离子束处理表面高效换热器的开发与应用

　　摘要介绍了高效节能离子束处理表面换热器的设计原理、结构、性能及应用实例等,并对各种汽-水换热器性能进行了对比。关键词离子束滴状冷凝表面张力1前言

　　在现代工业生产中,由于管壳式换热器具有选材范围广、适应性强、操作弹性大,尤其能在高温高压下工作等特点,因此,一直被作为一种传统的标准换热设备为许多工业部门大量采用。但是管壳式换热在换热效率、设备结构的紧凑性(换热器在单位体积中的换热面积m 2/m 3)和金属消耗量(kg/m 2)等方面存在着诸多不足。

　　为了改善管壳式换热器的换热效率,多年来国内外许多人进行了大量的研究工作,通过管子形状或表面性质的改造来强化无相变和有要求传递的热量比单相流体要大很多。实验表明:在蒸汽冷凝过程中,设法在管壳式换热器管壁造成滴状冷凝,是提高热能利用率,增强放热的最有效途径。

　　大连经济技术开发区九圆热交换设备制造公司与有关大专院校和研究部门共同研制的冷凝强化管式换热器,在滴状冷凝领域取得了突破性成果。他们对管壳式换热器的换热管表面进行了动态混合注入(D IM )聚四氟乙烯、铬及二硫化钼等材料,使换热管表面传热性能显著强化,可将冷凝传热总系数提高2～3倍,同时工艺简单可行,不污染蒸汽。经几年来试验运行,获得良好的效果。2冷凝强化管式换热器的设计原理

　　冷凝传热过程在石油、化工及动力工程中应用十分广泛,如蒸馏塔顶蒸汽的冷凝、加热蒸汽的冷凝、冷冻过程中冷冻剂蒸汽的冷凝等,用作蒸汽冷凝器的主要换热设备就是管壳式冷凝器。在管壳式换热器中,当蒸汽与温度较低的换热管外壁面接触时,蒸汽立即放出热量冷凝为液体。蒸汽的冷凝有两种不同的方式:膜状冷凝和滴状冷凝。膜状冷凝是指壁面能全部被凝液润湿,蒸汽凝聚的液滴立即分散结成片状液膜,壁面为一薄层液膜覆盖,当液膜集成到一定厚度时,沿壁流下,但壁面上仍覆盖一层液膜。蒸汽的冷凝热按热传导方式通过液膜传至壁面,由于液体的导热系数比较小,所以液膜具有较大的热阻,壁面上冷凝液膜越厚,其热阻越大,冷凝给热系数就愈小。滴状冷凝是凝液不能全部润湿壁面,而在壁面上形成珠状液滴,当液滴聚集成一定大小后,由于重力作用自壁面滴落,并在流动时带走其下方的其它液滴,使壁面重新露出,以供生成新液滴之用。由于在滴状冷凝过程中,有相当一部分传热面与蒸汽直接接触进行传热,蒸汽与壁面间无液膜热阻存在,故滴状冷凝给热系数大于膜状冷凝给热系数,相差可达几倍甚至几十倍。

　　由此可见,为了实现稳定的滴状冷凝必须设法造成一个不能润湿的冷却表面。液体在固体表面上形成滴状而不铺展为膜的必要条件是:固体应具有低表面能。

　　从微观上,任何一个相,处于表面层中的分子和内部分子存在着能量上的差异,表面层分子不仅受到外部分子的吸引力,而且受到指向内部的拉力,且这个拉力大于前者。因此表面分子所受的合力不等于零,处于力的不平衡状态,所谓表面能就是每增加单位表面积所需作的可逆功。表面粒子都有被拉向内部的趋势,由此产生了表面张力,对于液体和未变形固体表面能与表面张力具有相同的数值,因此,粒子间的作用越强,表面能越高。换热管均由金属材料制成,金属键属于强键,所以金属表面大多为高能表面,致使膜状冷凝成为蒸汽冷凝的普遍现象,要在金属表面获得滴状冷凝,必须使表面层分子处于力的平衡状态,以降低其表面能。

　　迄今为止,人们都采用在金属外表面覆加一层低表面能的材料,靠物理或化学吸附作用与金属表面而结合,以达到降低表面能的目的。如:①油酸或硬脂酸等带有憎水基的链状脂肪酸类,当水蒸气中油酸浓度为3～50PPm时,能在铜、不锈钢等表面上形成良好的滴状冷凝,寿命可达104h以上。但这些材料高温下不稳定,会在壁面上粘附水垢,反使热阻增加;②金属硫化物等无机材料,它们在水中溶解度极低;③贵重金属材料金、铂、铑等电镀表面;④高分子聚合物、氟碳化合物,它们的表面能在固体材料中是很低的,聚四氟乙烯为18dyn/cm ,聚乙烯为31dyn/cm , 100℃的水蒸气这样低的表面能,致使蒸汽能够形成在聚四氟乙烯表面上凝结时,水-汽的表面张力是60. 8dyn/cm ,滴状冷凝状态。

　　我们吸取了前人的经验,扬长避短,采用动态混合注入(D IM )的方法,对金属材料表面进行改性处理,利用离子束把聚四氟乙烯、铬及二硫化钼等材料的分子轰击到金属表面上去,经深处理后,这些低表面能材料渗入到金属表层或与表层金属离子混合,工艺简单易行。3离子束处理表面换热器的性能

　　经离子束处理表面的换热管是一种高效冷凝强化管,经实测,用它制成的管壳式冷凝器当水侧流速稳定在2m/s时,总传热系数可达到6000～8000W/m 2·K (本体为铜管) , 4000～6000W/m 2·K (本体为不锈钢管)。这种采用D IM法处理的金属表面层厚约3～4长久性地维持滴状冷凝,没有传热效率下降问题,而且具有很强的抗垢耐蚀性能,耐磨损和抗疲劳性能等。因此,这种换热器可以满意地使用于腐蚀性强或产品纯度要求极高的场合,如电镀业、电子工业、制药工业以及食品工业。这种换热器既有一般管壳式换热器的机械结构,同时具有较高的传热系数,与同类产品相比(如表1) ,可大大节省设备的投资以及减少运行费用和设备维护费用。

　　4离子束处理表面汽-水换热器的应用

　　离子束处理表面管壳式换热器一经问世,很快受到许多工业部门的欢迎。先后被集中供热、石油化工、机械、食品等行业用于各种汽-水换热系统,以及有机、无机物的冷凝蒸发设备中。在吉林浑江热电厂、大连热电厂等热电联产、集中供热部门,获得了成功的应用,取得了显著的经济效益和社会效益。

　　如吉林某热电厂下属一供热小区,汽-水换热供暖,其工况条件为:冷却水流量126t/h水温从60℃升到90℃,蒸汽为1. 6bar饱和蒸汽,凝结水为饱和水,采用普通管壳式换热器76. 8m 2,传热系数最高只能达1680W/m 2·K。小区扩建后,原换热器负荷增大,水温上不去,供不应求,换上一台40. 4m 2的离子束处理表面的管式换热器,在相同的工况条件下,换热效率明显提高,传热系数可达3200W/m 2·K,可为3×104m 2的小区供暖,且安全、稳定,运行3年,管外未结垢。诸多运行实际工况表明:当蒸汽侧给热系数提高10倍以上时,强化前后总传热系数可提高近一倍,传热面积减少近一半。如果换热管采用螺旋管,又可使管内形成螺旋扰动,进一步强化换热,这种扰动极大地破坏了边界层热阻,激发了流体的湍动程度,有效地提高了管内的给热系数,此管再经离子束处理后作冷凝管,将产生管内管外双重强化的效果,其传热系数可比离子束处理光管再提高10%～15%。

　　目前这种离子束处理表面高效换热器已获国家专利,且已有多种规格、型号。随着我国经济的不断发展和技术的不断进步,工艺的不断完善,其广泛应用将指日可待。