翅片管式换热器 翅片管设计制造方法
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换热器密封
列管式换热器
内展翅片换热器的特点及应用
点击：56 日期：[
22:44:54 ]
&哈尔滨商业大学　　张生龙
在石油、化工、动力、制冷、食品等行业中,作为这些行业的通用设备,换热器占有举足轻重的地位。随着我国工业的不断发展,对能源的利用、开发和节约的要求不断提高,工业上的节能节水成为企业发展大计的一个重要组成部分,因此对换热器的要求也日益加强。如何增强换热管的换热性能,提高传热系数是换热管改革的主要研究方向,并且已经取得了一定的成果。换热器按冷热流体间的传热方式可以分为间壁、再生式换热器和接触式换热器。其中最常见的是间壁式换热器,尤其是管式换热器使用最广泛。换热管一般金属耗量很大,其重量和体积都是很大的,一般情况下换热器的总重量都占整个装置重量的50%以上。因此,为了减轻整个装置重量和体积,设计结构紧凑、传热性能良好的换热管是一项十分迫切的任务。
1　内展翅片热管开发的基本原理
换热器在石化、化工、医药、冶金、电力、动力、制冷、热泵、食品等行业中占有举足轻重的地位。随着我国工业的不断发展,对能源的利用、开发和节约的要求不断提高,工业上的节能节水成为企业发展大计的一个重要组成部分,因此对换热器的要求也日益加强。如何增强换热器的换热性能,提高传热系数是换热器改革的主要研究方向。目前广泛应用的换热器主要有:列管式、螺旋板式、板式和肋片(外翅)式等几种。在这些换热设备中,热量由高温流体传给低温流体过程中的主要阻力(热阻)来自于以下几个方面:两侧介质与换热管内、外壁之间的对流换热热阻、管壁本身的热阻以及两侧介质的污垢热阻。一般换热管都采用金属薄壁作为换热面,由于管壁本身的热阻非常小,强化换热的潜力不大。这样强化换热管的换热性能主要就是要强化两侧介质与换热管内、外壁之间的对流换热系数。如果不考虑介质污垢系数,忽略管壁热阻,这时传热系数可以写成下列形式:Ｋ=1&(1&α1+1&α2)=(α1·α2)&(α1+α2)从上述可以看出Ｋ值必定小于α1和α2的值,而且它比二者中较小的一个还要小。所以在增强传热的时候,必须增大α中较小的一项(即减小最大热阻项)才能有效地增大传热系数。在通常使用的工况中,一些换热介质之间的换热系数相差较大,特别是气(汽)—液换热器中,一般气(汽)体的对流换热系数在10-70Ｗ&(ｍ2·℃),而液体(以水为例)一般可以达到Ｗ&(ｍ2·℃),二者相差上百倍,在常规换热器内(如列管式、螺旋板式等)换热壁两侧面积基本相等,这样就造成换热面积相等,但两侧热交换介质换热系数不同从而导致热交换不平衡,使总传热系数低,热交换效果不佳,造成能源的浪费。
为了解决这一问题,一般企业所采用的办法是加大换热面积,但是这样又使得换热器的体积过于庞大,同时对于热系数大的一侧来讲也是一种换热面积的浪费。因此针对这种换热不平衡的现象,采用翅片管才是理想的选择。随着现代工业的发展,换热器逐步向着高温、高压、大容量的方向发展,这就给换热器的发展提出了新的挑战。让高温、高压介质走管程和管内流动换热系数低下的矛盾日益突出,这就迫切要求能有一种强化管内换热的新型换热管出现。波纹形内展翅片式高效节能换热管(简称内展翅片换热管),成功解决因热交换介质换热系数不同而导致的热交换不平衡问题,提高了总传热系数;减小了设备体积;解决了高温高压介质的换热要求问题;并且大幅度的降低了冷却水的消耗量;使用户的运行和维护成本大幅度降低。另一方面,由于我们采用的是纵向翅片,使得高压流体的阻力大大降低,一般要小于流体在壳侧扰流时的阻力降。
2　内展翅片热管的主要优点
①换热效率大大提高,节能、节水效果显著由于在换热管内装有波纹型内展翅片,使表面传热系数较低的一侧换热面积增大(管内翅化比高达7&4),增加了总的传热系数,提高了传热效率,解决了因两种流体换热系数不同而产生的热交换不平衡这一基本问题。哈尔滨市经济贸易委员会节能技术中心对内展翅片换热管的测式报告表明:“该产品的换热效率高于光管换热管32个百分比”,“由于换热效率大幅提高,该产品的节水效果显著,节水率高达85%以上。”
②能够承受高温高压,阻力降较低在内展翅片换热管中,翅片在换热系数较低的一侧,即让冷却水走壳程,高温高压的气(汽)体走管程,让换热管来承受高温高压,可以降低换热器压力容器的管理等级和制造成本,同时波纹型翅片纵向置入管内,气体流动阻力小。
③换热器体积小、占地面积小内展翅片换热器通过在换热管内加翅片增加换热面积,在增强换热的同时减少光管换热面积,使得整台设备体积大大减少,一般相对于常规换热器体积要小50%-75%,占地面积一般为常规换热器的25%-50%。
④投资省、回报期短内展翅片换热器体积小,设备制造所需要的材料少,尽管技术含量较高、工艺和制造复杂,设备总体价格相对于同等处理量。相同材质的常规换热器要低。由于内翅片换热效率高,且节能、节水、节电效果显著,设备投资回报短。
⑤降低用户的维护成本我们知道水垢的形成与水的流动情况有很大的关系,一般来讲,冷却水走壳程时,由于水的不断折流扰动,使得水垢很难形成,相对于冷却水走管程,冷却水走壳程时水垢的形成周期要慢2-5个周期,加上让高压气体走管程,由于管程介质的高温高压,流速较大,污垢系数较小,这样就使得换热器的清洗周期大大加长,使用户的维护成本降低。
3　在ＰＶＡ·维纶装置中的应用
在炼油、化工、制药、制冷等许多行业中存在大量热交换两侧间介质的对流换热系数相差很大的情况,较小的流体通过走换热管内翅片侧,以强化其换热性能达到提高换热器总的传热系数的目的。自1999年该产品研制成功以来已经成功应用了100余台。在ＰＶＡ·维纶装置中,涉及的气———液热交换的设备较多,在安徽皖维高新材料股份有限公司,内展翅片换热器就得到了广泛的应用,例如在有机分厂的就有聚合三塔冷凝器、回收三塔冷凝器、回收五塔冷凝器、回收六塔冷凝器、催塔冷凝器等。以聚合三塔冷凝器为例(其工艺流程见图1),对比一下内展翅片换热器和光管换热器的性能参数。
　　换热器流程说明:从聚合三塔出来的甲醇蒸汽由塔顶进入冷凝器,选用普通管时,需要选用两台换热器串联使用,先经过第一台换热器冷凝后进入到第二台换热器冷却到工艺所要求的温度,未完全冷凝汽进一步冷凝。选用内展翅片换热器以后,仅需选用一台换热器就能满足工艺要求了,并且设备安装方式由原来的卧式改为立式,充分利用塔的高度,使得站地面积大大减小,布置结构更加合理。换热器的材质选用304,换热管规格为Φ32×1,翅片也用304。聚合三塔冷凝器选用普通管壳式换热器和内展翅片换热器的对比数据见表1。由表1可见,采用内展翅片换热器后,设备体积小,占地面积小,节能节水,经济效益明显。　
　可以看出:①采用内展,设备体积仅为普通的50%;②采用内展翅片管换热器,站地面积不到普通壳管式换热器的20%,由于采用了单台设备,并且有设备体积较小和采用立式安装等优势,所以该设备可以直接立于塔旁,无需专门为其准备设备安放空间,降低了投资成本。③采用内展翅片管换热器,每小时节约用水122吨,相对普通壳管式换热器节水率为32.1%。④采用内展翅片管换热器,热流密度是普通壳管式换热器的3.12倍,可见其高效性。&&
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