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张正国,高学农, 陈清林, 方晓明,林培森
摘要: 对新开发成功的专利产品螺旋隔板花瓣管换热器在石化行业中的应用进行了介绍。该新型换热器能显著提高润滑油冷却器、空气冷却器和混合蒸气冷凝器的传热效能。关键词:换热器;强化传热
以水作为冷却介质的壳管式润滑油冷却器、空气(N2 , CO2 等气体) 冷却器及混合工质蒸气冷凝器是石化行业中常见的几类换热器形式, 通常将冷却水设计为在换热器的管内流动。从传热学的角度来看,管内水的对流传热系数远较润滑油、空气的对流传热系数和混合蒸气的冷凝传热系数高, 因而, 传热阻力主要来自换热器的壳程, 如何提高壳程的传热系数是开发高效能换热器的技术关键。
1 螺旋隔板花瓣管换热器的开发
针对润滑油、空气的对流传热和混合蒸气的冷凝传热的特点, 华南理工大学教育部传热与节能开放研究实验室于1993 年成功地开发出了具有特殊三维翅片结构的花瓣管, 并且获得国家专利[1 ] 。大量研究结果表明,花瓣管能显著强化润滑油、空气的对流传热和混合蒸气的冷凝传热[2 ,3 ,4 ] ,其强化传热效能明显优于目前国内外所采用的其它类型的强化传热管。
壳程传热系数的提高除采用高效强化传热管外,还必须采用合适的管间支撑结构,通过支撑结构的改变,来改变壳程流体的流动形态,以达到将壳程压降有效地转化为传热系数的提高的目的。近年来, 螺旋隔板换热器因具有如下优点而倍受关注[5 ] : (1) 壳程流道长且流体流动平滑,旁路流、泄漏流和返混的影响小, 从而提高了壳程的传热系数并降低了压降, 壳程污垢也少; (2) 能有效地防止壳程流体在高流速下激发的振动。
结合花瓣管的强化传热优势和螺旋隔板的优点, 本单位于1999 年又开发出了螺旋隔板花瓣管换热器,也获得国家专利[6 ] 。
2 螺旋隔板花瓣管换热器在石化行业中的应用
2. 1 润滑油冷却器的传热强化
1999 年4 月, 根据本单位与日本神威产业株式会社(具有40 多年专业生产油冷却器的厂家)达成的技术合作协议, 本文作者携带本单位开发成功的螺旋隔板花瓣管润滑油冷却器(按日方提供的外型尺寸设计、制造) 去日本, 与日本神威产业株式会社的润滑油冷却器进行了现场实验对比。实验结果表明, 在相同的壳程润滑油体积流量下, 螺旋隔板花瓣管润滑油冷却器的总传热系数比日方产品的高10 %以上, 而压降却低46 %左右, 同时金属铜管的质量也减小了35 % , 综合效能显著高于日方产品。在壳程压降为0. 1MPa 以下时, 螺旋隔板花瓣管润滑油冷却器的总传热系数高达3 200 W/ (m2 ·k) 。而据文献[ 7]报道,目前国内润滑油冷却器在相同压降下, 总传热系数不超过1 000 W/ (m2 ·k) 。
2. 2 空气冷却器的传热强化
对螺旋隔板花瓣管空气冷却器的传热强化也进行了研究, 并与板式换热器进行了实验对比。结果表明,在相同空气体积流量下,螺旋隔板花瓣管换热器的总传热系数为板式换热器的2～3 倍,而其压降比板式换热器低50 %～60 %[8 ] 。在壳程空气压降为0. 05 MPa 以下时, 螺旋隔板花瓣管空气冷却器的总传热系数可达1 000 W/ (m2 ·k) 左右。在相同压降下, 国内普通弓形隔板光滑管空气冷却器总传热系数不超过300 W/ (m2 ·k) [9 ] 。因而, 螺旋隔板花瓣管空气冷却器的总传热系数至少是普通弓形隔板光滑管空气冷却器总传热系数的3 倍以上。
2. 3 混合介质蒸气冷凝器的传热强化
目前, 对于混合介质蒸气冷凝器的研究工作正在开展之中, 尚无传热强化的实验数据。但从前期的研究工作来看, 螺旋隔板花瓣管换热器也能很好地强化混合蒸气的冷凝传热。非共沸混合工质的冷凝传热实验研究结果表明, 在相同热负荷条件下, 花瓣管(单管和管束) 外的冷凝传热系数可为光滑管的3～5 倍[10 ] ,而国外目前所采用的二维翅片结构的强化管, 其冷凝传热系数不超过光滑管的3 倍[11 ] , 因而, 具有特殊三维翅片结构的花瓣管, 其强化非共沸混合工质的冷凝传热效果居国际领先水平。通过花瓣管与螺旋隔板的搭配构成的冷凝器, 其强化冷凝传热效能会进一步提高,在石化行业中作为塔顶冷凝器,具有非常广阔的应用前景。
3 结束语
采用强化传热技术来提高石化行业管壳式换热器的传热效能, 是石化行业实现节能和提高经济效益的重要举措; 螺旋隔板花瓣换热器具有很高的强化传热效能, 可应用于石油化工行业的润滑油冷却器、空气(N2 、CO2 等气体) 冷却器和塔顶冷凝器。
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