钛制螺旋波纹管高效换热器的开发研究

摘要：介绍了钛制螺旋波纹换热管的结构特点、传热性能、阻力特性、模拟计算、制造工艺，并列举了螺旋波纹管高效换热器在上海石化股份公司乙烯工程中实际应用效果，指出钛制换热器是很有推广应用价值的高效节能产品，有广阔地发展前景。
　　关键词：钛材；螺旋波纹管；高效换热器；应用
　　中图分类号：TK172 文献标志码：B 文章编号：1001—5523(2007)04—0030—02
　　1 概述
　　近二十年来．我们开发了多种形式的高效换热元件．如T型槽道管换热器、内波外螺纹管换热器、螺旋波纹管换热器、高热通量换热器及管内插入件换热器等．广泛用于工矿企业的扩能改造．大大降低了设备投资和操作费用．为企业带来了可观的经济效益。特别是钛制高效换热器，以独特的耐腐蚀、不污染、换热效率高和可靠性好等特点，广泛应用于电站海水凝汽器、氯碱工业水预热器、纯碱工业冷凝器、加热器等装置中，应用前景将更为广阔。
　　2 结构与性能
　　钛管具有耐腐蚀性好，可靠性高，寿命长，经济合理等特点。钛制螺旋波纹管换热器保持了管壳式换热器使用温度、压力、流量、热负荷的一般要求，设计方法及加工技术成熟，可用于某种腐蚀介质条件下。钛制螺旋波纹管换热器可在保持管壳式换热器壳体、管板、管箱、支撑件等结构不变的条件下，采用螺旋波纹管换热元件及局部改进，达到冷热两侧流体强化传热的目的。
　　钛制螺旋波纹管是经过特殊滚轧工艺加工、具有双面环状螺旋波纹形槽道的强化传热管，见图1。换热基管的直径Φ10～Φ60 mm．波峰与波谷间距离0．2～1．8 mm，壁厚0．5～3．0 mm，波距1．5～15 mm。管内外壁存在波峰、波谷可有效提高紊流的脉动性．
    改变流体流动状态．钛制螺旋波纹管的两端保留原来光滑管表面，以便与管板的胀焊连接性能，确保了换热器的结构强度及使用寿命。经强度和拉力试验，在压力达到64 MPa，保压30 min，不泄漏，不发生宏观永久变形。
                 
    钛制螺旋波纹管的主要传热特点：① 表面光洁，无垢层，污垢系数ε大大降低。②强度高、耐腐蚀性好，因而管壁可以比较薄，减少导热热阻δ/λ。③管内外螺旋波纹形成的凹凸结构．即波谷和波峰可有效提高管内外流体紊流的脉动性，改变流体与管壁及流层之间的摩擦，减少层流厚度，促进湍流，即使在流速低时，也能达到充分湍流，增强对流换热，另外螺旋波纹结构对污垢有自清理作用，因为污垢一般是沿着波峰边缘形成平行的垢层．在运行时随温度变化．管子会膨胀和收缩．污垢与金属的热膨胀系数相差较大．加之流体的脉动性．会阻止污垢生成，实现自动清理。
    通过对比实验．钛制螺旋波纹管换热器与光管换热器相比，其传热系数K会提高1．3～2．6倍．效果非常明显
    钛制螺旋波纹管的阻力特性受换热元件的结构影响，波峰波谷引起流体脉动充分湍流而强化传热的同时，与光管相比较，随波谷与波峰的间距和波距的不同．其阻力增加1.15～2.3倍，壳程阻力增加约1_3倍左右 ，与其他强化传热元件相比，阻力增加幅度比较小．换热系数增加显著。
    3 数值实验与应用实例
    受工艺条件的限制，大型换热器的传热和流动试验相对比较困难，用解析方法求解，要作出大量的简化假设，准确度较差。
    数值模拟又称数值实验，它能很好解决这一难题，计算结果与工业考核基本一致，其准确度得到工程技术人员的认可。我们采用fluent软件对螺旋波纹管和光管的管内外传热和阻力性能作了模拟，如图2～4所示．工艺物性条件和进口流速条件均设定为一致。
                
    由上图可以看出，当流体流过管内时在凹凸面的波峰与波谷间会产生速度、压力突变，从而破坏层流底层，即使在较低的流速下也能达到湍流。正是这种较大的扰动破坏了边界层热阻，实现了管内强化传热。为大型换热器的试验和设计提供了充分的理论基础。
    钛制螺旋波纹管换热器已用于上海石化乙烯润滑油系统冷却器中，管程介质是海水，材料是TA2，换热管使用的是螺旋波纹管，壳程介质是润滑油，材料是Q235一B E 。自2006年9月投用至今，运行结果表明，操作平稳，热负荷约提高30％，各项工艺指标达到了设计指标，在节能改造中取得了明显的经济效益。
    4 结论
    4．1 钛制螺旋波纹管换热器与光管换热器相比，其传热系数可提高1．3-2．6倍，有效地多回收热量。
    4．2 与光管换热器相比，钛制螺旋波纹管换热器结构形式和外形尺寸完全相同，有较好互换性和适应性。
    4．3 钛制螺旋波纹管换热器对蒸馏水、海水、酸碱盐溶液具有优异的耐腐蚀l生，使用寿命可达20年以上。
    4．4 钛制换热器具有自清污垢作用，能保持稳定长期的强化传热效果和操作周期。
    4．5 由于钛制换热器材料密度小、强度高，可减小设备体积和重量。总之，钛制换热器是很有推广应用价值的高效节能产品，近几年来应用领域不断扩大，表现出了广阔地发展前景。