【正文】 目 錄 一 、新型高效換熱器發(fā)展現(xiàn)狀及研究方向 .............................. 1 1． 新型高效換熱器 .............................................. 2 橫墳管折流桿換熱器 ..................................... 2 縮放管整圓抽孔折流柵板換熱器 ........................... 3 螺旋扁管換熱器 ......................................... 3 空心環(huán)管殼式換熱器 ..................................... 4 2．其他類型新型換熱器 ........................................... 4 3．近期國(guó)內(nèi)外開發(fā)研究的發(fā)展方向 ................................. 5 二、在環(huán)境保護(hù)系統(tǒng)中的換熱器應(yīng)用 ................................... 7 1. 背景 ......................................................... 7 .................................................. 8 ...................................................... 9 ..................................... 10 生物過濾 ............................................... 11 高溫氧化 ............................................... 12 參考文獻(xiàn) .......................................................... 13 三、附件：英文原文 ................................................ 17 1 一 、 新型高效換熱器發(fā)展現(xiàn)狀及研究方向 張培玉 太原理工大學(xué) 過程裝備與控制工程系 摘 要 綜述了國(guó)內(nèi)外近年來傳熱元件與新型高效換熱器的研究概況 , 介紹了傳熱元件和新型殼程結(jié)構(gòu)的匹配與高效換熱器的開發(fā)進(jìn)展。闡述了最近換熱器技術(shù)：計(jì)算流體力學(xué)（ CFD)和傳熱促進(jìn)技術(shù)等的發(fā)展?fàn)顩r , 指出了今后換熱器發(fā)展的方向。 關(guān)鍵詞 ：新型換熱器，高效換熱器，強(qiáng)化傳熱，換熱器發(fā)展 在工業(yè)生產(chǎn)中，凡用來實(shí)現(xiàn)冷熱流體熱量交換的設(shè)備，統(tǒng)稱為換熱器。它在化工、煉油、原子能、建筑、機(jī)械、交通等許多技術(shù)領(lǐng)域中均有廣泛的應(yīng)用。如化工生產(chǎn)中的加熱器、冷卻器、蒸發(fā)器、冷凝器、再沸器等；又如熱力發(fā)電廠中的空氣預(yù)熱器、蒸汽過熱器、凝汽器和冷水塔等，為了滿足不同生產(chǎn)條件的需要，各工業(yè)部門采用多種多樣的換熱器。由傳熱學(xué)理論可知道，熱交換是一種復(fù)雜的過程，它是由系統(tǒng)內(nèi)兩部分的溫度差異而引起的，熱量總是自動(dòng)地從溫度較高的部分傳給溫度較低的部分。傳熱的基本方式有熱傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射 3種，因此在換熱器中，熱量總是從熱流體傳給冷流體，起加熱作用的熱流體又稱加熱介質(zhì)，如水蒸汽、煙道氣、導(dǎo)熱油或其他高溫流體等；起冷卻作用的冷流體又稱冷卻介質(zhì)，如空氣、冷凍水、冷凍鹽水等。在熱交換過程中，熱冷流體的溫度是因整個(gè)流程而不斷變化的，即熱流體的溫度由于放熱而下降，冷流體的溫度由于吸熱而上升。適應(yīng)于各種換熱條件，換熱器有多種形式。每種結(jié)構(gòu)形式都有其特點(diǎn)和適用范圍，只有熟悉和掌握這些特點(diǎn)，并根據(jù)生產(chǎn)工藝具體情況，才能進(jìn)行合理選型和正確的設(shè)計(jì)。 2 隨著新工藝、新技術(shù)、新材料的不斷發(fā)展和日益嚴(yán)重的能源問題 , 開發(fā)新型、高效換熱器成為工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的 當(dāng)務(wù)之急。這是因?yàn)閾Q熱器在國(guó)民經(jīng)濟(jì)和工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量、能量利用率以及系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和可靠性起著舉足輕重的作用，目前在發(fā)達(dá)的工業(yè)國(guó)家熱回收率已達(dá) 96% ,換熱設(shè)備在煉油廠中約占全部工藝設(shè)備投資的35%40%, 其中 30%為各類高效緊湊式換熱器、新型熱管等設(shè)備。隨著工業(yè)裝置的大型化和高效率化 , 換熱器也趨于大型化 , 并向低溫差設(shè)計(jì)和低壓力損失設(shè)計(jì)的方向發(fā)展。當(dāng)今換熱器的發(fā)展以計(jì)算流體力學(xué) CFD(Computational Fluid Dynamics)模型化技術(shù)、傳熱促進(jìn)技術(shù)的發(fā)展及新型換熱器開發(fā)等形 成了一個(gè)高技術(shù)系統(tǒng)。 1． 新型高效換熱器 橫墳管折流桿換熱器 這是融合了折流桿換熱器技術(shù)與橫紋管強(qiáng)化技術(shù)的一種高效換熱器。折流桿換熱器是美國(guó)菲利普公司上世紀(jì) 70年代為解決天然氣換熱器的流體誘導(dǎo)振動(dòng)問題開發(fā)的一種桿式折流柵換熱器。其特點(diǎn)是抗振力強(qiáng) , 消除了殼程滯流區(qū) ,改善了殼程流體的速度和溫度的分布。桂林化工機(jī)械廠曾與華南理工大學(xué)錢頌文教授合作并成功地將強(qiáng)化傳熱元件螺旋描管用于折流桿換熱器 , 節(jié)省換熱面積接近 60%, 效果十分顯著。目前 , 螺旋植桿折流桿換熱器在桂林化工廠已系統(tǒng)化生產(chǎn)。近年 來 , 桂林化工機(jī)械廠、華南理工大學(xué)化學(xué)工程研究所和國(guó)家教委傳熱與節(jié)能開發(fā)研究實(shí)驗(yàn)室合作 ,將在相同管內(nèi)流速下傳熱效率優(yōu)于螺旋直管的橫紋管用于折流桿換熱器 1995年 5月設(shè)計(jì)制造的DN 1400橫紋管折流桿換熱器在云南某中型化肥廠變換系統(tǒng)投人工業(yè)運(yùn)行 , 取代了原使用 DN 2400列管式折流板主熱交換器 ,以 500m2的換熱面積取代了原設(shè)備 1627m2的換熱面積 ,設(shè)備重量由原來的 ，減小到 ，設(shè)備投資節(jié)省 1/3。強(qiáng)化傳熱元件的應(yīng)用與高效換熱設(shè)備的開發(fā)，極大地提高了企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。橫紋管折 流桿換熱器的開發(fā)應(yīng)用結(jié)果證明 , 強(qiáng)化傳熱元件與折流桿的有機(jī)組合，在提高管程換熱速率的同時(shí)也提高了殼程的換熱速率。工業(yè)運(yùn)行證明橫紋管具有傳熱效率高、流體阻力小、抗振性能好的特點(diǎn)。 3 縮放管整圓抽孔折流柵板換熱器 我國(guó)現(xiàn)有的中型氮肥廠氫氮?dú)鈮嚎s機(jī)冷卻器 ,長(zhǎng)期以來傳熱效率低 ,冷卻器的流路不暢 ,流體橫向沖刷所引起換熱管的振動(dòng)一直是未解決的技術(shù)難題 ,直接影響中氮壓縮機(jī)的工作效率?？s放管整圓槽孔折流柵板換熱器是近兩年來廠校合作開發(fā)的另一種新型換熱器 , 是又一種強(qiáng)化傳熱元件與新型殼程折流結(jié)構(gòu)的優(yōu)化組合。通 常認(rèn)為強(qiáng)化對(duì)流給熱的方法是反復(fù)改變縱向壓力梯度作用下流體的流動(dòng) ,這種流動(dòng)方式由依次交替的擴(kuò)展段和收縮段來實(shí)現(xiàn)。大量研究證明 ,波型通道在相同流動(dòng)阻力下 ,較平行流道具有更高的傳熱性能?？s放管其擴(kuò)展段得到有效的利用 ,收縮段還利用了流體粘附層速度提高的效果；整圓榴孔折流柵板即折流柵板為一個(gè)整圓不開弓形口而洗通每排管的管橋 ,格孔參數(shù)可根據(jù)所需流速的大小來確定。新開發(fā)的高效換熱器取代了我國(guó)中型氮肥廠國(guó)產(chǎn)氫氮?dú)鈮嚎s機(jī)一、二、三段原有的回環(huán)形折流板冷卻器?？s放管整圓槽孔折流柵板換熱器工業(yè)應(yīng)用操作運(yùn)行的結(jié)果表明具有明顯的強(qiáng)化 傳熱效果。 螺旋扁管換熱器 螺旋扁管（ Twistcd Tabe)是瑞典 Allares公司近年推出的一種高效換熱元件 ,螺旋扁管的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是管子換熱段的任一截面均為一長(zhǎng)圓 ,當(dāng)組裝成換熱器時(shí)可以混合管束 (即螺旋扁管與光滑管混合使用 ) , 也可以是純螺旋扁管。螺旋扁管的制造過程由“壓偏”、“熱扭”兩個(gè)成形過程完成 ,管子截面類似于橢圓管 ,橢圓的長(zhǎng)短軸比值根據(jù)換熱管程和殼程的流速設(shè)計(jì)確定 ,當(dāng)管程流量較低時(shí)，可增大長(zhǎng)、短軸之比值 ,減少流通截面以提高流速 ,使換熱器兩側(cè)處于較理想的流動(dòng)狀態(tài)。從管型、管末的結(jié)構(gòu)分析 ,可以認(rèn)為螺旋扁管的強(qiáng)化傳熱主要在于螺旋扁管的獨(dú)特的結(jié)構(gòu)能使管程和殼程同時(shí)處于螺旋運(yùn)行 , 促使湍流程度。螺旋扁管組裝的換熱器較常規(guī)的換熱器的總傳熱系數(shù)高 40%,而壓力降幾乎相等 ,這與以增大泵功率的消耗來提高傳熱效率具有截然不同的效果。螺旋扁管換 熱器可以用于氣 —— 氣 , 液 —— 液 , 液 —— 氣換熱過程。在化工、石油化工工業(yè)中具有廣闊的應(yīng)用前景。 4 空心環(huán)管殼式換熱器 空心環(huán)管殼式換熱器 ,是華南理工大學(xué)化學(xué)工程研究所和國(guó)家教委傳熱與節(jié)能開發(fā)研究實(shí)驗(yàn)室鄧先和等人發(fā)明的一種新型管殼式換熱器，已獲得國(guó)家發(fā)明專利?？招墓軞な綋Q熱器的開發(fā)主要解決了國(guó)內(nèi)硫酸、石油化工等行業(yè)氣一氣換熱過程中，管殼式換熱器傳熱性能差、鋼材耗童大、流體阻力高、系統(tǒng)操作電耗大的技術(shù)難題。采用整體結(jié)構(gòu)優(yōu)化的空心能使環(huán)管殼式換熱器取代折流隔板式換熱器 , 換熱氣鋼材減少35%50%,氣體壓降減少 30%40%。 空心管殼式換熱器以強(qiáng)化管型作為換熱管 , 能夠同時(shí)強(qiáng)化管內(nèi)與管間支撐物 , 空隙率大 ,對(duì)流體形成阻力小 ,其殼程管隙間流體絕大部分壓降可作用在強(qiáng)化管的粗糙傳熱面上 ,用以促進(jìn)壁流體傳熱滯流層的湍流強(qiáng)度 ,降低傳熱傳阻、達(dá)到強(qiáng)化傳熱的目的。實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果還表明 ,當(dāng)支承同樣的強(qiáng)化管束（即橫紋管束）時(shí) ,空心環(huán)支承結(jié)構(gòu)較美國(guó)菲利浦石油公司上世紀(jì) 70年代開發(fā)的折流桿支承結(jié)構(gòu)更能使粗糙管束獲得好的強(qiáng)化傳熱效果 ,在同等殼程條件下 ,給熱系數(shù)高約 35%。 綜上所述 ,強(qiáng)化傳熱元件的開發(fā)研究必然會(huì) 帶來多種殼程折流結(jié)構(gòu)的進(jìn)步 ,強(qiáng)化傳熱元件管內(nèi)流動(dòng)狀態(tài)的改變 ,管間折流形式要研究相應(yīng)的結(jié)構(gòu)與之相適應(yīng) , 樣才能達(dá)到管內(nèi)與管間整體強(qiáng)化傳熱效果。工業(yè)應(yīng)用結(jié)果表明了多種強(qiáng)化傳熱元件的研究成果是一個(gè)基礎(chǔ) ,新型殼程折流結(jié)構(gòu)（如折流桿、整圓槽孔折流柵板、空心環(huán)折流網(wǎng)板等）的開發(fā)使管殼式換熱器的折流結(jié)構(gòu)不斷變化。目前 ,可以根據(jù)不同的操作條件 ,不同的使用工況 ,組合成各種新型高效的換熱器。 2． 其他類型新型換熱器 除了以上介紹的一些新型高效換熱器外 ,還有以下幾種 : Hamon Lummus 公司的SRCTM空冷式冷凝器、 NT IW列管式換熱器、英國(guó) Cal Gavin 公司的絲狀花內(nèi)插物換熱器 ( Hitran) 、日本的 Hybrid 混合式換熱器 , 俄羅斯的變形翅片管換熱器、噴涂翅片管冷卻器、非釬焊金屬絲纏繞翅片管換熱器和螺旋繞管式換熱器、美國(guó) Chemineer 公司的 Kenics 換熱器、日本的 SM型換熱器 ( 內(nèi)插靜態(tài)混合器 )、美國(guó)的 Brown ( Ex chang er With Turbulator )、5 美國(guó) Yuba 公司的 Hemilok 換熱器、澳大利亞 Roach Heat Exchangers 公司的柔性換熱器 ( Flexible Heat Ex chang er) 等。此外 ,還有日本日阪制作所生產(chǎn)的世界單臺(tái)最大處理能力為 5 000m3/ h 的 UX 100 型板式換熱器、法國(guó) Nordon Cryogenie . 公司生產(chǎn)的 6 900mm 1525mm 1300mm( 長(zhǎng)寬高 ) 換熱面為 1 500m2/m3 的板翅式換熱器、英國(guó) Michael Webb ProcessEquipment Supply 公司的提箱 式全焊板式換熱器和其他各種緊湊式換熱器 ( 包括半焊式和全焊式板式換熱器 )、美國(guó)傳熱公司的FIVER ROD 式防振結(jié)構(gòu)換熱器、法國(guó) Le Carbone 公司推出的新奇換熱器 ( Exot ic Heat Exchanger)。 3． 近期國(guó)內(nèi)外開發(fā)研究的發(fā)展方向 1) 非金屬材料應(yīng)用。非金屬材料在一定的范圍內(nèi)具有金屬材料不可比擬的優(yōu)點(diǎn)。石墨材料具有優(yōu)良的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能 , 較高的化學(xué)穩(wěn)定性和良好的機(jī)加工性 ,氟塑料具有特別優(yōu)良的耐腐蝕性。氟塑料耐腐蝕性能極強(qiáng) ,并且與金屬材料相比還具有成本上的優(yōu)勢(shì)。復(fù)合材料 如搪瓷玻璃具有優(yōu)良的耐腐蝕性能、良好的耐磨性、電絕緣性以及表面光滑不易粘附物料等優(yōu)點(diǎn) ,已經(jīng)用于制作換熱產(chǎn)品。陶瓷材料因其優(yōu)異的耐腐蝕性、耐高溫性能而引起工業(yè)界的高度重視 ,已經(jīng)在換熱產(chǎn)品的制造中得到應(yīng)用。 2) 計(jì)算流體力學(xué)和模型化設(shè)計(jì)的應(yīng)用。在換熱器的熱流分析中 , 引入計(jì)算機(jī)技術(shù) ,對(duì)換熱器中介質(zhì)的復(fù)雜流動(dòng)過程進(jìn)行定量的模擬仿真。目前基于計(jì)算機(jī)技術(shù)的熱流分析已經(jīng)用于自然對(duì)流、剝離流、振動(dòng)流和湍流熱傳導(dǎo)等的直接模擬仿真 ,以及對(duì)輻射傳熱、多相流和稠液流的機(jī)理仿真模擬等方面。在此基礎(chǔ)上 ,在換熱器的模型設(shè)計(jì)和 設(shè)計(jì)開發(fā)中 ,利用 CFD的分析結(jié)果和相對(duì)應(yīng)的模型實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) ,使用計(jì)算機(jī)對(duì)換熱器進(jìn)行更為精確和細(xì)致的設(shè)計(jì)。 3) 加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)和理論研究。采用先進(jìn)的測(cè)量?jī)x器來精確測(cè)量換熱器的流場(chǎng)分布和溫度場(chǎng)分布 ,并結(jié)合分析計(jì)算 ,進(jìn)一步摸清不同結(jié)構(gòu)的強(qiáng)化傳熱機(jī)理。采用數(shù)值模擬方法對(duì)換熱器內(nèi)流體流動(dòng)和傳熱過程進(jìn)行研究 ,預(yù)測(cè)各種結(jié)構(gòu)對(duì)流場(chǎng)及傳熱過程的影響。 4) 有源技術(shù)研究。如利用振動(dòng)、電場(chǎng)方法強(qiáng)化傳熱的機(jī)理研究、試驗(yàn)研究 ,給出對(duì)比試驗(yàn)數(shù)據(jù) ,提出理論計(jì)算模型。 6 5) 強(qiáng)化結(jié)構(gòu)組合研究。為達(dá)到管殼程同時(shí)強(qiáng)化的目的 ,強(qiáng)化結(jié)構(gòu)組合研究將成為近期傳熱強(qiáng)化技術(shù)研究的發(fā)展方向。 目前世界各國(guó)在換熱器理論研究、新技術(shù)和新產(chǎn)品開發(fā)方面已經(jīng)進(jìn)人高層次的探索階段 ,涉及領(lǐng)域很廣。換熱器的新技術(shù)得到了實(shí)用化 ,并進(jìn)一步擴(kuò)大其適用范圍 ,具有高效、低耗、性能優(yōu)越的新型換熱器將推廣應(yīng)用 ,我國(guó)應(yīng)借鑒國(guó)外先進(jìn)換熱器技術(shù) ,努力趕上國(guó)際先進(jìn)水平。