全焊接板式换热器发展综述_栾辉宝

中国科学:技术科学2013年第43卷第9期:1020~1033中文版发表信息:栾辉宝,陶文铨,朱国庆,等.全焊接板式换热器发展综述.中国科学:技术科学,2013,43:10201033,doi:10.1360/092013-238SCIENCECHINAPRESS论文全焊接板式换热器发展综述栾辉宝①*,陶文铨②,朱国庆①,陈斌①,王崧①①中国船舶重工集团公司第七一一研究所能源装备事业部,上海201108;②西安交通大学能源与动力工程学院热流科学与工程教育部重点实验室,西安710049*E-mail:[e-mail]收稿日期:2013-03-07;接受日期:2013-04-23国家重点基础研究发展计划(“973”计划)(批准号:2013CB228304)资助项目摘要近年来,伴随着制造技术的快速发展和换热器结构形式的不断优化,全焊接板式换热器的性能得到了大大提升,可以应用于温度范围200°C~900°C,压力范围真空至20MPa的场合,引起了工业界的广泛关注.本文首先对全焊接板式换热器进行了系统的分类与介绍,选取了两种新产品可拆全焊接板式换热器和圆形板片板壳式换热器进行了详细介绍,介绍了全焊接板式换热器的应用场合,国内外市场情况等.接下来,详细阐述了全焊接板式换热器与管壳式换热器相比存在的优势,并通过工业中4个典型工况加以论证.最后,总结了全焊接板式换热器在传热流动方面的研究进展,指出了相变工况依旧是研究难点与热点,具有微纳米强化表面的板式换热器能够大幅度提高换热器性能,值得深入研究与探讨.除实验研究之外,伴随着超级计算机的发展,板式换热器的数值模拟尺度越来越大,在较宽的Re数范围内,无相变工况下的模拟结果与实验结果误差在15%以内.基于以上分析,可以看出全焊接板式换热器具有巨大的发展潜力和广阔的市场前景.关键词换热器板式板壳式数值模拟相变强化表面焊接我国政府一贯坚持的能源发展方针为“开发与节能并重,把节能放在首位”.2007年我国工业总产值占GDP总值的42.7%,能耗占总能耗的71.6%,高能耗工业的能耗占工业能耗的80%,技术节能空间巨大[1,2].国家能源科技“十二五”规划也明确提出了“用无限的科技力量解决有限能源和资源的约束,着力提高能源资源开发、转化和利用的效率”的节能原则[3].工业生产中60%以上的用能设备都是换热器.换热器不仅是工业部门保证某些工业流程和条件而广泛使用的通用热工设备,也是开发利用工业二次能源,实现余热回收和节能的主要设备[4,5].换热器产业充分体现节能环保,是一个处于蓬勃发展期的朝阳产业.近年来,换热器行业的主要发展方向为节能增效,具体为提高传热效率,减少传热面积,降低压降,提高装置热强度等方面[6~8].如果能够得到换热效率高的换热器,在较少的设备投资的情况下,得到较小的夹点温差[9],则会提高整个换热系统的节能水平.换热器按照传热表面的形状和结构特点可分为管式换热器,板式换热器和其他形式换热器三大类[10].其中,管式换热器以管表面为传热面,具有耐高温高压,制造工艺简单等特点,是工业中应用昀多的换热器.板式换热器[11~14]是以板为传热面,具有结构紧凑,传热效率高等特点,是目前较为先进的高效节能换热器.板式换热器板片与板片之间密封方式有垫片密封和焊接密封两种方式[15].垫片密封板式换热中国科学:技术科学2013年第43卷第9期1021器即常见的可拆板式换热器,它具有换热效率高,易拆洗维护,容易扩容等优点,已经在各个行业得到广泛应用.垫片密封板式换热器内的流体必须与垫片材料相兼容(非腐蚀性),工作压力一般小于2.5MPa,温度低于250°C[12].焊接密封板式换热器整个板片周围采用焊接方式来形成密封,可用于与板材兼容的腐蚀性流体,工作压力范围真空至20MPa,温度范围200°C~900°C.全焊接板式换热器的出现,大大拓宽了板式换热器的应用领域.伴随着制造技术的快速发展,尤其是焊接技术[16]的发展,全焊接板式换热器新产品不断涌出.图1给出了全焊接板式换热器的分类.根据换热芯体有没有放在承压外壳中,可以分为非板壳式和板壳式两大类.非板壳式根据流动方式和焊接方式的不同可以逐步细分为可拆全焊接板式换热器、钎焊板式换热器、纯逆流焊接板式换热器、螺旋板式换热器、板翅式换热器等.板壳式换热器根据板片的几何形状可以分为圆形板片板壳式换热器和方形板片板壳式换热器.本文首先将对图1中各类换热器原理进行简单描述,着重讲解其中两类新型全焊接板式换热器:可拆全焊接板式换热器和圆形板片板壳式换热器,并介绍全焊接板式换热器的市场情况;接下来阐述全焊接板式换热器与管壳式换热器的经济性对比;昀后总结了近年来全焊接板式换热器传热流动方面的研究进展.1非板壳式全焊接板式换热器1.1可拆全焊接板式换热器可拆式全焊接板式换热器(如图2所示)是全焊接板式换热器家族中的一种新产品.全焊接结构的板束被放置在4块靠螺栓固定的板框之间,上下部分别有维持压力的顶板.4个面板上带有流体进出口的连接管嘴.全螺栓连接结构使得板框可以快速拆卸,进而方便对板束进行清理和维护.由于板与板之间通常采用激光焊接,不使用垫片,其昀高工作压力可达4.2MPa,工作温度可达350°C.可拆全焊接板式换热器产品于20世纪90年代初期面市,迄今有十几万台设备投入运行.该类换热器标准化、自动化程度高,优势明显.国外市场上,该类产品在许多领域已全面替代管壳式换热器.国内自1998年茂名乙烯项目乙二醇装置引进AlfaLaval公司的该类产品后,随着成套设备供应商配套,工艺专利商的指定,跨国公司在华投资建厂等渠道,该类换热器近年来在国内使用情况大大增多.随着使用业绩的增多,客户认可度越来越高,目前国内已有数千台设备投入运行.主要应用的行业有:石油化工,煤化工,电厂,制冷,制药行业和海上平台等.表1总结国外著名换热器生产商的同类产品的技术性能.1.2钎焊板式换热器钎焊板式换热器(如图3所示)的换热板片周边有一圈用于相互定位的折边,板片与板片之间填入焊料铜箔或镍箔,放入真空炉中加热制成.由于焊料的熔点低于板片,液化后将板片相互焊接在一起.这种结构的优点是结构紧凑,重量轻,除了板片与端板外没有多余的结构.其生产大多依靠设备,人为因素较少,生产自动化程度高.缺点是受真空炉大小的限制,单板面积与总装面积都不能很大,焊接后的设备无法拆卸.图1全焊接板式换热器分类树栾辉宝等:全焊接板式换热器发展综述1022图2可拆全焊接板式换热器(图片来源:)表1国外著名厂商可拆全焊接板式换热器产品厂家名称图片产品特性ALFALAFAL(阿法拉伐,瑞典)产品:COMPABLOC温度范围:100°C~420°C压力范围:0~4.2MPaAPV(安培威,英国)产品:HYBRID温度范围:200°C~900°C压力范围:0~6.0MPaGEA(基伊埃,德国)产品:GEABLOC温度范围:100°C~315°C压力范围:0~3.2MPaSONDEX(桑得克斯,丹麦)产品:SAW温度范围:100°C~400°C压力范围:0~4.0MPa图3钎焊板式换热器(图片来源:)钎焊板式换热器目前国内外厂家的产品性能大致相当,结构形式也类似,昀大单板片尺寸900mm×350mm,使用温度范围50°C~250°C,昀高使用压力4.5MPa.钎焊板式换热器的钎料大多数采用铜,唯有AlfaLaval公司的专利产品AlfaNova,焊料采用不锈钢.该产品采用专利熔钎焊技术制成了全不锈钢钎焊式换热器.钎焊板式换热器目前广泛应用于石化、制冷等行业.1.3纯逆流焊接板式换热器纯逆流焊接板式换热器(如图4所示)通过入口封头(集流箱)的布置可以实现两股流体的逆流换热.入口封头连接方式有图4(a)和(b)所示,两种方式仅在封头布置位置上有所差别.同时换热芯体与压板的连接方式分为可拆式和不可拆式两种.前者的换热芯体压紧在两压紧板中,压板间靠螺栓连接(如图4(a)所示),而后者的换热芯体则放置于焊接的矩形箱体内(如图4(b)所示).该类产品与上文提到的可拆全焊接板式换热器的区别主要有两点:1)前者流动方式为错流,后者流动方式逆流;2)前者无入口封头结构,管嘴连接在面图4纯逆流全焊接板式换热器(a)可拆式;(b)不可拆式(图片来源:)中国科学:技术科学2013年第43卷第9期1023板上;而后者有入口封头,封头连接在板片芯体上.因而前者更便于清洗和维护,而后者有更好的流动传热特性.1.4板翅式换热器板翅式换热器(如图5所示)结构通常由翅片,隔板,封条和导流片组成.在相邻两隔板之间放置翅片,导流片和封条,组成一个通道,按照设计要求对各通道适当排列,钎焊成整体,就可以得到昀常用的逆流、错流,错逆流板翅式换热器芯体,在两端配置适当的流体出入口封头(或集流箱),就成一完整的板翅式换热器.板翅式换热器被通俗地叫做“冷箱”,大量应用空分行业,石油化工行业.它特别适合于制冷,低温,压力不太高,介质无强腐蚀性的场合.尤其在深冷领域,板翅式换热器已占据了很重要的位置.其原因在于在深冷设备中的换热器要求具有极高的传热效率和非常小的热力不可逆损失,其关键部位的传热温差只有0.5~1.0K,因而对换热表面的紧凑性及传热效率提出极高的要求,而板翅式可以满足这些要求.国家2012年《重大技术装备自主创新指导目录中》指出大型高效板翅式换热器冷箱将是待发展的一项大型石油及石化设备[17].图5板翅式换热器(a)外观图;(b)原理图1.5螺旋板式换热器螺旋板式换热器(如图6所示)由外壳、螺旋体、密封及进出口管嘴等组成.螺旋体用两张平行的钢板卷制而成,两流道沿边沿密闭,两端靠盖板密闭.流体沿紧凑狭长的单一流道在两板之间流动.两种传热介质可以实现逆流流动,大大增强了换热效果.由于螺旋通道的曲率是均匀的,液体在设备内流动没有大的转向,总的阻力小,因而可提高设计流速使之具备较高的传热能力.该换热器缺点在于:昀大尺寸受限于卷制钢板的能力,同时不可拆卸的结构方式,增加了维护成本.1.6其他除了上述几类典型的产品,全焊接板式换热器其他结构形式还有全焊接板式空气预热器[18]等,如图7所示.板式空气预热器由许多相互平行的板单元组成,烟气与空气在板间交错流动换热,板单元可图6螺旋板式换热器(a)外形图;(b)原理图(图片来源:)栾辉宝等:全焊接板式换热器发展综述1024图7全焊接板式空气预热器以是平板,也可以是冲压成各种形状的波纹板、丁胞板.板材质可根据烟气温度及烟气腐蚀状况进行选择.全焊接板式空气预热器通常用于空预器的高温段,可以避开露点腐蚀,同时比常规的翅片管空预器换热效率大大提高.而低温段的空预器可采用稀土合金板式空预器、铸铁板式空预器、热管空预器、水热媒空预器等方式,均可以避免露点腐蚀.2板壳式换热器随着国内外炼油、化工技术的发展,各相关企业新上装置及新改造装置的规模越来越大.为了实现装置的大型化,就需要解决一些原有关键换热器设备占地面积大、重量大、投资大及能耗高的缺点.目前在炼油、化工行业中普遍使用的管壳式换热器已不能满足大型化装置的需要.在此背景下,板壳式换热器应运而生.板壳式换热器通常由两种结构形式:方形板片板壳式与圆形板片板壳式.2.1方形板片板壳式换热器方形板片板壳式换热器(如图8所示)采用波纹板片作为传热元件,板片间采用氩弧焊,电阻焊等焊接方式,焊接成的板束装在承压壳体内.波纹板片具有“静搅拌”作用,能在很低的雷诺数下形成湍流,传热效率是管壳式换热器的2~3倍.同时还大大降低了结垢,从而使设备的维护和清扫非常方便.板壳式换热器可实现真正的“纯逆流”换热,末端温差小,可以多回收热量,从而可大大节约装置的操作费用.方形板片板壳式换热器的使用始于20世纪80年代,由法国Packinox公司昀早研制成功,并首次应用于催化重整装