我國拆裝式板式換熱器的應用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

拆卸式換熱器是一種高效、能耗的換熱裝置。它具有傳熱效率高、質量輕、占地面積小、維護方便等優(yōu)點。主要用于石油、化工、飲料、醫(yī)藥、城市集中供熱、輕工、紡織、造紙、油脂、船舶、冶金、動力(包括核電站)以及近海工程等領域。自2000年以來,我國可拆卸板式換熱器的設計和制造水平有很大提高,品種規(guī)格也不斷完善,應用范圍不斷拓寬。但與國外的應用情況及發(fā)展趨勢比較,我國產(chǎn)品還有較大的差距。1當前1.1板式換熱器roi自進入21世紀以來,常規(guī)對稱形、非對稱形、高NTU型(淺密波紋型)、免粘型、寬流道型、板式蒸發(fā)器、板式冷凝器等國外已有的可拆卸板式換熱器均已實現(xiàn)國產(chǎn)化,且已成功應用于不同的領域,其品種、規(guī)格見表1。目前,國內(nèi)80%的企業(yè)仍以生產(chǎn)技術含量不高的常規(guī)普通型產(chǎn)品為主,與國際先進水平相比,我國產(chǎn)品在特殊品種方面還較缺乏,如性能先進的新型板式蒸發(fā)器、超大處理量的板式冷凝器以及特殊用途的激光半焊接產(chǎn)品等。國內(nèi)只有個別企業(yè)開發(fā)了DN400、DN450或DN500的大角孔、大處理量的板式換熱器,但尚未形成系列,產(chǎn)量有限,且產(chǎn)品的性能水平、可靠性仍有待提高,尤其是受平板硫化機的限制,無法生產(chǎn)單張板片面積大于3.0m2的墊片。而國外單張板片的最大換熱面積已達到3.8m2,板片最小厚度為0.4mm,單臺換熱器最大換熱面積可達3000m2(國內(nèi)為1500m2),單臺換熱器組裝板片數(shù)可達1000張(國內(nèi)為600張)。板式冷凝器角孔最大公稱直徑為1400mm,蒸汽處理量可達40×104m3/h;板式蒸發(fā)器角孔最大公稱直徑為700mm,介質蒸發(fā)量已達100t/h。1.2彈性板片條紋受密封墊片性能的影響,目前國內(nèi)可拆卸板式換熱器的最高設計溫度為180℃,最大設計壓力為2.5MPa。板片波紋形式仍以人字形為主,各企業(yè)的板型均配備軟硬板,可實現(xiàn)熱混合設計,其NTU最大為5(國外最高可達7),可實現(xiàn)的末端最小溫差為1℃(國外為0.5℃)。介質為水-水逆流運行、定性溫度40℃、板間流速0.5m/s下的傳熱系數(shù)可達5000～6500W/(m2·K),接近國際先進水平。1.3氣體用量占比較由于板片為模具冷壓成型,因而能夠進行冷拉(壓)成型的材料方能用于板式換熱器板片,目前國內(nèi)板式換熱器板片所用材質主要為常規(guī)300系列奧氏體不銹鋼且以304、316L為主,其用量占全年總量的80%以上。對于國外已大量使用的904L、254SMO、654SMO等超級奧氏體不銹鋼,國內(nèi)應用較少,且僅限于254SMO或同等級別的185N、AL-6XN,諸如鈦-鈀合金、鎳及其合金等特殊昂貴材料用量非常少,對于國外已成功使用的鉭金屬,國內(nèi)至今仍未使用。我國可拆卸板式換熱器板片所用材料見表2。1.4物理性能指標密封墊片是可拆卸板式換熱器各主要零件中最薄弱的環(huán)節(jié),其質量的好壞對耐壓和耐溫能力、可靠性和適用范圍等均有明顯影響。國內(nèi)密封墊片制造企業(yè)經(jīng)過近幾年的技術革新及內(nèi)部質量控制,生產(chǎn)的墊片外觀質量和幾何尺寸的精度已達到國際先進水平,但仍有不小差距,主要表現(xiàn)在:①物理性能指標較低。如耐溫、耐老化、高溫壓縮永久變形、抗撕裂等性能有待進一步提高。②質量波動較大,隨批次而變。③品種少。例如,應用于水、汽等一般介質的密封墊片的配方、硫化工藝較成熟,但缺少耐溫性能好的丁腈橡膠(NBR)、三元乙丙橡膠(EPDM)和(膨脹)石墨墊片。沒有耐腐蝕、抗蠕變性能好的包覆聚四氟乙烯(PTFE)密封墊片。從事密封墊片幾何結構設計的人員對板式換熱器的板形結構不了解,對密封墊片的幾何形狀和壓縮量不能進行合理的控制,因而會影響墊片的使用和壽命(形狀過大宜造成板片變形,過小則會縮短密封壽命)。此外,設計人員也不能根據(jù)不同的墊片槽形狀設計相應結構的墊片,也不注意及時跟蹤板式換熱器最新板型的進展,造成板片結構已改變,但墊片的結構沒有變化。1.5性能有待提高板式換熱器的制造質量主要體現(xiàn)在換熱板片的成型精度,其成型精度的高低會嚴重影響整臺產(chǎn)品的承壓、傳熱與流阻特性等綜合性能,盡管文獻已規(guī)定了換熱板片的成型偏差在其單板公稱換熱面積不大于0.3m2、0.3～1.0m2、大于1.0m2時分別為±0.10mm、±0.15mm、±0.20mm,此規(guī)定遠比國外各公司±0.10mm的要求低,但國內(nèi)部分企業(yè)仍達不到此要求,嚴重者超差±0.50mm。同時還存在板片壓痕明顯、外觀質量較差及波紋變形等問題。由于換熱板片的精度欠佳及其與墊片的不合理匹配致使產(chǎn)品整機承壓能力下降或整機換熱面積無法提高,同時也影響了運行時的傳熱與流阻特性,增加了產(chǎn)品應用的局限性及不良影響。國內(nèi)企業(yè)目前已普遍意識到對產(chǎn)品外觀質量的提高與改善,但對內(nèi)在質量的控制重視不夠。主要存問題如下。(1)液壓控制元件質量差板片成型的關鍵設備板片專用油壓機的精度與可靠性均不高,如結構不合理、整體鋼性弱,壓制板片加壓時,油壓機上、下工作臺首先變形,因而造成板片成型深度不均勻。由于油壓機液壓控制元件質量差,漏油現(xiàn)象嚴重,致使設備無法長時間運行在額定工作壓力下。另外,國內(nèi)板片主要使用20000t以下的油壓機壓制,而用于大板型或超大板型成型的30000t、40000t油壓機的精度、可靠性更低,造成大規(guī)格板型的發(fā)展受到限制。(2)模的間隙控制不合理造成板片成型精度低的另一個原因是板片壓制模具結構不合理或精度達不到要求,這是由于我國產(chǎn)品的設計與模具的制造脫鉤,產(chǎn)品設計者對模具的設計和制造要求不高,對上、下模的間隙控制不合理,對板片的壓型回彈考慮不全面,造成所加工的模具不能準確反映設計意圖,偏離設計要求。表現(xiàn)在波紋的幾何形狀改變,嚴重者梯形波紋形狀已呈鋸齒形,板片減薄量過大,壓制如鈦、鎳等特殊板材的合格率較低。國內(nèi)普遍缺乏高水平的模具設計及加工人員,且加工手段落后,部分企業(yè)仍采用數(shù)控銑床加工模具,只有個別加工企業(yè)完全采用數(shù)控加工中心,而國外著名大公司均采用高轉速(20000r/min)、高性能的專用加工中心及高質量的刀具來完成模具的加工,保證了模具的加工精度及使用壽命。1.6行業(yè)發(fā)展的拓展我國可拆卸板式換熱器主要應用于城市集中供熱、石油、化工、輕工、冶金和電力等行業(yè)中溫度、壓力、介質不是非?？量痰墓r,其中每年用于城市集中供熱的可拆卸板式換熱器臺數(shù)約占產(chǎn)品總數(shù)的70%。盡管近幾年新的板型不斷問世,應用領域隨之拓展,如高NTU值板片的問世,使我國產(chǎn)品進入了傳熱溫差1℃的制冷空調(diào)領域;寬間隙板片的問世,使我國產(chǎn)品進入了酒精、制糖等粘性、顆粒性介質行業(yè)。但在核電、冶金、電力、船舶等大型產(chǎn)品及特殊板材需求量較大的領域仍然應用較少,主要原因是高技術含量產(chǎn)品的品種規(guī)格不全、質量性能水平低、可靠性不高以及工藝選型計算不準確等。2問題2.1技術選擇水平低(1)產(chǎn)品的選型不合理不能根據(jù)工況條件正確選擇板型、板片材料以及密封墊片材料。由于計算選型的經(jīng)驗較少,因而造成產(chǎn)品的選型計算不合理,安全裕量往往過大或過小,使產(chǎn)品不能運行在最佳狀態(tài),造成使用效果不理想,導致有些領域用戶對產(chǎn)品的質量產(chǎn)生懷疑,應用范圍受到限制。(2)缺乏先進的設計計算方法國內(nèi)近一半的企業(yè)已使用軟件進行選型,但絕大多數(shù)僅限于水-水工況,對于一些存在相變或特殊介質的工況只能憑經(jīng)驗估算,缺乏先進的設計計算方法、軟件及配套的數(shù)據(jù)庫。2.2對產(chǎn)品結構性能和模型的測定不到位板式換熱器綜合性能的好壞以及設計、制造的產(chǎn)品能否適合用戶工況的要求,其基本依據(jù)就是試驗測定的準數(shù)方程式。文獻規(guī)定,每種型式的產(chǎn)品應進行熱工性能和流體阻力特性測定。但國內(nèi)企業(yè)普遍不重視試驗研究工作,部分企業(yè)迫于項目招投標的要求,對產(chǎn)品進行熱工測試,但并未對試驗數(shù)據(jù)及準則方程式進行分析或有效利用。國外知名企業(yè)如ALFALAVAL、APV、GEA等公司,均設有專門的產(chǎn)品研發(fā)中心,每年投入銷售額2%～3%的費用于對現(xiàn)有產(chǎn)品的完善以及對新產(chǎn)品的試驗研究。2.3低創(chuàng)新能力(1)沒有掌握的核心技術①部分企業(yè)不設技術部門或無技術人員。②板型設計水平低,沒有掌握板型設計的核心技術,多為模仿或抄襲。③大部分企業(yè)產(chǎn)品的開發(fā)僅局限于框架設計,能夠從事產(chǎn)品開發(fā)及模具設計的技術人員太少,高水平的研發(fā)人才更為稀缺。(2)行業(yè)規(guī)模小由于可拆卸板式換熱器生產(chǎn)設備簡單、投資小,因此生產(chǎn)企業(yè)很多且企業(yè)規(guī)模過小,企業(yè)間多為低水平、低價格的惡性競爭,從而造成了整個行業(yè)科研投入嚴重不足,不僅影響新產(chǎn)品的開發(fā),而且導致技術人員不能穩(wěn)定地從事板式換熱器的設計開發(fā)工作,這也是高水平研發(fā)人才稀缺的根本原因。3發(fā)展趨勢3.1板式換熱器①大規(guī)格。隨著工程項目大型化、裝置大型化的發(fā)展要求,大面積換熱器的使用需求增加,尤其是核電、冶金、電力、船舶、大型集中供熱等領域對大角孔、大處理量、大裝機容量的板式換熱器需求量逐年在增加,因此角孔大于DN350mm、單片換熱面積大于2.0m2的產(chǎn)品將不斷面世。②多品種。在徹底淘汰、更新原有常規(guī)板形后,技術含量較高的板式蒸發(fā)器、板式冷凝器、寬間隙板式換熱器、超高NTU值板式換熱器及半焊接板式換熱器將成為各企業(yè)關注的重點。③系列化。單一品種、單一規(guī)格已遠不能滿足多樣化的市場需求,實現(xiàn)同一品種多種規(guī)格、多個NTU值、板片多種組合形式、多種板材應用等,提高產(chǎn)品的適用性,更合理的滿足用戶需求,將成為今后幾年的發(fā)展趨勢。3.2高性能、高可靠性和低成本(1)高性能同等條件下產(chǎn)品能夠承受高的壓力水平、大的裝機容量,同時具有優(yōu)良的傳熱與較低的流阻。(2)高可靠性產(chǎn)品在壓力波動、溫度波動、大面積、長周期運行時應具有高可靠性。(3)減少試驗項目的成本,提高產(chǎn)品的競爭力通過提高板片的剛性、降低板片的厚度、提高材料利用率、簡化加工工序以及壓緊板、夾緊螺柱等受壓元件科學合理的設計計算來降低成本,提高產(chǎn)品競爭力。3.3加強行業(yè)技術合作與交流,將信息分散利用,有利于生產(chǎn)規(guī)?；l(fā)展企業(yè)分工細化將成為一種趨勢,大而全、小而全的換熱器生產(chǎn)企業(yè)將分離成專業(yè)的墊片生產(chǎn)、框架生產(chǎn)、專用緊固件生產(chǎn)、粘接劑生產(chǎn)企業(yè)。這樣可以將分散、有限的資金和科研經(jīng)費充分利用,有