、能源和减少金属消耗及所占的空间。 [15]强化传热主要有三种途径:提高传热系数、扩大传热面积和增大传热温差。强化传热技术分为被动式强化技术(亦称为无功技术或无源强化技术)和主动式强化技术(亦称为有功技术或有源强化技术)。前者是指除了介质输送功率外不需要消耗额外动力的技术;后者是指 [16]需要加入额外动力以达到强化传热目的的技术。 [17]5.2.1 被动式强化传热技术 1)处理表面 包括对表面粗糙度的小尺度改变和对表面进行连续或不连续的涂层。可通过烧结、机械加工和电化学腐蚀等方法将传热表面处理成多孔表面或锯齿形表面,如开槽、模压、碾压、轧制、滚花、疏水涂层和多孔涂层等。此种处理表面的粗糙度达不到影响单相流体传热的高度,通常用于强化沸腾传热和冷凝传热。 2) 粗糙表面 该方法已发展出很多构形,包括从随机的沙粒型粗糙表面到带有离散的凸起物(粗糙元)的粗糙表面。通常,可通过机械加工、碾轧和电化学腐蚀等方法制作粗糙表面。粗糙表面主要是通过促进近壁区流体的湍流强度、阻隔边界层连续发展减小层流底层的厚度来降低热阻,而不是靠增大传热面积来达到强化传热的目的,主要用于强化单相流体的传热,对沸腾和冷凝过程有一定的强化作用。基于粗糙表面技术开发出的多种异形强化传热管在工业生产中的应用颇为广泛,包括有:螺旋槽管、旋流管、缩放管、波纹管、针翅管、横纹槽管、强化冷凝传热的锯齿形翅片管和花瓣形翅片管、强化沸腾传热的高效沸腾传热管以及螺旋扭曲管等[18]。 3) 扩展表面 9 兰州理工大学石油化工学院(毕业论文) 该方法已在很多换热器中得到了常规应用。如翅片管等非传统的扩展表面的发展使传热系数有了很大的提高。其强化传热的机理主要是此类扩展表面重塑了原始的传热表面,不仅增加了传热面积,而且打断了其边界层的连续发展,提高了扰动程度,增加了传热系数,从而能够强化传热,对层流换热和湍流换热都有显著的效果。因此,扩展表面法得到越来越广泛的应用,不仅用于传统的管壳式换热器管子结构的改进,而且也越来越多的应用于紧凑式换热器。目前已开发出了各种不同形式的扩展表面,如管外翅片和管内翅片(包括很多种结构形状,如平直翅片、齿轮形翅片、椭圆形翅片和波纹形翅片等)、叉列短肋、波型翅多孔型、销钉型、低翅片管、太阳棒管、百叶窗翅及开孔百叶窗翅(多在紧凑式换热器中使用)等。 4) 扰流装置 把扰流装置放置在流道内能改变近壁区的流体流动,从而间接增强传热表面处的能量传输,主要用于强制对流。管内插入物中有很多都属于这种扰流装置,如金属栅网、静态混合器 [1]及各式的环、盘或球等元件。 5)漩涡流装置 包括很多不同的几何布置或管内插入物,如内置漩涡发生器、纽带插入物和带有螺旋形线圈的轴向芯体插入物。此类装置能增加流道长度并能产生旋转流动和二次流,从而能增强流体的径向混合,促进流体速度分布和温度分布的均匀性,进而能够强传热,主要用于增强强制对流传热,对层流换热的强化效果尤其显著。 6)螺旋盘管 其应用可提高换热器的紧凑度。它所产生的二次流能提高单相流体传热的传热系数,也能增强沸腾传热。 7)表面张力装置 包括利用相对较厚的芯吸材料或开槽表面来引导流体的流动,主要用于沸腾和冷凝传热。芯吸作用常用在没有芯吸材料冷却介质就不能到达受热表面的情形,常见的如热管换热器;还对水中表面的沸腾换热强化非常有效。 8)添加物 包括用于液体体系的添加剂和用于气体体系的添加剂。液体中的添加剂包括用于单相流的固体粒子与气泡和用于沸腾系统的微量液体;气体中的添加剂包括液滴和固体粒子,可用于稀相(气固悬浮液)或密相(流化床)。 9)壳程强化 壳程传热的强化包括两个方面:一是改变管子外形或在管外加翅片,即通过管子形状或表面性质的改造来强化传热;二是改变壳程挡板或管间支撑物的形式,尽可能消除壳程流动与传热的滞留死区,尽可能减少甚至消除横流成分,增强或完全变为纵向流。传统的管壳式换热器,通常采用单弓形折流板,其阻力大、死角多、易诱发流体诱导振动等弊端已严重影响换热器传热效率,对工业生产和应用造成相当大的影响。据此,近年研究出了许多新的壳程支撑结构,有效弥补了单弓形折流板支撑物的不足,如双弓形折流板、三弓形折流板、螺旋形折流板、整圆形折流板(包括大管孔、小圆孔、矩形孔、梅花孔和网状整圆形折流板)、窗口不排管、波网支撑、折流杆式、空心环式、管子自支撑(包括刺孔膜片式、螺旋扁管式和变截面管式)、扭曲管和混合管束换热器式以及德国GRIM-MA公司制造的纵流管束换热器等。 10 兰州理工大学石油化工学院(毕业论文) [16]5.2.2主动式强化传热技术 1) 机械搅动 包括用机械方法搅动流体、旋转传热表面和表面刮削。带有旋转的换热器管道的装置目前已用于商业应用。表面刮削广泛应用于化学过程工业中黏性流体的批量处理,如高黏度的塑料和气体的流动,其典型代表为刮面式换热器,广泛用于食品工业。 2)表面振动 无论是高频率还是低频率振动,都主要用于增强单相流体传热。其机理是振动增强了流体的扰动,从而使传热得以强化。虽然振动本身对强化传热有不小的贡献,但激发振动所需从外界输入的能量可能会得不偿失。为此,山东大学研究表明,可利用流体诱导振动来强化传热,依靠水流本身激发传热元件振动,会消耗很少的能量。利用流体诱导振动强化传热既能提高对流传热系数,同时又能降低污垢热阻,即实现了所谓的复合式强化传热。 3) 流体振动 由于换热设备一般质量很大,表面振动这种方法难以应用,然后就出现了流体振动,该方法是振动强化中最实用的一种类型。所使用的振荡发生器从扰流器到压电转换器,振动范围大约从脉动的1Hz到超声波的106Hz。主要用于单相流体的强化传热。 4)静电场 可以通过很多不同的方法将静电场作用于介电流体。总体来说,静电场可以使传热表面附近的流体产生较大的主体混合,从而使传热强化。静电场还可以和磁场联合使用来形成强制对流或电磁泵。静止流体中加足够强度静电场所形成的电晕风能在一定条件下强化单相流体的传热。如日本Mizushina以空气为工质研究环形通道内电晕风对强制对流的影响,分别得到了存在电晕风时的努塞尔准数及阻力系数与雷诺数的关系曲线及经验 公式。 5) 喷射 包括通过多孔的传热表面向流动液体中喷射气体,或向上游传热部分喷注类似的流体。 6)抽吸 包括在核态沸腾或膜态沸腾中通过多孔的受热表面移走蒸汽和在单相流中通过受热表面排出液体。有研究预测,抽吸能大大提高层流流动和湍流流动的换热系数,其中能大大增强湍流对流换热已被Aggarwal等人证实。两个或两个以上这些传热强化技术可以复合使用,从而达到比仅仅使用一种技术更好的强化传热效果,这种复合使用被称为复合式强化传热技术。如在内翅管或粗糙管中插入纽带插入物,带有声波振动的粗糙柱面,在流化床中使用翅片管,带有振动的外翅管,加有电场的气固悬浮液以及有空气脉动的流化床等。但须注意的是,并不是每两个或多个单个强化技术任意复合都能产生比单个强化技术更好的传热强化效果,比如有研究表明,带有内翅的螺旋盘管的平均努塞尔准数要低于普通的螺旋盘管。必须经过实践检验才能确认其对传热强化的有效性,获得最佳的强化传热效果。 6结论 总的来说，新型换热设备的研究在换热的理论基础方面有待深入，在能源日趋紧张的今天，强化传热技术对于节能、环保意义重大。在完善换热理论系统和强化传热方面还需要作大量的工作，任重而道远。 11 兰州理工大学石油化工学院(毕业论文) 致谢 本课题在选题及研究过程中得到俞树荣老师的悉心指导。俞老师多次询问研究进程，并为我指点迷津，帮助我开拓研究思路，精心点拨、热忱鼓励。俞老师一丝不苟的作风，严谨求实的态度，踏踏实实的精神，历时虽短，却给以终生受益无穷之道。 感谢同学们对我的帮助，感谢父母对我的理解与支持。 参考文献 [1] 马晓驰.国内外新型高效换热器[J].化工进展,2001(1):49-51. 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[18] 龚波.波纹管传热与流动阻力的数值模拟研究 [J].工学硕士学位论文. 12 兰州理工大学石油化工学院(毕业论文) New Type Heat Transfer Device And Application Sun Qidi (Lanzhou University of Technology, Institute of Petrochemical Technology， Lanzhou,730050,China) Abstract:This paper investigates heat exchanger equipment from the heat transfer principle, the domestic and international development of new type heat transfer device are introduced, classified and defined by various ways. In addition, some heat transfer equipments are detailed introduced in respects of operating principle、structure、material、advantages and disadvantages、foreground. Heat transfer enhancement technology and application are proposed based on problems of new type heat transfer equipments. Keywords:New type heat transfer device;Heat exchanger;Vaporizer;Heat transfer enhancement technology 13