换热器中采用节能技术不仅能提高能源利用率,减少金属材料的消耗,而且对推进石油、化工、制药等行业的节能减排工作有着积极意义。介绍了常用管壳式换热器换热管强化传热技术和壳程强化传热方法,分析了各自的原理、优缺点及推荐使用场合。

在石化和化工制药设备的换热器系统中,管壳式换热器以其结构坚固、可靠性高、适应性强等优点在化工生产和使用中一直占主导地位,被广泛使用在精馏塔的塔顶冷凝器、冷却器和塔底再沸器等。在管壳式换热器的设计和使用中,积极考虑强化传热的新技术、新工艺,以提高能源利用率、减少金属材料的消耗,对推进石油化工制药行业的节能减排工作有着重要意义。

1·管壳式换热器的传热原理根据传热学基本公式

Q=KFΔtm(1)

由式(1)可知,提高传热效率的途径有三条:提高传热系数K;增大换热面积F;加大对数平均温差Δtm。增大换热面积和加大对数平均温差都不是理想的途径,一味地增加换热面积势必会造成设备体积庞大和投资费用的大幅度增加,而加大对数平均温差又要受到公用工程条件和分离物系性质的限制。只有提高传热系数,才是强化换热最有效的途径。传热系数K是换热器的主要性能参数,众所周知其计算公式为：

由式(2)可知,传热系数K值的大小与管内换热系数αi、管外换热系数αo、管内和管外的污垢系数ri和ro、换热管的外径与内径之比do/di、换热管材料的热导率λw以及管厚度δw有关。而换热管的材料、规格一旦选定,则管外径与内径之比、壁厚及导热系数等参数也随之确定下来。所以,提高管内、外换热系数αi和αo、降低污垢系数ri和ro,才能够提高换热器的总传热系数K。

2·管壳式换热器强化传热方法

由传热机理可以看出,提高换热器的传热效率就要想办法提高管内、外换热系数、降低管内、外污垢系数。管壳式换热器的强化传热研究经过多年发展,目前已经取得了许多广泛使用的成果。以下从管程强化与壳程强化两个方面分析管壳式换热器强化传热方法。

2·1管程强化

2·1·1传热管的改进

采用了低肋管、螺纹管、波纹管等代替常用换热器的普通光滑管,不仅增加换热面积,而且利用粗糙传热面强化边界层湍流度提高传热系数,从而使管程强化传热有了较大的突破。

低肋管是开发较早的换热管之一,主要应用于强化沸腾传热,不仅其换热系数较高,而且能有效地扩大传热面积,光滑管的传热面积只是低肋管的38%。距有关资料证明,在相同雷诺数Re下,低肋管外的膜传热系数是光滑管的1·4~1·7倍。但是低肋管也有其自身的弱点:在低热流率下,换热管的传热性能在上、下两部分相差比较大,上部优于下部,不过随着热流率增加差距会逐渐减少,此外该管型带来的流动阻力会比较大。

螺纹管是一种由钢管经环向滚压轧制而成的整体低翅片管,适用于强化对流、冷凝传热。从内、外螺纹管与光滑管的对比可看出螺纹管在强化传热和节能等方面的优点,内、外螺纹管换热器可提高传热系数,螺纹管的总传热系数为光滑管的两倍以上。在满足生产的情况下,两台内外螺纹管换热器具有三台光滑管换热器的传热能力。对于相同结构的管壳式换热器,内、外螺纹管的换热面积是光滑管的1·5~2·5倍。螺纹管换热器对污垢的产生可起到延缓和抑制作用,因而可降低污垢系数ri和ro,减少热阻,提高传热效率。

波纹管是管内流道截面连续不断地突变,造成流体即使在流速很低的情况下也始终处于高度湍流状态,难以形成层流,使对流传热的主要热阻被有效地克服,管内、外传热被同时强化,因而传热系数很高,一般为传统管壳式换热器的2~3倍。

2·1·2适当提高管内流速

管内的对流换热系数αi与管内流体的流动状态有极大关系,流动状态的改变可借助于提高流速,传热系数随着流速的提高而增加。但当流速提高到一定程度时,传热系数随着流速的提高而增速减慢,而换热器的压降增加幅度却很大。因此,在设计换热器时,可适当加大管内流速,以提高管内换热系数,强化管内传热。

2·2壳程强化

从间壁传热原理上讲,壳程强化在提高整个换热器传热效率较管程更为有效,在无相变换热的情况下,一般壳程对流换热系数α1小于管程对流换热系数α2,所以在壳程进行强化传热的改进,可以使总传热系数K有较大提高。设计出合理的壳程流道截面,使流体按湍流或程度较高的紊流进行流动,使流体不断冲击边界层。同时,使截面最好能不断改变流体的流动方向,如有意识地使流道截面不间断地缩小、扩大,即使在流速较小的情况下,流体在管外也可以形成比较强烈的扰动,从而提高管外的对流换热系数。

2·2·1管间支撑结构的改善

传统的管壳式换热器大多采用单弓形隔板支撑,使流体呈“Z”形流动,该流动方式造成在隔板和壳壁相连处存在流动死区致使传热系数提高降低;流体在弓形隔板间的分离引起动量的急剧变化而造成压力的严重损失;在隔板与壳体和换热管之间,若旁路流和泄漏流现象严重将降低流体的有效质量流速。为了改善流体在壳侧的传热性能,相继推出一些优化结构。

(1)异型隔板换热器

异形隔板是通过对隔板的结构和安排的改变来引起壳侧流体的流动速度和流动方式的变化,从而减少壳侧易结垢的死区来提高换热系数。并且隔板在列管式换热器中还有支撑管、实现流体预期速度、减少管子震动的作用。目前常见的异形隔板换热器形式主要有:双弓形隔板,螺旋形隔板。

一般双弓形隔板(如图1所示)包括A型(双弓形隔板)和B型(中心隔板),并将它们沿管束方向交替排列。与间距和缺口相同的单弓型隔板相比其压降为0·3~0·5MPa,传热系数为1·2~1·3W/(m2·k)。因此可以看出总体的传热性能得到了提高。

(2)螺旋隔板换热器

螺旋隔板,在管间为螺旋形状,可使流体在壳侧作螺旋运动,流体在流道内流动长度增加,且流动平滑因而在流道中流速和压差分布比较均匀,所以带来一系列优点:挡板、管束和壳壁之间的泄漏流、旁路流、反混现象会大量的减少,流动死区也基本消除。从而使得壳侧污垢面积大大减少,总体上减少了滞留区而增加了湍流度,提高了壳侧的传热系数并降低了压降。此外,该结构还能增强管束的稳定性,防止震动。实验结果表明,与相同工况下的直挡流板相比,螺旋隔板壳侧努塞尔数可提高49·4%。在螺旋角为40℃左右时,边界层流体流动形式在流道内表现为全发展流,换热器效率最高。但缺点是加工制作难度加大,维修清理较困难,所以壳侧不易使用经常需要清理的介质。

2·2·2折流杆式换热器

折流杆式换热器由排布的支撑杆和其他元件形成折流栅来代替折流板,使流体在壳程形成一系列折流,既可以防震,还可以增加流动介质的湍流度,提高管间给热系数。折流杆式换热器压降很低,为弓形隔板的1/4以下,传热特性比也高,传热强化达1·3~2·4倍,应用于有相变和无相变的流杆螺旋槽再沸器都能获得比较满意的效果。

管壳式换热器管程和壳程的强化传热的各种方法都是围绕传热机理,从提高传热系数K、扩大传热面积A和增大传热温差Δtm三种方面来实现。通过改变换热管外形、改变壳程挡板和管支撑物的形式、改变壳程流程布置等途径达到提高传热效率的目的。从而实现热量的合理利用,降低设备成本,减少金属材料消耗,实现工艺过程的节能减排。所以采用各种强化传热方法设计制造高性能的换热器是较经济的开发和利用能源的最重要手段。