新型螺旋式换热器研究

新型螺旋式换热器研究

换热器是广泛用于石油、化工、电力、医药、冶金、制冷、轻工等行业的一种通用设备。主要作用使化工介质达到要求的温度，并且节能。换热器种类繁多，其中管壳式换热器用途为广泛，用量大，通常在化工装置中，换热器约占总投资的10% 一20%。在石油炼制装置中，换热器约占全部工艺设备投资的35% ～4O% 。

　　一、换热器的分类

　　换热器分类方式多样，按照其工作原理可分为：直接接触式换热器、蓄能式换热器和问壁式换热器三大类，其中间壁式换热器用量大，据统计，这类换热器占总用量的99%。间壁式换热器又可分为管壳式和板壳式换热器两类，其中管壳式换热器以其高度的可靠性和广泛的适应性，在长期的操作过程中积累了丰富的经验，其设计资料比较齐全，在许多国家都有了系列化标准。近年来尽管管壳式换热器也受到了新型换热器的挑战，但由于管壳式热交换器具有结构简单、牢固、操作弹性大、应用材料广等优点，管壳式换热器目前仍是化工、石油和石化行业中使用的主要类型换热器，尤其在高温、高压和大型换热设备中仍占有绝对优势。

　　二、提高换热效率的方法与措施

　　可拆式板式换热器在化工生产过程中起着至关重要的作用，其投资费用占全部投资费用较大。传统的管壳式换热器单位体积的传热面积较低，传热系数不高，难以满足生产要求，因而，高效换热器的研究越来越得到重视。提高换热器的换热效率是节约能源、降低工程投资的关键，对于提高换热效率国内外非常重视。

　　目前主要采用下述措施：

　　1、研究应用强化传热技术，扩展传热面积和提高传热表面的传热性能;

　　2、改变换热器折流板结构(折流杆技术等)以提高壳程的传热膜系数，增加介质的湍流性，防止介质走短流;

　　3、换热管内外表面防污垢技术(防污垢涂层技术)。

　　4、应用数值传热技术的研究。目前研究应用强化传热技术是提高传热效率很有效的一种技术措施，本文主要讨论应用强化传热技术对换热器进行改进。所谓换热器传热强化或增强传热是指通过对影响传热的各种因素的分析与计算，采取某些技术措施以提高换热设备的传热量或者在满足原有传热量条件下，使它的体积缩小。

　　换热器传热强化通常使用的手段包括三类：扩展传热面积(F);加大传热温差;提高传热系数(K)。

　　1、扩展传热面积F。扩展传热面积是增加传热效果使用多、简单的一种方法。这种方法现在已经淘汰。现在使用多的是通过合理地提高设备单位体积的传热面积来达到增强传热效果的目的，如在换热器上大量使用单位体积传热面积比较大的翅片管、波纹管、板翅传热面等材料。

　　2、加大传热温差△t。加大换热器传热温差△t是加强换热器换热效果常用的措施之一。但是，增加换热器传热温差△t是有一定限度的，我们不能把它作为增强换热器传热效果主要的手段，使用过程中我们应该考虑到实际工艺或设备条件上是否允许。

　　3、增强传热系数(K)。增强换热器传热效果积极的措施就是设法提高设备的传热系数(K)。换热器传热系数(K)值越低，换热器传热效果也就越差。换热器传热系数(K)值也就越高，换热器传热效果也就越好。

　　上述三方面增强传热效果的方法在换热器都或多或少的获得了使用，但是由于扩展传热面积及加大传热温差常常受到场地、设备、资金、效果的限制，不可能无限制的增强。所以，当前换热器强化传热的研究主要方向就是：如何通过控制换热器传热系数(K)值来提高换热器强化传热的效果。我们现在使用多的提高换热器传热系数(K)值的技术就是：在换热器换热管中加扰流子添加物，通过扰流子添加物的作用，使换热器传热过程的分热阻大大的降低，并且终来达到提高换热器传热系数(K)值的目的。

　　(1)、换热器上扰流子强化传热的使用。为了提高换热器的传热系数，强化换热器的传热效率，国内外出现了多种强化元件及强化措施，主要包括在换热器中使用螺纹管、横纹管、缩放管、大导程多头沟槽管、整体双面螺旋翅片管以及互程技术在换热管中加扰流子来强化管内换热等。其中，在换热管中加扰流子添加物进行强化传热在工业上已使用了多年，它可以使换热器总的传热系数出现明显的提高，可以大大节省换热器的传热面积，降低设备重量，节约大量金属材料，它的许多优点已日益引起人们的重视。

　　(2)、采用异形管。为了强化管束传热，在工程应用上已越来越广泛地采用异形管来代替圆管。如椭圆管、滴形管、透镜管等。其中以扁管和椭圆管应用广。以椭圆矩形翅片管为例，经研究证明与圆管相比，由于椭圆管的流动性好，流动阻力小，且在相同的管横截面积下，椭圆管的传热周边比圆管长;从布置上讲在单位体积内可布置更多的管子，因此单位体积的传热量高。在满足一定换热量的前提下，换热器向着高效、紧凑的方向发展。强化传热技术的应用，国内研发了一些新型高效换热器如内凸肋管式换热器、螺旋式高效换热器。

　　三、换热器的改进

　　借鉴以往换热器的研究成果，在本文中对换热器提出了如下改进，设计了一种新换热器一内凸肋螺旋式高效换热器。内凸肋螺旋式换热器，该产品结构特点如下：1.换热管采用内凸肋以扩展传热面积;2.换热管是螺旋椭圆截面;3.管柬中管子与管子在椭圆长轴处相接触，相互支撑百取消了折流板; 换热管采用螺旋式形状。该换热器有如下优势：1.换热管采用内凸肋以扩展传热面积;2.无折流板结构以提高壳程的传热膜系数，增加介质的湍流性;3.换热管改变成螺旋形换热管，使之换热形式由直通式流动换热变成螺旋紊流流动换热，流动换热长度增加1.5倍，换热效率提高1.9倍，比光滑管设备体形小，重量轻，节约原材料。该新型换热器比常规管壳式换热器可节省传热面积26%一56%，节省制造成本2O%一35%。同等性能条件下，高效节能换热器体积减小，能够大大降低项目投资。

　　四、换热管的生产方法

　　内凸肋椭圆换热管可以采用板带轧制与焊接钢管联合法生产。此种方法以板带为原料，通过具有成型轧辊及光面轧辊的板带轧制成内凸肋的异型带材。之后在焊接机上焊接成所需的异壁异型钢管。内凸肋板带的轧制方法

　　1、单机轧制法。将板材通过一对具有与成品后形状相同孔型的轧辊轧制成内凸肋的板带材。

　　2、连轧法。将板材通过带有不同肋宽的轧辊，呈连续布置的3架～5架轧机，轧成带有内凸肋的板带材。

　　3、五辊轧制成型法。由于单机轧制法在轧制时存在严重的不均匀变形，在内凸肋之间凹处的金属横向流动很少，往往在轧后会形成波浪，当使用厚度与成品厚度相差较大的原料时，就必须用较大的压缩量或增加轧制首次，以及多次中间退火才能完成轧制任务。连续成型法相对可以部分避免单机轧制成型的缺点，即金届横向流动形成规定的外形比单机轧制平缓。但连轧成型设备组成比较复杂，并且每一种规格纵向肋片的板带必须配有不同形状的轧辊。

　　为克服上述三种成型方法的不足，近又用五辊成型机连轧纵向内凸肋异型板带材。为保证轧后纵向内凸肋板带材的凸肋外形尺寸符合要求，在孔型设计时必须根据轧制条件综合各种影响因素(如温度、硬化因素)来进行设计。之后把多根传热管卷成同心螺旋并固定在盖板和壳体之间;每～根传热管的两端分别与一根进口管和一根出口管连接。壳体可以是铸件，也可以是卷制钢板。铸件壳可以根据螺旋管的形状铸造，使壳体内空间得到充分利用，而钢制简体则不能充分利用空间。传热管可以用碳钢、铜、铜合金、镍合金等材质制成。内凸肋螺旋管式换热器与一般换热器相比，具有传热系数大、结构紧凑、易于清洗、污垢热阻小等优点，适于处理粘度大的流体或含固体颗粒的泥浆，工程上可得到广泛的应用。