張桂芹  相來平  王建慶
黑龍江大慶石化公司煉油廠

    摘要：該文系統的論述了旋流高效管殼式換熱器的設計原理，流體特性以及一些突出的優點，同時對在國內第一次在生產裝置的現場應用做了初步的總結，對此項專利技術的推廣應用具有一定的借鑒作用。
    關鍵詞：螺旋扭曲   橢圓截面換熱管   旋轉擾動
    中圖分類號：TG文獻標識：A文章編號：1006-7833(2009)07-363-01
    一、前言
    目前，管殼式換熱器廣泛應用于煉油、化工、動力等需要換熱的過程工業領域，尤其在煉油和化工系統裝置中占有較大比重，約占石化行業工藝設備總重的30％—40％。為了降低換熱設備的重量，減少換熱設備的體積，節能降耗，應力求強化傳熱過程。近年來已研制出多種高效換熱器，如折流桿換熱器、波紋管、波節管換熱器等，但它們均不同程度存在某些不足，其應用場合受到一定的限制，不易推廣，因此使用最為廣泛的還是傳統的管殼式換熱器。
    在本世紀八十年代初期，前蘇聯研究人員首先對扭曲管束換熱器進行一些有價值的理論和特性實驗研究，其技術關鍵是采用扭曲的橢圓截面管。這種換熱管束，不僅使管內流動的傳熱介質產生類似于含扭曲帶流道內的旋轉運動，而且在管間流動的流體能獲得比縱向光滑管束更大的換熱系數。但這種扭曲管其制造難度太大，無法進行工業生產，一直未能實際應用。1984年瑞典和美國開始了扭曲管換熱器的產品開發，但只進行了小批量生產。
    2000年大慶市濟民扶貧協會善德設計所設計了扭曲橢圓截面管高效換熱器，并于八月份在我車間重結晶蠟脫油裝置上進行試用，至今一直運行良好，而且顯示出了優良的換熱效果。據介紹這還是在我國煉油裝置上首次使用扭曲橢形截面管換熱器。
    二、旋流高效管殼式換熱器的傳熱特性
    旋流高效換熱器是以傳統管殼式換熱器為基礎，采用螺旋扭曲橢形截面換熱管（見圖）作為換熱元件，并設計了多種特殊結構的檔流支承組件替代常規。
            
    管殼式換熱器的折流板，其它均采用常規管殼式換熱器零部件。由于扭曲橢形截面管的特殊形壯，在旋流高效換熱器中，管程物流和殼程物流均產生以旋轉為主要特征的復雜的流動，獲得較強的旋轉擾動，從而較大程度地強化了傳熱過程。因其管程物流和殼程物流的旋轉流動特性以及較好的強化傳熱效果，故稱其為旋流高效換熱器。在旋流高效管殼式換熱器中，由于取消了常規換熱器的折流板，殼程中的物流不再進行橫向流動而改為在扭曲管之間的螺旋流道中的軸向流動，圖1的旋轉流動特性以及較好的強化傳熱效果，故稱其為旋流高效換熱器。圖2是螺旋扭曲橢形截面換熱管和旋流高效換熱器管束的圖片。
           
    旋流高效換熱器與普通管殼式換熱器相比，具有一些突出的優點：
    1．強化傳熱效果好，流阻較小。由于旋流高效換熱器使管程物流和殼程物流均產生以旋轉為主要特征的復雜流動，獲得了較強的旋轉擾動，從而較大程度地強化了傳熱過程，特別是對于一些難于傳熱的粘性介質、易于結焦（除螺旋扭曲橢形截面螺紋管外）結垢的介質和不潔凈介質的傳熱具有明顯的強化傳熱效果，而且在實際運行過程中始終能保持較好的強化傳熱效果，對于中小流量的物流傳熱可顯著提高給熱系數。換熱器旋流的作用，也使換熱介質流動通暢，流阻較小。旋流高效換熱器的總傳熱系數一般可提高30％以上。
    2．結構簡單，易于推廣應用。本實用新型采用螺旋扭曲橢形截面換熱管和幾種檔流支承組件，其余均采用傳統的管殼式換熱器的基本結構形式，結構簡單易于實現，適合于各種壓力級別和不同溫度條件的管殼式換熱器的全部結構形式，包括GBl51《鋼制管殼式換熱器》中所述的幾種結構形式，如浮頭式、u型管式和固定管板式等結構形式的管殼式換熱器，而且旋流高效換熱器的管束與常規管殼式換熱器的管束具有互換性，因而可廣泛應用或替代傳統換熱器，易于推廣，成本較低。特別是在石化裝置的改擴建中更具有廣闊的前景，在某些情況下裝置擴容50％而只需更換換熱器管束，投資大大節省。
    3．使用壽命長。由于旋流高效換熱器殼程物流基本上為縱向流動，明顯地減少了管束的振動，大大降低了由于管束的振動而造成換熱管破裂等失效的可能性；同時也有效地消除了殼程物流橫向流動的“死區”，降低了積垢速率，從而延長了換熱器的使用壽命。
    4．管束外側易于清洗，管束中換熱管在一定條件下可更廣泛地采用正三角形排列，提高換熱設備單位體積／重量的換熱量。由于采用了螺旋扭曲橢形截面換熱管，使管束中管排間形成周期性的局部較大空隙，便于管柬外側的清洗，因而對于一些管束外側需要定期清洗的換熱器，其管束中的換熱管可更廣泛地采用正三角形排列替代正方形排列，在相同殼程直徑條件下可提高傳熱面積20％左右，從而可提高換熱設備單位體積／重量的換熱量。由于旋流高效換熱器的強化傳熱效果及上述原因，對于相同殼程直徑一般可提高單位傳熱溫差的傳熱量50％左右。
    三、旋流高效換熱器在蠟脫油車間的應用
    2000年8月22日大慶石化公司煉油廠重結晶蠟脫油裝置的水溶劑回收系統塔頂換熱器（E一21）更新管束，采用了螺旋扭曲橢形截面換熱管，規格為DN700x6000，換熱面積為125m2，換熱管材質為10#鋼。2000年9月我門車間對該換熱器進行了粗略的標定，結果如下：
            
    四、結論
    高效換熱器由于改變了管殼程物流的流動壯態，使其傳熱系數相對于普同換熱器有較大幅度的提高，在本裝置的應用中，旋流高效換熱器與普通換熱器相比，傳熱系數提高了21％，效果十分顯注。
    本裝置的臘下油+溶劑經旋流高效換熱器換熱后在換熱器出口處溫度可提高3度，從而可回收余熱（6.35-5.59）x10‘kcal/h，年節能折原油59t/a。同時還可減少下游冷卻器的冷卻熱負荷，節約循環冷卻水消耗約8.7萬t/a。采用旋流高效換熱年節能效益約17.9萬元。
    另外，應該指出，由于管程物流為含有蠟晶體的懸濁液，并且管程與殼程均存在相變化，整個傳熱過程比較復雜。對于清潔液體的無相變熱傳遞過程，將會得到更理想的結果。