高效節(jié)能換熱器的分類與發(fā)展

高效節(jié)能換熱器的分類與發(fā)展

政府堅(jiān)持“科學(xué)發(fā)展和節(jié)能，把節(jié)能放在首位”的政策，2007年占gdp總產(chǎn)值的42.7%，占總能耗的71.6%，占專業(yè)能耗的80%，技術(shù)節(jié)能領(lǐng)域非常豐富。國(guó)家能源科學(xué)和技術(shù)“25”計(jì)劃還明確規(guī)定了“利用科技無(wú)限的力量來(lái)解決有限能源和資源的限制，努力提高能源資源的開(kāi)發(fā)、轉(zhuǎn)化和使用效率”的節(jié)能原則。60%以上的用能設(shè)備是換熱器。換熱器不僅是工業(yè)部門保證一定生產(chǎn)過(guò)程和條件使用的通用汽車，也是利用工業(yè)二次能源實(shí)現(xiàn)盈余回收和節(jié)能的主要設(shè)備。換熱器行業(yè)充分體現(xiàn)了節(jié)能環(huán)保。是一家在增長(zhǎng)和發(fā)展過(guò)程中蓬勃發(fā)展的朝陽(yáng)產(chǎn)業(yè)。近年來(lái)，隨著換熱行業(yè)的主要發(fā)展方向是節(jié)能效效果。我們可以得到[6.8]加熱通道的改進(jìn)器，以減少傳動(dòng)遲間的加熱區(qū)域，降低壓降，提高設(shè)備的熱強(qiáng)度。換熱器按照傳熱表面的形狀和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可分為管式換熱器,板式換熱器和其他形式換熱器三大類.其中,管式換熱器以管表面為傳熱面,具有耐高溫高壓,制造工藝簡(jiǎn)單等特點(diǎn),是工業(yè)中應(yīng)用最多的換熱器.板式換熱器[11~14]是以板為傳熱面,具有結(jié)構(gòu)緊湊,傳熱效率高等特點(diǎn),是目前較為先進(jìn)的高效節(jié)能換熱器.板式換熱器板片與板片之間密封方式有墊片密封和焊接密封兩種方式.墊片密封板式換熱器即常見(jiàn)的可拆板式換熱器,它具有換熱效率高,易拆洗維護(hù),容易擴(kuò)容等優(yōu)點(diǎn),已經(jīng)在各個(gè)行業(yè)得到廣泛應(yīng)用.墊片密封板式換熱器內(nèi)的流體必須與墊片材料相兼容(非腐蝕性),工作壓力一般小于2.5MPa,溫度低于250°C.焊接密封板式換熱器整個(gè)板片周圍采用焊接方式來(lái)形成密封,可用于與板材兼容的腐蝕性流體,工作壓力范圍真空至20MPa,溫度范圍-200°C~900°C.全焊接板式換熱器的出現(xiàn),大大拓寬了板式換熱器的應(yīng)用領(lǐng)域.伴隨著制造技術(shù)的快速發(fā)展,尤其是焊接技術(shù)的發(fā)展,全焊接板式換熱器新產(chǎn)品不斷涌出.圖1給出了全焊接板式換熱器的分類.根據(jù)換熱芯體有沒(méi)有放在承壓外殼中,可以分為非板殼式和板殼式兩大類.非板殼式根據(jù)流動(dòng)方式和焊接方式的不同可以逐步細(xì)分為可拆全焊接板式換熱器、釬焊板式換熱器、純逆流焊接板式換熱器、螺旋板式換熱器、板翅式換熱器等.板殼式換熱器根據(jù)板片的幾何形狀可以分為圓形板片板殼式換熱器和方形板片板殼式換熱器.本文首先將對(duì)圖1中各類換熱器原理進(jìn)行簡(jiǎn)單描述,著重講解其中兩類新型全焊接板式換熱器:可拆全焊接板式換熱器和圓形板片板殼式換熱器,并介紹全焊接板式換熱器的市場(chǎng)情況;接下來(lái)闡述全焊接板式換熱器與管殼式換熱器的經(jīng)濟(jì)性對(duì)比;最后總結(jié)了近年來(lái)全焊接板式換熱器傳熱流動(dòng)方面的研究進(jìn)展.1非板殼式全焊接板換熱器1.1可拆全焊接板式換熱器可拆式全焊接板式換熱器(如圖2所示)是全焊接板式換熱器家族中的一種新產(chǎn)品.全焊接結(jié)構(gòu)的板束被放置在4塊靠螺栓固定的板框之間,上下部分別有維持壓力的頂板.4個(gè)面板上帶有流體進(jìn)出口的連接管嘴.全螺栓連接結(jié)構(gòu)使得板框可以快速拆卸,進(jìn)而方便對(duì)板束進(jìn)行清理和維護(hù).由于板與板之間通常采用激光焊接,不使用墊片,其最高工作壓力可達(dá)4.2MPa,工作溫度可達(dá)350°C.可拆全焊接板式換熱器產(chǎn)品于20世紀(jì)90年代初期面市,迄今有十幾萬(wàn)臺(tái)設(shè)備投入運(yùn)行.該類換熱器標(biāo)準(zhǔn)化、自動(dòng)化程度高,優(yōu)勢(shì)明顯.國(guó)外市場(chǎng)上,該類產(chǎn)品在許多領(lǐng)域已全面替代管殼式換熱器.國(guó)內(nèi)自1998年茂名乙烯項(xiàng)目乙二醇裝置引進(jìn)AlfaLaval公司的該類產(chǎn)品后,隨著成套設(shè)備供應(yīng)商配套,工藝專利商的指定,跨國(guó)公司在華投資建廠等渠道,該類換熱器近年來(lái)在國(guó)內(nèi)使用情況大大增多.隨著使用業(yè)績(jī)的增多,客戶認(rèn)可度越來(lái)越高,目前國(guó)內(nèi)已有數(shù)千臺(tái)設(shè)備投入運(yùn)行.主要應(yīng)用的行業(yè)有:石油化工,煤化工,電廠,制冷,制藥行業(yè)和海上平臺(tái)等.表1總結(jié)國(guó)外著名換熱器生產(chǎn)商的同類產(chǎn)品的技術(shù)性能.1.2焊接焊接板式換熱器焊接焊接式釬焊板式換熱器(如圖3所示)的換熱板片周邊有一圈用于相互定位的折邊,板片與板片之間填入焊料銅箔或鎳箔,放入真空爐中加熱制成.由于焊料的熔點(diǎn)低于板片,液化后將板片相互焊接在一起.這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊,重量輕,除了板片與端板外沒(méi)有多余的結(jié)構(gòu).其生產(chǎn)大多依靠設(shè)備,人為因素較少,生產(chǎn)自動(dòng)化程度高.缺點(diǎn)是受真空爐大小的限制,單板面積與總裝面積都不能很大,焊接后的設(shè)備無(wú)法拆卸.釬焊板式換熱器目前國(guó)內(nèi)外廠家的產(chǎn)品性能大致相當(dāng),結(jié)構(gòu)形式也類似,最大單板片尺寸900mm×350mm,使用溫度范圍-50°C~250°C,最高使用壓力4.5MPa.釬焊板式換熱器的釬料大多數(shù)采用銅,唯有AlfaLaval公司的專利產(chǎn)品AlfaNova,焊料采用不銹鋼.該產(chǎn)品采用專利熔釬焊技術(shù)制成了全不銹鋼釬焊式換熱器.釬焊板式換熱器目前廣泛應(yīng)用于石化、制冷等行業(yè).1.3旋轉(zhuǎn)管口的封頭布置純逆流焊接板式換熱器(如圖4所示)通過(guò)入口封頭(集流箱)的布置可以實(shí)現(xiàn)兩股流體的逆流換熱.入口封頭連接方式有圖4(a)和(b)所示,兩種方式僅在封頭布置位置上有所差別.同時(shí)換熱芯體與壓板的連接方式分為可拆式和不可拆式兩種.前者的換熱芯體壓緊在兩壓緊板中,壓板間靠螺栓連接(如圖4(a)所示),而后者的換熱芯體則放置于焊接的矩形箱體內(nèi)(如圖4(b)所示).該類產(chǎn)品與上文提到的可拆全焊接板式換熱器的區(qū)別主要有兩點(diǎn):1)前者流動(dòng)方式為錯(cuò)流,后者流動(dòng)方式逆流;2)前者無(wú)入口封頭結(jié)構(gòu),管嘴連接在面板上;而后者有入口封頭,封頭連接在板片芯體上.因而前者更便于清洗和維護(hù),而后者有更好的流動(dòng)傳熱特性.1.4板翅式換熱器板翅式換熱器板翅式換熱器(如圖5所示)結(jié)構(gòu)通常由翅片,隔板,封條和導(dǎo)流片組成.在相鄰兩隔板之間放置翅片,導(dǎo)流片和封條,組成一個(gè)通道,按照設(shè)計(jì)要求對(duì)各通道適當(dāng)排列,釬焊成整體,就可以得到最常用的逆流、錯(cuò)流,錯(cuò)逆流板翅式換熱器芯體,在兩端配置適當(dāng)?shù)牧黧w出入口封頭(或集流箱),就成一完整的板翅式換熱器.板翅式換熱器被通俗地叫做“冷箱”,大量應(yīng)用空分行業(yè),石油化工行業(yè).它特別適合于制冷,低溫,壓力不太高,介質(zhì)無(wú)強(qiáng)腐蝕性的場(chǎng)合.尤其在深冷領(lǐng)域,板翅式換熱器已占據(jù)了很重要的位置.其原因在于在深冷設(shè)備中的換熱器要求具有極高的傳熱效率和非常小的熱力不可逆損失,其關(guān)鍵部位的傳熱溫差只有0.5~1.0K,因而對(duì)換熱表面的緊湊性及傳熱效率提出極高的要求,而板翅式可以滿足這些要求.國(guó)家2012年《重大技術(shù)裝備自主創(chuàng)新指導(dǎo)目錄中》指出大型高效板翅式換熱器冷箱將是待發(fā)展的一項(xiàng)大型石油及石化設(shè)備.1.5流道的設(shè)計(jì)螺旋板式換熱器(如圖6所示)由外殼、螺旋體、密封及進(jìn)出口管嘴等組成.螺旋體用兩張平行的鋼板卷制而成,兩流道沿邊沿密閉,兩端靠蓋板密閉.流體沿緊湊狹長(zhǎng)的單一流道在兩板之間流動(dòng).兩種傳熱介質(zhì)可以實(shí)現(xiàn)逆流流動(dòng),大大增強(qiáng)了換熱效果.由于螺旋通道的曲率是均勻的,液體在設(shè)備內(nèi)流動(dòng)沒(méi)有大的轉(zhuǎn)向,總的阻力小,因而可提高設(shè)計(jì)流速使之具備較高的傳熱能力.該換熱器缺點(diǎn)在于:最大尺寸受限于卷制鋼板的能力,同時(shí)不可拆卸的結(jié)構(gòu)方式,增加了維護(hù)成本.1.6空氣預(yù)熱器板單元除了上述幾類典型的產(chǎn)品,全焊接板式換熱器其他結(jié)構(gòu)形式還有全焊接板式空氣預(yù)熱器等,如圖7所示.板式空氣預(yù)熱器由許多相互平行的板單元組成,煙氣與空氣在板間交錯(cuò)流動(dòng)換熱,板單元可以是平板,也可以是沖壓成各種形狀的波紋板、丁胞板.板材質(zhì)可根據(jù)煙氣溫度及煙氣腐蝕狀況進(jìn)行選擇.全焊接板式空氣預(yù)熱器通常用于空預(yù)器的高溫段,可以避開(kāi)露點(diǎn)腐蝕,同時(shí)比常規(guī)的翅片管空預(yù)器換熱效率大大提高.而低溫段的空預(yù)器可采用稀土合金板式空預(yù)器、鑄鐵板式空預(yù)器、熱管空預(yù)器、水熱媒空預(yù)器等方式,均可以避免露點(diǎn)腐蝕.2大型化裝置的板殼式換熱器隨著國(guó)內(nèi)外煉油、化工技術(shù)的發(fā)展,各相關(guān)企業(yè)新上裝置及新改造裝置的規(guī)模越來(lái)越大.為了實(shí)現(xiàn)裝置的大型化,就需要解決一些原有關(guān)鍵換熱器設(shè)備占地面積大、重量大、投資大及能耗高的缺點(diǎn).目前在煉油、化工行業(yè)中普遍使用的管殼式換熱器已不能滿足大型化裝置的需要.在此背景下,板殼式換熱器應(yīng)運(yùn)而生.板殼式換熱器通常由兩種結(jié)構(gòu)形式:方形板片板殼式與圓形板片板殼式.2.1管殼式高效節(jié)能板片板片換熱器方形板片板殼式換熱器(如圖8所示)采用波紋板片作為傳熱元件,板片間采用氬弧焊,電阻焊等焊接方式,焊接成的板束裝在承壓殼體內(nèi).波紋板片具有“靜攪拌”作用,能在很低的雷諾數(shù)下形成湍流,傳熱效率是管殼式換熱器的2~3倍.同時(shí)還大大降低了結(jié)垢,從而使設(shè)備的維護(hù)和清掃非常方便.板殼式換熱器可實(shí)現(xiàn)真正的“純逆流”換熱,末端溫差小,可以多回收熱量,從而可大大節(jié)約裝置的操作費(fèi)用.方形板片板殼式換熱器的使用始于20世紀(jì)80年代,由法國(guó)Packinox公司最早研制成功,并首次應(yīng)用于催化重整裝置.經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展,2009年,由甘肅藍(lán)科石化高新裝備股份公司自主研發(fā)的重大石化設(shè)備9200m2高效節(jié)能板殼式換熱器(如圖9所示),成功用于福建煉油乙烯項(xiàng)目芳烴聯(lián)合裝置140萬(wàn)噸/年連續(xù)重整裝置中.該臺(tái)設(shè)備與管殼式的經(jīng)濟(jì)性對(duì)比將在下文中詳細(xì)討論.2.2國(guó)外單臺(tái)性能分析圓形板片板殼式換熱器(如圖10所示)是板殼式家族里面的新產(chǎn)品.板殼式換熱器集板式,管殼式換熱器的優(yōu)點(diǎn)于一體.它具有傳熱效率高,末端溫差小,耐高溫高壓,緊湊化以及重量輕等優(yōu)點(diǎn).該產(chǎn)品采用外形為圓形的波紋板片,片與片之間通過(guò)焊接形成板束,并將板束置于承壓殼體中.板殼式換熱器板片之間不使用墊片,使得它可以用于可拆板式換熱器無(wú)法應(yīng)用的高溫,高壓場(chǎng)合.表2給出了目前國(guó)外著名廠商的該類產(chǎn)品性能參數(shù),該產(chǎn)品可應(yīng)用的壓力范圍真空至20MPa,工作溫度范圍-200°C~900°C,單臺(tái)最大換熱面積達(dá)2000m2.圓形板片單臺(tái)換熱面積受限的原因有兩點(diǎn):1)單片面積小,圓形換熱板由壓機(jī)一次壓制而成,而方形換熱板板可以采用多片拼接構(gòu)成;2)單臺(tái)片數(shù)少,圓形板片板殼式換熱器沒(méi)有進(jìn)口流體分配器,為了避免流體分布的過(guò)度不均勻性,單臺(tái)換熱器板片數(shù)目不易過(guò)多.兩類板殼式換熱器的區(qū)別在于以下兩方面.1)方形板片板殼式的板片通道高度范圍在10~30mm,單板尺寸最大可達(dá)20m×2m(由多片拼接而成);而圓形板片板殼式的通道高度范圍3~10mm,單片直徑最大為1.5m.前者具有入口流體分配器,更適合做大型化的設(shè)備,單臺(tái)換熱面積最高達(dá)10000m2.而后者無(wú)入口流體分配器,單臺(tái)換熱面積最高達(dá)2000m2,但是結(jié)構(gòu)更為緊湊.2)方形板片板殼式換熱器通常采用電弧焊和電阻焊焊接方式,而圓形板片板殼式目前的趨勢(shì)是采用激光焊接,耐壓耐溫范圍更廣.方形板片板殼式換熱器應(yīng)通常用于壓力3.5MPa以下的工況,而圓形板片板殼式最高工作壓力可達(dá)20MPa.3全焊接板換熱器的市場(chǎng)3.1全焊接板式換熱器的市場(chǎng)全焊接板式換熱器的主要應(yīng)用場(chǎng)合見(jiàn)表3.目前全焊接板式換熱器在國(guó)外市場(chǎng)已經(jīng)相對(duì)穩(wěn)固,而國(guó)內(nèi)市場(chǎng)也逐漸被認(rèn)可.國(guó)外著名換熱器廠商都有相關(guān)的產(chǎn)品,而國(guó)內(nèi)廠商也正在積極研制.3.2國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)的選擇全焊接板式換熱器在國(guó)外已經(jīng)有多年的發(fā)展歷史,國(guó)外廠商具有明顯的優(yōu)勢(shì).1)具有多年的焊接板式換熱器的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn),有良好的試驗(yàn)平臺(tái),工業(yè)化應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)豐富,設(shè)計(jì)選型準(zhǔn)確和創(chuàng)新能力強(qiáng).2)國(guó)外產(chǎn)品品牌知名度高,業(yè)績(jī)多,在已投入的運(yùn)用中質(zhì)量可靠,優(yōu)點(diǎn)突出,為客戶的工藝優(yōu)化及改進(jìn)提供了保證,加之長(zhǎng)期建立的市場(chǎng)品牌認(rèn)知度,使得國(guó)外產(chǎn)品成為目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上客戶的首選.1)產(chǎn)品價(jià)格昂貴.2)因生產(chǎn),研發(fā)等部門均在國(guó)外,服務(wù)響應(yīng)慢,且成本高.3)由于生產(chǎn)規(guī)模大,追求標(biāo)準(zhǔn)化,客戶的特殊需求無(wú)法得到滿意的解決.3.3國(guó)內(nèi)最大產(chǎn)業(yè)發(fā)展情況全焊接板式換熱器在國(guó)內(nèi)已經(jīng)有多年的發(fā)展歷史,大部分產(chǎn)品都已實(shí)現(xiàn)工業(yè)化.唯有可拆全焊接板式換熱器及圓形板片板殼式換熱器,目前國(guó)內(nèi)還剛剛起步,多家機(jī)構(gòu)正在進(jìn)行研發(fā)制造,并且已經(jīng)有產(chǎn)品的雛形,并未形成產(chǎn)業(yè).近年來(lái)該兩類產(chǎn)品的相關(guān)專利數(shù)量也迅速增長(zhǎng),如可拆全焊接板式換熱器(專利CN202057215)、板殼式換熱器(專利CN202018225)、橢圓形板殼式換熱器板片(專利CN202066403U)、可拆式全焊接板式換熱器換熱板片(專利CN102620589A,專利CN1606682A)等.3.4國(guó)產(chǎn)不銹鋼板片與進(jìn)口板式材料性能比較國(guó)內(nèi)廠家在壓制板片時(shí),板片的工藝減薄量不均勻,精度要差于國(guó)外產(chǎn)品.對(duì)于相同厚度的板片,國(guó)內(nèi)的承壓能力差.同時(shí)國(guó)產(chǎn)不銹鋼板材與進(jìn)口板材材料性能也存在一定差距.2靈活選型板片國(guó)外廠家板片形式豐富,可以在不同工況下靈活選用.豐富多變的板片形式能夠在各個(gè)工況下得到最佳的換熱阻力性能.而國(guó)內(nèi)廠家,板片類型相對(duì)單一,產(chǎn)品種類較少.3國(guó)內(nèi)外焊接板式換熱器的對(duì)比全焊接板式換熱器焊接工藝非常關(guān)鍵,國(guó)內(nèi)的焊接水平較國(guó)外仍有較大差距,高端焊機(jī)主要依靠進(jìn)口.而高端焊機(jī)一次性投資較高,限制了國(guó)內(nèi)焊接板式換熱器的發(fā)展.4設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性和高效性差國(guó)外廠家均有自己的換熱器選型設(shè)計(jì)軟件,而這個(gè)選型軟件是通過(guò)實(shí)驗(yàn)室,現(xiàn)場(chǎng)反復(fù)測(cè)試整理形成的數(shù)據(jù)庫(kù),設(shè)計(jì)計(jì)算準(zhǔn)確率非常高.而國(guó)內(nèi)廠家大多沒(méi)有自己的實(shí)驗(yàn)室,同時(shí)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)的采集并不重視,進(jìn)而選型設(shè)計(jì)能力較差.對(duì)于復(fù)雜工況,設(shè)計(jì)值與運(yùn)行值誤差較大.4全裝配板換熱器與管殼式換熱器的比較4.1全焊接板式換熱器的性能隨著新技術(shù),新工藝,新材料的應(yīng)用,全焊接板式換熱器的性能得到了長(zhǎng)足發(fā)展,在許多應(yīng)用領(lǐng)域逐漸取代了管殼式換熱器.全焊接板式換熱器與管殼式換熱器相比,具有以下特點(diǎn).1湍流狀態(tài)的測(cè)定全焊接板式換熱器的板間結(jié)構(gòu)是復(fù)雜的網(wǎng)狀流道,這種結(jié)構(gòu)能有效地促使流體產(chǎn)生湍流.Raju和Chand,Cooper和Usher指出板式換熱器內(nèi)部流動(dòng)在很低的雷諾數(shù)(Re)就可達(dá)到湍流狀態(tài).對(duì)于板式換熱器內(nèi)流動(dòng),通常認(rèn)為Re<10時(shí)為層流;Re>500時(shí)為湍流;Re在10~500為過(guò)渡流態(tài).Troupe等人指出板式換熱器與管式換熱器相比,壓降通常會(huì)更小,原因在于對(duì)于相同的傳熱負(fù)荷或者傳熱面積,前者流道內(nèi)的流速通常很低,并且流動(dòng)長(zhǎng)度較短.在相同的壓降約束條件下,板式換熱器的傳熱系數(shù)是管式換熱器的3~5倍.另外,換熱板片用0.6~1.2mm的薄板制造,降低了壁面的導(dǎo)熱熱阻.除此之外,板式換熱器不存在像管殼式換熱器那樣的旁路流.2全焊接板式換熱器的熱性能特點(diǎn)全焊接板式換熱器采用焊接密封,其特殊的板片結(jié)構(gòu),使其具有非常好的耐壓耐溫性能.板式換熱器的波紋板(如圖11所示)有非常好的機(jī)械強(qiáng)度,同時(shí)在該板上面加工有許多小的加強(qiáng)筋.板片與板片間角度交錯(cuò)疊放,上板波谷與下板波峰相互接觸,板和板之間有很多的支撐點(diǎn),大大提高了板的耐壓能力.同時(shí)全焊接板式換熱器的換熱芯體,在放置于殼體中時(shí),通常會(huì)在熱應(yīng)力方向不施加約束,這樣可以提高其耐溫能力.全焊接板式換熱器的的溫度應(yīng)用范圍為-200°C~900°C,壓力應(yīng)用范圍為真空~20MPa,涵蓋了大部分的工業(yè)工況.3板式換熱器的熱效應(yīng)末端溫差是指一流體入口溫度與另一流體出口溫度之差.板式換熱器的冷,熱流體在板式換熱器內(nèi)的流動(dòng)平行于換熱面,且無(wú)旁流,同時(shí)薄板減少了導(dǎo)熱熱阻,這樣使得板式換熱器末端溫差很小,對(duì)于水-水換熱可以低于1°C,而管殼式換熱器大約為5°C.小的末端溫差,高的熱有效度(高達(dá)約93%)便于回收利用低品位的能量.4管殼式板式換熱器比表面積是換熱器傳熱面積小型化的指標(biāo),定義為單位體積內(nèi)的傳熱面積.比表面積越大,換熱器結(jié)構(gòu)越緊湊.光圓管管殼式比表面積為50~100m2/m3,有翅片的管殼式換熱器可以達(dá)到200~300m2/m3.而全焊接板式換熱器的比表面積約為400~800m2/m3.板翅式換熱器具有擴(kuò)展的二次表面,使得它的比表面積可達(dá)到1000~2500m2/m3.板式換熱器重量輕.因?yàn)榘迤穸葍H為0.6~1.2mm,而管殼式換熱器傳熱管厚度為2.0~2.5mm,同時(shí)管殼式的殼體重量非常大.這些優(yōu)點(diǎn)使得板式換熱器安裝位置更加隨意,檢修不需要附加的檢修場(chǎng)地.同時(shí)對(duì)于企業(yè)在原有的有限換熱器空間進(jìn)行生產(chǎn)擴(kuò)容非常有利.5板式換熱器的特點(diǎn)板式換熱器的污垢系數(shù)大概是管殼式的1/5~1/10,其原因?yàn)榘彘g流體的劇烈流動(dòng),小的通道高度使得流體在板式換熱器壁面處的速度梯度很大,剪切力大,雜質(zhì)不易沉積.同時(shí),板式換熱器易于清洗維護(hù).板式換熱器非常小的持液量很適合酸洗;另外板式換熱器流動(dòng)長(zhǎng)度較短,也適合高壓水槍直接清洗.對(duì)于通道較小的情況,可以采用超聲波技術(shù)進(jìn)行清洗(如圖12所示).6板式蒸發(fā)器內(nèi)部持液量小,容易啟動(dòng)由于相鄰兩板之間的通道窄,能容納的流體體積小,它能很快對(duì)新工藝條件起作用,從而更易控制.例如,板式蒸發(fā)器內(nèi)部持液量少,可以減少制冷劑充灌成本,更便于快速啟動(dòng).4.2典型工作流比較下文將選取4個(gè)典型工況對(duì)全焊接板式換熱器和管殼式換熱器選型方案進(jìn)行對(duì)比.4.2.1鈦管殼式換熱器和可拆全焊接鈦板式換熱器的經(jīng)濟(jì)性比較在常減壓塔頂冷凝器中,當(dāng)選用碳鋼或奧氏體不銹鋼作為換熱管材料時(shí),常由于氯離子引起應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂,設(shè)備壽命短,而設(shè)備的頻繁更換給煉油廠的長(zhǎng)周期生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)效益造成了巨大的損失.為了解決這一難題,國(guó)內(nèi)廠家多采用純鈦管換熱器.由于鈦金屬價(jià)額昂貴,造成了換熱器的投資很高.文獻(xiàn)給出了該工況下鈦管殼式換熱器和可拆全焊接鈦板式換熱器的經(jīng)濟(jì)性比較,結(jié)果如表4所示.從表4中可以清晰比較出可拆全焊接板式換熱器比管殼式換熱器節(jié)約投資500余萬(wàn)元,而且存在巨大的節(jié)能空間.4.2.2兩種換熱器的方案對(duì)比低溫甲醇洗是20世紀(jì)50年代德國(guó)林德公司和魯奇公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)的一種氣體凈化工藝.該工藝以冷甲醇為吸收溶劑,利用甲醇在低溫條件下對(duì)酸性氣體溶解度極大的優(yōu)良特性,脫除原料氣中酸性氣體.對(duì)于甲醇貧富液換熱器,目前采用較多的換熱器是纏繞管式換熱器.圓形板片板殼式換熱器可以用于溫度范圍-200°C~900°C,壓力范圍0~20MPa的工況,在低溫甲醇洗產(chǎn)業(yè)具有替代纏繞管換熱器的潛力.對(duì)表5給定的設(shè)計(jì)工況,進(jìn)行兩種換熱器的方案對(duì)比,對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表6所示.通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn),在該工況下,圓形板殼式換熱器的與纏繞管式換熱器相比換熱系數(shù)大大提高,同時(shí)減輕設(shè)備重量,節(jié)省體積.4.2.3管殼式與圓形板殼式管殼式對(duì)比重油加熱器對(duì)燃料油在燃燒前的進(jìn)行加溫,使其在高溫(105°C~150°C)下降低燃料油的黏稠度,促進(jìn)充分霧化燃燒等作用,最終達(dá)到節(jié)約能源的目的.目前重油加熱器主要采用管殼式換熱器,熱阻主要在油側(cè).對(duì)表7給定的設(shè)計(jì)工況進(jìn)行管殼式與圓形板殼式的方案對(duì)比,對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表8所示.4.2.4管殼式纖維與克氏原螯蝦內(nèi)酰胺10-t-3-甲基苯磺酸酯的反應(yīng)福建聯(lián)合石油化工有限公司連續(xù)重整裝置是福建煉油乙烯項(xiàng)目芳烴聯(lián)合裝置中非常重要的組成部分,以直餾重石腦油,加氫裂化重石油為原料,經(jīng)過(guò)預(yù)加氫和重整反應(yīng),為下游二甲苯分餾裝置提供混合6C(10)芳烴,同時(shí)副產(chǎn)氫氣,戊烷,液化氣等.福建聯(lián)合石油化工有限公司,中國(guó)石化工程建設(shè)公司及甘肅藍(lán)科石化高新裝備股份有限公司聯(lián)合研發(fā)制造了方形板片板殼式換熱器.該板殼式換熱器與管殼式換熱器的性能比較如表9.板殼式投資2130萬(wàn)元,相比管殼式節(jié)省設(shè)備投資1226萬(wàn)元;相比進(jìn)口板殼式節(jié)省投資1240萬(wàn)元.相比管殼式,可多回收能量,節(jié)省燃料費(fèi)800萬(wàn)元/年.5板式換熱器傳熱流動(dòng)性能全焊接板式換熱器是板式換熱器的一種,其傳熱流動(dòng)特性與傳統(tǒng)的板式換熱器并無(wú)差別.板式換熱器的傳熱流動(dòng)研究成果可以應(yīng)用于全焊接板式換熱器.近年來(lái)板式換熱器在傳熱流動(dòng)性能方面得到了廣泛研究,研究主要有實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬兩種手段,兩者相互補(bǔ)充,相得益彰.5.1蒸發(fā)傳熱改進(jìn)實(shí)驗(yàn)研究是傳熱學(xué)研究的一種基本方式[27~30].國(guó)內(nèi)外近年來(lái)對(duì)板換方面的研究主要有:單相傳熱[31~33],沸騰,冷凝[37~39],板殼式換熱器的相變換熱,混合工質(zhì)的蒸發(fā),氣水兩相流,板式蒸發(fā)器微納米強(qiáng)化表面相變換熱,流動(dòng)布置方式等.板式換熱器的單相流動(dòng)實(shí)驗(yàn)已比較成熟,有較多的文獻(xiàn)可以參考,板式單相對(duì)流傳熱與壓降主要跟幾何結(jié)構(gòu)(波紋角,特征長(zhǎng)度)和流體物性有關(guān).Li等人詳細(xì)總結(jié)了近年來(lái)關(guān)于板式換熱器單相換熱公式.Ayub給出了從1960~2000年板式換熱器單相換熱具有代表性的30余個(gè)經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式.板式換熱器的實(shí)驗(yàn)研究熱點(diǎn)和難點(diǎn)為相變換熱、多相流、高黏度介質(zhì)、混合工質(zhì)等復(fù)雜流動(dòng)換熱.板式換熱器相變換熱的研究文獻(xiàn)近年來(lái)增長(zhǎng)很快,但是并不系統(tǒng),全面.由于相變機(jī)理和兩相流傳熱的復(fù)雜性,嚴(yán)格的理論推導(dǎo)難度較大.相比管內(nèi)兩相流的流動(dòng)形態(tài)分類諸如霧狀流、環(huán)狀流、塊狀流等),板換通道內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)更加多變,更具有隨機(jī)性.對(duì)于板內(nèi)流體沸騰換熱,從本質(zhì)上揭示其機(jī)理難度相對(duì)較大,這方面的研究無(wú)論國(guó)內(nèi)還是國(guó)外都處于剛剛起步.板內(nèi)沸騰換熱的關(guān)聯(lián)式多是基于水,氟利昂,氨等工質(zhì)得出,推廣到其他工質(zhì)時(shí),誤差較大.影響蒸發(fā)換熱的因素很多,諸如熱流密度,質(zhì)量密度,干度,壓力,介質(zhì)屬性,傳熱表面幾何結(jié)構(gòu)等.近年來(lái),具有微納米強(qiáng)化表面的板式蒸發(fā)器也引起了研究的廣泛關(guān)注.Hillis和Thomas在Hawaii的海洋熱能轉(zhuǎn)化系統(tǒng)(OTEC)中,測(cè)試了覆有林德公司高通量表面的板式換熱器.采用氨水作為制冷劑,實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在熱流密度為26kW/m2時(shí),板的沸騰換熱系數(shù)達(dá)到30kWm-2K-1,比光滑平面提高了近5倍.Matsuhima和Uchida研究具有錐形結(jié)構(gòu)強(qiáng)化表面的釬焊板式換熱器,錐形結(jié)構(gòu)的高度為1.5mm,采用R22工質(zhì),發(fā)現(xiàn)板側(cè)沸騰換熱系數(shù)是普通板的1.5~2倍.Longo等人研究了十字槽(Cross-Grooved)和粗糙表面(RoughenedSurface)結(jié)構(gòu)兩種強(qiáng)化表面結(jié)構(gòu)對(duì)板式換熱器蒸發(fā),冷凝工況影響.采用R22作為工質(zhì),研究發(fā)現(xiàn)十字槽表面對(duì)強(qiáng)化沸騰和凝結(jié)都是有益的,蒸發(fā)側(cè)換熱系數(shù)增加了30%~40%,冷凝側(cè)增加換熱系數(shù)60%;而粗糙表面僅對(duì)蒸發(fā)有益,增加換熱系數(shù)30%~40%.Müller-Steinhagen采用真空電鍍方式在板式換熱器表面覆有厚度為250μm的鉻鎳鐵合金,其顆粒的直徑105~170μm,采用R134a工質(zhì),發(fā)現(xiàn)沸騰換熱系數(shù)增加多達(dá)100%.Furberg等人采用了波紋板片表面帶有微納米多孔結(jié)構(gòu)的板式換熱器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明帶強(qiáng)化表面的R134a通道內(nèi)的換熱系數(shù)增加了近10倍,整臺(tái)換熱器的換熱系數(shù)提高超過(guò)100%.這些文獻(xiàn)研究結(jié)論表明微納米強(qiáng)化表面在提升板式蒸發(fā)器沸騰傳熱性能上的潛力,但是這方面的研究工作不全面,缺乏系統(tǒng)性,有必要進(jìn)行更廣泛,深入的研究.板式換熱器內(nèi)的冷凝傳熱流形分兩類:重力流(gravity-controlledflow)和剪切流(shear-controlledflow).重力流中液相會(huì)沿重力方向與氣相分離,剪切流中液相與氣相相互混合.板式冷凝器中蒸汽的流速高,凝結(jié)液膜受到氣流剪切力的作用,用于求解沿豎壁膜狀冷凝的努賽爾分析解不能求解板式冷凝器中的蒸汽凝結(jié)傳熱特性.由于板式冷凝器的復(fù)雜的流道結(jié)構(gòu),使得其中的蒸汽流動(dòng)凝結(jié)過(guò)程很復(fù)雜,其影響因素有蒸汽流速,蒸汽干度,蒸汽壓力、蒸汽與冷卻介質(zhì)的相對(duì)流動(dòng)方向等.板式換熱器復(fù)雜的流動(dòng)通道,無(wú)法同管內(nèi)流動(dòng)一樣近似地分出流動(dòng)狀態(tài),目前針對(duì)板式換熱器流態(tài)的相關(guān)研究較少.由于剪切流與重力流之間的過(guò)渡流態(tài)難以規(guī)定,不同的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式計(jì)算結(jié)果差異較大.冷凝試驗(yàn)中不可避免地受不凝結(jié)氣體的影響,其對(duì)換熱測(cè)試的準(zhǔn)確性影響不可忽略.美國(guó)傳熱研究公司(HTRI)在HTRI軟件中采用如下定義的參數(shù)來(lái)近似判斷流體形態(tài)其中Cgc代表重力與剪切力的比值.Gc通道質(zhì)量流速,De為當(dāng)量直徑,g為重力加速度,ρl為液相密度,uf072v為氣相密度,y為干度.Cgc較小時(shí),代表剪切流起主要作用,應(yīng)采用剪切流計(jì)算公式;Cgc較大時(shí),代表重力流起主要作用,應(yīng)采用重力流計(jì)算公式.5.2數(shù)值模擬結(jié)果數(shù)值模擬研究[54~58]不僅可以得到換熱器的平均傳熱系數(shù),而且可以得到局部傳熱系數(shù),為結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供借鑒意義,節(jié)約成本,省時(shí)省力.數(shù)值模擬離不開(kāi)實(shí)驗(yàn)研究,數(shù)值計(jì)算的準(zhǔn)確性往往也需要通過(guò)與必要的實(shí)驗(yàn)結(jié)果做比較才能確認(rèn).Bhutta等人總結(jié)了計(jì)算流體力學(xué)(CFD)在換熱器模擬中的應(yīng)用.CFD多用于單相換熱模擬.對(duì)于板式換熱器內(nèi)流動(dòng)換熱的數(shù)值模擬,Ciofalo等人對(duì)于波紋板片構(gòu)成的流動(dòng)通道,