10類新型高效換熱器詳細(xì)介紹

換熱器在工、農(nóng)業(yè)的各領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛，在日常生活中傳熱設(shè)備也隨處可見，是不可缺少的工藝設(shè)備之一。

   隨著研究的深入，換熱器工業(yè)應(yīng)用取得了令人矚目的成果，得到了大量的回報(bào)，如板翅式換熱器、大型板殼式換熱器和強(qiáng)化沸騰的表面多孔管、T形翅片管、強(qiáng)化冷凝的螺紋管、鋸齒管等都得到了國際傳熱界專家的首肯，社會(huì)效益非常顯著，大大緩解了能源的緊張狀況。

   近年來國內(nèi)在節(jié)能、增效等方面改進(jìn)換熱器性能，在提高傳熱效率，減少傳熱面積，降低壓降，提高裝置熱強(qiáng)度等方面的研究取得了顯著成績，且隨著工業(yè)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(jì)和低壓力損失設(shè)計(jì)的方向發(fā)展。

近幾年著重提出了以下幾種新型換熱器。

1.     

  氣動(dòng)噴涂翅片管換熱器

俄羅斯提出了一種先進(jìn)方法, 即氣動(dòng)噴涂法, 來提高翅片化表面的性能。其實(shí)質(zhì)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(shí)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(píng)估翅片管換熱器元件進(jìn)行了試驗(yàn)研究。試驗(yàn)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(yàn)所得數(shù)據(jù)加以整理, 便可評(píng)估翅片底面的接觸阻力。

將研究的翅片的效率與計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行比較, 得出的結(jié)論是: 氣動(dòng)噴涂翅片的底面的接觸阻力對(duì)效率無實(shí)質(zhì)性影響。

為了證實(shí)這一點(diǎn), 又對(duì)管子與翅片的過渡區(qū)進(jìn)行了金相結(jié)構(gòu)分析。對(duì)過渡區(qū)試片的分析表明, 連接邊界的整個(gè)長度上無不嚴(yán)密性的微裂紋。

所以, 氣動(dòng)噴涂法促進(jìn)表面與基本相互作用的分支邊界的形成, 能促進(jìn)粉末粒子向基體的滲透, 這就說明了附著強(qiáng)度高, 有物理接觸和金屬鏈形成。

因而, 氣動(dòng)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(duì)普通翅片的底面進(jìn)行補(bǔ)充加固?？梢灶A(yù)計(jì), 氣動(dòng)噴涂法在緊湊高效的換熱器生產(chǎn)中將會(huì)得到廣泛應(yīng)用。

2. 焊接式板式換熱器

用焊接結(jié)構(gòu)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(duì)于腐蝕介質(zhì)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(tái)換熱面積F 為3m2～2 000m2。可用于氣- 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(shù)的換熱器。

圖1 COMPBLOC 焊接式板式換熱器

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(jié)構(gòu)。板束采用精密壓制、自動(dòng)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(gè)帶有接管的面板組成。

其耐壓耐溫達(dá)3. 2MPa 和300℃, 單臺(tái)F 為1. 5m2～300m2, 單臺(tái)板片數(shù)為25～500,冷熱介質(zhì)錯(cuò)流排列。由于COM PA BLOC 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(jīng)濟(jì)地用這種換熱器取代在相應(yīng)溫度范圍內(nèi)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。

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(gè)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(gè)折流板與殼程流體的流動(dòng)方向成一定的角度,使殼程流體做螺旋運(yùn)動(dòng), 能減少管板與殼體之間易結(jié)垢的死角, 從而提高了換熱效率。由于介質(zhì)呈螺旋式流動(dòng), 在徑向產(chǎn)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(dòng)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(jié)構(gòu)可以滿足的工藝條件很寬, 設(shè)計(jì)方面具有很大的靈活性, 可針對(duì)各種特殊的工藝條件選擇最佳的螺旋角。

圖2

螺旋形折流板換熱器和折流板配置方式

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(gè)工序。改進(jìn)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(jìn)了傳熱, 減少了結(jié)垢, 真正的逆流, 降低了成本, 無振動(dòng), 節(jié)省了空間, 無折流元件。由于管子結(jié)構(gòu)獨(dú)特使管程與殼程同時(shí)處于螺旋運(yùn)動(dòng), 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。組裝換熱器時(shí)也可采用螺旋扁管與光管混合方式。該換熱器嚴(yán)格按照ASME標(biāo)準(zhǔn)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(shè)備所獲得的最佳值, 估計(jì)在化工、石油化工行業(yè)中具有廣闊的應(yīng)用前景。

5. Hitan 繞絲花環(huán)換熱器

該型換熱器是英國Cal Gavin Ltd 公司開發(fā)的一種新產(chǎn)品, 采用一種稱之為Hitan mat rix element s的絲狀花內(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(dòng), 可提高誘發(fā)湍流和增強(qiáng)沿溫度梯度方向上的流體擾動(dòng), 能在不增加阻力的條件下大大提高傳熱系數(shù)。

圖3 Hitan 換熱器用內(nèi)插物

內(nèi)插件不僅可以促進(jìn)管內(nèi)流體形成湍流, 同時(shí)可以擴(kuò)大傳熱面積, 提高傳熱效率。目前, 管內(nèi)內(nèi)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Cal Gavin 公司研制出了一種叫Heatex的內(nèi)插件。這種內(nèi)插件由一組延伸至管壁的圓芯體組成, 它可使管側(cè)傳熱效率提高2～15倍。該公司還開發(fā)了一種叫Hit ran 的絲網(wǎng)內(nèi)插件, 將這種內(nèi)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(yīng)值提高5倍。同時(shí), 與正常流速相比, 這種內(nèi)插件使換熱管的防垢能力提高8～10倍。

在電廠中，換熱器的應(yīng)用以管殼式和板式為主，具體形式也隨著新工藝、新技術(shù)、新材料的不斷發(fā)展而發(fā)展。

一、 對(duì)于常用的管殼式換熱器，可通過改變管子外形或在管內(nèi)加入插入物的方式，來強(qiáng)化傳熱，提高其效率。

常用的措施有應(yīng)用螺旋槽管，橫紋管，管內(nèi)插入物（麻花鐵、螺旋面，對(duì)于縮小換熱器體積，提高換熱器效率有很重要的作用。

目前，已經(jīng)線圈、螺旋帶、螺旋片、扭帶和靜態(tài)混合器等），翅片管，低肋管，波紋管等替代原有的光管。低肋管是開發(fā)較早的換熱器之一, 主要應(yīng)用于強(qiáng)化沸騰傳熱, 不僅換熱系數(shù)較高, 而且能有效地?cái)U(kuò)大傳熱面積。

光滑管的傳熱面積只是低肋管的38% 。螺紋管是一種由鋼管經(jīng)過環(huán)向滾壓軋制而成的整體低翅片管, 適應(yīng)于強(qiáng)化對(duì)流、冷凝傳熱。

內(nèi)、外螺紋管換熱器可提高傳熱系數(shù), 螺紋管的總傳熱系數(shù)為光滑管的兩倍以上, 一般在滿足生產(chǎn)的情況下, 2 臺(tái)內(nèi)、外螺紋管換熱器具有3 臺(tái)光滑管換熱器的傳熱能力。

對(duì)于相同結(jié)構(gòu)的管殼式換熱器,內(nèi)、外螺紋管的換熱面積是光滑管的1.5- 2.5倍。波紋管是管內(nèi)流道截面連續(xù)不斷地突變, 造成流體即使在流速很低的情況下也始終處于高度的湍流狀態(tài), 難以形成層流, 使對(duì)流傳熱的主要熱阻被有效克服, 管內(nèi)、外傳熱被同時(shí)強(qiáng)化。波紋管傳熱系數(shù)很高, 一般為傳統(tǒng)管殼式換熱器的2-3倍。

二、新型的板式換熱器

組波紋金屬板組成,板片上裝有密封墊,引導(dǎo)流體交替的流至各自的通道內(nèi),提高湍流程度。新型板式換熱器在安陽電廠經(jīng)半年的試運(yùn)行,具有以下優(yōu)越性：

（1）在傳熱面積相同時(shí),新型板式換熱器的體積和重量均是管殼式冷卻器的1/3 左右,具有體積小、整體重量輕,外形美觀,傳熱效果好等特點(diǎn)。

（2）由于波形板組件的特殊波紋結(jié)構(gòu),內(nèi)部流體呈紊流狀態(tài),不易產(chǎn)生結(jié)垢和表面附著物,其傳熱系數(shù)不易改變,冷卻效果恒定。

（3）結(jié)構(gòu)簡單,可就地拆開、組裝、清洗、檢修,且密封性能好,未發(fā)現(xiàn)漏水,漏油現(xiàn)象。

三、最近幾年，熱管式換熱器在電廠中得到了很大的應(yīng)用。

熱管是憑借充裝在管內(nèi)封閉的工作介質(zhì)反復(fù)發(fā)生蒸發(fā)和凝結(jié)相變而進(jìn)行熱量傳遞的。

熱管結(jié)構(gòu)上分加熱段、絕緣段和冷凝段三段, 加熱段與余熱熱源接觸吸收余熱, 熱管工作介質(zhì)不論是液態(tài)或是固態(tài), 總是在開始工作傳熱時(shí)均集中在熱管的加熱段, 當(dāng)熱管的加熱段一接觸吸收余熱熱源吸熱時(shí), 熱管工作介質(zhì)就蒸發(fā)或升華, 并以高速度向冷卻段運(yùn)動(dòng), 同時(shí)將熱量帶到了冷卻段, 傳遞的熱量是熱管工作介質(zhì)的汽化潛熱, 放出汽化潛熱,工作介質(zhì)就凝結(jié)成液態(tài),連續(xù)循環(huán)下去,工作介質(zhì)就不斷傳遞熱量。

熱管式換熱器的一種：復(fù)合相變換熱器技術(shù)在燃煤鍋爐上的到了應(yīng)用。這種技術(shù)首次提出將換熱器最低金屬壁面溫度定義為“第一設(shè)計(jì)要素”的理念，以及首次提出將對(duì)產(chǎn)生煙氣低溫結(jié)露和腐蝕具有關(guān)鍵性影響的最低壁面溫度置于“可控可調(diào)狀態(tài)”的創(chuàng)新概念。

該技術(shù)的核心在于“復(fù)合”和“相變”，即通過“相變換熱器”的設(shè)置，并利用不同“強(qiáng)化傳熱技術(shù)”與不同“控制技術(shù)”的合理配置，借助于優(yōu)化設(shè)計(jì)，改變包括熱管技術(shù)在內(nèi)的一般換熱器壁面溫度分布的“函數(shù)”特征，在始終保證金屬壁面溫度處于酸露點(diǎn)以上以避免出現(xiàn)低溫結(jié)露和腐蝕的同時(shí)，為大幅度回收煙氣低溫余熱提供了可能。復(fù)合相變換熱器中的“相變段”是整個(gè)技術(shù)得以實(shí)施的核心部件之一。

它將原熱管換熱器中相互獨(dú)立的部分，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)構(gòu)造成一個(gè)相互關(guān)聯(lián)的結(jié)構(gòu)化的整體，充分利用氣（化）液（ 化）間“ 兩相同向流動(dòng)”、“汽液相變換熱”，“工質(zhì)自然循環(huán)”，將氣化潛熱與液化潛熱交替進(jìn)行，以2243kJ/kg的熱容量進(jìn)行高效傳熱。

在換熱平均溫差20度時(shí)，與傳統(tǒng)的煙氣橫掠列管換熱的氣氣換熱器的20kJ/kg?20℃換熱能力相比，二者具有102以上數(shù)量級(jí)的傳熱量差別。

熱管換熱器在余熱回收、降低能耗、節(jié)約能源、減少二氧化碳排放、改善環(huán)境等方面所帶來的綜合效益是巨大的。

四、折流桿式換熱器

折流桿式換熱器又分為板式折流桿換熱器和管殼式折流桿換熱器。板式換熱器由一組波紋形的平行金屬板構(gòu)成，在板片的4個(gè)拐角處都有通道孔，傳熱板被夾緊在一個(gè)側(cè)面附有連接管的固定板和活動(dòng)壓緊板的框架中，并用螺栓緊固夾緊。

這些連接管同板上的通道孔對(duì)中，并與熱交換的2種液體的外部管路相連，傳熱板和活動(dòng)壓緊板懸掛在頂部承載梁的下面，并由底部橫梁使其對(duì)準(zhǔn)定位。傳熱板被緊固的墊片密封，以防止外部泄漏。

流體的流量、物理性質(zhì)，壓降和溫度差決定了板片的數(shù)目和尺寸。板式換熱器的冷卻水和被冷卻水在波紋板的兩側(cè)對(duì)流，這些傳熱板的波紋斜交。由于流動(dòng)方向不斷變化，致使流道形狀改變而引起湍流。

電站用的水－ 水換熱器為固定管板弓形折流板管殼式換熱器。在殼程設(shè)置若干塊折流板，使流體在殼程反復(fù)換向橫向沖刷換熱管束，增大了流體的流速和湍動(dòng)，從而提高了殼程的傳熱效果。其總傳熱系數(shù)K 值一般為2000 W/( m2?K)左右。

針對(duì)普通折流桿式換熱器的缺陷，廣東某電力設(shè)備廠和華中科技大學(xué)合作，開發(fā)了電站外導(dǎo)流折流桿海水－工業(yè)水換熱器，在華能汕頭電廠試用成功。2004 年8月，該技術(shù)獲得國家實(shí)用新型專利(專利號(hào): ZL 02 2 71594．0)。

該專利設(shè)備通過改變換熱器管束、外殼及折流桿的結(jié)構(gòu)，打破傳統(tǒng)換熱器利用折流板間距改變流速、控制振動(dòng)及阻力來確定傳熱效率的技術(shù)路線，殼程流體由折流板結(jié)構(gòu)的相對(duì)換熱管為橫流改為順流，降低流動(dòng)阻力，利用折流桿使低速流體也變成湍流來提高換熱器傳熱效率。

在結(jié)構(gòu)上，微擾流折桿換熱器殼程不設(shè)置折流板，而是沿流體流動(dòng)方向布置折流環(huán)。環(huán)上裝置若干普通折流桿和起微擾流作用的折流桿，折流桿依次按水平和垂直方向安置，普通折流桿用以固定換熱管( 見圖4) 。

圖4 折流桿換熱器結(jié)構(gòu)圖

a 

當(dāng)流體順著管束流動(dòng)時(shí)，遇到普通折流桿產(chǎn)生擾流，遇到微擾流折流桿產(chǎn)生帶有微振動(dòng)的擾流，然后再流到下一個(gè)折流桿產(chǎn)生同樣的擾流，如此多次擾動(dòng)減薄了層流邊界層，形成紊流，增強(qiáng)了傳熱。

殼程進(jìn)出口處設(shè)置外導(dǎo)流筒，使流體低速進(jìn)出管束，同時(shí)把流體由橫掠管束改為順換熱管流動(dòng)，消滅了流動(dòng)死區(qū)，充分利用了換熱面積。高效節(jié)能折流桿換熱器由于有高效節(jié)能微擾流折流桿的強(qiáng)化傳熱、殼程流體相對(duì)于換熱管順流(見圖5) ，故該技術(shù)換熱器具有如下特性:換熱效率高，其總傳熱系數(shù)K 一般為2600～3500W/( m2?K) ，消滅了流動(dòng)死區(qū)，基本消除了誘導(dǎo)振動(dòng)，流動(dòng)阻力大為減小，污垢也因擾流的自潔作用而不易沉積，運(yùn)行換熱效率穩(wěn)定。不用安裝海水升壓泵

圖5 高效節(jié)能微擾流折流桿換熱器示意圖

結(jié)果表明，電站外導(dǎo)流微擾流折流桿水－ 水換熱器為電廠解決了傳熱、阻力、振動(dòng)等多個(gè)難題，提高了電廠的發(fā)電效益。秦山核電310 MWe 系統(tǒng)設(shè)備改造是成功的，新型高效折流桿式換熱器在新建核電項(xiàng)目推廣應(yīng)用，其技術(shù)將得到進(jìn)一步提高，應(yīng)用前景較好。

五、超聲波抑垢強(qiáng)化換熱實(shí)驗(yàn)研究

電廠設(shè)備中的換熱器也存在不同程度的結(jié)垢問題。凝汽器長期工作，在其內(nèi)壁常會(huì)形成污垢，污垢不僅增大了熱阻，降低了換熱效果，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，而且更嚴(yán)重的是污垢的集聚會(huì)直接危害汽輪機(jī)本體的安全可靠性。

川維廠1#汽輪發(fā)電機(jī)組于2011 年3 月，在凝汽器附近的墻壁上安裝超聲波防除垢裝置的4 臺(tái)主機(jī)，主機(jī)裝置采用電源為AC220 V，通過內(nèi)置的主控單元、參數(shù)調(diào)測單元、匹配單元、顯示單元、功放單元、遙控單元等硬件設(shè)備和軟件系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)對(duì)超聲震蕩的發(fā)生、頻率、振幅、脈沖周期、脈沖寬度、加速度等參數(shù)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)調(diào)測和控制，產(chǎn)生功率一定的超聲波—脈沖電信號(hào)。于2011 年11 月3 日，打開凝汽器觀察，發(fā)現(xiàn)凝汽器管板表面較潔凈，管束內(nèi)壁有少量灰褐色軟泥漿狀物，經(jīng)常壓水沖洗后，灰褐色軟泥漿狀物可清除，冷卻管端部向內(nèi)300 mm用金屬刮檢查未見硬垢。以下為使用超聲波防除垢裝置前后凝汽器內(nèi)部對(duì)比照片: