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    我国低温相变传热技术的开发研究取得重大成果

    日期 2003-01-07   来源:   作者:  【 】   【打印】   【关闭

      本文提要:在两项国家自然科学基金的资助下,西安交通大学吴裕远教授及其合作者开展了类环状流微膜蒸发板翅式冷凝蒸发技术的研究,首创了类环状流沸腾传热强化新机理和紊流液膜冷凝传热强化新机理,发明了具有国际领先水平的类环状流新型冷凝蒸发器,到达了显著的传热强化效果并已取得明显的社会经济效益,该项目的技术指标和运行性能全面优于国内外所有的同类产品,具有高效、节能、安全、环保、紧凑等显著优点。专家鉴定意见认为,该技术学术思想新颖,属于独创,处于国际领先水平,是我国空分行业50年来独立自主开发出的新一代制氧装置的最新技术。获2001年国家技术发明奖二等奖。   低温冷凝与蒸发相变换热器,广泛应用于制氧、乙烯、合成氨、尿素、硝铵等大型装置及其他许多石油化工和炼油装置中。国内外现有的这类相变换热器的冷凝蒸发技术,均采用传统的相变传热机理和结构型式,传热效率低,因而导致这些大型装置中的相变换热器,不仅体积过于庞大,制造成本高,运输及安装难度大,同时还造成其运行性能差、耗电量大的严重缺陷。因此,寻求新的冷凝蒸发技术,已成为现代工业装置进一步向更大型化方向发展过程中迫切需要解决的技术难题。为了解决这一技术难题,美国联合碳化公司在20世纪80 年代开发出烧结多孔表面高热流管技术。但由于在技术上还存在种种缺陷,未能在工业中得到大规模推广和应用。法国空气液化公司90 年代初开发出降膜式蒸发技术,但由于未能解决工质在沸腾蒸发过程中的"蒸干"问题,造成了烃类物质在换热器中的的固化积累,在90年代中期发生了连续多起国际性的严重爆炸事故。可以说,国际上开发新型冷凝蒸发技术的努力,一直未能取得突破性的进展。   在国家自然科学基金资助下,西安交通大学吴裕远教授及其合作者通过两个面上项目即"低温流体狭缝热虹吸两相流强化传热研究"和"低温多组分流体非平衡态冷凝传热强化实验研究",经过15年的艰苦努力,与杭州制氧机集团有限公司长期合作,在提高冷凝与蒸发相变换热器效率、减少其体积和重量以及提高换热器的运行性能和安全可靠性等方面,取得了原创性的理论和技术开发突破性成果。所发明的"类环状流微膜蒸发板翅式冷凝蒸发技术"荣获2001年国家技术发明奖二等奖。 一、 传热机理新颍、技术创新性强   该项目的理论成果体现在两个方面:   首先,该项目实验研究了狭缝通道中液氮的两相流沸腾传热特性,在国际上首次发现了两相流沸腾传热亢进现象,理论研究和实验验证了传热亢进现象的形成机理,突破了传统的以液相流动为主的泡状沸腾传热机理,首创了狭缝通道中以气相流动为主的类环状流微膜蒸发沸腾传热强化新机理和新结构;同时,该项目首创了多路补液新结构,保证了在长狭缝通道中液体的充分供给,使得绝大部分狭缝通道中的气液两相流始终处于类环状液膜流动状态。充分发挥了环状流微液膜蒸发独特的高效传热优势,达到了显著的传热强化效果,有效地降低了传热温差,大幅度提高了传热系数。基于新型传热机理所设计的新型冷凝蒸发器,其沸腾传热系数比普通列管式换热器高出5~9倍,优于美国联合碳化公司在20世纪80 年代所开发出的烧结多孔表面高热流管换热器的传热性能,比德国林德公司的设计指标提高50%。   其次,该项目突破了传统的层流液膜冷凝传热机理,首创了非平衡态紊流液膜冷凝传热强化新机理及新结构。该项目发明的冷凝通道新结构,使气氮的流动雷诺数比原来提高1.5倍以上,实现了冷凝液膜的紊流流动状态,显著提高了冷凝传热系数,达到3500W/m2K,比德国林德公司的设计指标提高2.3倍,该冷凝传热系数为沸腾传热系数的2倍,达到了国内外同类产品中的最佳传热效果。基于这一理论研究成果,该项目发明了一个冷凝通道耦合两个蒸发通道的冷凝蒸发器的新结构。所发明的新产品的传热温差达到了国际上同类产品的最小传热温差。   在理论成果的指导下,改变了过去换热器靠增加传热面积来提高总传热量的传统方法,发明了靠改革换热器的主要结构尺寸来实现新的传热机理,以大幅度提高传热系数,从而大幅度减少换热器的体积和重量的新方法;同时通过增加换热器单位体积内的传热面积,来直接减少其体积和重量。在这样的双重强化措施作用下,可使新型高效冷凝蒸发器的体积和重量减小了1/3以上,这在换热器的发展历史上是前所未有的。 二、产品结构独特,产品性能优良,技术指标国际领先,经济效益显著。   应用该技术已研制出33台新型冷凝蒸发器产品,配套150m3/h、6500m3/h 、12000m3/h小型和大型制氧装置33套。该项目开发的新产品与国外最先进的同类产品(林德公司的设计标准)相比,其总传热系数提高21.6%~37.9%,总传热温差达到达到国内外同类产品的最小传热温差;与国内最先进的同类产品相比,其总传热系数提高50%,体积和重量均减少1/3,降低制造成本39%,氧产量提高15~20%,已完全取代了150m3/h制氧装置中成本高、工艺复杂、烧结时产生有毒气体、污染环境的烧结多孔表面管式老产品。所配套装置安全运行时间已超过5年,这是国内外同类产品从未达到过的最长运行记录。   该项目是我国制氧领域50多年来第一项拥有自主知识产权、具有国际领先水平的最新发明成果,成为新一代制氧装置的关键技术。其产品的各项技术指标和运行性能全面优于国内外所有的同类产品,已取得亿元以上的经济效益和社会效益。该项目获国家发明专利2项,实用新型专利1项,其中"类环状流双相变换热器"获2001年陕西省发明专利特等奖,这是陕西省16年来第一项发明专利特等奖。   2001年7月,由国家奖励办公室组织的专家组实地考察中,专家组对该项目新产品所达到的技术性能指标,特别对新产品在遇到系统突然停车后,仅需20分钟即能恢复炼钢供氧纯度的优越的运行性能给予了高度评价。与新产品相比,老产品至少需3小时才能恢复。 三、对后续研究工作具有重要指导作用   首先,该成果对本项目组正在进行的发明专利申请项目"吸收式制冷中弦月形通道溶液提升及蒸汽发生器"的研制工作具有重要指导作用。该发明专利项目所采取的关键技术就是与该获奖项目密切联系的弦月形狭缝通道结构,有效地解决了国内外太阳能无泵吸收式制冷系统中一直尚未解决的关键问题,现在已取得突破性进展。   其次,对"低温两相流体气液均匀分配相变换热器"的研制工作具有重要的指导作用。这种低温两相流体气液均匀分配相变换热器的研制成功,将从根本上解决换热器内部一直存在的气液分配不均匀的老大难问题,显著提高换热器的效率。



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