摘要：針對傳統的管殼式換熱器在高沸點、高凝固點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化傳熱的原理和結構特點，實踐證明該新型換熱器的傳熱系數提高了３５％。
　　關鍵詞：管殼式換熱器＋波紋管；特點；傳熱系數；應用
　　中圖分類號：ＴＱ０５１．５　　文獻標識碼：Ｂ　　文章編號：１００９－１９０４（２００６）０４－００４０－０３
　　管殼式換熱器由于其結構簡單、易清洗維修和造價低等優點，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，這種結構應用于高沸點、高凝固點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不好的場合。
　　高沸點、高凝固點物系的精餾塔冷凝器具有以下特點：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，從而導致管內壁表面溫度高，易結垢，影響冷凝效果和生產能力；②管、殼程溫差大，熱應力大，易造成列管拉裂；③精餾塔采用內回流結構，冷凝器直接置于塔頂部，考慮到塔體和塔基礎的投資，要求塔頂冷凝器的結構緊湊、既小又輕。
　　管殼式波紋管換熱器在管殼式換熱器的基礎上，采用強化傳熱原理把傳統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點，又克服了其固有的缺點，具有更為廣泛的應用領域。將其應用于高沸點、高凝固點物系的精餾塔冷凝器上，能夠有效地解決結垢、列管拉裂等問題。
　　１　強化傳熱原理
　　對傳統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，達到強化傳熱的目的。根據傳熱學基本公式：
              
    由式（１）可知，提高傳熱效率的途徑有三條：提高傳熱系數Ｋ；增大換熱面積Ｆ；加大對數平均溫差Δｔｍ。增大換熱面積和加大對數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備體積龐大和投資費用的大幅度增加；而加大對數平均溫差又要受到公用工程條件和分離物系性質的限制。只有提高傳熱系數，才是強化換熱最有效的途徑。
    傳熱系數Ｋ是換熱器的主要性能參數，眾所周知其計算公式為
             
    由式（２）可知，傳熱系數Ｋ值的大小與管內換熱系數αｉ、管外換熱系數αｏ，管內管外的污垢系數ｒｉ和ｒｏ，換熱管的外徑與內徑之比ｄｏ／ｄｉ，換熱管材料及導熱系數λｗ和管厚度δｗ有關。而換熱管的材料、規格一旦選定，則管外徑與內徑之比、壁厚及導熱系數等參數也隨之確定下來。所以，提高管內、外換熱系數αｉ和αｏ、降低污垢系數ｒｉ和ｒｏ，才能夠提高換熱器的總傳熱系數Ｋ。
    １．１　提高換熱系數αｉ及αｏ
    根據傳熱學對流傳熱準則方程：
             
    由雷諾數Ｒｅ和普朗特數Ｐｒ可見，管內、管外的對流換熱系數αｉ及αｏ與流體的流動狀態有極大關系，流動狀態的改變一方面可借助于流速的提高，但當流速提高到一定程度時，傳熱系數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，在設計換熱器時，提高傳熱系數不能單純靠提高流速來實現；改變流動狀態的另一途徑是設計出合理的流道截面，使流體按湍流或程度較高的紊流進行流動，使流體不斷沖擊邊界層。同時，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、擴大，即使在流速較小的情況下，流體在管內外也可以形成比較強烈的擾動，從而提高管內外的對流換熱系數。
    １．２　降低污垢系數ｒｉ及ｒｏ
    提高總傳熱系數Ｋ還可以用降低管內外的污垢系數來達到。污垢的問題是換熱設備的老大難問題，多少年來，無數的科技工作者在這一領域進行了大量的工作取得了一定的進展，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特的生成機理，這些污垢會增大設備的總熱阻，降低總傳熱系數。要降低換熱器的污垢熱阻，需從以下幾方面進行考慮：
    １．適當提高流體的流速，使流體中的沉積物不易沉積、結垢，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　波紋管換熱器結構特點
    管殼式波紋管換熱器最突出的優點是可以迫使流體按規定路徑多次錯流通過管束，使流體的湍流程度持續得到強化，其主要特點如下。
   １、傳熱效率高
    由于換熱管采用波紋管，管內流道截面連續不斷地突變，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，難以形成層流，使對流傳熱的主要熱阻被有效地克服，管內外傳熱被同時強化，因而傳熱系數很高，一般為傳統管殼式換熱器的２～３倍。
    ２、防結垢能力強
    因流道內流體的高度湍流，使流體中的微粒難以沉積結垢，即使有少量垢生成，由于介質在管內外湍流流動，對管壁沖刷強烈，防結垢能力強。另外，波紋管上存在著因管程與殼程溫差應力而產生的應變，使具有彈性特征的波紋管的曲率發生微觀變化，從而使波紋管換熱器具有防垢和除垢的能力。
    ３、應力補償能力強
    波紋管因其結構形狀和管壁較薄的特性，在管程與殼程溫差應力較大時，具有彈性特征的波紋管的曲率發生微觀變化，用以補償、消除熱應力，有效防止了傳統的管殼式換熱器換熱管易被拉裂等現象。
    ４、結構緊湊、既小又輕
    由于波紋管換熱器傳熱系數很高，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構緊湊、既小又輕。
    通過對換熱器強化傳熱原理的剖析和波紋管換熱器的結構分析可見，獨特結構形式的波紋管換熱器使流動流體始終處于湍流狀態，且不斷地沖刷管壁，有效地提高了換熱器的傳熱系數。
    ３　應用實例某廠
    β－萘酚生產能力７ｔ／ｄ，精餾塔尺寸１２００ｍｍ×２００００ｍｍ，內裝填３８ｍｍ矩鞍環填料。冷凝器直接置于塔頂部，選用１２ｍ２管殼式換熱器，屬內回流形式。精餾塔工作壓力１０ｋＰａ（絕壓），溫度２００～２４０℃。由于冷凝水水質不太好，且工作溫度較高，換熱管結垢降低了冷凝器換熱效果，迫使減少產量（一般使用１５個月后，生產能力降到開始時的６０％左右），為此需經常調整操作參數，產品質量不穩定。此外，冷凝器每使用二年左右，一些換熱管破裂，需檢修維護。
    鑒于以上問題，且該廠精餾塔的生產能力需擴大到１０ｔ／ｄ，要求在原塔體和設備基礎的承載能力的條件下對其進行技術改造，即要求塔頂冷凝器和塔內填料的質量不大于原有的。為此，選用了新型高效規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，為生產能力的提高創造了有利條件。關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，其質量稍輕于原換熱器。
    技術改造于２００３年２月完成并投產，生產能力達到１０ｔ／ｄ，產品純度提高到９９．３％。根據穩定運行三年的現場實測數據推算，管殼式波紋管換熱器的換熱效率比原來提高了３５％，而且，波紋管不易結垢，具有很好的熱應力補償和抗拉裂功能。生產運行和產品質量穩定，檢修維護方便。
    ４　結論
    管殼式波紋管換熱器獨特的結構形式使流體始終處于湍流狀態，且流體不斷地沖刷管壁，阻止或延緩結垢。波紋管結構很好地迎合了強化傳熱過程機理，有效地提高了換熱器的傳熱系數３５％。管殼式波紋管換熱器的綜合性能好，體積小質量輕，具有傳熱效率高、不易結垢和應力補償等特點。