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内凹槽管高效换热器的研究及其应用点击：2369 日期：[ 2014-04-26 21:57:55 ] |
| 内凹槽管高效换热器的研究及其应用 刘丰，郭宏新，刘世平 （江苏中圣高科技产业有限公司高效传热研究所，江苏南京211110） 摘要：本文介绍了内凹槽管高效换热器的研究开发和工程应用情况，使用证明，与传统的管壳式换热器相比较，内凹槽管高效换热器具有传热系数高、压降低、防振动及适用范围广的优点，且增产节能效果明显，同时节省原材料投资。 关键词：内凹槽管；高效换热器；再沸器 再沸器是石化、炼油、化工、冶金工业装置的关键设备之一，一般用于分馏塔底以提供分馏所需要的热源。再沸器的设计对分馏塔的操作至关重要。在我国石化企业为与国际接轨而提高装置的经济效益的扩能改造中，高效传热设备的开发应用起着重要作用。例如，目前国内普遍采用的普通再沸器传热系数不高，提高装置的处理能力和装置的热量利用率而导致传热温差减小、所需再沸器设备传热面积和尺寸增大，由于装置现有的场地条件的制约，再沸器设备成了扩能改造的瓶颈。 自20世纪70年代以来，国外沸腾强化传热管主要有：高温烧结表面多孔管（High Flux）、机械加工表面多孔管（Thermoexcel-E）和T形翅片管（Gewa-T）。表面多孔管的制备方法有粉末烧结、机加工、喷涂等。美国UOP公司、日立公司、西德的Wieland-Werke AG公司等三家公司所生产的表面多孔管，占据了世界大部分的市场。美国UOP烧结型表面多孔管（High Flux-高通量换热管）在国内芳烃、乙二醇等装置多次使用，近几年国内用进口UOP烧结型表面多孔管制造的高效换热器逐年增加（如福建炼油、镇海石化、独山子石化、上海石化、扬子石化PX装置苯塔再沸器等）。UOP烧结型表面多孔管有管外强化和管内强化传热两种，但其价格昂贵且供货周期长。T形翅片管用于强化管外沸腾传热，由于机械加工工艺简单，经过国内制造企业、科研设计单位的研究开发，完成了钢制T形翅片管的机械加工技术和设备、小试及工业试验。T形翅片管在低负荷下的沸腾传热系数是普通光管的2.5倍，高负荷下提高了3倍[1-2]。我们设计制造的数十台钢制T形翅片管再沸器和蒸发器，在石化企业扩能改造项目中发挥了积极的作用，深受用户的好评。 江苏中圣高科技产业有限公司采用机械加工方法制造的内凹槽高效换热管，对多种介质的管内沸腾传热均有显著的强化作用。内凹槽高效换热管是在光管的基础上，在光管的内表面加工出直线形或螺旋形的凹槽来强化流动沸腾传热过程其冷加工技术相对简单，可加工碳钢、不锈钢、有色金属等材料。内凹槽高效换热管主要用于立式再沸器，强化管内流动沸腾传热。内凹槽高效换热器先后在上海石化化工事业部醋酸项目扩能改造、扬子石化烯烃厂乙二醇装置扩能、莱钢集团烧结脱硫工艺节能等项目中应用成功，为企业扩能改造和节能发挥了重要作用。2009年9月通过了南京市科技局主持的科技成果鉴定。 本文主要介绍内凹槽管高效换热器的强化传热原理、机械加工技术、实验研究和工程应用的增产节能效果。 1·内凹槽管高效换热器的原理及性能特点 1.1传热原理 内凹槽管强化沸腾传热的机理主要有五方面： （1）沸腾传热速率与传热面产生气泡的速度密切相关，光滑表面上产生气泡的汽化核心是原有的表面缺陷，而内凹槽管内壁的凹槽形成人造汽化核心，大大加速了气泡成核速度，能在较小温差下开始沸腾[1-5]；（2）气泡长大过程中，槽道表面形成泡底薄液膜，有利于液体汽化，强化了沸腾传热；（3）由于槽道的存在，汽泡在槽道内长大过程中冲刷着壁面上其他仍在生长的小气泡，增加了沸腾的汽化核心，表面凹槽远比光滑表面容易产生气泡；（4）表面凹槽增大了传热面积，能在较小温差下保持核状沸腾；（5）汽泡在槽道内长大过程中冲刷着壁面，减少换热面污垢的产生。 所有以上机理共同作用，使内凹槽管换热系数可达到光滑管的2倍以上。大幅度提高的传热效率可减少换热面积，或采用同样换热面积可以大幅度增加换热效果，提升负荷。 1.2性能特点 (1)可大幅提高管内沸腾传热系数和高换热器的效率。 (2)能在较小的传热温差下强化沸腾传热过程，而光管需要在较大的温差下才能开始沸腾。 (3)具有高临界热流密度，可以推迟膜态沸腾的发生，提高负荷和操作稳定性。 (4)传热系数大幅提高而压降增加不多，与静压相比可忽略。 2·内凹槽管机加工技术的研制和传热研究 2.1内凹槽管的机加工技术的研制 内凹槽管是以光滑管为基管，采用冷加工工艺制造而成（见图1）。管子的外表面可以保持不变或者加工成其它特型表面。研制的内凹槽管滚轧机可对1～10 m长的换热管加工一次成型，对普通的钢制换热管，采用轴向送进的加工方法实现连续生产的要求。滚轧机主要由调速电动机、变速箱、三条万向连轴节带动组合刀具。滚轧机刀具包括环形槽组合滚轧刀具和滚压轮。组合刀具根据内凹槽管的尺寸要求加工，并调整驱动轴的螺旋升角，达到连续加工制造。 目前，内凹槽管滚轧机已批量生产，可供内凹槽管再沸器和蒸发器制造的需要，并推广到多个项目中。 2.2内凹槽管的沸腾传热研究 我们与华东理工大学合作对内凹槽管进行了流动沸腾传热实验[6]。被测试的内凹槽管材料为SS304，规格为φ25×2.5×1910，n=50，w=0.6，h=0.3。有效换热长度为1.76 m。内凹槽管被垂直安装在套管换热器里。管内沸腾实验以水为工质在管内上升流动，由管外的高温水蒸汽加热至汽化沸腾。进行了内凹槽管和相同材质、规格的光管的沸腾传热性能的对比实验。 图2给出了管内沸腾传热系数αi随液相雷诺数Re的变化规律，并将内凹槽管和光管的沸腾传热性能进行了比较。液相雷诺数的范围是20 000～60 000，流动处于旺盛湍流区。如图2所示，管内沸腾传热系数的变化有一定随着雷诺数增大而增大的趋势，但是并不明显。通过比较可以看出，内凹槽管相比光管具有明显的强化传热能力，在实验条件下，管内沸腾传热系数大约为光管的1.9倍。 图3显示了总传热系数K与管内进口雷诺数的关系。由图3可以看出，随着雷诺数的增加总传热系数也增加。就内凹槽管来说，趋势并不十分明显。通过比较可以看出，内凹槽管换热器的总传热系数大致是光管的1.22～1.34倍。 在实验条件下，由于受到实验装置中蒸汽发生器能力的限制，光管的出口气化率变化范围在1%～4%，而内槽管的出口气化率在流速最低的时候也只达到6%，随着出口气化率的提高，内槽管的强化传热的效果会有明显提高。 3·内凹槽管再沸器的工业应用 3.1工业应用 扬子石化公司烯烃厂原26万吨乙二醇装置E536塔底再沸器采用传统管壳式换热器，换热管为光管，折流板为弓形折流板。表1给出了原设备设计操作参数。在运行操作过程中，随着装置生产能力的提高，E536六效再沸器的换热能力远远不够，2005年委托江苏中圣高科技产业有限公司对E536六效再沸器进行优化设计，通过方案对比，最终选用内凹槽高效再沸器，提高热负荷40%～50%，并于2005年12月开车投用至今，运行正常，内凹槽高效换热器效果明显。 内凹槽高效换热器E536设计、操作参数见表1。热流体为水蒸汽，进出口温度均为112℃，冷流体的进出口温度分别为79.4℃和87.6℃，装置负荷200 t/h，满足了生产需求。从表1参数可以看出，该高效换热器在保持原来工艺与外形结构尺寸不变的情况下，采用内凹槽高效管，热负荷提高了45%。上海石化公司化工事业部醋酸项目扩能改造，塔底拟采用两台再沸器，但两台安装场地受蒸馏塔器尺寸限制。如采用传统的管壳式再沸器，设备庞大，还需在塔顶建立平台，施工安装非常困难。对一般再沸器而言，水汽侧由于水沸腾，相变侧换热系数非常高，无需进行强化传热，但在石化生产过程中，工艺介质（醋酸溶液）温度仅为100℃，加热介质（水蒸气）温度为120℃。由于传热温差小，一方面需非常大的传热面积，使设备体积十分庞大，布置困难；另一方面不易形成较强烈的汽水两相沸腾，反而使管内外热阻接近，故对换热面积要求较高。否则不但影响产汽的品质，而且随着运行时间的延长，结垢等因素对传热影响加大，这些均制约了低位能再沸器的推广应用。江苏中圣高科技产业有限公司对塔底再沸器进行优化设计，选用内凹槽管高效再沸器，提高热负荷40%。在石化部有关领导的支持下，设计了以内凹槽高效管为传热元件，制造了内凹槽高效管再沸器，2004年投运，内凹槽高效管效果明显，达到了设计要求，满足了生产需求。莱钢集团银前265 m 2·烧结机烟气脱硫装置，设计处理烟气量为450 000 m3/h、烟气温度为130℃，采用加拿大Cansolv公司的再生胺吸收解吸工艺技术，以98%硫酸为脱硫副产品方案。烧结脱硫再沸器原工艺是用蒸汽加热，作者等利用烧结废烟气作为热源代替蒸汽后，脱硫装置再沸器采用内凹槽高效换热器，每年节约蒸汽的价值共约2000多万元；同时使用烧结烟气再沸器后实现了烟气降温的目的。该套脱硫装置于2008年12月完成施工及单机试车工作，于2009年1月完成系统空负荷试车工作，在2009年3月进入热负荷试车阶段，系统脱硫效率达到设计指标，满足了生产需求。 3.2 经济效益分析 利用高效换热管代替光滑管，可显著提高换热器的传热效率、降低设备质量、减小占地空间、降低成本。同时节约能源，社会效益明显。扬子石化公司乙二醇装置采用内凹槽管高效再沸器，提高换热效率45%，从而提高装置产量，年效益约1000万元，同时节约了大量外汇。莱钢集团450 000 m3/h烟气脱硫装置采用内凹槽管高效再沸器工艺技术，节约中压蒸汽16 330kg/h。工厂蒸汽每吨定额180元，一年按8000h运行操作，对于265 m2烧结脱硫再沸器，利用烧结废烟气作为热源后，每年节约蒸汽的价值共约2350多万元。设备投资约800万元人民币，设备投资在很短时间内即可收回。原工艺是用水喷淋冷却，现在使用烧结烟气再沸器后同时实现了烟气降温的目的，即可每年节约水价值共约1000万元；同时该工艺还有制酸副产品，能产生可观的经济效益和环保效益。 4·结论 (1)内凹槽高效再沸器的沸腾传热有显著的强化效果，与光管相比一般可提高沸腾传热系数2倍以上，工程化应用有可靠的实验理论基础做保证。 (2)工业运行结果表明，对再沸器，内凹槽高效管是一种适用的、效果显著的强化传热元件，扩能效果显著。 (3)以内凹槽高效管为换热元件设计制造的再沸器能充分发挥内凹槽高效管小温差沸腾传热的特性。设备结构紧凑，维护方便，十分适用于石化企业低温能回收的场合，且经济效益显著，是一种具有竞争力的高效蒸汽发生装备，适用范围较广。 (4)该换热器经过近四年的使用，效果良好，具有传热效率高、设备投资省、占地面积小、适应范围较广等优点，是一种高效节能的换热器，有推广价值，尤其适宜于老装置的扩能改造。 参考文献 [1]华南理工大学，洛阳石油化工工程公司，长岭炼油化工总厂设备研究所.钢制T形翅片管强化沸腾传热机理研究[C].中国石化总公司第三届传热技术交流会论文集，1995：79-89. [2]Stephan K，Mitrovic J.Heat transfer in Natural convective Boiling of Refrigerant—oil Mixtures in boundless of T-shaped Finned Tube[J].Advances in Enhanced Heat Tranfer，1981，18：131-146. [3]Hao Wang，Suresh V Garimella，Jayathi Y Murthy.Characteristic of an Evaporating Thin Film in Microchannel[J].International Jounal ofHeat and Mass Transfer，2007，50：3933-3942. [4]Kyoungwoo Park，Kwan-Joong Noh，Kwan-Soo Lee.Transport Phenomenon in the Thin–Film Region of a Micro-Channel l[J].International Jounal of Heat and Mass Transfer，2003，46：2381-2388. [5]赵俊杰等，微细通道内蒸发薄液膜区壁面滑移及微流动特性[J].工程热物理学报，2009，30（7）：1171-1174. [6]华东理工大学.内凹槽高效管再沸器研究（内部资料），2009. |
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