双相变换热器气液均匀分配特性及典型结构研究的新进展摘要：介绍了低温两相流板翅式双相变换热器的结构和特点，回顾了板翅式换热器两相流体入口分配结构对其气液分配特性的影响，指出了传统的“先混合、后分配”方法的缺陷，基于单相流体易于均匀分配的物理特性，提出了“先分配、后混合”的新方法和新结构，应用该新方法和新结构于国产化的乙烯冷箱后，其冷端传热温差降低到仅为3K，应用该新技术的宝钢等大型制氧装置中的新型高效冷凝蒸发器，其传热系数达到了925.1W、(m2?K)，比国际上最先进的指标提高了48.97％，产品性能优于国内外同类产品。关键词：低温两相流；板翅式；双相变；换热器；气液均匀分配；乙烯冷箱：TK124文献标识码：A：0253－987X(2007)04－0383－06板翅式换热器从20世纪50年代开始应用于深冷技术、空气分离及化工流程等装置领域中，具有结构紧凑、传热系数高等优点，低温两相流板翅式双相变换热器(简称低温双相变换热器或低温换热器)是制氧、乙烯等大型装置的核心设备，其重要性在于：制氧装置所生产的全部高纯度氧气和高纯度液氮及乙烯冷箱装置所生产的乙烯产品，均需在换热器内通过上百层组元、数万个蒸发与冷凝通道之间的高效换热才能完成。1低温两相流板翅式双相变换热器的特点研究表明[1]：在相同的传热温差下，液氮温度下的传热所引起的熵增是室温下的10多倍，可见，在相同的传热温差条件下，低温传热所引起的不可逆损失要比室温下大得多，所以，在低温双相变换热器的设计中，尤其对传热温差提出了很苛刻的要求。实验研究表明[2]：在低温双相变换热器中，只要有某一个蒸发通道的液体量分配较少，就会立即出现液体“蒸干”现象，传热温差急剧上升，换热器内的传热将会立即恶化，冷凝通道内的高温高压气体就不可能被冷凝液化成为液体，该部分的“蒸发与冷凝”换热组元也将完全失效，从而导致换热器的总体换热效率大大降低，因此，如何把液相流体均匀分配到低温换热器的每一个蒸发通道内，是低温换热器能否有效工作的前提。板翅式换热器中进行热量交换的各股流体首先通过换热器的一段较窄的入口总管，然后进入换热器的封头，而后再由封头进入导流翅片通道，最后才能进人换热器内众多的各层通道中，结构示意见图1，因此，国内外的这类换热器普遍存在严重的气、液两相流体分配不均匀的现象，一般来说，气液两相流体特别是其中的液相部分，如果在各通道之间出现分配不均匀现象，对小型换热器换热效率的下降所造成的影响相对较小，但是对大型低温板翅式双相变换热器换热效率的下降所造成的影响将会非常突出，一般要下降20％～40％，研究表明：气液混合流体与单相流体相比，其分配不均匀现象对换热器的影响更为突出，由于低温流体的气相与液相的体积之比约为600：1，实验表明[3]：在任何通道中只要液相流体多分配10％，那么这额外的10％的液体蒸发后体积膨胀，将严重干扰换热器各通道内的流量和换热量，并导致换热效率大幅度下降(仅为原设计的60％)，同时，换热器的平均换热温差也有可能增大，这将进一步降低换热器的性能，增加能源消耗。在天然气、石油化工等领域中，天然气、石油气液化和分离装置中常会遇到气液两相流体混合进入换热器的情况，例如，乙烯装置中的裂解气冷却器、所有的再沸器和冷凝器，尿素装置中的尿素蒸发器，空气分离装置中的冷凝蒸发器等，研究表明，气液两相流体与单相流体(单相气体或单相液体)相比，其流体分配的不均匀现象更为突出，对换热器性能的影响也就更大，尤其是对多组分两相混合物，若出现气液分配不均匀的情况，使沸腾与冷凝在不同的气液平衡条件下进行，致使其相变换热系数大不相同，将导致其流动、换热及传质特性大大偏离设计工况，甚至产生换热器失效的严重后果。综上所述表明：要解决好气液两相流体进入换热器时所产生的流体分配不均匀现象，必须在气液两相流体的入口处与换热器内的各层通道之间，设置有效的气液两相流体的分配机构，才能将气液两相流体均匀地分配到各层通道内，为此，国内外学者对板翅式换热器内的均匀分配问题进行了一系列长期的研究[2-3]，气液两相流体在板翅式换热器中的分配问题可分为以下3类。(1)...