波紋管換熱器及其在氨冷凝系統(tǒng)申的應用

摘要：介紹了波紋管換熱器的強化傳熱機理及傳熱元件的札制工藝，并與光管換熱器的換熱性能進行了比較，及在氛冷凝系統(tǒng)中的應用情況。
　　關鍵詞：波紋管換熱器強化傳熱性能對比氨冷凝器
　　化工生產(chǎn)往往要求在一定的溫度下進行，傳熱是化工生產(chǎn)過程中最常見的單元操作之一，而傳熱的實現(xiàn)往往通過各類換熱器來完成。管殼式換熱器是目前應用最為廣泛的一種傳熱設備，在化工企業(yè)中占有相當?shù)耐顿Y比例。隨著我國經(jīng)濟技術水平的不斷提高，人們對高效節(jié)能型換熱設備的需求也逐年提高。因此開發(fā)和應用高效管殼式換熱設備對節(jié)省設備投資和提高設備的換熱性能具有相當重要的現(xiàn)實意義。
　　不銹鋼薄壁波紋管換熱器系列(管壁厚度為0.5一0.8 m m)是一種高效強化傳熱的換熱設備。該產(chǎn)品于1996年授權為國家實用新型專利。經(jīng)過幾十臺工業(yè)設備的應用，表明該產(chǎn)品生產(chǎn)技術日臻成熟，強化傳熱效果顯著，節(jié)能經(jīng)濟，結(jié)構緊湊，節(jié)省鋼材，在冶金供暖及電力等工業(yè)裝置中得到較為廣泛的應用。為了適應石油化工裝置高溫、高壓的操作條件，近幾年來，厚壁波紋管的研制和開發(fā)工作取得全面成功，并在工業(yè)裝置中獲得成功的應用。其雙面強化傳熱效果顯著，為石油、化工裝置的挖潛改造和節(jié)能節(jié)資提供了新的途徑。
　　1 波紋管換熱器的強化傳熱機理
　　傳熱系統(tǒng)是換熱設備的一個重要技術指標，強化換熱表面的對流傳熱是提高傳熱系數(shù)的有效措施。波紋管換熱器的強化傳熱是通過經(jīng)特殊工藝加工的波紋管來實現(xiàn)的。波紋管傳熱元件是將普通光管由專用設備經(jīng)滾壓加工而成。滾壓后的管子(見圖1)內(nèi)表面形成了周期性變化的環(huán)形波紋凸起，其波峰和波谷間的高度差約為1.6 m m，波距為18 mm，管外換熱面積為0.078 5 m2/m。當流體在波紋管內(nèi)、外流動時，由于流通截面和流速方向的不斷變化，導致流體在波紋凸起處產(chǎn)生附加擾動，從而改變了工藝液體的滯留邊界層的流動狀況。換句話說，起到了破壞層流底層的作用，增加了靠近管壁附近的湍流強度與湍流的給熱能力，使層流和過渡流達到湍流傳熱。當湍流即將消失時，流體又流經(jīng)下一個波紋凸起，不斷產(chǎn)生軸向擾動，保持穩(wěn)定連續(xù)的強化作用，從而提高了傳熱速率。其管外相應形成的波紋表面，不但擴大了傳熱面積，也增加了擾動，使傳熱效果顯著提高。因此，波紋管最終實現(xiàn)了長期而穩(wěn)定的雙側(cè)強化傳熱。一般其K值較普通光管換熱器提高2倍左右，可減少換熱面積約40%以上。
             
    2 性能對比
    波紋管換熱器與傳統(tǒng)的光管管殼式換熱器相比，由于其傳熱元件結(jié)構上存在一定的獨特性，從而決定了其在實際工況中的使用性能存在一定差異。
    2.1 傳熱系數(shù)
    由于波紋管管壁波紋的周期性變化所形成的特殊通道，從而實現(xiàn)換熱器管內(nèi)、外流體在低流速下即可達到湍流，徹底打破了邊界層，大大降低了管壁熱阻，提高了管內(nèi)、外換熱系數(shù)，從而使總的傳熱系數(shù)大大提高。通常為光管換熱器的2一3倍，而壓力降卻增高不多;而光管換熱器因管壁光滑，流體的流動存在層流邊界層，熱阻通常比較大，導熱速度慢。介質(zhì)需在較高的流速下才能達到湍流，換熱系數(shù)通常較小。
    2.2 防結(jié)垢性能
    波紋管由于其截面的獨特性，使得管內(nèi)外流體總是處于周期性的擾動狀態(tài)，流體在管內(nèi)周期性的能量積累與釋放，使整個換熱器內(nèi)表面都受到流體沖刷。由于沖刷良好，因此有效地防止了垢阻的生成。同時不銹鋼管壁本身表面光滑，使管壁不易結(jié)垢。即使結(jié)垢，由于波紋管在工作過程中受到溫差作用后，波紋管各部分的曲率不斷地變化，因管壁污垢和金屬的線膨脹系數(shù)相差很大，這種曲率的變化使污垢與波紋管表面之間將產(chǎn)生一個較大的拉脫力，足以使積垢脫落，實現(xiàn)自動清洗，自動除垢，對于硬垢、脆垢其效果更佳，這就是波紋管的自潔效應。因此波紋管換熱器對水質(zhì)的要求較低，特別是水中鈣鎂離子濃度較高的場合，仍然能可靠地工作。其維護工作量小，通常不需清理;光管換熱器因鋼管表面較粗糙，且管壁表面流體存在層流底層，流速較慢，極易生成污垢。因此光管換熱器的結(jié)垢、堵塞一直是較難解決的問題，特別是在水質(zhì)條件差，水處理效果不佳，氣體介質(zhì)中含雜質(zhì)或化學反應易生成結(jié)垢物的情況下，這一問題尤為突出。輕者使換熱器換熱性能下降，工況惡化，阻力增大，能耗增加;重者使換熱器堵死無法運行。因此換熱器維護、清洗的工作量較大。
    2.3 耐腐蝕性能
    不銹鋼波紋管在加工過程中可能存在殘余應力，而經(jīng)過固溶處理的波紋管可消除晶間缺陷及殘余應力，這樣就不會造成應力腐蝕。此外，不銹鋼耐腐蝕性好，不會對介質(zhì)產(chǎn)生污染;而光管換熱器由于沒有加工應力，故沒有應力腐蝕，但卻存在嚴重的氧化腐蝕，抗化學性能差，對介質(zhì)易產(chǎn)生污染。
    2.4 性能價格化
    由于波紋管換熱器傳熱效率高，在完成同樣熱、冷負荷前提下所需的傳熱面積要少得多。并有使用壽命長，同時也大大降低了產(chǎn)品的重量，節(jié)約材料，從而使產(chǎn)品的性能、價格比得到大幅度的提高，經(jīng)濟效益十分顯著。通常波紋管換熱器單位體積提供的傳熱面積大，體積均較小，重量輕，占地面積也更少;而光管則相反。
    2.5 適用工況條件
   波紋管由于采用不銹鋼材質(zhì)，工作溫度可達450 9C，同時波紋管自身具有一定的熱補償能力，軸向應力小，故而能適應較大的工作溫差;而光管工作溫度通常在150℃以下，由于光管管束是剛性元件，只能適用殼體和管束溫差較小的場合。對于殼體和管束間溫差(大于50℃)而殼體承受壓力不太高時，須在殼體上加上熱補償元件以消除過大的熱應力。波紋管和光管均能承受較高的工作壓力。
    3 波紋管換熱器在氨冷凝系統(tǒng)中的應用
    我廠原有1臺氨冷凝器，經(jīng)過幾年的實際工況運行，腐蝕泄漏嚴重，需更換設備。該設備規(guī)格為0 16 00x 5 2 00，列管03 8x 3 .0 ，共608根，F(xiàn)= 3 60m2，重量為15 280 kg，管程數(shù)為8。其I況條件如下:管程走水，進口溫度32 cC，出口溫度38 9C，管程工作壓力為0.4 M Pa。殼程介質(zhì)為液氨、氨氣，氣氨進口溫度為70 9C，液氨出口溫度為40 `C，殼程工作壓力為1.4 M Pa。原設備最大處理氣氨量經(jīng)工藝測量為2 370 kg/h。
    3. 1 物性數(shù)據(jù)
    該使用工況條件下介質(zhì)的物性數(shù)據(jù)見表t。
               
    3.2 工藝計算(見表2)
               
    考慮到原先氨冷凝器的傳熱能力不足及需現(xiàn)場不動火安裝的現(xiàn)狀，經(jīng)工藝計算確定，波紋管換熱器型號規(guī)格為Φ1200 x14 x6 031，波紋管質(zhì):OCr18Ni9，規(guī)格Φ25 x 2，根數(shù)1102根，L = 5 000mm,F = 4 20m \'，管程數(shù)為2，管心距為32m m，管子排列60“，折流板間距為300 mm，設備總重11 208kg。波紋管氨冷凝器結(jié)構見圖2。
              
    3.3 加工制作工藝
    (1) 波紋管的軋制。將普通光管用專用設備進行逐根滾壓而成。
    (2) 熱處理工藝。軋制好的波紋管送爐內(nèi)加熱到1100℃左右，然后經(jīng)水急冷至室溫進行固溶處理，以消除冷作硬化應力，提高耐蝕性。
    (3) 調(diào)直工藝。為使波紋管保持平直，經(jīng)固溶處理后應進行調(diào)直處理，控制平直度在1 3 mm.
    (4) 酸洗鈍化處理。以消除波紋管表面的油污、污漬。
    (5) 水壓試驗。波紋管在組裝前，每根管子應進行水壓試驗，檢查管子是否有缺陷存在，以免管子在組裝后發(fā)現(xiàn)問題而使更換困難。
    (6) 焊接制作。換熱器的制造可按GB15 0一98,GB 151一89標準進行。
     4 使用效果
     2000年初，我廠委托寧波廣廈熱力成套設備有限公司制作了1臺波紋管換熱器，制作好的波紋管氨冷凝器于2000年6月投人實際工況運行。經(jīng)測試，系統(tǒng)壓力顯著下降。原先我廠生產(chǎn)負荷開得較高，冷量平衡較為困難，系統(tǒng)工作壓力高達1.42MPa，嚴重影響車間的正常生產(chǎn)和安全。新設備使用后，系統(tǒng)工作壓力降至1.24 M Pa，滿足了原設備的工藝和設計要求，同時也滿足了全廠的冷量需求。
    該設備在實際工況運行中效果顯著。與原設備相比，設備直徑由Φ1600 mm減少至Φ1200 mm,直徑減少了400 mm，設備重量由15 280 kg減少至11 208 kg，節(jié)省鋼材4 072 kg。同時換熱效果得到明顯的提高，單臺設備處理氣氨量由原來的2.37 t /h提高到5.25 t /h。此外冷卻水用量大大減少。
    5 存在問題
    該波紋管換熱器在設計制造和投用過程中，我們覺得如下幾方面的問題尚有待地一步的探討和研究。
    (1) 制造工藝的研究。波紋管生產(chǎn)廠家應進一步提高波紋管軋制的水平，使制作自動化水平更高，同時努力降低生產(chǎn)成本，使之具備市場競爭力。
    (2) 使用廠家應根據(jù)實際條件合理選擇波紋管材質(zhì)，以求最大限度地體現(xiàn)波紋管的經(jīng)濟性、合理性。
    (3) 我廠該臺氨冷凝器由于施工條件所限，致使該換熱器殼程段存在走捷徑的現(xiàn)象，存在一定的盲區(qū)，這在一定程度上也影響了換熱效率。
    6 結(jié)論
    綜上所述，厚壁波紋管換熱器是實現(xiàn)雙面強化傳熱的高效換熱設備，它具有傳熱效率高，流動阻力小，結(jié)構簡單，制作方便，體積小，重量輕，節(jié)省鋼材等特點，非常適用于石油化工裝置的挖潛改造，為節(jié)能節(jié)資提供了新的途徑。波紋管換熱器繼承了傳統(tǒng)管殼式換熱器的耐高壓、耐高溫的特點，同時具有處理大負荷換熱量的優(yōu)點，它開創(chuàng)了列管式換熱器的新紀元，不失為換熱領域的首選產(chǎn)品。此外波紋管具防垢自潔效應，實現(xiàn)了整個在開工周期中均能維持較高的傳熱效果。因此，波紋管換熱器的社會效益和經(jīng)濟效益非常顯著，是目前管殼式換熱器的發(fā)展方向之一，具有很好的推廣應用前景。