新型U形管换热器的结构特点及工业应用

0  引言
    在高压工况下，常用的换热器主要有螺纹锁紧环换热器、Ω环换热器、套管式换热器、U形管换热器。螺纹锁紧环换热器结构复杂、金属耗量大、机加工配合件多、造价高、检修工作量大；Ω环换热器的Ω环加工难度大、检修不方便；套管式换热器在同样换热面积时所需空间大、单位传热面积的价格高，一般只适用于传热面积较小的场合；U形管换热器具有结构简单、金属耗量最小等优点。所以，在高压工况下U形管换热器比螺纹锁紧环换热器、
    Ω环换热器、套管式换热器的用量大。为避免普通U形管换热器的诸多不足之处，我们开发了一种高效、安全、可靠的新型U形管换热器，并获得了技术专利权。
1  结构特点及优点
    普通U形管换热器的壳体一般为圆筒形，仅有一块管板，将换热管弯成U形，管子两端固定在同一块管板上。优点是：因壳体和管子分开，管束可以自由伸缩，不会因管壁与壳壁之间的温度差而产生热应力，热补偿性能好；管程为双程，流程较长，流速较高，管侧传热性能好，承压能力强；只有一块管板，且无浮头，所以结构简单。在直径相同的情况下换热面积最大，在高压工况下金属耗量比其他换热器小，造价比其他换热器低等。缺点有：U形管束与换热管垂直方向的中心部位存在较大空隙，易结垢，流体易走短路，使传热效率降低；
    管板上排列的换热管较少，管板直径及厚度均较大，管子与管板间的残余焊接应力大；换热管的弯管段无支承件，管束易振动，易在此处形成壳程流体流动死区，易结垢，影响传热效果；需将管束从壳体内抽出才能清洗管间污垢等。
    新型U形管换热器的结构如图1所示，主要由管箱、管板、清洗接口、换热管、筒体、管间支承件、支座等组成。在流体流量较大、所需换热面积较大的情况下，换热器可由图1所示换热器串联或并联组成，或串、并联混合联接组成。该种换热器的主要特点是：将换热器的筒体和换热管均设计制造成U型，换热管的两端分别固定在两块管板上；在U形换热管的弯管段设置折流杆或弹簧等管间支承件；在简体上设置供壳程清洗、排污用的接口。

2  应用实例
    某化肥企业联醇装置中的粗甲醇水冷器的工艺条件如下：气量为100000Nm／h3左右，进气温度≤95℃，出气温度≤40℃，进气压力≤12.5MPa，进水温度≤35℃，进水压力≤0.38MPa，水冷器的循环水进出口压差≤0.2MPa。该水冷器原来由两台传热面积为240m2、管间支承件为折流板的普通U形管换热器串联组成，管内介质为气体，管间介质为循环水。
    投产初期基本能满足生产要求。大约运行一年后出现了下列问题：管子与管板间焊缝多处开裂，且补焊不久又重新开裂；多根换热管磨损、甚至穿孔，不得不多次堵管；壳程结垢较严重，且清洗不方便；传热效率低，高温季节水冷器的气体出口温度高达50℃，导致分离器出口气体的醇含量偏高，每天损失大约2.5吨粗甲醇。我们认为主要原因是：管子与管板之间的连接采用了先胀后焊工艺，焊接时胀管过程中遗留于缝隙中的油污在高温下生成气体并受热膨胀而从焊缝面逸出，严重影响焊缝质量。且管子与管板间焊缝未进行消除应力退火处理；组合应用U形管与折流板，且U形管的弯管段无管间支承件，导致较大的流体流动诱发振动，造成换热管与折流板间的撞击与磨损；壳程流体走短路，存在流动死区。
    该化肥企业在粗甲醇水冷器的更新改造中，选用了图1所示的新型U形管换热器。由四台换热面积为120m2的换热器串、并联混合联接组成。鉴于该水冷器在使用过程中有多根换热管被磨损，且壳程结垢严重，管间支承件选用了折流杆，以在换热器的壳侧建立固有的、无障碍的、大横截面流体流道壳侧流体，在整个壳程断面内以比较均匀的速度平行于管子轴向流动，消除管束产生流体诱导振动的根源和壳程内严重的滞流区域，产生由支撑杆引起的流体“卡曼旋涡”分离和折流圈引发的“文丘里”效应，以防止管束振动，减少壳侧污垢，强化壳程传热，降低壳侧压降。为防止冷却水冲刷壳程进口处的换热管段并造成侵蚀及振动，减小壳程进出口接管与管板间的介质停滞区而增加换热管的有效换热长度，避免因导流筒占据壳程空间而减少管板上的排管数，在壳程进出口处设置了外导流筒。换热管与管板之间的连接方式选用先焊后胀的强度焊加贴胀，并对管子与管板间焊缝进行消除应力退火处理，以保证管子与管板间连接接头的可靠性。
    新型U形管换热器投入系统运行两年半后，仍能完全满足工艺要求，且未曾出现换热管与管板间连接接头失效的情况。表1是新、老粗甲醇水冷器在各自投入系统运行两年半后的换热效果对比情况。   

3  结语   
    与普通U形管换热器相比，新型U形管换热器具有下列优点：换热器的简体与换热管均为U形，与换热管垂直方向的管束中心处无较大空隙，壳程流体不易走短路或形成流体流动死区，管间不易结垢；在U形换热管的弯曲段设置了折流杆或弹簧、波网、空心环等管间支承件，可降低管束振动，强化换热管弯曲段的传热；在筒体上设置了供壳程清洗用的清洗接口，方便壳程清洗；U形换热管两端分别固定在两块管板上，减小了管板直径和厚度，降低了管板与换热管焊接时的拘束应力及管子与管板间的焊接残余应力，提高了换热器的安全可靠性。