管壳式换热器传热强化技术进展.docx

《管壳式换热器传热强化技术进展.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《管壳式换热器传热强化技术进展.docx（4页珍藏版）》请在三一文库上搜索。

1、2004 年 7 月Liaoning Chemical IndustryJ uly ,2004管壳式换热器传热强化技术进展郭春福1 , 高绪镇1 , 李志安2(1 . 辽宁省安全科学研究院 , 辽宁 沈阳 110011 ; 2 . 沈阳化工学院 , 辽宁 沈阳 110142)摘要 : 介绍了国内外传热强化技术研究的发展概况 ,简述了典型的强化传热元件开发 、新型壳程结构设计及国内外推出的各种新型高效换热器的有关情况 ,指出了国内近期开发研究的发展方向 。关 键 词 :中图分类号 :换热器 ;强化传热 ;传热元件 ;开发研究文献标识码 : A文章编号 : 1004 0935 (2004) 07

2、0399 04TQ 051. 520 世纪 70 年代的世界能源危机 , 有利地促进了传热强化技术的发展 。世界上主要工业国都 在 20 世纪 70 年代开始了强化技术的开发研究工作 。大部分的研究和成功地应用都属于无源技术 ,即从改变传热面形状入手 。改变传热面形状 的方法有多种 ,应用较多 、效果较显著的有 : 螺旋 槽纹管 、横槽纹管 、缩纹管 、管内加插入物 、单面纵 槽管 、多孔表面管 、低螺纹翅片管等等 。下面对主 要强化传热的管型作以介绍 。1 国外研究及应用状况1 5数计算公式 。研究和实际应用证明 : 横槽纹管与单头螺旋槽纹管比较 ,在相同流速下 ,流体阻力要 大一些 ,而传

3、热性能好些 ,其应用场合与螺槽管相同 。1 . 3内翅片管内翅片管是 1971 年首先由美国人提出来的 , 它用来强化管内单相流体的给热 。以后日本 、前 苏联等国都进行了大量研究工作 。20 世纪 90 年代初 ,美国又开发出一种高效强化管内相变传热的换热管内螺旋翅片管 (NL) ,根据翅片形状不同 ,可分为三角肋 、梯形肋 、矩形肋等 ,用于沸腾传热 。1 . 4 管内加插入物管内插入物有 :纽带 、螺旋线圈 、螺旋片 、静态 混和器等 。管内加麻花片 ( 扭带) ,管内加螺旋线圈 ,是波兰人 A. Klaczak 于 1964 年和 1973 年提出并进行实验研究 。静态混合器是 197

4、0 年由美国 凯尼克斯 ( Kenics) 公司首先研制成功 。这几种管型的给热系数和摩擦系数计算公式都已确立 。这些管型适合于强化管内单相流体传热 ,尤其对强 化气 体 和 低 Re 或 高 粘 度 流 体 传 热 更 为 有 效 。1998 年英国又开发出一种花环式插入物 ,它是一 种金属丝制翅片管内插入物 ,能增强湍流 ,改善传 热性能 。1 . 5 单面纵槽管螺旋槽纹管 (螺槽管)早期进行螺槽管研究的主要有美国 、英国 、日 本 。从 1970 年 至 1980 年 间 进 行 了 大 量 研 究 工 作 。曾对单头 、多头螺槽管作过系统的测试与筛 选 ,得出结论 : 单头与多头相比

5、,传热效果差别很 小 ,但流体阻力减少很多 ; 螺旋槽不宜太深 ,达到 一定深度后 ,传热效果提高不大 ,而阻力却成倍地 增加 。日本通过实验研究于 1974 年至 1976 年间 提出了单头螺槽管对流给热系数和流体摩擦系数 的计算公式 ,现已广泛采用 。世界上最早采用螺 旋槽纹管换热器的是美国 ,1971 年美国通用油品 公司采用螺槽管制做电厂蒸汽透平机乏气冷凝1. 1器 ,总传热系数比普通光管提高 431. 2横槽纹管% 。横槽纹管是 1974 年莫斯科 ( 前苏联) 航空学院首先提出的 ,同时也给出了给热系数和摩擦系收稿日期 : 2004205214400辽宁化工2004 年 7 月这种

6、管形是在光滑管内表面或外表面开纵向梯形槽纹 。外表面开纵向梯形槽管最早是由德国 人 R. Gregorig 于 1954 年提出来的 ,直到 70 年代初 期才得到推广应用 。它主要用于强化管外冷凝传 热 。1. 6低螺纹翅片管 (螺纹管亦称低肋管)这种管形在 20 世纪 60 年代就出现了 。美国 Calumet and Helca 公司是研制螺纹管较早的厂家 之一 ,并提出了传热设计及其应用准则 。实际上 这种管形是我国兰州石油机械研究所于 1964 年首先研制成功的 ,主要用于有机蒸汽的冷凝 。1. 7表面多孔管在普通金属管表面敷上一层多孔性金属层 , 形成表面多孔管 , 能显著地强化沸

7、腾给热过程 。 制造表面多孔层的方法主要有 :烧结法 、火焰喷涂法 、电镀法及机械加工法等 。目前已投入规模生 产的为烧结法和机加法 。烧结法是美国联合碳化公司于 20 世纪 60 年 代末期开发的方法 。多孔层厚度一般在 0 . 251mm 之间 ,孔隙率 50 %65 % ,孔径 1150m 之 间 。这种烧结型表面多孔管在日本 、德国 、美国均 有制造商 ,在美国已用于普冷 、深冷 、天然气液化 、 海水淡化等行业 ,作为蒸发器 ,重沸器中强化沸腾 的有效措施 。流体速度降低 ,静压增加 ,在波谷处流速增加 ,静压降低 。这样流体的流动在反复改变轴向压力梯 度下进行 ,产生了剧烈的漩涡冲

8、刷流体的边界层 , 使边界层减薄 。因此用波纹管做换热管从理论上 讲其传热强化效果会更好 。但由于其成型困难 ,国内外一直没有研究和应用 。是我国首先研制开 发利用的 。20 世纪 90 年代初由东北大学与沈阳 仪器仪表研究所联合开发研制成功 。1990 年沈 阳仪器仪表研究所与沈阳远大管道研究所合作试 制了 3 台波纹管换热器并投入使用 ,于 1991 年 3月 16 日通过了由原机电部三装司组织的专家鉴 定 。1992 年吉林省四平东升机械厂申报专利 : 波 纹螺旋管壳式换热器 ,也是属于这种管形 。波纹管换热器强化传热机理 是 成 熟 而 明 确 的 ,作为换热器整体强度研究则是很少 。

9、这项工作是沈阳化工学院于 1994 年开始研究 。先后对 波纹管进行应力测试研究 、爆破试验研究 、疲劳试 验研究 、刚度研究等工作 。同期沈阳仪器仪表研 究所也进行了一些这方面的研究工作 。在此基础 上 ,沈阳市锅炉压力容器协会和辽宁省质量技术监督局于 2001 年联合立项 ,开始研究和制定波纹 管换热器设计标准 。这项工作主要由沈阳化工学 院完成 ,并于 2002 年纳入国家压力容器标准化技 术委员会项目 ,将波纹管换热器设计方法列为国 家标准 GB151管壳式换热器的附录 , 并首先以名为“奥式体不锈钢波纹管换热器设计标准案例” 颁布 。2 . 3 螺旋槽纹管螺旋槽纹管的实验研究我国 起

10、 步 也 是 较 早 的 ,1977 年重庆大学与重庆锅炉厂合作试制了一种单头螺旋槽纹管 ,用于火管锅炉 ,以强化管内烟 气的传热 ;1979 年华南理工大学 ( 原华南工学院) 与上海溶剂厂合作试制单头螺旋槽纹管用于甲醛 反应气余热锅炉中 。1993 年北京理工大学与铁 道部大连机车车辆厂合作 ,将三头螺旋槽纹管应 用于国家重点项目重载牵引东风 10 号的机油热交换器上 。还有东南大学 、上海交通大学等科研 院所都对螺旋槽纹管强化传热的机理进行了大量 的试验研究 , 从理论上已经达到了较高的水平 。 然而这种新型换热器在国内大量的应用 ,仅是近 几年的事情 。1998 年沈阳化工学院与辽宁冷

11、热设备制造公司合作开发研制螺旋槽纹管换热器 ,2 国内研究发展状况2. 1 低螺纹翅片管 1 我国最早开始强化技术研究的是兰州石油机 械研究所 。于 1964 年首先用碳钢管轧制成低螺 纹管 (低肋管) 翅片管 ,其表面积较相同外径的光滑管大 2 . 54 . 8 倍 。20 世纪 80 年代以后 ,国内 已有好多工厂能生产这种管子 ,并已用于冷动机 的冷凝器中 。螺纹管形状 、尺寸规格亦列如了国 家标准 GB151 - 89 的附录中 。这种管一般用于以 壳程 (管外) 热阻为主的情况 。当壳程热阻为管程 两倍以上时 ,使用螺纹管是合适的 。但不能用来处理容易结焦的介质 ,其冷凝效果不如锯齿

12、形翅 片管 ,用于蒸发则不如表面多孔管 。2. 2 薄壁波纹管 (波节管) 6 ,7 早在 20 世纪 70 年代 ,曾有人提出用波纹管 作为换热管用在管壳式换热器上 ,并将这种管形写进了教科书 。按流体力学观点分析 : 在波峰处第 33 卷第 7 期郭春福 ,等 :管壳式换热器传热强化技术进展401在上述理论及试验研究的基础上 ,着重于螺旋槽纹管成型设备的研制 、螺旋槽纹管强度性能的研 究 、螺旋槽纹管换热器总体结构设计研究等等 。 他们研制的成型设备仅用几分钟就可以将一根 5m 长的光滑管加工成螺旋槽纹管 。这就使得批量生产螺旋槽纹管换热器成为可能 ,这项成果获沈 阳市 2002 年科技进

13、步二等奖 。在 1999 年至 2000 年间沈阳仪器仪表研究所和沈阳黎明公司工程机 械厂也对槽纹管换热器进行了研制 。现在全国以 有一些工厂能够生产这种换热器 。螺旋槽纹管换热器已在石油 、化工 、医药 、轻工 、热电等许多工业 领域广泛应用 。2. 4槽纹管横槽纹管国内研究较少 ,只有华南理工大学 对槽纹管进行了试验研究 。实际应用始于 1999年 。沈阳化工学院与辽宁冷热设备制造公司于1998 年与螺旋槽纹管同步 ,对横槽纹管进行了开 发研制 ,从此横槽纹管与螺旋槽纹管换热器的应 用得到同步发展 。2. 5表面多孔管我国北京化工研究院 1977 1978 年进行了 烧结法试制 ,1979

14、 年他们用 12 . 8 m2 多孔管重沸 器代替原脱乙烧塔 45 . 8 m2 普通管重沸器 , 除能 满足生产要求外 ,还有一定余力 。北京化工大学 曾用丙酮作工质 ,测定了在以烧结法制成的表面 多孔管上沸腾时的给热系数 ,约为光滑管的 78 倍 。由于表面多孔管的加工制造工艺复杂 ,国内 研制的较少 ,目前仅有山东有厂家制造这种管形 的换热器 ,但尚未达到象波纹管和槽纹管换热器 那样的大批量生产和应用 。2. 6管内加插入物哈尔滨锅炉厂曾尝试采用销钉钩套管式加热 器 ,利用其销钉的扰流作用加热高粘度渣油 ,效果 良好 。华南理工大学对扭带式 、钻孔扭带式 、错形 扭带式 、静态混合器及螺

15、旋片均作了液态显示实 验 ,得到了有关给热系数和压力降的经验式 。西安交通大学曾在垂直 U 形管中插入单 、双螺旋片 和螺旋线以强化沸腾换热 ,实验证明三种内插件 均有强化传热作用 , 其中单螺旋片的压降较低 。 郑州工学院于 1990 年将静态混合器用于非牛顿 型高粘度流体的换热 ,得到特定条件下的经验公式 。壳程传热强化技术为了强化壳程传热 ,除上述改变管子外形或 在管外加翅片外 ,另一途径就是改变壳程档板或 管间支撑物 。为了克服单弓形档板的缺点 ,先后3开发了双弓形档板 、三弓形档板 、折流杆 、圆盘圆环形档板等新型壳程结构 。折流杆式换热器是一种以折流珊代替折流板的换热器 ,它由排布

16、的支撑杆形成一系列的壳程 折流 。华南理工大学和大庆石油化工总厂共同开发的折流杆式再沸器用在有相变冷凝和无相变传 热方面 ,其 传 热 系 数 为 普 通 换 热 器 的 1 . 2 1 . 7 倍 ,而且能有效地防止流体诱导振动破坏 ,抗振性 能良好 。德国 GRIMMA 公 司 研 制 一 种 整 圆 形 折 流 板换热器 ,其结构为折流板上开横排管孔 ,以 4 个孔 为一组将孔桥处铣通 ,壳侧流体在管桥处沿着轴 向流动 ,避免了流体因转折引起的滞留区 。该公 司用不同粘度的甘油和水混合物进行实验 ,结果 表明在低粘度范围内 ,这种纵流管束换热器传热 效果明显优于传统的圆缺形折流板换热器

17、。最近国内外又研制出螺旋折流板结构 ,1997年美 国 ABB 公 司 首 先 推 出 。我 国 江 苏 人 丁 华1998 年申报专利 :带旁流的碟形挡板的阳极保护 管壳式换热器 ;1999 年中国石油天然气集团公司和抚顺石油二厂联合研制专利产品 : 管壳式螺旋 折流板换热器 ;2000 年西安市三桥机电设备有限 公司研制专利产品 :管壳式螺旋流换热器 。近期国内开发研究的发展方向(1) 有源技术研究 :如利用振动 、电场方法强 化传热的机理研究 、试验研究 , 给出对比试验数 据 ,提出理论计算模型 。(2) 表面多孔管成型技术研究 : 理论和实践 都证明多孔管相对于光管具有极高的沸腾给热

18、系数 。沸腾传热过程在石油 、化工等领域是大量存在的 ,加快表面多孔管技术开发有着非常实际的 意义 。(3) 管内插入物技术研究 :对于管内低流速 、 高粘度的流体 ,采用管内插入物结构可极大地提高管内给热系数 ,理论研究已有一定水平 ,但实际应用尚少 。4402辽宁化工2004 年 7 月(4) 壳程强化技术研究 : 虽然在 GB151 中已列入了双弓形 、三弓形 、圆盘圆环形折流板结构参 考 文 献兰 洲 石 油 机 械 研 究 所 主 编. 换 热 器. 烃 加 工 出 版 社 ,1988 年钟理 、谭盈科. 国内外强化传热技术的研究与进展. 化 工进展 ,1993 年 (4) 1 -

19、5邓颂九. 提高管壳式换热器传热性能的途径. 化 学 工 程 ,1992 年 20 (2) 30 - 36曹纬. 国外换热器的技术近展及应用. 石油化工设备 ,1999 年 28 (2) :6 - 9张平亮. 新型高效换热器的技术进展及应用. 压 力 容 器 ,1997 年 (2) :146 - 152邱广涛. 波纹管换热器 ( 一) 起源 、现状与发展. 管道 技术与设备 ,1998 年 (1) :43 - 44李志安 , 等. 薄壁波纹管换热管强度研究 . 化工机械 ,1996 年 23 (4) :187 - 190崔海亭 ,等. 强化型管壳式换热器的研究现状及发展 。 化工机械 ,199

20、9 年 26 (3) :168 - 1701和折流杆结构 ,但在实际设计和制造中采用较少 。什么介质 ,什么工况 ,选择哪一种结构 ? 从理论和 实验方面尚缺少数据 ,值得深入研究 。第 3 章中提到的几种新型的折流板结构国内刚刚问世 ,强 化传热机理 ,理论计算模型 ,加工制造工艺等 ,都 有待深入研究 ,加快其产业化步伐 。(5) 强化结构组合研究 : 为达到管壳程同时 强化的目的 ,强化结构组合研究将成为近期传热强化技术研究的发展方向 。(6) 波纹管换热器和槽纹管换热器 , 目前国 内从理论研究到总体设计 、制造工艺及实际应用 都较为成熟 ,应大力推广 ,扩大应用领域 ,尽快称 为传统

21、光滑管换热器的换代产品 。12345678Development of Intensif iedHeatTransfer Techniques f orShell - and - tube Heat ExchangersGUO Chun2f u1 , GAO Xu2zhen1 , L I Zhi2an2(1. Liaoning Provincial Institute of Safety Science , Liaoning ,Shenyang 110004 ,China ;2. Shenyang Institute of Chemical Industry , Liaoning ,Sheny

22、ang 110142 ,China)Abstract : The development of study on intensified heat transfer techniques at home and abroad was introduced. the design of typical in2 tensified heat transfer components and new style construction of shell - side were discussed , the related situation to the new type of high effi

23、cient heat exchangers was described. the direction of the recent study and exploitation in our country was put forward.Key words : Heat exchanger ; Intensified heat transfer ; Heat transfer component ; Study and exploitation(上接第 398 页)Technical Transf ormation of DC ( Delayed Coking)HUANG Qing2he( 2

24、nd Oil - refining Department of Anqing Company , Sinopec , Anqing 246001 , China)Abstract : DC has become the important means of residuum transformation in oil - refining industry for its simple process , strong adap2t ability to material , and mature technique . DC of Anqing petrochemical company w

25、as introduced in this paper , in Anqing DC , according to production fact , The project and practice fine operation management were optimized to insure long period run , the primary factors which influenced capacity and energy consumption was analysed , some measures were adopted to reduce energy consumption.Key words : Delayed coking ; Optimize operation ; Technical transformation