在所有的换热单元中,管壳式换热器以设计、制造的优势广泛应用于工业生产中,据估计,管壳式换热器在我国换热器总产量中约占80%。迄今为止已经开发了多种类型的高效管壳式换热器,如螺旋折流板换热器、螺纹管换热器、波纹管换热器、螺旋波纹管换热器等。缠绕管式换热器作为一种特殊结构的管壳式换热器,具有同时进行多种介质的传热结构紧凑、单位容积具有较大的传热面积、无热膨胀问题且在小温差大负荷工况下具有良好的传热性能的特点。笔者结合十多年的设计制造经验,通过工业应用实例,阐述了目前在炼厂加氢、气分、天然气气化、低温甲醇洗装置等广泛应用的缠绕管式换热器的高效节能技术。

缠绕管式换热器的高效性能

在设计和选择换热器时,首先必须确定对换热器起决定作用的冷热流体温度差。一般来讲,对同等的换热量,温度差越大,相应所需的换热器面积越小。从这一点上看,似乎是换热器的温度差越大越好。但是从热力学的观点来看,热转变过程本身是不可逆的。热源和受热体的温度差越大,热量的有用能的损失也越大。缠绕管式换热器有效地实现了在强化传热的同时,使冷热流体充分换热,尽量减小了有用能的损失。

缠绕管式换热器层与层之间换热管反向缠绕,这种特殊结构极大地改变了流体流动状态,形成强烈的湍流效果;由于管内螺旋流动的强化作用,使得管程的传热膜系数也得到增加;同时垫条等部件对壳程的流动不断扰动,三个方面的共同作用,使得缠绕管式换热器的传热性能得以显著提高。对于一般结构的气-气换热设备,其传热系数值约为75~365W/(m2·K),但对于缠绕管式换热器,某些特定条件下,总传热系数可以达到500W/(m2·K)以上。另外,通过层数和间距的合理调整,冷热流体对管壳程的选择不明显。以原料气换热器为例,管程走冷流体和管程走热流体的总传热系数相差仅为2%。

与普通管壳式换热器的比较

缠绕管式换热器结构紧凑主要体现在单位容积具有较大的传热面积。对管径为8~21mm的传热管的传热面积可达100~170m2/m3;而普通管壳式换热器的传热面积只有54~77m2/m3,是缠绕管式换热器的45%左右。普通的管壳式换热器折流板起着改变流体流动方向和支撑管的作用。传统弓形折流板换热器中,壳侧流体成弯曲的Z字形流动,但这种折流板的布置形式存在一些问题:

(1)沿程压力降大,易产生流动滞止死区;

(2)旁流和漏流降低了有效横掠管束的质量流速;

(3)高的流体流速诱导换热管的振动,缩短了换热器的寿命。

因此,许多研究致力于改变传统的折流板结构的形式。

据调查,90%以上的普通管壳式换热器都存在不同程度的结垢问题,造成传热性能变差,传热效率下降,其下降幅度平均可达30%以上。除直接造成能量损失外,还会导致生产装置运行负荷降低,影响成套装置的生产能力。另外,设备结垢还会引起流体流动阻力增加,从而带来装置动力消耗的增加。周期性的停车清洗,也增加了装置的运行成本。对于缠绕管式换热器,管内流体以螺旋方式通过,降低了壁面附着的可能性以及结垢倾向。壳程流体逆流横向交叉通过绕管,在相邻管之间、层与层之间不断地分离和汇合,使壳体流体的湍流度加强,相同流速下也减少了沉积的几率。对于适宜的流体(一般指不含颗粒及纤维流体),缠绕管式换热器管壳程都表现出良好的抗垢性,保证了设备的长周期、高负荷运行。

缠绕管式换热器的节能分析与工业应用实例缠绕管式换热器的节能性能表现在以下几方面:

(1)设备占地少;

(2)重量轻、金属耗材少;

(3)冷热端差小、(冷)热能得到充分利用、系统得到优化;

(4)设备具备长周期运行的条件。

镇海炼化检修安装公司和合肥通用机械研究院联合开发的缠绕管式换热器,十年来不断地在各领域的工业中得到应用,已在实际工程中验证了其高效节能的特性。

甲烷化装置的应用

镇海炼化和乌鲁木齐石化公司化肥厂甲烷化制氢工程中,以气-气换热器为例,来自甲醇洗工号(4115)压力为7.33MPa、温度为20℃、CO+CO2含量约为0.8%的原料气在气-气换热器中与反应后温度为340℃的工艺气进行换热、充分利用其热量,使之升到催化剂的活性温度280~350℃范围内,进入R1甲烷化炉脱硫层,脱去微量的H2S后入甲烷化炉催化剂层进行甲烷化反应,使CO+CO2含量降至40mg/m3以下。