管殼式波紋管換熱器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與應(yīng)用效果

摘要：針對傳統(tǒng)的管殼式換熱器在高沸點(diǎn)、高凝固點(diǎn)物系中使用存在的問題，介紹了以波紋管代替光滑直管的管殼式波紋管換熱器強(qiáng)化傳熱的原理和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，實(shí)踐證明該新型換熱器的傳熱系數(shù)提高了３５％。
　　關(guān)鍵詞：管殼式換熱器＋波紋管；特點(diǎn)；傳熱系數(shù)；應(yīng)用
　　中圖分類號：ＴＱ０５１．５　　文獻(xiàn)標(biāo)識碼：Ｂ　　文章編號：１００９－１９０４（２００６）０４－００４０－０３
　　管殼式換熱器由于其結(jié)構(gòu)簡單、易清洗維修和造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛作為精餾塔的冷凝器、再沸器和換熱器使用。但因其換熱列管為普通的無縫鋼管（光滑直管），并脹焊于兩端的管板上，這種結(jié)構(gòu)應(yīng)用于高沸點(diǎn)、高凝固點(diǎn)特殊物系的分離提純存在著一些問題，尤其是在冷凝水水質(zhì)不好的場合。
　　高沸點(diǎn)、高凝固點(diǎn)物系的精餾塔冷凝器具有以下特點(diǎn)：①殼程工作溫度高，管程為了防止物料在冷凝器中凝固、堵塞，冷凝水溫度不宜太低，從而導(dǎo)致管內(nèi)壁表面溫度高，易結(jié)垢，影響冷凝效果和生產(chǎn)能力；②管、殼程溫差大，熱應(yīng)力大，易造成列管拉裂；③精餾塔采用內(nèi)回流結(jié)構(gòu)，冷凝器直接置于塔頂部，考慮到塔體和塔基礎(chǔ)的投資，要求塔頂冷凝器的結(jié)構(gòu)緊湊、既小又輕。
　　管殼式波紋管換熱器在管殼式換熱器的基礎(chǔ)上，采用強(qiáng)化傳熱原理把傳統(tǒng)的光滑直管改為高效的波紋管（見圖１），既繼承了管殼式換熱器的優(yōu)點(diǎn)，又克服了其固有的缺點(diǎn)，具有更為廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。將其應(yīng)用于高沸點(diǎn)、高凝固點(diǎn)物系的精餾塔冷凝器上，能夠有效地解決結(jié)垢、列管拉裂等問題。
　　１　強(qiáng)化傳熱原理
　　對傳統(tǒng)的管殼式換熱器通過采用波紋管取代光滑直管，使換熱管管壁處的流體始終處于高度湍流狀態(tài)，達(dá)到強(qiáng)化傳熱的目的。根據(jù)傳熱學(xué)基本公式：
              
    由式（１）可知，提高傳熱效率的途徑有三條：提高傳熱系數(shù)Ｋ；增大換熱面積Ｆ；加大對數(shù)平均溫差Δｔｍ。增大換熱面積和加大對數(shù)平均溫差都不是理想的途徑，一味地增加換熱面積勢必會造成設(shè)備體積龐大和投資費(fèi)用的大幅度增加；而加大對數(shù)平均溫差又要受到公用工程條件和分離物系性質(zhì)的限制。只有提高傳熱系數(shù)，才是強(qiáng)化換熱最有效的途徑。
    傳熱系數(shù)Ｋ是換熱器的主要性能參數(shù)，眾所周知其計(jì)算公式為
             
    由式（２）可知，傳熱系數(shù)Ｋ值的大小與管內(nèi)換熱系數(shù)αｉ、管外換熱系數(shù)αｏ，管內(nèi)管外的污垢系數(shù)ｒｉ和ｒｏ，換熱管的外徑與內(nèi)徑之比ｄｏ／ｄｉ，換熱管材料及導(dǎo)熱系數(shù)λｗ和管厚度δｗ有關(guān)。而換熱管的材料、規(guī)格一旦選定，則管外徑與內(nèi)徑之比、壁厚及導(dǎo)熱系數(shù)等參數(shù)也隨之確定下來。所以，提高管內(nèi)、外換熱系數(shù)αｉ和αｏ、降低污垢系數(shù)ｒｉ和ｒｏ，才能夠提高換熱器的總傳熱系數(shù)Ｋ。
    １．１　提高換熱系數(shù)αｉ及αｏ
    根據(jù)傳熱學(xué)對流傳熱準(zhǔn)則方程：
             
    由雷諾數(shù)Ｒｅ和普朗特?cái)?shù)Ｐｒ可見，管內(nèi)、管外的對流換熱系數(shù)αｉ及αｏ與流體的流動狀態(tài)有極大關(guān)系，流動狀態(tài)的改變一方面可借助于流速的提高，但當(dāng)流速提高到一定程度時(shí)，傳熱系數(shù)隨著流速的提高而增加的速率緩慢，而換熱器壓降的增加幅度卻很大。因此，在設(shè)計(jì)換熱器時(shí)，提高傳熱系數(shù)不能單純靠提高流速來實(shí)現(xiàn)；改變流動狀態(tài)的另一途徑是設(shè)計(jì)出合理的流道截面，使流體按湍流或程度較高的紊流進(jìn)行流動，使流體不斷沖擊邊界層。同時(shí)，使截面最好能不斷改變流體的流動方向，如有意識地使流道截面不間斷地縮小、擴(kuò)大，即使在流速較小的情況下，流體在管內(nèi)外也可以形成比較強(qiáng)烈的擾動，從而提高管內(nèi)外的對流換熱系數(shù)。
    １．２　降低污垢系數(shù)ｒｉ及ｒｏ
    提高總傳熱系數(shù)Ｋ還可以用降低管內(nèi)外的污垢系數(shù)來達(dá)到。污垢的問題是換熱設(shè)備的老大難問題，多少年來，無數(shù)的科技工作者在這一領(lǐng)域進(jìn)行了大量的工作取得了一定的進(jìn)展，但都有局限性。在操作過程中，由于溫度的變化，原來溶解在流體中的一些成分，會析出沉積在傳熱表面形成污垢，每一種污垢都有它獨(dú)特的生成機(jī)理，這些污垢會增大設(shè)備的總熱阻，降低總傳熱系數(shù)。要降低換熱器的污垢熱阻，需從以下幾方面進(jìn)行考慮：
    １．適當(dāng)提高流體的流速，使流體中的沉積物不易沉積、結(jié)垢，但換熱器的壓降增大；
    ２．不斷地改變流體的流動方向，使流體不停地沖擊換熱管的壁面，讓流體中的各種雜質(zhì)不易在壁面停留；
    ３．選擇耐腐蝕的光滑材料，也可以減緩污垢的形成。
    ２　波紋管換熱器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
    管殼式波紋管換熱器最突出的優(yōu)點(diǎn)是可以迫使流體按規(guī)定路徑多次錯(cuò)流通過管束，使流體的湍流程度持續(xù)得到強(qiáng)化，其主要特點(diǎn)如下。
   １、傳熱效率高
    由于換熱管采用波紋管，管內(nèi)流道截面連續(xù)不斷地突變，造成流體即使在流速很低的情況下也始終處于高度湍流狀態(tài)，難以形成層流，使對流傳熱的主要熱阻被有效地克服，管內(nèi)外傳熱被同時(shí)強(qiáng)化，因而傳熱系數(shù)很高，一般為傳統(tǒng)管殼式換熱器的２～３倍。
    ２、防結(jié)垢能力強(qiáng)
    因流道內(nèi)流體的高度湍流，使流體中的微粒難以沉積結(jié)垢，即使有少量垢生成，由于介質(zhì)在管內(nèi)外湍流流動，對管壁沖刷強(qiáng)烈，防結(jié)垢能力強(qiáng)。另外，波紋管上存在著因管程與殼程溫差應(yīng)力而產(chǎn)生的應(yīng)變，使具有彈性特征的波紋管的曲率發(fā)生微觀變化，從而使波紋管換熱器具有防垢和除垢的能力。
    ３、應(yīng)力補(bǔ)償能力強(qiáng)
    波紋管因其結(jié)構(gòu)形狀和管壁較薄的特性，在管程與殼程溫差應(yīng)力較大時(shí)，具有彈性特征的波紋管的曲率發(fā)生微觀變化，用以補(bǔ)償、消除熱應(yīng)力，有效防止了傳統(tǒng)的管殼式換熱器換熱管易被拉裂等現(xiàn)象。
    ４、結(jié)構(gòu)緊湊、既小又輕
    由于波紋管換熱器傳熱系數(shù)很高，所需的換熱面積小，而且，波紋管的壁厚較薄，所以波紋管換熱器結(jié)構(gòu)緊湊、既小又輕。
    通過對換熱器強(qiáng)化傳熱原理的剖析和波紋管換熱器的結(jié)構(gòu)分析可見，獨(dú)特結(jié)構(gòu)形式的波紋管換熱器使流動流體始終處于湍流狀態(tài)，且不斷地沖刷管壁，有效地提高了換熱器的傳熱系數(shù)。
    ３　應(yīng)用實(shí)例某廠
    β－萘酚生產(chǎn)能力７ｔ／ｄ，精餾塔尺寸１２００ｍｍ×２００００ｍｍ，內(nèi)裝填３８ｍｍ矩鞍環(huán)填料。冷凝器直接置于塔頂部，選用１２ｍ２管殼式換熱器，屬內(nèi)回流形式。精餾塔工作壓力１０ｋＰａ（絕壓），溫度２００～２４０℃。由于冷凝水水質(zhì)不太好，且工作溫度較高，換熱管結(jié)垢降低了冷凝器換熱效果，迫使減少產(chǎn)量（一般使用１５個(gè)月后，生產(chǎn)能力降到開始時(shí)的６０％左右），為此需經(jīng)常調(diào)整操作參數(shù)，產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定。此外，冷凝器每使用二年左右，一些換熱管破裂，需檢修維護(hù)。
    鑒于以上問題，且該廠精餾塔的生產(chǎn)能力需擴(kuò)大到１０ｔ／ｄ，要求在原塔體和設(shè)備基礎(chǔ)的承載能力的條件下對其進(jìn)行技術(shù)改造，即要求塔頂冷凝器和塔內(nèi)填料的質(zhì)量不大于原有的。為此，選用了新型高效規(guī)整波紋填料和新型的管殼式波紋管換熱器。波紋填料的處理能力大、操作彈性高、壓降低，為生產(chǎn)能力的提高創(chuàng)造了有利條件。關(guān)鍵的塔頂冷凝器改用管殼式波紋管換熱器，傳熱面積仍為１２ｍ２，其質(zhì)量稍輕于原換熱器。
    技術(shù)改造于２００３年２月完成并投產(chǎn)，生產(chǎn)能力達(dá)到１０ｔ／ｄ，產(chǎn)品純度提高到９９．３％。根據(jù)穩(wěn)定運(yùn)行三年的現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)推算，管殼式波紋管換熱器的換熱效率比原來提高了３５％，而且，波紋管不易結(jié)垢，具有很好的熱應(yīng)力補(bǔ)償和抗拉裂功能。生產(chǎn)運(yùn)行和產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，檢修維護(hù)方便。
    ４　結(jié)論
    管殼式波紋管換熱器獨(dú)特的結(jié)構(gòu)形式使流體始終處于湍流狀態(tài)，且流體不斷地沖刷管壁，阻止或延緩結(jié)垢。波紋管結(jié)構(gòu)很好地迎合了強(qiáng)化傳熱過程機(jī)理，有效地提高了換熱器的傳熱系數(shù)３５％。管殼式波紋管換熱器的綜合性能好，體積小質(zhì)量輕，具有傳熱效率高、不易結(jié)垢和應(yīng)力補(bǔ)償?shù)忍攸c(diǎn)。