高效特型管换热器在石油化工中的应用

　　2006年第B53高效特型管换热器在石油化工中的应用刘世平，刘丰，郭宏新（江苏中圣高科技产业有限公司高效传热研究所，南京211112）在节能中的优势。用设计实例说明了高效特型管换热器与普通光管换热器相比，不但可以提高换热器的换热能力，而且同时可以节约大量能量。

　　众所周知，我国是能源消耗大国，能源利用效率低，快速发展的国民经济受到能源供需的严重制约。针对能源和环境压力曰益加大的突出问题，国家“十一五”规划要求单位国内生产总值能源消耗比“十五”降低20左右。目前，中国钢铁、有色、水泥、石化、电力等8个高能耗行业主要产品的单位产出能耗平均比国际先进水平高出40.所以，石油、石化和化工等行业是工业节能的重点领域。

　　在石油、石化、化工等领域中，管壳式换热器被广泛地用于物料的蒸发、冷凝、加热及冷却等过程以及余热回收和能量的综合利用。传热效率低、体积大、操作费用高是普通光滑管换热器普遍存在的缺点。高效特型换热管是在光滑管的基础上，在光管的内外表面加工出翅片、螺纹、凹槽、波纹、凸肋等特殊几何形状来强化传热过程，使传热系数大幅度增加，尤其在有相变的传热场合可高达10倍以上。利用高效特型换热管代替光滑管，可显著提高换热器的传热效率、降低设备质量、减小占地空间、节约能源、降低成本。在提高传热效率的同时，有些特型管的特殊几何形状有自清洗作用，使换热表面更不容易结垢，从而延长设备运行周期。

　　所以，高效换热器在企业节能改造、扩能改造、进口设备国产化等方面具有很大优势。

　　我公司先后开发了波纹管、内波纹外螺纹管、T型翅片管、内凹槽道管等高效特型管换热器。本文结合我公司设计、生产和推广高效换热器的经验，介绍高效特型管换热器在石化、化工等领域中的应用及其在节能中的优势。

　　1高效特型管换热器的优势管壳式换热器的传热速率由总传热系数、传热面积和平均温度差决定，总传热速率方程为其中总传热系数与管内外流体膜传热系数、污垢热阻和管壁热阻有关，它们之间的关系由卜式表达11所以，增加总传热系数尺和换热面积A的乘积可提高一台换热器的换热能力。增加管内外的膜传热系刘世平，博士，主要从事计算与实验流体力学、传热、混合技术、非牛顿流体等方面的研究与开发工作。

　　数和减小污垢热阻可大幅度提高总传热系数。

　　高效特型管换热器的显著特点就是特型管使流体膜传热系数大幅度提高，在相同换热面积下，传热能力较光滑管有很大提高。高效特型管换热器在石油化工中的应用主要有以下优势。

　　对于一个给定的换热任务，通常传热速率和平均温差给定，由等。

　　除了螺纹管是靠扩展外表面积来强化传热之外，波纹管和内波外螺纹管主要通过增加对壁面边界层的扰动来强化传热。

　　波纹管是双面有波纹的强化传热管（见）。

　　波纹管有薄壁波纹管和厚壁波纹管两种。薄壁波纹管是由薄壁光滑管从管内胀扩加工形成，壁厚在0.51.2mm.厚壁波纹管是在光滑管的基础上，用滚轧的方法加工而成，一般壁厚1.53mm，波距为52（mm，波谷为12mm，波谷比薄壁波纹管浅，压降和传热系数相应低一些。给出了厚壁波纹管与光滑管内传热系数、阻力系数以及在相同面积和相同泵功下的换热量的比较。雷诺数在500050000时，厚壁波纹管的管内传热系数是光管的1.62.6倍，阻力系数是光管的3.952倍，这两个比值均随着雷诺数的增加而降低。由于在相同流速下，波纹管压降增加的倍数比传热系数增加倍数大得多，所以波纹管在相同面积和相同泵功下的换热量与光管相比增加的程度比传热系数增加的程度低得多，随着雷诺数的增加而降低。雷诺数在500020000时，波纹管在相同面积和相同泵功下的换热量是光管的1.181.5倍。当雷诺数大于50000时，在相同面积和相同泵功下，波纹管的换热量开始接近于光滑管。因此，一般波纹管在雷诺数小于20000的情况下比较有利，否则将消耗更多的泵功。厚壁波纹管的管外传热系数是光管的1.5 1.9倍，压降是光管的1.21.4倍。

　　与厚壁波纹管加工方法类似，内波外螺纹管也是由滚轧的方法加工而成。内波外螺纹管的管内壁-为波纹状，管外壁是螺纹（见）。江苏中圣高科'技产业有限公司的内波外螺纹管的管内波纹与波纹表1高效特型管换热器设计实例换热管类型光滑管波纹管内波外螺纹管波纹管内波外螺纹管壳体内径/mm100090090010001000换热管数100981181110291029管程数2226000管长/mm6000600060006000管子尺寸/mm19x219X219X219X219X2总换热面积/m2361.37290.45290.45368.53368.53折流板形式单弓板，切口内波外螺纹管示意图管相比，波距和波谷相应减小，内波纹高0.51mm，波距16mm.在雷诺数5 00050000的范围内，管内换热系数是光管的1.82.8倍，略高于波纹管，压降是光管的3.34.1倍，压降比波纹管低。管外传热系数和压降比波纹管略低。总体强化传热效果与波纹管基本相当。内波外螺纹管比波纹管更容易加工。内波外螺纹管的管外螺纹与普通螺纹管相比，螺纹槽较浅且螺纹槽较宽，这种螺纹结构抗结垢能力更好，克服了普通螺纹管易结垢、堵塞且检修时难于清除螺纹中的污垢的缺点。这种螺纹结构更有利于管外冷凝时冷凝液从沟槽中排出，减少冷凝液在螺纹槽内的滞留，使得冷凝液膜较薄，从而保持较大的传热系数。内波外螺纹管也是双面强化换热管。与波纹管类似，管内凸起的波纹状表面使边界层内产生漩涡，这些漩涡不断地使边界层内的流体与边界层以外的流体混合，使管内传热系数大幅度增加。这种对边界层的扰动，减少了污垢在壁面上形成，有一定的自清洗作用。

　　近几年，我公司设计和生产了100多台波纹管、内波外螺纹管、T型翅片管、内凹槽道管等高效换热器，在大庆石化、上海石化、扬子石化、金陵石化、燕山石化、大连石化、广州石化、天津大沽化工、九江石化等企业得到广泛应用，使用效果表明提尚热负荷在3050以上，运行周期大幅度增加，节能效益显著。对于单相换热，波纹管和内波外螺纹管主要用于油-油、油-水以及其他液-液换热。由于气体的普朗特数较小，光靠破坏边界层来强化传热是不够的，增加换热面积是更有效的方法。

　　所以对于气体传热而言，选用翅化比大的翅片管效果更好。高效特型换热管在增加换热系数的同时，也使压降增加，特别是管程。在设计高效特型管换热器时，可对换热器的结构进行适当调整以满足用户的允许压降。一般可减少管程数来降低管内流速，使管内压降小于允许压降。壳程压降增加不多，可通过增加折流板切口高度或把单弓形折流板改为双弓形折流板来减小压降。如果希望壳程压降更小，可把弓形折流板改为螺旋折流板或折流杆。例如我公司为金陵石化烷基苯厂制造的预分馏塔塔底油换热器和为扬子石化芳烃厂制造的塔釜液换热器，换热管为内波外螺纹管，壳程改为螺旋折流板，既提高了换热能力，又使壳程压降比原来下降20.此夕卜，螺旋折流板还大大减小了壳程的污垢热阻。

　　下面以一个设计实例来分析应用高效换热器所带来的好处和设计时应在换热器结构上的特殊考虑。某常减压蒸馏装置的初馏塔底油经一台浮头式换热器（AES）的壳程被管内的减二中油加热，表1列出了操作参数。表1给出了应用特型换热管换热器的设计与光管换热器的比较，管长均为6m，管子名义外径为19mm，管子按正方形排列，管间距为25mm，管子材料为碳钢，换热面积和传热系数按管子名义外径计算。设计前提是保持高效换热器壳程和管程的压降与普通光管换热器相当，换热面积余量在10左右。为了完成换热任务，光滑管换热器需要1009根管子，壳体直径为1 000mm.如果改用江苏中圣高科技产业有限公司的波纹管或内波外螺纹管换热器，只需811根管子，壳体直径减小到900mm，总换热面积减少了19.6.为了使压降保持与普通光管换热器相当，在管程和壳程做了结构调整。管程数减少至2管程，使管内流速降低，从而使压降与光管相当。壳程的单弓形折流板改为折流杆，使壳程压降比原普通光管换热器下降了74，即壳侧的泵功耗减少了74.由于壳程的压降大幅度下降，每年可节约泵功耗电45331kW*h.如果考虑波纹管和内波外螺纹管防结垢能力比光管强，污垢热阻相应减少，波纹管和内波外螺纹管换热器可靠性更高，运行周期更长，开停车费和清洗费也会相应减少。此外，折流杆还消除了壳程的流动诱导的管束振动，提高了换热器的安全性。

　　在扩能改造中，一般需要在原换热器的基础上提高2050的热负荷，原有的光管换热器无法满足要求。如果重新设计一台光管换热器，换热面积需增加20以上，如果壳体直径不变，管长需增加20以上，否则需增加壳体直径。有时由于安装现场的限制，不允许增加换热器的外形尺寸。如果选用高效特型换热管可解决问题。表1的后两列给出了流量增加30的设计示例。壳体直径仍保持1m，管束改用波纹管或内波外螺纹管，换热面积基本不变就可满足设计要求，而且管内压降基本不变，壳程压降下降了70.如果原光管换热器的壳体仍可使用，则只需更换高效换热管束即可。

　　3效特型管换热器在节能中的作用化工厂中的换热器的传热效率对全厂的能量综合利用与节能至关重要。以上设计实例说明应用高效换热管可大幅度提高总传热系数。如果在热量回收单元使用高效特型管换热器，增大的传热系数和较小的温差可增加能量回收。例如，在石化行业原油精馏是所有精馏单元中热能消耗大的，因为原油在进入精馏塔前必须经多级预热，从20 *C加热到380*C.其中6070的热量来自精馏塔的产品物流，一般需1660台换热器，其余的热量由加热炉提供w.如果尽可能多地使用高效特型管换热器代替普通光管换热器，将从产品物流中回收更多的热量，提高原油进入加入炉时的温度，节省燃料，减少温室气体和有害气体的排放。据估计，对于一个炼油能力为4280kt/a的炼油厂，每提高原油进入加入炉时的温度1*C，每年就可节省约1.65X1013J的热量，相当于563.6t标准煤。如果在此原油精馏单元中应用高效特型管换热器多回收8的热量，即提高原油温度28.8 *C，每年可节约16 2321标准煤。

　　运行一段时间后，换热管表面通常会形成垢层，使总传热系数减小。有时污垢热阻占总热阻的50以上，浪费了大量的热量。由于波纹管等高效换热管比光管更不容易结垢，所以高效特型管换热器在运行过程中保持较高的传热系数，其节能效果比光管好得多。

　　4结语综上所述，在传热和节能领域高效特型管换热器比普通光管换热器有明显的优势。正确设计的高效特型管换热器一般比传统的光管换热器尺寸更小，压降也会小于或等于普通光管换热器。其较高的传热系数和防结垢能力可以节省设备投资、减少操作费用、节省更多的能量。在石化、化工等领域应该大面积推广应用这种高效换热器。

　　符号说明A传热面积（以管外表面积为基准），m2h一一管内流体膜传热系数（以管外表面积为基准），W/m2 h管内流体膜传热系数，W/m2 K总传热系数，W/m2*KQ*传热速率，W rj*管内流体的污垢热阻（以管外表面积为基准），m2*K/W r0一一管外流体的污垢热阻，m2*K/W rw管壁热阻，m2.K/WAr有效平均温差，