摘要：介绍了缠绕管式换热器的节能原理,利用工业应用实例对缠绕管式换热器的节能进行了分 析,并根据工业实际情况,提出了采用缠绕管式换热器,可使工艺流程简洁、操作条件优化、大幅度 降低能耗的观点。
1 前言
在所有的换热单元中,管壳式换热器以设计、制 造的优势广泛应用于工业生产中,据估计,管壳式换 热器在我国换热器总产量中约占80%。迄今为止 已经开发了多种类型的高效管壳式换热器,如螺旋 折流板换热器、螺纹管换热器、波纹管换热器、螺旋 波纹管换热器等。缠绕管式换热器作为一种特殊结 构的管壳式换热器,具有同时进行多种介质的传热 结构紧凑、单位容积具有较大的传热面积、无热膨胀 问题且在小温差大负荷工况下具有良好的传热性能 的特点[1]。笔者结合十多年的设计制造经验,通过工业应用实例,阐述了目前在炼厂加氢、气分、天然气气化、低温甲醇洗装置等广泛应用的缠绕管式换 热器的高效节能技术。
2 缠绕管式换热器的高效性能
在设计和选择换热器时,首先必须确定对换热 器起决定作用的冷热流体温度差。一般来讲,对同 等的换热量,温度差越大,相应所需的换热器面积越 小。从这一点上看,似乎是换热器的温度差越大越 好。但是从热力学的观点来看,热转变过程本身是 不可逆的。热源和受热体的温度差越大,热量的有 用能的损失也越大。缠绕管式换热器有效地实现了在强化传热的同时,使冷热流体充分换热,尽量减小了有用能的损失。
缠绕管式换热器层与层之间换热管反向缠绕, 这种特殊结构极大地改变了流体流动状态,形成强 烈的湍流效果;由于管内螺旋流动的强化作用,使得 管程的传热膜系数也得到增加;同时垫条等部件对 壳程的流动不断扰动,三个方面的共同作用,使得缠 绕管式换热器的传热性能得以显著提高。对于一般 结构的气-气换热设备,其传热系数值约为75~ 365W/(m2·K),但对于缠绕管式换热器,某些特 定条件下,总传热系数可以达到500W/(m2·K)以 上。另外,通过层数和间距的合理调整,冷热流体对管壳程的选择不明显。以原料气换热器为例,管程 走冷流体和管程走热流体的总传热系数相差仅为 2%。
3 与普通管壳式换热器的比较
缠绕管式换热器结构紧凑主要体现在单位容积具有较大的传热面积。对管径为8~21mm的传热 管的传热面积可达100~170m2/m3;而普通管壳式 换热器的传热面积只有54~77m2/m3,是缠绕管式 换热器的45%左右。普通的管壳式换热器折流板起着改变流体流动 方向和支撑管的作用。传统弓形折流板换热器中, 壳侧流体成弯曲的Z字形流动,但这种折流板的布置形式存在一些问题:
(1)沿程压力降大,易产生流动滞止死区;
(2)旁流和漏流降低了有效横掠管束的质量流 速;
(3)高的流体流速诱导换热管的振动,缩短了换热器的寿命。
因此,许多研究致力于改变传统的折流板结构的形式。
据调查,90%以上的普通管壳式换热器都存在不同程度的结垢问题,造成传热性能变差,传热效率 下降,其下降幅度平均可达30%以上。除直接造成能量损失外,还会导致生产装置运行负荷降低,影响 成套装置的生产能力。另外,设备结垢还会引起流 体流动阻力增加,从而带来装置动力消耗的增加。周期性的停车清洗,也增加了装置的运行成本。 对于缠绕管式换热器,管内流体以螺旋方式通 过,降低了壁面附着的可能性以及结垢倾向。壳程流体逆流横向交叉通过绕管,在相邻管之间、层与层 之间不断地分离和汇合,使壳体流体的湍流度加强, 相同流速下也减少了沉积的几率。对于适宜的流体(一般指不含颗粒及纤维流体),缠绕管式换热器管壳程都表现出良