（机械工程专业论文）波纹管换热器技术开发与应用.pdf

波纹管换热器技术开发与应用 本文对新型波纹管换热器传热强化技术进行研究。合理采用波纹管 传热强化元件可以提高换热器的热效率，阻止换热表面积垢，达到节省 能源，降低开支，提高设备的可靠性，延长设备的运行周期。 本文采用管束试验和单管试验两种方案，对外胀成型和内压成型的 波纹管进行研究。在管束试验中，采用1 2 组不同材质和几何特征尺寸的 管束进行对比试验，对光管与波纹管换热器传热性能与阻力性能进行对 比分析，同时分析不同压深，不同波节对波纹管换热器传热性能和流动 阻力性能的影响。在单管试验中，比较不同换热器传热性能的好坏，并 回归传热准则方程和计算阻力系数 。由试验得出的结论是：波纹管换 热器换热效果明显好过光管换热器，尤其是在低r 。情况下，在试验设定 范围内，增加波深及缩短波节能强化传热，增大r ，管束压降a p 也随 之增大。 本文对波纹管换热器的阻垢性能进行研究。采用含有逆溶解盐类的 饱和溶液对波纹管和光管的阻垢性能进行对比试验，结果表明，波纹管 与光管相比，结垢速度慢，相对稳定后热阻小，传热系数降低的幅度小， 并得出波纹管与光管结垢的时序特性曲线。 关键字：波纹管，换热器，传热性能，阻力性能，阻垢 d e v e l o p m e n t & a p p l i c a t i o n o nt h et e c h n o l o g yo fh e a l e x c h a n g e rw i t hb e l l o w sp i p e s t h ee n h a n c e dh e a tt r a n s f e rt e c h n o l o g yo f n e wh e a te x c h a n g e rw i t hb e l l o w s p i p e si si n v e s t i g a t e d t h er a t i o n a l l ya p p l i c a t i o no fe n h a n c e dh e a t t r a n s f e r c o m p o n e n to t b e l l o w sp i p e c a ni m p r o v et h eh e a te f f i c i e n c yo fh e a t e x c h a n g e r ，p r e v e n tt h eb e g r i m i n go nt h eh e a te x c h a n g es u r f a c e ，r e s u l ti nt h e s a v eo fe n e r g y ，d e c r e a s et h ee x p e n s e s ，i n c r e a s e t h er e l i a b i l i t yo ft h e e q u i p m e n ta n dp r o l o n gt h ef u n c t i o np e r i o do f i t t w op r o j e c t sa r ei n t r o d u c e di nt h er e s e a r c h i n ge l 、b e l l o w sp i p e sw h i c ha r e m a d eb yo u t r a - s w e l l i n ga n di n t r a p r e s s i n g t h e ya r ee x p e r i m e n t sw i t hb u n d l e a n ds i n g l ep i p e i nt h eb u n d l ee x p e r i m e n tt w e l v eg r o u p so fb u n d l e sw i t h d i f f e r e n tm a t e r i a la n dg e o m e t r i cc h a r a c t e r i s t i cd i m e n s i o na r ec o m p a r e dt h e h e a tt r a n s f e ra n dr e s i s t a n c ep m f o r m a n c eo fs m o o t l lp i p eh e a te x c h a n g e la n d b e l l o w sp i p eonea r ec o m p a r e da n da n a l y z e d a tt h es a m et i m e ，t h ee f f e c to f d i f k r e n te x t r u d i n gd c p t hea n dw a v ep i t c hpo nt h eh e a tt r a n s f e ra n d r e s i s t a n c ep e r f o r m a n c e0fb e l l o w sp i p eh e a te x c h a n g e ra r ea n a l y z e d 。1t h e s i n g l ep i p ee x p e r i m e n t h e a tt r a n s f e rp e r f o r m a n c e s o fd i f f e r e i ：h e a t e x c h a n g e ra r ec o m p a r e d t h er e g r e s so fh e a tt r a n s f e rr u l ee q u a t i o n d o n e i u l lt h er e s i s t a n c ec o e f l i c i e n t i sc o m p u t e d t h ec o n c l u s i o n sw h k j la r e d l a wf r o mt h ee x p e r i m e n t sa r e ：t h eh e a te x c h a n g ee f f i c i e n c yo fb e l l e , , _ p i p e h e a te x c h m l g m i sm u c hb e t t e rt h a nt h a to fs m o o t hp i p eonee s p e c i a l l 3i nt h e 一d s eo fl o wv a l u eo fr ，i nt h ed e f i n e de x p e r i m e n t a lr a n g ei n c r e a s i - 。jt h e e x t r u d i n gd e p t ha n ds h o r t e n i n gt h ew a v ep i t c hc a ne n h a n c et h eh e a tl 】- l s f e r , i i t c r e a s et h ev a l u eo fr 。a n da l s ot h ed r o po fp r e s s u r ea p t h er e s i s t i n gf i l t hp e r l b r m a n c eo fb e l l o w sp i p eh e a te x c h m l g e ri ss t u d i e d ， i nt h ec o m p a r i n ge x p e r i m e n t so ft h eo b s t r u c t i o nf i l t hp e r f c r m a n c eo fb e l l o w s p i p ea n ds m o o t hp i p e s a t u r a t e ds o l u t i o nc o n t a i n i n gr e v e r s ed i s s o l v e ds a l t si s a p ! e d t h ee x p e r i m e n tr e s u l ts h o w st h a tc o m p a r i n gw i t hs m o o t hp i p e 啦? s c r t u gs p e e do fb e l l o w sp i p ei ss l o w e r , t h eh e a tr e s i s t a n c ei ss m a l l e ri n 幽e r e l a t i v e l ys t a b l ec o n d i t i o na n dt h ed r o p p i n gr a n g eo fh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n t i ss m a l l e r a l s ot h es c a l i n go r d e rc h a r a c t e r i s t i cc t f f v ei sd r a wf r o mt h e e x p e r i m e n t ， k e yw o r d s ：b e l l o w sp i p e ，h e a te x c h a n g e r ，h e a tt r a n s f e rp e r f o r m “l c e r e s i s t a n c ep e r f o r m a n c e ，r e s i s t i n gf i l t h i v 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究：【作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论 文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得石油 大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同 志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢 意。 签名 辑 夕多年r月 日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解石油大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留送交论文的复印件及电子版，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保 存论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 学生签名：茏熊l - 一年 ，月 导师签名 2 一，年 7 月 同_ _ 只 垆 石油大学( 华东) 工程硕士论文第1 章课题现状及研究思路 1 1 课题提出 第1 章课题现状及研究思路 1 1 1 工业背景 齐鲁石化公司炼油一分厂催化车间现使用的轻柴油一除盐水换热 器，壳程为催化柴油，管程为除盐循环水，为催化低温热利用的一部分， 工艺流程如图1 1 所示。该换热器由齐鲁石化公司机械厂于1 9 7 8 年制造， 其基本性能参数见表卜1 。长期以来，由于受其本身结构特性及加工量波 动的影响，该换热器在使用过程中，时常出现换热效果差、管束易泄漏 等现象，较大程度地影响了装置分馏系统的平稳运行。 表1 一l 现有轻柴油一除赫水换热器性能参数表 序号项目单位 数值或内容 l规格f a 9 0 0 2 8 0 - 2 5 21 ：3 = 3 0 0 2 介质管程：除盐水 壳程：轻柴油 1 设计温度( 管壳程) 2 0 0j 4 设计压力( 管壳程)m p a2 5 5 材质换热管束：1 0 # 固定管板：1 6 m n r 石油大学( 华、) r 稗硕士论文第l 章课题现状及研究思路 分馏塔 2 0 1 蒸汽进管网 图1 - 1 工艺流程图 为保证系统工艺流程平稳，必须在原工位且不改变换热器壳体尺寸 的前提下对该换热器进行技术改造，以提高换热效率，减少停运检修时 间，延长工作周期。经多方洞研考证拟采用波纹管换热器。波纹管换热 器的外形和结构与传统的管壳式换热器基本相同，只是将后者中的换热 管用波纹换热管取代。作为一种强化传热的新型换热器的元件，波纹管 式换热器管束与现用的光管式换热器管束相比，无论是从其结构特点， 还是从其技术性能方面，都有独到之处，具体体现在： 石油大学( 华尔) 旧# 硕士论文第l 章课题现状及研究思路 ( 1 ) 具有呈周期变化的流道形状 由于波纹管具有呈周期变化的流道技术，因而，当介质在管内外流 动时，一方面，能使工艺介质的流动状态由紊态变为湍流，另一方面， 还能导致介质的流速与压力都呈现有规律的变化。同时，该周期性的变 化还具有以下的一些特点：首先，能够依靠自身变化的动力特性，彻底 破坏其边界层的热阻，使得边界层在弧形段内几乎不存在；其次，能够 在较大程度地冲刷污垢层，使得污垢层的热阻和流阻明显下降；第三， 周期性的流速与压力变化，均带有较明显的适应性。所以，使用波纹管 式换热器管束，其能量损耗值会减少。 ( 2 ) 具有较高的传热系数 传热系数是测试换热管管壁两侧流体之间热量交换的种综合系 数，它是考察某台换热器技术性能的一个重要的技术指标。我们可以明 显的看出来，单位体积内，波纹管换热器管束的表面积与现有的光管式 换热管束相比要大，而且，使用时，其流动状态也呈湍流状。因此，在 相同的工艺操作参数条件下，运用波纹管式换热管束，其传热系数会有 较大程度的增加。 ( ：3 ) 县有较强的防垢防堵能力 如前所述，由于波纹管式换热器管束具有呈周期变化的流道形状， 因而，当介质在其管内流动时，会发生较强烈的管内扰动现象。也正是 由于这种现象的存在，使得即使当换热管内介质流量发生变化或水质变 差时，其管内堵塞或形成污垢层的机会也势必会减少。所以，使用波纹 管式换热器管束，具有较强的防垢防堵能力 石油大学( 华尔) l 瑁# 硕士论文第l 章谢题现状及研究思路 1 1 2 课题意义 目前，我国在运行的石油化工装置大多设计建造于上个世纪六、七 十年代，限于当时的设计及工业技术水平给现在的扩容改造带来较大困 难，操作弹性低。绝大多数石油化工行业的管壳式换热器换热元件仍以 光管为主，与各种新型强化传热元件相比较，光管存在传熟效率低、易 积垢堵塞、维修周期短、检修和操作费用高等问题，难以适应节能、高 效、长周期运行的需要。特别是在石油化工行业，换热器操作介质许多 都具有粘度大、易结垢、工况复杂等特点，换热设备的传热效率低、污 垢影响严重的问题仍然比较突出。因此，高效换热元件的研发，在不改 变原有装置布置和设备外形结构的前提下为老装置扩容带来了生机，特 别是对投资占装置总投资3 0 4 0 石油化工工业中的换热设备。高效 换热元件的开发应用意义更加重大。 开发研究新型波纹管传热强化的换热器，旨在提高换热器的传热效 率，阻止换热表面积垢，以便达到节约能源、降低开支、提高设备操作 的可靠性、延长设备运转周期和使用寿命的目的。同时，可以对波纹管 换热器的设计、使用、制造、维修等工作提供一定的指导意义。 1 1 3 研究目的 波纹管属于表面强化对流换热元件。它是采用内压或外胀成形的加 工方法，使换热管内管壁具有一系列波形突出表面的管子。波纹的存在 能够增加管壁对流体流动的扰动，提高对流换热系数，增强传热效果， 提高热能的有效利用。但是，对于石油石化工业上的实际应用存在如下 石油大学( 华东) l 秘硕士论文 第1 章课题现状及研究思路 问题： 1 缺乏有力的理论和实验数据支持； 2 没有形成供工业化设计的指导性文件； 3 在石油化工领域没有得到大面积的推广，就没有实用的验证。 因此，在将波纹管应用于石油化工领域作为强化传热元件时，必须 对上述三个问题给出正确完整的解答，即是本论文的主要目的。 1 2 强化传热研究现状 热交换器作为工艺过程必不可少的单元设备广泛地应用于石油、化 工、动力、冶盒、船舶、交通、制冷、空调等国民经济许多领域以及国 防工程中。据统汁，在现代石油化工企业中，热交换器投资占3 0 4 0 ； 在制冷机中，蒸发器；阳凝结器的重量占机组总重量的3 0 4 ( ) ，动力消耗 占总值的2 0 3 0 。可见热交换器对整个企业投资、金属耗量以及动力消 耗有着重要影响。随着工业的迅速发展，能源消耗量不断增加，能源紧 张已成为一个世界性的问题。而热交换器在节能技术改造中具有很重要 的作用，表现在两个方面：一是在工艺流程中大量使用着热交换器；另 一方面，可以利用热交换器回收工业余热，大大提高设备的热效率。各 种强化传热技术在各类热交换过程中的应用，给热交换器的结构、单位 体积的换热能力和材料消耗等方面带束了重大革新。热交换器的性能对 产品质量、能量利用率以及系统运行的经济性和可靠性起着重要作用 有时是决定性的作用。目前在许多发达的工业国家热回收率己高达9 6 。 而相比之下我固的热能利用仍比较落后。因此，研究各种强化传热技术 并将其应用于生产实践中，是一个十分迫切的课题。目前，换热设备在 石油大学( 华东) i 程硕士论文 第1 章课题现状及研究思路 现代装置中约占设备总重的3 0 左右，其中管壳式换热器仍占绝对优势， 约为7 0 左右，其余3 0 为各类高效紧凑式热交换器、新型热管热泵和 蓄热器等设备，板式、4 螺旋板式、板翅式以及各类高效传热元件的发展 十分迅速。在继续提高设备热效率的同时，强化传热技术迅速朝换热设 备的结构紧凑性、产品系列化、标准化和专业化，并朝大型化的方向发 展。 1 ，2 ，1 热交换器发展简史 1 、原始时期( 2 0 世纪以前) 二十世纪以前出现的热交换器主要是在技术实践的基础上制造的， 这一时期的热交换器大都是由铸铁管组装而成的管式热交换器，结构较 简单、体积大、效率低。 2 、初步发展时期( 2 0 世纪前5 0 年) 此时已进入了热交换器在科学理论指导下的初步发展时期。其发展 发生了如下变化：管式热交换器迅速发展，出现了管壳式、套管式、绕 管式、蛇管式等各种管式热交换器。许多板式结构热交换器也出现了。 由于“板式”传热表面的传热性能比“管式”优越，相继出现了板式、 螺旋板式、板肋式、板壳式等以板片为基本构件的热交换器。与管式热 交换器相比，这些板式结构热交换器具有传热效率高、结构紧凑、重量 轻的突出优点。此外，在这一时期辐射换额外器和陶质热交换器也在一 些场合得到应用。 3 、迅速发展时期( 近4 0 余年) 近4 0 多年来，管式热交换器在结构设计上虽然没有多大变化，但在 传热管的结构、耐高温高压的能力和大型化等方面都有了很大进展。一 石油大学( 华东) 一【= 拌硕士论文第1 章课题现状及研究思路 方面，板式结构热交换器得到广泛采用。在压力较低，温度不高，流量 不很大的若干场合，各种板式结构热交换器已慢慢取代管式热交换器。 另一方面，蓄热式热交换器在材料和结构方面都得到了很大发展，性能 也有了显著提高。 同时，由l ：热管的出现，带来了传热强化技术的革命。在6 0 年代中 期出现了一种新型高效传热元件热管，其传导热量的能力比普通金 属大1 0 0 0 1 0 0 0 0 倍。 另外，为解决强腐蚀介质的换热问题，用耐腐蚀的新型材料制造的 热交换器日益增多。 除上述热交换器外，为适应现代工业各方面的要求，各国还研制了 许多种其它型式的热交换器，如回转式热交换器、多孔物质热交换器等 等。 1 2 2 强化传热技术进展 l 、发展概况 二二十世纪初，以研究研究热量传递规律为核心内的传热学形成了一 门独立的学科，其研究成果对工业的发展和技术的进步，尤其是对热交 换器的改进起了很大的促进作用。 随着工业对过程设备要求的不断提高，以及人们对节能和提高经济 效益的强烈要求，要求换热殴备在提高热效率，耐温，耐压，防振抗蚀 和安全生产，以及检修方便等方面具有更经济、更可靠的性能。这就对 传热学提出了个新的研究课题一强化传热过程。 近二二三十：年来，人们对强化传热的途径和方法进行了广泛的研究。 石油大学( 华东) 工程硕士论文第1 章课题现状及研究思路 对导热过程的强化，工质沸腾与凝结换热过程的强化，无相变对流换热 的强化，以及辐射换热过程的强化等，都进行了许多研究工作。强化传 热己发展成为传热学的一个重要的专门领域。 强化传热技术在各类热交换过程中的应用给热交换器的结构，单位 体积的换热能力和材料消耗等方面带来了重大革新，些新型热交换器 相继出现。目日f ，强化传热技术已被人们称为第二代传热技术。 2 、热交换器中强化传热的基本途径 强化传热从何处入手，这可从传热基本方程式q = k f a t 中看出：强 化可以从提高传热系数k ，扩大传热面积f 和增大传热温差r 三种途径 来实现。 提高传热系数砭是增加传热量的重要途径，也是当前强化传热研 究工作的重点内容。 计算传热系数k 的关系式为 喜：十上+ 上+ 要 ( 1 一1 ) i 2 + ：十百+ c t + i 1 1 式中， “热流体侧污垢热阻，m 2o c w ； ，j 冷流体侧污垢热阻，历2 。c i w ： 占传热壁面厚度，m ； 传热壁面导热系数，w ( m2 ，。c 1 ： 热流体侧换热系数，f v ( m2 。a ； 哆冷流体侧换热系数，wi ( m2 。c ) 。 上述各物理量中，两个污垢热阻般较小，变化不大；组成热交换 器的材料一般为同体，且多为金属材料，故卅五往往很小，对传热系数 石油人学( 华尔) ，i ：氍硕士论文第1 章课题现状及研究思路 影响很小，常忽略不计：只有冷、热流体侧的两个对流换热系数常因不 同的流动状况、不同的传热表面等许多因素的改变而有较大的改变，对 k 值影响较大。可见，提高传热系数的根本途径就是提高对流换热表面 的换热系数。 强化对流换热系数，它包括有源强化和非源强化两种。也就是说不 仅包括了利用外部能量，如机械和表面振动、流体振动、电场、磁场和 喷射冲击等方法，同时更多地则是通过使流体自身流动状态的改善来实 现其强化传热的。如对传热表面进行处理，获得粗糙表面：又如使用扰 流装置( 管内插入物) 、涡流发生器、横纹管、内外肋管、螺旋管和在流 体中添加添加剂等。热管则是利用工质在沸腾及冷凝时具有极高的换热 系数，以及可在其它环节较为容易地实现强化传热( 如在其外表面进行 有效肋化) 来实现其强化传热的。 扩大传热面积f 是增加传热量的另一种有效途径。扩大传热面积 以强化传热，并不是简单地通过增大设备体积来扩大传热面积。而是通 过传热面结构的改进来增大单位体积内的传热面积，从而使得热交换器 高效而紧凑。 采用扩展表面传热面是提高单位体积内传热面积最常用的方法。扩 展表面传热面已有多种形式，如肋片管、螺纹管、板肋式传热面等。采 用小直径的管子，并实行密集布管，也可以提高单位体积内的传热面积， 而且由于管径越小耐压越高，因此还可以使单位传热面积的金属消耗量 降低。 实际上，扩展表面的采用不仅增大了热交换器单位体积内的换热面 积，往往同时也因改变了流体在换热表面的流动状况从而也影响了流体 与换热表面间的对流换热。在科学研究与生产应用中，二者往往是需要 石油大学( 华东) 工程硕士论文 第1 章课题现状及研究思路 同时进行考虑的。 常采用的高效能传热面的措施主要有以下几种： 1 ) 合理布置受热面例如采用合适的管间距或排列方式( 叉排) ，不 仅可以加大单位空间所能布置的传热面积，还可以改善流动性能；传热 面与流体流向的相对位置对传热也有影响。管外横向冲刷优于纵向冲刷， 交错排列的管簇在r e = - - 1 0 4 l o7 时优于顺次排列的管簇。 2 ) 采用粗糙表面或带肋( 翅) 面这是工业上应用最广的强化方法， 所有高低翅片管，螺纹管都属于此类。它也可以看作是表面粗糙化的发 展。这类传热面的具体型式十分繁多，共同特点是加大了传热面积和促 进了湍流，因而传热效率很高。肋面对着还热系数较小( 如气体介质) 的一侧方为有效。例如空冷器或暖气片的空气侧，以及锅炉铸铁省煤器 的烟气侧常带肋面就是这个道理。 3 ) 采用板型传热面可以加强传热效果按单位体积( 或重量) 计薄 板具有很大的传热面积这一点很易理解。近几十年发展起来的波纹平板 式、螺旋板式、板壳式及板翅式等换热器，都属于板型换热面。板翅式 可视为板式和翅式的中间产品，板壳式则为板式和管壳式的中间产品。 这类产品的共同特点是紧凑高效，故又称紧凑式换热器。与管壳式 相比，传热系数可增加一倍以上：波纹平板型的传热面积增加5 0 以上， 其它型式一般增加了3 倍以上，板翅式可达1 0 2 0 倍。因此，结构紧凑、 用材占地都少，很有发展前途。但在制造工艺、运行检修、以及消耗于 流阻的能量等方面也产生不利的因素。这类换热设备发展同益广泛和重 要。 4 ) 采用异形管将管子表面轧制、打扁或爆炸成型等方法制成各种 凹凸形、波纹形、椭圆形、扁平形等可以提高传热效率。因为管子的截 石油大学( 华东) 工程硕士论文第l 章课题现状及研究思路 面和形状都发生了变化，因此流体也随之不断改变方向和速度，促使湍 流加强、边界层减薄，传热加强。与光管相比，换热系数可以提高2 0 2 0 0 ，但流动阻力迅速增加。对于这种传热面的强化有人也把它归入表 面粗糙强化方法中。 5 ) 采用多孔表面或表面涂层表面结构状况的改变除了增加表面积 和粗糙度外，还改变了表面的湿润性和汽化核心数目，对于相变换的增 强往往具有特殊意思。 6 ) 采用混合换热方式以上传热面的扩大和改善都是以间壁式换热 方式为基础的。它存在一个明显的固体间壁面把两种换热流体分开。在 工业上还有一种通过两种流体直接接触来完成换热的方式，称为混合式 换热，他们的传热面就是接触面，不存在外加传热面的热阻。为了扩大 接触面积，常使流体分散成雾滴状并使两者均匀混合、密切接触，以达 到强化传热的目的。如化工上常用的泡沫冷却塔、文丘里冷却器等。这 类传热面的一大特点就是传热迅速、延迟时间短，因此可用束快速调节 温度，例如火力发r 皂厂常用混合式喷水减温器来调节过热蒸汽的温度， 以确保过热器安全运行和汽轮机所要求的蒸汽参数。但是应当注意混合 式换热器只有在两种流体允许混合和混合后没有危险的工况或混合后能 够再行分离的场合爿请采用，故在应用上受到较大的限制。 7 ) 采用小直径管子在压降允许条件下，采用小管径或小的管间距 还可以增大流速或r e ，从而提高换热系数。密集管换热器的换热系数可 达1 7 5 0 3 5 0 0 w m “c 。但应该注意采用小管径会有加大流阻，易堵塞 以及制造困难等问题，需全面考虑。 增大传热温差丁的方法有两种。 石油大学( 华东) ：l 程硕士论文 第1 章课题现状及研究思路 1 ) 提高热流体的进口温度或降低冷流体的进口温度。在条件允许时， 提高提高热流体的进口温度或降低冷流体的进口温度都能加大热冷流体 的温差，从而使平均温差也加大。例如工业用冷却器或冷凝器应尽量降 低冷却流体的温度，这样可以加大出力或减少输出冷却流体的能耗。火 力发电厂中的冷凝器的循环冷却水，冷却和润滑汽轮发电机的油、空气、 氢或水等都需要分别在冷却塔( 池) 、冷油器和空冷器中不断冷却使用就 是这个道理。但冷流体的温度常受到自然的或工艺的、经济的条件的限 制，并不是可以任意降低的。提高热流体温度的要求促使人们去寻找高 温传热介质，例如利用燃烧产生炽热的高温烟气作为加热介质，增加蒸 汽介质的压力以提高其饱和温度也是常见的措施，不过相应压力下的饱 和温度受到临界值的限制，而且压力越高时效果越不显著。为了寻找低 压高温介质，在某些场合经常利用熔盐，液态金属或高沸点有机物作为 载热介质。由于高温特别是伴随高压的工况，对设备材质和热补偿等提 出了很高的要求，而采用液态合金或高沸点有机物往往带来经济上和安 全上的问题：介质温度过高或者过低还可能出现结垢，物料沉淀或结晶 现象，反而导致传热恶化。此外，为了提高热流体的进1 ：3 温度或降低冷 流体的进口温度，有时需要额外对流体加热或对冷流体冷却，往往需要 另外设加热器或冷却器。这会使设备投资和燃料电能等消耗增加。这是 一个技术经济比较的问题。 2 ) 通过传热面的布置来提高传热温差。般来说，当传热面的布置 使冷热流体同向平行流动( 顺流) 时，其平均温差最小；当传热面布置 成两种流体逆向平行流动( 逆流) 时，其平均温差最大。但是，需要注 意的是，各种多程折流或交流既有顺流又有逆流，因而其平均温差的大 小介于顺流和逆流之间，在各神不同条件下，逆流平均温差与顺流平均 石油大学( 华自、) ：i ：科硕士论文第l 章课题现状及研究思路 温差的比值是不同的，因而也不要盲目地认为采用逆流在任何条件下都 有利。在一种流体温度的变化相对另外一种流体温度的变化来说是很小， 而两种流体热容量相差很大的工况下，逆流和顺流方式所得到的平均温 差相差很小。在其它情况下多采用逆流或接近逆流的交流或折流传热方 卉 o 采用逆流方案时应考虑到冷热流体都在设备的同一端，致使该端传 热面的壁温较高，如果因此而提高了对材料的要求，则需从安全和经济 角度出发作技术经济比较决定。在这种情况下采用逆流方式未必是可取 的。合理的措施是把换热面分段串联，低温段采取逆流，高温段采取顺 流或逆流并在必要时使用耐高温材料。在采用多管程折流方式时还应注 意避免温度交叉( 即反传热) 想象的发生。温度交叉现象在其它多程折 流换热器中也可能出现，采用多壳程或单管程串联的办法可以避免温度 交叉的发生。 靠增大传热温差丁来增强传热的方法，比较前面两种方法，增大传 热温差的方法有时受到工艺条件的限制，同时考虑到能的有效利用问题， 该方法一般不采用( 传热温差越大，能的“质损”将越大) 。 1 2 3 波纹管研究及应用 1 波纹管结构 试验中所采用的试验管有外胀成型和内压成型两种”h 1 。 外胀成型管是采用对管内塑料胎具加压，造成胎具径向变形膨胀， 使换热管成型的。此种方法只适用于厚径比较小的换热管加工，如中2 5 x0 8 m m 、中3 3 x0 8 r m n 的不锈钢管等。 石油大学( 华尔) r 程硕士论文 第l 章课题现状及研究思路 内压成型管则是在专用车床上采用专用模具对换热管加压成型的。 这种方法加工简单方便，成本低，适用于一般换热管的j l _ 工。在光管换 热器改造时，如果用内压成型的换热管，可以不改变管板和折流板尺寸， 降低换热器改造的成本费用。 从波纹管的结构不难看出，波纹管比较光管，波纹的存在，一是对 管内流体的流动将产生较大的影响增加了对流体的扰动，这将会使 流体在相对较低的速度下达到紊流；二是对流动表面有一定的扩展作用。 这两方面都对增强对流换热系数起到正面影响。但同时，波纹的存在， 将使流体在波纹处产生节流作用，从而增大了流动阻力。波纹管对阻垢、 防垢也具有一定作用。但由于波纹管内的湍流度增加，在破坏层流边界 层的同时，往往会造成流动损失的加大，故研究波纹管对介质传热性能 和流动阻力性能的影响是十分必要 2 波纹管换热器研究及应用 目前，波纹管换热器均为单台式波纹管换热器，称为bhi 型。其内 部结构形式分为单壳一多管程结构和多壳一多管程结构。有报道“1 已经研 制出一种新型波纹管换热器一bhc 重叠式波纹管换热器。该种换热器 结合了传统歹4 管式换热器和bhi 单台式换热器的优点。波纹管换热器 应用于中高层建筑的供热系统，换热效率比光管换热器高2 5 4 倍，不 易结垢，方便维护，体积小，重量减轻3 0 5 0 ，比其他的强化传热 管动力消耗小。波节管的特点是在无缝薄壁光管的管壁上滚轧出与管子 轴线成9 0 。的环形槽，在管壁内侧形成一圈圈突出的圆环。当流体在管内 流动经过圆环时，可在管壁上形成轴向的漩涡，它扰动和冲击了流体边 界层，使边界层减薄，这有助于热量的传递。当漩涡尚未消失时，流体 经过第二个圆环又生成漩涡。流体能够沿管内壁不断生成轴向边界层漩 石油大学( 华东) ：【f 群硕士论文第l 章课题现状及研究思路 涡，可保持连续而稳定的强化传热，因此在相同的流体阻力下，它比光 管具有更高的传热效能。波节管换热器的特点是：1 ) 换热效率比光管换 热器高2 5 4 倍；2 ) 波节管采用不锈钢，管内介质为水，管外介质为 水或者水蒸汽，由于流体不断形成漩涡，扰动厉害，具有臼洁不易结垢， 维修量小，使用寿命长的优点；3 ) 体积小，重量轻，在相同的负荷情况 下，设各重可减轻3 0 5 0 ：4 ) 由于波节管本身具有自补偿功能， 改善了壳体与换热管的受力状态，使设备的承受热负荷能力有很大的提 高；5 ) 与其他强化传热管相比，流体阻力小，动力消耗小，节能效果明 显。 有文献报道。”对于换热器来说，强化传热主要是强化换热表面。波 纹管换热器是用波纹管取代原列管式换热器的光滑管来达到强化传热的 目的。通过力：赶换热器的换热面积和加大对数平均温度都不是最佳途径。 前者与换热器的结构关系较大，对于一个换热系统来说，如一味地增加 换热面积，势必会造成设备体积的庞大及成本的大幅度增加，而后葫卣 流体进出换热器的工况有关，用热力学来分析，若只选择高对数平均温 度，势必导致能耗的大幅度增加，因此这两条路径有时是得不偿失的。 可以通过改善流动状态来提高产热效果，流动状态的改变一方面可借助 于流速的增加，但当流速增加到一定程度时，传热系数随着流速的增加 而增加的速率是缓慢的，而换热器压降的增加幅度却很大，因此，在设 计换热器时为提高传热系数不能单纯提高流速；改变流动状念的另一方 面是靠设计合理的截面状态来实现，合理的截面应当是使流体按湍流或 程度较高的紊流进行流动，使流体不断冲击边界层。同时，截面最好能 对流体有加速作用如有意识地使截面不间断地缩小等，即使在流体流 速比较小的情况下，流体在管内外也可以形成比较强的扰动，从而提高 石油大学( 华东) 工程硕士论文第l 章课题现状及研究思路 管内外的对流换热系数。提高传热系数还可以通过降低管内外污垢系数 的方式来达到。污垢的问题是换热器的老大难问题，多少年来，很多研 究人员在这里领域迸行了大量的工作，取得一定的进展，但都有局限性。 在换热器的操作过程中，由于温度的变化，原来溶解在流体中的一些成 分，会析出沉淀在传热表面形成污垢，每一种污垢都有它独特的生成机 理，这些污垢会增大换热器的总热阻而降低换热器的传热系数。要想降 低换热器的污垢热阻，需要从以下几方面考虑：1 ) 适当地提高流体的流 速。流体的流速越大，流体中的沉积物越不容易沉淀，结垢的程度越低， 但换热器的压降增大；2 ) 改变流动路径的形状，使流体在通过换热器时， 不停地冲击换热器的壁面，使流体中的各种杂质不易在壁面停留，如有 意识地使流通截面不断变化，就可以达到此目的：3 ) 选择不易腐蚀的光 滑材料，也可以降低污垢的形成。波纹管的传热机理如下：1 ) 由于截面 的周期变化，使管内外流体总是处于规律性的扰动状态，形成不了与轴 线平行的流股，使管内流体的温度、密度、杂质含量沿径向均匀分布。2 ) 弧形段内流体释放能量，而在直线段内流体积累能量，流体在管内周期 性的能量积累与释放使整个换热管内表面都受到流体冲刷。3 ) 由于冲刷 良好，：不易形成污垢层，从而使换热系数得到提高，换热器能够实现长 期而稳定的强化传热。试验的结论是，在同样的工况条件下，列管式换 热器和波纹管换热器在相同定性温度和流速时，后者的传热系数是前者 的2 2 倍。强化传热效果显著。在现场应用中，一台波纹管抉热器完全 取代两台列管式换热器，抗垢能力强，补偿性能好。只要工艺介质的特 性能够满足设备的设计要求，则几乎所有普通列管式换热器都可由波纹 管换热器所代替，其使用范围比板式换热器广。 文献报道”，波纹管换热器自】9 9 6 年投放市场以来，迅速在全国许 6 石油大学( 华东) ：【程硕士论文第1 章课题现状及研究思路 多大中小化肥及化工生产厂家的众多岗位推广使用，其设计压力 6 o m p a ，设计温度为一2 0 4 5 0 使用范围之广是板式换热器所无法相 媲美。波纹管投资效益好，脱炭岗位使用的一台波纹管换热器总投资是 3 7 万元，预计使用寿命为5 8 年，而2 台列管式换热器是3 2 万元，使 用寿命按一年计算的话，其投资效益是非常客观的，相当于每年节省3 0 多万元。波纹管换热器已经被成功应用于合成氨、压缩、脱碳、变换、 冰机等岗位。 文献报告5 。对蒸氨系统中使用波纹管换热器代替钛板换热器后的运 行情况，及对节能降耗、降低蒸氨塔顶阻力，提高单塔生产能力等方面 做了介绍。经论证后，采用波纹管换热器来代替1 # 蒸氨塔钛板换热器， 优化了工艺条件。波纹管换热器的投用提高了热母液温度和预分解效果。 母液换热器在蒸氨系统中起着至关重要的作用，它是蒸氨预热段的延伸。 热母液温度是代表母液各组份浓度的重要参数。在压力相同的情况下， 提高温度、液棚中氨和二氧化碳的浓度均能降低。技改前，由于板式换热 器阻力大，造成母液4 0 左右的流量不经换热器换热而由临时管线直接进 塔，这样做虽然蒸量得到了保障，却使进塔母液温度大辐度降低( 查定显 示只有4 9 5 6 ) ，不仅降低了母液的预热效果，造成塔顶部出气温度偏 低。而且两台钛板换热器的母液进量不易调节均匀，板片间因母液中的细 碱得不到很好地溶解而於积，甚至造成细碱於积预热段填料的现象，影响 了生产负荷的进一步提高，也损失了部分热量。波纹管换热器投用后，取 消了母液临时管线，热母液温度可达到6 8 7 0 c ，较使用钛板换热器高出 l9 3 3 0 ，从而增大了母液预分解的效果。钛板换热器投用后，经多次取 样分析，热母液中木发现细晶，减少了填料中细碱的於积，改善了蒸氨塔 预热段的换热效果。 石油大学( 华东) 工挂硕士论文第l 章课题现状及研究思路 波纹管换热器投用后，热母液温度及塔出气温度均得到一定程度的 优化，从而减少了蒸汽进量，降低了塔内气速，使生产负荷得以提高。经过 近五个月的使用证实，1 # 蒸氨塔的最大蒸量可达1 0 8 一h ，较未投用波纹 管换热器前提高了4 5 。在同等情况下每蒸一立方母液，在2 # 和3 # 塔 共同运行时的汽耗为0 2 9 t ，而在l # 、2 # 蒸氨塔共同运行时的汽耗是0 2 6 吨。经计算i # 蒸氨塔的汽耗为0 2 3 吨。若以每小时蒸量为1 0 5 m 。h 计 算，可节省低压蒸汽5 9 2 吨小时( 蒸汽压力：0 3 m p a 、温度：1 6 0 。c ) 。若 1 # 蒸塔开用时间以每年1 1 0 天计，可节约3 1 4 0 8 万元。钛板换热器在正 常运行中，由于板片间有细碱淤积影响换热效果和生产负荷，需定期进行 酸洗，甚至进行拆解板片，因每次拆解需更换密封垫( 每付胶挚1 8 5 元) ， 检修费用较大的。波纹管换热器投用后节约了以上费用的支出。若蒸氨 系统全部采用波纹管换热器，每小时可降低蒸氨汽耗1 1 8 4 吨，折合中 压蒸汽( 3 5 m p a 、4 4 5 。c ) 9 9 2 吨，从而增大了蒸汽调节范围更有利于生产 的平衡，使在冬季两台锅炉同时生产轻灰、重狄时成为可能，其效益是相 当可观。 有文献“”介绍波纹管换热器在脱碳岗位水冷系统的应用效果。通过 对已使用过的水冷排管和普通列管水冷器与波纹管水冷器相比，结果表 明波纹管换热器具有传热效率高、耐腐蚀、适应工况变化好、运行维护 费用低等特点。 2 0 0 0 年1 0 月，将1 # 脱碳水冷系统2 台列管式水冷器拆除，换成1 台 立式浮头式结构的波纹管水冷器( 换热面积3 0 0 m2 ) ，而2 # 脱碳系统仍采 用普通列管式水冷器，以作对比。 设备投用后，虽然波纹管水冷器换热面积只有原来的1 4 ，但因其强 化换热性能，运行效果良好。2001 年5 月大修时，抽出波纹管芯进行 石油大学( 华尔) i + 样硕士论文 第l 章课题现状及研究思路 检查，发现管内外非常光滑，无结垢和冲刷磨损现象，达到了预期的目的。 而同期使用的2 # 脱碳水冷系统的普通列管水冷器却泄漏非常严重，每台 设备堵管约有1 0 0 多根，管内有垢层及腐蚀现象。实践证明，波纹管换热 器在该岗位的仞步使用是非常成功的。 2 0 0 0 年】0 月投用的1 # 脱碳系统波纹管式换热器和2 0 0 0 年5 月投 用的2 # 脱碳系统普通列管式换热器的使用情况对比表明，使用波纹管换 热器有良好的效果。2 台列管式水冷器并联使用，共计传热面积为1 2 0 0 m 2 ，其冷却效果基本可用1 台波纹管式换热器代替，可见波纹管式换热器 的传热效果是非常好的。l 台波纹管式换热器总投资需3 7 万元，预计使 用寿命为5 8 年。而2 台普通水冷式换热器是3 2 万元，使用寿命一般只 有2 年，因此使用波纹管换热器能够节省投资。 文献”中报道，通过波纹管换热器与管壳式换热器的对比实验，证明 波纹管换热器具有传热系数高等特点，可以被广泛地应用于石油工业中。 波纹管换热器就是一种新型的强化传热设备，是在传统的管壳式换热器 的基础上，用强化换热的波纹管取代了传统的光滑换热管而研制开发出 的一种换热设备。目前它已被广泛地应用于城市的集中供暖，轻工食品 生产等领域，取得了较好的社会效益和经济效益。然而石油工业有其自身 特点，如介质粘度高，流劝性差等，所以波纹管换热器在石油领域的应用 的可行性成为我们研究的课题。为了便于分析和比较，在一个钻井台的两 个油井处分别安装一台波纹管换热器和一台管壳式换热器。其型号分虽 为w b h 4 0 0 一2 4 5 4 髑及y t z q 一6 ，换热面积分别4 m 2 和6 m 2 。对这两 台换热器进行现场测试，得出测试数据并加以分析、整理，得出比较结果。 石油工业中的原油的粘度较高，而且含蜡比较严重，因此其流动性较差， 从地下抽上来的原油一般温度均在3 0 左右。为了便于其输送，降低输 石油大学( 华彖) ：【。秽硕士论文 第1 章课题现状及研究思路 送能耗，把原油加热至4 5 。c 以上，使原油的粘度降低，然后再输送到储油 站。为了便于比较，两台设备的管程均作为原油的流动路径，壳程作为热 水的流动路径，热水来自同一个锅炉。从实验数据及计算结果可以看出， 波纹管换热器的换热效率比管壳式换热器的换热效率高出3 0 左右。传 热系数则高出l2 4 倍，可以况波纺管换热器的强化传热效果相当明显， 分析原因，我们认为对于波纹管换热器来说，流体在波纹管内外流动，即 使流体流速很小( 流速小于0 i m s ) ，流体在管内