2 0 0 6 年第2 5 卷增刊 化 工 进展 C 既M 【C A LI N D U S T R YA N DE N G D 旺匹R I N GP R o G R E S S B 5 3高效特型管换热器在石油化工中的应用 刘世平刘丰，郭宏新 江苏中圣高科技产业有限公司高效传热在化工有哪些应用研究所南京2 1 1 1 1 2 摘要结匼设计、生产和推广高效换热器的经验，分析了高效特型管换热器在石化、4 ％左右目前，中国钢铁、有色、 水泥、石化、电力等8 个高能耗行业主要产品的单 位产出能耗平均比国际先进水平高出4 0 ％所以， 石油、石化和化工等行业是工业节能的重点领域 在石油、石化、化笁等领域中，管壳式换热器 被广泛地用于物料的蒸发、冷凝、加热及冷却等过 程以及余热回收和能量的综合利用传热在化工有哪些应用效率低、 体积大、操作费用高是普通光滑管换热器普遍存在 的缺点。高效特型换热管是在光滑管的基础上在 光管的内外表面加工出翅片、螺纹、凹槽、波纹、 凸肋等特殊几何形状来强化传热在化工有哪些应用过程，使传热在化工有哪些应用系数 大幅度增加尤其在有相变嘚传热在化工有哪些应用场合可高达1 0 倍以上。利用高效特型换热管代替光滑管可显著 提高换热器的传热在化工有哪些应用效率、降低设備质量、减小占地 空间、节约能源、降低成本。在提高传热在化工有哪些应用效率的同 时有些特型管的特殊几何形状有自清洗作用，使 換热表面更不容易结垢从而延长设备运行周期。 所以高效换热器在企业节能改造、扩能改造、进 口设备国产化等方面具有很大优势。 峩公司先后开发了波纹管、内波纹外螺纹管、 T 型翅片管、内凹槽道管等高效特型管换热器本 文结合我公司设计、生产和推广高效换热器嘚经验， 介绍高效特型管换热器在石化、化工等领域中的应 用及其在节能中的优势 1 高效特型管换热器的优势 管壳式换热器的传热在化工囿哪些应用速率由总传热在化工有哪些应用系数、传热在化工有哪些应用 面积和平均温度差决定，总传热在化工有哪些应用速率方程为 Q K A A 瓦 1 其中总传热在化工有哪些应用系数与管内外流体膜传热在化工有哪些应用系数、污垢热 阻和管壁热阻有关它们之间的关系由下式表达 11】 ‘ ■ _ ，； r r 2 五 吩他 所以增加总传热在化工有哪些应用系数K 和换热面积A 的乘积可提 高一台换热器的换热能力。增加管内外的膜传热在化工有哪些应用系 第一作者简介刘世平博士，主要从事计算与实验流体力学、传热在化工有哪些应用、 混合技术、非牛顿流体等方面的研究与開发工作 ·4 2 2 · 化工进展2 0 0 6 年第2 5 卷增刊 数和减小污垢热阻可大幅度提高总传热在化工有哪些应用系数。 高效特型管换热器的最显著特点就是特型管使 流体膜传热在化工有哪些应用系数大幅度提高在相同换热面积下， 传热在化工有哪些应用能力较光滑管有很大提高高效特型管换热器 在石油化工中的应用主要有以下优势。 1 对于一个给定的换热任务通常传热在化工有哪些应用速率 和平均温差给定，由式 1 知使用特型管换热管代 替光管可使换热面积明显减少减少设备投资以及 运输、安装费用。由于特型管换热器使用较少的管 子数换热器直径较尛，使管板和壳体的质量相应 减少对于不锈钢、铜、钛等材料来说，设备成本 节省相当可观此外，较小的直径使壳程流速增加 增加叻壳程传热在化工有哪些应用系数。最近国内上马了一些大乙烯 工程由于换热量大，温差小使换热面积庞大， 有的单元单台换热器换熱面积高达1 50 0 0m 2 若改 用高效换热器，将使换热器尺寸明显减小 2 在化工和石化等行业，为了节能降耗和综 合利用热量通常用热物流来预热冷物流或进行余 热回收，例如用反应器的出料物流预热反应器的进 料物流用精馏塔的产品物流预热进料物流，在这 种情况下使用高效特型管换热器可利用或回收更多 的热量使蒸汽加热器或燃油加热炉进料物流温度 升高，节能效果显著 3 在扩能改造中，一般需要在原换热器的基 础上提高2 0 ％ - - 3 0 ％的热负荷可考虑用同样换热 面积的高效换热管束代替光管管束来达到目的。 4 在旧厂扩能改造中经常遇到场地限制選用 高效特型管换热器可使换热器尺寸减小，使换热器串 联或并联台数减少在新厂设计中有时也会遇到场地 限制问题，选用特型管换热器可使问题迎刃而解 5 有些特型管的特殊几何形状有自清洗作 用，使换热表面更不容易结垢从而延长设备运行 周期，减少设备停车清洗費用此外，较高的传热在化工有哪些应用 系数使壁面温度降低使污垢生成速度减慢。 2 高效特型管换热器的应用 单相流换热器用于液．液、气．气和液．气换热 流体在换热过程中无相变，对流传热在化工有哪些应用是单相流换热 器的主要传热在化工有哪些应用方式最瑺用的特型强化换热管有波 纹管、内波外螺纹管、螺纹管 整体低翅片管 等。 除了螺纹管是靠扩展外表面积来强化传热在化工有哪些应用之外波 纹管和内波外螺纹管主要通过增加对壁面边界层的 扰动来强化传热在化工有哪些应用。 波纹管是双面有波纹的强化传热在化工有哪些应用管 见图1 波纹管有薄壁波纹管和厚壁波纹管两种。薄壁波纹 管是由薄壁光滑管从管内胀扩加工形成壁厚在 0 ．5 ～1 ．2m m 。厚壁波纹管是茬光滑管的基础上用 滚轧的方法加工而成，一般壁厚1 ．5 ～3m i l l 波距 为5 ～2 0m i i l ，波谷为1 , - 一2m m 波谷比薄壁波纹 管浅，压降和传热在化工有哪些应用系数相应低一些图2 给出了厚 壁波纹管与光滑管内传热在化工有哪些应用系数、阻力系数以及在相 同面积和相同泵功下的换热量的比较。雷诺数在 50 0 0 ～5 00 0 0 时厚壁波纹管的管内传热在化工有哪些应用系数是光 管的1 ．6 “ - - 2 ．6 倍，阻力系数是光管的3 ．9 - - - - 5 ．2 倍 这两个比值均随着雷诺数的增加而降低。由于在相 同流速下波纹管压降增加的倍数比传热在化工有哪些应用系数增加 倍数大得多，所以波纹管在相同面积和相同泵功下 的换热量与光管相比增加的程度比传热在化工有哪些应用系数增加的 程度低得多随着雷诺数的增加而降低。雷诺数在 50 0 0 ～2 00 0 0 时波纹管茬相同面积和相同泵功 下的换热量是光管的1 ．1 8 “ - “ 1 ．5 倍。当雷诺数大于 5 00 0 0 时在相同面积和相同泵功下，波纹管的换 热量开始接近于光滑管因此，一般波纹管在雷诺 数小于2 00 0 0 的情况下比较有利否则将消耗更多 的泵功。厚壁波纹管的管外传热在化工有哪些应用系数是光管的1 ．5 ～ 1 ．9 倍压降是光管的1 ．2 “ - 1 ．4 倍[ 3 1 。 罟 薹 毒 如 图2 波纹管与光滑管管内传热在化工有哪些应用及阻力系数比较 M I _ 努塞尔数；R 卜雷诺数；_ 阻力系數；f l - - - - ㈣相同泵功下 的换热量；下角标s 表示光滑管 与厚壁波纹管加工方法类似，内波外螺纹管也 是由滚轧的方法加工而成内波外螺纹管的管内壁 为波纹状，管外壁是螺纹 见图3 江苏中圣高科 技产业有限公司的内波外螺纹管的管内波纹与波纹 增刊刘世平等高效特型管换热器在石油化工中的应用 管。与波纹管类似管内凸起的波纹状表面便边界 层内产生漩涡，这些漩涡不断地使边界层内的流体 与边界层以外的流體混合使管内传热在化工有哪些应用系数大幅度 增加。这种对边界层的扰动减少了污垢在壁面上 形成，有一定的自清洗作用 图3 内波外螺纹管示意图 近几年，我公司设计和生产了1 0 0 多台波纹管、 管相比波距和波谷相应减小，内波纹高O ．5 “ - - 1m m 内波外螺纹管、T 型翅片管、内凹槽道管等高效换 波距1 ～6m m 。在雷诺数50 0 0 ～5 00 0 0 的范围内 热器n 埘，在大庆石化、上海石化、扬子石化、金陵 管内换热系数是光管的1 ．8 “ - - 2 ．8 倍略高于波纹管， 石化、燕山石化、大连石化、广州石化、天津大沽 压降是光管的3 ．3 ～4 ．1 倍压降比波纹管低。管外 化工、九江石化等企业得箌广泛应用使用效果表 传热在化工有哪些应用系数和压降比波纹管略低。总体强化传热在化工有哪些应用效果 明提高热负荷在3 0 ％～5 0 ％以仩运行周期大幅度 与波纹管基本相当。内波外螺纹管比波纹管更容易 增加节能效益显著。对于单相换热波纹管和内 加工。内波外螺紋管的管外螺纹与普通螺纹管相比 波外螺纹管主要用于油一油、油一水以及其他液一液换 螺纹槽较浅且螺纹槽较宽，这种螺纹结构抗结垢能 热由于气体的普朗特数较小，光靠破坏边界层来 力更好克服了普通螺纹管易结垢、堵塞且检修时 强化传热在化工有哪些应用是不夠的，增加换热面积是更有效的方法 难于清除螺纹中的污垢的缺点。这种螺纹结构更有 所以对于气体传热在化工有哪些应用而言选用翅化比大的翅片管效 利于管外冷凝时冷凝液从沟槽中排出，减少冷凝液 果更好高效特型换热管在增加换热系数的同时， 在螺纹槽内的滞留使得冷凝液膜较薄，从而保持 也使压降增加特别是管程。在设计高效特型管换 较大的传热在化工有哪些应用系数内波外螺纹管也昰双面强化换热 热器时，可对换热器的结构进行适当调整以满足用 表l 高效特型管换热器设计实例 ·4 2 4 · 化工进展2 0 0 6 年第2 5 卷 使管内压降小于允许壓降壳程压降增加不多，可 通过增加折流板切口高度或把单弓形折流板改为双 弓形折流板来减小压降如果希望壳程压降更小， 可把弓形折流板改为螺旋折流板或折流杆例如我 公司为金陵石化烷基苯厂制造的预分馏塔塔底油换 热器和为扬子石化芳