換熱器的技術(shù)進(jìn)展與工程應(yīng)用

換熱器的技術(shù)進(jìn)展及工業(yè)應(yīng)用孫國剛中國石油大學(xué)（北京）過程裝備實驗室

換熱器的技術(shù)進(jìn)展永遠(yuǎn)圍繞這兩個主題：尋求節(jié)能高效的新途徑高可靠性帶來的長周期運行

集中體現(xiàn)的幾個方面管殼式換熱器的大型化大型高效換熱器的研制高效傳熱元件的研究節(jié)能與可靠性研究的結(jié)合大型乙烯、PTA裝置換熱器的研制大型板殼式換熱器大型纏繞管式換熱器大型板翅式換熱器更注重于簡單適用殼程預(yù)防振動各種縱流結(jié)構(gòu)及其與高效傳熱元件的結(jié)合換熱器的自清潔技術(shù)與流動強化技術(shù)的結(jié)合換熱器的結(jié)垢預(yù)防技術(shù)案例：乙烯裂解爐的節(jié)能技術(shù)裂解爐現(xiàn)場采用扭曲片管強化傳熱的爐管強化傳熱的機理國內(nèi)外的現(xiàn)狀乙烯裂解爐節(jié)能技術(shù)可能產(chǎn)生的效益

該技術(shù)在中石化系統(tǒng)乙烯裂解爐中進(jìn)行了十余年的工業(yè)試驗和推廣應(yīng)用。如在中石化系統(tǒng)全面推廣該技術(shù)，可獲得如下經(jīng)濟(jì)效益：（1）提高乙烯生產(chǎn)能力7%以上，每年可多產(chǎn)70萬噸乙烯，創(chuàng)純利20億元。而要建一座70萬噸乙烯裂解裝置，投資超過百億元。（2）提高乙烯收率0.6%以上，每年可節(jié)約原料油17萬噸，價值十多億元。（3）降低爐管外壁溫度20~50℃，大幅度延長了爐管使用壽命，減少了大修次數(shù)，可節(jié)約維修成本數(shù)億元。（4）明顯減少裂解爐管結(jié)焦傾向，延長二次燒焦的時間間隔，減少燒焦費用上億元。

國家質(zhì)檢總局特種設(shè)備安全監(jiān)察局

特種設(shè)備節(jié)能工作小組

換熱壓力容器（以下簡稱換熱器）是壓力容器的一種。在工業(yè)生產(chǎn)裝置中，主要用來實現(xiàn)過程能量轉(zhuǎn)化和熱量回收，是使系統(tǒng)達(dá)到平衡、合理、節(jié)能目的的設(shè)備，目前在工業(yè)領(lǐng)域尤其是耗能大的行業(yè)中大量應(yīng)用。目前各種形式的換熱器在煉油化工裝置全部工藝設(shè)備總投資中約占30%~40%，如果我國換熱器的換熱效率再提高10%左右，那么，多回收的熱量大約相當(dāng)于2000億元。

國家質(zhì)檢總局特種設(shè)備安全監(jiān)察局

特種設(shè)備節(jié)能工作小組我國目前在用壓力容器為160.9萬臺，其中換熱器為56萬臺，而石油、化工、冶金、電力4大行業(yè)在用換熱器就達(dá)20萬臺左右，年回收熱量（主要是二次能源）折合標(biāo)準(zhǔn)煤約5.7億噸。目前我國在用換熱器的換熱效率一般僅在60％至70％，而高效換熱器的換熱效率可達(dá)80％~85％，但目前此類高效設(shè)備在我國僅占5％左右。如果3年內(nèi)將上述4大行業(yè)中50％的換熱器逐步更新為高效換熱器，則每年可多回收熱量折合標(biāo)準(zhǔn)煤約3000萬噸以上。

換熱器的節(jié)能技術(shù)采用各種管式強化傳熱元件，主要包括對各種換熱管進(jìn)行的技術(shù)創(chuàng)新，以異型傳熱管為主；采用薄壁傳熱面，主要是以板片為傳熱面的換熱器，包括了板式換熱器、板翅式換熱器、板殼式換熱器；結(jié)構(gòu)本身帶來的強化作用，如纏繞管式換熱器、螺旋板式換熱器主要是破壞邊界層、破壞液膜、增加汽化核心減少導(dǎo)熱熱阻、破壞邊界層、實現(xiàn)低雷諾數(shù)下的湍流螺旋流動二次離心強化、殼程的劇烈摻混、螺旋通道的自清潔各種強化傳熱管的形式高效蒸發(fā)管的試驗情況各種強化傳熱元件的采用這種管型的強化作用是在管外。對介質(zhì)的強化作用一方面體現(xiàn)在螺紋翅片增加了換熱面積；另一方面是由于殼程介質(zhì)流經(jīng)螺紋管表面時，表面螺紋翅片對層流邊層產(chǎn)生分割作用，減薄了邊界層的厚度。而且表面形成的湍流也較光管強，進(jìn)一步減薄邊界層厚度。綜合作用的結(jié)果，使該管型具有較高的換熱能力。當(dāng)這種管型用于蒸發(fā)時，可以增加單位表面上氣泡形成的數(shù)量，提高沸騰傳熱能力；當(dāng)用于冷凝時，螺紋翅片十分有利于管下端冷凝液的滴落，使液膜減薄，熱阻減少，提高冷凝傳熱效率。低翅螺紋管

螺旋槽管，就是普通換熱管經(jīng)軋制或用其它加工方法在其內(nèi)外表面形成螺旋槽道的一種高效換熱管形。流體在管內(nèi)流動時受螺旋槽紋的引導(dǎo)，靠近壁面的部分流體順槽旋轉(zhuǎn)；另一部分流體順壁面沿軸向流動時，螺旋形的凸起也使流體產(chǎn)生周期性的擾動。前一種作用有利于減薄流體邊界層；后一種作用引起邊界層中流體質(zhì)的擾動，因而可以加快壁面至流體主體的熱量傳遞。兩種作用綜合作用的結(jié)果，使管內(nèi)換熱效果得到加強。管外的強化傳熱主要體現(xiàn)在冷凝過程，當(dāng)殼程有冷凝相變時，螺旋槽成為排泄凝液的通道，可使凹槽兩邊的冷凝液膜減薄，從而減少熱阻，提高冷凝給熱系數(shù)。特點⑴管內(nèi)管外可同時強化傳熱。⑵加工成本低⑶適用面廣。對管內(nèi)外介質(zhì)的蒸發(fā)、冷凝、氣態(tài)流傳熱、液態(tài)流傳熱均有強化作用；適用范圍適用于管外冷凝、管內(nèi)為液態(tài)流或氣態(tài)流的換熱場合

T型翅片管是由光管經(jīng)過滾軋加工成型的一種高效換熱管。其結(jié)構(gòu)特點是在管外表面形成一系列螺旋環(huán)狀T型隧道。管外介質(zhì)受熱時在隧道中形成一系列的氣泡核，由于在隧道腔內(nèi)處于四周受熱狀態(tài)，氣泡核迅速膨大充滿內(nèi)腔，持續(xù)受熱使氣泡內(nèi)壓力快速增大，促使氣泡從管表面細(xì)縫中急速噴出。氣泡噴出時帶有較大的沖刷力量，并產(chǎn)生一定的局部負(fù)壓，使周圍較低溫度液體涌入T型隧道，形成持續(xù)不斷的沸騰。這種沸騰方式在單位時間內(nèi)，單位表面積上帶走的熱量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于光管，因而這種管型具有較高的沸騰傳熱能力。

*傳熱效果好。在R113工質(zhì)中T管的沸騰給熱系數(shù)比光管高1.6-3.3倍。

*常規(guī)的光管換熱器，只有當(dāng)熱介質(zhì)的溫度高于冷介質(zhì)的沸點或泡點12℃-15℃時，冷介質(zhì)才會起泡沸騰。而T型翅片管換熱器只需2℃-4℃的溫差，冷介質(zhì)就可沸騰，且鼓泡細(xì)密、連續(xù)、快速，形成了與光管相比的獨特優(yōu)勢。

*以氟利昂11為介質(zhì)的單管實驗表明，T型管沸騰給熱系數(shù)可達(dá)光管的10倍；以液氨為介質(zhì)的小管束實驗結(jié)果，總傳熱系數(shù)為光管的2.2倍C3、C4烴類分離塔的再沸器工業(yè)標(biāo)定表明，低負(fù)荷時，T型管總傳熱系數(shù)比光滑管高50%，大負(fù)荷時高99%。

*較鋁多孔表面?zhèn)鳠峁艿膬r格便宜。

*由于隧道內(nèi)部的氣液擾動非常激烈以及氣體沿T縫高速噴出，因而無論是T型槽內(nèi)部還是管外表面，都不易結(jié)垢，這一點保證了設(shè)備能長期使用而傳熱效果不會受到結(jié)垢的影響。

只要殼側(cè)介質(zhì)比較干凈、無固體顆粒、無膠質(zhì)，均可采用T型翅片管作換熱元件，形成T型翅片管式高效換熱器，以提高殼側(cè)沸騰傳熱效果。空心環(huán)支撐的菱形翅片管

空心環(huán)支撐菱形翅片管換熱器是以菱形翅片管為傳熱元件，折流板采用空心環(huán)式支撐結(jié)構(gòu)形成的一種新型高效換熱器。該換熱器的菱形翅片管為帶有周向非連續(xù)三維翅片的高效傳熱管，其傳熱強化性能優(yōu)于帶周向連續(xù)翅片的螺紋翅片管。當(dāng)用于冷凝強化傳熱時，由于其三維翅片的特殊結(jié)構(gòu)造成翅片表面液膜的表面張力分布不均――根部大，頂部小，液膜被拉向根部，使三維翅片表面的液膜厚度大幅度的減薄，熱阻減小，使汽態(tài)介質(zhì)和管外壁的換熱能力增強，從而提高換熱效果。當(dāng)用于對流傳熱強化時，由于其翅片的非連續(xù)性，可對流體傳熱邊界層產(chǎn)生周期性的破壞，使翅片表面?zhèn)鳠徇吔鐚雍穸扔行p薄，降低邊界滯留底層的傳熱阻力，提高換熱效果。另外，該換熱器的折流板可采用空心環(huán)作為支撐元件?？招沫h(huán)管支撐方式將支撐板的管橋變成殼程介質(zhì)的流通通道，變普通的橫向折流為縱向流，這種流動方式流體的形體阻力非常小，可使絕大部分流體的壓降作用在強化傳熱管的粗糙傳熱界面上，用于促進(jìn)界面上的對流傳熱，可充分發(fā)揮強化管的傳熱強化作用，及有效地避免了各類殼程支撐物對流體形體阻力的不利影響，在低流阻條件下獲得高的傳熱性能。

1、較光滑管比，其表面膜傳熱系數(shù)或?qū)α髂鳠嵯禂?shù)提高1-3倍；2、用空心環(huán)作為支撐，可大大降低殼程的流阻；3、造價一般不超過完成同樣熱負(fù)荷的光管換熱器。尤其在擴(kuò)產(chǎn)改造中，往往只須更換管束便可滿足處理量增加20-30%的新工況，設(shè)備基礎(chǔ)、配管均無須改動。4、消除了橫向折流的死區(qū)，減少積垢，提高了使用壽命；5、殼程介質(zhì)縱向流動，減少了管子振動，有效地降低了因管束振動引起的換熱管早期破壞；縮放管

空心環(huán)支撐縮放管換熱器是以縮放管為傳熱元件，折流板采用空心環(huán)式支撐結(jié)構(gòu)形成的一種新型高效換熱器。該換熱器的縮放管經(jīng)軋制而成,軋制后在管的軸向形成了有規(guī)律的擴(kuò)張段和收縮段。與光滑管相比，在軸向流場方向，流體局部（縮段或放段）的流速和壓力形成周期性變化，使橫向湍動增強，因而可以在較小的Re數(shù)下進(jìn)入湍流狀態(tài)（湍流狀態(tài)下，同一介質(zhì)間的熱交換能力增強，介質(zhì)均溫性增加，換熱管兩側(cè)表面介質(zhì)溫差加大，使換熱速度加快）；另外，在每一波節(jié)的轉(zhuǎn)換處，由于流體速度和方向發(fā)生改變因而形成局部湍流，減少了邊界滯留底層的厚度，增大了膜傳熱系數(shù)，提高了換熱能力?？招沫h(huán)管支撐方式將支撐板的管橋變成殼程介質(zhì)的流通通道，變普通的橫向折流為縱向流，這種流動方式,流體的形體阻力非常小，可使絕大部分流體的壓降作用在強化傳熱管的粗糙傳熱界面上，用于促進(jìn)界面上的對流傳熱，可充分發(fā)揮強化管的傳熱強化作用，及有效地避免了各類殼程支撐物對流體形體阻力的不利影響，在低流阻條件下獲得高的傳熱性能。

⑴管程和殼程可同時強化傳熱⑵殼程流阻小。與光滑管相比，在提高整體傳熱能力30%-50%以上時殼側(cè)壓降僅為光滑管的50%-80%。⑶除了橫向折流的死區(qū)，減少積垢，提高了使用壽命。⑷殼程介質(zhì)縱向流動減少了管子振動，有效地減少了因管束振動引起的換熱管早期破壞。⑸縮放管的特定形狀，在波節(jié)的過渡處形成的局部湍流區(qū)對此處的換熱表面有一定的沖刷作用，因而具有良好的抗垢功能。⑹與其它強化管對介質(zhì)有很嚴(yán)的潔凈要求相比，縮放管允許流體當(dāng)中含有一定量的雜質(zhì)，因而適用介質(zhì)的范圍更寬。擴(kuò)產(chǎn)改造中，往往只需更換管束，便可滿足處理量增加20%-30%的新工況，設(shè)備基礎(chǔ)，配管均無需改動。除蒸發(fā)和冷凝強化作用不明顯外，其它各種形式的換熱器均可采用空心支撐縮放管這種結(jié)構(gòu)進(jìn)行強化傳熱。鋁多孔表面?zhèn)鳠峁苁抢媒饘贌釃娡考夹g(shù)，采用含有造孔劑的鋁基粉末，在普通光管的表面制備一層鋁多孔涂層。該涂層在傳熱介質(zhì)沸騰階段，涂層中的大量微孔變成為汽泡形成的核心，由于微孔內(nèi)的汽泡處于四周受熱狀態(tài)，氣泡核迅速膨大充滿內(nèi)腔，持續(xù)受熱使氣泡內(nèi)壓力快速增大，促使氣泡從管表面細(xì)縫中急速噴出。氣泡噴出時帶有較大的沖刷力量，并產(chǎn)生一定的局部負(fù)壓，使周圍較低溫度液體涌入微孔內(nèi)，形成持續(xù)不斷的沸騰。這種沸騰方式在單位時間內(nèi)，單位表面積上帶走的熱量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于光管，因而這種管型具有較高的沸騰傳熱能力。

*傳熱系數(shù)高。當(dāng)熱負(fù)荷2.5-3萬大卡/米2時，鋁多孔表面的沸騰給熱系數(shù)約為光滑表面的6-7倍。

*很小的溫差下維持沸騰（0.6-0.7℃），從而大大減少傳熱的不可逆損失。

*價格合理。同類產(chǎn)品，其價格僅為進(jìn)口產(chǎn)品價格的1/4左右。

應(yīng)用范圍

化工生產(chǎn)中，工況為管外傳熱介質(zhì)有沸騰相變，管內(nèi)介質(zhì)有全部或部分冷凝相變，并且管外介質(zhì)不結(jié)垢，對鋁涂層不腐蝕，在這種場合下使用的各種換熱器中的傳熱管均可采用鋁多孔表面?zhèn)鳠峁茏鱾鳠嵩?/p>

旋流管扭曲管

Twistedtube

旋流高效換熱器，是以傳統(tǒng)管殼式換熱器為基礎(chǔ)，采用螺旋扭曲橢圓形截面換熱管為換熱元件，并設(shè)計了多種特殊結(jié)構(gòu)的擋流支撐組件替代常規(guī)管殼式換熱器的折流板，其它結(jié)構(gòu)均采用常規(guī)管殼式換熱器的零部件。在旋流高效換熱器中，殼程物流在擋板支撐組件的作用下，在殼程中主要作縱向流動，殼程物流通道橫截面沿管束縱向周期性地發(fā)生變化，使殼程物流在沿螺旋扭曲的換熱管外壁縱向流動的同時，產(chǎn)生復(fù)雜的以旋轉(zhuǎn)和周期性的物流分離與混合為主要特點的強擾動；螺旋扭曲橢圓形截面換熱管內(nèi)的螺旋橢形通道使管程物流產(chǎn)生以縱向旋轉(zhuǎn)和二次旋流為主要特點的強擾動。這種結(jié)構(gòu)使管程物流和殼程物流均產(chǎn)生以旋轉(zhuǎn)為主要特征的復(fù)雜流動，獲得較強的旋轉(zhuǎn)擾動，從而較大強度地強化了傳熱過程。

特點

①管程和殼程可同時強化加熱。②強化傳熱效果好，殼程流阻較小。旋流高效換熱器的總換熱系數(shù)一般可提高30﹪以上。③使用壽命長。由于旋流高效換熱器殼程物流基本上為縱向流動，明顯的減少了管束的震動，大大降低了由于管束震動而造成的換熱管破裂等失效的可能性；同時也有效的消除了殼程物流橫向流動的“死區(qū)”，降低了積垢速率，從而延長了換熱器的使用壽命。適用場合

⑴管內(nèi)管外均需強化傳熱的場合⑵流速較低，粘度較大的介質(zhì)三維內(nèi)肋管三維內(nèi)肋管強化單向流體對流換熱的主要機理·擴(kuò)大了換熱面積·每個肋都是擾動源，因而增加流動的紊動度·流體在肋間的近壁面加速，減薄了熱邊界層厚度·三維內(nèi)肋管的當(dāng)量直徑小·流體橫向沖刷三維肋，流體與肋的換熱系數(shù)大·流體在管內(nèi)做周期性振動·在加工三維肋的同時，管內(nèi)壁也被糙化了

ABBLummusHeatTransferTubeBundle換熱器的進(jìn)展主要體現(xiàn)在適用的高效傳熱元件和合理的結(jié)構(gòu)相結(jié)合，從而達(dá)到均衡強化的理念；新的金屬材料的應(yīng)用，拓寬了領(lǐng)域，使許多強腐蝕環(huán)境下的強化傳熱成為可能；換熱器的大型化節(jié)約了系統(tǒng)的能量；工藝流程的創(chuàng)新帶來了新的節(jié)能機遇。換熱器的大型化有利于裝置的節(jié)能隨著我國石化行業(yè)高速發(fā)展以及石化企業(yè)對裝置增效節(jié)能、提高規(guī)模效益的要求，新建及改造裝置的規(guī)模越來越大，單臺設(shè)備大型化已成為目前國內(nèi)外換熱器技術(shù)發(fā)展的主要趨勢。開發(fā)研制并應(yīng)用能夠滿足裝置大型化的要求，具有良好的傳熱性能的超大型高效節(jié)能換熱器，將使裝置的節(jié)能水平得到顯著的提高。已列入國家科技支撐計劃克服多臺串并聯(lián)帶來能量損耗的問題裝置的大型化整體能耗水平低乙烯特大型換熱器序號項目位號名稱直徑mm換熱面積m2長度m質(zhì)量t1鎮(zhèn)海乙烯EOEGE-6106循環(huán)氣換熱器470014468339505512鎮(zhèn)海乙烯EOEGE-6111循環(huán)氣冷卻器400012524418253553鎮(zhèn)海乙烯EOEGE-6403EO汽提塔/再吸收塔進(jìn)料預(yù)熱器320017717275302804天津乙烯EOEGE-6403EO汽提塔/再吸收塔進(jìn)料預(yù)熱器26001128825900180乙烯冷箱國產(chǎn)板殼式換熱器用于重整法國Packinox板殼式換熱器巴陵分公司多股流纏繞管式換熱器寧夏石化分公司多股流纏繞管式換熱器醋酸回收裝置中的萃余相蒸餾塔進(jìn)料預(yù)熱器

案例普通加氫裂化流程7臺高壓換熱器E301~305A/B兩臺加熱爐鎮(zhèn)海煉化150萬噸/年新加氫裂化的流程兩臺高壓纏繞管式換熱器E1001、E10021臺加熱爐鎮(zhèn)海煉化150萬噸/年加氫裂化裝置

E1001/E1002二臺換熱器于2006年10月26日現(xiàn)場安裝就位，2007年3月20日投料試車，目前兩臺纏繞管式換熱器目前運行正常，且由于換熱器換熱效率較高，使得F1001實際負(fù)荷較低，節(jié)約了大量燃料，當(dāng)前裝置的總?cè)剂舷倪h(yuǎn)低于設(shè)計值。鎮(zhèn)海煉化150萬噸/年加氫裂化裝置

兩臺纏繞管式換熱器E1001管程溫度E1001殼程溫度溫差E1002管程溫度E1002殼程溫度溫差時間1#管程入口1#管程出口1#殼程入口1#殼程出口熱端冷端2#管程入口2#管珵出口2#殼程入口2#殼程出口熱端冷端X8:TI1134.PVX8:TI1142.PVX8:TI1143.PVX8:TI1149.PVX8:TI1142.PVX8:TI1145.PVX8:TI1146.PVX8:TI1144.PV2007-11-154:17383.11220.84126.80367.8915.2294.04220.84142.6149.70213.407.4492.912007-11-155:17383.43220.96126.74368.0615.3794.22220.96142.6849.70213.567.4092.982007-11-156:17383.22221.08126.80368.0915.1394.28221.08142.6949.70213.547.5492.992007-11-157:17383.38220.96126.80368.0815.3094.16220.96142.1949.70213.327.6492.492007-11-158:17382.76220.73126.66367.6815.0794.07220.73141.9449.70213.047.6992.242007-11-159:17383.22220.84126.97367.9415.2893.86220.84142.0048.71213.407.4493.292007-11-1510:17382.65220.99128.54367.6215.0292.44220.99141.8148.70213.607.3993.11鎮(zhèn)海煉化150萬噸/年加氫裂化裝置兩臺纏繞管式換熱器操作數(shù)據(jù)換熱器的節(jié)能問題較為復(fù)雜換熱器回收的熱量是在裝置的工藝設(shè)計中就確定下來的，而我國目前還沒有像鍋爐那樣確定換熱器的能效評價標(biāo)準(zhǔn)，因而換熱器的設(shè)計單位在為一套裝置設(shè)計換熱器時，要使裝置回收更多的熱量而實現(xiàn)節(jié)能降耗就很難。需要對換熱器應(yīng)用的主要裝置、結(jié)構(gòu)形式、平均熱效率、石化裝置節(jié)能空間、高效換熱器的使用情況及前景等進(jìn)行全方位調(diào)研，正在進(jìn)行調(diào)研范圍包括常減壓裝置、催化裝置、重整裝置、加氫裝置等14套典型裝置，涉及9大類換熱設(shè)備，共計1100余臺全國鍋爐壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會熱交換器分技術(shù)委員會已完成8項熱交換器及傳熱元件性