新型空心内管换热器

来源：发布时间：2014-07-11 11:28:42点击率：

长期以来,以结构强度高为特点的管壳式换热器始终居于间壁式换热器的主导地位。近些年来,由于节约能源日益受到重视,高换热性能的板式类换热器的应用发展比较迅速。出现的空心内管换热器,不仅结构强度高,而且换热性能好,为探索理想的换热器结构做出了尝试。换热器是重要的化工单元操作设备,在工农业各领域中的应用十分广泛。换热器换热性能的优劣,不仅对生产成本及企业经营有影响,而且对全球的能源节约和环境保护有深远意义。因此换热设备的研究受到世界各国政府和研究机构的普遍重视,投入也逐年增多。一般就换热的方式而言,主要可分为混合式换热、蒸发式换热、间壁式换热等。其中又以间壁式换热器应用为广泛,占到总量的99%以上。间壁式换热器形式现在已发展得非常丰富,其中主要的形式有管壳式换热器、板式换热器、板翅式换热器、板壳式换热器等[1]。近年来,随着世界能源形势的日益紧张,换热系数较高的、属于节能型的板式换热器,得到了较快的应用和发展,改变了长期以来结构坚固的管壳式换热器独揽天下的局面。如果是一台结构及性能都较为理想的换热器,它至少应具备如下几个主要特征: 1)具有较高的换热系数,即具有高效节能的性能; 2)具有较优良的承压及耐温性能,即结构坚固,可以达到相对理想的工作压力、工作温度和大换热温差; 3)具有良好的防腐蚀及耐腐蚀性能; 4)易于制造和检验、便于检查和维修等。此外还要求具备不易结垢、振动轻微、结构紧凑、耗材省、占地少、寿命长等性能。各设计部门在进行换热器选型及设计时,对于防腐的问题一般都在选材上予以考虑,同时螺纹管换热管则在实践中对于抗结垢方面有明显的效果,而螺旋折流板、折流环、高效折流杆等,在改善壳程流体循环状态的同时,对于束缚换热管束,减弱管束振动效果也好于传统方式。纵观占市场及应用比例较高的管壳式换热器及板式换热器的整体情况,存在2个问题:一个问题是,长期以来占据换热器使用及能源消耗主导地位的管壳式换热器的换热系数相对较低,大多数管壳式换热器液-液换热时仅有850~1200W /(m2·℃)左右,还达不到板式换热器的一半;另一个问题是,相对具有较高换热系数,属于高效节能型式的,近年来发展及应用较为迅速的板式换热器,其结构强度则较低, 大工作压力仅为2. 0~3. 5 MPa,只是管壳式换热器十几分之一至几分之一,在很多中高压场合都无法应用,决定性地束缚了板式换热器的发展[2]。所以在目前的换热器应用领域中,尚缺乏换热系数既高又承压能力好的、综合性能相对优良的理想的换热器结构形式,以满足当前经济生产及节约能源的形势需要。
    1·空心内管换热器的结构
    空心内管换热具有较明显的结构优势。空心内管换热器的结构核心,就是在管壳式换热器换热管束中的每个换热管内,各内置1根封闭的空心内管,在该内管外固定有小螺旋导流叶片,并将各内管的一端或两端通过连接短杆或板条互相连接,将内管固定于管板或壳体上,如图1所示。

    空心内管换热器与现有各种换热器的区别,主要在于其换热管内加装了具有外螺旋的空心内管装置,因而其传热机理也有别于其他换热器。通过传热分析可见:增强传热的措施一是加大温差,一是减少热阻。温差一般由工艺限定。在传热通道中,各热阻的总和构成总热阻,减小热阻大的环节热阻,对改善传热为有效。由于金属热阻甚小,可以忽略,而提高介质流速的机械能损失更大,重点只能采用改善介质循环对流状态,增强扰动及破坏层流底层、减薄滞流层厚度的办法来减少热阻。管壳式换热器中壳程循环弱于管程,人们以往的改进都侧重于壳程,在诸般改进后,使壳程循环大为改善。管程不能横向冲刷,壳程可以横向冲刷,这对滞流层扰动很有成效。管程中尽管流速较高,但流速稳定时滞流层比较稳定,当壳程循环被人们逐步改善的时候,管程稳定的滞流层厚度对总热阻的影响都变得越来越大,甚至已成为总热阻的主导因素之一。鉴于管壳换热器坚固的结构和板式薄层换热优越的传热机理,专利技术空心内管换热器设计提出了套管束模型传热方式。在用该方式换热时,A相流体在外管外部流动;B相流体在内管外部、外管内部的环形流道里,呈薄层、环状地向前流动。环状薄层流动,相对于传统的柱状流动,将滞流层相应减到极薄、因而热阻低、提高了垂向传热速率,使该结构传热系数较高。空心内管换热器是基于管壳式换热器结构,并加以改进而成的,本身就具有高承压能力,而换热性能又较普通管壳式换热器具有本质的提高。可以说,它在换热和强度方面兼具管壳式换热器和板式换热器二者之长,具有明显的综合性能优势。
    空心内管换热器(专利号200720193395. 7)[3]的结构方式,可适用于现有的各种管壳式换热器,包括:固定管板式、浮头式、U形管式换热器等等。
    2·空心内管换热器的特征
    空心内管换热器为套管结构,具有能够薄层换热的环形流道,沿小螺旋导流叶片形成的一种螺旋前进环状薄层空间流通。当B相流体在此流道中流动时,受到沿圆周切向方向的分力作用,使液体时刻对管壁保持良好的切向冲刷状态,有力地破坏了滞流层的稳定存在,使其达到的减薄和削弱,因而极大地减小了该处的传热热阻,提高了传热速率和传热系数。板式换热器较高的换热系数,一方面由于薄液层换热,垂向传热梯度大,需要相对滞留换热时间短,传热速率大;另一方面由于板片呈波纹状,使得流体流动过程中保持对板面的迂回曲折性良好的冲刷状态,而空心内管换热器同样具备薄层换热和螺旋冲刷作用,且螺旋切向冲刷的效果要好于曲折冲刷。有鉴于此,美国ABB Lum采用了纽带、纽丝、弹簧以及链带作为管内插入物[4]。增加对A相而言,管壳式换热器壳程循环中公认的方式是35°左右的螺旋折流板循环方式[5]。现东方亿鹏公司等已制造了200余台15°断续拟螺旋的该类设备。
    空心内管换热器的优点是换热系数大、承压能力高、适应较高的温度和较大的温差,此外还具有急冷急热换热、小温差换热、恒温控制换热、低温低值回收换热等优势。它提出的套管束模型,通过套管束将板式换热中的薄层换热、垂向传热梯度大,相对滞留时间长,滞流层减薄等优势换热本质纳入管壳式圆管圆筒耐压结构中,使B相产生了环状流动,薄层换热,并适应急冷急热、超小温差换热、低值、恒温等工艺难度高的换热方式。
    3·空心内管换热器与传统换热器性能的比较
    在板式换热设备中,作为A、B 2相流体换热间壁的板片,一般均被压制成波纹形状。设备运行时,流体在薄层流道中迂回前进,较好地冲刷了板面,极大地破坏了层流底层,滞流层极薄,加之薄液层中垂向传热梯度较大,所需换热滞留时间较短,所以具有比管壳式换热器较高的换热速率和换热系数,一般都在3000~5000W /(m2·℃)左右。但在这种总体平板的结构中,对抗液体压力的是材料的抗弯屈服应力,所以使得设备所能承受的压力较低,一般2~3. 5MPa左右,对高温高压不适用,使应用受到限制。管壳式换热器,一般工作温度可以达到550℃左右、大工作温差可以达到50℃以上,这是其他换热器,尤其是板式换热器所不能比拟的[6]。管壳类换热器的换热面以管束为主,壳体为圆筒体,端面是椭圆形或碟形封头。这种圆管、圆筒及拱形封头,在受到来自内部的液体压力时,转化分散为材料内部沿圆周方向的拉力,相对抗的是钢材的抗拉屈服应力,具有较好的结构强度和承压能力。例如U形管换热器就可以承受高达30MPa的工作压力。但管壳式换热器的总换热系数大都相对较低,约1000~1500 W /(m2·℃)左右,达不到板式换热器的一半,较理想的螺旋折流板换热器的换热系数也仅达1400~1900 W /(m2·℃)。由内管及外管构成的套管换热器,极其耐压,现被核电站广泛采用。缺点是换热面积少,占地大,耗材多,不适于工业上推广[7]。螺旋盘管换热器由一根细管盘绕成螺旋并置于圆筒外壳内,换热系数高,现多见于急冷器上,缺点是流量偏小,不易清洗,难以大型化。板壳式换热器将板式换热器固装于圆筒外壳中取消拉紧螺栓,换热系数非常高,且承压可达30 MPa,但结构复杂,成本高检查及维修难度大,普及性差[8]。
    空心内管换热器,尤其是具有螺旋折流板的U形管式空心内管换热器,就综合性能而言,是目前相对较为理想的换热器。它耐压、高效、不易结垢、制造简单、维修方便,并可大大缩短换热器长度、减少制造成本和占地面积,既能适应较高的换热温度和较大的换热温差,也能实现超小的换热温差和控制精细的输出温度以及不同的流量变化。该设备的制造简单方便:其设计主要参数为内外管直径、管束排布密度、以及大为缩短的管束长度及大、小螺旋叶的螺距等;空心内管及小螺旋叶都较易制备,将小螺旋叶固定在空心内管上,插入外管内,并将2端固定即可。至于外螺旋的制作则稍难,目前我国只有齐鲁石化公司机械厂等少数厂家利用MCV-1700加工中心机宏指令数控加工制造[5]。我们希望,随着螺旋折流板加工技术的不断突破,随着环形流道、薄层换热、螺旋前进、切向冲刷等理论上的深入研究及实践上的不断完善,空心内管换热器得到较好的应用和发展!
    3·结语
    长期以来,管壳式换热器的换热系数都较低,板式换热器承压低,具有套管束的空心内管换热器,以其环状通道、环形流动、螺旋冲刷、薄层换热,传热系数高同时保持较高的承压能力,而且制造简单,维修方便是综合性能较为理想的换热器形式。并可以用此技术直接改造现存的一些换热器设备,容易实施,是一项实用的改进技术。

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