高通量換熱器的研制開(kāi)發(fā)及應(yīng)用

李松山，李鵬，張小許(青島蘭石重型機(jī)械設(shè)備有限公司，山東 青島 266555)

0 引言

裝置大型化的問(wèn)題在化工、石化等行業(yè)快速發(fā)展的影響下變得越發(fā)突出，同時(shí)，裝備的高效化發(fā)展儼然成為了阻礙裝置大型化發(fā)展的重要因素。在這種行業(yè)背景下，高效換熱器開(kāi)發(fā)應(yīng)用就成為了迫在眉睫的問(wèn)題。除此之外，國(guó)家推行的能源戰(zhàn)略中，節(jié)能作為其中的要點(diǎn)，也就要求化工、石化等工業(yè)需要通過(guò)提升換熱設(shè)備的效率實(shí)現(xiàn)節(jié)能目標(biāo)。高通量換熱器作為現(xiàn)今技術(shù)條件下傳熱效果最為優(yōu)秀的管殼式傳熱器，得以在工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)規(guī)?；瘧?yīng)用，并且國(guó)內(nèi)的高通量換熱器生產(chǎn)制造也隨著時(shí)代發(fā)展逐漸拉近和國(guó)際水平的差距。文章就當(dāng)下高通量換熱器額度開(kāi)發(fā)、應(yīng)用展開(kāi)了研究探討。

1 高通量換熱管的性能分析

燒結(jié)型高通量管是一種在普通換熱管表面使用粉末冶金的方式燒結(jié)一層結(jié)構(gòu)特定的多空表面的高效換熱管。位于表面多孔層的凹穴和孔隙之間是相互連通的，能夠做到顯著的強(qiáng)化沸騰傳熱，十分適用于烷烴、烯烴介質(zhì)。燒結(jié)型的表面多孔管和光管相比，具備如下四點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：

第一，沸騰傳熱可以得到顯著的強(qiáng)化，同時(shí)這一環(huán)節(jié)所需要的換熱面積也可以縮減50%左右，能夠在大型的乙烯和芳烴的化工和石化裝置中得到廣泛的應(yīng)用。

第二，能夠在溫差相對(duì)較小的環(huán)境下維持沸騰，這也就意味著對(duì)于低品位能量的回收和低溫沸騰的換熱等方面具備著較大的應(yīng)用價(jià)值。在再沸騰器中進(jìn)行應(yīng)用的時(shí)候，可以顯著降低需要的加熱蒸汽的等級(jí)。

第三，臨界熱負(fù)荷相比于普通光管高出50%至上。

第四，具備著較高的阻垢性能水平。通過(guò)粉末冶金的相關(guān)理論知識(shí)不難看出，通過(guò)使用成分特定的粉末和粉末燒結(jié)技術(shù)進(jìn)行有機(jī)的結(jié)合，可以確保換熱管所具備的基本性能在不受到較大影響的情況下實(shí)現(xiàn)了特定高空隙率多表層的燒結(jié)。

2 高通量換熱管強(qiáng)化傳熱原理分析

高通量換熱感作為一種在普通換熱管的表面通過(guò)使用粉末冶金技術(shù)將一層具備特定結(jié)構(gòu)的多孔表面薄層燒結(jié)在其上的高效換熱管。其本身?yè)碛械姆序v傳熱系數(shù)較之于普通的換熱管可以提升一個(gè)數(shù)量等級(jí)。同時(shí)，表面多孔的高通量換熱管所擁有的傳熱強(qiáng)化機(jī)理可以從如下三個(gè)方面進(jìn)行解釋：

第一，沸騰傳熱速率和傳熱面氣泡出現(xiàn)的速度之間有著十分密切的關(guān)聯(lián)，普通換熱管上表面產(chǎn)生的氣泡的氣化核心是其原本就存在的表面缺陷之一，而表面多孔換熱管存在著為數(shù)眾多的人為制造汽化核心，也正是因?yàn)檫@些人為制造汽化核心的存在，使得氣泡成核的速度大幅度提高，為此多孔表面管遠(yuǎn)比光滑管的表面更加容易產(chǎn)生氣泡；

第二，呈現(xiàn)相互連通關(guān)系的多孔層在氣泡長(zhǎng)大和逸出的過(guò)程中，會(huì)因?yàn)槭艿胶缥饔玫挠绊?，進(jìn)一步促進(jìn)局部液體流動(dòng)速度的加快，并借此產(chǎn)生整體對(duì)流傳熱。同時(shí)燒結(jié)型表面多孔管的沸騰傳熱主要是通過(guò)隧道內(nèi)的液膜和壁面二者之間形成的對(duì)流傳熱、薄膜蒸發(fā)以及整體對(duì)流三種方式來(lái)進(jìn)行的；

第三，表面多孔層的存在顯著的提升了傳熱的表面積，能夠?qū)鳠崞鸬椒e極的作用。

高通量換熱管與之前的普通換熱管相比，具備著如下兩個(gè)較為明顯的優(yōu)勢(shì)：

第一，換熱系數(shù)可以提升3～10倍以上，也正因?yàn)槿绱烁咄繐Q熱管可以十分顯著的強(qiáng)化沸騰傳熱，并且所需要的換熱面積數(shù)值可以縮減到原本的1/2，換言之，如果使用同樣的換熱面積，可以顯著的提升整體的換熱效果和熱負(fù)荷；

第二，具備著較為優(yōu)秀的反堵塞能力。簡(jiǎn)單說(shuō)來(lái)，表面多孔型換熱管可以有效防止表面結(jié)垢現(xiàn)象的發(fā)生。

3 高通量換熱器的設(shè)計(jì)及開(kāi)發(fā)流程

3.1 高通量換熱器的設(shè)計(jì)流程

根據(jù)當(dāng)前換熱器在結(jié)構(gòu)和技術(shù)指標(biāo)層面的要求不難得出，傳統(tǒng)常規(guī)的再沸器呈現(xiàn)出一種自帶蒸發(fā)空間的臥式換熱器結(jié)構(gòu)體系，需要加熱的操作介質(zhì)走殼程，并借助管線和塔體鏈接在一起。而高通量換熱器則是一種立式換熱器，需要加熱的操作介質(zhì)走的是管程，且換熱器直接連接到塔體。換熱管作為其內(nèi)部傳熱實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵元件，在傳統(tǒng)的換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作中，換熱器是其中最為薄弱的地方，主要是因?yàn)閾Q熱管在工作的時(shí)候，其兩面都會(huì)接受介質(zhì)的腐蝕，但卻忽視了腐蝕裕量，為此就會(huì)經(jīng)常性出現(xiàn)因?yàn)榇┩感愿g帶來(lái)的堵管問(wèn)題。但之前傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中所用到的換熱面積放大方式最終帶來(lái)的是能源消耗顯著增加但換熱效果卻不見(jiàn)提升，而高通量換熱管的應(yīng)用則可以十分有效的解決這一問(wèn)題。高通量換熱管的兩端是光管和管板貼脹，并且管端和管板之間進(jìn)行了高強(qiáng)度焊接，且其中間段的外表面是需要沿著軸線將之軋制成條形齒狀，并且其內(nèi)部表面需要將一層多孔合金燒結(jié)其上。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完成之后，則需要根據(jù)實(shí)際的工作溫度環(huán)境要求選擇制造材料，一般而言選擇的都是銅鎳合金。而在針對(duì)殼程筒體制造選擇材料的時(shí)候，則需要將材料的強(qiáng)度、耐腐蝕性等因素全面考慮，并控制材料和換熱管的線膨脹系數(shù)數(shù)值較為接近。上管箱的結(jié)構(gòu)及其材料都需要根據(jù)實(shí)際用途做出合理的設(shè)計(jì)。同時(shí)，由于換熱管需要長(zhǎng)時(shí)間在某些介質(zhì)中維持著較高符合的工作狀態(tài)，會(huì)有一定的出現(xiàn)結(jié)垢現(xiàn)象的可能性。為此，在設(shè)計(jì)換熱器的過(guò)程中，為了保障換熱器不會(huì)因?yàn)槲酃傅闹萍s而出現(xiàn)負(fù)荷能力降低的現(xiàn)象，需要合理的考慮換熱器結(jié)垢的傾向性，最終選擇合適的污垢系數(shù)。

3.2 高通量換熱器的開(kāi)發(fā)制造流程

作為高通量換熱器換熱處理關(guān)鍵元件的高通量換熱管，由于其制造材料種類多元化，這也導(dǎo)致高通量換熱管制造工藝的參數(shù)存在著較大的差異，但基本的生產(chǎn)工序包括如下八個(gè)流程：

第一，基管涂敷前的準(zhǔn)備工作，主要包括了除油、除銹等環(huán)節(jié)，在保障換熱管表面清潔性的前提下，方可確保多孔層的燒結(jié)質(zhì)量；

第二，調(diào)配涂敷材料。以制造工藝的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)要求為依據(jù)將特定的燒結(jié)粉末和助涂劑使用合理的比例數(shù)值調(diào)配為涂敷料；

第三，涂敷換熱管的表面。在，滿足多孔層的厚度及均勻程度要求的同時(shí)，使用不同的設(shè)施涂敷換熱管的內(nèi)外側(cè)，并且可以通過(guò)自動(dòng)化控制的使用確保多孔層的涂敷質(zhì)量；

第四，燒結(jié)多孔層。燒結(jié)工作的主要目的是幫助粉末顆粒之間及多孔層和基管之間可以形成較為良好的冶金結(jié)合，確保其結(jié)構(gòu)參數(shù)和強(qiáng)度數(shù)值可以符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。在這個(gè)過(guò)程中，需要嚴(yán)格按照工藝操作規(guī)范要求進(jìn)行燒結(jié)，以此來(lái)避免出現(xiàn)換熱管特別是多孔層的氧化問(wèn)題；

第五，通過(guò)熱處理保障換熱管的機(jī)械性能符合標(biāo)準(zhǔn)要求；

第六，在換熱管表面涂敷用于預(yù)防氧化腐蝕的防銹油層，其該層需要不會(huì)對(duì)換熱管的后期應(yīng)用產(chǎn)生任何影響；

第七，做好換熱管的防塵處理及包裝工作；

第八，嚴(yán)格按照現(xiàn)行相關(guān)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)對(duì)換熱管的力學(xué)、工藝性能等數(shù)據(jù)指標(biāo)進(jìn)行檢驗(yàn)。

4 高通量換熱器的實(shí)際應(yīng)用分析

對(duì)于煉油、乙烯、化工等行業(yè)來(lái)說(shuō)，其生產(chǎn)裝置中所采用的數(shù)量較多的蒸發(fā)器、汽化器等裝置中也同樣可以使用高通量換熱器。同時(shí)國(guó)內(nèi)的諸多化工和煉油企業(yè)的建成之后，也會(huì)隨著企業(yè)規(guī)模的擴(kuò)大和經(jīng)濟(jì)利益的增加進(jìn)行不斷的改造擴(kuò)容，又或者是購(gòu)置全新的裝置，而在這些裝置經(jīng)過(guò)多次改造之后就出現(xiàn)了諸多的設(shè)備能源使用瓶頸。在這種情況下，表面多孔管高通量換熱管就可以廣泛地應(yīng)用在這些裝置中，尤其是在原有的換熱設(shè)施所具備的傳熱面積無(wú)法有效滿足工業(yè)生產(chǎn)實(shí)際需求，且因?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)空間的制約無(wú)法更換符合生產(chǎn)要求的換熱設(shè)備的情況下，高通量換熱器的使用可以在維持原有換熱設(shè)施尺寸數(shù)值不變的前提下，將其中的傳統(tǒng)換熱器技術(shù)進(jìn)行去全面的替代。在進(jìn)行裝置擴(kuò)容改造工作的過(guò)程中，甚至于可以只將原有的換熱設(shè)施中的管束進(jìn)行替換，而其中原有的封頭、殼體、管路等仍可繼續(xù)進(jìn)行使用，這對(duì)企業(yè)而言無(wú)疑是節(jié)省了大量的裝置改造費(fèi)用。除此之外，表面多孔高通量換熱器能夠在不提升設(shè)備體積數(shù)值的前提下，提升設(shè)備的傳熱能力30%～50%，極大的提升企業(yè)的生產(chǎn)效率。

表面多孔管高通量換熱器的應(yīng)用可以極大的降低所需的發(fā)生面積和設(shè)備的結(jié)構(gòu)尺寸，尤其是對(duì)于那些規(guī)模較大的重沸器項(xiàng)目來(lái)說(shuō)，可以顯著地減少換熱器的總體數(shù)量，并且能夠在管路、控制、地基施工費(fèi)用等方面做出進(jìn)一步的節(jié)省。也正因?yàn)槿绱?，在近些年?lái)新設(shè)計(jì)的大型芳烴、乙烯等生產(chǎn)裝置中，高通量管已經(jīng)得到了規(guī)?；膽?yīng)用。比如產(chǎn)量為100萬(wàn)噸/年的裝置重整單元抽余液塔再沸器。在使用的時(shí)候，需要使用6臺(tái)大型的普通列管式再沸器，如此一來(lái)，就對(duì)現(xiàn)場(chǎng)空間和布置工作提出了更高的要求，通過(guò)使用燒結(jié)性的高通量換熱管，只需要使用兩臺(tái)的高通量再沸器便可有效地滿足實(shí)際的企業(yè)生產(chǎn)需求。就當(dāng)前的情況來(lái)看，國(guó)內(nèi)的高通量換熱器生產(chǎn)技術(shù)已經(jīng)逐漸趨于成熟，并且換熱器質(zhì)量保證體系也逐漸趨于完善，和國(guó)際先進(jìn)水平之間的差距也逐漸縮小，使得國(guó)內(nèi)的高通量換熱器具備了較高國(guó)際市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，為國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展做出了較大的貢獻(xiàn)。

5 結(jié)語(yǔ)

高通量換熱器在設(shè)計(jì)、加工、制造等方面均具備顯著的獨(dú)有特點(diǎn)，并且國(guó)內(nèi)的高通量換熱器，在經(jīng)過(guò)多年的研制和實(shí)踐應(yīng)用之后，對(duì)于高通量換熱器以及換熱管的設(shè)計(jì)制造等關(guān)鍵技術(shù)已經(jīng)深度地掌握并進(jìn)行了相應(yīng)的創(chuàng)新，在提升我國(guó)各個(gè)行業(yè)的生產(chǎn)效率的同時(shí)，也使得我國(guó)的高通量換熱器產(chǎn)品進(jìn)入到了國(guó)際市場(chǎng)中，這也就意味著我國(guó)的高通量換熱器技術(shù)進(jìn)入了國(guó)際先進(jìn)行列。高通量換熱器本身在傳熱強(qiáng)化、節(jié)能降耗等方面具備著十分顯著的效果，能夠規(guī)?；膽?yīng)用在煉油、石化等工業(yè)裝置中的重沸器等內(nèi)部。除此之外，天然氣的凈化和氣體分離裝置中也可以使用高通量換熱器，能夠在降低換熱面積總數(shù)的同時(shí)減少溫差數(shù)值，降低整體的能源消耗數(shù)量。