鈦制螺旋波紋管高效換熱器的開發(fā)研究

摘要：介紹了鈦制螺旋波紋換熱管的結(jié)構(gòu)特點、傳熱性能、阻力特性、模擬計算、制造工藝，并列舉了螺旋波紋管高效換熱器在上海石化股份公司乙烯工程中實際應(yīng)用效果，指出鈦制換熱器是很有推廣應(yīng)用價值的高效節(jié)能產(chǎn)品，有廣闊地發(fā)展前景。
　　關(guān)鍵詞：鈦材；螺旋波紋管；高效換熱器；應(yīng)用
　　中圖分類號：TK172 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B 文章編號：1001—5523(2007)04—0030—02
　　1 概述
　　近二十年來．我們開發(fā)了多種形式的高效換熱元件．如T型槽道管換熱器、內(nèi)波外螺紋管換熱器、螺旋波紋管換熱器、高熱通量換熱器及管內(nèi)插入件換熱器等．廣泛用于工礦企業(yè)的擴(kuò)能改造．大大降低了設(shè)備投資和操作費用．為企業(yè)帶來了可觀的經(jīng)濟(jì)效益。特別是鈦制高效換熱器，以獨特的耐腐蝕、不污染、換熱效率高和可靠性好等特點，廣泛應(yīng)用于電站海水凝汽器、氯堿工業(yè)水預(yù)熱器、純堿工業(yè)冷凝器、加熱器等裝置中，應(yīng)用前景將更為廣闊。
　　2 結(jié)構(gòu)與性能
　　鈦管具有耐腐蝕性好，可靠性高，壽命長，經(jīng)濟(jì)合理等特點。鈦制螺旋波紋管換熱器保持了管殼式換熱器使用溫度、壓力、流量、熱負(fù)荷的一般要求，設(shè)計方法及加工技術(shù)成熟，可用于某種腐蝕介質(zhì)條件下。鈦制螺旋波紋管換熱器可在保持管殼式換熱器殼體、管板、管箱、支撐件等結(jié)構(gòu)不變的條件下，采用螺旋波紋管換熱元件及局部改進(jìn)，達(dá)到冷熱兩側(cè)流體強(qiáng)化傳熱的目的。
　　鈦制螺旋波紋管是經(jīng)過特殊滾軋工藝加工、具有雙面環(huán)狀螺旋波紋形槽道的強(qiáng)化傳熱管，見圖1。換熱基管的直徑Φ10～Φ60 mm．波峰與波谷間距離0．2～1．8 mm，壁厚0．5～3．0 mm，波距1．5～15 mm。管內(nèi)外壁存在波峰、波谷可有效提高紊流的脈動性．
    改變流體流動狀態(tài)．鈦制螺旋波紋管的兩端保留原來光滑管表面，以便與管板的脹焊連接性能，確保了換熱器的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及使用壽命。經(jīng)強(qiáng)度和拉力試驗，在壓力達(dá)到64 MPa，保壓30 min，不泄漏，不發(fā)生宏觀永久變形。
                 
    鈦制螺旋波紋管的主要傳熱特點：① 表面光潔，無垢層，污垢系數(shù)ε大大降低。②強(qiáng)度高、耐腐蝕性好，因而管壁可以比較薄，減少導(dǎo)熱熱阻δ/λ。③管內(nèi)外螺旋波紋形成的凹凸結(jié)構(gòu)．即波谷和波峰可有效提高管內(nèi)外流體紊流的脈動性，改變流體與管壁及流層之間的摩擦，減少層流厚度，促進(jìn)湍流，即使在流速低時，也能達(dá)到充分湍流，增強(qiáng)對流換熱，另外螺旋波紋結(jié)構(gòu)對污垢有自清理作用，因為污垢一般是沿著波峰邊緣形成平行的垢層．在運行時隨溫度變化．管子會膨脹和收縮．污垢與金屬的熱膨脹系數(shù)相差較大．加之流體的脈動性．會阻止污垢生成，實現(xiàn)自動清理。
    通過對比實驗．鈦制螺旋波紋管換熱器與光管換熱器相比，其傳熱系數(shù)K會提高1．3～2．6倍．效果非常明顯
    鈦制螺旋波紋管的阻力特性受換熱元件的結(jié)構(gòu)影響，波峰波谷引起流體脈動充分湍流而強(qiáng)化傳熱的同時，與光管相比較，隨波谷與波峰的間距和波距的不同．其阻力增加1.15～2.3倍，殼程阻力增加約1_3倍左右 ，與其他強(qiáng)化傳熱元件相比，阻力增加幅度比較?。畵Q熱系數(shù)增加顯著。
    3 數(shù)值實驗與應(yīng)用實例
    受工藝條件的限制，大型換熱器的傳熱和流動試驗相對比較困難，用解析方法求解，要作出大量的簡化假設(shè)，準(zhǔn)確度較差。
    數(shù)值模擬又稱數(shù)值實驗，它能很好解決這一難題，計算結(jié)果與工業(yè)考核基本一致，其準(zhǔn)確度得到工程技術(shù)人員的認(rèn)可。我們采用fluent軟件對螺旋波紋管和光管的管內(nèi)外傳熱和阻力性能作了模擬，如圖2～4所示．工藝物性條件和進(jìn)口流速條件均設(shè)定為一致。
                
    由上圖可以看出，當(dāng)流體流過管內(nèi)時在凹凸面的波峰與波谷間會產(chǎn)生速度、壓力突變，從而破壞層流底層，即使在較低的流速下也能達(dá)到湍流。正是這種較大的擾動破壞了邊界層熱阻，實現(xiàn)了管內(nèi)強(qiáng)化傳熱。為大型換熱器的試驗和設(shè)計提供了充分的理論基礎(chǔ)。
    鈦制螺旋波紋管換熱器已用于上海石化乙烯潤滑油系統(tǒng)冷卻器中，管程介質(zhì)是海水，材料是TA2，換熱管使用的是螺旋波紋管，殼程介質(zhì)是潤滑油，材料是Q235一B E 。自2006年9月投用至今，運行結(jié)果表明，操作平穩(wěn)，熱負(fù)荷約提高30％，各項工藝指標(biāo)達(dá)到了設(shè)計指標(biāo)，在節(jié)能改造中取得了明顯的經(jīng)濟(jì)效益。
    4 結(jié)論
    4．1 鈦制螺旋波紋管換熱器與光管換熱器相比，其傳熱系數(shù)可提高1．3-2．6倍，有效地多回收熱量。
    4．2 與光管換熱器相比，鈦制螺旋波紋管換熱器結(jié)構(gòu)形式和外形尺寸完全相同，有較好互換性和適應(yīng)性。
    4．3 鈦制螺旋波紋管換熱器對蒸餾水、海水、酸堿鹽溶液具有優(yōu)異的耐腐蝕l生，使用壽命可達(dá)20年以上。
    4．4 鈦制換熱器具有自清污垢作用，能保持穩(wěn)定長期的強(qiáng)化傳熱效果和操作周期。
    4．5 由于鈦制換熱器材料密度小、強(qiáng)度高，可減小設(shè)備體積和重量?？傊?，鈦制換熱器是很有推廣應(yīng)用價值的高效節(jié)能產(chǎn)品，近幾年來應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，表現(xiàn)出了廣闊地發(fā)展前景。