前言
冷卻器是一種高效、緊湊的換熱設備，19世紀80年代首先作為連續低溫殺菌器研制成功，到20世紀20年代開始應用于食品工業。由于冷卻器在制造和使用上都有一些獨特之處，因此，目前冷卻器已經廣泛應用于石油、化工、輕工、電力、冶金、機械、能源等工業領域，成為換熱器家族中極具競爭力的品種。我國是從20世紀60年代開始生產冷卻器，至今冷卻器在我國很多領域都得到了廣泛的應用。鈦及鈦合金是一種新興的很有前途的金屬材料，用鈦制作換熱器具有耐腐蝕性好、傳熱效率高、表面光潔無結垢層、比重小、強度高、設備體積和質量小等特點，廣泛應用于航空、宇宙開發、海洋工程、石油、化工、冶金、電子、醫藥衛生、食品加工、儀器儀表等領域。 2冷卻器概述 冷卻器是由一系列具有一定波紋形狀的金屬片疊裝而成的一種新型高效換熱器。各種板片之間形成薄矩形通道，通過半片進行熱量交換。它與常規的管殼式換熱器相比，在相同的流動阻力和泵功率消耗情況下，其傳熱系數要高出很多，在適用的范圍內有取代管殼式換熱器的趨勢。 冷卻器、熱交換器行業板片常用的材料主要有奧氏體不銹鋼、鈦及鈦合金、鎳及鎳合金等冷軋薄板。工業純鈦127用于冷卻器，工業純鈦276和Ti-0.3Mo-0.8Ni 345用于管式換熱器。用TA1鈦板制造的冷卻器，相比列管式換熱器有許多優點，在市場上有很強的競爭力，主要用于化工、石油、艦船、海水淡化等熱交換系統。 2.1冷卻器的基本結構 冷卻器主要由框架和板片2大部分組成。板片是把由各種材料制成的薄板用各種不同形式的模具壓成形狀各異的波紋，并在板片4個角上開有角孔，用于介質的流道。板片的周邊及角孔處用橡膠墊片加以密封。框架由固定壓緊板、活動壓緊板、上下導桿和夾緊螺栓等構成。冷卻器是將板片以疊加的形式裝在固定壓緊板、活動壓緊板中間，然后用夾緊螺栓夾緊而成。 2.2冷卻器的設計特點 冷卻器在設計上主要有以下特點： 1)高效節能：其換熱系數在3000～4500 kcal/m2·℃·h，比管殼式換熱器的熱效率高3~5倍。 2)結構緊湊：冷卻器板片緊密排列，與其它換熱器類型相比，冷卻器的占地面積和占用空間較少，相同換熱量的冷卻器的面積僅為管殼式換熱器的1/5。 3)容易清洗拆裝方便：冷卻器靠夾緊螺栓將夾固板板片夾緊，因此拆裝方便，隨時可以打開清洗，同時由于板面光潔，湍流程度高，不易結垢。 4)使用壽命長：冷卻器采用不銹鋼或鈦合金板片壓制，可耐各種腐蝕介質，膠墊可隨意更換，并可方便拆裝檢修。 5)適應性強：冷卻器板片為獨立元件，可按要求隨意增減流程，形式多樣；可適用于各種不同工藝的要求。 6)不串液，冷卻器密封槽設置泄液道，各種介質不會串通，即使出現泄露，介質總是向外排出。 2.3冷卻器的應用場合 冷卻器的主要應用場合及應用情況如表1所示。 3冷卻器產品系列 冷卻器主要有汽-液型鈦板冷凝器和液-液型鈦板換熱器2類。其型號規格主要有：冷卻器BR系列，BR02、BR035、BR046、BR080、BR10等；不等截面冷卻器BBR系列，BBR06、BBR08、BBR10等。傳熱板片有0.2、0.35、0.46、0.60、0.80、1.0、1.28、1.3 m2(單片換熱面積)等多種規格。各種型號換熱器有相應的產品規格系數，依其技術性能可供選擇。 以BR035型號冷卻器為例，其主要技術參數為：單片換熱面積為0.35 m2；板間距為3.2 mm；板片厚度為0.8mm；角孔直徑為120 mm；單流道截面積為0.001 136 m2：最大處理量為120 m3/h；傳熱系數為2500~5000 W/(m2·℃)，工作壓力為1.6 MPa；工作溫度為丁腈墊片<120℃，乙丙膠墊片<180℃，氟膠墊片<250℃；單臺設備最大裝機面積70 m2。可以看出，冷卻器熱效率很高。綜上所述，在型號規格方面，我國已制造出大型單片換熱面積1.28 m2、1.3 m2等液-液型換熱器，這種大型冷卻器的板式外型尺寸為2.2 m×0.81 m，板厚為0.6 mm，每臺最大組合面積為350 m2。這標志著我國已擁有較強的冷卻器設備的設計、制造能力[1]。 4冷卻器在海水淡化中的應用 淡水約占地球水資源的3%，通過海水淡化獲取新的淡水資源是今后世界用水的一大趨勢。在解決沿海地區淡水資源緊張的諸多方法當中，海水淡化是一種切實可行且有效的辦法。其中多級閃蒸(Muiti-Stage Flash，縮寫為MSF)海水淡化技術占有主導地位。其生產能力為全世界海水淡化總產量的56 %。世界上規模在4000 t/d以上的海水淡化裝置中，MSF裝置占77.3%。目前，單機容量最大的MSF裝置是意大利SIR/EU-TECO公司生產的，出力為36 000 t/d，安裝在意大利本土[2]。 海水淡化技術在我國還處于起步階段，目前僅有少量的小型反滲透裝置，而大容量蒸餾裝置(包括多級閃蒸MSF、多效蒸發ME、蒸汽壓縮蒸餾VC等)的開發生產才剛剛開始。 4.1船用海水淡化技術分析 船用海水淡化技術的產業化發展始于20世紀50年代，至今已形成了蒸餾法、電滲析法和反滲透法等技術。從目前市場占有率來看，蒸餾和反滲透是主要型式。反滲透海水淡化裝置能耗較少，近年來裝船量增長較快。在出海船只中，蒸餾法海水淡化裝置是主導產品，而且類型也比較多，既有多級閃發、沸騰蒸餾和壓氣蒸餾之分，也有管式、板式之分。多級閃發技術現已比較成熟，其熱源主要是鍋爐蒸汽。壓氣蒸餾法需要有附加的蒸汽壓縮裝置，適用于供汽不便、沒有低品位熱量可用的場合。沸騰蒸餾法具有其他方法不可比擬的特點，如設備簡單可靠、原水不需要預處理、出水品質較高等。其中的板式蒸餾法雖然蒸發效率高，但板間流體通道容易被固體顆粒沉積所堵塞，不適用于尾氣直接加熱的蒸餾裝置。 在商業用途上，淡水技術可分為2大類，一類為蒸餾法，另一類為薄膜法。蒸餾法又可細分為多級閃化法(Multi-Stage Flash，MSF)、多效蒸餾法(Multi-Effect Distillation，MED)和蒸汽壓縮法(Vapor Compression，VC)3種。薄膜法主要有電透析法(Electro Dialysis，ED)、逆(反)滲透法(Reverse Osmosis，RO)與納米過濾法(Nano Filtration，NF)等。在全世界海水淡化方法的應用上，逆(反)滲透法(RO)排名是第1位，日產量達1409.1×104 t(43.5%)。多級閃化法(MSF)占第2位，為39.2%，日產量達1269.2×104 t。電透析法(ED)日產量146.2×104 t(4.5%)占第3位。其它還有蒸汽壓縮法(VC)、多效蒸餾法(MED)、納米過濾法等。
冷卻器多級閃化法和逆(反)滲透法是海水淡化領域的主流方法。 4.2鈦是海水淡化設備換熱器的首選材料鈦對氯具有很強的抗腐蝕性，是海水淡化設備換熱器的首選材料。隨著沿海地區石化、電力等行業的迅速發展，應用海水取代日益緊張的淡水作為工業冷卻介質，可以節約大量的淡水資源，獲得顯著的經濟效益和社會效益。但是由于海水腐蝕性強，當管材使用普通碳鋼或不銹鋼時，海水作為冷卻介質會對管材產生嚴重腐蝕，顯著降低熱交換器的使用壽命。這樣，不僅增加了設備的更換次數，同時也由于設備失效引起停工過于頻繁而使經濟效益降低。一般情況下，為解決這一問題，需要對管子進行材料升級，升級材料常用的主要是鈦管。 就材料種類而言，應用最廣泛的是工業純鈦(ASTM Grade 2)，溫度比較高的海水加熱器使用Grade 7或者Grade 12。Grade 16(Ti-0.5%Pd)具有更高的抗腐蝕能力，但是成本較高。另外，事實表明，Grade 1和Grade 2等工業純鈦在天然水、海水和各種氯化物中具有特殊的抗應力腐蝕的能力。在海水流速為3～5 m/s的鈦制海水淡化設備中，生物污堵現象是最輕微的，鈦換熱器的污堵系數約為0.99～0.95[3]。 鈦在海水淡化設備中的應用有海水淡化設備中的導熱管、多級閃蒸法(即MSF法)海水淡化裝置。占世界上78%的淡水造水量是采用蒸發法。現在最常用的是多級閃蒸法(即MSF法)。多級閃蒸海水淡化裝置技術成熟、出水量大、淡水品質高、淡水成本低、適用范圍廣、運行穩定，再加上其利用電廠低品位熱能，提高了能源利用率。伴隨著國產MSF裝置的開發成功，其必將成為近期沿海電廠首選的鍋爐補給水設備。 選用工業純鈦TA1無縫管做閃蒸器的冷凝管和鹽水加熱器的熱交換管，管板選用了TA1+16MnR+316L雙面復合鋼板。因為鈦質輕、耐蝕、高強度，是良好的抗海水腐蝕材料，使用它的可靠性高。使用鈦復合鋼板，可以減少鈦的使用量，且能滿足使用要求，降低裝置造價。 我國西北有色金屬研究院、北京有色金屬研究總院等單位也先后開發出了一系列海洋工程用耐蝕鈦合金，如Ti75、Ti31和Ti631[4]。 4.3中國海水淡化業迅速崛起 我國海水淡化的研究起步較早，1958年開始電滲析(ED)的研究，1965年開始反滲透(RO)和蒸餾等的研究。海水淡化事業起步于1958年，50年來發展較快，取得了長足進步和顯著成績，已逐步形成了一門綜合性的技術學科和水處理技術產業。包括蒸餾法、電滲析法、反滲透法、太陽能法等淡化技術在不同程度上得到較廣泛的開發和應用，并已取得良好的社會、環境和經濟效益。海水淡化工程不但在國內取得發展，而且還有技術輸出，如多套裝置已出口到印尼、中東、基里巴斯和馬爾代夫等國家和地區。據不完全統計，全國擁有一支3000人以上的專業技術隊伍，從事科研與開發的單位100多個，設備生產廠60多家。其中膜法技術所占比重最大，約占90%以上[5]。 隨著沿海地區及島嶼的社會經濟發展，及海水淡化技術的成熟與成本的降低，加上當地水資源的嚴重短缺，對海水淡化的需求會越來越大，近年來開始有迅速增長的勢頭，僅舟山和長島近年內將逐步建成容量近2000 m3/d的幾個海水淡化站。大港電廠、大亞灣海水淡化裝置建設，以及北方濱海城市如大連、煙臺等也在考慮用海水淡化作為城市應急供水。除海水淡化之外，沿海地區(另有華北和西北地區)苦咸水資源也應列在可用水資源之列，由于苦咸水淡化成本低，現已有一定規模，有不斷發展擴大的趨勢，如淪化集團已建成18 000 m3/d的高鹽度苦咸水淡化廠。海水和苦咸水淡化需求初步預測如表2所示[6]。 4.4國外冷卻器在海水淡化上的應用 海水淡化技術經過半個多世紀的發展，從技術上講，已經比較成熟，大規模地把海水變成淡水，已經在世界各地出現，并以海灣地區為主。目前主要的海水淡化方法有多級閃蒸(MSF)、反滲透(SWRO)、多效蒸發(MED)和壓汽蒸餾(VC)等，而適用于大型海水淡化的方法只有SWRO、MSF和MED，最大的MSF淡化廠規模達30×104 m3/d，最大的SWRO淡化廠規模為20×104 m3/d。 商用和軍用航空用鈦占歐洲市場總需求量的50%，這部分比較穩定。而工業用鈦等領域不太穩定，化學工業、電力、脫鹽業及其它占28%，熱交換器占11%，海洋業占8%，裝甲占3%[7]。在國外，鈦熱交換器的市場也極為可觀。美國在海洋油氣、天然氣、海水淡化等領域開發鈦換熱器、鈦冷凝器、鈦制采油平臺鈦蒸發器等。美國Delaware煉油廠用鈦管取代了所有換熱器的銅、鎳合金管，總長度達300 km以上，其脫硫分離塔塔頂鈦冷凝器已運行15年尚未腐蝕。 日本1999年制造熱交換器的用鈦量為2100 t，估計2009年將達5000 t。日本鈦應用的特點仍是民用。化工、電力和海水淡化是日本鈦市場的主要領域。日產1.3×105 t的MSF型海水淡化裝置需用鈦1500 t。在耐蝕鈦合金方面開發了以Co，Ru，Ni等代替價格高的Pd的SMI-ACE，AKOT，TiCOREX等鈦合金，用于發電、海水淡化、制鹽等的熱交換器[8]。Ti-0.5Ni-0.05Ru、Ti-0.005Pd-0.13Cr、Ti-0.4Ni-0.016Pd-0.025Ru-0.13Cr、Ti-Ni等新型耐蝕合金已被推向市場，Ti-0.5NI-0.05Ru已廣泛用于制作熱交換器，Ti-0.05Pd-0.3Co具有耐縫隙腐蝕性能，也用于熱交換器。 日本在薄壁鈦焊管的開發和應用方面建立了海水淡化和電站冷凝器鈦薄壁焊管用帶卷的批量生產體系，相應開發了薄壁焊管的生產技術。日立，三菱及東芝生產的電站冷凝器，使用了厚0.5 mm的鈦焊管，三菱、川崎、日立、三井以及神戶制鋼等公司生產的海水淡化裝置，使用了厚0.5~0.7 mm的鈦焊管。 以電站應用為主，鈦焊管作為海水淡化、煉鐵、船舶、石油精煉、化工等領域的傳熱管已廣泛使用。據報道，日產100 t的海水淡化裝置用鈦管達6萬根。從1967年至1994年，在近30年的時間里，共生產了52套原子能級火力發電用冷凝器和7套海水淡化設備，共計使用鈦焊管11 000 t[9]。 5結語 由于沿海地區淡水需求量的日益增大和我國海洋資源配合利用呼聲的升高，以多級閃蒸為龍頭的大型蒸餾海水淡化裝置(包括MSF、ME、VC)的開發生產必將成為我國的一項新興產業，向大海要效益是今后一段時期我國一個新的經濟增長點，海水淡化將成為我國2l世紀的朝陽產業。
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GL 系列冷卻器
