螺旋管式換熱器應(yīng)用及發(fā)展趨勢

螺旋繞管式換熱器的應(yīng)用及其發(fā)展趨勢總的來說，螺旋繞管式換熱器因其具有特殊的管形，獨(dú)特的結(jié)構(gòu)以及對制造選材范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，故被應(yīng)用于下列情形：需實(shí)現(xiàn)不同管殼程介質(zhì)之間傳熱的情形；以小溫差傳遞大熱量的情形；低溫、高壓的操作條件。除此之外，對那些工作環(huán)境嚴(yán)苛、腐蝕介質(zhì)需采用特殊材質(zhì)的大型工業(yè)裝置以及對流道的順暢度要求不高的場合，螺旋繞管式換熱器也能發(fā)揮出理想的效用。從當(dāng)前的應(yīng)用效果來看，螺旋繞管式換熱器不失為一種切實(shí)多用途的設(shè)備，在低溫等多種工況下均可以體現(xiàn)出它的優(yōu)勢。雖然它的應(yīng)用可回溯到上個(gè)世紀(jì)初期，但從目前來看，該換熱器仍然是化工生產(chǎn)中一種重要的設(shè)備。螺旋繞管式換熱器是一種能實(shí)現(xiàn)溫度自動(dòng)補(bǔ)償?shù)母咝Q熱器，能在較高壓力下運(yùn)行，設(shè)備運(yùn)行時(shí)單位熱負(fù)荷小，并且設(shè)備運(yùn)行后結(jié)垢較少。因此，這種換熱器特別適用于低溫氣體分離和深冷環(huán)境，如空分設(shè)備、稀有氣體分離裝置、氫液化裝置、低溫甲醇洗系統(tǒng)、臨氫系統(tǒng)。隨著新的設(shè)計(jì)理念的提出和加工技術(shù)的成熟，螺旋繞管式換熱器的應(yīng)用日益廣泛，可滿足不同的工況需求：

(1)螺旋繞管式換熱器的大型化

目前已經(jīng)開發(fā)出一批大型的螺旋繞管式換熱器，由于要滿足兩端封頭小等結(jié)構(gòu)形式上的工藝要求，制造換熱管所需管長達(dá)數(shù)百米。如德州石化投用一臺螺旋繞管式換熱器，該換熱器體型巨大，設(shè)計(jì)尺寸達(dá)到φ1600mm×20000mm，換熱面積約為類似普通管殼式換熱器換熱面積的 2 倍，可達(dá)到 20002m 。隨著生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大，螺旋繞管式換熱器等換熱設(shè)備的規(guī)格也要求向著大型化發(fā)展，而普通列管式換熱器卻由于管長限制難以滿足這種要求。

(2)螺旋繞管式換熱器的高溫化

目前大多應(yīng)用于深冷裝置中的螺旋繞管式換熱器的換熱效果都很好，但近年來該換熱器也開始在高溫場合發(fā)揮了效用。如合肥通用所等企業(yè)于2001年研發(fā)并最終投產(chǎn)的適用于高溫場合的螺旋繞管式換熱器, 該種設(shè)備的材質(zhì)為耐高溫的 Cr Mo 鋼。這種設(shè)備 2002 年在鎮(zhèn)海煉化正式投用，使用幾年后，該臺設(shè)備的質(zhì)量仍有保證，換熱性能依舊能達(dá)標(biāo)。因此只要在換熱介質(zhì)適合情況下，螺旋繞管式換熱器完全可以適用低溫到高溫個(gè)領(lǐng)域，這大大拓寬了應(yīng)用范圍，顯示出了極佳的性能優(yōu)勢。

(3)螺旋繞管式換熱器的高壓化

目前螺旋繞管式換熱器也被應(yīng)用在某些高壓的工況，如殼程壓力高達(dá) 15.0MPa、管程壓力低于 5.0MPa 的場合。因?yàn)槁菪@管式換熱器的結(jié)構(gòu)緊湊，體現(xiàn)為管板小,殼程大，兩端封頭小。這一特點(diǎn)克服了普通高壓換熱器的弊病。一般來講，在高壓工況下運(yùn)行的換熱器的換熱管需被制成 U 型，也可以將換熱器的管板與殼體的連接方式做成浮頭。當(dāng)設(shè)備工作壓強(qiáng)變大時(shí),不僅要通過增加殼體的厚度來耐壓，也要將設(shè)備連接處的法蘭強(qiáng)度提高。隨著裝置的大型化發(fā)展的推進(jìn)，高壓換熱器的規(guī)格也在變大， 這對它的制造生產(chǎn)來說會變得異常復(fù)雜。如加氫裂化中應(yīng)用的鎖緊環(huán)式高壓換熱器，管程工作壓力需達(dá)到 14.5MPa,殼程工作壓力需達(dá)到 18.5MPa，若達(dá)到這種工況要求，則換熱器的直徑會達(dá)到 1.4-1.8m，管箱重量也會達(dá)到 45t。這樣的規(guī)格加大了制造的難度，若改變換熱器管束與管板連接形式為浮頭，卻又難以保證換熱器的密封要求。在滿足工作要求的情況下，使用螺旋繞管式換熱器來代替這些高壓換熱器，它的制造會相對簡單。若要增大換熱面積則可增加管子長度，而連接法蘭的厚度會因?yàn)閮啥说男」馨遄儽?。目前對螺旋繞管式換熱器的研究受到更多科研單位的重視，試圖用它逐步取代煉油行業(yè)中加氫裂化裝置和重整裝置常用的一些高壓換熱器。

(4)螺旋繞管式換熱器的多股化在螺旋繞管式換熱器的應(yīng)用中，可通過一臺換熱器工作便可達(dá)到一種殼程介質(zhì)跟兩到三種介質(zhì)同時(shí)換熱的目的。這種換熱器不僅完成了多股流體間的換熱,其換熱效率和換熱空間也得到大幅提升，這是其他換熱器無法相比的。從當(dāng)前發(fā)展來看,國內(nèi)對于能用在多種介質(zhì)換熱場合的換熱器的研究已日趨成熟,如巴陵石化的多股流換熱器已投入應(yīng)用。

(5)螺旋繞管式換熱器的微型化

螺旋繞管式換熱器在大型化設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用的同時(shí),也在一些普通的換熱器難以達(dá)到工作要求的空間受限的場所發(fā)揮出作用,顯示出向微型化發(fā)展的趨勢。如在某軍工廠生產(chǎn)中,螺旋繞管式換熱器在有限的生產(chǎn)空間內(nèi)也發(fā)揮出了極佳的換熱效能。

螺旋管式換熱器與管殼式換熱器相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)：

(1)當(dāng)流量小或者所需傳熱面積小的時(shí)候適用；

(2)因螺旋管中的滯流傳熱系數(shù)大于直管的，所以可用于高粘流體的加熱或冷卻；

(3)螺旋管式換熱器中的流動(dòng)可認(rèn)為是逆流流動(dòng)；

(4)因傳熱管呈蛇形盤管狀，具有彈簧作用，所以沒有熱應(yīng)力造成的破壞漏失；

(5)緊湊，安裝容易。

缺點(diǎn)：

(1)當(dāng)傳熱管與人口管和出口管連接處產(chǎn)生漏失時(shí)，修理困難；

(2)用機(jī)械方法清洗管內(nèi)側(cè)很困難(殼側(cè)可以用水噴嘴噴射清洗，而管內(nèi)側(cè)必須用化學(xué)處理清洗)；

(3)當(dāng)用不銹鋼管作傳熱管時(shí)，如果傳熱管長度大于某一限度，則為了保持殼側(cè)流道均勻，必須加隔板，從而使殼側(cè)流體壓力損失增大。

雖然螺旋管式換熱器的造價(jià)比同樣傳熱面積的管殼式換熱器高，可是，因?yàn)閭鳠嵯禂?shù)大，容易維修，所以被廣泛使用。

如圖《螺旋管式換熱器平面圖》所示，它是把許多傳熱管卷成同心螺旋狀，固定在蓋板和殼體底板之間構(gòu)成的。各傳熱管的兩端分別與一根入口管和一根出口管連接。傳熱管無間隙地重疊在一起，其上、下端分別與蓋板和殼底板固緊。傳熱管螺旋間距保持一定，為使殼側(cè)流道保持一定，應(yīng)在螺旋之間加隔板。

傳熱管可以用碳鋼、銅、銅合金、不銹鋼、鎳、鎳合金等材料制成。除光滑管外，還可以用低翅片管作傳熱管。殼體采用鑄鐵、青銅碳鋼或不銹鋼制造。傳熱管用焊接、釬焊等方法與入口管和出口管連接。

螺旋管式換熱器是在1895由德國林德公司研發(fā)出來，被用作一種空氣流化設(shè)備投入化工生產(chǎn)。在此基礎(chǔ)上，英國的漢普森研發(fā)出了蛇形管式的螺旋繞管式換熱器。林德型螺旋繞管式換熱器中的換熱管是兩根蛇形纏繞的同心管。在換熱過程中，高壓空氣（熱流體）走內(nèi)管，而低壓空氣（冷流體）則從內(nèi)外管之間的縫隙逆向通過。這種結(jié)構(gòu)雖然保證流體是逆流換熱，但由于兩流程中存在較多的氣流死區(qū)影響了換熱效果，從而總的傳熱效率還是很低。

漢普森型螺旋繞管式換熱器的制造是先將多根換熱管制成盤管，然后將管盤疊落在中心圓管上。管盤中的換熱管由內(nèi)向外呈螺旋纏繞。在換熱過程中，高壓的熱空氣從上向下通過螺旋狀的管程，而低壓冷空氣則由下往上通過殼程，兩股氣流在縱向是逆向流動(dòng)，同時(shí)兩股氣流在盤管內(nèi)橫向交叉通過。這樣的流道設(shè)計(jì)使換熱器同時(shí)具有了較高的橫向流傳熱系數(shù)和良好的逆流換熱效果，因此這種換熱器也被稱為橫向逆流換熱器。螺旋繞管式換熱器研發(fā)過程中，在換熱管的形式上也推陳出新，已開發(fā)出了許多形式各異的新型螺旋繞管式換熱器。如前蘇聯(lián)就開發(fā)設(shè)計(jì)出了變形翅片管螺旋繞管式冷凝蒸發(fā)器、非釬焊繞絲翅片管螺旋換熱器以及按統(tǒng)計(jì)學(xué)均等原理制得的螺旋繞管式換熱器等。我國的西安交通大學(xué)也推出了V形槽螺旋繞管式換熱器。

1、設(shè)備參數(shù)

蛇管數(shù)(N)3

螺旋間距0.058m

當(dāng)量直徑0.116m

蛇管外徑0.0483m

蛇管內(nèi)徑0.0431m

內(nèi)側(cè)蛇管螺旋直徑0.5469m

中間蛇管螺旋直徑0.6847m

外側(cè)蛇管螺旋直徑0.8008m

實(shí)際傳熱面積50m²

2、物流參數(shù)

(1)殼程

操作條件:

壓力(P)2.81MPa

入口溫度423℃

出口溫度333℃

中變氣流量36800kg/h

中變氣摩爾流量2545.16kmol/h

(2)管程

操作條件:

壓力3.45MPa

入口溫度40℃

出口溫度360℃

原料油流量7325kg/h

原料油摩爾流最96.525kmol/h