新闻动态
紧凑式低温换热器的发展概况和换热性能点击：2250 日期：[ 2014-04-26 22:13:38 ] |
| 紧凑式低温换热器的发展概况和换热性能 陈树军 汪荣顺 (上海交通大学制冷和低温工程研究所， 上海200030) 摘要：介绍了一些目前低温与制冷领域中使用的紧凑式换热器，对其特点、性能以及发展动态和研究方向进行了细致的分析和综述。同时也给出了一些观点，为低温换热器的设计及以后的深入研究提供参考。 关键词：紧凑式换热器；低温；换热性能；发展动态；研究方向 1 引言 随着制冷、气体分离、低温技术的迅速发展，低温换热器的应用越来越广泛。低温换热器作为低温设备的主要组成部分，其性能直接影响到低温设备的经济指标、安全可靠与发展前途。低温设备最重要的性能指标是它能够向冷却对象(用户)提供冷量的大小及所能达到的温度水平，而这些指标首先取决于低温换热器的性能。其性能好坏不仅牵涉到低温设备的经济指标，而且决定着低温设备的存在价值。例如在工质为氮的单级焦耳一汤姆逊液化循环中，当高压压力为1．96×10 Pa，低压压力为9．8×1O Pa，换热器的效率低于85．5 时，液化率就等于零，液化循环就无法实现[1]。低温换热器作为换热器的一个分支，它既具有一般换热器的共性，又具有低温传热的某些特点。由于其特定的工作环境及对它的严格要求，使它成为目前所有换热器中发展最活跃的一个分支[1]。许多崭新换热表面的出现、换热表面性能数据的研究及换热器设计的探讨都和低温换热器的使用、发展紧密相关。 2 制冷与低温系统中常用的紧凑式换热器的特点和换热性能 紧凑式换热器是指换热表面具有高的比表面积、大的Ntu及高效的传热特性口]。在工程技术领域中，常以单位体积内所包含的换热面积作为衡量换热器紧凑程度的指标，并把这一指标大于700m ／m。的换热器称为紧凑式换热器[3 。紧凑式换热器尤其适合两侧换热系数相差比较大及流道布置复杂的场合。与通常的管壳式换热器相比有其独到的特性：(1)有许多具有不同量级的比表面积的有效换热表面；(2)可按工程实际的要求，设计时可保证在热侧和冷侧保持分配换热表面面积的灵活性；(3)可降低生产成本和运行成本；(4)可满足许多具有特殊 要求的工程实际需要。 因此从事航天、航空、化工、制冷、低温、能源等工程领域的研究人员对紧凑式换热器进行了广泛而深入的研究。据目前的研究，使换热器更加紧凑的方法有如下方式： (1)换热器的材料选择和新型换热器材料的研究开发，用具有大传热系数的材料替代传热系数小的材料。 (2)改善换热器换热表面的几何形状，其中，肋片的几何形状对紧凑式换热器的性能影响至关重要，对肋片性能(换热性能、流动阻力性能、强度等)的研究是紧凑式换热器研究的重要内容。 (3)流道布置是影响其性能的另一重要因素，这是因为紧凑式换热器使用高度紧凑的换热表面，换热器的形状具有大的迎面面积和短的流道长度，因而，流道布置要求极为精确。 (4)物流分配的均匀性对其性能的影响不能忽视，由于其短的流道和大的迎面面积，紧凑式换热器导流器的设计对于介质流动的均匀分配是至关重要的，因此对导流器结构和性能的研究也是紧凑式换热器优化设计的重要内容。 (5)由于紧凑式换热器表面的高度紧凑性，即使小的加工误差都可引起其内部的流动及换热工况的改变，偏离其设计工况，引起其性能的下降，因此提高其加工精度，改进加工工艺是换热器设计中必须考虑的因素。 (6)根据不同的换热工质，使用不同的换热材料和不同换热表面，在特殊场合可在工作介质中添加换热强化剂，以增加临界热流密度，提高换热系数等。 板翅式换热器是一种高效紧凑的换热器，对于低温系统中板翅式换热器的冷热端存在巨大的温差，热量不可避免沿着换热器壁面从高温端传向低温端，这种轴向导热增加换热器的不可逆热损失，降低了换热器的效率。该文[4 研究了轴向导热对板翅式换热器换热性能的影响。对板翅式换热器的换热进行了合理的简化，通过数学建模得到板翅式换热器的控制方程组，该方程的特点是用一维方程组来表示具有二维特征的板翅式换热器的换热情况，并且得到了一个表示板翅式换热器轴向导热能力的无量纲量。该控制方程组采用有限差分法求解，结果表明由轴向导热引起换热器的热损失随着无量纲导热系数的增加而减小，并且随着传热单元数增加而增加。该文还研究了轴向导热对一种新型板翅式换热器性能的影响，图1[4]显示了这种新型换热器通道示意图。与传统的板翅式换热器不同，流体在每层通道内不是一直保持直线流动，而是在换热器呈折线流动。这种独特的结构能够减小轴向导热，初步的计算表明了这种新型换热具有优越性，是一种值得发展的换热器。 G．F．Nellis详细分析了轴向导热、寄生热损失和物性变化这三种因素对低温换热器性能的影响，并采用有限差分法求得了数值解[5]。该模型不仅适用于理想的工作流体，也适应于像气体混合物这类非理想的工作流体。作者比较了绝热和定温的边界条件对换热器性能的影响，在轴向导热起主要作用时，后者相比于前者对换热器性能的影响较小。作者的计算对实际的低温换热器有很大的指导意义。 美国的Ralph C．Longsworth在研制G—M+J-Y 4． 5K制冷机用的更紧凑换热器方面作了大量卓有成效的工作。1983年他和W．A．Steyert一起研制出采用紧凑绕管式换热器的G—M+J—T 4．5K制冷机[6]，其中低温紧凑绕管式换热器为多根扁管焊接在一起(中心扁管流经热气体，周围扁管逆向流经冷气体)，然后再螺旋式地绕在G—M 机的气缸外面，即第一级主换热器绕在第一级气缸上，第二级主换热器绕在第二级气缸上，其换热器示意图如图2所示。 虽然这种换热器仍然是林德型绕管式换热器的变型，但应当说，将圆管改为扁管以改善管问换热和减少结构纵向导热损失，以及充分利用绕管式换热器的中部空间以使制冷机整机结构更紧凑，这些都是成功的改进。 S．Pradeep Narayanan和G．Venkatarathnam详细分析了轴向导热对微型换 热器换热性能的影响[7]，他们的分析结果为设计和分析微型换热器提供了参考依据。文中提到的微型换热器长度只有50—100mm，但是换热器冷热端温差却在2OOK以上，在如此大的温度梯度下，它的轴向导热也是巨大的。该微型换热器的模型如图3所示。 Prabhat Gupta和M．D．Atrey研究了漏热和轴向导热对低温系统中换热器换热性能的影响[8]。处于低温状态下的换热器要不可避免地跟外界发生热交换，并产生热损失，文章研究了这两种因素对换热器换热性能的影响。结果表明：在盘管式换热器中，在300—80K的温度范围内，漏热系数大约是0．003。当漏热系数较大时，换热器的性能下降是明显的。随着传热单元数的增加，换热性能也会下降，这也是由于漏热所造成的。作者还指出：对于300—8OK的温度范围，考虑了通过壁面的轴向导热和气体的物性随温度的变化这两个因素，进行了数值模拟和试验研究。研究表明：当管子的壁厚较小时，轴向导热系数是很小的。 对于要求制冷温度4．5K、制冷量大于4W 的地面应用对象，和航天及军用要求制冷温度77～4．5K、制冷量1—100W 的应用对象，分别采用微型透平膨胀机+J—T的小型氦制冷机／液化器和微型透平膨胀机逆布雷登循环制冷机的研究日益活跃。这是因为透平膨胀机中无摩擦零部件，如果高速轴承可靠性问题得到解决的话，其连续工作时间要比活塞式膨胀机和气体制冷机长得多，且其体积和重量也要小得多。由于这种低温装置换热器中的正流气体压力不可能太高，气体流量也比气体制冷机+J—T 4．5K制冷机的大些，因此，对这种低温换热器的紧凑度提出了更高要求。看来，在大型氦液化器中，广泛采用的板翅式换热器和翅片管绕管式换热器都难以满足要求。文献[9]曾对微型透平膨胀机+J—T的小型氦制冷机／液化器的J—T级换热器，按板翅式、翅片管绕管式和孔板填料式3种方案设计进行了对比，所得结果是换热器单位体积的换热能力分别为8800，28000和39000W／(m。·K)，即孔板填料换热器的体积大约为板翅式换热器的1／4。这说明孔板、网格等新型多孔填料换热器对小型低温装置的小型化具有重要意义L1 。 3 目前低温换热器的发展动态与研究方向 由于低温技术的广泛应用与迅速发展，对低温换热器的严格要求以及低温传热的特点，大大推动低温换热器的进步，多种高效紧凑换热表面的不断出现，强化换热的技术以及换热器设计变革都得到有力推动，概括起来可归纳为三个方面： 3．1 高效、紧凑表面 (1)传热一压降数据、关联式：由于强化换热降低流阻的要求出现了各种高效、紧凑的换热表面，其中比较典型、目前应用比较广泛的是翅片管与板翅式表面。这些表面的单相传热一压降数据、关联式(简称j—f数据、关联式)相对来说并不少，但还很不齐备，因此获得各种高效、紧凑表面的j—f数据、关联式，扩大、加深其应用范围，提高其精度是当前刻不容缓、对于工程应用具有巨大潜在价值的研究课题。 (2)传热机理：为更精确、可靠、经济地设计换热器，应该对换热表面的传热机理所涉及的流体动力学与工程热力学有更多的了解。由于工程需要远远走在科学研究的前面，许多新颖、高效、紧凑换热表面层出不穷，这些表面的实际应用也可能取得一定效益，但是对这些表面的传热机理的了解还是非常不够的。 (3)数值解：加深对传热机理了解的同时，必须相应发展各种换热表面的数值解。数值解与试验研究应该相辅相成、相互验证以促进对机理深入的了解。 (4)制造工艺：各种高效、紧凑换热表面的制造工艺、加工成本、新材料的应用和新加工方法的探索等都是发展高效、紧凑换热表面不容忽视的实际问题。 3．2 相变与两相流 (1)传热机理：沸腾、冷凝的换热研究过去进行较多的是大空间、单管、竖壁。有关紧凑表面的相变换热机理更加复杂，影响因素更多，加上截面的几何形状、尺寸多变，目前这方面的研究、试验数据少得可怜。 (2)多组分沸腾、冷凝：低温换热器中涉及更多的是烃类、氢、氦和氮等低温公质，且多组分混合物占据越来越重要的位置。众所周知，两组分沸腾换热系数低于单组分沸腾换热系数，这从定性角度容易理解，但定量预测却十分困难，这是由于另一组分的存在很难确定当时的沸腾换热系数，两组分尚且如此，多组分混合物的情况就更加复杂。由于低温换热器在制冷、气体分离、石油化工、天然气液化方面的广泛应用，多组分混合物沸腾、冷凝研究的迫切性提高了。 (3)流量振荡与流动不稳定：两相流中的流量振荡与流动不稳定性对传热影响很大，这方面的研究目前也是比较薄弱的。 3．3 换热器的设计 (1)物性计算：低温传热的主要特点在于工质的物性变化激烈。如何提高物性数据的精确度，如何在换热器设计中考虑变物性的影响，特别是在涉及石油化工烃类多组分混合物的低温换热器设计计算中，物性数据的计算工作量异常繁重，采用平均物性的处理办法会带来很大的误差，使用一般的图标进行手工计算，设计人员又不胜负担。故对实际气体状态方程的研究，物性数据、计算公式和计算软件的探讨，是当前低温换热器设计的紧迫课题。 (2)低雷诺数换热器设计：由于低温换热器多采用小当量直径的紧凑表面，工质又多为气体，加上由于阻力的限制多采用不高的流速，所以多设计成低雷诺数换热器。此类设计完善的低雷诺数换热器可以提供通常只有在紊流状态下才能具有的高传热率，但同时却具有较小的流动阻力。低雷诺数换热器虽已有100多年的发展历史，但其所涉及的层流受迫对流、低雷诺数紊流、低雷诺数非牛顿流体流、传热强化和换热器设计等已开拓出许多新颖的研究领域。 (3)流道布置：换热器设计中的流道布置尤其是多股流板翅式换热器的通道排列对换热器的性能影响极大，这是换热器设计首先遇到而又很难处理好的向题，目前这方面尚处于探索阶段。 (4)流体均布：在换热器的一般设计中，都是假定流体在单元与通道中均布，实际上由于设计、制造、安装、运行维修等各种原因，这种流体均布的假定仅仅是个理想状态。当流体在单元和通道中分布不均时，换热器性能就要下降，尤其对高效率或者换热两侧流体均不混合的换热器影响更加突出。流体均布涉及管网、封头、导流片设计，还与流道布置、流动和传热工况有关。 (5)温度场：随着换热器设计水平的不断提高，对换热器内部温度场的了解也越来越迫切。要对多股流换热同时又存在相变、传质的紧凑式换热器中的温度场有一个比较清楚的了解，这是个牵涉到对流动传热机理，j—f数据、关联式和换热器设计的高度要求，尚未完全解决又极复杂的问题。 (6)轴向热传导：由于低温换热器的紧凑、高效具有很大的轴向温度梯度，故必须考虑一般换热器中常被忽略的轴向热传导。 4 结论 低温换热器是低温设备的主要组成部分，其性能直接影响到低温设备的经济指标、安全可靠与发展前途。文中阐述了使换热器更加紧凑的方法以及紧凑式换热器所具有的独到的特性；分析了几种换热器的换热性能的影响因素，并对几种换热器进行了简单的对比分析；最后，介绍了目前低温换热器的发展动态与研究方向，为低温换热器的设计及以后的深入研究提供了参考。 参考文献 1 陈长青，沈裕浩．低温换热器．北京：机械工业出版社，1993，1～6． 2 焦安军，厉言忠，陈曦，等．新型紧凑式低温换热器的研究进展．低温与超导，2001，29(1)：8～13． 3 杨世铭，陶文铨．传热学(第三版)．北京：高等教育出版社，1998，323~324． 4 米廷灿．低温板翅式换热器轴向导热规律研究．西安：西安交通大学，2004，50：65～66． |
| 上一篇：空心环管壳式换热器在硫酸转化系统的应用 | 下一篇：板式换热器被击穿原因分析及应注意的问题 |