新型U形管換熱器的結構特點及工業(yè)應用

0  引言
    在高壓工況下，常用的換熱器主要有螺紋鎖緊環(huán)換熱器、Ω環(huán)換熱器、套管式換熱器、U形管換熱器。螺紋鎖緊環(huán)換熱器結構復雜、金屬耗量大、機加工配合件多、造價高、檢修工作量大；Ω環(huán)換熱器的Ω環(huán)加工難度大、檢修不方便；套管式換熱器在同樣換熱面積時所需空間大、單位傳熱面積的價格高，一般只適用于傳熱面積較小的場合；U形管換熱器具有結構簡單、金屬耗量最小等優(yōu)點。所以，在高壓工況下U形管換熱器比螺紋鎖緊環(huán)換熱器、
    Ω環(huán)換熱器、套管式換熱器的用量大。為避免普通U形管換熱器的諸多不足之處，我們開發(fā)了一種高效、安全、可靠的新型U形管換熱器，并獲得了技術專利權。
1  結構特點及優(yōu)點
    普通U形管換熱器的殼體一般為圓筒形，僅有一塊管板，將換熱管彎成U形，管子兩端固定在同一塊管板上。優(yōu)點是：因殼體和管子分開，管束可以自由伸縮，不會因管壁與殼壁之間的溫度差而產(chǎn)生熱應力，熱補償性能好；管程為雙程，流程較長，流速較高，管側傳熱性能好，承壓能力強；只有一塊管板，且無浮頭，所以結構簡單。在直徑相同的情況下?lián)Q熱面積最大，在高壓工況下金屬耗量比其他換熱器小，造價比其他換熱器低等。缺點有：U形管束與換熱管垂直方向的中心部位存在較大空隙，易結垢，流體易走短路，使傳熱效率降低；
    管板上排列的換熱管較少，管板直徑及厚度均較大，管子與管板間的殘余焊接應力大；換熱管的彎管段無支承件，管束易振動，易在此處形成殼程流體流動死區(qū)，易結垢，影響傳熱效果；需將管束從殼體內(nèi)抽出才能清洗管間污垢等。
    新型U形管換熱器的結構如圖1所示，主要由管箱、管板、清洗接口、換熱管、筒體、管間支承件、支座等組成。在流體流量較大、所需換熱面積較大的情況下，換熱器可由圖1所示換熱器串聯(lián)或并聯(lián)組成，或串、并聯(lián)混合聯(lián)接組成。該種換熱器的主要特點是：將換熱器的筒體和換熱管均設計制造成U型，換熱管的兩端分別固定在兩塊管板上；在U形換熱管的彎管段設置折流桿或彈簧等管間支承件；在簡體上設置供殼程清洗、排污用的接口。

2  應用實例
    某化肥企業(yè)聯(lián)醇裝置中的粗甲醇水冷器的工藝條件如下：氣量為100000Nm／h3左右，進氣溫度≤95℃，出氣溫度≤40℃，進氣壓力≤12.5MPa，進水溫度≤35℃，進水壓力≤0.38MPa，水冷器的循環(huán)水進出口壓差≤0.2MPa。該水冷器原來由兩臺傳熱面積為240m2、管間支承件為折流板的普通U形管換熱器串聯(lián)組成，管內(nèi)介質為氣體，管間介質為循環(huán)水。
    投產(chǎn)初期基本能滿足生產(chǎn)要求。大約運行一年后出現(xiàn)了下列問題：管子與管板間焊縫多處開裂，且補焊不久又重新開裂；多根換熱管磨損、甚至穿孔，不得不多次堵管；殼程結垢較嚴重，且清洗不方便；傳熱效率低，高溫季節(jié)水冷器的氣體出口溫度高達50℃，導致分離器出口氣體的醇含量偏高，每天損失大約2.5噸粗甲醇。我們認為主要原因是：管子與管板之間的連接采用了先脹后焊工藝，焊接時脹管過程中遺留于縫隙中的油污在高溫下生成氣體并受熱膨脹而從焊縫面逸出，嚴重影響焊縫質量。且管子與管板間焊縫未進行消除應力退火處理；組合應用U形管與折流板，且U形管的彎管段無管間支承件，導致較大的流體流動誘發(fā)振動，造成換熱管與折流板間的撞擊與磨損；殼程流體走短路，存在流動死區(qū)。
    該化肥企業(yè)在粗甲醇水冷器的更新改造中，選用了圖1所示的新型U形管換熱器。由四臺換熱面積為120m2的換熱器串、并聯(lián)混合聯(lián)接組成。鑒于該水冷器在使用過程中有多根換熱管被磨損，且殼程結垢嚴重，管間支承件選用了折流桿，以在換熱器的殼側建立固有的、無障礙的、大橫截面流體流道殼側流體，在整個殼程斷面內(nèi)以比較均勻的速度平行于管子軸向流動，消除管束產(chǎn)生流體誘導振動的根源和殼程內(nèi)嚴重的滯流區(qū)域，產(chǎn)生由支撐桿引起的流體“卡曼旋渦”分離和折流圈引發(fā)的“文丘里”效應，以防止管束振動，減少殼側污垢，強化殼程傳熱，降低殼側壓降。為防止冷卻水沖刷殼程進口處的換熱管段并造成侵蝕及振動，減小殼程進出口接管與管板間的介質停滯區(qū)而增加換熱管的有效換熱長度，避免因導流筒占據(jù)殼程空間而減少管板上的排管數(shù)，在殼程進出口處設置了外導流筒。換熱管與管板之間的連接方式選用先焊后脹的強度焊加貼脹，并對管子與管板間焊縫進行消除應力退火處理，以保證管子與管板間連接接頭的可靠性。
    新型U形管換熱器投入系統(tǒng)運行兩年半后，仍能完全滿足工藝要求，且未曾出現(xiàn)換熱管與管板間連接接頭失效的情況。表1是新、老粗甲醇水冷器在各自投入系統(tǒng)運行兩年半后的換熱效果對比情況。   

3  結語   
    與普通U形管換熱器相比，新型U形管換熱器具有下列優(yōu)點：換熱器的簡體與換熱管均為U形，與換熱管垂直方向的管束中心處無較大空隙，殼程流體不易走短路或形成流體流動死區(qū)，管間不易結垢；在U形換熱管的彎曲段設置了折流桿或彈簧、波網(wǎng)、空心環(huán)等管間支承件，可降低管束振動，強化換熱管彎曲段的傳熱；在筒體上設置了供殼程清洗用的清洗接口，方便殼程清洗；U形換熱管兩端分別固定在兩塊管板上，減小了管板直徑和厚度，降低了管板與換熱管焊接時的拘束應力及管子與管板間的焊接殘余應力，提高了換熱器的安全可靠性。