自支承螺旋扁管在管壳式换热器中的应用

2022-10-07

自上世纪中期以来, 对传统的管壳式换热器如何进一步提高其传热效率已做了大量的探索和研究, 已根据不同的换热过程与换热工况开发出多种不同的强化传热元件及相应的管壳式换热器, 并有不同程度的工业化应用[1]。但到目前为止仍然有大量的管壳式换热器是采用传统的壳程折流构件如弓形折流板, 盘环形折流板。近年来对折流元件也做了大量的研究, 先后研究推出了双弓、三弓、整园槽孔、螺旋折流板、折流栅等等, 目的是减少折流构件的阻力提高传热速率。折流构件在工程应用, 除了有较显著的防振效果之外, 在减少流体扰动的同时, 传热效率也有所改善, 对壳程流体具有一定的强化作用[2]。综上所述早期的研究、生产主要立足于折流构件形式的改变, 未能走出附加折流构件的模式。

螺旋扁管 (图1) 的开发则改变了管式换热器管程折流需附加折流构件的局限, 它无需附加折流构件, 即能强化管程又可以强化壳程换热。这种换热器在一定的长径比范围具有更明节能、防垢的优势。目前主要应用于中氮肥变换气作热源的重沸器, 化工业、甲醇、立式降膜冷凝器, 炼油工业中的油品加热、冷却器、空气压缩机的中、后冷却器, 矿山机械油品冷却器。

一、自支撑螺旋扁管换热器的结构特点

自支撑螺旋扁管换热器是一种可逆流操作的轴向流的换热器。自支撑螺旋扁管换热器的壳程无需附加任何折流构件。它是通过改变换热管流体流动截面, 在实现传热强化的同时又使换热管有自支撑的作用[3], 如右图所示。由于达到了换热管之间自支撑的作用, 最大限度地减少了由于折流档板、折流杆栅和其它支撑形式的支撑存在的形体阻力, 与此同时又能将最大输送功率用于促进流体的动量传递和热量传递。独特的换热管截面结构和相应的壳程截面结构使流体的流动状态也有别于传统的管壳式换热器。

自支撑螺旋扁管换热器实验研究和工业化生产应用结果表明[4], 它既具有壳式换热器安全可靠, 操作弹性大的特性, 又兼有板式换热器换热效率高的优点, 其螺旋扁管与其它强化传热管形一样是普通光管经过二次加工成型, 其制造工艺主要是过“压扁”“扭曲”的成型过程。螺旋扁管任一截面可以是扁圆, 也可加工成椭圆。由于具有螺旋扭带似的外形结构和类似空心的螺旋扭带式的通道, 组装成管束时, 相同螺距的螺旋扁管最大外经相接触, 从而起到相互支承即管束的自支撑的作用。流体流过管束时由于离心力作用周期性地改变流体的流动速度和方向, 同时加强了流体的径向混合, 促进了管壳程流体的湍流强度[5]。

自支撑螺旋扁管高效换热器的开发应用改变了现有管壳式换热器管束的折流与支撑附加设置折流挡板、折流杆栅及其它形式支撑与折流构件的现状。由于自支撑螺旋扁管换热器开发不仅是减少了管壳式换热器支撑结构的材料消耗, 更主要的是提高了管壳式换热器传热效率, 避免了由于支撑和折流结构的存在所产生的形体阻力, 流动死角与有害流路。自支撑螺旋扁管换热器由于独有结构特点:壳程使流体具有均衡流的作用, 流体流动分布更合理, 管程由于螺旋扁管具有空心扭带的流道结构, 使管内流体产生二次流即螺旋和边界层分流, 除了具有显著的促进湍流提高传热速率之余, 使管程流体在流动状态下具一种自清洁的作用, 因此有一定的抗垢性能[3]。

二、自支撑螺旋扁管换热器的工业应用

1. 强化气体换热

在化肥、炼油、化纤、硫酸工业中有大量汽体换热设备, 由于汽体的导热系数低, 气一气换热传热系数低, 因此换热器的体积大, 耗材多, 汽体换热是国内外传热界的研究热点。如化肥生产中的变换气冷却器, 氢氮压缩机间级冷却器, 空气压缩机间级冷却器等, 由于特定的工业环境, 高温高压的作业条件是板式换器所不能取代的。对管壳式换热气体侧的换热性能直接影响换热器的造价。

2. 压缩机级间冷却器的传热强化

桂林某公司与华南理工大学合作成功地把自支撑螺旋扁管换热器技术应用于某化肥厂碳酸钾溶液再沸器 (立式) , 由废热锅炉来的变换气进入碳酸钾溶液再沸器的管内, 以此作为热源加热管外碳酸钾溶液至沸腾。由设计条件可知, 要提高碳酸钾溶液再沸器的传热效率, 主要是要换管程变换气的传热速率。空气压缩机级间冷却器的传热是一个长期未能较好解决的课题。常用的空气压缩机级间冷却器是压缩空气走管程, 冷却水在壳程, 既有卧式也有立式。为了提高压缩空气侧的换热效率, 采用了多种强化传热措施。如目前的强化管, 由于这种强化措施使得管内具有较密集的丝网, 同时挂锡的原因使得部分丝网产生贴连, 对换热性能有一定的提高, 但也付出了较高的阻力损失, 直接影响到压缩机轴功率, 严重时由于压缩空气带有的润滑雾粘着在丝网表面, 由此产生局部堵塞。对此压缩机专业制造厂家期待一种新型高效的压缩机级间冷却器, 既可提高传热效率又不产生无谓的泵功率消耗。通过模拟工业应用条件, 螺旋扁管用于压缩和级间冷却器进行试验研究, 试验结果表明, 在相同操作条件下, 空气侧的给热系数较普通光管提高, 与丝网挂锡管相比其传热效率相当, 但管内阻力降减少, 由于壳程螺旋扁管的特有结构, 使得冷却水侧在低流速下具有较高传热效率。故螺旋扁管冷却器总传热系数较普通光管冷却器提高, 为工业化的生产应用提供了设计依据。

3. 螺旋扁管用于冷凝传热强化

在化纤、乙稀、化工及制冷工程中由于工艺的需要或者是场地限制, 生产中应用相当数量的是立式冷凝器。尤其是对于有机介质的冷却, 一般来说较冷却水侧给热系数低, 通常情况下有机介质冷凝给热系数仅为水蒸汽的1/10。因此为了使冷凝器两侧的传热热阻相匹配, 以提高冷凝器的换热性能, 强化冷凝侧的传热速率是重要途径。对于垂直管内冷凝的传热强化, 国内外先后开发有多种强化元件, 虽然纵槽管有较好强化冷凝换热性能, 但由于制造成本较高, 尤其是对高强度的碳钢、不锈钢管, 制造技术也有一定的难度, 工业应用受到局限。因此寻求一种传热效率高, 制造成本低, 强化垂直管内、管外冷凝的高效换热元件, 是制造厂家和生产用户追求的目标。

我厂为某化纤企业提出了改造现有醋酸乙稀一甲酸立式冷凝器的改造课题, 通过物性分析和设计计算认为, 由于该冷凝器管程有机介质蒸汽是从底部进入, 冷却水在壳程折流, 是一种升膜冷凝传热过程。由于到目前为止我国化纤行业中所使用的这类冷凝器都是采用普通光管, 作为普通的光滑面冷凝器在升膜冷凝过程中, 冷凝液膜较厚, 传热热阻比较大, 将自撑螺旋扁管的强化传热技术应用立式冷凝有机介质的冷凝具有显著传热效果。

结论

自支承螺旋扁管高效换热器, 通过自身的特殊性能和结构, 可比传统的折流板换热器传热效率提高60%, 省材30%[6]。随着社会的发展, 社会对能源的要求越来越多, “低碳”已成为国内外广泛关注的焦点, 而自支承螺旋扁管换热器因其所具有的有传热效率高, 壳程流体流动助力小, 抗结垢性能高, 能够克服诱导振动等优点, 应该具有广大的市场前景。

摘要：自支撑螺旋扁管换热是一种无折流构件的紧凑型换热器, 最大限度地减少了由于折流构件的存在产生无谓形体阻力, 而将最大输送功率用于促进流体的传热过程。具有传热效率高, 流体流动助力小, 抗结垢性能高, 能够克服诱导振动。

关键词：螺旋扁管,自支撑式换热器,应用