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波纹管式换热器———起源、现状与发展点击：2493 日期：[ 2014-04-26 22:43:03 ] |
| 邱广涛 丰艳春 【摘要】介绍了在原管壳式换热器基础上,采用新的强化传热原理而研制成功的波纹管式换热器的起源、现状与发展,同时介绍了波纹管式换热器的特点、应用领域及发展前景等,从而说明了波纹管换热器在现代工业领域有可能成为原管壳式换热器的更新换代产品。 叙词:波纹管 波纹管式换热器 强化传热 一、前 言 管壳式换热器是目前应用最广的换热设备。由于它结构坚固,维修方便,不易堵、漏,密封周长短,材料的选择范围较广,因此它的适用范围大,尤其是在高温、高压领域,是其它换热器无法替代的。与其它品种换热器比较,管壳式换热器的最大缺点是传热效率低。例如,对于水一水换热,传统的管壳式换热器K 值范围一般为1150～2230W/ m2 ·℃,板式换热器K值为1500～4700W/ m2·℃,螺旋板式为2000～3000W/ m2·℃。 自70 年代能源危机爆发以来,对传统换热器设备强化研究逐渐兴起,并主要集中在两大方向上;一是开发新的换热器品种,如板式、螺旋板式、振动盘管式、板翅式等等,这些换热器设计思想都是尽可能地提高换热效率;二是对传统的管壳式换热器采取强化措施。具体说来,就是用各种异型管取代原来的光管。现在较常用的有螺旋横纹(螺纹管) 、横槽纹管、缩放管、内翅管及管内插入强化物质等。以上各种异型管其换热效率较光管一般提高40 %～80 % ,而且已在不同场合得到应用。其中应用最广泛的螺纹管已有相应的国家标准。 二、波纹管式换热器的起源 早在70 年代,曾有人提出用波纹管作为换热管用在管式换热器上并出现在教科书上。按流体力学观点分析:在波峰处流体速度降低、静压增加、在波谷处流体速度增加、静压减少,这样流体的流动是在反复改变轴向压力梯度下进行,产生的剧烈漩涡冲刷了流体的边界层,使边界层减薄。由于波纹管可做成相对流线型,流体阻力不会有太大的增加。因此,用波管作换热管从理论上讲应优于其它异型管。 数十年来,我们先后开发了各种仪表弹性元件、电沉积波纹管、波纹膨胀节、滚压成形波纹管等产品。同时,也包括这些波纹管制造技术和工艺装备。1990 年,波纹管式换热器问世了。我们与沈阳远达管道技术研究所合作试制了三台新型换热器,一台安装在沈阳热力公司所属浑河供热所第一小区供热站,另两台安装在和平房屋开发公司所属和平大街锅炉房试运行。1990 年12 月15 日到1990 年12 月31 日期间,由沈阳市技术监督局所属沈阳市能源标准计量所对该产品进行现场测试,结果表明,其应用效果完全达到了设计要求。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。 与传统管壳式换热器相比,波纹管式换热器具有以下优点: 1 传热效率高 对于水—水换热, 流速υ= 015 ～ 110m/ s时,传热系数达2000～3500W/ m2·℃,是传统管式换热器的2～3 倍,并已接近板式换热器水平。这一数据在实践中也得到了验证。如,我所换热站用两组140m2 换热器,供热面积为6万m2 ,冬季大部分时间只启用一组便可达到要求,与采用板式换热器效果接近。 2 不污、不堵、不结垢 该产品传热元件通径最小为ª32 ,较传统管式(一般为ª19 、ª25) 及板式通道大,故防堵性能好。由于换热管为不锈钢材料,故管程耐蚀性好(在Cl2不超标条件下) 。不结垢是在最近被证实的。首台换热器在浑河供热所已使用五个供暖期仍不结垢,这足已证实新产品有很强的防结垢能力,从而也保证了换热器的稳定运行(换热效率不降低) 。 3 防泄漏能力强 由于密封周长短(这是管壳式换热器固有的优点) ,而且由于换热管为波纹管,本身具有自身补偿功能,管板热应力很小,因而不会因管口破裂而泄漏。这一点,较板式换热器有明显的优越性。 4 节能 由于传热效率高,可以回收低温热源。同时因传热元件口径大,波行呈流线状,压力损失小。因此,我们可以称该产品是节能型设备。 5 维修方便 由于该产品不污、不堵、不腐蚀、不结垢,因此,不必年年维修。一旦需维修,工作量也很小。 6 价格合理 由于本产品换热元件采用不锈钢材料,成本较传统列管式换热器相对提高。因此其销售价高于传统产品,比板式换热器也高许多。但按照换热能力计算,总造价并不高。与板式换热器比,由于二者结构不同其优劣因素各有所长,只能根据实际情况,由用户决定选型。 三、波纹管式换热器现状 波纹管式换热器在研制、开发阶段主要针对水一水换热。水—水换热器设计、生产、质量已基本稳定。近年来,板式换热器发展速度很快,技术上也得到不断更新,主要在板型、密封胶带、安装形式等方面作了重大改进。因此,只要温度、压力不是很高(低于200 ℃、116MPa) ,用板式换热器工程造价低,运行成本低(由于它是全逆流的) ,换热能力不仅传统管壳式换热器无法与之相比,波纹管式换热器也相形见拙。 然而板式换热器还存在维修工作量大、易堵、易漏等缺点,因此,用于水—水热交换时板式换热器还可与波纹管换热器争一席之地,但用于汽—水其它介质热交换,波纹管换热器则显示出强大的生命力。 1990 年,作为试验产品做了四台,水—水换热占100 %;1991～1994 年,产量、产值逐年递增。但水—水换热器比重越来越小。1991年占60 % ,1992 年占30 % ,1993 、1994 年均占20 %左右。 根据市场需要,已开发出新品种用于不同行业中: 煤气站汽化(汽—油换热) 、电厂首站(汽—水换热) 、油田输油管道加热(汽—油换热) 、贮藏设备制冷(液—液换热) 、宾馆、居民楼供生活热水(汽—水加热) 、海水热交换(汽—海水换热及海水—水换热) 等。 几年来,针对出现的各种新情况,作了如下几方面的技术工作: (1) 利用走访用户的机会,现场测试换热器的传热系数,主要有汽—水,汽—油,油—油,冷凝等,结果表明波纹管式换热器不仅适合于水—水换热,对其它不同介质换热,其强化效果也是明显的。 (2) 针对汽—水换热,尤其是高压汽水换热,采取了各种保护措施,如扩容疏压、加保护环、采用长管接头等。 (3) 进行波纹热管防腐蚀技术的研究。例如用于海水加热,一般不锈钢很快就被腐蚀。将阴极保护技术用在换热器上收到了良好的效果。 (4) 研究厚壁换热管加工方法。对于水—水换热器,015mm 壁厚的换热管基本满足要求。但在高压、汽—水、汽—油换热必须采用较厚壁的换热管。目前已能加工0.5 、0.7 、1.0 、1.5 、2.0 、2.5 、3.0mm 等各种规格的换热管。 (5) 不同介质传热性能试验。我们已建立起热能实验室,针对石化、制药化工等各行业不同介质进行电热力学试验,并已取得一批宝贵的试验数据。 四、波纹管式换热器的应用前景 目前,市场上流行的换热器有管壳式(含固定管板式、浮头式、U 型管式各种强化型列管换热器) 、板式、振动盘管式、板翅式、螺旋板式等等。 从历史上看,管壳式换热器一直占有主导地位。板式换热器刚问世时,由于其传热效率高、造价低曾风行一时,但不久人们发现,由于板式换热器结构所限,不可能应用在高温、高压条件下。即使在低温、低压时,许多工厂也不愿采用。原因很简单,板式换热器大修周期短,工作量大,易泄漏。如因一台换热器维修导致全线停产是得不偿失的。 同样,螺旋板式、振动盘管式、板翅式换热器也存在各种类似的问题。因此,人们只好将注意力转移到管式换热器强化传热研究上来。据有关资料报导,到80 年代末期,日本、欧、美等发达国家,强化型管壳式换热器已占25 %以上,而在我国各种各样的异型管强化换热器均处在研究、试制阶段,市场占有率3 %都不到。 迄今为止,波纹管式换热器优于其它各类强化型换热器,在管壳类产品中,传热效率是最高的,因此可以说该产品应用前景是十分广阔的。 为扩大该产品应用领域,在市场上有更强的竞争能力,应进行如下几方面工作: (1) 换热器结构优化设计 将CAD 技术引入换热器设计上。用户越来越关心能用最少的投资提取到最可靠、最能发挥效能的产品。优化后的结构形式应保证各部件布局合理,能耐各种冲击又不浪费原材料,管内管外换热能力匹配,与其它辅助设备(水泵等) 浑然一体,最大限度地发挥出换热器效能。 (2) 建立各种介质传热数学模型 目前,只有水—水、汽—水、汽—油(极个别的油介质) 有较完整的数学模型。实际上遇到的换热介质有上百种,为此,目前我所已立项研究。 (3) 不锈钢不应是波纹换热管唯一材料,不同场合应采用不同材料 例如在无腐蚀介质时,完全可以采用碳钢管,对于海水换热应用钛、329 # 不锈钢、海军黄铜等。 (4) 将各种腐蚀防护技术引入换热器生产中,以提高换热器使用寿命。 总之,波纹管式换热器是一个全新的产品,需要集体的力量使它得以发展。只要发展的路子是健康的,它的生命力将是非常强大的。 |
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