几种翅片管换热器的应用研究

摘要：介绍了翅片管换热器的特点、材料及型式, 列出了3 种翅片管换热器的应用示例, 分析了在不同应用条件下翅片管的应用情况, 并给出了应用结果, 为翅片管换热器的应用方法提供了借鉴, 最后分析了新型AIF翅片管换热器的研制及应用。

换热器是工业传热过程中必不可少的设备, 几乎一切工业领域都要使用, 同时其理论研究也相当深入[1 ,2 ] 。多年来, 各工业部门广泛地应用列管式换热器, 随着科技及工业的发展, 要求换热设备紧凑、轻巧、高效并小型化, 而一般的列管式换热器不能满足上述要求, 这就促使人们去研究高效换热器。其中翅片管换热器和板式换热器是人们研究得最多的两种高效换热器[3 ] , 翅片管是组成翅片管热交换器的核心元件, 其质量的优劣直接影响到热交换器的工作性能[4 ] 。

华南理工大学传热强化与过程节能教育部重点实验室多年来致力于翅片管的研究及应用, 所研制的翅片管换热器已在多家企业应用, 取得了良好的科技、经济及社会效益[5 ] 。结合以前研究应用的数据与经验, 本文从产品应用的角度对翅片管换热器进行阐述, 试图为推进翅片管换热器的研究发展, 并为翅片管换热器的设计、应用提供一些借签。

1 翅片管的特点、材料及型式

翅片管与光管相比, 在消耗金属材料相同的情况下具有更大的表面积, 从直观看属于第一次强化传热, 但实质上换热面积增大的同时带来了传热系数的提高, 达到二次强化传热的目的。其特点就是能有效增加传热面积和增大传热系数, 并且比较容易制造并保证操作的稳定性。

换热器翅片管材料应根据换热器的用途和操作条件等不同而选择, 目前常用的材料有铝、铝合金、铜、黄铜、镍、钛、钢、因康镍合金等, 其中以铝和铝合金用的最多。对于翅片管式换热器母材的基本要求是有较好的钎焊性和成型性、较高的机械强度及良好的耐腐蚀性和导热性。铝及铝合金不仅满足了这些要求, 而且具有延展性和抗拉强度随温度的降低而提高的特性, 所以在世界各国的紧凑式换热器中, 特别是在低温的紧凑式换热器中, 已经获得了最为广泛的应用[6 ] 。

翅片管换热器所用翅片管有内翅片管和外翅片管两种, 其中以外翅片管应用较为普遍。外翅片管一般是用机械加工的方法在光管外表面形成一定高度、一定片距、一定厚度的翅片。翅片管的型式有螺旋翅片管、套装翅片管、滚轧式翅片管[7 ] 、板翅式翅片管。

2 DT 翅片管换热器的应用研究

2.1 应用条件

广州石化技改项目中的润滑油511 换热器, 其设计条件为: 壳程介质为N32 汽轮机油, 出入口温度分别为37 ℃和60 ℃, 操作压力为1.2 MPa ,流量为0.0133 m3/ s ; 管程介质为循环水, 出入口温度分别为42 ℃和34 ℃, 操作压力为0.4 MPa 。

现在正在使用的两台换热器达不到使用要求,必须进行改造。由于是在原来的基础上改造, 故对换热器的占地面积及安装方式有严格的要求。现场规定换热器外径不超过350 mm , 长度不超过415 m , 且原来的接管不能改动。

2.2 应用分析研究

通过计算得到, 热负荷为534 kJ / s , 所需循环水量为0.016 m3/ s。如选用光管换热器, 各项参数如下: 计算总传热系数为445.6 W/ m2·℃, 所需传热面积为143 m2 , 壳程压降为14.13 kPa (不考虑折〗流挡板) 。若采用光管, 取管长为6 m , 管径为<16 mm ×115 mm 时, 传热面积为0.301 m2/根, 所需管数476 根, 壳体外径0136 m , 但还不能满足使用要求。

为达到上述使用要求, 采用了DT 形翅片管换热器。T 形翅片管换热器是华南理工大学传热强化与过程节能教育部重点实验室研制的系列翅片管换热器的一种, 其产品已工业化, 且设计关联式已经于长岭炼油厂等厂验证[8 ] 。DT 形翅片管是T 形翅片管的一种改进型式, 主要用于温度较低对流换热。

如采用DT 翅片管, 用已经过工业验证的关联式设计, 得到换热器设计及操作参数如下: 计算总传热系数735.7 W/ m2·℃, 所需传热面积90 m2 ,壳程压降19.47 kPa (不考虑折流挡板) , 取管长为4m , 管径尺寸<16 mm ×1.5 mm 时, 所需管数122根, 壳体外径0.325 m , 能够满足使用要求。

为何DT 翅片管能如此有效的强化传热呢? 这是由DT 形翅片管的特殊结构决定的, 如图1 所示, DT 形翅片管的翅片设计成T 形, 在靠近管壁的翅片薄一些, 而远离管壁的地方翅片厚一些, 这些翅片构成一倒T 形的腔。据实验观察及应用研究分析 , 这样的设计, 一是T 形翅片的表面积能有效增大, 从而有效增大了传热面积, 大概是光管的3.5 倍左右; 二是T 形翅片及T 形腔均能够增强流体湍动程度, 改善流体流动状况, 从而有效增加了传热系数; 三是能产生内循环效应, 由于DT翅片内T 形通道的存在, 相当大量的液体会进出通道, 同时T 形通道又能使进入通道的液体停留足够长的时间, 从而有效地和管内液体换热, 排出通道的液体又能和主流体进行换热, 从而极大地强化了传热的效率[9 ] 。

2.3 应用结果

经反复核算、现场测量分析及工厂试验, 所需高效冷却器若选用光管, 则无法满足要求, 必须采用DT 翅片强化管。选用<16 mm ×115 mm DT 翅片管, 管长4 m , 管数124 根, 管束外径0.3 m ,壳体外径0.325 m , 管程数4 程, 管内冷却水流速1.98 m/ s , 壳程油流速0.67 m/ s。

经工业试验, 本DT 形翅片管换热器完全能满足使用要求, 达到了稳定生产、不改变占地面积和所接管路的目的。

3 ST 翅片管换热器的应用研究

3.1 应用条件

广州石化技改项目中的己烷油重沸器, 其设计条件为: 热负荷为1 265 kJ / s , 塔底产品流率为0.625 kg/ s , 操作压力为0.112 MPa , 操作条件下产品液的沸点为76 ℃; 管内加热介质为水蒸气,其压力为0.25 MPa , 温度127 ℃。

3.2 应用分析研究

此设备是生产中的关键设备, 必须保证设备安全稳定的运行。设备换热量较小, 属小型重沸器,在应用中可参照的例子不多。另外, 此设备传热温差很大, 达51 ℃, 如采用光管, 据实验观察, 当液体在管子表面沸腾时, 容易产生很大的气泡覆盖在管壁表面。这种气泡不易破裂, 直接影响传热效果;而一旦这种气泡破裂时, 将会使液体的沸腾不稳定,运行中很难稳定操作, 且操作不安全。即使系统能稳定运行, 为了达到应用要求, 只能采用较大面积(超过设计面积的两倍) 的重沸器以保证运行, 这样耗能大, 严重影响企业经济效益。

经参阅文献并分析, 重沸器的操作和产品液的沸腾密切相关。液体沸腾时, 有以下几种沸腾方式: 一般自由对流沸腾、核态沸腾、过渡态沸腾(部分膜态沸腾和部分核态沸腾) 、膜态沸腾。一般自由对流沸腾的传热系数很小。当加热器温度升高即传热温差增大时, 进入核态沸腾区, 此区不仅传热系数大, 而且操作比较稳定, 是较为理想的一种传热方式。当温度进一步升高达到最大热流密度点时, 单位面积的换热量降低, 传热系数降低, 降低的原因是由于全部加热器表面几乎都被蒸汽层或蒸汽膜所覆盖, 把加热器表面与液体隔开, 而蒸汽的导热系数要比液体的低得多, 此时能观察到大面积的蒸汽膜突然破裂而脱离表面, 使得液体猛冲向表面, 并急速汽化成为另一个蒸汽膜; 此外, 在一些点上还能观察到瞬时核态沸腾, 这个区域的沸腾,称为过渡态沸腾。当加热器温度继续上升到某一值时, 则能观察到整个加热器的表面上覆盖着一层稳定的蒸汽膜, 称之为稳定膜态沸腾, 这时沸腾又变得稳定, 传热系数又会上升, 这是由于辐射能从加热器表面穿过蒸汽膜而传给液体, 从而显著影响加热器表面的热流密度[10 ] 。

再沸器的操作最好是在核态沸腾区, 这样不仅传热系数大, 而且操作稳定, 易于控制。由于本项目中传热温差过大, 据以前工业应用经验, 如采用普通光管设计管束, 液体的沸腾将处于过渡沸腾区, 传热系数小, 且操作极不稳定, 容易造成事故。一般来讲, 传热温差较大时, 要么采用核态沸腾, 要么采用膜态沸腾。如采用ST 形翅片管, 其T 形结构加上S 形的螺旋线性扭曲, 不仅能破坏过渡沸腾形成的蒸汽膜, 而且由于其翅片构成的T形腔的体积很大, 且T 形腔的出口相对小得多,使腔内气体出腔需要较大的张力, 从而产生一种“滞后”沸腾现象, 这就极大地改进了沸腾传热的机理和方式, 使液体在较高温差下仍能保持核态沸腾, 其沸腾给热系数是光管的2～5 倍[9 ] 。

另外, 据实验及以前的工业应用经验, 采用ST 翅片管能强化传热还有两点重要原因不容忽视:一是在低负荷下, 气泡从生长到脱离管子表面之前会在T 形通道内走过一段较长的距离, 在此距离内气泡冲刷着壁面上其他仍在生长的气泡, 促进加热面上气泡发射频率的增加, 而高负荷时气泡连成汽柱, 柱旁只维持一层薄液膜, 进行着极其高效的液膜蒸发; 二是T 形通道内每汽化一个气泡, 有比它质量大得多的液体进入和离开通道, 这也促进了通道内液体与主体液体间单相流体的对流

传热[11 ] 。

3.3 应用结果

为了降低运行 费用, 同时安全稳定的操作, 决定选用ST 形翅片管换热器。

经反复设计、试验和实际考虑, 确定重沸器的最后尺寸如下: 热负荷为1 265 kJ / s , 传热温差为51 ℃, 计算所需要面积为50 m2 , 实际选用面积为61m2 ,面积富余量23.84 % ,管子规格为<25mm ×2.5 mm , 长6 m , ST 强化沸腾钢管, 管子根数为130 根, 管束直径为0.4 m , 壳体直径为0.9 m ,壳体壁厚为12 mm。

经工业试验, 该ST 翅片管重沸器完全能满足使用要求, 达到了降低运行费用、安全稳定操作的目的。

4 新型AIF 翅片管换热器研制及应用

4.1 研制情况

未来翅片管的发展是朝着换热表面大大强化、翅片与基管连成一体的方向, 而且生产的成本要大幅度降低, 生产也愈趋规模化[12 ] 。

为适应日益提高的应用要求, 我们现在正在制整体铝翅片管(AIF 管) , 见图2 。这种翅片管是应上述发展方向研制的, 属国内首创, 处于国际领先地位。

AIF 管对传统管的改进主要有: 翅片与介质流动的管路为一体结构, 并对流动管路截面形状进行了优化设计, 间隙热阻为零, 且换热系数增加; 质量轻, 强度高, 耐腐蚀性好; 翅片光滑, 不易结垢, 易于清洗维护, 还可进行适当的热处理; 单位容积热容量增加; 翅片厚度小, 高度较高, 间距较小, 管壁厚度小。但其翅化比为3.35 左右, 还有待提高。

4.2 工程应用示例

任何电子元器件工作时都要发热, 而元器件的寿命与温度每升高10 ℃, 化学反应速度则加快1倍(阿伦尼乌斯定律) , 亦即寿命减少一半。温度如果超过元器件或介质基板的承受极限就会发生热击穿或其他永久性的损坏。

电子组装热控制的总要求是使热源至耗热空间(如散热器) 热通路的热阻降至最小, 或者是将组装的热流密度限制在可靠性规定的范围内。为保证可靠性指标的实现, 大量的电子组装均采取了有效的热控制措施。图3 为混合微电路组件应用热管传热的示意图。此种散热模式虽比其他散热模式更为有效, 但其热阻仍然较大, 仅能在小功率电子元器件上使用。随着电子技术的发展, 小型大功率电子元器件不断出现, 对散热器的要求将会越来越高,AIF 翅片管的热阻为零, 应用在图3 的蒸发器及冷凝器上, 经单管及组合实验, 其散热效果明显改善。可以预见, AIF 管在电子元器件散热方面将会得到广泛的应用。

除此之外, AIF 管将会在汽车空调、各式空冷器和各类液压系统的换热器上大有作为。

5 结语

翅片管换热器与普通光管换热器相比具有许多热性能和经济上的优点。在合适的条件下, 翅片管设备相对于光管设备可减少换热器尺寸30 %～75 %。在目前化工企业加强科技进步的增容、高效技术改造过程中, 应用翅片管可以解决管壳式换热器运行中的许多问题, 新型翅片管换热器将会得到越来越广泛的研究和应用。