旋流高效管殼式換熱器應(yīng)用

作者: 2013年07月22日 來源: 瀏覽量:
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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

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。

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