一种高效壳程强化传热换热器及其工程应用

[ 字号: ] [ 关闭 ] 2008-11-24 10:34:02 来自网络 作者:admin 浏览次数: 发表评论

关键词:换热器 传热

在动力、化工、炼油、制冷等工业中,换热器不仅是不可缺少的工艺设备,而且在金属消耗和投资方面也占有较大的比重。

    在换热设备中,管壳式换热器占50%~70%。我国现行服役的换热设备大多采用20世纪50年代国外早期的设计结构,换热效率较低、阻力降大、易结垢,停工检修频繁。几十年来,虽做了不少的改进,但基本上保持原设计思想,尤其是壳程流动方式几乎没有太大的进展,仍沿袭传统的垂直弓形板横向流,使得换热设备的传热系数K值一直停滞在较低的状态。

    管壳式换热器强化传热方式主要有二种:一是主动式强化传热,这是以消耗外部能量为代价的,如采用电场、磁场、光照射、搅拌、喷射冲击、流体振动、机械表面振动等手段,目前国外已将主动式强化传热的研究工作列为重点;二是被动式强化传热。由传热速率方程Q=KAΔtm可知,强化传热可以从提高传热系数K、扩大传热面积A和增大传热温差Δtm三种途径来实现。但是增大传热面积A与提高平均温差Δtm明显地受到生产工艺、设备条件、环境条件以及经济性等方面的限制。因此,提高传热系数K(主要提高较小的对流传热系数α1)及提高传热速率Q(减少污垢热阻),是研究强化传热的重点,以改善管程、壳程流体自身流动状态来实现强化传热居多。

    首先在换热设备两个传热界面之一的管程,其强化传热实验比较容易实现,因而,对其理论研究和应用研究也进行得较为彻底和完善,采用了螺纹管、异形管、内插物等强化传热新技术,使管程传热有了较大的突破。但从间壁传热原理上讲,控制一台换热设备热效率的是传热能力相对较差一侧的传热能力,而这一侧往往是壳程。对于强化壳程传热的研究较管程进展缓慢得多,主要是研究费用较大,且难于实现所致,但也做了大量的工作。

    1 壳程强化传热研究发展状况

    对于壳程的强化传热来说,由于其影响因素比较多,所以有关的研究开展还不是很多。目前主要在管型和支撑结构上有一些进展。

    对管型的研究与强化管程传热比较类似,是以改变管子的形状结构,使管外的传热得到强化;但是这类管同时还要考虑支撑的影响,所以这种管子和强化管内传热的管既有联系又有区别。

    低肋管[1,2](又称螺纹管)主要是靠管外肋化来扩大传热面积,一般适用于强化管外的传热;在管外有相变的情况下,也有较好的强化传热效果。

    螺旋扁管[3,4]是由圆管轧制的具有一定导程的强化传热管,管子在壳体内紧密排列,壳程流体受离心力的作用周期性改变流速和流动方向,从而强化了传热。   传统管壳式换热器管束的支撑结构一般都是单弓形(或多弓形)折流板和支持板,这样就会导致壳程的压力降大,出现死区,还有可能使管子产生流体诱导振动。针对这些问题,一些新型的折流板就出现了。

    整圆形折流板[4,5]就是其中的一种。这种折流板不是开弓形缺口,而是在板上钻大圆孔,既让管子能够穿过,又留出空隙使壳程流体通过。这种结构死区少,压降低,且在圆环形的间隙中会出现射流,提高湍流度。但这种结构必须增大管间距或留下一些不布管区,于是就增加了壳体直径。有的整圆形折流板还在大孔中间加一些小孔,这样有效地改进整圆形折流板,但这种结构的折流板在管孔与管子之间容易结垢,并导致腐蚀。

    异形孔整圆形折流板[5]是在整圆形折流板上开出矩形、梅花形等各种形状的开口。这两种结构既能支撑管子,又能使介质顺利流过折流板。它们均具有压力降小、传热性能好、防止管束振动等优点,但加工制造比较困难。

    针对异形孔折流板的缺点,工业中又出现了网状整圆形折流板[5~7]。其制造方法是先按普通折流板制造,然后将折流板上的横排圆孔以4个圆孔为一组,将管桥铣通。这样就不需要专用的冲压模具,又具有压力降小、传热性能好等优点。这种新型折流板是由德国的GRIMMA公司在1991年推出的,其传热性能在中、低粘度范围内效果明显优于传统的单弓形折流板换热器。

    但是板式支承结构固有的缺陷仍然没有得到根本的改变,于是出现了一种新型支承结构———折流杆式支承结构[8~11]。由于它的轴向流动方式,减少了壳程流体的滞流、回流和死区,提高了Pe值(佩克莱常数)、减少了压降和污垢沉积,由于杆后的卡门涡街脱落效应在传热管子表面产生紊流,提高了壳程侧膜的传热系数。折流杆的夹持作用又抑制了破坏性振动,使换热设备大型化成为可能。所以这种新型换热器引起了国内外学者的广泛注意。但是这种结构壳程流体为纵向流动,必须在高速流动状态下才能显示其良好的性能,而且折流圈的数量比较大,安装和检修都不方便,且由于折流圈的存在,不布管区也比较大。可见,折流杆换热器还有其局限性,特别是在低Re数时,高粘度介质中很难形成有效的卡门涡街,达不到高传热效率的要求。为了进一步提高壳程的传热能力,就产生了一种新型壳程强化传热换热器———螺旋折流板式列管换热器[11~19]。

    螺旋折流板换热器是一种高效管壳式换热器,介质在其壳程中的流动既不是横向流,也不是纵向流,而是一种螺旋状斜向流。这种流动方式能适用于包括高粘度原油、渣油在内的所有介质,这种结构显著地提高了传热效率,大幅度降低了压力降,控制了振动造成的破坏,减少了污垢沉积的可能性,为换热设备大型化提供了广阔的前景。

    2 螺旋折流板换热器强化传热的原理

    2.1 弓形折流板换热器传热效率差的原因分析

    传统的管壳式换热器强化传热的原因在于折流板的存在,折流板促使流体流动方向剧烈地改变,使流体更易产生湍流。然而,这种结构的换热器有其自身不可克服的缺点。

    (1)流体流向的剧烈改变,造成对换热器的冲击,易使换热器产生振动破坏;

    (2)流体流向的频繁改变,造成流体能量损失增加,沿程压力降大大增加;

    (3)流体基本上沿垂直管束中心线流动,因此,在折流板与壳体的交角处有较大的流动死区,减少了有效传热面积,并在死区内形成传热垢层,降低传热效率,如图1所示。 

                 

    2.2 螺旋折流板换热器壳程强化传热的原理螺

    旋折流板换热器突破了壳程介质“Z”形折返的传统方式。它由若干块四分之一壳程横截面的扇形板组装成螺旋状折流板,介质自壳体进口向出口螺旋推进,如图2所示。

                

    介质在壳体内连续平稳旋转流动,避免了大斜度折返带来的严重压力损失,此种结构压力降低,故可以利用不同角度调整流通截面,使提高流速成为可能。大量的实验证明,高的膜传热系数来源于大的Re数,而高的流速是提高Re数的一个重要条件。这一条件是传统弓形折流板所不可能达到的。螺旋折流板改变了壳体结构,在保持较低压力降的情况下大幅度提高了介质流速,这样,Re数的增加为提高膜传热系数提供了可能。同时由于折流板是螺旋状结构,使得介质形成一个旋涡,从圆心到半径方向存在较大的速度梯度,这个速度梯度场能在管子表面产生湍流,使边界层减薄,更有利于提高膜传热系数。另外由于连续的螺旋支撑,减小了管束跨距,提高了管子的固有频率,避开了流体的激振频率,从而消除了产生共振的可能性,避免了振动引起的破坏,延长设备运行寿命,降低设备维修费用。由于流体螺旋运动的有效冲刷作用,可减少污垢沉积,热阻稳定,使换热器一直处于高效运行状态,达到节能的目的。

    采用螺旋折流板形式的冷凝器也具有明显的优势。由于传统的列管式冷凝器采用垂直于管束的折流结构,大部分管子长度在垂直方向没有任何连接或引流条件,在上一排管子表面凝结的液体自然下落到下一排管子表面,形成一个不利于热量传导的液膜。随着管束排数的增多,液膜逐渐加厚,就更明显削弱了传热效果,这一点可以从努塞尔特经典的冷凝关联式看到:

           

可以从根本上改善这一状态。倾斜的折流板把各排管子连接起来,每根管子表面的冷凝液可以由斜板引到壳体底部去,避免了各排管子由上方流下来的冷凝液的覆盖而降低换热效果。这也是螺旋折流板冷凝器能提高换热效率的基本原理之一。

  螺旋折流板换热器的综合性能(单位压降下的膜传热系数)比垂直弓形折流板换热器高2倍左右;许多工况下的K值可提高0.3~0.5倍。螺旋折流板换热器以平稳的介质流态代替了传统的弓形垂直折流板“Z”形折返流态,压力损失可大幅度减少,最高达70%。

    3 螺旋折流板换热器的优点与经济效益分析

    3.1 螺旋折流板换热器与弓形折流板换热器技术性能对比

    螺旋折流板换热器与垂直弓形折流板换热器相比,其壳程单位压降下的传热系数(α0/Δp)可提高0.6~2倍;压降损失减少30%~70%;可以减缓污垢沉积,保持K值稳定,延长清洗周期3~5倍;可以防止振动损坏,利于大型化;可以适用于各种介质,特别是高粘度介质;螺旋折流板对冷凝器管束液膜有引流功能,可有效减薄液膜厚度,提高冷凝效果;减少新装置投资和维护费用。

    3.2 经济效益分析

    图3是同等换热能力的螺旋折流板换热器与弓形折流板换热器回收热能的对比,其中斜线面积为用户多回收的热能。相同换热能力的螺旋折流板换热器设计面积平均比弓形折流板换热器减少30%。

            

    图4是换热面积相同的螺旋折流板换热器与弓形折流板换热器热回收能力的对比。此种情况多出现在扩能改造中,壳体和换热器区配管不动,只改动芯子(管束),一般可以提高换热能力1.3倍。

           

      图5是螺旋折流板换热器与弓形折流板换热器壳程压力损失的对比。其中斜线部分为机泵节约的电能,由于系统压力整体下降有利于改善静密封的泄漏问题。

             

    4 螺旋折流板换热器的工程应用

    在我国这种新型换热器日益受到关注和认可。由大连海特传热技术有限公司设计制造的最大螺旋折流板换热器直径为4m、管长为8m(蒸汽稀释发生器),用在抚顺乙烯装置;另外十余台分别用于抚顺石油一厂、二厂、三厂和盘锦炼油厂的催化、常减压及焦化装置上。使用结果表明,各种性能指标均优于原弓形折流板换热器。据统计,采用螺旋折流板换热器热效率都有大幅度提高。同时由于提高了K值,减少了换热面积,大大减少了金属消耗,从而降低了装置的设备投资。

    某炼油厂常减压蒸馏装置试运一台新型螺旋折流板换热器(改造前是垂直弓形折流板换热器),其管程介质为水,壳程介质为渣油。设备投入使用后,运行稳定。改造前后标定数据和计算结果如表1所示。

    技术经济分析如下:

    (1)改造前垂直弓形折流板换热器的年换热量为294.59kW×24×365=2580.63MW;改造后试用的螺旋折流板换热器的年换热量为:589.14kW×24×365=5160.87MW。因此改造后的螺旋折流板换热器比改造前的弓形垂直折流板换热器一年可多换热:5160.87-2580.63=2580.24MW。

       

    增加的换热能力如果折合成重油为222t,现市场重油销售价在0.10~0.15万元/t浮动,如果按平均市场价0.125万元/t计算,折合人民币27.75万元/a。本次试用的螺旋折流板换热器比弓形折流板换热器芯子多付出3.2万元,用0.12年即可回收多付出的投资。

    (2)由于螺旋流动状态,螺旋折流板换热器壳程介质不易沉积,不易结垢,一般可延长50%的使用周期,减少相应的检修、清洗费用,同时可以按照停产检修时间差别,计算相应减少的停产损失费用。

    (3)该设备因螺旋流动方式,阻力降小,可以有效地降低压力损失,减少电耗。
 



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