內部螺旋線型管式熱交換器在工業窯爐上的應用

陳龍豪，朱從健

( 蘇州匯科機電設備有限公司，江蘇 蘇州215562)

內部螺旋線型管式熱交換器(以下簡稱“螺旋線熱交換器”)，是由英國Cal Gavin 公司于20 世紀80 年代開發并商業化的應用產品，迄今為止，已有約30000 套安裝使用，可顯著提高熱交換器內部的熱交換效率。

螺旋線熱交換器的構造如圖1 所示，是由被稱為芯線（Core Wire）的中心線構成螺旋狀的環線（Loop Wire）而組成。兩端的線材是由一整根線制成，需專用設備來加工。此環線的端頭部分與管內壁之間沿各個方向呈360°的點接觸，形狀像弓箭羽毛的尾部。螺旋芯線根據其在單位長度上編入的環線數量的不同，被分為“高密度”、“中密度”、“低密度”三類，這與在業內被廣泛使用的空冷式熱交換器肋片管上肋片纏繞數的分類原則是相似的。

管側膜狀凝結傳熱系數——也被稱為管內壁的膜狀凝結傳熱系數（本文用hi表示，也稱為“管壁側傳熱系數”），它和管內的壓力損失是呈反比的關系，即傳熱系數越大，則管內壓力損失越小。一旦傳熱效果變差，管阻必然增大。因此需針對產品具體的熱交換特性要求，選擇最合適密度的螺旋線熱交換器。

1 熱傳導原理及其效果

內部未安裝螺旋線的管道稱為空心管。管道內部凝結的流體，能潤濕管道內壁，在管道內表面均勻地鋪展成膜，這樣的凝結形式稱為“膜狀凝結”。流體在管壁內側產生膜狀凝結時，流體的熱量需穿過這層液膜才能被傳輸到管道內壁上，此時“液膜層”(也稱“境膜層”)就成為主要的換熱熱阻，如果盡可能減薄或消除此液膜層，就可以增強換熱效率。內部螺旋線就具有消除管道壁面附近形成靜止液膜的效果。

圖1 螺旋線熱交換器結構示意圖

用激光風速儀分別測量螺旋線熱交換器和空心管熱交換器，觀察二者內部有無流動上的差異，有螺旋線的管道和無螺旋線的空心管流動的對比見圖2 (圖中黑點表示流速最大的地方)。可以看到，螺旋線能夠產生阻止管壁壁面處形成層流膜狀凝結的效果[1]。

圖2 使用激光風速儀測量的流速分布對比圖

從激光風速儀的顯示可以發現，在空心管中心處流體的流速為最大（圖中黑點），管壁側則流速為0，流動呈放射線狀，管壁處存在流動傳熱熱阻。而在插入螺旋線的管子內，在臨近管壁處，流體仍然存在流動(也就是圖2 中，上下兩邊靠近管壁處)。由于管壁附近的流體流速加快引起熱阻降低，使膜狀凝結傳熱系數增大。管壁處流速越快，則境膜產生的熱阻就越小。這說明，空心管內的流體只在管道中心處流動性好，而靠近管壁處則幾乎不流動，造成熱阻大，傳熱效果差；而螺旋線管道則在靠近管壁處，流體仍然流動，甚至流速最大，所以熱阻下降，傳熱效果大大改善。

試驗表明，螺旋線熱交換器的流體熱交換系數與空心管熱交換器相比，在液相時最大達到20倍，在氣相時達到5 倍。

2 溫度交換效率

管壁側傳熱系數為hi，熱交換器內側傳熱系數為ho。

圖3 是在hi?ho的條件下，管壁表面溫度（Skin Temp）的計算公式。圖中（to-ti）是高溫側流體和低溫側流體的溫度差。左側圖是空心管的溫度曲線，右側圖是插有螺旋線管子的溫度曲線。在插入螺旋線的場合，在達到相同的管側流體平均溫度時，僅需很低的ti溫度，這樣就意味著達到了節能的效果。測試表明，選用自身熱回收型（Feed/Effluents）的熱交換器，其內部溫度to被設置為一定的數值，流體流向為從熱交換器機身一側的出口排出。另一方，則從管內入口供給常溫氫氣，其溫度為ti，將其升溫至接近爐內溫度的高溫。溫度差（to-ti）越小，則表示溫度交換效率越高。

式中，tw為管壁表面溫度；

to為熱交換器機身內流體平均溫度；

Ti為管側流體平均溫度(指接近管壁處的流體溫度)；

hi為管側膜狀凝結傳熱系數；

ho為熱交換器側的膜狀凝結傳熱系數。

圖3 管側溫度曲線（使用hiTRAN 管的場合）

3 螺旋線熱交換器的設計、試運轉結果

3.1 從輔助試驗機到實際窯爐的運轉情況

在對已氧化金屬進行氫氣還原時，為了提高還原效果，需要將高溫加熱后的被處理物料充分地與氫氣接觸。在實驗中使用了通氣型窯爐，但考慮到物料尺寸不均勻、體積大小不一，會產生不均勻受熱的情況，因此使用了外部加熱的間歇式運轉回轉爐。回轉爐能將物料一邊進行攪拌一邊加熱，使通入爐內的氫氣與物料更充分接觸。

使用的試驗設備是蘇州匯科機電設備有限公司自行研發的氣氛式高溫回轉爐，回轉爐的旋轉爐管為“爐芯管”。試驗用的回轉爐爐管內尺寸為φ800 mm×1600 mm，氫氣量按照流量2 Nm3/min（其中：N 表示標準狀態下）來通入爐芯管。試驗后發現，在加熱溫度約850 ℃時，僅是將氫氣溫度升至規定的溫度，而爐子加熱功率已超過了30 kW。外加熱型回轉爐對被處理物的電加熱(傳熱)，依靠的是輻射傳熱和通過爐芯管帶來的對流傳熱兩種熱傳導方式；對通入氣體的電加熱（傳熱）則是以與爐芯管壁之間的熱傳導和與加熱后的被處理物之間的對流傳熱為主。因此，將流量為2 Nm3/min 的氫氣直接通入800 ℃的爐芯管內時，難以保證氣體被充分加熱，很可能是爐芯管內的溫度偏低。而根據要求，加熱器的外管溫度必須設定在爐芯管內溫度的+30 ℃以內，也就是加熱器溫度不能比爐芯管內部溫度高太多。為避免局部產生高溫的可能，需要對氫氣預熱，需配置氫氣預熱裝置。

3.2 實施的主要測試

氣體預熱，使用的是電加熱型通氣式預熱裝置，由于被加熱的氣體是氫氣，氣體泄漏絕對不允許，而且，氫氣預熱后通入爐芯管內，輸送氫氣的管道溫度也會變高，從而可能使管道接頭處的密封材料受損，造成泄漏。有氣體通入就意味著也會有氣體排出，因此設計為將此排氣的熱量利用在氣體預熱上，換句話說，就是選用自身熱回收型（Feed/Effluents）的熱交換器。

使用熱交換器作為排氣預熱裝置，必須能耐受800 ℃的高溫，熱交換器的形狀應采用較為簡單的管殼式。該型交換器如果安裝在爐子外部，如何在排氣變冷之前將其快速送入熱交換器，如何把要輸送的氣體在變冷之前送入爐芯管內，這就是設計的關鍵所在。如果不能實現長期安全穩定且高效率地傳熱，研發工作將會面臨很大的困難。其他方面，由于高溫下熱交換器殼體和傳熱管兩者的熱膨脹量有很明顯的差異，必須對熱交換器殼體加裝伸縮管(即膨脹節)。由于回轉爐是間歇爐，意味著必然有多次的升降溫，這樣反復的膨脹和伸縮，會對加熱器殼體帶來損傷。

因此，把熱交換器裝入回轉爐的爐芯管內，把交換器殼體以及傳熱管安裝在爐芯管內部。這樣，氣體管道接頭就不會暴露在高溫下。同時，將傳熱管的一端設計成完全自由的狀態，這樣就不會阻礙管道熱膨脹時產生的伸縮。

如圖4 所示，將傳熱管作為爐芯管的一部分插入其中，供給的氫氣從管內通過。從傳熱管和爐芯管內部的導流管端部，氫氣流出，然后流入爐子的爐芯管內，通過爐體排氣口排出爐體。

圖4 回轉爐前端的熱交換器

爐芯管會旋轉，封閉氣體的密封圈和其支撐件以及殼體和導氣管則不旋轉。由于需同時測量被處理物的溫度并根據其溫度情況調整生產工藝，安裝使用了熱電偶，熱電偶也不旋轉。

考慮到傳熱管和其連接殼體的熱膨脹量有差異，傳熱管被設計成向爐芯管內部延伸。由于這種結構是裝在爐芯管內部，即使發生連接板或管道的開裂，也不用擔心氫氣會泄漏到爐子外部。

通過建模，分析計算了不同種類的相關氣體，在理論上所需要的氣體預熱溫度和排氣溫度，以及各流量條件下的相關模擬量值，計算出在從爐芯管筒身一側被排出的氣體，其溫度為800 ℃時，預熱溫度需在600 ℃以上，爐芯管排氣溫度為200 ℃左右；將螺旋線加熱器裝入爐管內后，預熱溫度為750 ℃，排氣溫度約100 ℃左右。

在使用螺旋線加熱器之后，由于傳熱效果良好，爐子實際上的加熱功率超過了30 kW 傳統爐型的加熱能力。

3.3 爐子試運轉的結果

為了詳細測量各輸入氣體溫度、預熱溫度、排氣溫度，原本考慮在相應位置安裝多個溫度表，但是設備實際運轉時，如果這些溫度表全部安裝較為困難，工作量較大，因此最后放棄，只能通過在爐芯管內安裝熱電偶和排氣熱電偶來確認相關溫度。

3.4 設備的設計和相關熱工計算

圖5 是回轉爐的熱交換器結構示意圖，圖6是設備整體的工藝構成圖。表1 表示在設計時和試運轉時的目標溫度的計算結果。圖7 是把流體溫度的計算結果對照熱交換器的管長進行的對比，圖8 為各種條件下傳熱系數的對比圖表，就是將空心管和管內插入螺旋線設計進行傳熱對比。

圖5 回轉爐的熱交換器結構示意圖

在設備運轉驗收時，將爐子的操作溫度進一步降低，在確認排氣溫度達到100 ℃左右時，測量了爐芯管內被處理物的溫度，其溫度比加熱器(位于爐芯管外)的設定溫度只低了10 ℃左右。同時測量得了排氣處的殼體溫度為50～100 ℃，這與計算的數值相吻合。在氣體密封處、配管接頭處，溫度均為50 ℃以下，完全未達到密封圈受損的溫度，實現了設計目標[2]。

圖6 設備整體的工藝構成圖

表1 出口、入口的氣體溫度 ℃

圖7 管道長度與傳熱系數的對應關系圖

圖8 管道長度與流體溫度的關系圖

4 結束語

實驗設備使用的是間歇式特性的回轉爐，節省的設備耗電量。因為設備運轉時間短而使耗電量整體減少的效果體現不很明顯（按照每周設備工作天數5 d，每天工作8 h 來計算，設備一年的工作時間在2000 h 左右）。如果使用連續式電加熱窯爐，設備節省下來的用電量將會隨設備運轉時間的延長而明顯增大。為了減少能源中價格較貴的電能消耗量，對氫氣等工藝氣氛氣體做高效率的熱交換，以此來提高氣體供給時的溫度，就成為了重要的解決方案。另外，對間歇式工作的窯爐，將氮氣進行快速地升溫和冷卻時，由于爐體容量限制，應該考慮在爐內和爐外設置2 臺熱交換器，以增加對氣體的熱交換能力。氣體的熱容相比液體小了很多 (傳熱系數相比液體少一個數量級)，此時，如果進行熱交換的兩種流體溫度差低，就需要傳熱面積很大的熱交換器才能保證換熱效果，但這樣，就沒有經濟性可言了。所以，從技術上考慮，另辟蹊徑，研發傳熱系數更大、換熱效果更理想的熱交換器，作為解決這些問題的對策，顯得尤為重要。這一對策已經成為當今工業窯爐領域一個全新的節能技術發展方向。