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摘要:換熱器,是將熱流體的熱量傳遞給冷流體的設(shè)備,因此也被稱(chēng)之為熱交換器。在當(dāng)前石油、化工等工業(yè)生產(chǎn)中,需要進(jìn)行熱量的交換,需要不同類(lèi)型的換熱器,滿(mǎn)足各行各業(yè)的需求。熱交換器在工業(yè)生產(chǎn)中占據(jù)重要地位,它既可以是一種單元設(shè)備,也可以是工藝設(shè)備的組成部分,這樣凸顯了工業(yè)生產(chǎn)中對(duì)換熱器多樣性的需求,也要求對(duì)這些換熱器結(jié)構(gòu)、性能,有著清晰的了解,才能夠在生產(chǎn)環(huán)節(jié)恰當(dāng)?shù)氖褂?,確保生產(chǎn)過(guò)程的順利進(jìn)行。本文主要從管殼式換熱器的發(fā)展背景以及管殼式換熱器的技術(shù)發(fā)展,這兩方面進(jìn)行闡述。
關(guān)鍵詞:管殼式換熱器;性能;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
換熱器,在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中使用較為廣泛的一種小型部件。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,換熱器也開(kāi)始朝著精細(xì)化的方向發(fā)展,這些是換熱器自身的發(fā)展要求以及市場(chǎng)對(duì)其發(fā)展要求。管殼式換熱器作為一種應(yīng)用面廣的壓力容器,其發(fā)展還有很長(zhǎng)一段路要走,我們還需要投入更多的科研力量,在實(shí)踐中不斷完善,讓其更好地為工業(yè)服務(wù)。當(dāng)然了,管殼式換熱器的發(fā)展,也受到技術(shù)、材料等限制,需要從當(dāng)前發(fā)展中的短板出發(fā),有針對(duì)性的改良,才能夠規(guī)避這些缺點(diǎn),讓管殼式換熱器在工業(yè)生產(chǎn)中發(fā)光、發(fā)熱。
一、管殼式換熱器的發(fā)展背景
(一)換熱器的發(fā)展在20世紀(jì)20年代開(kāi)始出現(xiàn)換熱器,主要應(yīng)用于食品行業(yè),這種利用板代管制成的換熱器,結(jié)構(gòu)較為緊湊,傳熱效果也比較好。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,換熱器的材質(zhì)發(fā)生了第一次變化。30年代,瑞典出現(xiàn)了螺旋板換熱器,隨后出現(xiàn)了板殼換熱器。換熱器的使用范圍越來(lái)越廣,人們也開(kāi)始探求換熱器的材料,以便解決強(qiáng)腐蝕性介質(zhì)的換熱問(wèn)題。60年代,經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及科技的進(jìn)步,為換熱器的發(fā)展又帶來(lái)一次革命,沖壓、密封等技術(shù)的發(fā)展讓換熱器的工業(yè)得到進(jìn)一步的發(fā)展,也讓其適用范圍進(jìn)一步拓展。充分適應(yīng)高溫、節(jié)能等需求,管殼式換熱器得到進(jìn)一步發(fā)展,隨之在70年代出現(xiàn)了熱管式換熱器,并在此技術(shù)上不斷發(fā)展和完善。
(二)管殼式換熱器的分類(lèi)由于用途、作用條件等的不同,換熱器也出現(xiàn)了不同機(jī)構(gòu)和材質(zhì)的換熱器。按傳熱原理又可劃分為:表面式換熱器(通過(guò)壁面的導(dǎo)熱性,讓流體在壁表面實(shí)現(xiàn)換熱),詳細(xì)又可以分為管殼式換熱器、套管式換熱器以及其他形式的換熱器。蓄熱式換熱器(通過(guò)固體物質(zhì)結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)熱量從高流溫流體轉(zhuǎn)向低溫流體),詳細(xì)又可分為旋轉(zhuǎn)式換熱器和閥門(mén)式換熱器。這種換熱器,結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜。流體連接間接式換熱器(將兩個(gè)表面式換熱器連接起來(lái),熱載體在高溫流體和低溫流體之間循環(huán))。從管殼式換熱器的特點(diǎn)出發(fā),可以分為固定管板式、U形管式、斧式重沸器、浮頭式以及填料函式五大類(lèi)。固定管板式換熱器,管板和殼體連接,這種固定管板式換熱器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單清晰、耐壓性比較高,且具有造價(jià)低、易清洗等優(yōu)勢(shì)。缺點(diǎn)是在管束和殼體的壁溫膨脹系數(shù)相差較大時(shí),將產(chǎn)生比較大的熱應(yīng)力。因此,這種形式的換熱器主要適用于殼側(cè)介質(zhì)易清洗且不容易結(jié)垢,同時(shí)管殼兩側(cè)溫度相差不大的情況。使用場(chǎng)合主要是受到其特性的影響。U形管式換熱器,主要是由管板和U形管組成。受到U形管形狀的限制,其換熱管的分布比較少,管板的利用率相對(duì)較低,殼流體極容易形成短路。另外,在更換設(shè)備中,只有最外部的U型管便于更換,內(nèi)部的換熱管只能堵死,因此U形管的報(bào)廢率比較高。U形管具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜等優(yōu)勢(shì),但是承壓能力比較差。一般適用于管殼壁溫差較大且殼程介質(zhì)易結(jié)垢需要清洗的場(chǎng)合。斧式重沸器,它在結(jié)構(gòu)上于其他換熱器結(jié)構(gòu)上不同,在于結(jié)構(gòu)上多設(shè)置了一個(gè)蒸發(fā)空間。這種換熱器的管束可以分為U形管式、浮頭式以及固定管板式,因此,兼具這些結(jié)構(gòu)換熱器的特點(diǎn)。蒸發(fā)空間的大小受到氣量以及所要蒸發(fā)的物質(zhì)的特性所決定的。這種結(jié)構(gòu)的換熱器具有清洗簡(jiǎn)單,且耐高壓。主要適用于不易清潔、易結(jié)構(gòu)的物質(zhì)。浮頭式換熱器,由于兩端管板只有一端與殼體固定,另一端可以自由移動(dòng),故稱(chēng)之為浮頭式換熱器。管束和殼體的熱變形互相不影響,也不會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力。隨著浮頭式換熱器的不斷發(fā)展,鉤圈的結(jié)構(gòu)形式和材料也在不斷升級(jí)優(yōu)化。一般來(lái)說(shuō),鉤圈都是對(duì)開(kāi)式機(jī)構(gòu),密封性要求高。浮頭式換熱器的優(yōu)點(diǎn)在于管結(jié)構(gòu)內(nèi)部清洗比較簡(jiǎn)單,也不會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力。但是相比較而言,其結(jié)構(gòu)復(fù)雜,材料消耗大、設(shè)備比較笨重;浮頭蓋比較小在操作過(guò)程中無(wú)法檢查,主要適用于殼體和管束之間的壁溫差比較大的場(chǎng)合。填料函式換熱器,其外部結(jié)構(gòu)上與浮頭式換熱器存在部分相似性。由于采用的填料函式結(jié)構(gòu),管束在殼體內(nèi)可以自由伸縮,且并不會(huì)由于殼壁和管壁熱變形而出現(xiàn)熱應(yīng)力。填料函式換熱器結(jié)構(gòu)形式相對(duì)于浮頭式換熱器來(lái)說(shuō),結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)單、節(jié)省材料、造價(jià)低廉易清洗、維修方便。
二、管殼式換熱器的技術(shù)發(fā)展
(一)防腐技術(shù)在換熱器的使用過(guò)程中是,受到換熱器使用場(chǎng)合的限制,需要對(duì)當(dāng)前的防腐技術(shù)進(jìn)一步的而優(yōu)化升級(jí)。近些年,在換熱器防腐領(lǐng)域的快速發(fā)展,為我國(guó)換熱器的使用范圍進(jìn)一步拓展發(fā)揮了作用,比方說(shuō)陽(yáng)極保護(hù)技術(shù)的發(fā)展。我國(guó)在換熱器防腐蝕領(lǐng)域的成果比較顯著,但是在今后的發(fā)展中提升其防腐蝕性仍舊是工藝進(jìn)步的重點(diǎn)內(nèi)容所在,也是需要不斷提升的方面。畢竟,防腐技術(shù)在管殼式換熱器發(fā)揮作用的基礎(chǔ)功能所在,防腐技術(shù)的落后將會(huì)進(jìn)一步影響到其作用的發(fā)揮,在一定程度上還會(huì)造成生產(chǎn)資源的浪費(fèi)。
(二)抗振技術(shù)隨著生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大,在整個(gè)使用上也呈現(xiàn)出不同的特點(diǎn),受到流體整個(gè)分量的影響,換熱器的規(guī)格也是越來(lái)越大,因此出現(xiàn)了一些額外的不利因素。因流體產(chǎn)生的震動(dòng)所造成的事故也是越來(lái)越多,也迫切需要開(kāi)展不同材質(zhì)的換熱器的研發(fā)需求。當(dāng)前,新型結(jié)構(gòu)的管殼式換熱器的抗振技術(shù)不斷優(yōu)化,它們能夠更好的適應(yīng)當(dāng)前的工業(yè)生產(chǎn)的需求,最大程度增加換熱器的使用壽命,降低破壞事故發(fā)生的頻次。
(三)精細(xì)化方向隨著工業(yè)生產(chǎn)的迅速發(fā)展,對(duì)換熱器的要求也開(kāi)始朝著精細(xì)化放行發(fā)展,不同層次的企業(yè)對(duì)換熱器的需求也是不一樣的。受到市場(chǎng)驅(qū)動(dòng)影響,換熱器也是開(kāi)始呈現(xiàn)大型化和微型化的特征。比方說(shuō),在航天、醫(yī)療化學(xué)等方面,受到儀器精細(xì)化的影響,所需要的換熱器也呈現(xiàn)出精細(xì)化的要求,以便更好地滿(mǎn)足設(shè)備的需求,提高準(zhǔn)確度。精細(xì)化的方向,將進(jìn)一步提升換熱器的使用范圍和使用準(zhǔn)確性,更好的發(fā)揮管殼式換熱器在工業(yè)生產(chǎn)中的價(jià)值。
(四)制造技術(shù)的發(fā)展隨著換熱器的大型化和微型化的發(fā)展,必然帶來(lái)的是制造技術(shù)的不斷發(fā)展,才能夠滿(mǎn)足市場(chǎng)上的需求。許多新材料的研發(fā)以及焊接技術(shù)的發(fā)展,都為換熱器的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。許多新材料隨著焊接技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步,為換熱器的發(fā)展帶來(lái)了生命力。當(dāng)然了,制造技術(shù)的進(jìn)步,也讓換熱器的更為精細(xì)化以及專(zhuān)業(yè)化??萍嫉倪M(jìn)步為制造技術(shù)的進(jìn)步奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ),也對(duì)管殼式換熱器提出了更高的要求??傊?,制造技術(shù)的發(fā)展,一方面為管殼式換熱器精細(xì)化提供了可能,另一方面也讓催促管殼式換熱器技術(shù)不斷優(yōu)化升級(jí),以便滿(mǎn)足工業(yè)生產(chǎn)的精細(xì)化要求。(五)防垢技術(shù)在換熱器的使用過(guò)程中,隨著使用時(shí)長(zhǎng)的增加便會(huì)出現(xiàn)結(jié)垢的現(xiàn)象,既容易影響當(dāng)前換熱器的效果和功率,造成傳熱效率降低和輸入功率的增加。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展。防垢技術(shù)也獲得了新的突破。一是,通過(guò)表面涂層的方式達(dá)到防止結(jié)垢的效果;二是,除垢充分利用聲波技術(shù),降低除垢的難度和壓力;三是使用除垢劑,增加除垢的效果。這些方式在工業(yè)生產(chǎn)中都得到了相應(yīng)的應(yīng)用,增加了換熱器的使用壽命和發(fā)揮了其效果。管殼式換熱器在不同領(lǐng)域使用,所需要的防垢技術(shù)也是不一樣的,因此,所開(kāi)展的技術(shù)研究應(yīng)該深入使用環(huán)境,有針對(duì)性地提升,確保當(dāng)前的使用技術(shù)不斷優(yōu)化升級(jí),為工業(yè)生產(chǎn)帶來(lái)價(jià)值。
三、總結(jié)
隨著社會(huì)分工越來(lái)越細(xì)致,讓當(dāng)前的換熱器的需求量也呈現(xiàn)出個(gè)性化特征,以便滿(mǎn)足不同場(chǎng)合下的對(duì)換熱器的需求。因此,我們也應(yīng)該看到環(huán)境理念的發(fā)展以及科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步,越來(lái)越多的換熱器的結(jié)構(gòu)和制造工藝開(kāi)始涌現(xiàn),讓換熱器的朝著高效、節(jié)能等方向發(fā)展,推動(dòng)工業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的迅速提升。但是,從當(dāng)前的換熱器的發(fā)展方向來(lái)說(shuō),我們?nèi)耘f需要從當(dāng)前換熱器中存在的問(wèn)題以及限制性出發(fā),更好地將這些缺點(diǎn)不斷地完善、升級(jí),讓其使用范圍、清洗等方面呈現(xiàn)出優(yōu)勢(shì),更好地為工業(yè)生產(chǎn)所服務(wù)。
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作者:鄒時(shí)晨 單位:深圳中廣核工程設(shè)計(jì)有限公司