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      哈雷釬焊板式換熱器
      專業生產:換熱器;分水器;過水熱;冷卻器
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      緊湊式換熱器性能比較及經濟性分析

      點擊:2779 日期:[ 2014-04-26 22:00:49 ]
                                  緊湊式換熱器性能比較及經濟性分析                                 吳恩1,周幗彥2,涂善東1,2 (1.南京工業大學機械與動力工程學院,江蘇南京 210009; 2.華東理工大學機械與動力工程學院,上?!?00237)     摘要:在與管殼式換熱器對比分析的基礎上,綜合說明了常用緊湊式換熱器的結構、性能及應用情況。通過具體的工程案例,對板翅式換熱器和熱管換熱器進行了性能比較及經濟性分析,為換熱器 的投資、選型提供了工程依據。     關鍵詞:換熱器;緊湊式;經濟性分析;性能     中圖分類號: TQ 051·501 文獻標識碼: A     換熱器是熱力系統的關鍵設備之一,為了節能降耗,提高工業生產經濟效益,要求開發適用于不同工況要求的高效能換熱設備。作為換熱設備的主要性能指標,高效性和緊湊性已成為近幾十年來工程設計和理論研究人員的主要研究目標。     與傳統換熱器相比,緊湊型換熱器優越性表現在:①結構設計能誘使流體產生湍流流動以獲得較高傳熱系數。②阻止污垢形成使污垢系數較小。③ 流程設計使冷、熱流體間溫差推動力達到最大值。     根據不同的工藝條件和操作工況,近年來開發 設計了多種不同結構形式的緊湊式換熱器,已在石油、化工和制藥等行業得到了廣泛應用[1~3]。其中, 板式換熱器、板翅式換熱器、螺旋板式換熱器和熱管 換熱器具有較為廣闊的發展前景。文中分別通過這4種換熱器與管殼式換熱器的比較,對緊湊式換熱器的結構、性能、應用及研究進展進行了綜合說明。進而以氨冷卻器的設計為例,從性能和經濟性方面 對常見緊湊式換熱器進行了具體的分析說明。     1 板式換熱器     板式換熱器是以波紋板為傳熱面的高效、緊湊型換熱器,早期被廣泛用于食品和飲料工業,近幾年, 其應用領域擴展到化工、加工及聯合工業?;趯Π踩耘c可靠性的考慮,使用板式換熱器將會成為滿足傳熱要求的一種經濟型方法[4]。     1.1 基本型式及特點     板式換熱器有墊片密封式、半焊接式、AflaRe 全焊接式、釬焊式、Bavex全焊接式、Platula全焊接 式、Compabloc全焊接式及Packinox全焊接式等結 構形式,具有傳熱效率高、阻力小、結構緊湊、拆裝方 便及操作靈活等優點,主要應用于供熱和空調工程。     1.2 與管殼式換熱器比較及應用     板式換熱器紊流性高,污垢系數極小,在適宜工況條件下總傳熱系數可達8 000 W/(m2·℃)。而傳統管 殼式換熱器傳熱系數還不到2 500 W/(m2·℃)。曾文良等以現場的壓縮空氣為試驗工質,對人字形波紋板式換熱器傳熱與流阻性能進行了試驗研究,給出了傳熱效率與傳熱單元數NTU的關系曲線,見圖1[5]。由圖可知,板式換熱器的傳熱效率遠高于1-2型管殼式換熱器的傳熱效率。這主要是由于板式換熱器兩側流體完全呈逆流流動,且板片間流體返混極小,從而最大限度地減小了傳熱過程的溫差及有效能損失,極大提高了有效能的利用率。                      板式換熱器突出的緊湊性和高效性也逐漸被重 視,進而在某些領域逐步代替管殼式換熱器,取得了較好的經濟效益。AAD(Australian Antarctic Divi- sion)采用板式換熱器回收電力系統中產生的廢熱來給地面站房屋供暖[6]。2003年底,Casey站試運 行Alfa Laval板式換熱器代替原管殼式換熱器。全負荷運行下,板式換熱器回收熱量為113 kW,提高了30%,而采用板式換熱器所需要的維修保養費用還不到管殼式換熱器的50%。張家港某廠在聯堿生產中,采用2臺人字形波紋板式換熱器串聯在聯堿Ⅱ過程替代管殼式換熱器,節電收益102.348萬元/a,間 接創收65.175萬元/a[7]。     目前,對板式換熱器的研究還在繼續深入。 Vlasogiannis等嘗試在板式換熱器中采用兩相流介質,即采用空氣和水的混合物作為冷流[8]。試驗發 現,用氣液混合物做冷流時,兩相傳熱系數隨水流速度的增加而增加,并且所測得的傳熱系數比單用水做冷流的傳熱系數要高。     2 板翅式換熱器     板翅式換熱器可滿足對流、錯流、逆流及錯逆流 換熱,便于多股流流道布置,可進行氣-液、氣-氣、液- 液間的冷卻、冷凝和蒸發等過程,是最有發展前途的 新型換熱設備之一。隨著技術和加工工藝的提高, 對高性能板翅式換熱器的研究更加深入,其設計已 向微通道和耐高壓方向發展,應用領域擴展到石油化工、空分、航空、船舶、車輛及原子能等行業。     2.1 基本型式及特點     板翅式換熱器有釬焊和擴散焊2種基本結合型式。大多數熱交換工況采用的是真空釬焊的鋁制板翅式換熱器,對于腐蝕性較強的介質,可選用真空釬焊的不銹鋼板翅式換熱器和鈦板翅式換熱器。裝配時,擴散焊比釬焊具有更多優點,而后者具有較高的強度和較強的耐腐蝕性。     板翅式換熱器的翅片有鋸齒形、平直形和多孔形等型式,可根據不同操作條件選擇適宜翅片。翅片的擴展面和翅片對流體的擾流能力決定了熱交換能力,因此板翅式換熱器具有結構緊湊、輕巧及傳熱效率高等特點。如,微通道換熱器的通道尺寸可達90μm×95μm,換熱比表面積高達15 000 m2/m3[9], 而列管式換熱器一般僅為160 m2/m3。國內研究開發的高壓板翅式換熱器耐壓能力為8 MPa,其質量還不到管殼式換熱器的1/5~1/10[10]。     2.2 與管殼式換熱器比較及應用     在北海海洋平臺上采用純鈦擴散焊接式板翅式換熱器和管殼式換熱器作為氣體冷卻器的情況對比見表1[11],可見板翅式換熱器具有明顯的優勢。                           煙臺通用板翅式換熱器廠為液壓挖掘機配套的液壓油冷卻器采用了鋁制板翅式換熱器,臺架試驗表明,該機冷卻器散熱系數為6135機油冷卻器(管殼式換熱器)的11.5倍,散熱效率為后者的7.6倍, 散熱能力是后者的3倍,質量僅為后者的1/3[12]。其散熱性能優越,已應用于許多工程機械中。     研究發現,通過對板翅式換熱器結構的優化,可獲得更高的傳熱效率。焦安軍等通過研究導流角度 α下導流片的導流特性,發現α=45°時的導流片具有良好的導流性能,而阻力特性沒有較大變化[9]。 Wen和Li提出對板翅式換熱器封頭的結構進行改進,通過在封頭中安裝一個尺寸合適的微孔擋板可有效改善流動時出現的流體分布不均勻情況[13]。     3 螺旋板式換熱器     螺旋板式換熱器是一種由螺旋狀傳熱板片構成的高效間壁式傳熱設備,其流道內的2種介質獲得相同的流動性質,這種設計使其接近于理想熱傳遞設備[11]。對于易堵塞或被顆粒污染的流體,螺旋板式換熱器更是理想的結構,其單一的螺旋形通道結構使得流道內流體對污垢有自沖刷作用。     3.1 基本型式及特點     螺旋板式換熱器有Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型3種基本形式。螺旋板式換熱器的兩側流動條件最優,流體流動均勻,不存在死角。其溫度分布均勻,不存在冷角或熱角,熱效率和熱傳遞因子也較高,可用于小溫差傳熱,出口溫度控制準確。移動1個端蓋,就可以露出通道的整個表面,易于檢查、清潔和維修。     3.2 與管殼式換熱器比較及應用     工作條件相同的情況下,螺旋板式換熱器的換熱面積為90 m2,板式換熱器的換熱面積為60 m2, 而管殼式換熱器的換熱面積為125 m2 [11]。三者之中螺旋板式換熱器的外形尺寸最小。     在氨水生產過程中,鄭燕萍和倪曉斌用1臺螺 旋板式換熱器取代了原來一組管殼式換熱器[14]。 分析表明,兩者傳熱系數比為2.69,單位面積傳熱量比為3.27,工藝中的吸氨效率從78%提高到 96%。新疆八一鋼鐵集團某公司將管殼式廢水冷卻 器改為高效節能的螺旋板式換熱器,需要換熱面積 從440 m2降低到240 m2,廢水體積流量從原來的 20 m3/h提高到40 m3/h,大大節約了低溫水用量, 換熱效果及節能效果顯著提高[15]。     王如竹等將螺旋板式換熱器其中一個通道作為熱流體流道,另一個通道裝入吸附劑密封起來作為吸附床,頂端法蘭上帶有吸附流道和解吸流道,用這樣一個吸收式制冷機做制冷試驗[16]。結果表明,作為吸附設備的螺旋板式換熱器適于吸附制冷系統, 其良好的傳熱性能使得吸附系統循環時間較短。螺旋板式換熱器在化工流程的緊湊化方面有很大的發展空間。陳亞平等采用降膜型螺旋板式換熱 器代替管殼式換熱器應用于發生精餾器,試驗發現組成的螺旋板式氨水吸收式制冷機結構緊湊且可以實現連續操作[17]。此降膜型螺旋板式換熱器還可以應用于其他化工流程。     4 熱管換熱器     熱管是20世紀60年代中期發展起來的一種新型高效的傳熱元件,其導熱能力可達優良金屬導體 的103~104倍,有超導體之稱[18]。在過去的10 a 中,緊湊式熱管換熱器因其熱效率高、尺寸小及設計靈活,在微小型熱泵、制冷、氣體及冷量存儲系統小型化方面十分受歡迎[19]。     4.1 基本型式及特點      熱管束或兩相熱虹吸設備是熱管換熱器的重要概念,換熱器中的熱管可以分為蒸發段、絕熱段和冷 凝段3個部分。新熱管包括傳統熱管、熱管面板、回路熱管、蒸汽動力學熱虹吸管、微小型/小型熱管和 吸附熱管等。不同型式的熱管制成的熱交換器的應 用領域不同,如熱管面板應用于熱泵及制冷方面,吸 附循環中成對應用蒸汽動力學熱管和回路熱管,小型熱管用于電子散熱或制冷方面。在吸附熱管的一 段設置吸附床,另一段設置冷凝設備或蒸發設備,這樣比傳統熱管具有更大的傳熱傳質作用[19]。 熱管換熱器不需要其他動力設備,只要制定合 適的交錯面距離,就可以傳遞大量熱量。其設計及制造簡單方便,應用溫度范圍大(4~3 000 K)。在各種溫度下,可通過改變熱流密度來輸出熱量,這是熱管式換熱的獨特特性。作為冷凝器和蒸發器的熱管換熱器傳熱系數為103~105W/(m2·K),熱管熱阻為0.001~0.003 m2·K/W,因此緊湊度較高。     4.2 與管殼式換熱器比較及應用     美國休斯飛機公司對熱管換熱器和其他類型的換熱器進行了比較和評定,結果只有板翅式換熱器 的綜合指標比較接近熱管換熱器[20]。     秦皇島市某廠采用了RFG-480型熱管廢熱鍋 爐對3臺造氣爐進行集中余熱回收[21]。與原列管式廢熱鍋爐系統相比,采用熱管廢熱鍋爐降低了系統阻力,單爐每小時發氣量平均提高了10%,同時入爐煤耗下降20%,洗氣水耗、電耗下降了30%,工藝余熱得到了充分回收。     Wu等在試驗條件下研究了空調系統中采用熱管換熱器對相對濕度控制的影響[22]。試驗結果表明,采用熱管換熱器以后,空氣流中的相對濕度降低至70%~74%,說明在該空調系統中,幾乎不需要額外的能量來預熱輸出空氣,而系統的冷卻能力也提高了20%~32.7%。     5 緊湊式換熱器與管殼式換熱器比較算例     緊湊式換熱器具有比表面積較高、NTU較大以及傳熱特性較優等特點,板翅式換熱器和熱管換 熱器尤為突出。文中以氨冷卻器為例,分別采用板翅式和熱管式設計形式,與傳統管殼式設計形式進行質量、體積及壓降等指標的比較分析,氨冷卻器工藝參數見表2。                                5.1 性能比較     用VB6.0編譯程序完成設計計算,設計所選用 換熱器的結構、參數及計算結果見表3。     表3表明,采用緊湊式換熱器設計的氨冷卻器不僅在質量、體積上大大低于采用傳統管殼式換熱器設計的氨冷卻器,而且在壓降上也具有很大的優勢。從換熱器的比表面積來看,鋁制板翅式換熱器的比表面積最大,熱管換熱器的次之,都遠高于管殼 式換熱器。較高的比表面積體現了換熱器在緊湊性上的優勢。從如圖2所示的換熱器質量與體積比較圖中可以分析出,鋁制板翅式換熱器在質量、體積以及比表面積上都表現出很大的優勢。     5.2 經濟性分析     技術經濟學作為實現投資決策科學化的重要手段,在技術領域已得到越來越廣泛的應用[23]。為了正確反映對氨冷卻器投資方案的選擇,文中分別采用費用現值與費用年值法及年計算費用法對擬定的 這3個技術方案進行經濟性分析。     5.2.1 費用現值與費用年值法     費用現值與費用年值法是費用類相對經濟效益指標,費用現值與費用年值越小,其方案經濟效益越好。設石化行業基準收益率iC為13.1%[24]。費用現值與費用年值比較見表4,綜合評定結果以選用板翅式換熱器為優選方案。                          5.2.2 年計算費用法     在經濟計算中,不同換熱器設備因使用年限不同,其維修費用和折舊費用也不相同,為此,需將不同條件所引起的費用計算條件通過折算,變為具有相同可比條件的技術經濟指標進行比較與分析,這種計算方法就是年計算費用法。設國家規定的設備投資回收年限為5a,計算得到采用板翅式換熱器、熱管換熱器和管殼式換熱器的年計算費用分別為 3.336萬元、4.211萬元和21.225萬元,可見采用 2臺板翅式換熱器串聯作為氨冷卻器為最優方案。 通過設計計算分析和兩種技術經濟指標的計算分析,可以看出采用板翅式換熱器不但緊湊性高,而且其經濟性優勢突出。                                                          圖 2 3 種換熱器質量及體積比較     6 結語     文中在分析緊湊式換熱器結構型式、特點及應用的基礎上,以氨冷卻器為例,對緊湊式換熱器以及管殼式換熱器的性能進行了設計計算比較和經濟性分析。結果表明,在相同的操作條件下,板翅式換熱器具有較高的傳熱面積密度和傳熱效率,并且投資比較小,相對于管殼式換熱器,其在質量、體積和能量消耗上都具有明顯的優勢。而在緊湊式換熱器中,板翅式換熱器在壓降上的優勢略低于熱管換熱器,從而使年運行費用微高于熱管換熱器年運行費用,但其初期投資較小,從而使在5 a回收期內承擔的年計算費用較低。板翅式換熱器各項指標均優于其它形式的換熱器,可作為工程企業換熱設備的首選形式。 
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