內(nèi)展翅片管換熱器特點(diǎn)及在環(huán)己酮裝置中應(yīng)用分析

1、內(nèi)展翅片管換熱器特點(diǎn)及在環(huán)己酮裝置中應(yīng)用分析奚治政（中國(guó)石化集團(tuán)南化工程公司，江蘇南京210048）摘要：如何提高換熱器的傳熱系數(shù)K、提高氣液熱交換氣體走管程的給熱系數(shù)是換熱器技術(shù)進(jìn)步的一大課題。介紹了內(nèi)展翅片管的結(jié)構(gòu)及管程流體給熱系數(shù)的計(jì)算方法，并以60 kt/a環(huán)己酮工程中烷三塔塔頂氣體冷凝的換熱流程為例，對(duì)比了選用管殼式換熱器與內(nèi)展翅片管換熱器的計(jì)算結(jié)果，認(rèn)為選用內(nèi)展翅片管換熱器在技術(shù)指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)上都是有利的。關(guān)鍵詞：換熱器+內(nèi)展翅片管；結(jié)構(gòu)；氣液熱交換；給熱系數(shù)+管程；計(jì)算；分析1概述如何增強(qiáng)換熱器的換熱性能、提高傳熱系數(shù)，是換熱器技術(shù)進(jìn)步的主要研究方向。目前廣泛應(yīng)用的換熱器主要有管殼式

2、、螺旋板式、板式和肋片（外翅）式等幾種。在這些換熱設(shè)備中，熱量由高溫流體傳給低溫流體過(guò)程的主要阻力（熱阻）來(lái)自以下幾方面：兩側(cè)介質(zhì)與換熱管內(nèi)、外壁之間的對(duì)流換熱熱阻，管壁本身的熱阻以及兩側(cè)介質(zhì)的污垢熱阻。換熱器一般都采用金屬薄壁作為換熱面，由于其熱阻非常小，對(duì)強(qiáng)化換熱的潛力不大。因此，強(qiáng)化換熱器換熱性能主要應(yīng)強(qiáng)化兩側(cè)介質(zhì)與換熱管內(nèi)、外壁之間的對(duì)流給熱系數(shù)。如果不考慮介質(zhì)的污垢熱阻，忽略管壁熱阻，則傳熱系數(shù)可以寫成下列形式：K= 1/( 1/1+1/2)= 12/(1+2)。由此可以看出，K值必定小于1或2的值，且比兩者中較小的一個(gè)還要小。所以在增強(qiáng)傳熱的時(shí)候，必須增大給熱系數(shù)中較小的一項(xiàng)（即減

3、少最大熱阻）才能有效地增大傳熱系數(shù)。在通常的工況中，一些換熱介質(zhì)之間的給熱系數(shù)相差較大，特別是氣（汽）一液換熱器中，一般氣（汽）體的對(duì)流給熱系數(shù)在1070 W/(K)，而液體（以水為例）一般可以達(dá)到48008000 W/( K)，兩者相差上百倍。在常規(guī)的換熱器（如管殼式、螺旋板式等）內(nèi)，換熱壁兩側(cè)面積基本相等，這樣就造成兩側(cè)熱交換介質(zhì)因給熱系數(shù)不同而導(dǎo)致熱交換不平衡，使總傳熱系數(shù)低，換熱效果不佳。為了解決這一問(wèn)題，通常采用的辦法是加大換熱面積，這使得換熱器的體積過(guò)于龐大，同時(shí)對(duì)于給熱系數(shù)大的一側(cè)來(lái)講也是一種換熱面積的浪費(fèi)。針對(duì)這種換熱不平衡的現(xiàn)象，采用翅片管才是理想的選擇。隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，

4、要求換熱器逐步向高溫、高壓、大容量的方向發(fā)展，這就給換熱設(shè)備提出了新的課題。讓高溫、高壓介質(zhì)走管程，可以節(jié)省換熱器殼體的投資，但管內(nèi)的流體給熱系數(shù)低，要求的傳熱面積大，故換熱設(shè)備的體積也大。工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程迫切需要有一種管內(nèi)給熱系數(shù)高的新型換熱器來(lái)解決上述矛盾，滿足氣液換熱過(guò)程氣體走管程的要求。內(nèi)展翅片換熱管是20世紀(jì)末在國(guó)內(nèi)出現(xiàn)的一種新型高效換熱管，它在國(guó)外已有20余年的應(yīng)用報(bào)道。內(nèi)展翅片換熱管是相對(duì)常規(guī)的外展翅片換熱管而言的，其特點(diǎn)是在換熱管內(nèi)部增設(shè)翅片，用管芯消除“換熱死區(qū)”，以增強(qiáng)換熱管內(nèi)部的對(duì)流換熱。內(nèi)展翅片換熱管具有強(qiáng)化效果好，翅片傳熱效率高，設(shè)計(jì)、加工、制造容易，同時(shí)不會(huì)產(chǎn)生大的壓力

5、損失等特點(diǎn)，是一種較新型的換熱管。2 內(nèi)展翅片管換熱器結(jié)構(gòu)內(nèi)展翅片管換熱器采用內(nèi)展翅片管取代管殼式換熱器中的換熱光管，管板及折流板等在結(jié)構(gòu)和布置上與管殼式換熱器相同。內(nèi)展翅片管的結(jié)構(gòu)如圖1示意，主要由三部分構(gòu)成。1、換熱管采用的換熱管規(guī)格可為32 mm、34 mm、35mm，依據(jù)承受介質(zhì)的壓力、溫度，選取不同厚度的換熱管。2、管芯由于換熱翅片向換熱管中心集中，為減少高肋翅片肋根效應(yīng)的影響，消除在換熱管的中心軸區(qū)域形成的換熱死區(qū)，特設(shè)置管芯，它還可對(duì)換熱翅片起到支撐作用。其規(guī)格為13 mm。3、翅片每根換熱管內(nèi)由32個(gè)翅片（沿管殼軸向延伸，為一整體，厚0. 150.20 mm）與管壁內(nèi)表面及管芯

6、外表面形成32個(gè)獨(dú)立的小的介質(zhì)通道，其翅化系數(shù)為7.4。根據(jù)選用工況不同，換熱管翅化效率在86%98%。通過(guò)液壓機(jī)械裝配成的內(nèi)展翅片管，其翅片存在一定的彈性變形，使翅片與管內(nèi)壁、管芯外壁總是緊密接觸，接觸熱阻極小。同時(shí)也避免了翅片焊接易變形，焊接工作量大、質(zhì)量難保證等缺陷。這是區(qū)別其他形式內(nèi)翅片管的顯著特點(diǎn)之一。內(nèi)展翅片管根據(jù)工作壓力和工作溫度選用不同壁厚的換熱管，根據(jù)介質(zhì)的特性選擇不同的材質(zhì)。通常為了減小接觸熱阻，主要材質(zhì)有碳鋼、銅、不銹鋼、鈦等。翅片材料不采用碳鋼，通常情況下選用不銹鋼（或合金）。3 內(nèi)展翅片管換熱器的設(shè)計(jì)計(jì)算方法內(nèi)展翅片管換熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與強(qiáng)度計(jì)算可按GB 151 -19

7、99管殼式換熱器及GB 150 - 1998鋼制壓力容器等標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范執(zhí)行。內(nèi)展翅片管換熱器殼程側(cè)的熱力計(jì)算與管殼式換熱器相同。管內(nèi)的內(nèi)展翅片有別于傳統(tǒng)的環(huán)肋翅片，為軸向通長(zhǎng)的。流體進(jìn)入內(nèi)展翅片換熱管后分為32個(gè)小的換熱通道。計(jì)算時(shí)，32 mm的內(nèi)展翅片管翅片通道的當(dāng)量直徑d。按水力學(xué)定義計(jì)算均為4 mm，它們的流道面積相當(dāng)于內(nèi)徑d：=25 mm的傳熱管（光管）的截面積，并按此計(jì)算管內(nèi)流速。對(duì)于內(nèi)展翅片的熱絕緣系數(shù)，由于其數(shù)值很小，可簡(jiǎn)單地疊加在換熱管管壁的熱絕緣系數(shù)R上。因此，其熱力計(jì)算可按經(jīng)典公式分步計(jì)算或按程序計(jì)算。3.1程序計(jì)算熱力計(jì)算程序可用通常的計(jì)算程序，如英國(guó)傳熱傳質(zhì)會(huì)的換熱器計(jì)算

8、程序。計(jì)算時(shí)刻可首先按32 mm的光管計(jì)算出管程的給熱系數(shù)i及壓力損失Pi，然后對(duì)其進(jìn)行修正，計(jì)算內(nèi)展翅片管的給熱系數(shù)i及壓力損失Pi。1、 氣體冷卻或加熱N=0.8時(shí)，i=（do/do）n-1（di/di）2nii=2i （1）n=0.8時(shí)，pi（di/di）-4（do/do）Pipi=15.5pi （2）2、氣體冷凝（1）當(dāng)換熱器為立式布置時(shí)，可認(rèn)為i=i（2）當(dāng)換熱器為臥式布置時(shí)，可近似認(rèn)為i=（do/do）n-1（di/di）-2ndii=4.2i（n=1/3，Re,50000）i=2.0i(n=0.8,Re50000 (3)3、總傳熱系數(shù)計(jì)算總傳熱系數(shù)系數(shù)K是利用修正后的i，應(yīng)用經(jīng)典

9、傳熱學(xué)的換熱器總傳熱系數(shù)計(jì)算公式計(jì)算的： (4)3.2分步計(jì)算若沒有計(jì)算程序也可用經(jīng)典的有關(guān)換熱器的計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算時(shí)用翅片通道的當(dāng)量直徑d。，依次計(jì)算其ai、pi及總傳熱系數(shù)K。污垢熱絕緣系數(shù)可參照GB 151 -1999選取。4在環(huán)己酮裝置中的應(yīng)用在南化60 kt/a環(huán)己酮裝置中，涉及汽一液相熱交換的設(shè)備較多，現(xiàn)以烷三塔塔頂?shù)?臺(tái)(E1、E2)換熱器（冷凝）為例，其工藝流程見圖2。烷三塔塔頂氣相進(jìn)入E1換熱器，冷凝后進(jìn)入E2換熱器進(jìn)一步冷凝，不凝性氣體排出后再進(jìn)入壓縮機(jī)循環(huán)。冷卻介質(zhì)為循環(huán)冷卻水，先進(jìn)入E2換熱器，再由El換熱器返回循環(huán)水系統(tǒng)。E1換熱器的材質(zhì)設(shè)計(jì)全為304不銹鋼，E

10、2換熱器為碳鋼；由管殼式換熱器改型為內(nèi)展翅片管換熱器時(shí)，除E2換熱器內(nèi)展翅片為304不銹鋼外，其他材質(zhì)不變。換熱管選用32 mm x2.5 mm，管芯為13 mm x2.0mm，翅片選用厚0.18姍的304不銹鋼板壓制。E1、E2換熱器選用管殼式換熱器與內(nèi)展翅片管換熱器的計(jì)算結(jié)果見表1。由表1可見，這2臺(tái)換熱器若采用內(nèi)展翅片管換熱器，其設(shè)備費(fèi)比管殼式換熱器節(jié)省64萬(wàn)元。圖 2 烷三塔塔頂換熱流程示意圖表1 兩種換熱器的計(jì)算結(jié)果項(xiàng)目名稱換熱器E1內(nèi)展翅片管管殼式氣體處理量/kgh-11587615876氣體入口溫度/88.088.0氣體出口溫度/64.568.0冷卻水入口溫度/34.033.6冷

11、卻水出口溫度/43.242.0總傳熱系數(shù)/Wm-2K-11810.0532.0換熱面積/532.01200.0換熱管有效長(zhǎng)度/mm40006000換熱器外形尺寸/mm1700x40002200x6000設(shè)備費(fèi)/萬(wàn)元175230項(xiàng)目名稱換熱器E2內(nèi)展翅片管內(nèi)展翅片管氣體處理量/kgh-11287312873氣體入口溫度/64.568.0氣體出口溫度/40.545.0冷卻水入口溫度/33.033.0冷卻水出口溫度/34.033.6總傳熱系數(shù)/Wm-2K-1475.7112.0換熱面積（光管計(jì)）/523.0708.6換熱管有效長(zhǎng)度/mm40006000換熱器外形尺寸/mm1200x40001600x

12、6000設(shè)備費(fèi)/萬(wàn)元26355結(jié)論1、內(nèi)展翅片管換熱器外形尺寸小，占用空間小，易于布置、安裝，土建基礎(chǔ)及框架尺寸可相應(yīng)縮小，有利于壓縮投資。2、高溫高壓氣體走管程，讓換熱管來(lái)承受高溫高壓，使殼體設(shè)計(jì)的壓力等級(jí)大大降低，有利于進(jìn)一步降低成本。 3、內(nèi)展翅片管換熱器出口的工藝氣體溫度降低，冷卻水溫度相應(yīng)升高。如要保持原參數(shù)不變，可減少冷卻水量或增加調(diào)節(jié)副線管來(lái)實(shí)現(xiàn)。通常情況下，為了降低能耗，都采取減少冷卻水量的方法，能耗降低可達(dá)20%以上，是降低裝置運(yùn)行成本的有效方法。4、循環(huán)冷卻水走殼程，其結(jié)垢的清洗周期短；走管程則結(jié)垢的清洗周期長(zhǎng)。這就是說(shuō)，采用內(nèi)展翅片管換熱器循環(huán)冷卻水結(jié)垢的清洗次數(shù)，比通常

13、選用管殼式換熱器的結(jié)垢清洗次數(shù)多（循環(huán)冷卻水前者走殼程，后者走管程），一般要多35倍。由于清洗殼程的結(jié)垢要比清洗管程的困難（清洗管程結(jié)垢用刷子人工刷，通洗即可），清洗殼程結(jié)垢都請(qǐng)專業(yè)的清洗公司來(lái)完成，每次清洗的費(fèi)用相對(duì)較高，這是內(nèi)展翅片管換熱器的欠缺之處。由于內(nèi)展翅片管換熱器殼程的清洗周期一般在兩年半以上，比系統(tǒng)的大修周期長(zhǎng)，其清洗可與大修同步進(jìn)行，不會(huì)因清洗結(jié)垢而影響工廠連續(xù)生產(chǎn)。盡管清洗費(fèi)用相對(duì)較高，但綜合考慮設(shè)備投資和運(yùn)行成本，其影響是很小的，可以忽略不計(jì)。綜上所述，把環(huán)己酮烷三塔塔頂?shù)腅l、E2換熱器選型為內(nèi)展翅片管換熱器在技術(shù)上和經(jīng)濟(jì)上都是可行的。符號(hào)說(shuō)明do2內(nèi)展翅片管中換熱管的外徑，m；di內(nèi)展翅片管中換熱管的內(nèi)徑，m；di與內(nèi)展翅片管流道面積相當(dāng)?shù)膿Q熱管（光管）內(nèi)徑，m；do內(nèi)展翅片管中翅片通道的當(dāng)量直徑，m；do與內(nèi)展翅片管翅片通道當(dāng)量直徑相等的換熱管（光管）當(dāng)量直徑，m；K總傳熱系數(shù)，W