波纹管换热器的研究及工业应用

　　波纹管换热器的研究及工业应用邓方义1刘巍1郭宏新1郑建岳2 1.中国石化集团洛阳石油化工工程公司（河南省洛阳市471003）2.宁波广厦热力成套设备有限公司（浙江省宁波市315204）的总传热系数比光管高1.5倍以上。根据试验数据关联出了波纹管换热器膜传热系数和压力降的计算公式，并在长岭炼油化工总厂、上海石油化工股份有限公司进行的工业试验中验证了关联式的可靠性，同时也证实了波纹管换热器的高效性。目前扬子石化股份有限公司、大连西太平洋石油化工有限公司等大量采用了波纹管换热器，取得了明显的经济效益。

　　自20世纪80年代以来，国内先后研究开发了“折流杆换热器与冷凝器”、“双弓板、三弓板换热器”、“T形翅片管重沸器”、“内插物管换热器”、“螺旋扁管换热器”等。这些高效传热设备在节能改造中逐步推广应用，大幅度降低了设备投资，为企业带来了可观的经济效益。

　　上述研究成果基本上采用单面强化的措施。

　　鉴于有的管内外强化传热设备组合，如内插物-螺纹管换热器传热效果不是很理想，为了研制适合石油化工生产用的双面强化传热管型，并且利于机械加工，成功乳制了以普通碳钢和不锈钢换热器管（壁厚大于2.0mm）为原材的波纹管。本文对由波纹换热管制成的换热器（称为波纹管换热器）的传热性能进行了研究。

　　波纹管是一种双面强化传热的管型，内外壁被轧成波纹凸肋，其内壁能改变流体边界层的流动状态，外壁能增大传热表面和扰动，达到双面强化传热的目的。将波纹管与弓形板换热器和折流杆换热器等结合，派生出实现双面强化传热的系列产品。初的波纹管形状类似于“糖葫芦”，为了充分利用波纹管的结构特点，提高加工速度、降低成本，又成功开发了“螺旋波纹管”，这两种管型统称为波纹管。

　　为得到波纹管用于油品介质的准确的传热和流动阻力性能数据，进行了管内和壳程的传热和阻力性能试验。在此基础上关联出了波纹管换热器的计算方法，并得到了工业试验的验证。

　　1试验系统与试验方法1.1试验系统波纹管的研制分两个阶段，阶段为横纹波纹管，第二阶段为螺旋波纹管，两种波纹管如和所示。

　　螺旋波纹管示意试验系统主要包括：试验试件、水泵、油泵、流量计、冷却器、差压变送器、温度变送器、数据采集和处理系统等。试验试件为管壳式换热器和套管式换热器，试验介质为混合油、水和水蒸气。波纹管换热器试验需测量的主要参数有温度、压力降、流量以及冷凝液量等。

　　1.2试验方法测试波纹管换热器管内传热和流动阻力性能-29；修改稿收到日期：2005-05-16.：邓方义，工程师，硕士研究生，19年毕业于西安交通大学工程热物理专业，现从事化学工程开发工作。联系电图时管内为混合油，测试壳程传热和流动阻力性能时壳程走混合油。试验目的是分别考察波纹管换热器在油品介质中的性能。试验时准确记录冷热流体的流量和进出口温度，以及压力降。

　　通过实测的温度、流量值以及流体物性数据计算出热负荷，根据传热方程式计算出总传热系数。由总热阻等于各项分热阻之和推算出波纹管换热器混合油侧（管内和/或壳程）的传热性能。

　　2系统考核试验波纹管换热器试验系统考核中，热平衡误差占'在±10以内的数据占80以上，说明试验系统是可靠的，测试方法是可行的。热平衡误差分布见表1.表1系统考核试验的热平衡误差分布热平衡误差范围数据总IS组数百分数组数百分数横纹波纹24管换热器24螺旋波纹qn管换热器3U 3试验结果及分析3.1试验数据处理方法油品性质采用物性图表拟合的公式计算，油品基础分析数据由相关机构提供。水蒸气和水的性质由API手册中的公式计算。

　　饱和水蒸气冷凝热负荷、冷却水和混合油的热负荷由常规方法计算。冷热流体热平衡误差以热介质放热为准。

　　波纹管换热器试验时采用纯逆流流动，或采用饱和水蒸气作为加热介质，温差校正系数近似取1.0.因此，有效温差就是对数温差。

　　由试验测得的流率、进出试验试件的温度计算出热负荷、有效温差，根据传热方程式计算出实测的总传热系数。

　　水和水蒸气的膜传热系数水和水蒸气冷凝膜传热系数采用通用方法计算。（6）膜传热系数的剥离根据总热阻等于各项热阻之和，剥离出混合油侧的膜传热系数。

　　m-及3.2波纹管换热器管内性能试验结果国标管壳式换热器新用的碳素钢管规格为此为基准轧制波纹管时佳波距和波谷高度是不一样的，因此，两种管径的波纹管换热器性能也存在差异。

　　热与阻力性能波纹管换热器的管内膜传热系数、压力降分别如和所示。图中光管的管内膜传热系数和压力降是采用相关公式计算出来的，仅作为x2.0mm波纹管换热器管内传热性能螺旋波纹管横纹波纹管光管他<>19mmx2.0mm波纹管换热器管内阻力性能热与阻力性能4>25mmx2.5mm波纹管换热器管内膜传热系数、压力降的数据。图中光管的数据是采用相关公式计算出来的，仅作为。

　　图*vvv.缬旋波纹管x横纹波纹管。光管mmx2.5nun波纹管换热器管内传热性能。螺旋波纹管4>25mmx2.5mm波纹管换热器管内阻力性能3.3波纹管换热器壳程性能试验结果和分别为波纹管弓形板换热器壳程传热与流动阻力性能的对比。图中光管的数据系采用相关公式计算出来的，仅作。

　　小19mmx2.0mni的螺旋波纹管换热器管内传热强化效果没有横纹波纹管好，但相应的压力降也比横纹波纹管低，其综合性能在一定的雷诺数范围明显优于横纹波纹管。c（>25mmx2.5rrnn的螺旋波纹管换热器管内传热强化效果比横纹波纹管稍差，但其压力降的增加幅度也比横纹波纹管低，在试验雷诺数范围螺旋波纹管换热器管内综合性能优于横纹波纹管C X.rf3丨。各0丨0，DD口口波纹管换热器壳程传热性能I4121086V.螺旋波纹管x横纹波纹管□光管波纹管换热器壳程阻力性能螺旋波纹管换热器壳程强化传热效果不如横纹波纹管，但其压力降在一定雷诺数范围比横纹波纹管低，两种波纹管换热器壳程综合性能基本相当。

　　4传热及阻力计算关联式的建立bookmark3 4.1波纹管换热器管内传热与阻力计算关联式bookmark4波纹管换热器管内膜传热系数除与雷诺数、普朗特数有关外，还与波距和波谷高度有关，其计算公式：传热因子人，的值与雷诺数有关，两种波纹管换热器的计算公式是不一样的。同样，指数m和n的值对两种波纹管也不相同。

　　波纹管换热器管内摩擦压力降计算公式：4.2波纹管换热器壳程传热与阻力计算关联式bookmark8波纹管换热器壳程膜传热系数与光管相比是一个倍数关系，这个倍数与雷诺数有关，其计算关联式采用光管的形式，加一个常数修正。

　　波纹管换热器壳程摩擦压力降为光管换热器壳程摩擦压力降的倍数。

　　波纹管换热器的成功开发以及设计计算方法的建立，为其推广应用奠定了基础。1999年初长岭炼油化工总厂I套常减压蒸馏装置脱前原油与常三线油换热的波纹管换热器投人工业运行，随后对此台位进行了标定，标定的主要数据是换热器的热负荷、传热速率、管内及壳程压力降，标定结果见表2.表2长岭炼油化工总厂波纹管换热器标定结果项目标定值计算值误差总传热系数/w*（n壳程压力降/kPa管程压力降八Pa为了进一步考察波纹管换热器的效果，改为光管换热器，然后用相关程序计算，得到波纹管换热器的综合性能（传热系数/压力降）为光管的长岭炼油化工总厂的标定结果证实了波纹管换热器性能计算方法的准确性。为了进一步考核波纹管换热器的强化作用和计算方法的准确性，将上海石油化工股份有限公司n套常减压装置E5016台位改为波纹管换热器。原设计为BES800-2. 5-215*6/19-2的光管换热器3台，改为2台BES900-2.5-2804/19-2的波纹管换热器，折流板间距都是300mm.不仅节省了换热器面积，而且提高了操作弹性，设备投用后效果良好。于1999年10月对此台位进行了标定，标定结果（见表3）表明，波纹管换热器的综合性能约为光管换热器的1.3倍。

　　表3上海石油化工股份有限公司波纹管换热器标定结果项目标定值计算值误差，％总传热系数/W（rK壳程压力降/kPa管程压力降APa波纹管换热器在石化工业的成功应用，给企业带来了巨大的经济效益，越来越多的企业认识到波纹管换热器的优越性。在工程设计中，设计人员采用波纹管换热器，不仅节省了投资，而且可以简化流程。波纹管换热器对介质没有特别的要求，一般除渣油以外的所有介质都适用。

　　近几年洛阳石油化工工程公司在设计中大量采用波纹管换热器，主要用于原油和初底油换热以及侧线产品冷却，并将波纹管与双弓板、折流杆组合使用，充分发挥波纹管的强化作用和双弓板、折流杆壳程压力低的优势，使得换热流程的设计更加合理。如扬子石化股份有限公司n套常减压蒸馏装置处理能力从2.Mt/a提高到4. 5Mt/a的改造中，采用了20台波纹管换热器，取得了明显的效果。大连西太平洋石油化工有限公司常减压蒸馏装置10.Mt/a扩能改造工程共在10个台位采用波纹管换热器，数量达到20台，其中波纹管双弓板组合为4个台位。中国石化湛江东兴石油企业有限公司炼油改扩建工程一联合5. 0Mt/a常减压蒸馏装置改造，在7个台位共采用16台波纹管换热器。

　　6结论试验证明波纹管换热器具有双面强化的作用，适用范围广。

　　波纹管换热器加工制造工艺成熟，可大量推广应用。

　　对波纹管换热器管内及壳程的传热与阻力性能进行了细致的试验测试和研究，试验热平衡误差绝大部分在±10以内，说明试验方法和试验系统是可靠的，试验结果可作为关联机理公式的依据。

　　根据试验数据建立了波纹管换热器管内、壳程传热与阻力计算关联式，公式误差在工程计算允许的范围内，可以用于设计计算。

　　波纹管换热器总传热系数比光管换热器高50以上，同时，压力降也有较大增加，如选用得当，经济效益相当可观，具有很好的市场前景。

　　符号说明K――混合油的膜传热系数，W/（m2 K）；h*―水或水蒸气的膜传热系数，W/（m2 Rt――总垢阻，包括结垢热阻和管壁热阻，m2 K/W；hh――以管外表面积为基准的管内膜传热系数，W/m2 K――管外膜传热系数，W/m2K；Re，――管程雷诺数；Rea――壳程雷诺数；APt――管内压力降，kPa；AP」――壳程压力降，kPa；Ji管内传热因子；Pr，――管内普朗特数；e――波纹管的波谷高度，m；S波纹管的波距，m；屯――管内壁温修正系数；A；――管内流体定性温度下的导热系数，W/（mK）；APi―一管内摩擦压力降，kPa；a――常数；Gi管内流体质量流速，s）；――管内摩擦系数；――管程数；