纏繞式換熱器研發(fā)

王新霞（濟南擎雷換熱科技有限公司，山東 濟南 250400）

纏繞式換熱器研發(fā)

王新霞
（濟南擎雷換熱科技有限公司，山東 濟南 250400）

摘 要：本文詳細闡述了纏繞式換熱器的優(yōu)點，節(jié)省能耗。換熱器是一種單體設(shè)備，它可以與其它設(shè)備組成一個系統(tǒng)。是化工及制藥、石油能源等行業(yè)中應(yīng)用最為廣泛的單單體設(shè)備。據(jù)統(tǒng)計，換熱器在整個設(shè)備市場上的份額可以達到30%。

關(guān)鍵詞：纏繞式換熱器；節(jié)能；特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計

本技術(shù)利用歐文湍流抖振頻率原理、聲共鳴準則，最終設(shè)計出一款雙螺旋反向纏繞的換熱器，擺脫了傳統(tǒng)換熱器換熱效率低、節(jié)能效果差以及容易結(jié)垢等弊病。

一、纏繞式換熱器可以實現(xiàn)以下技術(shù)功能

（1）高流速功能。雙螺旋纏繞式換熱器殼體小流速高，設(shè)計流速可達4.5m/s，流體在殼內(nèi)形成湍流，直角連接，使流體直接沖刷管壁，使流體全部參與換熱。

（2）高換熱率。該項目產(chǎn)品管程長，通常是殼體的幾倍，不但有效地增加了單位體積內(nèi)的換熱面積，還能使介質(zhì)在管內(nèi)停留的時間更長，換熱更充分，且管壁薄，只有0.6mm。

（3）適用高溫高壓的工作條件。這種新型的換熱器耐溫最高可以達到350℃，耐壓可以達到1.6MPa，并且設(shè)備本身全部采用GB24511-2009標(biāo)準規(guī)定的不銹鋼材質(zhì)，其獨特的螺旋纏繞結(jié)構(gòu)本身對熱應(yīng)力具有彈性的自補償作用，有效避免了熱應(yīng)力的對換熱管的損傷，不會由于壓力和溫度不穩(wěn)定而引起換熱管的變形。

適應(yīng)性更強、更安全。

二、關(guān)鍵技術(shù)

（1）采用獨創(chuàng)的雙螺旋多層換熱管緊密反向纏繞技術(shù)。

雙螺紋纏繞式換熱器層與層之間的換熱管反向纏繞，每層纏繞因換熱管的粗細不同，所采取的工藝手段和工藝參數(shù)也不同。本項目通過反向纏繞技術(shù)，對不同的纏繞工藝進行了參數(shù)設(shè)定，可以達到纏繞后換熱管不變形、排列緊密有度、間隙最小和熱能利用最大化。

（2）采用90度角連接結(jié)構(gòu)設(shè)計，使換熱器無結(jié)垢死角。

換熱器的結(jié)垢是一個復(fù)雜的過程，它與溫度梯度、水質(zhì)情況、換熱管材表面光潔度、流速、流動狀態(tài)等因素都有關(guān)。在相同工況、水質(zhì)的條件下，要使換熱器降低結(jié)垢情況，只有從技術(shù)方面進行改進。雙螺紋纏繞換熱器從以下幾方面進行了有益的探索：（a）換熱管束采用雙螺紋纏繞式結(jié)構(gòu)。這一結(jié)構(gòu)的設(shè)計使換熱器內(nèi)部形成湍流，這樣使其內(nèi)部降低了結(jié)垢的概率；（b）采用90度直角設(shè)計，這樣流體會因壓力形成的錘擊會降低結(jié)垢的情況；（c）采用整體不銹鋼材質(zhì)，并要求其表面的粗糙度達到1.2μm，這樣結(jié)垢不易附著在其表面；（d）在熱交換過程降低其溫度梯度，這樣降低了結(jié)垢的概率。（e）雙螺紋纏繞式換熱器的設(shè)計流速達到4.5m/s，高流速使介質(zhì)中的懸浮物及雜質(zhì)不易附著在換熱管的內(nèi)外表面，這也是降低換熱器結(jié)垢的主要因素。

由于雙螺紋纏繞式換熱器的優(yōu)化設(shè)計，對于軟化水，換熱器不容易出現(xiàn)結(jié)垢的情況。根據(jù)已往的使用經(jīng)驗，對于中國大部分地區(qū)的水質(zhì)而言，這種雙螺紋纏繞式換熱器在采暖機組中的清洗周期一般為3年左右。

（3）采用換熱管最小間隙設(shè)計，利用兩大原理準則，解決換熱器管束振動問題。

本項目通過對換熱器流體引發(fā)振動的各種工況的深入研究和計算，得出流體力的相位以及流體力的作用點作用位置對換熱器管束響應(yīng)之間的相互影響關(guān)系，由此對換熱器進行以下設(shè)計：（a）雙螺紋纏繞式換熱器利用歐文（OWEN）湍流抖振頻率準則原理，采用了換熱管束層與層之間最小間隙的設(shè)計，這咱設(shè)計可有效消除湍流抖振現(xiàn)象，延長換熱器的使用壽命。（b）雙螺紋纏繞式換熱器全部采用國標(biāo)中規(guī)定的不銹鋼材質(zhì)，其最高承壓能達到1.6MPa，最高耐溫可達到350℃，不會由于壓力和溫度不穩(wěn)定而引起換熱器的變形；無需減溫減壓裝置。（c）內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計時考慮了聲共鳴許用準則，有效抑制了聲駐波震動現(xiàn)象。

雙螺旋纏繞換熱器利用歐文（OWEN）湍流抖振頻率準則原理，應(yīng)用了CFD（計算流體力學(xué)技術(shù)）、FEM（有限元技術(shù)），延長了換熱器的使用壽命。同時選用優(yōu)質(zhì)的水泵、閥門管件，延長使用壽命，降低流體阻力。

（4）采用變頻調(diào)控電能、電動溫控閥自動控溫的控制管理思路

以采暖系統(tǒng)中的控制為例，電機方面，集中供熱系統(tǒng)中水泵是核心設(shè)備，水泵電機效率的好壞直接決定了集中供熱采暖系統(tǒng)的電能耗量。所以提高水泵電機效率，減少電耗也是提高供熱節(jié)能的關(guān)鍵所在。采用變頻調(diào)控，可以實習(xí)那循環(huán)、補水的變頻自動調(diào)節(jié)，提高利用效率，避免浪費，達到節(jié)能效果。

溫度方面，采用電動溫控閥自動控溫，同時把供水溫度時間細化，避免浪費，達到節(jié)能效果。例如：分時段供暖，即把供暖的時間自動細化，一天分為2~8個時間段，①住宅區(qū)大體分為四個時段，早6∶00~10∶00供水溫度為90℃；10∶00~16∶00供水溫度為80℃；16∶00~22∶00供水溫度為90℃；22∶00~6∶00供水溫度為70℃。②辦公區(qū)大體可分為兩個時段，7∶00~19∶00供水溫度為90℃；19∶00~7∶00供水溫度為50℃。上面一切全是自動運行，這樣其節(jié)約蒸汽的效果十分可觀，以辦公區(qū)為例：他的凝結(jié)水溫下降40℃，且達到了采暖效果，按上面公式計算，一個采暖季，節(jié)標(biāo)煤為10284kg。

三、技術(shù)優(yōu)勢

（1）對傳熱性能進行了優(yōu)化設(shè)計

在設(shè)計和選擇換熱器時，首先必須確定對換熱器起決定作用的冷熱流體的對數(shù)溫度差。一般來講，在換熱量一樣的情況下，溫度差越大，換熱所需的換熱面積越小，但是在日常的使用中并不是冷熱流體的溫度差越大越好。如何在提高傳熱效率的同時，使冷熱流體的能量充分交換，又盡量減少熱能的損失，保證高效的換熱，需要對換熱器的結(jié)構(gòu)進行詳細的推敲和最優(yōu)化的設(shè)計。

（2）結(jié)垢問題

據(jù)現(xiàn)有設(shè)備的使用情況，95%的普通列管式管殼換熱器都存在不同程度的結(jié)垢問題，換熱器一旦結(jié)垢，就會影響換熱效果，那么傳熱效率也會下降，其下降幅度平均可達30~50%左右。除了給企業(yè)造成直接的經(jīng)濟損失之外，還會導(dǎo)致生產(chǎn)設(shè)備運行負荷過高，影響整個系統(tǒng)的運行能力。另外，換熱器內(nèi)部結(jié)垢還會引起流體的壓力和阻力都增大，從而帶來整個系統(tǒng)能量消耗的增加，縮短設(shè)備的清洗周期，增加公司的運營成本。

（3）換熱器管束振動問題

換熱器內(nèi)的流體誘導(dǎo)振動能導(dǎo)致一些破壞現(xiàn)象：（a）相鄰管間磨損。（b）連接處失效。（c）材料缺陷擴展。

參考文獻

[1]TSG R0004-2009，固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程[S].

[2]GB 150.1~150.4-2011，壓力容器[S]. [3]HG/T 20583-2011，鋼制化工容器結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)定[S].

中圖分類號：TQ051

文獻標(biāo)識碼：A