新型螺旋式換熱器研究

       換熱器是廣泛用于石油、化工、電力、醫(yī)藥、冶金、制冷、輕工等行業(yè)的一種通用設(shè)備。主要作用使化工介質(zhì)達到要求的溫度，并且節(jié)能。換熱器種類繁多，其中管殼式換熱器用途為廣泛，用量大，通常在化工裝置中，換熱器約占總投資的10% 一20%。在石油煉制裝置中，換熱器約占全部工藝設(shè)備投資的35% ～4O% 。

　　一、換熱器的分類

　　換熱器分類方式多樣，按照其工作原理可分為：直接接觸式換熱器、蓄能式換熱器和問壁式換熱器三大類，其中間壁式換熱器用量大，據(jù)統(tǒng)計，這類換熱器占總用量的99%。間壁式換熱器又可分為管殼式和板殼式換熱器兩類，其中管殼式換熱器以其高度的可靠性和廣泛的適應(yīng)性，在長期的操作過程中積累了豐富的經(jīng)驗，其設(shè)計資料比較齊全，在許多都有了系列化標準。近年來盡管管殼式換熱器也受到了新型換熱器的挑戰(zhàn)，但由于管殼式熱交換器具有結(jié)構(gòu)簡單、牢固、操作彈性大、應(yīng)用材料廣等優(yōu)點，管殼式換熱器目前仍是化工、石油和石化行業(yè)中使用的主要類型換熱器，尤其在高溫、高壓和大型換熱設(shè)備中仍占有優(yōu)勢。

　　二、提高換熱效率的方法與措施

　　換熱器在化工生產(chǎn)過程中起著至關(guān)重要的作用，其投資費用占全部投資費用較大。傳統(tǒng)的管殼式換熱器單位體積的傳熱面積較低，傳熱系數(shù)不高，難以滿足生產(chǎn)要求，因而，換熱器的研究越來越得到重視。提高換熱器的換熱效率是節(jié)約能源、降低工程投資的關(guān)鍵，對于提高換熱效率國內(nèi)外非常重視。

　　目前主要采用下述措施：

　　1、研究應(yīng)用強化傳熱技術(shù)，擴展傳熱面積和提高傳熱表面的傳熱性能;

　　2、改變換熱器折流板結(jié)構(gòu)(折流桿技術(shù)等)以提高殼程的傳熱膜系數(shù)，增加介質(zhì)的湍流性，防止介質(zhì)走短流;

　　3、換熱管內(nèi)外表面防污垢技術(shù)(防污垢涂層技術(shù))。

　　4、應(yīng)用數(shù)值傳熱技術(shù)的研究。目前研究應(yīng)用強化傳熱技術(shù)是提高傳熱效率很有效的一種技術(shù)措施，本文主要討論應(yīng)用強化傳熱技術(shù)對換熱器進行改進。所謂換熱器傳熱強化或增強傳熱是指通過對影響傳熱的各種因素的分析與計算，采取某些技術(shù)措施以提高換熱設(shè)備的傳熱量或者在滿足原有傳熱量條件下，使它的體積縮小。

　　換熱器傳熱強化通常使用的手段包括三類：擴展傳熱面積(F);加大傳熱溫差;提高傳熱系數(shù)(K)。

　　1、擴展傳熱面積F。擴展傳熱面積是增加傳熱效果使用多、的一種方法。這種方法現(xiàn)在已經(jīng)淘汰。現(xiàn)在使用多的是通過合理地提高設(shè)備單位體積的傳熱面積來達到增強傳熱效果的目的，如在換熱器上大量使用單位體積傳熱面積比較大的翅片管、波紋管、板翅傳熱面等材料。

　　2、加大傳熱溫差△t。加大換熱器傳熱溫差△t是加強換熱器換熱效果常用的措施之一。但是，增加換熱器傳熱溫差△t是有限度的，我們不能把它作為增強換熱器傳熱效果主要的手段，使用過程中我們應(yīng)該考慮到實際工藝或設(shè)備條件上是否允許。

　　3、增強傳熱系數(shù)(K)。增強換熱器傳熱效果積極的措施就是設(shè)法提高設(shè)備的傳熱系數(shù)(K)。換熱器傳熱系數(shù)(K)值越低，換熱器傳熱效果也就越差。換熱器傳熱系數(shù)(K)值也就越高，換熱器傳熱效果也就越好。

　　上述三方面增強傳熱效果的方法在換熱器都或多或少的獲得了使用，但是由于擴展傳熱面積及加大傳熱溫差常常受到場地、設(shè)備、資金、效果的限制，不可能無限制的增強。所以，當前換熱器強化傳熱的研究主要方向就是：如何通過控制換熱器傳熱系數(shù)(K)值來提高換熱器強化傳熱的效果。我們現(xiàn)在使用多的提高換熱器傳熱系數(shù)(K)值的技術(shù)就是：在換熱器換熱管中加擾流子添加物，通過擾流子添加物的作用，使換熱器傳熱過程的分熱阻大大的降低，并且終來達到提高換熱器傳熱系數(shù)(K)值的目的。

　　(1)、換熱器上擾流子強化傳熱的使用。為了提高換熱器的傳熱系數(shù)，強化換熱器的傳熱效率，國內(nèi)外出現(xiàn)了多種強化元件及強化措施，主要包括在換熱器中使用螺紋管、橫紋管、縮放管、大導(dǎo)程多頭溝槽管、整體雙面螺旋翅片管以及互程技術(shù)在換熱管中加擾流子來強化管內(nèi)換熱等。其中，在換熱管中加擾流子添加物進行強化傳熱在工業(yè)上已使用了多年，它可以使換熱器總的傳熱系數(shù)出現(xiàn)明顯的提高，可以大大節(jié)省換熱器的傳熱面積，降低設(shè)備重量，節(jié)約大量金屬材料，它的許多優(yōu)點已日益引起人們的重視。

　　(2)、采用異形管。為了強化管束傳熱，在工程應(yīng)用上已越來越廣泛地采用異形管來代替圓管。如橢圓管、滴形管、透鏡管等。其中以扁管和橢圓管應(yīng)用廣。以橢圓矩形翅片管為例，經(jīng)研究證明與圓管相比，由于橢圓管的流動性好，流動阻力小，且在相同的管橫截面積下，橢圓管的傳熱周邊比圓管長;從布置上講在單位體積內(nèi)可布置更多的管子，因此單位體積的傳熱量高。在滿足換熱量的前提下，換熱器向著、緊湊的方向發(fā)展。強化傳熱技術(shù)的應(yīng)用，國內(nèi)研發(fā)了一些新型換熱器如內(nèi)凸肋管式換熱器、螺旋式換熱器。

　　三、換熱器的改進

　　借鑒以往換熱器的研究成果，在本文中對換熱器提出了如下改進，設(shè)計了一種新?lián)Q熱器一內(nèi)凸肋螺旋式換熱器。內(nèi)凸肋螺旋式換熱器，該產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點如下：1.換熱管采用內(nèi)凸肋以擴展傳熱面積;2.換熱管是螺旋橢圓截面;3.管柬中管子與管子在橢圓長軸處相接觸，相互支撐百取消了折流板; 換熱管采用螺旋式形狀。該換熱器有如下優(yōu)勢：1.換熱管采用內(nèi)凸肋以擴展傳熱面積;2.無折流板結(jié)構(gòu)以提高殼程的傳熱膜系數(shù)，增加介質(zhì)的湍流性;3.換熱管改變成螺旋形換熱管，使之換熱形式由直通式流動換熱變成螺旋紊流流動換熱，流動換熱長度增加1.5倍，換熱效率提高1.9倍，比光滑管設(shè)備體形小，重量輕，節(jié)約原材料。該新型換熱器比常規(guī)管殼式換熱器可節(jié)省傳熱面積26%一56%，節(jié)省制造成本2O%一35%。同等性能條件下，節(jié)能換熱器體積減小，能夠大大降低項目投資。

　　四、換熱管的生產(chǎn)方法

　　內(nèi)凸肋橢圓換熱管可以采用板帶軋制與焊接鋼管聯(lián)合法生產(chǎn)。此種方法以板帶為原料，通過具有成型軋輥及光面軋輥的板帶軋制成內(nèi)凸肋的異型帶材。之后在焊接機上焊接成所需的異壁異型鋼管。內(nèi)凸肋板帶的軋制方法

　　1、單機軋制法。將板材通過一對具有與成品后形狀相同孔型的軋輥軋制成內(nèi)凸肋的板帶材。

　　2、連軋法。將板材通過帶有不同肋寬的軋輥，呈連續(xù)布置的3架～5架軋機，軋成帶有內(nèi)凸肋的板帶材。

　　3、五輥軋制成型法。由于單機軋制法在軋制時存在嚴重的不均勻變形，在內(nèi)凸肋之間凹處的金屬橫向流動很少，往往在軋后會形成波浪，當使用厚度與成品厚度相差較大的原料時，就用較大的壓縮量或增加軋制，以及多次中間退火才能完成軋制任務(wù)。連續(xù)成型法相對可以部分避免單機軋制成型的缺點，即金屆橫向流動形成規(guī)定的外形比單機軋制平緩。但連軋成型設(shè)備組成比較復(fù)雜，并且每一種規(guī)格縱向肋片的板帶配有不同形狀的軋輥。

　　為克服上述三種成型方法的不足，近又用五輥成型機連軋縱向內(nèi)凸肋異型板帶材。為保證軋后縱向內(nèi)凸肋板帶材的凸肋外形尺寸符合要求，在孔型設(shè)計時根據(jù)軋制條件綜合各種影響因素(如溫度、硬化因素)來進行設(shè)計。之后把多根傳熱管卷成同心螺旋并固定在蓋板和殼體之間;每～根傳熱管的兩端分別與一根進口管和一根出口管連接。殼體可以是鑄件，也可以是卷制鋼板。鑄件殼可以根據(jù)螺旋管的形狀鑄造，使殼體內(nèi)空間得到充分利用，而鋼制簡體則不能充分利用空間。傳熱管可以用碳鋼、銅、銅合金、鎳合金等材質(zhì)制成。內(nèi)凸肋螺旋管式換熱器與一般換熱器相比，具有傳熱系數(shù)大、結(jié)構(gòu)緊湊、易于清洗、污垢熱阻小等優(yōu)點，適于處理粘度大的流體或含固體顆粒的泥漿，工程上可得到廣泛的應(yīng)用。