新型螺旋式換熱器研究

發(fā)布時(shí)間：2009-7-7 瀏覽：2639

換熱器是廣泛用于石油、化工、電力、醫(yī)藥、冶金、制冷、輕工等行業(yè)的一種通用設(shè)備。主要作用使化工介質(zhì)達(dá)到要求的溫度，并且節(jié)能。換熱器種類繁多，其中管殼式換熱器用途最為廣泛，用量最大，通常在化工裝置中，換熱器約占總投資的10% 一20%。在石油煉制裝置中，換熱器約占全部工藝設(shè)備投資的35% ～4O% 。

　　一、換熱器的分類

　　換熱器分類方式多樣，按照其工作原理可分為：直接接觸式換熱器、蓄能式換熱器和問(wèn)壁式換熱器三大類，其中間壁式換熱器用量最大，據(jù)統(tǒng)計(jì)，這類換熱器占總用量的99%。間壁式換熱器又可分為管殼式和板殼式換熱器兩類，其中管殼式換熱器以其高度的可靠性和廣泛的適應(yīng)性，在長(zhǎng)期的操作過(guò)程中積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，其設(shè)計(jì)資料比較齊全，在許多國(guó)家都有了系列化標(biāo)準(zhǔn)。近年來(lái)盡管管殼式換熱器也受到了新型換熱器的挑戰(zhàn)，但由于管殼式熱交換器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、牢固、操作彈性大、應(yīng)用材料廣等優(yōu)點(diǎn)，管殼式換熱器目前仍是化工、石油和石化行業(yè)中使用的主要類型換熱器，尤其在高溫、高壓和大型換熱設(shè)備中仍占有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。

　　二、提高換熱效率的方法與措施

　　換熱器在化工生產(chǎn)過(guò)程中起著至關(guān)重要的作用，其投資費(fèi)用占全部投資費(fèi)用較大。傳統(tǒng)的管殼式換熱器單位體積的傳熱面積較低，傳熱系數(shù)不高，難以滿足生產(chǎn)要求，因而，高效換熱器的研究越來(lái)越得到重視。提高換熱器的換熱效率是節(jié)約能源、降低工程投資的關(guān)鍵，對(duì)于提高換熱效率國(guó)內(nèi)外非常重視。

　　目前主要采用下述措施：

　　1、研究應(yīng)用強(qiáng)化傳熱技術(shù)，擴(kuò)展傳熱面積和提高傳熱表面的傳熱性能;

　　2、改變換熱器折流板結(jié)構(gòu)(折流桿技術(shù)等)以提高殼程的傳熱膜系數(shù)，增加介質(zhì)的湍流性，防止介質(zhì)走短流;

　　3、換熱管內(nèi)外表面防污垢技術(shù)(防污垢涂層技術(shù))。

　　4、應(yīng)用數(shù)值傳熱技術(shù)的研究。目前研究應(yīng)用強(qiáng)化傳熱技術(shù)是提高傳熱效率很有效的一種技術(shù)措施，本文主要討論應(yīng)用強(qiáng)化傳熱技術(shù)對(duì)換熱器進(jìn)行改進(jìn)。所謂換熱器傳熱強(qiáng)化或增強(qiáng)傳熱是指通過(guò)對(duì)影響傳熱的各種因素的分析與計(jì)算，采取某些技術(shù)措施以提高換熱設(shè)備的傳熱量或者在滿足原有傳熱量條件下，使它的體積縮小。

　　換熱器傳熱強(qiáng)化通常使用的手段包括三類：擴(kuò)展傳熱面積(F);加大傳熱溫差;提高傳熱系數(shù)(K)。

　　1、擴(kuò)展傳熱面積F。擴(kuò)展傳熱面積是增加傳熱效果使用最多、最簡(jiǎn)單的一種方法。這種方法現(xiàn)在已經(jīng)淘汰�，F(xiàn)在使用最多的是通過(guò)合理地提高設(shè)備單位體積的傳熱面積來(lái)達(dá)到增強(qiáng)傳熱效果的目的，如在換熱器上大量使用單位體積傳熱面積比較大的翅片管、波紋管、板翅傳熱面等材料。

　　2、加大傳熱溫差△t。加大換熱器傳熱溫差△t是加強(qiáng)換熱器換熱效果常用的措施之一。但是，增加換熱器傳熱溫差△t是有一定限度的，我們不能把它作為增強(qiáng)換熱器傳熱效果最主要的手段，使用過(guò)程中我們應(yīng)該考慮到實(shí)際工藝或設(shè)備條件上是否允許。

　　3、增強(qiáng)傳熱系數(shù)(K)。增強(qiáng)換熱器傳熱效果最積極的措施就是設(shè)法提高設(shè)備的傳熱系數(shù)(K)。換熱器傳熱系數(shù)(K)值越低，換熱器傳熱效果也就越差。換熱器傳熱系數(shù)(K)值也就越高，換熱器傳熱效果也就越好。

　　上述三方面增強(qiáng)傳熱效果的方法在換熱器都或多或少的獲得了使用，但是由于擴(kuò)展傳熱面積及加大傳熱溫差常常受到場(chǎng)地、設(shè)備、資金、效果的限制，不可能無(wú)限制的增強(qiáng)。所以，當(dāng)前換熱器強(qiáng)化傳熱的研究主要方向就是：如何通過(guò)控制換熱器傳熱系數(shù)(K)值來(lái)提高換熱器強(qiáng)化傳熱的效果。我們現(xiàn)在使用最多的提高換熱器傳熱系數(shù)(K)值的技術(shù)就是：在換熱器換熱管中加擾流子添加物，通過(guò)擾流子添加物的作用，使換熱器傳熱過(guò)程的分熱阻大大的降低，并且最終來(lái)達(dá)到提高換熱器傳熱系數(shù)(K)值的目的。

　　(1)、換熱器上擾流子強(qiáng)化傳熱的使用。為了提高換熱器的傳熱系數(shù)，強(qiáng)化換熱器的傳熱效率，國(guó)內(nèi)外出現(xiàn)了多種強(qiáng)化元件及強(qiáng)化措施，主要包括在換熱器中使用螺紋管、橫紋管、縮放管、大導(dǎo)程多頭溝槽管、整體雙面螺旋翅片管以及互程技術(shù)在換熱管中加擾流子來(lái)強(qiáng)化管內(nèi)換熱等。其中，在換熱管中加擾流子添加物進(jìn)行強(qiáng)化傳熱在工業(yè)上已使用了多年，它可以使換熱器總的傳熱系數(shù)出現(xiàn)明顯的提高，可以大大節(jié)省換熱器的傳熱面積，降低設(shè)備重量，節(jié)約大量金屬材料，它的許多優(yōu)點(diǎn)已日益引起人們的重視。

　　(2)、采用異形管。為了強(qiáng)化管束傳熱，在工程應(yīng)用上已越來(lái)越廣泛地采用異形管來(lái)代替圓管。如橢圓管、滴形管、透鏡管等。其中以扁管和橢圓管應(yīng)用最廣。以橢圓矩形翅片管為例，經(jīng)研究證明與圓管相比，由于橢圓管的流動(dòng)性好，流動(dòng)阻力小，且在相同的管橫截面積下，橢圓管的傳熱周邊比圓管長(zhǎng);從布置上講在單位體積內(nèi)可布置更多的管子，因此單位體積的傳熱量高。在滿足一定換熱量的前提下，換熱器向著高效、緊湊的方向發(fā)展。強(qiáng)化傳熱技術(shù)的應(yīng)用，國(guó)內(nèi)研發(fā)了一些新型高效換熱器如內(nèi)凸肋管式換熱器、螺旋式高效換熱器。

　　三、換熱器的改進(jìn)

　　借鑒以往換熱器的研究成果，在本文中對(duì)換熱器提出了如下改進(jìn)，設(shè)計(jì)了一種新?lián)Q熱器一內(nèi)凸肋螺旋式高效換熱器。內(nèi)凸肋螺旋式換熱器，該產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點(diǎn)如下：1.換熱管采用內(nèi)凸肋以擴(kuò)展傳熱面積;2.換熱管是螺旋橢圓截面;3.管柬中管子與管子在橢圓長(zhǎng)軸處相接觸，相互支撐百取消了折流板; 換熱管采用螺旋式形狀。該換熱器有如下優(yōu)勢(shì)：1.換熱管采用內(nèi)凸肋以擴(kuò)展傳熱面積;2.無(wú)折流板結(jié)構(gòu)以提高殼程的傳熱膜系數(shù)，增加介質(zhì)的湍流性;3.換熱管改變成螺旋形換熱管，使之換熱形式由直通式流動(dòng)換熱變成螺旋紊流流動(dòng)換熱，流動(dòng)換熱長(zhǎng)度增加1.5倍，換熱效率提高1.9倍，比光滑管設(shè)備體形小，重量輕，節(jié)約原材料。該新型換熱器比常規(guī)管殼式換熱器可節(jié)省傳熱面積26%一56%，節(jié)省制造成本2O%一35%。同等性能條件下，高效節(jié)能換熱器體積減小，能夠大大降低項(xiàng)目投資。

　　四、換熱管的生產(chǎn)方法

　　內(nèi)凸肋橢圓換熱管可以采用板帶軋制與焊接鋼管聯(lián)合法生產(chǎn)。此種方法以板帶為原料，通過(guò)具有成型軋輥及光面軋輥的板帶軋制成內(nèi)凸肋的異型帶材。之后在焊接機(jī)上焊接成所需的異壁異型鋼管。內(nèi)凸肋板帶的軋制方法

　　1、單機(jī)軋制法。將板材通過(guò)一對(duì)具有與成品最后形狀相同孔型的軋輥軋制成內(nèi)凸肋的板帶材。

　　2、連軋法。將板材通過(guò)帶有不同肋寬的軋輥，呈連續(xù)布置的3架～5架軋機(jī)，軋成帶有內(nèi)凸肋的板帶材。

　　3、五輥軋制成型法。由于單機(jī)軋制法在軋制時(shí)存在嚴(yán)重的不均勻變形，在內(nèi)凸肋之間凹處的金屬橫向流動(dòng)很少，往往在軋后會(huì)形成波浪，當(dāng)使用厚度與成品厚度相差較大的原料時(shí)，就必須用較大的壓縮量或增加軋制首次，以及多次中間退火才能完成軋制任務(wù)。連續(xù)成型法相對(duì)可以部分避免單機(jī)軋制成型的缺點(diǎn)，即金屆橫向流動(dòng)形成規(guī)定的外形比單機(jī)軋制平緩。但連軋成型設(shè)備組成比較復(fù)雜，并且每一種規(guī)格縱向肋片的板帶必須配有不同形狀的軋輥。

　　為克服上述三種成型方法的不足，最近又用五輥成型機(jī)連軋縱向內(nèi)凸肋異型板帶材。為保證軋后縱向內(nèi)凸肋板帶材的凸肋外形尺寸符合要求，在孔型設(shè)計(jì)時(shí)必須根據(jù)軋制條件綜合各種影響因素(如溫度、硬化因素)來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。之后把多根傳熱管卷成同心螺旋并固定在蓋板和殼體之間;每～根傳熱管的兩端分別與一根進(jìn)口管和一根出口管連接。殼體可以是鑄件，也可以是卷制鋼板。鑄件殼可以根據(jù)螺旋管的形狀鑄造，使殼體內(nèi)空間得到充分利用，而鋼制簡(jiǎn)體則不能充分利用空間。傳熱管可以用碳鋼、銅、銅合金、鎳合金等材質(zhì)制成。內(nèi)凸肋螺旋管式換熱器與一般換熱器相比，具有傳熱系數(shù)大、結(jié)構(gòu)緊湊、易于清洗、污垢熱阻小等優(yōu)點(diǎn)，適于處理粘度大的流體或含固體顆粒的泥漿，工程上可得到廣泛的應(yīng)用。