國外換熱器新進(jìn)展

1、國外換熱器新進(jìn)展囪如囹畫囪至囹國外換熱器新進(jìn)展原作者：曹緯出處：【關(guān)鍵詞】強化傳熱，傳熱元件，殼程設(shè)計，新型高效換熱器【論文摘要】簡述了國外近年來換熱器的發(fā)展概況，介紹了強化傳熱研究、強化傳熱元件開發(fā)、新型殼程結(jié)構(gòu)設(shè)計以及國外推出的各種新型高效換熱器的有關(guān)情況。分類號TQ051.5RecentadvancesonforeignheatexchangersSeniorTranslatorCaoWei(LanzhouPetroleumMachineryReseachInstitute,Lanzhou730050)AbstractTherecentprogressofforeignheatexcha

2、ngersinlastedyearsisoutlined,researchofenhancedheattransfer,developmentofheattransferelementsandstructuraldesignofnewtypeshellsideareintroduced,andnewhigh-effectiveheatexchangersabroadarecommented.Keywords:enhancedheattransfer,heattransferelements,shellsidedesign,newhigh-effectiveheatexchangers1概述70

3、年代的世界能源危機，有力地促進(jìn)了傳熱強化技術(shù)的發(fā)展。為了節(jié)能降耗，提高工業(yè)生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)效益，要求開發(fā)適用于不同工業(yè)過程要求的高效能換熱設(shè)備1。這是因為，隨著能源的短缺(從長遠(yuǎn)來看，這是世界的總趨勢)，可利用熱源的溫度越來越低，換熱允許溫差將變得更小，當(dāng)然，對換熱技術(shù)的發(fā)展和換熱器性能的要求也就更高2。所以，這些年來，換熱器的開發(fā)與研究成為人們關(guān)注的課題。最近，隨著工藝裝置的大型化和高效率化，換熱器也趨于大型化，并向低溫差設(shè)計和低壓力損失設(shè)計的方向發(fā)展。同時，對其一方面要求成本適宜，另一方面要求高精度的設(shè)計技術(shù)。當(dāng)今換熱器技術(shù)的發(fā)展以CFD(ComputationalFluidDynamics)、模

4、型化技術(shù)、強化傳熱技術(shù)及新型換熱器開發(fā)等形成了一個高技術(shù)體系3。2強化傳熱技術(shù)所謂提高換熱器性能，就是提高其傳熱性能。狹義的強化傳熱系指提高流體和傳熱面之間的傳熱系數(shù)。其主要方法歸結(jié)為下述兩個原理，即使溫度邊界層減薄和調(diào)換傳熱面附近的流體。前者采用各種間斷翅片結(jié)構(gòu)，后者采用泡核沸騰傳熱2。最近還興起一種EHD技術(shù)，即電氣流體力學(xué)技術(shù)，又稱為電場強化冷凝傳熱技術(shù)，進(jìn)一步強化了對流、冷凝和沸騰傳熱，特別適用于強化冷凝傳熱，并適用于低傳熱性介質(zhì)的冷凝，因而引起人們的普遍關(guān)注3。其原理是，對某些不導(dǎo)電液體的表面施以相垂直的電場，使液體表面變得很不穩(wěn)定，借冷凝液表面的張力作用和在靜電場下液膜的不穩(wěn)定現(xiàn)象

5、使液膜厚度減薄，從而強化冷凝傳熱。其所需電場耗用的電力很小。人們想盡各種辦法實施強化傳熱，歸結(jié)起來不外乎兩條途徑，即改變傳熱面的形狀和在傳熱面上或傳熱流路徑內(nèi)設(shè)置各種形狀的湍流增進(jìn)器或插入物。2.1 傳熱面形狀的改變改變傳熱面形狀的方法有多種，其中用于無相變強化傳熱的有：橫槽管、螺旋槽管（S管）和縮放管。新近又開發(fā)出偏置折邊翅片管（一種間斷翅片管）和螺旋扁管，后者也叫麻花管（TwistedTube）,這原是瑞士的Allares公司技術(shù)，后經(jīng)布朗公司（BrownFintube,Ltd.）改進(jìn)，是一種高效換熱元件4。用于有相變強化傳熱的強化沸騰傳熱管有：燒結(jié)多孔表面管、機械加工的多孔表面管（如日本

6、的Themoexcel-E管）、電腐蝕加工的多孔表面管7、T型翅片管、ECR40管和Tube-B型管。從所報導(dǎo)數(shù)據(jù)來看，在整體低肋管上切縱槽后再滾壓成型的Tube-B型管似乎有較高的傳熱性能，它可能符合薄液膜面積較大，隧道與外界液體相通，因而有利于蒸汽流出和液體吸入等要求1。俄羅斯也開發(fā)出一種稱之為"變形翅片管”的傳熱管，可用于空分裝置的冷凝-蒸發(fā)器8。用于強化冷凝傳熱的傳熱管有：縱槽管、低螺紋翅片管、鋸齒形翅片管（ST管）和徑向輻射肋管式翅片管（R管）等。近年來，Hamon-Lummus公司又新推出一種SRC翅片管（SRCFinTube）3,用于冷凝傳熱。內(nèi)翅片管與橫槽管和螺旋槽管

7、一樣，不但可用于單相對流傳熱，也可有效地用于強化管內(nèi)流動沸騰傳熱1。而橫槽管和螺旋槽管不但能強化管內(nèi)傳熱，同時還能強化管外傳熱。外翅片管可以利用液體表面張力減薄冷凝液膜厚度以強化傳熱，這一發(fā)現(xiàn)大大促進(jìn)了新型翅片管的研究開發(fā)。人們用不同金屬制造不同形狀的翅片管，其翅片形狀有：三角肋三角槽、梯形肋三角槽、梯形肋梯形槽、三角肋梯形槽和WolverineTube-C管等。翅片密度在503000個翅片/m,與光管相比，給熱系數(shù)可提高112倍9。俄羅斯還介紹了1種空冷器用的軋制翅片管，為雙金屬管，每隔1個翅片有切口，用以強化傳熱10。俄羅斯還有1種金屬絲纏繞的繞絲翅片管14和氣動噴涂翅片管15。內(nèi)螺旋翅片

8、管（NL管）是美國新開發(fā)的1種高效強化管內(nèi)相變傳熱元件，根據(jù)翅片形狀不同，可分為三角肋、梯形肋和矢I形肋等，用于沸騰傳熱9。內(nèi)波紋螺紋管在湍流時可使對流傳熱系數(shù)增加1倍多11。多頭內(nèi)螺紋管（ISF管）也是一種高效強化傳熱管，具有較好的強化管內(nèi)沸騰傳熱的性能，傳熱膜系數(shù)為光管的1.62.2倍，在相同的傳熱面積下，能夠完成相當(dāng)于光管168%200%的傳熱負(fù)荷。ISF管的強化傳熱作用主要是內(nèi)表面和二次流的增加所致?？捎糜诟墒秸舭l(fā)器，與目前制冷行業(yè)通用的星形內(nèi)肋管蒸發(fā)器相比，質(zhì)量可以減輕近50%12。截面管也是近年來國外研究開發(fā)的強化傳熱元件，可分為蛋形管、豆?fàn)罟芎土庑喂?，統(tǒng)稱為異形管。實驗證明，此類

9、管件與光圓管相比，具有顯著的強化傳熱效果13o2.2 流路湍流增進(jìn)器與管內(nèi)插入物增進(jìn)器是在傳熱面附近設(shè)置一個小物體（不一定與傳熱面相連接），它可以是各種形狀和型式，最常見的是在傳熱面上等距離設(shè)置突起物，通過攪亂流動來達(dá)到強化傳熱的目的：2o管內(nèi)插入物有：扭帶(Turbulators)、螺旋片、螺旋線圈(SpireleElements)和靜態(tài)混合器(KenicsMixers)。它們適合于強化管內(nèi)單相流體傳熱，尤其對強化氣體、低雷諾數(shù)或高粘度流體傳熱更為有效9。最近，國外又開發(fā)出一種稱之為HitranMatrixElements的花環(huán)式插入物，它是一種金屬絲制翅片管子插入件(Wire-FinTub

10、eInserts),能增強湍流，改善傳熱性能。它是英國CalGarinLtd.公司的產(chǎn)品，并取得了專利權(quán)5。3殼程設(shè)計為了強化殼程傳熱，除上述改變管子外形或在管外加翅片外，另一途徑就是改變殼程檔板或管間支撐物。為了克服單弓形檔板的缺點，先后開發(fā)了雙檔板(DoubleSegmentalBaffles)、三檔板(TripleSegmentalBaffles)、折流桿(RodBaffles)、窗口不排管(NTIW)和波網(wǎng)(Nest)等新殼程結(jié)構(gòu)16。隨后有人設(shè)計了一種"外導(dǎo)流筒(ShellsideFlowDistribution)"結(jié)構(gòu)，接著又出現(xiàn)了整圓槽孔折流柵板17。最近AB

11、BLummus公司又新推出了HelicalBaffles折流板結(jié)構(gòu)18,19。實踐證明，這些改進(jìn)都大大降低了流體在殼程中的阻力。Taborek曾指出，流體在殼程中作縱向流動是管殼式換熱器中的最理想結(jié)構(gòu)形式，如果殼程流體流量足以保證在湍流條件下作縱向流動，這種選擇看來是有利的。為了強化殼程傳熱，目前，殼程設(shè)計也在向各種強化結(jié)構(gòu)組合的方向發(fā)展。4新型換熱器近年來，隨著制造技術(shù)的進(jìn)步，強化傳熱元件的開發(fā)，使得新型高效換熱器的研究有了較大的發(fā)展，根據(jù)不同的工藝條件與換熱工況設(shè)計制造了不同結(jié)構(gòu)形式的新型換熱器，并已在化工、煉油、石油化工、制冷、空分及制藥各行業(yè)得到應(yīng)用與推廣，取得了較大的經(jīng)濟(jì)效益。國外推

12、出的新型換熱器有：ABB公司的螺旋折流板換熱器(HelixchangerTM)18、HamonLummus公司的SRCTM空冷式冷凝器3、Packinox換熱器3、NTIW歹U管式換熱器16、英國CalGavin公司的絲狀花內(nèi)插物換熱器(Hitran)5、日本的Hybrid混合式換熱器20,俄羅斯的變形翅片管換熱器(AeopMHpOBaOipi®(£peHne)8、噴涂翅片管冷卻器15、非釬焊金屬絲纏繞翅片管換熱器14和螺旋繞管式換熱器(BnTol'jia/i,KOTpy66Ti(airHi0o6Me22Cc美國Chemineer公司的Kenics換熱器(Kenic

13、sHeatExchanger)、日本的SM型換熱器(內(nèi)插靜態(tài)混合器卜美國的BrownFintubeLtd.的帶扭帶插入物的湍流增強式換熱器(ExchangerWithTurbulator)和麻花扁管換熱器(TwistedTubeHeatExchanger)、美國Yuba公司的HemilokOR換熱器、澳大利亞RoachHeatExchangers公司的柔性換熱器(FlexibleHeatExchanger)等。此外，還有日本日阪制作所生產(chǎn)的世界單臺最大處理能力為5,000m3/h的UX-100型板式換熱器、法國NordonCryogenieS.N.C.公司生產(chǎn)的6900mm<1525mm

14、<1300mm(長期)換熱面為1500m2/m3的板翅式換熱器、英國MichaelWebbProcessEquipmentSupply公司的提箱式全焊板式換熱器和其他各種緊湊式換熱器(包括半焊式和全焊式板式換熱器卜美國傳熱公司的FIVER-ROD式防振結(jié)構(gòu)換熱器。更值一提的是在今年歐洲化工設(shè)備展覽會上，法國LeCarbone公司還推出了1種稱為新奇換熱器(ExoticHeatExchanger),它是一種防腐的鋁制換熱器，光滑如玻璃，供制藥工業(yè)用，配有防污平管板，避免了任何污物在管接合處聚積。該換熱器尺寸很大。此外，空冷器方向也有新進(jìn)展。以上介紹的各式換熱器的設(shè)計思想各有新穎之處，結(jié)構(gòu)上

15、各具特色。有的在于強化管內(nèi)傳熱，有的著眼于殼程強化傳熱，有的改進(jìn)了管箱設(shè)計，有的著重防止管板誘導(dǎo)振動，有的緊湊了設(shè)備結(jié)構(gòu)，有的在于防腐防垢。其中最先進(jìn)的要數(shù)PACKINOX、SRCTM、HelixchangerTM、Twisted-tubeExchanger、HiTRAN、Hybrid、ExoticHeatExchanger幾種換熱器。PACKINOX換熱器實際上是一種新型板式換熱器，代替列管式換熱器用作煉油廠催化重整裝置混合料換熱器，并且得到了迅速推廣應(yīng)用。SRCTM換熱器，采用扁平翅片管（19mnX200mm）,由于傳熱面造型特異，最適于強化傳熱，解決了偏流問題。其用于空冷式換熱，傳熱特性

16、高，壓力損失低。HeliechangerTM換熱器，采用了螺旋狀折流板結(jié)構(gòu)，設(shè)計原理是：將圓截面的特制板安裝在擬螺旋狀折流系統(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傾斜度。相鄰折流板的周邊相接，與外圓處成連續(xù)螺旋狀，折流板軸向重疊。如欲減少支撐管子的跨度時，也可以采用雙螺旋設(shè)計。獨特的設(shè)計避免弓形折流板曲折的Z字形流道系統(tǒng)導(dǎo)致的死角和較高的返混。美國Brown公司最新推出了Twisted-tubeExchanger換熱器，此換熱器原本是瑞典Allares公司產(chǎn)品，Brown公司作了改進(jìn)。其螺旋扁管制造過程包括”壓扁"、"熱扭

17、"兩個工序。由于管子結(jié)構(gòu)獨特，使管程與殼程同時處于螺旋流動，促進(jìn)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。換熱器組裝時亦可采用螺旋扁管與光管混合方式。這種換熱器在化工、石油化工行業(yè)中將具有廣闊的應(yīng)用前景17。HiTRAN換熱器，采用絲狀花內(nèi)插物，可使流體在低速下產(chǎn)生徑向位移和螺旋流相疊加的三維復(fù)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)20。Hybrid換熱器是日本近幾年開發(fā)的一種新型換熱器，它綜合了板式換熱器與管殼式換熱器兩者的優(yōu)點，克服了板式換熱器因密封問題而受到限制的弱點，很有發(fā)展前途20。由于文章

18、篇幅所限，上述國外換熱器新進(jìn)展僅是提示性介紹，對于各種新型換熱器的詳細(xì)情況，筆者擬另文再作敘述。作者單位：曹緯（蘭州石油機械研究所（蘭州730050）副譯審）參考文獻(xiàn)1鄧頌九.提高管殼式換熱器傳熱性能的途徑.化學(xué)工程，1992,20(2):30362棚澤一郎.換熱技術(shù)研究開發(fā)G最新動向.配管技術(shù)日,1988,30(7):51563魚津博久，小川敬雄.熱交換器的G進(jìn)步占期待.化學(xué)裝置日,1995,37(3):4448Insight:Atwistinthetale.TheChemicalEngineer,1997,(626):2124RajivMukherjee.Bwoadenyourheatex

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