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刘阿龙,徐 宏,王学生,刘宽宏,王玉成,侯 峰(华东理工大学机械工程学院,上海 200237)
随着现代科学技术和工业化生产的发展,节能降耗已经成为各个行业生产部门主要控制指标。我国还处于发展中国家的水平,石油、化工及冶金工业在我国国民经济中占有很大的比重,如何在这些行业中降低能源消耗及投资成本,一直是研究者和企业界比较关心的问题。管壳式换热器一直是这些工业中主要使用的换热设备,其投资可达全部投资的30%～40%。如何提高它的传热效率并降低成本,是既有学术意义又有现实意义的课题。
普通换热管的传热性能比较差,其传热效率、结构的紧凑性以及单位传热面积的金属消耗量都无法和各种新型的板式换热器相比。烧结型表面多孔管的传热系数可比普通光管的传热系数至少提高10倍],而且其有效温差仅为普通光管的1/7～1/8,普通光管经烧结制成多孔表面管后可以有效提高光管的抗结垢性能。表面多孔强化管是20世纪60年代末发展起来的1种强化沸腾传热的高效换热管。烧结型表面多孔材料的研究始于1956年8月,美国人Ｍｉｌｔｏｎ进行了烧结多孔薄层应用于各类换热机构的研究,并于1968年申请了烧结型表面多孔材料方面的第1个专利(ｈｅａｔｅｘｃｈａｎｇｅｓｙｓｔｅｍ)。相似的专利相继于1973年、1974年及1977年获得批准,使烧结工艺更加完善,美国联合碳化物公司买断了该4项专利,推出了著名的Ｈｉｇｈ Ｆｌｕｘ商用表面多孔管。同时Ｗｅｂｂ设计了整体多孔层,20世纪70年代后期到80年代初,日立公司生产了Ｔｈｅｒｍｏｅｘｅｌ Ｅ管;前西德的Ｗｉｅｌａｎｄ ＷｅｒｋＡＧ公司生产了Ｔ型肋片管,其商品名称是Ｇｅｗａ Ｔ。Ｋｕｎ和Ｃｌｉｋｋ描述了1种凹腔沟槽面,提供了不同沟槽密度下,氮和水的沸腾数据。Ｇｏｔｔｇ ｍａｎ、Ｃｚｉｋｋ和Ｎｏｅｉｌｌ为确定合适的气孔尺寸,提出了用以判别多孔表面性能的理]。由于这些学者和大公司的努力,表面多孔管获得了普遍的应用。
1 表面多孔管分类和制造
表面多孔管按其制造工艺可以分为烧结型、喷涂型、电镀型和机械加工型。表面多孔管现在已经被广泛应用于各种换热过程,例如乙烯分离装置的塔顶冷凝器和再沸器、空分装置的冷凝 蒸发器、天然气液化、冷冻、空气调节、乙二醇蒸发以及海水淡化装置等[7]。表面多孔管的制造方法主要有4种, 比较如下。
(1)化学腐蚀法 制造的多孔表面管其传热性能可得到明显强化,但是多孔层中的金属极易被氧化,从而使微孔堵塞或掩盖,使用寿命较短。
(2)喷涂法制造法 一般是先将镍包铝复合粉末用氧 乙炔火焰喷射到碳钢管基体上,然后喷涂铝粉和添加剂,最后用火焰将多余的添加剂烧掉。此种方法的缺点是很难保证粉末烧结层的厚度和孔隙率。
(3)机械加工法 虽然可以大量生产多孔管,但是它无法加工很小的孔隙,因而对其传热性能的提高有限。
(4)烧结法 在管子的内、外表面上均匀地涂上1层粘结剂,再覆以一定目数的金属粉末。然后在充有保护气体的炉子中升温,将金属粉末烧结到管子上。多孔管的实物照片见图1,其中上面1根是普通铜管,下面1根是我们自制的紫铜粉末表面多孔管。这种表面多孔管的优点是管子的机械强度基本不变,成本较低,基体受到烧结层的保护而不易被料液所腐蚀,并能加工成长管。烧结型表面多孔管的传热效果最好,尤其在提高临界热负荷方面,与光管相比其临界热流量可提高1倍。
综上所述,烧结型表面多孔管的传热性能及其制造方法都优于其他方法,也符合我国的实际国情,在国内可以大规模的推广这种方法。扬子石化公司、镇海炼化公司等在2000年～2002年进口了数吨Ｈｉｇｈ Ｆｌｕｘ高通量换热管在国内制成换热器,用于芳烃联合装置和乙二醇装置的扩容改建以及新建焦化装置等,换热效果成倍提高,而生产扩容改造却不需要增加换热面积。
2 多孔表面的强化传热机理
烧结型表面多孔管的表面放大图见图2,它是1种内凹穴,是较为理想的稳定汽化核心。所以各先进的工业化国家都对如何采用各种表面特殊处理法来造成换热表面具有内凹穴汽化核心问题进行了广泛深入的研究,并制成了一系列强化传热效果极好的表面多孔换热面。
表面多孔换热面具有大量尺寸较大的稳定汽化核心,因而可以使工质在过热度很小的工况下产生大量汽泡,强化沸腾换热过程。表面多孔管的剖面结构见图3,金属覆盖层中存在许多由金属颗粒构成的凹穴和隧道,隧道随机地将凹穴连接起来。如果液体对金属材料是非润湿的,则在低于饱和温度时,不凝气体和蒸汽将积聚在凹穴中;如果液体对金属材料的作用是润湿的,则只有内凹穴才是稳定的汽化核心,因为过冷液体较难充满内凹穴。但不论哪种情况,由于多孔覆盖层增多了稳定的汽化核心,所以可以使汽化强度大为增加。此外,凹穴的开口半径也比普通换热表面上孔的尺寸大,所以可以在很低的过热度下沸腾。图3所示的多孔层中的2个汽泡就是在内凹穴中生成的,汽泡生成后便在多孔层中吸热长大并从阻力较小的孔穴中逸出,而液体则如图3中箭头所示,自排汽孔穴的周围通过隧道流入多孔层进行补充。液体流入多孔层时被多孔层的换热面加热,因而达到汽化核心时便开始蒸发。由于多孔层中稳定汽化核心很多,汽化核心的开口半径以及多孔层中换热面积很大,所以金属覆盖层的多孔表面管能起到显著的强化传热作用。
3 表面多孔管优越性
(1)能够显著地强化沸腾传热减少所需换热面积 美国联合碳化物公司采用冶金法生产的多孔表面的沸腾传热系数是光管的9～10倍,并且沸腾在很小的温差下进行,可用约278.7ｍ2的该多孔表面有效地替代2006.7ｍ2的釜式光管重沸器。
(2)在很小的温差下维持沸腾 在热流强度相同时表面多孔管所需的有效温差仅为普通光滑管的1/10～1/15。
(3)临界热负荷比普通管高很多 表面多孔管的临界热负荷是光管的2倍左右。
(4)良好的抗结垢性能 多孔覆盖层表面强化沸腾传热,这是大多数人容易理解和接受的,但对其工业应用不少人持怀疑态度。因为工业用蒸发器或多或少会结垢,因此为避免结垢常将表面做成光滑的。对此,美国联合碳化物公司的Ｇｏｔｔｚｍａｎｎ和日本日立公司的Ｗａｔａｒｎ等人用多孔覆盖层表面管进行了结垢试验[8],结果表明多孔表面管具有优良的抗结垢性能,其结垢速率明显低于光滑表面管。从理论上进行分析判断,多孔覆盖层表面也是具有抗结垢性的。这是因为多孔覆盖层表面内平均孔穴较大,能够经常维持大量直径较大的汽泡核,在较小的沸腾温差下就可以产生大量汽泡。当汽泡长大脱离表面后,仍留下汽泡核存于孔穴处,其又长大成为汽泡,而液体在孔穴内受汽泡的膨胀收缩而往复运动,犹如泵的作用,使大量液体不断地在孔穴内循环流动,能防止盐类物质的局部增浓,从而避免结垢。多孔表面还具有高度的毛细管特性,能保证壁面的足够润湿,可防止热斑和局部干燥而引起的局部结垢和聚合物沉积。
4 开发及应用
试验中有待解决的问题
(1)换热器用长管多孔表面的烧结工艺研究 标准换热器的换热管长度为6ｍ,烧结时必须考虑烧结设备控温、密封以及换热管加热后的变形问题。因此,研究烧结工艺、烧结设备、供气系统、烧结过程中的安全措施及解决管子在烧结时的变形控制等问题是下一步工作的重点。
(2)管束换热研究及换热器设计技术 要进行工业应用,仅有单管数据还不足以投入生产使用,还必须进行换热器整体模拟试验,在同等的工况下,对换热器的传热性能及稳定性进行测试,提出表面多孔管换热器的设计参数,掌握其设计技术。
(3)抗结垢性能研究 国外研究结果与工业化应用考核情况说明,表面多孔管具有良好的抗结垢能力,但在使用前还须针对具体应用环境进行抗结垢性能试验,以达到表面多孔管换热器长周期使用的目的。
(4)多孔管使用寿命研究 表面多孔管在使用过程中将会长期浸泡在液体中,长期的浸泡会不会对其换热性能造成很大的影响,国内外对此研究很少,有待进一步研究。
5 展望
表面多孔高效换热管可以应用于各种具有相变的换热过程。其优异的传热性能在石油、化工以及冶金等领域具有广泛的应用前景,因而具有巨大的潜在市场。在美国、日本和德国等国家已经开始大量生产该类高效换热管商品,但目前该技术还向我国保密,国内还未见到国产的烧结型表面多孔管上市,国内石化企业依然只能使用进口的表面多孔管。因此,此类产品的开发研究成果具有广泛的市场应用前景。
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