新型空心內(nèi)管換熱器

                                                      新型空心內(nèi)管換熱器
                                                           趙文閣1,高玉華2　　
    (1.大連頂金通用設(shè)備制造有限公司,遼寧大連　116100;　　2.中國(guó)石油遼陽石化公司機(jī)械廠,遼寧遼陽　111000)　　
    摘　要：介紹了一種新型空心內(nèi)管換熱器。該換熱器的核心結(jié)構(gòu)就是在管殼式換熱器換熱管束中的每個(gè)換熱管內(nèi),各內(nèi)置1根封閉的空心內(nèi)管,在該內(nèi)管外固定有小螺旋導(dǎo)流葉片,并將內(nèi)管的一端或兩端固定于管板或殼體上。該結(jié)構(gòu)可以改善管內(nèi)循環(huán)狀態(tài),提高換熱強(qiáng)度。具有該結(jié)構(gòu)形式的換熱器,同時(shí)具備管殼式換熱器結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高和板式換熱器換熱系數(shù)高的優(yōu)點(diǎn),是綜合性能較為優(yōu)越的換熱器形式。
    關(guān)　鍵　詞：換熱器;結(jié)構(gòu);空心內(nèi)管;小螺旋導(dǎo)流葉片;提高;換熱強(qiáng)度
    中圖分類號(hào)：TP274　　　文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A　　　文章編號(hào)：1005-2895(2009)02-0082-03
    0　引言
    長(zhǎng)期以來,以結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高為特點(diǎn)的管殼式換熱器始終居于間壁式換熱器的主導(dǎo)地位。近些年來,由于節(jié)約能源日益受到重視,高換熱性能的板式類換熱器的應(yīng)用發(fā)展比較迅速。最新出現(xiàn)的空心內(nèi)管換熱器,不僅結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高,而且換熱性能好,為探索理想的換熱器結(jié)構(gòu)做出了嘗試。換熱器是重要的化工單元操作設(shè)備,在工農(nóng)業(yè)各領(lǐng)域中的應(yīng)用十分廣泛。換熱器換熱性能的優(yōu)劣,不僅對(duì)生產(chǎn)成本及企業(yè)經(jīng)營(yíng)有影響,而且對(duì)全球的能源節(jié)約和環(huán)境保護(hù)有深遠(yuǎn)意義。因此換熱設(shè)備的研究受到世界各國(guó)政府和研究機(jī)構(gòu)的普遍重視,投入也逐年增多。一般就換熱的方式而言,主要可分為混合式換熱、蒸發(fā)式換熱、間壁式換熱等。其中又以間壁式換熱器應(yīng)用最為廣泛,占到總量的99%以上。間壁式換熱器形式現(xiàn)在已發(fā)展得非常豐富,其中最主要的形式有管殼式換熱器、板式換熱器、板翅式換熱器、板殼式換熱器等[1]。近年來,隨著世界能源形勢(shì)的日益緊張,換熱系數(shù)較高的、屬于節(jié)能型的板式換熱器,得到了較快的應(yīng)用和發(fā)展,改變了長(zhǎng)期以來結(jié)構(gòu)堅(jiān)固的管殼式換熱器獨(dú)攬?zhí)煜碌木置?。如果是一臺(tái)結(jié)構(gòu)及性能都較為理想的換熱器,它至少應(yīng)具備如下幾個(gè)主要特征: 1)具有較高的換熱系數(shù),即具有高效節(jié)能的性能; 2)具有較優(yōu)良的承壓及耐溫性能,即結(jié)構(gòu)堅(jiān)固,可以達(dá)到相對(duì)理想的最高工作壓力、最高工作溫度和最大換熱溫差; 3)具有良好的防腐蝕及耐腐蝕性能; 4)易于制造和檢驗(yàn)、便于檢查和維修等。此外還要求具備不易結(jié)垢、振動(dòng)輕微、結(jié)構(gòu)緊湊、耗材省、占地少、壽命長(zhǎng)等性能。各設(shè)計(jì)部門在進(jìn)行換熱器選型及設(shè)計(jì)時(shí),對(duì)于防腐的問題一般都在選材上予以考慮,同時(shí)螺紋管換熱管則在實(shí)踐中對(duì)于抗結(jié)垢方面有明顯的效果,而螺旋折流板、折流環(huán)、高效折流桿等,在改善殼程流體循環(huán)狀態(tài)的同時(shí),對(duì)于束縛換熱管束,減弱管束振動(dòng)效果也好于傳統(tǒng)方式?？v觀占市場(chǎng)及應(yīng)用絕對(duì)比例較高的管殼式換熱器及板式換熱器的整體情況,存在2個(gè)問題:一個(gè)問題是,長(zhǎng)期以來占據(jù)換熱器使用及能源消耗絕對(duì)主導(dǎo)地位的管殼式換熱器的換熱系數(shù)相對(duì)較低,大多數(shù)管殼式換熱器液-液換熱時(shí)僅有850~1200W /(m2·℃)左右,還達(dá)不到板式換熱器的一半;另一個(gè)問題是,相對(duì)具有較高換熱系數(shù),屬于高效節(jié)能型式的,近年來發(fā)展及應(yīng)用較為迅速的板式換熱器,其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度則較低,最大工作壓力僅為2. 0~3. 5 MPa,只是管殼式換熱器十幾分之一至幾分之一,在很多中高壓場(chǎng)合都無法應(yīng)用,決定性地束縛了板式換熱器的發(fā)展[2]。所以在目前的換熱器應(yīng)用領(lǐng)域中,尚缺乏換熱系數(shù)既高又承壓能力好的、綜合性能相對(duì)優(yōu)良的理想的換熱器結(jié)構(gòu)形式,以滿足當(dāng)前經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)及節(jié)約能源的形勢(shì)需要。
    1·空心內(nèi)管換熱器的結(jié)構(gòu)
    空心內(nèi)管換熱具有較明顯的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)?？招膬?nèi)管換熱器的結(jié)構(gòu)核心,就是在管殼式換熱器換熱管束中的每個(gè)換熱管內(nèi),各內(nèi)置1根封閉的空心內(nèi)管,在該內(nèi)管外固定有小螺旋導(dǎo)流葉片,并將各內(nèi)管的一端或兩端通過連接短桿或板條互相連接,將內(nèi)管固定于管板或殼體上,如圖1所示。
                
    空心內(nèi)管換熱器與現(xiàn)有各種換熱器的區(qū)別,主要在于其換熱管內(nèi)加裝了具有外螺旋的空心內(nèi)管裝置,因而其傳熱機(jī)理也有別于其他換熱器。通過傳熱分析可見:增強(qiáng)傳熱的措施一是加大溫差,一是減少熱阻。溫差一般由工藝限定。在傳熱通道中,各熱阻的總和構(gòu)成總熱阻,減小熱阻最大的環(huán)節(jié)熱阻,對(duì)改善傳熱最為有效。由于金屬熱阻甚小,可以忽略,而提高介質(zhì)流速的機(jī)械能損失更大,重點(diǎn)只能采用改善介質(zhì)循環(huán)對(duì)流狀態(tài),增強(qiáng)擾動(dòng)及破壞層流底層、減薄滯流層厚度的辦法來減少熱阻。管殼式換熱器中殼程循環(huán)弱于管程,人們以往的改進(jìn)都側(cè)重于殼程,在諸般改進(jìn)后,使殼程循環(huán)大為改善。管程不能橫向沖刷,殼程可以橫向沖刷,這對(duì)滯流層擾動(dòng)很有成效。管程中盡管流速較高,但流速穩(wěn)定時(shí)滯流層比較穩(wěn)定,當(dāng)殼程循環(huán)被人們逐步改善的時(shí)候,管程穩(wěn)定的滯流層厚度對(duì)總熱阻的影響都變得越來越大,甚至已成為總熱阻的主導(dǎo)因素之一。鑒于管殼換熱器堅(jiān)固的結(jié)構(gòu)和板式薄層換熱優(yōu)越的傳熱機(jī)理,專利技術(shù)空心內(nèi)管換熱器設(shè)計(jì)提出了套管束模型傳熱方式。在用該方式換熱時(shí),A相流體在外管外部流動(dòng);B相流體在內(nèi)管外部、外管內(nèi)部的環(huán)形流道里,呈薄層、環(huán)狀地向前流動(dòng)。環(huán)狀薄層流動(dòng),相對(duì)于傳統(tǒng)的柱狀流動(dòng),將滯流層相應(yīng)減到極薄、因而熱阻低、提高了垂向傳熱速率,使該結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)較高?？招膬?nèi)管換熱器是基于管殼式換熱器結(jié)構(gòu),并加以改進(jìn)而成的,本身就具有高承壓能力,而換熱性能又較普通管殼式換熱器具有本質(zhì)的提高?？梢哉f,它在換熱和強(qiáng)度方面兼具管殼式換熱器和板式換熱器二者之長(zhǎng),具有明顯的綜合性能優(yōu)勢(shì)。
    空心內(nèi)管換熱器(專利號(hào)200720193395. 7)[3]的結(jié)構(gòu)方式,可適用于現(xiàn)有的各種管殼式換熱器,包括:固定管板式、浮頭式、U形管式換熱器等等。
    2·空心內(nèi)管換熱器的特征
    空心內(nèi)管換熱器為套管結(jié)構(gòu),具有能夠薄層換熱的環(huán)形流道,沿小螺旋導(dǎo)流葉片形成的一種螺旋前進(jìn)環(huán)狀薄層空間流通。當(dāng)B相流體在此流道中流動(dòng)時(shí),受到沿圓周切向方向的分力作用,使液體時(shí)刻對(duì)管壁保持良好的切向沖刷狀態(tài),有力地破壞了滯流層的穩(wěn)定存在,使其達(dá)到最大程度的減薄和削弱,因而極大地減小了該處的傳熱熱阻,提高了傳熱速率和傳熱系數(shù)。板式換熱器較高的換熱系數(shù),一方面由于薄液層換熱,垂向傳熱梯度大,需要相對(duì)滯留換熱時(shí)間短,傳熱速率大;另一方面由于板片呈波紋狀,使得流體流動(dòng)過程中保持對(duì)板面的迂回曲折性良好的沖刷狀態(tài),而空心內(nèi)管換熱器同樣具備薄層換熱和螺旋沖刷作用,且螺旋切向沖刷的效果要好于曲折沖刷。有鑒于此,美國(guó)ABB Lummus采用了紐帶、紐絲、彈簧以及鏈帶作為管內(nèi)插入物[4]。增加對(duì)A相而言,管殼式換熱器殼程循環(huán)中公認(rèn)最先進(jìn)的方式是35°左右的螺旋折流板循環(huán)方式[5]。現(xiàn)東方億鵬公司等已制造了200余臺(tái)15°斷續(xù)擬螺旋的該類設(shè)備。
    空心內(nèi)管換熱器的優(yōu)點(diǎn)是換熱系數(shù)大、承壓能力高、適應(yīng)較高的溫度和較大的溫差,此外還具有急冷急熱換熱、小溫差換熱、恒溫控制換熱、低溫低值回收換熱等優(yōu)勢(shì)。它提出的套管束模型,通過套管束將板式換熱中的薄層換熱、垂向傳熱梯度大,相對(duì)滯留時(shí)間長(zhǎng),滯流層減薄等優(yōu)勢(shì)換熱本質(zhì)納入管殼式圓管圓筒耐壓結(jié)構(gòu)中,使B相產(chǎn)生了環(huán)狀流動(dòng),薄層換熱,并適應(yīng)急冷急熱、超小溫差換熱、低值、恒溫等工藝難度高的換熱方式。
    3·空心內(nèi)管換熱器與傳統(tǒng)換熱器性能的比較
    在板式換熱設(shè)備中,作為A、B 2相流體換熱間壁的板片,一般均被壓制成波紋形狀。設(shè)備運(yùn)行時(shí),流體在薄層流道中迂回前進(jìn),較好地沖刷了板面,極大地破壞了層流底層,滯流層極薄,加之薄液層中垂向傳熱梯度較大,所需換熱滯留時(shí)間較短,所以具有比管殼式換熱器較高的換熱速率和換熱系數(shù),一般都在3000~5000W /(m2·℃)左右。但在這種總體平板的結(jié)構(gòu)中,對(duì)抗液體壓力的是材料的抗彎屈服應(yīng)力,所以使得設(shè)備所能承受的壓力較低,一般2~3. 5MPa左右,對(duì)高溫高壓不適用,使應(yīng)用受到限制。管殼式換熱器,一般最高工作溫度可以達(dá)到550℃左右、最大工作溫差可以達(dá)到50℃以上,這是其他換熱器,尤其是板式換熱器所不能比擬的[6]。管殼類換熱器的換熱面以管束為主,殼體為圓筒體,端面是橢圓形或碟形封頭。這種圓管、圓筒及拱形封頭,在受到來自內(nèi)部的液體壓力時(shí),轉(zhuǎn)化分散為材料內(nèi)部沿圓周方向的拉力,相對(duì)抗的是鋼材的抗拉屈服應(yīng)力,具有較好的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和承壓能力。例如U形管換熱器就可以承受高達(dá)30MPa的工作壓力。但管殼式換熱器的總換熱系數(shù)大都相對(duì)較低,約1000~1500 W /(m2·℃)左右,達(dá)不到板式換熱器的一半,較理想的螺旋折流板換熱器的換熱系數(shù)也僅達(dá)1400~1900 W /(m2·℃)。由內(nèi)管及外管構(gòu)成的套管換熱器,極其耐壓,現(xiàn)被核電站廣泛采用。缺點(diǎn)是換熱面積少,占地大,耗材多,不適于工業(yè)上推廣[7]。螺旋盤管換熱器由一根細(xì)管盤繞成螺旋并置于圓筒外殼內(nèi),換熱系數(shù)高,現(xiàn)多見于急冷器上,缺點(diǎn)是流量偏小,不易清洗,難以大型化。板殼式換熱器將板式換熱器固裝于圓筒外殼中取消拉緊螺栓,換熱系數(shù)非常高,且承壓可達(dá)30 MPa,但結(jié)構(gòu)復(fù)雜,成本高檢查及維修難度大,普及性差[8]。
    空心內(nèi)管換熱器,尤其是具有螺旋折流板的U形管式空心內(nèi)管換熱器,就綜合性能而言,是目前相對(duì)較為理想的換熱器。它耐壓、高效、不易結(jié)垢、制造簡(jiǎn)單、維修方便,并可大大縮短換熱器長(zhǎng)度、減少制造成本和占地面積,既能適應(yīng)較高的換熱溫度和較大的換熱溫差,也能實(shí)現(xiàn)超小的換熱溫差和控制精細(xì)的輸出溫度以及不同的流量變化。該設(shè)備的制造簡(jiǎn)單方便:其設(shè)計(jì)主要參數(shù)為內(nèi)外管直徑、管束排布密度、以及大為縮短的管束長(zhǎng)度及大、小螺旋葉的螺距等;空心內(nèi)管及小螺旋葉都較易制備,將小螺旋葉固定在空心內(nèi)管上,插入外管內(nèi),并將2端固定即可。至于外螺旋的制作則稍難,目前我國(guó)只有齊魯石化公司機(jī)械廠等少數(shù)廠家利用MCV-1700加工中心機(jī)宏指令數(shù)控加工制造[5]。我們希望,隨著螺旋折流板加工技術(shù)的不斷突破,隨著環(huán)形流道、薄層換熱、螺旋前進(jìn)、切向沖刷等理論上的深入研究及實(shí)踐上的不斷完善,空心內(nèi)管換熱器得到較好的應(yīng)用和發(fā)展!
    3·結(jié)語
    長(zhǎng)期以來,管殼式換熱器的換熱系數(shù)都較低,板式換熱器承壓低,具有套管束的空心內(nèi)管換熱器,以其環(huán)狀通道、環(huán)形流動(dòng)、螺旋沖刷、薄層換熱,傳熱系數(shù)高同時(shí)保持較高的承壓能力,而且制造簡(jiǎn)單,維修方便是綜合性能較為理想的換熱器形式。并可以用此技術(shù)直接改造現(xiàn)存的一些換熱器設(shè)備,容易實(shí)施,是一項(xiàng)實(shí)用的改進(jìn)技術(shù)。
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