螺旋折流板高效換熱器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及應(yīng)用案例

李秋杰 齊敏 朱兵成 高原原(.江蘇中圣壓力容器裝備制造有限公司，江蘇 南京 ；.南京托普環(huán)保工程有限公司，江蘇 南京 0047)

0 引言

換熱器在化工企業(yè)中占總投資的10%～20%，在煉油廠(chǎng)中比例更是高達(dá)總投資的35%～40%，管殼式換熱器由于制造成本低，處理量大，工作穩(wěn)定可靠，清洗方便，是熱量傳遞中應(yīng)用非常廣泛的一種換熱器[1]。但是，傳統(tǒng)的管殼式換熱器存在換熱效率低、壓力降大，設(shè)備尺寸大、投資成本高等缺點(diǎn)。因而對(duì)傳統(tǒng)的管殼式換熱器進(jìn)行合理的優(yōu)化改進(jìn)，提高傳熱效率、減少設(shè)備投資，降低運(yùn)行成本很有必要。

換熱器傳熱效果的優(yōu)化提高主要通過(guò)強(qiáng)化管程傳熱和強(qiáng)化殼程傳熱兩個(gè)方面來(lái)實(shí)現(xiàn)。管程的強(qiáng)化傳熱可以通過(guò)使用各種高效換熱管實(shí)現(xiàn)，殼程的強(qiáng)化傳熱可以通過(guò)改變殼程的內(nèi)部結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。LUMMUS 公司研發(fā)的螺旋折流板換熱器能夠有效地克服傳統(tǒng)弓型折流板換熱器在使用過(guò)程中產(chǎn)生的弊病，有效單位壓降下能夠大幅度提高換熱器的傳熱效率，在國(guó)外石油化工行業(yè)已得到廣泛應(yīng)用。在中國(guó)的推廣主要通過(guò)與換熱器制造廠(chǎng)家合作的方式進(jìn)行，LUMMUS 公司提供螺旋折流板換熱器的工藝設(shè)計(jì)工作，換熱器的制造由被授權(quán)的國(guó)內(nèi)合格制造商來(lái)負(fù)責(zé)。近年來(lái)，隨著節(jié)能降耗理念的倡導(dǎo)，螺旋折流板高效換熱器在國(guó)內(nèi)項(xiàng)目的使用日益增多。

1 螺旋折流板高效換熱器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及性能分析

1.1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

螺旋折流板高效換熱器的結(jié)構(gòu)有兩點(diǎn)不同于普通的列管換熱器。首先，折流板是由4塊扇型折流板相互交錯(cuò)搭接形成一組，如圖1所示，每組螺旋折流板保持一定的間距，形成近似連續(xù)的螺旋通道，流體在殼體內(nèi)整體螺旋式前進(jìn)。其次，換熱管是高效換熱管，根據(jù)不同的工況，可以選用符合由江蘇中圣高科技產(chǎn)業(yè)有限公司主編的GB/T 24590《高效換熱器用特型管》的各種特型管，如T 型槽管、波紋管、內(nèi)波外螺紋管、內(nèi)槽管及螺紋管等各種高效傳熱元件。

圖1 螺旋折流板高效換熱器管束的實(shí)物圖

1.2 性能分析

1.2.1 殼程壓降低、不容易結(jié)垢

傳統(tǒng)弓型折流板的布置是垂直于管束的，流體在殼體內(nèi)呈“Z”型流動(dòng)，如圖2所示，方向改變劇烈，產(chǎn)生的壓降大。同時(shí)弓形板的底角處形成一個(gè)相對(duì)靜止的流動(dòng)死區(qū)，容易積累污垢；而流體在螺旋折流板換熱器的殼程內(nèi)流動(dòng)時(shí)，呈整體螺旋式推進(jìn)，如圖3所示，方向改變緩和，壓降低。沒(méi)有流動(dòng)死區(qū)，介質(zhì)不會(huì)因?yàn)槌练e而導(dǎo)致結(jié)垢。

圖2 弓型折流板換熱器介質(zhì)流動(dòng)示意圖

圖3 螺旋折流板換熱器介質(zhì)流動(dòng)示意圖

1.2.2 傳熱效率高

弓型折流板換熱器的流動(dòng)死區(qū)部分基本起不到換熱作用，而螺旋折流板換熱器不存在流動(dòng)死區(qū)，換熱面積利用更充分，同時(shí)由于流體的螺旋流動(dòng)會(huì)在徑向界面上產(chǎn)生速度梯度，形成湍流，提高殼程傳熱系數(shù)[2]。

也有人認(rèn)為流體在螺旋折流板換熱器的殼程流動(dòng)時(shí)，沿?fù)Q熱管的軸向存在分量，因而在相同的流速下殼程傳熱系數(shù)低于弓型折流板換熱器的傳熱系數(shù)，因此引入了單位壓降下的傳熱系數(shù)這個(gè)概念，作為評(píng)價(jià)換熱器綜合性能的依據(jù)[3]。很多研究證明，螺旋折流板換熱器殼程單位壓降下的傳熱系數(shù)和弓型折流板換熱器相比確實(shí)有不同程度的提高[4]。但是有的設(shè)備更改為螺旋折流板的結(jié)構(gòu)之后，雖然單位壓降下的傳熱系數(shù)是提高的，但是設(shè)備總的傳熱系數(shù)會(huì)降低，如果想滿(mǎn)足工藝要求，勢(shì)必需要增大換熱面積。這時(shí)候采用高效換熱管，可以彌補(bǔ)總傳熱系數(shù)降低這一缺陷，如采用高效外螺紋管、波紋管、內(nèi)波外螺紋管等各種高效傳熱元件。這些高效換熱管是在光管的基礎(chǔ)上，采用機(jī)械加工的方法形成翅片來(lái)擴(kuò)展換熱管的外表面積，或者改變換熱管的形狀進(jìn)而改變流體的流動(dòng)狀態(tài)，來(lái)提高換熱器的傳熱效率[5,6,7]。

1.2.3 抗振性能好

螺旋折流板高效換熱器的換熱管被每一組折流板連續(xù)支撐，無(wú)支撐跨距是一組折流板的間距，而弓型折流板切口處的換熱管的最大無(wú)支撐跨距是2個(gè)折流板的間距，同時(shí)螺旋折流板換熱器的殼程介質(zhì)流動(dòng)方向和換熱管有一定的傾斜角，方向改變比較緩和，對(duì)管束的沖擊力度小，不易誘導(dǎo)管束橫向振動(dòng)，所以螺旋折流板換熱器比弓形折流板換熱器的抗振性能更好，使用壽命長(zhǎng)。

2 應(yīng)用案例

某石化企業(yè)的一臺(tái)冷凝器，使用了螺旋折流板高效換熱器的結(jié)構(gòu)，和同等尺寸，同等折流板跨距的普通弓型折流板換熱器相比較，明顯節(jié)省了設(shè)備投資，減小了殼程壓力降，結(jié)果對(duì)比如表1所示。

可以看出，螺旋折流板高效換熱器和普通弓形板換熱器相比，總傳熱系數(shù)系數(shù)高了33.5%，壓降降低了53.6%，面積裕量增加了28%。也就是說(shuō)普通弓形板換熱器如果要達(dá)到相同的換熱效果，面積需要增加約28%，設(shè)備投資增加明顯，相應(yīng)的土建、安裝、運(yùn)行維護(hù)成本都會(huì)增加。

根據(jù)客戶(hù)反饋，螺旋折流板高效換熱器投用后，在多個(gè)運(yùn)行周期內(nèi)一直保持高效的狀態(tài)，壓力降明顯比常規(guī)的弓型折流板換熱器要低，有效降低了裝置的動(dòng)力消耗。

3 結(jié)語(yǔ)

螺旋折流板高效換熱器由于其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，在相同熱負(fù)荷的情況下傳熱效率高，能夠減小換熱器的傳熱面積，從而有效地縮小換熱器的外形尺寸，可以一次性降低設(shè)備投資；其次，由于螺旋折流板換熱器不易結(jié)垢、抗振性能好，可以延長(zhǎng)設(shè)備的運(yùn)行周期，降低維修、清洗等操作成本；再次，螺旋折流板換熱器的運(yùn)行壓降小，可以降低裝置的能耗。因此，越來(lái)越多地螺旋折流板高效換熱器被應(yīng)用于項(xiàng)目的建設(shè)中。另外，在擴(kuò)能改造項(xiàng)目中，可以不改變?cè)袚Q熱器的外形尺寸，僅靠把管束更換成螺旋折流板高效換熱器管束來(lái)提高傳熱系數(shù)，同時(shí)滿(mǎn)足換熱器所在系統(tǒng)的壓力降要求，滿(mǎn)足改造工藝的要求。

隨著螺旋折流板加工技術(shù)的成熟和高效傳熱技術(shù)的日趨完善，以及人們對(duì)節(jié)能降耗的重視，螺旋折流板高效換熱器使用將會(huì)日益普遍。

表1 螺旋折流板方案和普通弓型板方案對(duì)比表