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浅析换热器在化工工艺中的作用

2014-08-15新疆天智辰业化工有限公司石河子市832000赵小强

石河子科技 2014年3期
关键词:光管管壳传热系数

(新疆天智辰业化工有限公司,石河子市,832000) 赵小强

1 引言

国家倡导绿色生产,在确保生产工艺科学环保的基础上,以最小的能源损耗获得最大的经济效益。随着新时代的各种新型工艺、新型技术、新型材料的不断发展,以及能源枯竭问题日益严重,人们不得不采用一些新的技术设备,尽量建设能源的损耗,换热器便在这一过程中被研发出来。换热器的作用是将热量从温度较高的流体向温度较低的流体传递,这个作用可以广泛地运用到化工生产中,化工生产工艺流程往往存在着许多的热交换过程,利用换热器便合理地分配热量,实现工艺的优化。换热器的性能会对产品品质、能量利用率、系统的可靠性以及系统的经济性起着重要的作用,对于热交换器的研究仍在继续。在一些发达国家,他们使用的换热器设备已经实现了绝大部分的热回收。换热设备在石油炼制等领域运用十分广泛,在全部工艺设备中占有40%左右的比重,这些换热器中以管壳式换热器为主,紧凑换热器等次之。随着工业装置的高效率化和大型化,换热器也向着大型化发展。

2 管壳式换热器简介及其运用

管壳式换热器是目前运用最广的一类换热器,有关这种换热器的理论研究和设计技术都相当完善,并且可靠性高。这种传热器被各国争相研究,大大改善了该换热器的传热性能。

2.1 螺纹管和低齿管式换热器

低齿管在美、英、日、德等国家均有生产和使用,适用于管内的给热系数大于或等于关外给热系数的两倍的时候。而管外螺纹的传热管能够有效地提高传热系数。

2.2 螺旋槽管式换热器

这种换热器采用的是被挤压有单头或多头螺旋管,这种传热管主要通过两种流动方式进行管内传热强化,其一,便是螺旋槽对近壁处的流体流动起到的限制作用,让管内的流体进行螺旋式的运动来产生局部二次流;其二,就是螺旋槽引起的形体阻力,导致了逆向压力梯度的产生,使边界层出现分离。相对于光管,这种螺旋槽管的管内传热效率拥有明显的优势。此外,这种螺旋槽管能够用于液液传热、液气传热和气气传热的强化,而且这种管还具有较强的抗污垢性能和高度,被广泛的用于动力、船舶炼油、海水淡化、石油化工等工艺的导热回收换热设备上。

2.3 内波纹式螺旋管换热器

这种换热器是用专业的设备将光管加工,变成内波纹螺纹管,这是对传热原件管束进行优化的结果。通过对光管的轧制,将传热面积扩大到原本的三倍左右,同时借助于管内的螺旋状波纹能够有效地提高紊流的脉动性,减小流体与流体层、管壁之间的摩擦,改进介质边界层的流动状态,最终达到良好的强化传热的效果。某炼油厂经过实验比较,得知波纹管换热器的总传热系数是光管换热器的2.7倍,在工业生产时,有两台代三台的能力,有效地减少了换热群体的数量。

2.4 折流杆换热器

折流杆换热器是管壳式换热器的一种,它将原本的折流板变为折流栅,这样能有效地改善传性能。这种换热器很早以前就是研究的热点,于80年代,低齿管的折流杆换热器就已经诞世,这种换热器的总传热系数相比与传热管壳式的有所提高,壳程压降低了一半。现如今,折流杆换热器被广泛地运用在沸腾、冷凝以及单向等工况中,例如胺重沸器、气体预热换热器、生物技术发酵罐冷却盘管等。

2.5 强化沸腾传热的高效沸腾传热器

这种传热器采用的是高效沸腾传热管作为传热管,这中传热管是以光滑管为原材料,通过机械加工或是烧结、电化学腐蚀让其表面呈现许多有规则的三角形小孔,小孔是通过其下方的隧道相互连接的,这种特殊的表面结构强化了沸腾传热,这种管被世界血多的仪器公司纷纷采用,曾经被誉为世界上最佳强化传热管之一。这种传热器除了在制冷剂的蒸发上广泛运用外,也能用于海水温差发电、轻烃的分离、水溶液的蒸发、废热余热的动力回收以及地热发电等低温差沸腾传热过程中。

2.6 强化冷凝传热锯齿形翅片管传热器

这种传热器使用的是锯齿形翅片管,这种管是新进发展起来的冷凝传热管。相比于螺纹管,锯齿管的翅片距更小,由于在其翅片的边缘处开有锯齿状的缺口,可以让其具备有更大的外涂面积,具备比螺旋管更大的传热面积。于翅片顶部是错开锯齿形状,所以使得冷凝液的流动呈扰动状态,有利于冷凝液膜的对流传热,故而其管外的热凝传热系数远远大于光管和低管。合肥通用机械研究与华南理工大学联合,共同研制了使用了“S+C”的氟里昂冷凝器,这种管的传热系数高达9400w/m2·K,相比原来使用的螺纹管冷凝器,热传系数数提高了一倍以上,还能节省一部分材料。

3 板式换热器及其应用

由于传热理论的的不断发展与机械加工技术的不断提高,换热器也在不断改进和发展。目前国内也出现了许多新型的、高效的换热器,它们在传热面积的增大上做出了很大的努力。

3.1 焊接板式换热器

在换热器的研究过程中,曾经用焊接结构替换了原来的橡胶垫密封,出现了全焊式和半焊式的办事换热器,这样弥补了原本的垫片材料不耐高温、不耐腐蚀以及不耐压方面的不足,其中,腐蚀介质大都采用板式换热器,这些年来,板式换热器得到了很大的发展。继德国与日本研发的千代田BAVARIA型的混合焊接板式换热器后,Nouvelles公司又研发了Packinox型换热器,这种换热器在炼油厂中代替了原本的列管式换热器,这种换热器可用各种合金制成,拥有较大的表面积,一致得到推广运用。

3.2 螺旋板式换热器

螺旋板式换热器运用也较为广泛,这种换热器主要结构是可以拆换的,大都是板边结构。这种板式结构实质上就是两端的通道密封不采用圆钢结构,而是整体中心隔板。采用的金属材料除了不锈钢以外,还会使用到诸如镍铬合金、钛和钛合金、蒙乃尔合金、铜铝合金等可焊接的合金。目前我国使用的螺旋板式换热器多数是不可拆型的,使用的金属材料多为碳钢和不锈钢,也有少量使用钛和钛合金。

3.3 可拆板式换热器

近年来,研究者们对换热器的结构进行了很大的改进,并且密封槽式结构和密封片材料也在一直发展,使得板片的制造技术得到了普遍的提高和发展,推进了板式换热器的应用。英国APV公司就积极研发这种换热器,他们制造的单片面积最大可达5m2左右,换热器内可容纳700片单片,单台换热面积非常可观。GEA也曾对板片进行了研究,他们开发了一种槽口上窄下宽的梯形板片,板片槽与之过盈配合实现将垫片紧压的目地。我国的板式换热器与上世纪80年代才得到较大的发展,四平式换热器总厂和邯郸式板式换热器工贸公司相继研发了单片面积为2平方米和2.7平方米的单片,用于制造板式换热器。

4 结束语

换热器在世界各国工业生产工艺中普遍使用,它不但对国名经济产生一定的影响,也会对工业生产的的经济性以和可靠性、产品质量、能量利用率起着举足轻重的作用。现如今,世界各国对换热器理论研究和新型换热器的开发已经进入到高层次的探索阶段,并且涉及到广阔的领域,这就需要我们不断发展综合技术水平,才能确保换热器得到的不断提高和改进。此外,还应进一步扩大新型换热器的实用化范围,在各种生产工艺中推广具有高效、低成本、低能耗、性能优越的换热器,借鉴国外的一些先进的换热器技术,提高我国的换热器技术,使其更好的为我国的化工工艺服务。

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