管壳式波纹管换热器的结构特点与应用效果

摘要：针对传统的管壳式换热器在高沸点、高凝固点物系中使用存在的问题，介绍了以波纹管代替光滑直管的管壳式波纹管换热器强化传热的原理和结构特点，实践证明该新型换热器的传热系数提高了３５％。
　　关键词：管壳式换热器＋波纹管；特点；传热系数；应用
　　中图分类号：ＴＱ０５１．５　　文献标识码：Ｂ　　文章编号：１００９－１９０４（２００６）０４－００４０－０３
　　管壳式换热器由于其结构简单、易清洗维修和造价低等优点，被广泛作为精馏塔的冷凝器、再沸器和换热器使用。但因其换热列管为普通的无缝钢管（光滑直管），并胀焊于两端的管板上，这种结构应用于高沸点、高凝固点特殊物系的分离提纯存在着一些问题，尤其是在冷凝水水质不好的场合。
　　高沸点、高凝固点物系的精馏塔冷凝器具有以下特点：①壳程工作温度高，管程为了防止物料在冷凝器中凝固、堵塞，冷凝水温度不宜太低，从而导致管内壁表面温度高，易结垢，影响冷凝效果和生产能力；②管、壳程温差大，热应力大，易造成列管拉裂；③精馏塔采用内回流结构，冷凝器直接置于塔顶部，考虑到塔体和塔基础的投资，要求塔顶冷凝器的结构紧凑、既小又轻。
　　管壳式波纹管换热器在管壳式换热器的基础上，采用强化传热原理把传统的光滑直管改为高效的波纹管（见图１），既继承了管壳式换热器的优点，又克服了其固有的缺点，具有更为广泛的应用领域。将其应用于高沸点、高凝固点物系的精馏塔冷凝器上，能够有效地解决结垢、列管拉裂等问题。
　　１　强化传热原理
　　对传统的管壳式换热器通过采用波纹管取代光滑直管，使换热管管壁处的流体始终处于高度湍流状态，达到强化传热的目的。根据传热学基本公式：
              
    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，换热管材料及导热系数λｗ和管厚度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。
    １．１　提高换热系数αｉ及αｏ
    根据传热学对流传热准则方程：
             
    由雷诺数Ｒｅ和普朗特数Ｐｒ可见，管内、管外的对流换热系数αｉ及αｏ与流体的流动状态有极大关系，流动状态的改变一方面可借助于流速的提高，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加的速率缓慢，而换热器压降的增加幅度却很大。因此，在设计换热器时，提高传热系数不能单纯靠提高流速来实现；改变流动状态的另一途径是设计出合理的流道截面，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，流体在管内外也可以形成比较强烈的扰动，从而提高管内外的对流换热系数。
    １．２　降低污垢系数ｒｉ及ｒｏ
    提高总传热系数Ｋ还可以用降低管内外的污垢系数来达到。污垢的问题是换热设备的老大难问题，多少年来，无数的科技工作者在这一领域进行了大量的工作取得了一定的进展，但都有局限性。在操作过程中，由于温度的变化，原来溶解在流体中的一些成分，会析出沉积在传热表面形成污垢，每一种污垢都有它独特的生成机理，这些污垢会增大设备的总热阻，降低总传热系数。要降低换热器的污垢热阻，需从以下几方面进行考虑：
    １．适当提高流体的流速，使流体中的沉积物不易沉积、结垢，但换热器的压降增大；
    ２．不断地改变流体的流动方向，使流体不停地冲击换热管的壁面，让流体中的各种杂质不易在壁面停留；
    ３．选择耐腐蚀的光滑材料，也可以减缓污垢的形成。
    ２　波纹管换热器结构特点
    管壳式波纹管换热器最突出的优点是可以迫使流体按规定路径多次错流通过管束，使流体的湍流程度持续得到强化，其主要特点如下。
   １、传热效率高
    由于换热管采用波纹管，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、防结垢能力强
    因流道内流体的高度湍流，使流体中的微粒难以沉积结垢，即使有少量垢生成，由于介质在管内外湍流流动，对管壁冲刷强烈，防结垢能力强。另外，波纹管上存在着因管程与壳程温差应力而产生的应变，使具有弹性特征的波纹管的曲率发生微观变化，从而使波纹管换热器具有防垢和除垢的能力。
    ３、应力补偿能力强
    波纹管因其结构形状和管壁较薄的特性，在管程与壳程温差应力较大时，具有弹性特征的波纹管的曲率发生微观变化，用以补偿、消除热应力，有效防止了传统的管壳式换热器换热管易被拉裂等现象。
    ４、结构紧凑、既小又轻
    由于波纹管换热器传热系数很高，所需的换热面积小，而且，波纹管的壁厚较薄，所以波纹管换热器结构紧凑、既小又轻。
    通过对换热器强化传热原理的剖析和波纹管换热器的结构分析可见，独特结构形式的波纹管换热器使流动流体始终处于湍流状态，且不断地冲刷管壁，有效地提高了换热器的传热系数。
    ３　应用实例某厂
    β－萘酚生产能力７ｔ／ｄ，精馏塔尺寸１２００ｍｍ×２００００ｍｍ，内装填３８ｍｍ矩鞍环填料。冷凝器直接置于塔顶部，选用１２ｍ２管壳式换热器，属内回流形式。精馏塔工作压力１０ｋＰａ（绝压），温度２００～２４０℃。由于冷凝水水质不太好，且工作温度较高，换热管结垢降低了冷凝器换热效果，迫使减少产量（一般使用１５个月后，生产能力降到开始时的６０％左右），为此需经常调整操作参数，产品质量不稳定。此外，冷凝器每使用二年左右，一些换热管破裂，需检修维护。
    鉴于以上问题，且该厂精馏塔的生产能力需扩大到１０ｔ／ｄ，要求在原塔体和设备基础的承载能力的条件下对其进行技术改造，即要求塔顶冷凝器和塔内填料的质量不大于原有的。为此，选用了新型高效规整波纹填料和新型的管壳式波纹管换热器。波纹填料的处理能力大、操作弹性高、压降低，为生产能力的提高创造了有利条件。关键的塔顶冷凝器改用管壳式波纹管换热器，传热面积仍为１２ｍ２，其质量稍轻于原换热器。
    技术改造于２００３年２月完成并投产，生产能力达到１０ｔ／ｄ，产品纯度提高到９９．３％。根据稳定运行三年的现场实测数据推算，管壳式波纹管换热器的换热效率比原来提高了３５％，而且，波纹管不易结垢，具有很好的热应力补偿和抗拉裂功能。生产运行和产品质量稳定，检修维护方便。
    ４　结论
    管壳式波纹管换热器独特的结构形式使流体始终处于湍流状态，且流体不断地冲刷管壁，阻止或延缓结垢。波纹管结构很好地迎合了强化传热过程机理，有效地提高了换热器的传热系数３５％。管壳式波纹管换热器的综合性能好，体积小质量轻，具有传热效率高、不易结垢和应力补偿等特点。