波纹管换热器及其在氨冷凝系统申的应用

摘要：介绍了波纹管换热器的强化传热机理及传热元件的札制工艺，并与光管换热器的换热性能进行了比较，及在氛冷凝系统中的应用情况。
　　关键词：波纹管换热器强化传热性能对比氨冷凝器
　　化工生产往往要求在一定的温度下进行，传热是化工生产过程中最常见的单元操作之一，而传热的实现往往通过各类换热器来完成。管壳式换热器是目前应用最为广泛的一种传热设备，在化工企业中占有相当的投资比例。随着我国经济技术水平的不断提高，人们对高效节能型换热设备的需求也逐年提高。因此开发和应用高效管壳式换热设备对节省设备投资和提高设备的换热性能具有相当重要的现实意义。
　　不锈钢薄壁波纹管换热器系列(管壁厚度为0.5一0.8 m m)是一种高效强化传热的换热设备。该产品于1996年授权为国家实用新型专利。经过几十台工业设备的应用，表明该产品生产技术日臻成熟，强化传热效果显著，节能经济，结构紧凑，节省钢材，在冶金供暖及电力等工业装置中得到较为广泛的应用。为了适应石油化工装置高温、高压的操作条件，近几年来，厚壁波纹管的研制和开发工作取得全面成功，并在工业装置中获得成功的应用。其双面强化传热效果显著，为石油、化工装置的挖潜改造和节能节资提供了新的途径。
　　1 波纹管换热器的强化传热机理
　　传热系统是换热设备的一个重要技术指标，强化换热表面的对流传热是提高传热系数的有效措施。波纹管换热器的强化传热是通过经特殊工艺加工的波纹管来实现的。波纹管传热元件是将普通光管由专用设备经滚压加工而成。滚压后的管子(见图1)内表面形成了周期性变化的环形波纹凸起，其波峰和波谷间的高度差约为1.6 m m，波距为18 mm，管外换热面积为0.078 5 m2/m。当流体在波纹管内、外流动时，由于流通截面和流速方向的不断变化，导致流体在波纹凸起处产生附加扰动，从而改变了工艺液体的滞留边界层的流动状况。换句话说，起到了破坏层流底层的作用，增加了靠近管壁附近的湍流强度与湍流的给热能力，使层流和过渡流达到湍流传热。当湍流即将消失时，流体又流经下一个波纹凸起，不断产生轴向扰动，保持稳定连续的强化作用，从而提高了传热速率。其管外相应形成的波纹表面，不但扩大了传热面积，也增加了扰动，使传热效果显著提高。因此，波纹管最终实现了长期而稳定的双侧强化传热。一般其K值较普通光管换热器提高2倍左右，可减少换热面积约40%以上。
             
    2 性能对比
    波纹管换热器与传统的光管管壳式换热器相比，由于其传热元件结构上存在一定的独特性，从而决定了其在实际工况中的使用性能存在一定差异。
    2.1 传热系数
    由于波纹管管壁波纹的周期性变化所形成的特殊通道，从而实现换热器管内、外流体在低流速下即可达到湍流，彻底打破了边界层，大大降低了管壁热阻，提高了管内、外换热系数，从而使总的传热系数大大提高。通常为光管换热器的2一3倍，而压力降却增高不多;而光管换热器因管壁光滑，流体的流动存在层流边界层，热阻通常比较大，导热速度慢。介质需在较高的流速下才能达到湍流，换热系数通常较小。
    2.2 防结垢性能
    波纹管由于其截面的独特性，使得管内外流体总是处于周期性的扰动状态，流体在管内周期性的能量积累与释放，使整个换热器内表面都受到流体冲刷。由于冲刷良好，因此有效地防止了垢阻的生成。同时不锈钢管壁本身表面光滑，使管壁不易结垢。即使结垢，由于波纹管在工作过程中受到温差作用后，波纹管各部分的曲率不断地变化，因管壁污垢和金属的线膨胀系数相差很大，这种曲率的变化使污垢与波纹管表面之间将产生一个较大的拉脱力，足以使积垢脱落，实现自动清洗，自动除垢，对于硬垢、脆垢其效果更佳，这就是波纹管的自洁效应。因此波纹管换热器对水质的要求较低，特别是水中钙镁离子浓度较高的场合，仍然能可靠地工作。其维护工作量小，通常不需清理;光管换热器因钢管表面较粗糙，且管壁表面流体存在层流底层，流速较慢，极易生成污垢。因此光管换热器的结垢、堵塞一直是较难解决的问题，特别是在水质条件差，水处理效果不佳，气体介质中含杂质或化学反应易生成结垢物的情况下，这一问题尤为突出。轻者使换热器换热性能下降，工况恶化，阻力增大，能耗增加;重者使换热器堵死无法运行。因此换热器维护、清洗的工作量较大。
    2.3 耐腐蚀性能
    不锈钢波纹管在加工过程中可能存在残余应力，而经过固溶处理的波纹管可消除晶间缺陷及残余应力，这样就不会造成应力腐蚀。此外，不锈钢耐腐蚀性好，不会对介质产生污染;而光管换热器由于没有加工应力，故没有应力腐蚀，但却存在严重的氧化腐蚀，抗化学性能差，对介质易产生污染。
    2.4 性能价格化
    由于波纹管换热器传热效率高，在完成同样热、冷负荷前提下所需的传热面积要少得多。并有使用寿命长，同时也大大降低了产品的重量，节约材料，从而使产品的性能、价格比得到大幅度的提高，经济效益十分显著。通常波纹管换热器单位体积提供的传热面积大，体积均较小，重量轻，占地面积也更少;而光管则相反。
    2.5 适用工况条件
   波纹管由于采用不锈钢材质，工作温度可达450 9C，同时波纹管自身具有一定的热补偿能力，轴向应力小，故而能适应较大的工作温差;而光管工作温度通常在150℃以下，由于光管管束是刚性元件，只能适用壳体和管束温差较小的场合。对于壳体和管束间温差(大于50℃)而壳体承受压力不太高时，须在壳体上加上热补偿元件以消除过大的热应力。波纹管和光管均能承受较高的工作压力。
    3 波纹管换热器在氨冷凝系统中的应用
    我厂原有1台氨冷凝器，经过几年的实际工况运行，腐蚀泄漏严重，需更换设备。该设备规格为0 16 00x 5 2 00，列管03 8x 3 .0 ，共608根，F= 3 60m2，重量为15 280 kg，管程数为8。其I况条件如下:管程走水，进口温度32 cC，出口温度38 9C，管程工作压力为0.4 M Pa。壳程介质为液氨、氨气，气氨进口温度为70 9C，液氨出口温度为40 `C，壳程工作压力为1.4 M Pa。原设备最大处理气氨量经工艺测量为2 370 kg/h。
    3. 1 物性数据
    该使用工况条件下介质的物性数据见表t。
               
    3.2 工艺计算(见表2)
               
    考虑到原先氨冷凝器的传热能力不足及需现场不动火安装的现状，经工艺计算确定，波纹管换热器型号规格为Φ1200 x14 x6 031，波纹管质:OCr18Ni9，规格Φ25 x 2，根数1102根，L = 5 000mm,F = 4 20m \'，管程数为2，管心距为32m m，管子排列60“，折流板间距为300 mm，设备总重11 208kg。波纹管氨冷凝器结构见图2。
              
    3.3 加工制作工艺
    (1) 波纹管的轧制。将普通光管用专用设备进行逐根滚压而成。
    (2) 热处理工艺。轧制好的波纹管送炉内加热到1100℃左右，然后经水急冷至室温进行固溶处理，以消除冷作硬化应力，提高耐蚀性。
    (3) 调直工艺。为使波纹管保持平直，经固溶处理后应进行调直处理，控制平直度在1 3 mm.
    (4) 酸洗钝化处理。以消除波纹管表面的油污、污渍。
    (5) 水压试验。波纹管在组装前，每根管子应进行水压试验，检查管子是否有缺陷存在，以免管子在组装后发现问题而使更换困难。
    (6) 焊接制作。换热器的制造可按GB15 0一98,GB 151一89标准进行。
     4 使用效果
     2000年初，我厂委托宁波广厦热力成套设备有限公司制作了1台波纹管换热器，制作好的波纹管氨冷凝器于2000年6月投人实际工况运行。经测试，系统压力显著下降。原先我厂生产负荷开得较高，冷量平衡较为困难，系统工作压力高达1.42MPa，严重影响车间的正常生产和安全。新设备使用后，系统工作压力降至1.24 M Pa，满足了原设备的工艺和设计要求，同时也满足了全厂的冷量需求。
    该设备在实际工况运行中效果显著。与原设备相比，设备直径由Φ1600 mm减少至Φ1200 mm,直径减少了400 mm，设备重量由15 280 kg减少至11 208 kg，节省钢材4 072 kg。同时换热效果得到明显的提高，单台设备处理气氨量由原来的2.37 t /h提高到5.25 t /h。此外冷却水用量大大减少。
    5 存在问题
    该波纹管换热器在设计制造和投用过程中，我们觉得如下几方面的问题尚有待地一步的探讨和研究。
    (1) 制造工艺的研究。波纹管生产厂家应进一步提高波纹管轧制的水平，使制作自动化水平更高，同时努力降低生产成本，使之具备市场竞争力。
    (2) 使用厂家应根据实际条件合理选择波纹管材质，以求最大限度地体现波纹管的经济性、合理性。
    (3) 我厂该台氨冷凝器由于施工条件所限，致使该换热器壳程段存在走捷径的现象，存在一定的盲区，这在一定程度上也影响了换热效率。
    6 结论
    综上所述，厚壁波纹管换热器是实现双面强化传热的高效换热设备，它具有传热效率高，流动阻力小，结构简单，制作方便，体积小，重量轻，节省钢材等特点，非常适用于石油化工装置的挖潜改造，为节能节资提供了新的途径。波纹管换热器继承了传统管壳式换热器的耐高压、耐高温的特点，同时具有处理大负荷换热量的优点，它开创了列管式换热器的新纪元，不失为换热领域的首选产品。此外波纹管具防垢自洁效应，实现了整个在开工周期中均能维持较高的传热效果。因此，波纹管换热器的社会效益和经济效益非常显著，是目前管壳式换热器的发展方向之一，具有很好的推广应用前景。