管壳式换热器强化传热进展

1、管壳式换热器强化传热进展张轮亭，邱丽灿，王 臣（中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司, 天津 塘沽 300452）摘要：管壳式换热器在石油化工领域应用广泛，其强化传热技术的研究受到普遍关注。主要介绍了近年来国内与国外高效节能管壳式换热器强化传热技术研究的进展情况，分别从管侧、壳侧和整体结构改进三方面分析了管壳式换热器的强化传热效果及特点，最后提出了强化传热的发展方向。关 键 词：管壳式换热器；结构改进；强化传热；发展方向中图分类号：tq 051文献标识码： a文章编号： 1671-0460（2014）11-2322-03research progress in heat transfere

2、nhancement technology of shell and tube heat exchangerszhang lun-ting，qiu li-can，wang chen(cnooc energy development co., ltd. engineering and technology branch, tianjin 300452，china)abstract: the tube and shell heat exchanger is widely used in the petrochemical field; research on the heat transferen

3、hancement technology is widely concerned. in this paper, research progress in the heat transfer enhancement technology of high efficiency shell and tube heat exchangers was introduced. from three aspects of the tube side, the shell side and the overall improvement, effect and features of the heat tr

4、ansfer enhancement of shell and tube heat exchangers were analyzed. at last, the development direction of the enhanced heat transfer technology was put forward.key words: shell and tube heat exchanger; improvement; heat transfer enhancement; development direction管壳式换热器具有一系列优点，例如应用广泛、结构简单、成本低、易于清洗等，因

5、此在石化、炼 油等领域占据着重要地位。传统的弓形折流板换热 器占总量的 70%80%，弓形折流板换热器固然有其 优点，并为产业节能方面做出了巨大的贡献，但在新的节能减排形势下，其缺点（压降大、流动死区、 易结垢、震动、传热效果差）严重的限制了其发展 和生存的空间，为了节能降耗，提高换热器的传热 效率，需要研发能够满足多种工业生产过程要求的 高效节能换热器。因此，近年来，高效节能换热器 的研发一直受到人们的普遍关注，国内外先后推出 了一系列新型高效换热器1。面滚压出螺旋线形的凹槽，管子内部形成螺旋线形凸起，如图 1 所示，管内介质流动时受螺旋线型槽 纹的导向使靠近管壁的部分介质沿槽纹方向螺旋流

6、动，这就使得边界层的厚度较大程度的减薄，提高 换热的效果；部分介质沿着壁面纵向运动，经过槽纹凸起处产生纵向漩涡，促使边界层分层，加速边 界层中介质质点的运动，进而加快了管壁处介质与 主体介质的热量传递4,5。图 1 螺旋槽管fig.1 spirally corrugated tube1管程强化传热管程强化传热主要有两种方式，一是改变管子在常减压原油-渣油换热器中，传热系数可以提高 1.21.5 倍；美国 argonne 国家实验室和 ga 技术 公司研制的螺旋槽管换热器，与光管相比，其传热性 能提高 24 倍，对于单管性能试验，在阻力损失和受 热面相同时，传热量可增加 30%40%，在换热量和

7、 压降相同时，换热面积可节省 30%40%，在换热面形状或者提高换热面积，如：螺旋槽管、旋流管、波纹管、缩放管、螺纹管等2；另一种就是增强管内 的湍流程度，例如，管内设置各种形状的插入物3。1.1 螺旋槽管螺旋槽管是通过专用轧管设备将圆管在其表收稿日期： 2014-04-14作者简介： 张轮亭（1966-），男，辽宁抚顺人，工程师，1990 年毕业于抚顺大学化工专业，研究方向：从事热采设备研发、管理等技术工作。e-mail：1300554825。第 43 卷第 11 期张轮亭，等：管壳式换热器强化传热进展2323积和换热量相同时，压降可减少 60%70%6,7。1.2 波纹管波纹管

8、是将管子加工成内外均呈连续波纹曲线的一种强化管，如图 2 所示，使管子的纵向截面呈 波形，由相切的大小圆弧构成，管内流体的流动状态不断变化，使流体的湍流程度增加从而强化传热， 西安交通大学对北京广厦环宇热力设备开发有限公 司生产的不锈钢薄壁波纹管换热器进行了试验研 究，以水为介质时，管内传热系数是光管的 1.82.8 倍，以机油为介质时为 2.12.4 倍，以煤油为介质 时为 2.23.2 倍，材料为碳钢时传热系数约为光管 的 1.52 倍8。管，比传统的弓形折流板换热器传热系数提高 30%左右，压降减少 50%。华南理工大学和大庆石油化 工总厂共同开发了折流杆螺旋槽管再沸器应用在无 相变及有

9、相变冷凝传热方面，其总传热系数比普通 光管再沸器提高了 1.21.7 倍，有效的避免了震动 破坏9。目前，一些单位把圆钢条变为扁钢条、波 形扁钢、准椭圆截面的杆等，都取得了良好的效果， 通常情况下，这种结构只适用于大流量的情况10。图 4 折流杆换热器fig.4 rod baffle heat exchanger2.2 螺旋折流板换热器螺旋折流板换热器采用若干块 1/4 壳程截面的 扇形板组装成螺旋状折流板，如图 5 所示，使壳程 介质呈螺旋状流动，其介质流动的返混较少，几乎 不存在死区，同时在离心力的作用下介质与换热管 接触后会脱离管壁而产生尾流，使边界层分离充分， 改善了传热效果，相同流量

10、条件下压降最大可以降 低 45%；同时螺旋折流板又能在较低压降下使介质 产生较大的流速，提高了雷诺数，从而使得传热数 显著提高，传热系数可提高 20%30%；最大特点是 单位压降下的换热系数高，螺旋折流板换热器尤其 适用于壳程压力、污垢热阻、流体诱导震动要求比 较严格的场合，对于高粘度流体效果更加突出4。20 世纪 90 年代初由 abb 公司开发，在实际应用中 取得了良好的效果11。图 2 波纹管fig.2 bellows1.3 内插物管这种强化传热方法是基于管内插入物能使介质产生涡旋运动，如图 3 所示，从而增强流体的径向 混合，有助于介质速度和温度均匀分布，以增强传热，内插物管尤其对低雷

11、诺数、高黏度流体的传热 更为有效。插入物的种类很多，如螺旋线、扭带、 螺旋片等，实验表明，在层流换热时，管内插入扭 带后，对流传热系数可增大 23 倍4。内插物图 3 内插物管fig.3 insert tube壳程强化传热根据间壁传热原理分析，传热效果相对较低一2侧在大程度上影响着换热设备的换热效率，而这一侧通常位于壳程，于是研究开发出了折流杆式、螺 旋折流板式、曲面弓形折流板等换热器。2.1 折流杆换热器折流杆换热器主要是将壳程的折流板改用折流杆来固定管束，每根换热管由四根杆条从上下左 右四个方向固定，使管子在流体的作用下不易产生 振动。20 世纪中后期，美国飞利浦石油公司为了改 善管壳式换

12、热器中换热管与折流板间的相互切割磨损和流体诱导震动，研制了壳程介质呈纵向流的折 流杆式换热器，如菲利普公司使用螺纹管作为换热图 5 螺旋折流板换热器fig.5 heat exchangers with helical baffles2.3 曲面弓形折流板换热器曲面弓形折流板换热器是一种新型管壳式换热器，如图 6 所示，折流板的曲面是圆弧面，每块折 流板曲面外凸侧朝向壳程流体进口，利用圆弧形折 流板使被导流后的壳程流体流动曲线趋于光滑，并 与介质流通通道相一致，显著改善壳程介质的流速2324当代化工2014 年 11 月分布情况，流动死区、传热死区明显减少，与传统弓形折流板换热器相比，曲面弓形折

13、流板换热器壳 程膜传热系数增加 3%11%，压降下降了 9%24% 12,13。3.2变截面管式变截面管与螺旋扁管的传热机理基本相似，均是通过改变管型强化传热。变截面管靠凸起部分与相邻管子接触支撑管子，壳程中不设置折流板，相 邻管子中心距小，管子布置紧密，单位体积内的换热面积增加；由于相邻管子中心距小，壳程流速得 到提高，湍流程度加强，减薄了管壁上的边界层， 提高传热效率；同时由于换热管形状的连续变化， 强化了管内、外介质的换热16,20,21, ，如图 8 所示。图 6 曲面弓形折流板换热器fig.6 curved baffle heat exchanger3整体强化整体强化通常是将管程和壳

14、程强化联合起来，图 8 变截面管fig.8 varying section tube从而取得更高的强化传热效果，例如，螺旋折流板与波纹管相结合，或者折流杆与波纹管相结合等； 还有一种就是通过改变管子形状使得管壳程传热均得以强化，例如，螺旋扁管换热器、变截面管换热 器、交错扁管换热器等。3.1 螺旋扁管4传热强化的发展趋势管壳式换热器的发展总体上是支撑式的发展，从弓形折流板式支撑，到折流杆式支撑最后到管子的自支撑，随着壳程支撑结构的改变，管壳式换热 器的壳程膜传热系数表现为连续提高的发展趋势， 压降表现为不断降低的发展趋势，换热器的综合传 热性能得到明显的提升。（1）随着计算流体力学和计算传热学

15、的快速发 展，数值模拟是对换热器进行传热强化研究的实用工具，能够预测传热过程的影响因素，且方法简单、 效率高、费用低；（2）借助先进仪器，如激光测速、红外摄像仪 等“可视化技术”，深入研究换热器的流场分布和温 度场分布，彻底弄清强化传热的机理。（3）开发新型高效节能换热器，如缠绕管式、 微尺度等紧凑式换热器，这将在高新技术领域中具有广泛的应用前景。参考文献：1矫明，徐宏，程权，张倩新型高效换热器发展现状及研究方向 j化工设计通讯，2007，33（3）：50-552来诚峰，段兹华新型管壳式换热器的技术研究j化工进展，2006，25：382-3863 齐洪洋，高磊，张莹莹，等管壳式换热器强化传热技

16、术概述j压 力容器，2012，29（7）：73-774崔海亭，彭培英强化传热技术及其应用m北京：化学工业出 版社，2006：12-14.5吴立军，陈旭，戚思清管壳式换热器的优化设计d天津：天 津大学，20096陈听宽对流受热面强华传热研究j工业锅炉，2004,（2 ）：1-77崔海亭，汪云高效异形强化管的研究现状及发展方向j石油 机械，1999(7):48-508邱广涛，丰春艳波纹管式换热器（一）j管道技术与设备，螺旋扁管换热器是瑞典allares 公司近年来推出的一种高效换热元件。螺旋扁管换热器的换热管采用螺旋扁管，螺旋扁管是把圆管在压扁的同时进 行 360扭曲，相邻管子保持螺旋线点接触以支

17、撑 管子，管内外均形成螺旋形通道，介质呈螺旋状运 动，由于离心力的作用，介质运动时速度和方向发 生周期性的改变，增强了介质的径向混合和湍流程 度，强化传热过程14,15,16,17，而且壳程介质整体上呈纵向流动状态，也大大降低了管束震动，如图 7 所 示；由于流体的螺旋运动趋势，湍流程度较大，还 可以改善壳程中常出现的油污附着换热管表面和杂 质沉积对传热不利的现象；壳程中没有折流板，无 流动死区，使得传热面积充分利用，压降降低，这 些都有效地提高了设备的整体传热效果18,19。与传统 弓形折流板换热器相比，通常相同压降下换热系数 会高出 40，或者反过来说，相同换热系数时压降会减半，整体的效果

18、就是相同的热负荷时，螺旋扁 管换热器比传统换热器换热面积有很大缩小。图 7 螺旋扁管换热器壳程与管程流动状态fig.7 flow state in shell side and tube side of twisted tubeheat exchanger（下转第 2327 页）1998（1）：43-45第 43 卷第 11 期罗志海：顺酐溶剂吸收装置的关键控制工艺分析23273结 语综上所述，通过对顺酐溶剂吸收工艺的介绍，2.3.2离心机操作控制溶剂吸收工艺的核心就是溶剂，溶剂品质的好 坏直接影响整套装置的运行效果和产品质量。而离心机又是将溶剂中杂质移除，确保溶剂质量的关键设备，可以说离心机

19、的操作，直接影响整套装置的 平稳运行。石化厂使用的离心机是阿法拉伐 chpx718 离心机，属于蝶式高速固体排放离心机，专用于比重 差较小的不同相混合流质物料分离。离心机操作中的关键控制因素包括：进料控制、轻重两项背压调节、排渣控制和环境温度。通过大量的生产实践总 结了最佳的控制条件为：溶剂与洗涤水 1:1 充分混合，环境温度 57 ，轻相背压 0.010.02 mpa，重相背压 0.030.04 mpa，排渣间隔 45 min，每次排 渣量 15 kg。如果化验分析轻相中含有 0.05(wt)左右的溶剂，重相中含有 3.0左右的水，说明离心机分离处于良好状态。以及对溶剂吸收、溶剂解析和溶剂洗

20、涤系统中关键控制工艺的分析，只要将相关工艺参数控制在合理 的范围，就能够很好地保证溶剂吸收装置的安全平稳运行。当然，在实际生产运行过程中，顺酐溶剂 吸收装置需要控制的工艺因素还有很多，本文只对 其中一部分进行了分析并给出了生产指导建议。参考文献：1韦贵朋，铁新华，杨献红，成兰兴，崔炳春顺酐回收工艺技术 进展j河南化工，2006(07)2马首骥，孙凯兰州石化公司 2 万 t/a 正丁烷氧化法制顺丁烯二酸 酐装置工艺流程及特点j石化技术与应用，2008(04)：381-3853傅献彩物理化学m北京：高等教育出版社，20054韩刚，杨伯伦正丁烷氧化制顺丁烯二酸酐吸收精制工艺分析j现 代化工，2006

21、(s2)：353-3565杨立光顺酐溶剂吸收法装置中影响溶剂洗涤效果的因素分析 j甘肃科技，2012，28(4)：27-28（上接第 2321 页）（5）转子组装在机体的测量。在压缩机出口用 塞尺测量转子标记部位的间隙，反复调整使其与第 3 点数值符合。调整完成后精铰定位销，最终定位转子。油螺杆机压缩机转子，俢磨转子这种修复方法是可行的。对于高线速度的转子，啮合间隙适当的增大 对压缩机的效率影响不明显。参考文献：1王灿.透平压缩机转子振动原因分析及处理j. 现代机械，2009(4)：79-81.2王永超.循环氢无油螺杆压缩机转子碰磨原因分析与对策j通用 机械，2006（3）：52-543张立发

22、,翟所斌大型空分装置离心式压缩机振动故障分析及处理 j风机技术，2008（3）.4谭满红.基于控制关键工序质量的阴阳转子修复工艺j. 压缩机技 术,2010(4)：47-50.5郭晓宁.苯乙烯螺杆压缩机转子间隙的研究与分析j压缩机技 术,2010(3)：14-17.6门显锋.螺杆压缩机转子损坏的修复方法j内蒙古石油化工，2012（6）：62-65.严格控制压缩机入口气体的温度,段温度过高而加剧转子的热膨胀。3.3 效果检查避免因排气通过对转子修复完成后试车，取得了一次开车成功，压缩机的各项指标：振动、轴承温度、压缩 机出口温度、排气压力、流量符合要求。通过操作 调节压缩机完全能够满足生产需要，已顺利运行了200 多天都没有发生故障。由于避免了引进新转子, 节约了资金。4结束语通过这次检修，对于接触碰磨损坏不严重的无（上接第 2324 页）9 马骁驰国内外新型高效换热器j化工进展，2001（1）：49-5110董其伍，