换热器强化传热节能技术

报告人：概述国内外发展概况分析研究发展展望结论换热器种类繁多，广泛应用于石油化工、冶金、电力、造纸、船舶、机电、分区供热、暖通空调、余热利用、核工业、食品饮料、医药、纺织等工业领域，换热介质从普通水到高粘度的非牛顿液体；从含固体小颗粒的物料到含有少量纤维的物料；从水蒸汽到各种气体；从无腐蚀性到强腐蚀性的各种介质等，其主要功能是保证工艺过程对介质所要求的特定温度，同时也是回收废热，提高能源利用率的主要设备之一。据资料统计，在现代石油化工企业中，换热器的投资约占装置建设总投资30%～40%，世界各国不断地从事对新型高效换热设备的研究，以期提高热能利用率，不断降低对天然能源的消耗，因此，换热器在减少企业的建设投资及提高企业的经济效益方面具有重要影响。迫切需要研究各种高效能紧凑节能型的换热器。随着各种新材料、新工艺和新的加工技术的发展，换热器的设计、加工、制造工艺得到不断地完善，推动了新型高效节能型换热器的蓬勃发展和广泛应用。当今换热器的发展以计算流体力学、模型化技术、强化传热技术及新型换热器开发而形成了一个高技术体系。目前，国内外已开发的新型高效的换热器主要有：螺旋槽纹管换热器、横纹管折流板换热器、旋流管换热器、折流杆式换热器、空心环管壳式换热器、可拆式板式换热器、焊接式板式换热器、整体翅片式换热器、热管换热器、不结垢换热器、碳化硅换热器、澳大利亚的柔性换热器、日本的SM型换热器和Hybrid换热器、美国Chemineer公司的Kenics换热器和德国的块式换热器、由法国Secatnen公司开发，CacDregamont设计并制造的Packinox板壳式换热器、德国thermowave板式换热器等国外（1）传热强化剂对换热器换热性能的提高研究表明，在水中加入浓度低于总质量50%的挥发性添加剂，在水的物性没有显著变化下，可使其传热膜系数增加80%左右。有文献报道，在水中加入微量的十八烷基胺以后，不仅强化了核沸腾换热以及冷凝换热，并且它易吸附于金属表面，可有效的缓减金属的腐蚀还具有清除金属表面污垢的能力。对空气中喷入液滴时的传热工况进行的研究表明，如能在换热面上形成连续液膜，则换热系数最多可增加30倍。添加剂强化技术的研究，英国、美国居领先地位。（2）在换热器的设计过程中增加电场的强化传热及节能技术早在1916年，英国学者Chubb就提出了电场强化传热的理论。在液体中加一静电场以强化单相流体的对流换热量是一种有吸引力的强化传热方法。这种方法对气体和液体的自然对流和强制对流都能产生一定的强化传热效应。日本Mizushina以空气为介质，进行环形通道内电晕风对强制对流影响的试验，分别得到了存在电晕风时的努赛尔数及阻力系数与雷诺数关系曲线及经验公式。采用静电场可使蒸发器的传热系数提高一个数量级，并克服油类介质对泡核沸腾的影响，也能使冷凝液膜产生波状失稳，引起膜层减薄，进而降低热阻，使传热系数增加2倍。（3）纳米粒子在强化传热领域的广阔应用前景美国Argonne国家实验室的研究人员早在1995年就在国际上首次提出了纳米流体的概念。研究表明，在液体中添加纳米粒子能有效的增加其导热系数。因此，能够生产出成本低廉的纳米粒子和找到其与强化传热倍数的准确的数学关系，在换热设备的改进中设计一个纳米粒子按比例混入装置对换热效率的提高将十分有意义，同时也能减小换热器本身的设计制造成本。（4）换热器上扰流子强化传热节能技术的使用在换热管中加扰流子添加物主要是通过改变液体的流动状态进行强化传热，可大大节省换热器的传热面积，降低设备重量，节约大量金属材料。扰流子强化元件有多种形式，现在使用最多的包括：金属丝制元件（图1）、金属螺旋圈、盘状构件、麻花铁、翼形物等。采用扰流子强化传热的换热器，设备管侧的污垢显著减少。首先，由于流体的弥散流动，介质的温度梯度较小，抑制了污垢的形成生长；其次，由于弥散流紊动度很高（扰流子强化相当于静态搅拌器），流体中的杂质不易沉积成垢。国内为了提高换热器的传热系数，强化传热效率，国内外出现了多种强化元件及强化措施，主要包括在换热器中使用螺旋槽管（图2）、横纹管（图3）、缩放管、波纹管（图4）、大导程多头沟槽管、整体双面螺旋翅片管等扩展表面的方法。另外，在利用处理表面法、粗糙表面法的强化传热技术方面也有了一定的研究。低温两相流板翅式双相变换热器基于单相流体易于均匀分配的物理特性，提出了“先分配后混合”的新方法和新结构。应用该新技术的大型制氧装置中的新型高效冷凝蒸发器，其传热系数达到了925.1W/m2·K，比国际上最先进的指标提高48.97%，比当今更先进的类环状流新主冷的传热系数又大幅度提高了约22.2%在处理表面技术上，大连理工大学采用磁控溅射离子镀铬的方法处理铜管，使传热系数提高40%以上。华南理工大学进行过粗糙表面法试验，也得到了换热器优化的几何尺寸。图6V型纵槽目前对换热器性能的衡量标准是单位压力损失下传热系数的大小即a/△P（a指的是传热系数，△P指的是换热器前后压力损失），螺旋折流板结构的换热器对应的a/△P是弓形折流板换热器的1.5倍左右。实验表明：喷铝的多孔涂层表面强化沸腾传热和V型纵槽（图6）表面强化冷凝传热的两面强化传热管，具有传热能力高、总传热系数大和传热温差小的特点，由这种传热管构成的换热器，在相同的传热温差下，其热流强度比光滑表面换热器高6～10倍，总传热系数增大5～10倍，在同样热负荷和传热温差下，可减少所需换热面积的5～10倍，在空分装置和其它有相变传热设备中有着广泛的应用前景。在石油化工行业中，经常会遇到气体的加热和冷却问题。翅片管式换热器用空气代替水冷，在我国西部新疆、甘肃、以及山西、宁夏、青海、内蒙等缺水地区非常实用，即使在水源充足的地方采用空冷也能获得较大的经济效益，因此在工业中应用非常广泛。在板式换热器中，平板式换热器传热效率高，检修清理方便，但是其处理量小，也不适用于操作压力和温度较高的场合。因此对低温介质的热回收利用是比较有用的。螺旋板式换热器可在较小温差下操作，能充分利用低温热源，因此对余热利用是十分有效的。其结构简单，单位体积的传热面积远高于管壳式换热器，节能效果比较好，但缺点是操作温度和压力不宜太高，一旦发生泄漏，维修比较困难。换热器的研究正向着高传热系数、低压力损失和高紧凑度方向发展。加强力度开发传热系数高的金属材料（如石墨）等以及非金属材料是可取的研究方向。有人提出通入惰性气体来强化传热，已有实验证明该方法在一定范围内的实用性。如果能在换热器的整体设计中，增加惰性气体供给系统，那么对换热器换热性能将有很大的提高。目前有学者在以微细通道内对流换热与沸腾的尺度效应为课题的研究中，对经典传热传质理论提出挑战，形成朝微/纳尺度特殊传热传质现象研究的崭新学科前沿。该项目内容包括微细通道内液体流动与对流换热；沸腾核化和沸腾传热；微尺度沸腾核化与气泡动力学特性探析。此研究为传热技术的新发展和新型高效换热器的诞生展开了新的理论铺垫。（1）国内外具有强化传热功能的新型的换热器，都有其自身特点，但目前还没有被广泛应用，其原因在于这些新型换热器的设计理论还有待进一步深化。（2）在选择强化传热方法时，应从实际出发，通过对现场工况条件、加工、制造工艺和综合技术经济比较，根据实际情况来选择换热元件、换热方式、添加剂等，从而有利于设计出新型换热器。（3）应结合换热器的使用特点，积极开发研究新型高效的节能技术，使之能在强化传热过程中得以普遍推广。