新型空心內管換熱器
                                                           趙文閣1,高玉華2　　
    (1.大連頂金通用設備制造有限公司,遼寧大連　116100;　　2.中國石油遼陽石化公司機械廠,遼寧遼陽　111000)　　
    摘　要：介紹了一種新型空心內管換熱器。該換熱器的核心結構就是在管殼式換熱器換熱管束中的每個換熱管內,各內置1根封閉的空心內管,在該內管外固定有小螺旋導流葉片,并將內管的一端或兩端固定于管板或殼體上。該結構可以改善管內循環狀態,提高換熱強度。具有該結構形式的換熱器,同時具備管殼式換熱器結構強度高和板式換熱器換熱系數高的優點,是綜合性能較為優越的換熱器形式。
    關　鍵　詞：換熱器;結構;空心內管;小螺旋導流葉片;提高;換熱強度
    中圖分類號：TP274　　　文獻標志碼：A　　　文章編號：1005-2895(2009)02-0082-03
    0　引言
    長期以來,以結構強度高為特點的管殼式換熱器始終居于間壁式換熱器的主導地位。近些年來,由于節約能源日益受到重視,高換熱性能的板式類換熱器的應用發展比較迅速。最新出現的空心內管換熱器,不僅結構強度高,而且換熱性能好,為探索理想的換熱器結構做出了嘗試。換熱器是重要的化工單元操作設備,在工農業各領域中的應用十分廣泛。換熱器換熱性能的優劣,不僅對生產成本及企業經營有影響,而且對全球的能源節約和環境保護有深遠意義。因此換熱設備的研究受到世界各國政府和研究機構的普遍重視,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、蒸發式換熱、間壁式換熱等。其中又以間壁式換熱器應用最為廣泛,占到總量的99%以上。間壁式換熱器形式現在已發展得非常豐富,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,隨著世界能源形勢的日益緊張,換熱系數較高的、屬于節能型的板式換熱器,得到了較快的應用和發展,改變了長期以來結構堅固的管殼式換熱器獨攬天下的局面。如果是一臺結構及性能都較為理想的換熱器,它至少應具備如下幾個主要特征: 1)具有較高的換熱系數,即具有高效節能的性能; 2)具有較優良的承壓及耐溫性能,即結構堅固,可以達到相對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、便于檢查和維修等。此外還要求具備不易結垢、振動輕微、結構緊湊、耗材省、占地少、壽命長等性能。各設計部門在進行換熱器選型及設計時,對于防腐的問題一般都在選材上予以考慮,同時螺紋管換熱管則在實踐中對于抗結垢方面有明顯的效果,而螺旋折流板、折流環、高效折流桿等,在改善殼程流體循環狀態的同時,對于束縛換熱管束,減弱管束振動效果也好于傳統方式。縱觀占市場及應用絕對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個問題:一個問題是,長期以來占據換熱器使用及能源消耗絕對主導地位的管殼式換熱器的換熱系數相對較低,大多數管殼式換熱器液-液換熱時僅有850~1200W /(m2·℃)左右,還達不到板式換熱器的一半;另一個問題是,相對具有較高換熱系數,屬于高效節能型式的,近年來發展及應用較為迅速的板式換熱器,其結構強度則較低,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,在很多中高壓場合都無法應用,決定性地束縛了板式換熱器的發展[2]。所以在目前的換熱器應用領域中,尚缺乏換熱系數既高又承壓能力好的、綜合性能相對優良的理想的換熱器結構形式,以滿足當前經濟生產及節約能源的形勢需要。
    1·空心內管換熱器的結構
    空心內管換熱具有較明顯的結構優勢。空心內管換熱器的結構核心,就是在管殼式換熱器換熱管束中的每個換熱管內,各內置1根封閉的空心內管,在該內管外固定有小螺旋導流葉片,并將各內管的一端或兩端通過連接短桿或板條互相連接,將內管固定于管板或殼體上,如圖1所示。
                
    空心內管換熱器與現有各種換熱器的區別,主要在于其換熱管內加裝了具有外螺旋的空心內管裝置,因而其傳熱機理也有別于其他換熱器。通過傳熱分析可見:增強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,各熱阻的總和構成總熱阻,減小熱阻最大的環節熱阻,對改善傳熱最為有效。由于金屬熱阻甚小,可以忽略,而提高介質流速的機械能損失更大,重點只能采用改善介質循環對流狀態,增強擾動及破壞層流底層、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弱于管程,人們以往的改進都側重于殼程,在諸般改進后,使殼程循環大為改善。管程不能橫向沖刷,殼程可以橫向沖刷,這對滯流層擾動很有成效。管程中盡管流速較高,但流速穩定時滯流層比較穩定,當殼程循環被人們逐步改善的時候,管程穩定的滯流層厚度對總熱阻的影響都變得越來越大,甚至已成為總熱阻的主導因素之一。鑒于管殼換熱器堅固的結構和板式薄層換熱優越的傳熱機理,專利技術空心內管換熱器設計提出了套管束模型傳熱方式。在用該方式換熱時,A相流體在外管外部流動;B相流體在內管外部、外管內部的環形流道里,呈薄層、環狀地向前流動。環狀薄層流動,相對于傳統的柱狀流動,將滯流層相應減到極薄、因而熱阻低、提高了垂向傳熱速率,使該結構傳熱系數較高。空心內管換熱器是基于管殼式換熱器結構,并加以改進而成的,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的提高。可以說,它在換熱和強度方面兼具管殼式換熱器和板式換熱器二者之長,具有明顯的綜合性能優勢。
    空心內管換熱器(專利號200720193395. 7)[3]的結構方式,可適用于現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·空心內管換熱器的特征
    空心內管換熱器為套管結構,具有能夠薄層換熱的環形流道,沿小螺旋導流葉片形成的一種螺旋前進環狀薄層空間流通。當B相流體在此流道中流動時,受到沿圓周切向方向的分力作用,使液體時刻對管壁保持良好的切向沖刷狀態,有力地破壞了滯流層的穩定存在,使其達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。板式換熱器較高的換熱系數,一方面由于薄液層換熱,垂向傳熱梯度大,需要相對滯留換熱時間短,傳熱速率大;另一方面由于板片呈波紋狀,使得流體流動過程中保持對板面的迂回曲折性良好的沖刷狀態,而空心內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ABB Lummus采用了紐帶、紐絲、彈簧以及鏈帶作為管內插入物[4]。增加對A相而言,管殼式換熱器殼程循環中公認最先進的方式是35°左右的螺旋折流板循環方式[5]。現東方億鵬公司等已制造了200余臺15°斷續擬螺旋的該類設備。
    空心內管換熱器的優點是換熱系數大、承壓能力高、適應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勢。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,相對滯留時間長,滯流層減薄等優勢換熱本質納入管殼式圓管圓筒耐壓結構中,使B相產生了環狀流動,薄層換熱,并適應急冷急熱、超小溫差換熱、低值、恒溫等工藝難度高的換熱方式。
    3·空心內管換熱器與傳統換熱器性能的比較
    在板式換熱設備中,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。設備運行時,流體在薄層流道中迂回前進,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,一般都在3000~5000W /(m2·℃)左右。但在這種總體平板的結構中,對抗液體壓力的是材料的抗彎屈服應力,所以使得設備所能承受的壓力較低,一般2~3. 5MPa左右,對高溫高壓不適用,使應用受到限制。管殼式換熱器,一般最高工作溫度可以達到550℃左右、最大工作溫差可以達到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,在受到來自內部的液體壓力時,轉化分散為材料內部沿圓周方向的拉力,相對抗的是鋼材的抗拉屈服應力,具有較好的結構強度和承壓能力。例如U形管換熱器就可以承受高達30MPa的工作壓力。但管殼式換熱器的總換熱系數大都相對較低,約1000~1500 W /(m2·℃)左右,達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也僅達1400~1900 W /(m2·℃)。由內管及外管構成的套管換熱器,極其耐壓,現被核電站廣泛采用。缺點是換熱面積少,占地大,耗材多,不適于工業上推廣[7]。螺旋盤管換熱器由一根細管盤繞成螺旋并置于圓筒外殼內,換熱系數高,現多見于急冷器上,缺點是流量偏小,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,換熱系數非常高,且承壓可達30 MPa,但結構復雜,成本高檢查及維修難度大,普及性差[8]。
    空心內管換熱器,尤其是具有螺旋折流板的U形管式空心內管換熱器,就綜合性能而言,是目前相對較為理想的換熱器。它耐壓、高效、不易結垢、制造簡單、維修方便,并可大大縮短換熱器長度、減少制造成本和占地面積,既能適應較高的換熱溫度和較大的換熱溫差,也能實現超小的換熱溫差和控制精細的輸出溫度以及不同的流量變化。該設備的制造簡單方便:其設計主要參數為內外管直徑、管束排布密度、以及大為縮短的管束長度及大、小螺旋葉的螺距等;空心內管及小螺旋葉都較易制備,將小螺旋葉固定在空心內管上,插入外管內,并將2端固定即可。至于外螺旋的制作則稍難,目前我國只有齊魯石化公司機械廠等少數廠家利用MCV-1700加工中心機宏指令數控加工制造[5]。我們希望,隨著螺旋折流板加工技術的不斷突破,隨著環形流道、薄層換熱、螺旋前進、切向沖刷等理論上的深入研究及實踐上的不斷完善,空心內管換熱器得到較好的應用和發展!
    3·結語
    長期以來,管殼式換熱器的換熱系數都較低,板式換熱器承壓低,具有套管束的空心內管換熱器,以其環狀通道、環形流動、螺旋沖刷、薄層換熱,傳熱系數高同時保持較高的承壓能力,而且制造簡單,維修方便是綜合性能較為理想的換熱器形式。并可以用此技術直接改造現存的一些換熱器設備,容易實施,是一項實用的改進技術。
參考文獻:
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