纏繞式換熱器研發

王新霞（濟南擎雷換熱科技有限公司，山東 濟南 250400）

纏繞式換熱器研發

王新霞
（濟南擎雷換熱科技有限公司，山東 濟南 250400）

摘 要：本文詳細闡述了纏繞式換熱器的優點，節省能耗。換熱器是一種單體設備，它可以與其它設備組成一個系統。是化工及制藥、石油能源等行業中應用最為廣泛的單單體設備。據統計，換熱器在整個設備市場上的份額可以達到30%。

關鍵詞：纏繞式換熱器；節能；特殊的結構設計

本技術利用歐文湍流抖振頻率原理、聲共鳴準則，最終設計出一款雙螺旋反向纏繞的換熱器，擺脫了傳統換熱器換熱效率低、節能效果差以及容易結垢等弊病。

一、纏繞式換熱器可以實現以下技術功能

（1）高流速功能。雙螺旋纏繞式換熱器殼體小流速高，設計流速可達4.5m/s，流體在殼內形成湍流，直角連接，使流體直接沖刷管壁，使流體全部參與換熱。

（2）高換熱率。該項目產品管程長，通常是殼體的幾倍，不但有效地增加了單位體積內的換熱面積，還能使介質在管內停留的時間更長，換熱更充分，且管壁薄，只有0.6mm。

（3）適用高溫高壓的工作條件。這種新型的換熱器耐溫最高可以達到350℃，耐壓可以達到1.6MPa，并且設備本身全部采用GB24511-2009標準規定的不銹鋼材質，其獨特的螺旋纏繞結構本身對熱應力具有彈性的自補償作用，有效避免了熱應力的對換熱管的損傷，不會由于壓力和溫度不穩定而引起換熱管的變形。

適應性更強、更安全。

二、關鍵技術

（1）采用獨創的雙螺旋多層換熱管緊密反向纏繞技術。

雙螺紋纏繞式換熱器層與層之間的換熱管反向纏繞，每層纏繞因換熱管的粗細不同，所采取的工藝手段和工藝參數也不同。本項目通過反向纏繞技術，對不同的纏繞工藝進行了參數設定，可以達到纏繞后換熱管不變形、排列緊密有度、間隙最小和熱能利用最大化。

（2）采用90度角連接結構設計，使換熱器無結垢死角。

換熱器的結垢是一個復雜的過程，它與溫度梯度、水質情況、換熱管材表面光潔度、流速、流動狀態等因素都有關。在相同工況、水質的條件下，要使換熱器降低結垢情況，只有從技術方面進行改進。雙螺紋纏繞換熱器從以下幾方面進行了有益的探索：（a）換熱管束采用雙螺紋纏繞式結構。這一結構的設計使換熱器內部形成湍流，這樣使其內部降低了結垢的概率；（b）采用90度直角設計，這樣流體會因壓力形成的錘擊會降低結垢的情況；（c）采用整體不銹鋼材質，并要求其表面的粗糙度達到1.2μm，這樣結垢不易附著在其表面；（d）在熱交換過程降低其溫度梯度，這樣降低了結垢的概率。（e）雙螺紋纏繞式換熱器的設計流速達到4.5m/s，高流速使介質中的懸浮物及雜質不易附著在換熱管的內外表面，這也是降低換熱器結垢的主要因素。

由于雙螺紋纏繞式換熱器的優化設計，對于軟化水，換熱器不容易出現結垢的情況。根據已往的使用經驗，對于中國大部分地區的水質而言，這種雙螺紋纏繞式換熱器在采暖機組中的清洗周期一般為3年左右。

（3）采用換熱管最小間隙設計，利用兩大原理準則，解決換熱器管束振動問題。

本項目通過對換熱器流體引發振動的各種工況的深入研究和計算，得出流體力的相位以及流體力的作用點作用位置對換熱器管束響應之間的相互影響關系，由此對換熱器進行以下設計：（a）雙螺紋纏繞式換熱器利用歐文（OWEN）湍流抖振頻率準則原理，采用了換熱管束層與層之間最小間隙的設計，這咱設計可有效消除湍流抖振現象，延長換熱器的使用壽命。（b）雙螺紋纏繞式換熱器全部采用國標中規定的不銹鋼材質，其最高承壓能達到1.6MPa，最高耐溫可達到350℃，不會由于壓力和溫度不穩定而引起換熱器的變形；無需減溫減壓裝置。（c）內部結構設計時考慮了聲共鳴許用準則，有效抑制了聲駐波震動現象。

雙螺旋纏繞換熱器利用歐文（OWEN）湍流抖振頻率準則原理，應用了CFD（計算流體力學技術）、FEM（有限元技術），延長了換熱器的使用壽命。同時選用優質的水泵、閥門管件，延長使用壽命，降低流體阻力。

（4）采用變頻調控電能、電動溫控閥自動控溫的控制管理思路

以采暖系統中的控制為例，電機方面，集中供熱系統中水泵是核心設備，水泵電機效率的好壞直接決定了集中供熱采暖系統的電能耗量。所以提高水泵電機效率，減少電耗也是提高供熱節能的關鍵所在。采用變頻調控，可以實習那循環、補水的變頻自動調節，提高利用效率，避免浪費，達到節能效果。

溫度方面，采用電動溫控閥自動控溫，同時把供水溫度時間細化，避免浪費，達到節能效果。例如：分時段供暖，即把供暖的時間自動細化，一天分為2~8個時間段，①住宅區大體分為四個時段，早6∶00~10∶00供水溫度為90℃；10∶00~16∶00供水溫度為80℃；16∶00~22∶00供水溫度為90℃；22∶00~6∶00供水溫度為70℃。②辦公區大體可分為兩個時段，7∶00~19∶00供水溫度為90℃；19∶00~7∶00供水溫度為50℃。上面一切全是自動運行，這樣其節約蒸汽的效果十分可觀，以辦公區為例：他的凝結水溫下降40℃，且達到了采暖效果，按上面公式計算，一個采暖季，節標煤為10284kg。

三、技術優勢

（1）對傳熱性能進行了優化設計

在設計和選擇換熱器時，首先必須確定對換熱器起決定作用的冷熱流體的對數溫度差。一般來講，在換熱量一樣的情況下，溫度差越大，換熱所需的換熱面積越小，但是在日常的使用中并不是冷熱流體的溫度差越大越好。如何在提高傳熱效率的同時，使冷熱流體的能量充分交換，又盡量減少熱能的損失，保證高效的換熱，需要對換熱器的結構進行詳細的推敲和最優化的設計。

（2）結垢問題

據現有設備的使用情況，95%的普通列管式管殼換熱器都存在不同程度的結垢問題，換熱器一旦結垢，就會影響換熱效果，那么傳熱效率也會下降，其下降幅度平均可達30~50%左右。除了給企業造成直接的經濟損失之外，還會導致生產設備運行負荷過高，影響整個系統的運行能力。另外，換熱器內部結垢還會引起流體的壓力和阻力都增大，從而帶來整個系統能量消耗的增加，縮短設備的清洗周期，增加公司的運營成本。

（3）換熱器管束振動問題

換熱器內的流體誘導振動能導致一些破壞現象：（a）相鄰管間磨損。（b）連接處失效。（c）材料缺陷擴展。

參考文獻

[1]TSG R0004-2009，固定式壓力容器安全技術監察規程[S].

[2]GB 150.1~150.4-2011，壓力容器[S]. [3]HG/T 20583-2011，鋼制化工容器結構設計規定[S].

中圖分類號：TQ051

文獻標識碼：A