旋流高效管殼式換熱器應(yīng)用

張桂芹  相來平  王建慶
黑龍江大慶石化公司煉油廠

    摘要：該文系統(tǒng)的論述了旋流高效管殼式換熱器的設(shè)計原理，流體特性以及一些突出的優(yōu)點，同時對在國內(nèi)第一次在生產(chǎn)裝置的現(xiàn)場應(yīng)用做了初步的總結(jié)，對此項專利技術(shù)的推廣應(yīng)用具有一定的借鑒作用。
    關(guān)鍵詞：螺旋扭曲   橢圓截面換熱管   旋轉(zhuǎn)擾動
    中圖分類號：TG文獻(xiàn)標(biāo)識：A文章編號：1006-7833(2009)07-363-01
    一、前言
    目前，管殼式換熱器廣泛應(yīng)用于煉油、化工、動力等需要換熱的過程工業(yè)領(lǐng)域，尤其在煉油和化工系統(tǒng)裝置中占有較大比重，約占石化行業(yè)工藝設(shè)備總重的30％—40％。為了降低換熱設(shè)備的重量，減少換熱設(shè)備的體積，節(jié)能降耗，應(yīng)力求強(qiáng)化傳熱過程。近年來已研制出多種高效換熱器，如折流桿換熱器、波紋管、波節(jié)管換熱器等，但它們均不同程度存在某些不足，其應(yīng)用場合受到一定的限制，不易推廣，因此使用最為廣泛的還是傳統(tǒng)的管殼式換熱器。
    在本世紀(jì)八十年代初期，前蘇聯(lián)研究人員首先對扭曲管束換熱器進(jìn)行一些有價值的理論和特性實驗研究，其技術(shù)關(guān)鍵是采用扭曲的橢圓截面管。這種換熱管束，不僅使管內(nèi)流動的傳熱介質(zhì)產(chǎn)生類似于含扭曲帶流道內(nèi)的旋轉(zhuǎn)運動，而且在管間流動的流體能獲得比縱向光滑管束更大的換熱系數(shù)。但這種扭曲管其制造難度太大，無法進(jìn)行工業(yè)生產(chǎn)，一直未能實際應(yīng)用。1984年瑞典和美國開始了扭曲管換熱器的產(chǎn)品開發(fā)，但只進(jìn)行了小批量生產(chǎn)。
    2000年大慶市濟(jì)民扶貧協(xié)會善德設(shè)計所設(shè)計了扭曲橢圓截面管高效換熱器，并于八月份在我車間重結(jié)晶蠟脫油裝置上進(jìn)行試用，至今一直運行良好，而且顯示出了優(yōu)良的換熱效果。據(jù)介紹這還是在我國煉油裝置上首次使用扭曲橢形截面管換熱器。
    二、旋流高效管殼式換熱器的傳熱特性
    旋流高效換熱器是以傳統(tǒng)管殼式換熱器為基礎(chǔ)，采用螺旋扭曲橢形截面換熱管（見圖）作為換熱元件，并設(shè)計了多種特殊結(jié)構(gòu)的檔流支承組件替代常規(guī)。
            
    管殼式換熱器的折流板，其它均采用常規(guī)管殼式換熱器零部件。由于扭曲橢形截面管的特殊形壯，在旋流高效換熱器中，管程物流和殼程物流均產(chǎn)生以旋轉(zhuǎn)為主要特征的復(fù)雜的流動，獲得較強(qiáng)的旋轉(zhuǎn)擾動，從而較大程度地強(qiáng)化了傳熱過程。因其管程物流和殼程物流的旋轉(zhuǎn)流動特性以及較好的強(qiáng)化傳熱效果，故稱其為旋流高效換熱器。在旋流高效管殼式換熱器中，由于取消了常規(guī)換熱器的折流板，殼程中的物流不再進(jìn)行橫向流動而改為在扭曲管之間的螺旋流道中的軸向流動，圖1的旋轉(zhuǎn)流動特性以及較好的強(qiáng)化傳熱效果，故稱其為旋流高效換熱器。圖2是螺旋扭曲橢形截面換熱管和旋流高效換熱器管束的圖片。
           
    旋流高效換熱器與普通管殼式換熱器相比，具有一些突出的優(yōu)點：
    1．強(qiáng)化傳熱效果好，流阻較小。由于旋流高效換熱器使管程物流和殼程物流均產(chǎn)生以旋轉(zhuǎn)為主要特征的復(fù)雜流動，獲得了較強(qiáng)的旋轉(zhuǎn)擾動，從而較大程度地強(qiáng)化了傳熱過程，特別是對于一些難于傳熱的粘性介質(zhì)、易于結(jié)焦（除螺旋扭曲橢形截面螺紋管外）結(jié)垢的介質(zhì)和不潔凈介質(zhì)的傳熱具有明顯的強(qiáng)化傳熱效果，而且在實際運行過程中始終能保持較好的強(qiáng)化傳熱效果，對于中小流量的物流傳熱可顯著提高給熱系數(shù)。換熱器旋流的作用，也使換熱介質(zhì)流動通暢，流阻較小。旋流高效換熱器的總傳熱系數(shù)一般可提高30％以上。
    2．結(jié)構(gòu)簡單，易于推廣應(yīng)用。本實用新型采用螺旋扭曲橢形截面換熱管和幾種檔流支承組件，其余均采用傳統(tǒng)的管殼式換熱器的基本結(jié)構(gòu)形式，結(jié)構(gòu)簡單易于實現(xiàn)，適合于各種壓力級別和不同溫度條件的管殼式換熱器的全部結(jié)構(gòu)形式，包括GBl51《鋼制管殼式換熱器》中所述的幾種結(jié)構(gòu)形式，如浮頭式、u型管式和固定管板式等結(jié)構(gòu)形式的管殼式換熱器，而且旋流高效換熱器的管束與常規(guī)管殼式換熱器的管束具有互換性，因而可廣泛應(yīng)用或替代傳統(tǒng)換熱器，易于推廣，成本較低。特別是在石化裝置的改擴(kuò)建中更具有廣闊的前景，在某些情況下裝置擴(kuò)容50％而只需更換換熱器管束，投資大大節(jié)省。
    3．使用壽命長。由于旋流高效換熱器殼程物流基本上為縱向流動，明顯地減少了管束的振動，大大降低了由于管束的振動而造成換熱管破裂等失效的可能性；同時也有效地消除了殼程物流橫向流動的“死區(qū)”，降低了積垢速率，從而延長了換熱器的使用壽命。
    4．管束外側(cè)易于清洗，管束中換熱管在一定條件下可更廣泛地采用正三角形排列，提高換熱設(shè)備單位體積／重量的換熱量。由于采用了螺旋扭曲橢形截面換熱管，使管束中管排間形成周期性的局部較大空隙，便于管柬外側(cè)的清洗，因而對于一些管束外側(cè)需要定期清洗的換熱器，其管束中的換熱管可更廣泛地采用正三角形排列替代正方形排列，在相同殼程直徑條件下可提高傳熱面積20％左右，從而可提高換熱設(shè)備單位體積／重量的換熱量。由于旋流高效換熱器的強(qiáng)化傳熱效果及上述原因，對于相同殼程直徑一般可提高單位傳熱溫差的傳熱量50％左右。
    三、旋流高效換熱器在蠟脫油車間的應(yīng)用
    2000年8月22日大慶石化公司煉油廠重結(jié)晶蠟脫油裝置的水溶劑回收系統(tǒng)塔頂換熱器（E一21）更新管束，采用了螺旋扭曲橢形截面換熱管，規(guī)格為DN700x6000，換熱面積為125m2，換熱管材質(zhì)為10#鋼。2000年9月我門車間對該換熱器進(jìn)行了粗略的標(biāo)定，結(jié)果如下：
            
    四、結(jié)論
    高效換熱器由于改變了管殼程物流的流動壯態(tài)，使其傳熱系數(shù)相對于普同換熱器有較大幅度的提高，在本裝置的應(yīng)用中，旋流高效換熱器與普通換熱器相比，傳熱系數(shù)提高了21％，效果十分顯注。
    本裝置的臘下油+溶劑經(jīng)旋流高效換熱器換熱后在換熱器出口處溫度可提高3度，從而可回收余熱（6.35-5.59）x10‘kcal/h，年節(jié)能折原油59t/a。同時還可減少下游冷卻器的冷卻熱負(fù)荷，節(jié)約循環(huán)冷卻水消耗約8.7萬t/a。采用旋流高效換熱年節(jié)能效益約17.9萬元。
    另外，應(yīng)該指出，由于管程物流為含有蠟晶體的懸濁液，并且管程與殼程均存在相變化，整個傳熱過程比較復(fù)雜。對于清潔液體的無相變熱傳遞過程，將會得到更理想的結(jié)果。