换热器

在工、农业的各领域应用十分广泛,在日常生活中传热设备也随处可见,是不可缺少的工艺设备之一。

随着研究的深入,工业应用取得了令人瞩目的成果,得到了大量的回报,如板翅式换热器、大型板壳式换热器和强化沸腾的表面多孔管、T形翅片管、强化冷凝的螺纹管、锯齿管等都得到了国际传热界专家的首肯,社会效益非常显著,大大缓解了能源的紧张状况。

近年来国内在节能、增效等方面改进换热器性能,在提高传热效率,减少传热面积,降低压降,提高装置热强度等方面的研究取得了显著成绩,且随着工业装置的大型化和高效率化, 换热器也趋于大型化, 并向低温差设计和低压力损失设计的方向发展。

近几年着重提出了以下几种新型换热器。

气动喷涂翅片管换热器

俄罗斯提出了一种先进方法, 即气动喷涂法, 来提高翅片化表面的性能。其实质是采用高速的冷的或稍微加温的含微粒的流体给翅片表面喷镀粉末粒子。用该方法不仅可喷涂金属还能金属陶瓷混合物,从而得到各种不同性能的表面。

通常在实践中翅片底面的接触阻力是限制管子加装翅片的因素之一。为了评估翅片管换热器元件进行了试验研究。试验是采用在翅片表面喷涂AC - 铝, 并添加了24A 白色电炉氧化铝。将试验所得数据加以整理, 便可评估翅片底面的接触阻力。

将研究的翅片的效率与计算数据进行比较, 得出的结论是: 气动喷涂翅片的底面的接触阻力对效率无实质性影响。

为了证实这一点, 又对管子与翅片的过渡区进行了金相结构分析。对过渡区试片的分析表明, 连接边界的整个长度上无不严密性的微裂纹。

所以, 气动喷涂法促进表面与基本相互作用的分支边界的形成, 能促进粉末粒子向基体的渗透, 这就说明了附着强度高, 有物理接触和金属链形成。

因而, 气动喷涂法不但可用于成型, 还可用来将按普通方法制造的翅片固定在热换器管子的表面上, 也可用来对普通翅片的底面进行补充加固。可以预计, 气动喷涂法在紧凑高效的换热器生产中将会得到广泛应用。

2. 焊接式板式换热器

用焊接结构替代橡胶垫密封, 全焊式和半焊式板式换热器的出现, 消除了由于垫片材料耐温、耐腐蚀、耐压方面的限制。对于腐蚀介质使用板式换热器, 近年来得到很大发展。德国与日本合作的千代田混合焊接板式换热器, 操作压力可

从真空到6, 操作温度200℃~900℃, 单台换热面积F 为3m2~2 000m2。可用于气- 气、气- 液、液- 液的换热和蒸气的冷凝。

美国VICARB 公司在1989 年开发COMPBLOC焊接式板式换热器, 是一种紧凑、高效、具有专利技术的换热器。

图1 COMPBLOC 焊接式板式换热器

如图1 所示, 这种换热器由焊接板束、钢框和面板等组装而成, 是一种四面体结构。板束采用精密压制、自动焊接制造, 立柱衬里采用电阻焊接, 换热器的“核心”由焊接波纹板板束、立柱衬里和顶部、底部盖板衬里组成, 螺栓连接框架由四根立柱和顶部、底部盖板以及4 个带有接管的面板组成。

其耐压耐温达3. 2MPa 和300℃, 单台F 为1. 5m2~300m2, 单台板片数为25~500, 冷热介质错流排列。由于COM PA BLOC 焊接板式换热器的传热性能好且使用温度和压力较高, 所以可十分经济地用这种换热器取代在相应温度范围内使用的管壳式换热器。用于油气加工工业, 可用作原油冷却器、塔顶冷凝器等, 还可用于其他多种工业加工过程。

3螺旋折流板换热器

螺旋折流板换热器( 图2) 是最新发展起来的一种管壳式换热器, 是由美国ABB 公司提出的。在列管换热器中, 壳程通常是一个薄弱环节。美国ABB公司提出了一种全新方案, 采用螺旋状折流板。

其基本原理为: 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1/ 4, 其倾角朝向换热器的轴线, 即与换热器轴线保持一定倾斜度。相邻折流板的周边相接, 与外圆处成连续螺旋状。

每个折流板与壳程流体的流动方向成一定的角度, 使壳程流体做螺旋运动, 能减少管板与壳体之间易结垢的死角, 从而提高了换热效率。由于介质呈螺旋式流动, 在径向产生速度梯度, 形成径向湍流,彻底改变了弓形折流板换热器的流体流动方式和流场分布, 减薄了传热管表面滞流底层的厚度, 提高了传热膜系数, 消除了弓形板的传热死区, 使壳程的传热状态大为改善。此外, 螺旋折流板结构可以满足的工艺条件很宽, 设计方面具有很大的灵活性, 可针对各种特殊的工艺条件选择最佳的螺旋角。

图2 螺旋形折流板换热器和折流板配置方式

4.新型麻花管换热器

瑞典Alares 公司开发了一种扁管换热器, 通常称为麻花管换热器。螺旋扁管的制造过程包括了“压扁”与“热扭”两个工序。改进后的麻花管换热器同传统的管壳式换热器一样简单, 但改进了传热, 减少了结垢, 真正的逆流, 降低了成本, 无振动, 节省了空间, 无折流元件。由于管子结构独特使管程与壳程同时处于螺旋运动, 促进了湍流程度。该换热器总传热系数较常规换热器高40%, 而压力降几乎相等。组装换热器时也可采用螺旋扁管与光管混合方式。该换热器严格按照ASME 标准制造, 凡是用管壳式换热器和传统装置之处均可用此种换热器取代, 它能获得普通管壳式换热器和板框式传热设备所获得的最佳值, 估计在化工、石油化工行业中具有广阔的应用前景。

5. Hitan 绕丝花环换热器

该型换热器是英国Cal Gavin Ltd 公司开发的一种新产品, 采用一种称之为Hitan mat rix element s的丝状花内插物, 可使流体在低速下产生径向位移 和螺旋流相叠加的三维复杂流动, 可提高诱发湍流和增强沿温度梯度方向上的流体扰动, 能在不增加阻力的条件下大大提高传热系数。

图3 Hitan 换热器用内插物

内插件不仅可以促进管内流体形成湍流, 同时可以扩大传热面积, 提高传热效率。目前, 管内内插物主要是利用各种金属的条、带、片和丝等绕制或扭 曲成螺旋形, 如麻花铁、螺旋线、螺旋带及螺旋片等,或冲成带有缺口的插入带。英国Cal Gavin 公司研制出了一种叫Heatex的内插件。这种内插件由一组延伸至管壁的圆芯体组成, 它可使管侧传热效率提高2~15倍。该公司还开发了一种叫Hit ran 的丝网内插件, 将这种内插件用于液体工况, 可使管壳式换热器 管程传热效率提高25 倍, 用于气体工况, 可使相应值提高5倍。同时, 与正常流速相比, 这种内插件使换热管的防垢能力提高8~10倍。

在电厂中,换热器的应用以管壳式和板式为主,具体形式随着新工艺、新技术、新材料的不断发展而发展。

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1.对于常用的管壳式换热器,可通过改变管子外形或在管内加入插入物的方式,来强化传热,提高其效率。

常用的措施有应用螺旋槽管,横纹管,管内插入物(麻花铁、螺旋面,对于缩小换热器体积,提高换热器效率有很重要的作用。

目前,已经线圈、螺旋带、螺旋片、扭带和静态混合器等),翅片管,低肋管,波纹管等替代原有的光管。低肋管是开发较早的换热器之一, 主要应用于强化沸腾传热, 不仅换热系数较高, 而且能有效地扩大传热面积。

光滑管的传热面积只是低肋管的38% 。螺纹管是一种由钢管经过环向滚压轧制而成的整体低翅片管, 适应于强化对流、冷凝传热。

内、外螺纹管换热器可提高传热系数, 螺纹管的总传热系数为光滑管的两倍以上, 一般在满足生产的情况下, 2 台内、外螺纹管换热器具有3 台光滑管换热器的传热能力。

对于相同结构的管壳式换热器,内、外螺纹管的换热面积是光滑管的1.5- 2.5倍。波纹管是管内流道截面连续不断地突变, 造成流体即使在流速很低的情况下也始终处于高度的湍流状态, 难以形成层流, 使对流传热的主要热阻被有效克服, 管内、外传热被同时强化。波纹管传热系数很高, 一般为传统管壳式换热器的2-3倍。

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2. 新型的板式换热器

组波纹金属板组成,板片上装有密封垫,引导流体交替的流至各自的通道内,提高湍流程度。新型板式换热器在安阳电厂经半年的试运行,具有以下优越性:

(1)在传热面积相同时,新型板式换热器的体积和重量均是管壳式冷却器的 1/3 左右,具有体积小、整体重量轻,外形美观,传热效果好等特点。

(2)由于波形板组件的特殊波纹结构,内部流体呈紊流状态,不易产生结垢和表面附着物,其传热系数不易改变,冷却效果恒定。

(3)结构简单,可就地拆开、组装、清洗、检修,且密封性能好,未发现漏水,漏油现象。

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3..最近几年,热管式换热器在电厂中得到了很大的应用。

热管是凭借充装在管内封闭的工作介质反复发生蒸发和凝结相变而进行热量传递的。

热管结构上分加热段、绝缘段和冷凝段三段, 加热段与余热热源接触吸收余热, 热管工作介质不论是液态或是固态, 总是在开始工作传热时均集中在热管的加热段, 当热管的加热段一接触吸收余热热源吸热时, 热管工作介质就蒸发或升华, 并以高速度向冷却段运动, 同时将热量带到了冷却段, 传递的热量是热管工作介质的汽化潜热, 放出汽化潜热,工作介质就凝结成液态, 连续循环下去, 工作介质就不断传递热量。

热管式换热器的一种:复合相变换热器技术在燃煤锅炉上的到了应用。这种技术首次提出将换热器最低金属壁面温度定义为“第一设计要素”的理念,以及首次提出将对产生烟气低温结露和腐蚀具有关键性影响的最低壁面温度置于“可控可调状态”的创新概念。

该技术的核心在于“复合”和“相变”,即通过“相变换热器”的设置,并利用不同“强化传热技术”与不同“控制技术”的合理配置,借助于优化设计,改变包括热管技术在内的一般换热器壁面温度分布的“ 函数”特征,在始终保证金属壁面温度处于酸露点以上以避免出现低温结露和腐蚀的同时,为大幅度回收烟气低温余热提供了可能。复合相变换热器中的“相变段”是整个技术得以实施的核心部件之一。

它将原热管换热器中相互独立的部分,通过优化设计构造成一个相互关联的结构化的整体,充分利用气( 化)液( 化)间“ 两相同向流动”、“汽液相变换热”,“工质自然循环”,将气化潜热与液化潜热交替进行,以2243kJ/kg的热容量进行高效传热。

在换热平均温差20度时,与传统的烟气横掠列管换热的气气换热器的20kJ/kg•20℃换热能力相比,二者具有102以上数量级的传热量差别。

热管换热器在余热回收、降低能耗、节约能源、减少二氧化碳排放、改善环境等方面所带来的综合效益是巨大的。

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4.折流杆式换热器

折流杆式换热器又分为板式折流杆换热器和管壳式折流杆换热器。板式换热器由一组波纹形的平行金属板构成,在板片的4个拐角处都有通道孔,传热板被夹紧在一个侧面附有连接管的固定板和活动压紧板的框架中,并用螺栓紧固夹紧。

这些连接管同板上的通道孔对中,并与热交换的2 种液体的外部管路相连,传热板和活动压紧板悬挂在顶部承载梁的下面,并由底部横梁使其对准定位。传热板被紧固的垫片密封,以防止外部泄漏。

流体的流量、物理性质,压降和温度差决定了板片的数目和尺寸。板式换热器的冷却水和被冷却水在波纹板的两侧对流,这些传热板的波纹斜交。由于流动方向不断变化,致使流道形状改变而引起湍 流。

电站用的水- 水换热器为固定管板弓形折流板管壳式换热器。在壳程设置若干块折流板,使流体在壳程反复换向横向冲刷换热管束,增大了流体的流速和湍动,从而提高了壳程的传热效果。其总传热系数K 值一般为2000 W/( m2•K) 左右。

针对普通折流杆式换热器的缺陷,广东某电力设备厂和华中科技大学合作,开发了电站外导流折流杆海水- 工业水换热器,在华能汕头电厂试用成功。2004 年8月,该技术获得国家实用新型专利(专利号: ZL 02 2 71594.0)。

该专利设备通过改变换热器管束、外壳及折流杆的结构,打破传统换热器利用折流板间距改变流速、控制振动及阻力来确定传热效率的技术路线,壳程流体由折流板结构的相对换热管为横流改为顺流,降低流动阻力,利用折流杆使低速流体也变成湍流来提高换热器传热效率。

在结构上,微扰流折杆换热器壳程不设置折流板,而是沿流体流动方向布置折流环。环上装置若干普通折流杆和起微扰流作用的折流杆,折流杆依次按水平和垂直方向安置,普通折流杆用以固定换热管( 见图4) 。

图4 折流杆换热器结构图

当流体顺着管束流动时,遇到普通折流杆产生扰流,遇到微扰流折流杆产生带有微振动的扰流,然后再流到下一个折流杆产生同样的扰流,如此多次扰动减薄了层流边界层,形成紊流,增强了传热。

壳程进出口处设置外导流筒,使流体低速进出管束,同时把流体由横掠管束改为顺换热管流动,消灭了流动死区,充分利用了换热面积。高效节能折流杆换热器由于有高效节能微扰流折流杆的强化传热、壳程流体相对于换热管顺流(见图5) ,故该技术换热器具有如下特性: 换热效率高,其总传热系数K 一般为2600~3500W/( m2•K) ,消灭了流动死区,基本消除了诱导振动,流动阻力大为减小,污垢也因扰流的自洁作用而不易沉积,运行换热效率稳定。不用安装海水升压泵

图5 高效节能微扰流折流杆换热器示意图

结果表明,电站外导流微扰流折流杆水- 水换热器为电厂解决了传热、阻力、振动等多个难题,提高了电厂的发电效益。秦山核电310 MWe 系统设备改造是成功的,新型高效折流杆式换热器在新建核电项目推广应用,其技术将得到进一步提高,应用前景较好。

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5.超声波抑垢强化换热实验研究

电厂设备中的换热器也存在不同程度的结垢问题。凝汽器长期工作,在其内壁常会形成污垢,污垢不仅增大了热阻,降低了换热效果,造成巨大的经济损失,而且更严重的是污垢的集聚会直接危害汽轮机本体的安全可靠性。

川维厂1#汽轮发电机组于2011 年3 月,在凝汽器附近的墙壁上安装超声波防除垢装置的4 台主机,主机装置采用电源为AC220 V,通过内置的主控单元、参数调测单元、匹配单元、显示单元、功放单元、遥控单元等硬件设备和软件系统来实现对超声震荡的发生、频率、振幅、脉冲周期、脉冲宽度、加速度等参数实现实时调测和控制,产生功率一定的超声波—脉冲电信号。于2011 年11 月3 日,打开凝汽器观察,发现凝汽器管板表面较洁净,管束内壁有少量灰褐色软泥浆状物,经常压水冲洗后,灰褐色软泥浆状物可清除,冷却管端部向内300 mm用金属刮检查未见硬垢。以下为使用超声波防除垢装置前后凝汽器内部对比照片: