[01638137]紧凑高效换热器及工业化应用

项目属于化工机械与设备领域。 换热设备在现代化工过程中起着非常重要的作用,其投资费用一般占全部设备投资的30～40%。目前使用的换热器以管壳式换热器为主,占地面积大、单位体积换热面积小、传热系数低。板式换热器比管壳式换热器传热效率高,但使用温度和压力较低。随着节能减排的要求,高能耗、大体积设备已经不符合绿色工业发展的要求。需要开发结构紧凑、传热效率高、耐高温高压的新型换热设备,对节省能源与空间至关重要。 实现结构紧凑和高效传热的目标,一是需要研究高性能表面的制造技术,通过高性能化的表面实现微小空间的高效热量传递;二是需要研究封装系统的设计与制造技术。在制造方法上,目前紧凑型换热器多采用钎焊技术来制造。但难点是封焊温度高,工艺参数复杂,需要优化钎焊工艺,找到提高封焊质量的关键因素。另外,其服役环境恶劣,对可靠性要求较高,加上焊接界面和系统尺寸变化带来的尺度效应,使其缺乏强度设计理论。经过10 年研究攻关,本项目开展了节能高效的紧凑型换热器强度设计和制造关键技术研究。主要技术发明包括： 1. 建立了紧凑式换热结构的强度设计理论 设计了具有周期性结构的高效换热单元,建立了强度、钎焊工艺和结构尺寸之间的关系模型,提出了多因素耦合作用的钎焊工艺优化方法。以提高强度和寿命为目标,优化了钎焊工艺和结构尺寸,建立了强度设计理论。开发了单胞和宏观结构之间的力学本构模型,建立了基于等效均匀化理论的疲劳强度和寿命预测方法,不仅可以实现局部失效位置的预测,又可进行整体结构疲劳强度和寿命计算。 2. 发明了紧凑高效换热器 利用节点和杆单元组成的周期性点阵结构材料,作为换热单元,发明了点阵材料换热器,提高了换热效率、耐高温高压的能力。高效传热主要体现在三个方面：金属杆单元的热传导、夹层空间的对流传热、杆单元的流体扰动和涡流效应。因此,散热效率是常规通道散热的7 倍,比板式换热器换热效率提高20%,成本下降50%。在此基础上,以点阵夹层结构或板翅结构作为芯体,发明了高低温散热器,解决了海洋钻井平台、油气田所使用的发电机组立式冷却系统功率低、占地面积大、换热效率低的问题,体积降低40%。 3. 发明了紧凑型换热结构的关键制造技术 发明了紧凑型换热结构的关键制造技术：钎焊制造工艺。通过大量试验和计算,研究了工艺参数对强度和微观组织的影响规律,优化了制造工艺,提高了强度和寿命。并发明了换热器关键材料和结构的焊接技术,用于换热器封头和接管的焊接,有效防止应力腐蚀开裂。本项目实现了工业化应用,所开发的产品成功应用在工程机械、发电机组、石油化工等领域。近3年创造的直接效益为：新增产值3.24 亿元,新增利税0.2756 亿元、节支总额0.162 亿元;统计的两家典型用户的间接经济效益为：新增产值27.956 亿元,新增利税 1.5361 亿元、节支总额1.3878 亿元。项目共授权5 项发明专利和5 项实用新型专利,发表SCI 论文32 篇,培养研究生10 余名,促进了散热器技术的发展。