螺旋折流板高效換熱器的結構特點及應用案例

李秋杰 齊敏 朱兵成 高原原(.江蘇中圣壓力容器裝備制造有限公司，江蘇 南京 ；.南京托普環保工程有限公司，江蘇 南京 0047)

0 引言

換熱器在化工企業中占總投資的10%～20%，在煉油廠中比例更是高達總投資的35%～40%，管殼式換熱器由于制造成本低，處理量大，工作穩定可靠，清洗方便，是熱量傳遞中應用非常廣泛的一種換熱器[1]。但是，傳統的管殼式換熱器存在換熱效率低、壓力降大，設備尺寸大、投資成本高等缺點。因而對傳統的管殼式換熱器進行合理的優化改進，提高傳熱效率、減少設備投資，降低運行成本很有必要。

換熱器傳熱效果的優化提高主要通過強化管程傳熱和強化殼程傳熱兩個方面來實現。管程的強化傳熱可以通過使用各種高效換熱管實現，殼程的強化傳熱可以通過改變殼程的內部結構實現。LUMMUS公司研發的螺旋折流板換熱器能夠有效地克服傳統弓型折流板換熱器在使用過程中產生的弊病，有效單位壓降下能夠大幅度提高換熱器的傳熱效率，在國外石油化工行業已得到廣泛應用。在中國的推廣主要通過與換熱器制造廠家合作的方式進行，LUMMUS公司提供螺旋折流板換熱器的工藝設計工作，換熱器的制造由被授權的國內合格制造商來負責。近年來，隨著節能降耗理念的倡導，螺旋折流板高效換熱器在國內項目的使用日益增多。

1 螺旋折流板高效換熱器的結構特點及性能分析

1.1 結構特點

螺旋折流板高效換熱器的結構有兩點不同于普通的列管換熱器。首先，折流板是由4塊扇型折流板相互交錯搭接形成一組，如圖1所示，每組螺旋折流板保持一定的間距，形成近似連續的螺旋通道，流體在殼體內整體螺旋式前進。其次，換熱管是高效換熱管，根據不同的工況，可以選用符合由江蘇中圣高科技產業有限公司主編的GB/T 24590《高效換熱器用特型管》的各種特型管，如T型槽管、波紋管、內波外螺紋管、內槽管及螺紋管等各種高效傳熱元件。

圖1 螺旋折流板高效換熱器管束的實物圖

1.2 性能分析

1.2.1 殼程壓降低、不容易結垢

傳統弓型折流板的布置是垂直于管束的，流體在殼體內呈“Z”型流動，如圖2所示，方向改變劇烈，產生的壓降大。同時弓形板的底角處形成一個相對靜止的流動死區，容易積累污垢；而流體在螺旋折流板換熱器的殼程內流動時，呈整體螺旋式推進，如圖3所示，方向改變緩和，壓降低。沒有流動死區，介質不會因為沉積而導致結垢。

圖2 弓型折流板換熱器介質流動示意圖

圖3 螺旋折流板換熱器介質流動示意圖

1.2.2 傳熱效率高

弓型折流板換熱器的流動死區部分基本起不到換熱作用，而螺旋折流板換熱器不存在流動死區，換熱面積利用更充分，同時由于流體的螺旋流動會在徑向界面上產生速度梯度，形成湍流，提高殼程傳熱系數[2]。

也有人認為流體在螺旋折流板換熱器的殼程流動時，沿換熱管的軸向存在分量，因而在相同的流速下殼程傳熱系數低于弓型折流板換熱器的傳熱系數，因此引入了單位壓降下的傳熱系數這個概念，作為評價換熱器綜合性能的依據[3]。很多研究證明，螺旋折流板換熱器殼程單位壓降下的傳熱系數和弓型折流板換熱器相比確實有不同程度的提高[4]。但是有的設備更改為螺旋折流板的結構之后，雖然單位壓降下的傳熱系數是提高的，但是設備總的傳熱系數會降低，如果想滿足工藝要求，勢必需要增大換熱面積。這時候采用高效換熱管，可以彌補總傳熱系數降低這一缺陷，如采用高效外螺紋管、波紋管、內波外螺紋管等各種高效傳熱元件。這些高效換熱管是在光管的基礎上，采用機械加工的方法形成翅片來擴展換熱管的外表面積，或者改變換熱管的形狀進而改變流體的流動狀態，來提高換熱器的傳熱效率[5,6,7]。

1.2.3 抗振性能好

螺旋折流板高效換熱器的換熱管被每一組折流板連續支撐，無支撐跨距是一組折流板的間距，而弓型折流板切口處的換熱管的最大無支撐跨距是2個折流板的間距，同時螺旋折流板換熱器的殼程介質流動方向和換熱管有一定的傾斜角，方向改變比較緩和，對管束的沖擊力度小，不易誘導管束橫向振動，所以螺旋折流板換熱器比弓形折流板換熱器的抗振性能更好，使用壽命長。

2 應用案例

某石化企業的一臺冷凝器，使用了螺旋折流板高效換熱器的結構，和同等尺寸，同等折流板跨距的普通弓型折流板換熱器相比較，明顯節省了設備投資，減小了殼程壓力降，結果對比如表1所示。

可以看出，螺旋折流板高效換熱器和普通弓形板換熱器相比，總傳熱系數系數高了33.5%，壓降降低了53.6%，面積裕量增加了28%。也就是說普通弓形板換熱器如果要達到相同的換熱效果，面積需要增加約28%，設備投資增加明顯，相應的土建、安裝、運行維護成本都會增加。

根據客戶反饋，螺旋折流板高效換熱器投用后，在多個運行周期內一直保持高效的狀態，壓力降明顯比常規的弓型折流板換熱器要低，有效降低了裝置的動力消耗。

3 結語

螺旋折流板高效換熱器由于其獨特的結構，在相同熱負荷的情況下傳熱效率高，能夠減小換熱器的傳熱面積，從而有效地縮小換熱器的外形尺寸，可以一次性降低設備投資；其次，由于螺旋折流板換熱器不易結垢、抗振性能好，可以延長設備的運行周期，降低維修、清洗等操作成本；再次，螺旋折流板換熱器的運行壓降小，可以降低裝置的能耗。因此，越來越多地螺旋折流板高效換熱器被應用于項目的建設中。另外，在擴能改造項目中，可以不改變原有換熱器的外形尺寸，僅靠把管束更換成螺旋折流板高效換熱器管束來提高傳熱系數，同時滿足換熱器所在系統的壓力降要求，滿足改造工藝的要求。

隨著螺旋折流板加工技術的成熟和高效傳熱技術的日趨完善，以及人們對節能降耗的重視，螺旋折流板高效換熱器使用將會日益普遍。

表1 螺旋折流板方案和普通弓型板方案對比表