内展翅片管及其换热器的应用

摘要介绍了内展翅片管及其换热器的原理、结构、特点及其实验、应用情况,对内展翅片管换热器与普通光管及传统的外翅片管进行了比较,提出了针对特殊的气———液热交换场合使用内展翅片换热器的合理性。

0 前言

换热器在石油、化工、医药、冶金、电力、动力、制冷、热泵、食品等行业中占有举足轻重的地位。随着我国工业的不断发展,对能源的利用、开发和节约的要求不断提高,工业上的节能节水成为企业发展大计的一个重要组成部分,因此对换热器的要求也日益加强。如何增强换热器的换热性能,提高传热系数是换热器改革的主要研究方向。目前广泛应用的换热器主要有:列管式、螺旋板式、板式和肋片(外翅) 式等几种。在这些换热设备中,热量由高温流体传给低温流体过程中的主要阻力(热阻) 来自于以下几个方面:两侧介质与换热管内、外壁之间的对流换热热阻、管壁本身的热阻以及两侧介质的污垢热阻。一般换热器都采用金属薄壁作为换热面,由于管壁本身的热阻非常小,强化换热的潜力不大。这样强化换热器的换热性能主要就是要强化两侧介质与换热管内、外壁之间的对流换热系数。如果不考虑介质污垢系数,忽略管壁热阻,这时传热系数可以写成下列形式:

K = 1/ (1/α1 + 1/α2 ) = (α1 ·α2 ) / (α1 +α2 )

从上式可以看出K值必定小于α1 和α2 的值,而且它比二者中较小的一个还要小。所以在增强传热的时候,必须增大α中较小的一项(即减小最大热阻项) 才能有效地增大传热系数。

在通常使用的工况中,一些换热介质之间的换热系数相差较大, 特别是气(汽) —液换热器中, 一般气( 汽) 体的对流换热系数在10 -70W/ ( m2 ·℃) ,而液体(以水为例) 一般可以达到4800 —8000W/ ( m2 ·℃) , 二者相差上百倍,在常规换热器内(如列管式、螺旋板式等) 换热壁两侧面积基本相等,这样就造成换热面积相等,但两侧热交换介质换热系数不同从而导致热交换不平衡,使总传热系数低,热交换效果不佳,造成能源的浪费。

随着现代工业的发展,换热器逐步向着高温、高压、大容量的方向发展,这就给换热器的发展提出了新的挑战。让高温、高压介质走管程和管内流动换热系数低下的矛盾日益突出,这就迫切要求能有一种强化管内换热的新型换热器出现。

1 内展翅片换热管及换热器结构

内展翅片管换热器采用内展翅片换热管取代普通壳管式换热器中的换热光管,管板在布置结构上与光管换热器相同。其中内展翅片换热管主要由三部分构成:

(1) 管壳:管壳采用的是内径为<30 的普通换热管,常用规格有<32 、<34 、<35 ,依据承受压力的不同而选取不同规格的换热管。

(2) 管芯:由于换热翅片向换热管中心集中,同时由于高肋翅片肋根效应的影响,在换热管的中心处形成换热死区、管芯的作用即为消除换热死区的影响并对换热翅片起到支撑作用,其规格为<13 。

(3) 翅片:翅化系数为7. 4 ,由32 个翅片(沿管壳轴向延伸,为一整体,厚0. 15 —0. 2mm) 与管壳内表面及芯管外表面形成32 个独立的小的介质信道。通过液压机械装配成的内展翅片换热管其翅片存在一定的弹性变形,使翅片与管壳、管芯总是紧密接触。

2 应用

在炼油、化工、制药、制冷等许多行业中存在大量热交换两侧间介质的对流换热系数相差很大的情况,较小的流体通过走换热管内翅片侧,以强化其换热性能达到提高换热器总的传热系数的目的。

公司空气站压缩机后冷器原有配置列管式空气冷却器, 规格<1600 ×4800 , 空气冷却处理量420m3P分。通过使用内展翅片换热器进行改造,结果表明,该产品对气一液两种介质进行热交换效果特别突出,真正达到换热器的专业化配置。特点是设备体积小、减少占地面积、热效率高、节能节水。现有投入运行的内展翅片空气冷却器与原列管换热器的主要参数对比:

3 经济性能分析

设备改造的经济性主要分为设备的制造成本和设备的运行成本,在此以(1) 的设备改造为例进行分析。

应用内展翅片空气冷却器经济效益:

(1) 设备投资: 45 万元(空气处理量420m3 /min)

(2) 年减少耗水量:64t/ h ×24h ×360d = 552 ,960t

年节水量(综合补水量) :552 ,960t ×3. 5 % =19 ,354t

年节约金额:19 ,354t ×2. 7 元/ t = 52 ,255 元

(3) 年节电金额:552 ,960t ×0. 5 度/ t ×0. 51 元/ 度= 141 ,005 元

(4) 总计年节约资金为:141 ,005 元+ 52 ,255元= 193 ,260 元

4 结论———气液热交换专用设备

①换热效率人大提高,节能、节水效果显著

由于在换热管内装有波纹型内展翅片,使表面传热系数较低的一侧换热面积增大(管内翅化比高达7. 4) ,增加了总的传热系数,提高了传热效率,解决了因两种流体换热系数不同而产生的热交换不平衡这一基本问题。

②能够承受高温高压,阻力降较低

在内展翅片换热器中,翅片在换热系数较低的一侧,即让冷却水走壳程,高温高压的气(汽) 体走管程,让换热管来承受高温高压,可以降低换热器压力容器的管理等级和制造成本,同时波纹型翅片纵向置入管内,气体流动阻力小。

③换热器体积小、占地面积小

内展翅片换热器通过在换热管内加翅片增加换热面积,在增强换热的同时减少光管换热面积,使得整台设备体积大大减少,一般相对于常规换热器体积要小50 % —75 % ,占地面积一般为常规换热器的25 % - 50 %。

④投资省,回报期短

内展翅片换热器体积小,设备制造所需要的材料少,尽管技术含量较高、工艺和制造复杂,设备总体价格相对于同等处理量、相同材质的常规换热器要低。由于内翅片换热效率高,且节能、节水、节电效果显著,设备投资回报短。

⑤降低用户的维护成本

我们知道水垢的形成与水的流动情况有很大的关系,一般来讲,冷却水走壳程时,由于水的不断折流扰动,使得水垢很难形成,相对于冷却水走管程,冷却水走壳程时水垢的形成周期要慢2 —5个周期,加上让高压气体走管程,由于管程介质的高温高压,流速较大,污垢系数较小,这样就使得换热器的清洗周期大大加长,使用户的维护成本降低。