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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,因此也被稱之為熱交換器。在當前石油、化工等工業(yè)生產(chǎn)中,需要進行熱量的交換,需要不同類型的換熱器,滿足各行各業(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)中對換熱器多樣性的需求,也要求對這些換熱器結(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?shù)氖褂?,確保生產(chǎn)過程的順利進行。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,這兩方面進行闡述。
關(guān)鍵詞:管殼式換熱器;性能;結(jié)構(gòu)設(shè)計
換熱器,在工業(yè)生產(chǎn)過程中使用較為廣泛的一種小型部件。隨著經(jīng)濟的發(fā)展,換熱器也開始朝著精細化的方向發(fā)展,這些是換熱器自身的發(fā)展要求以及市場對其發(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)展還有很長一段路要走,我們還需要投入更多的科研力量,在實踐中不斷完善,讓其更好地為工業(yè)服務(wù)。當然了,管殼式換熱器的發(fā)展,也受到技術(shù)、材料等限制,需要從當前發(fā)展中的短板出發(fā),有針對性的改良,才能夠規(guī)避這些缺點,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20年代開始出現(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越廣,人們也開始探求換熱器的材料,以便解決強腐蝕性介質(zhì)的換熱問題。60年代,經(jīng)濟的發(fā)展以及科技的進步,為換熱器的發(fā)展又帶來一次革命,沖壓、密封等技術(shù)的發(fā)展讓換熱器的工業(yè)得到進一步的發(fā)展,也讓其適用范圍進一步拓展。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由于用途、作用條件等的不同,換熱器也出現(xiàn)了不同機構(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(通過壁面的導熱性,讓流體在壁表面實現(xiàn)換熱),詳細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(通過固體物質(zhì)結(jié)構(gòu),實現(xiàn)熱量從高流溫流體轉(zhuǎn)向低溫流體),詳細又可分為旋轉(zhuǎn)式換熱器和閥門式換熱器。這種換熱器,結(jié)構(gòu)形式簡單、價格便宜。流體連接間接式換熱器(將兩個表面式換熱器連接起來,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。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)簡單清晰、耐壓性比較高,且具有造價低、易清洗等優(yōu)勢。缺點是在管束和殼體的壁溫膨脹系數(shù)相差較大時,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,同時管殼兩側(cè)溫度相差不大的情況。使用場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形管的報廢率比較高。U形管具有結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜等優(yōu)勢,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。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,故稱之為浮頭式換熱器。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優(yōu)化。一般來說,鉤圈都是對開式機構(gòu),密封性要求高。浮頭式換熱器的優(yōu)點在于管結(jié)構(gòu)內(nèi)部清洗比較簡單,也不會產(chǎn)生熱應(yīng)力。但是相比較而言,其結(jié)構(gòu)復雜,材料消耗大、設(shè)備比較笨重;浮頭蓋比較小在操作過程中無法檢查,主要適用于殼體和管束之間的壁溫差比較大的場合。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)形式相對于浮頭式換熱器來說,結(jié)構(gòu)更為簡單、節(jié)省材料、造價低廉易清洗、維修方便。
二、管殼式換熱器的技術(shù)發(fā)展
(一)防腐技術(shù)在換熱器的使用過程中是,受到換熱器使用場合的限制,需要對當前的防腐技術(shù)進一步的而優(yōu)化升級。近些年,在換熱器防腐領(lǐng)域的快速發(fā)展,為我國換熱器的使用范圍進一步拓展發(fā)揮了作用,比方說陽極保護技術(shù)的發(fā)展。我國在換熱器防腐蝕領(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步的重點內(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)的落后將會進一步影響到其作用的發(fā)揮,在一定程度上還會造成生產(chǎn)資源的浪費。
(二)抗振技術(shù)隨著生產(chǎn)規(guī)模的擴大,在整個使用上也呈現(xiàn)出不同的特點,受到流體整個分量的影響,換熱器的規(guī)格也是越來越大,因此出現(xiàn)了一些額外的不利因素。因流體產(chǎn)生的震動所造成的事故也是越來越多,也迫切需要開展不同材質(zhì)的換熱器的研發(fā)需求。當前,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)精細化方向隨著工業(yè)生產(chǎn)的迅速發(fā)展,對換熱器的要求也開始朝著精細化放行發(fā)展,不同層次的企業(yè)對換熱器的需求也是不一樣的。受到市場驅(qū)動影響,換熱器也是開始呈現(xiàn)大型化和微型化的特征。比方說,在航天、醫(yī)療化學等方面,受到儀器精細化的影響,所需要的換熱器也呈現(xiàn)出精細化的要求,以便更好地滿足設(shè)備的需求,提高準確度。精細化的方向,將進一步提升換熱器的使用范圍和使用準確性,更好的發(fā)揮管殼式換熱器在工業(yè)生產(chǎn)中的價值。
(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,必然帶來的是制造技術(shù)的不斷發(fā)展,才能夠滿足市場上的需求。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)展和進步,為換熱器的發(fā)展帶來了生命力。當然了,制造技術(shù)的進步,也讓換熱器的更為精細化以及專業(yè)化。科技的進步為制造技術(shù)的進步奠定了堅實的基礎(chǔ),也對管殼式換熱器提出了更高的要求。總之,制造技術(shù)的發(fā)展,一方面為管殼式換熱器精細化提供了可能,另一方面也讓催促管殼式換熱器技術(shù)不斷優(yōu)化升級,以便滿足工業(yè)生產(chǎn)的精細化要求。(五)防垢技術(shù)在換熱器的使用過程中,隨著使用時長的增加便會出現(xiàn)結(jié)垢的現(xiàn)象,既容易影響當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。隨著科學技術(shù)的發(fā)展。防垢技術(shù)也獲得了新的突破。一是,通過表面涂層的方式達到防止結(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,所開展的技術(shù)研究應(yīng)該深入使用環(huán)境,有針對性地提升,確保當前的使用技術(shù)不斷優(yōu)化升級,為工業(yè)生產(chǎn)帶來價值。
三、總結(jié)
隨著社會分工越來越細致,讓當前的換熱器的需求量也呈現(xiàn)出個性化特征,以便滿足不同場合下的對換熱器的需求。因此,我們也應(yīng)該看到環(huán)境理念的發(fā)展以及科學技術(shù)的進步,越來越多的換熱器的結(jié)構(gòu)和制造工藝開始涌現(xiàn),讓換熱器的朝著高效、節(jié)能等方向發(fā)展,推動工業(yè)經(jīng)濟效益的迅速提升。但是,從當前的換熱器的發(fā)展方向來說,我們?nèi)耘f需要從當前換熱器中存在的問題以及限制性出發(fā),更好地將這些缺點不斷地完善、升級,讓其使用范圍、清洗等方面呈現(xiàn)出優(yōu)勢,更好地為工業(yè)生產(chǎn)所服務(wù)。
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作者:鄒時晨 單位:深圳中廣核工程設(shè)計有限公司