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管壳式换热器节能技术综述

摘要:采用节能技术的高效换热器不仅提高了能源利用率,且减少了金属材料的消耗,对推进石油化工行业的节能减排工作有着积极意义。简要介绍了管壳式换热器换热管强化传热技术和壳程强化传热技术,分析了各自的原理、优缺点及推荐使用场合。

关键词:换热器; 节能减排; 强化传热

中图分类号:TQ051. 5文献标识码:A文章号:1009-3281(2008)05-0016-05 目前在我国石油化工行业中,换热设备投资占设备投资的30%以上,在换热设备中,使用量最大的是管壳式换热器,其中80%以上的管壳式换热器仍采用弓形折流板光管结构,这种结构决定了换热器传热效果差,壳程压降大,与我国正在推行的节能减排政策不相适应。因此提高换热器的效能对化工行业节能减排、提高效益非常重要。

换热设备传热过程的强化就是力求使换热设备在单位时间内、单位传热面积传递的热量尽可能增多。应用强化传热技术的目的是为了进一步提高换热设备的效率,减少能量传递过程中的损失,更合理更有效地利用能源。提高传热系数、扩大单位传热面积、增大传热温差是强化传热的三种途径,其中提高传热系数是当今强化传热的重点。

一、换热管强化传热技术

管程的强化传热通常是对光管进行加工得到各种结构的异形管,如螺旋槽纹管、横槽纹管、波纹管、低螺纹翅片管(螺纹管)、螺旋扁管、多孔表面管、针翅管等,通过这些异形管进行传热强化。

1.螺旋槽纹管

螺旋槽纹管管壁是由光管挤压而成,如图1所示,有单头和多头之分,其管内强化传热主要由两种流动方式决定:一是螺旋槽近壁处流动的限制作用,使管内流体做整体螺旋运动产生的局部二次流动;二是螺旋槽所导致的形体阻力,产生逆向压力梯度使边界层分离。螺旋槽纹管具有双面强化传热的作用,适用于对流、沸腾和冷凝等工况,抗污垢性能高于光管,传热性能较光管提高2~4倍。

2、横槽纹管

横槽纹管如图2所示,其强化机理为:当管内流体流经横向环肋时,管壁附近形成轴向漩涡,增加了边界层的扰动,使边界层分离,有利于热量的传递。当漩涡将要消失时流体又经过下一个横向环肋,因此不断产生涡流,保持了稳定的强化传热作用。研究和实际应用证明:横槽纹管与单头螺旋槽纹管比较,在相同流速下,流体阻力要大一些,传热性能好些,其应用场合与螺旋槽纹管相同。

3、波纹管

对波纹管按流体力学观点分析:在波峰处流体速度降低,静压增加,在波谷处流速增加,静压降低。流体的流动在反复改变轴向压力梯度下进行,产生了剧烈的漩涡,冲刷流体的边界层,使边界层减薄。因此用波纹管做换热管从理论上讲:由于波节的存在,增加了对管内流体流动的扰动,使波纹管具有较好的传热效果,但流动特性不如光管的好。在低雷诺数下,波纹管的换热与阻力性能比明显好于光管;在高雷诺数下,波纹管与光管的换热与阻力性能比非常接近。波纹管的波形大致可分为以下几类:波鼓形、梯形、缩放形和波节形,详细结构分别见图3~6。

4、翅片管

翅片管是一种外壁带肋的管子,肋的截面形状有矩形、锯齿形、三角形、T 型、E型、花瓣型等等,这种管子有助于扩大传热面积,促进流体的湍流,一般用于以壳程热阻为主的情况。当壳程热阻为管程2倍以上时,使用翅片管是合适的。但不能用来处理容易结焦的介质,其中低螺纹翅片管(图7)和变形翅片管(图8)的翅化率一般小于3,用于管内介质给热系数比管外介质给热系数大于2倍以上

的情况时可以提高传热系数30%左右。

5、螺旋扁管

螺旋扁管(图9)的独特结构使流体在管内处于螺旋流动,促进湍流程度。实验研究表明:螺旋扁管管内膜传热系数通常比普通圆管大幅度提高,在低雷诺数时最为明显,达2~3倍;随着雷诺数的增大,通常也可提高传热系数50%以上。

6、表面多孔管

在普通金属管表面敷上一层多孔性金属层,形成表面多孔管。表面多孔管能显著地强化沸腾给热过程,但其表面的多孔状局限了其只能应用于无垢或轻垢的场合。制造表面多孔层的方法主要有:烧结法、火焰喷涂法、电镀法及机械加工法等。目前已投入规模生产的为烧结法和机械加工法。

7、针翅管

针翅管(图10)既扩大了传热面,又可造成流体的强烈扰动,极大地强化传热,而且压降不大,并可籍针翅互相支撑而取消折流支撑板(杆),大大节省支撑板材料,可代替光管和螺纹管作为油品换热器的换热管,也是低传热膜系数、高粘度介

质和含尘高温烟气的理想传热管,可用于油品等纵向流管束换热和烟气锅炉或余热回收中。

8、管内插入件

管内插入件是强化管内单相流体传热的行之有效的方法之一。目前管内插入件的种类很多,有纽带、螺旋线圈、螺旋片、静态混合器等。管内加麻花片纽带使管内换热系数比光管增加了56% ~95% ,摩擦系数增加了70% ~400%。因内插物是为了降低管内流体由层流转变到湍流时的临界雷诺数,一般说,它们在低雷诺数下强化传热的效果比湍流区更佳。目前强化传热管已广泛地应用于石油、化工、制冷、航空、车辆、动力机械等工业部门,在利用地热、海洋热能、太阳能以及余热等低温差能源中,强化传热管将更有应用价值。强化传热管提高了换热器的传热性能,并减小了换热器所需的传热温差和压降损失,有巨大的经济效益。

二、壳程强化传热技术

在管壳式换热器中,管束支撑结构的主要作用是:支撑管束,使壳程流体产生期望的流型和流速,阻止管子因流体诱导振动而发生失效。因此,管束支撑结构是壳程内的关键部件,直接影响着换热器壳程的流体流动和传热性能。管束支撑结构经过多年的研究、应用和发展,概括起来有3种类型:

(1)横流式支撑,如传统的弓形折流板,使壳程流体呈横向流动;

(2)纵流式支撑,如折流杆式等新型支撑,使壳程流体呈纵向流动;

(3)螺旋流式支撑,如螺旋折流板,使壳程流体呈螺旋流动,分别见图11~13。

1、折流杆换热器

传统的管壳式换热器壳程流体横向冲刷管束,传热效率较低,流动阻力大,常发生流体诱导振动而导致破坏。为解决换热管束的振动问题,美国菲利浦石油公司在20世纪70年代开发了折流杆式换热器(图14),该换热器不仅解决了振动问题,而且由于壳侧流体的纵向流动使折流杆换热器比传统的弓形折流板换热器传热系数提高30%左右,壳程压降减少50%。