高通量換熱器的研制開發及應用

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

0 引言

裝置大型化的問題在化工、石化等行業快速發展的影響下變得越發突出，同時，裝備的高效化發展儼然成為了阻礙裝置大型化發展的重要因素。在這種行業背景下，高效換熱器開發應用就成為了迫在眉睫的問題。除此之外，國家推行的能源戰略中，節能作為其中的要點，也就要求化工、石化等工業需要通過提升換熱設備的效率實現節能目標。高通量換熱器作為現今技術條件下傳熱效果最為優秀的管殼式傳熱器，得以在工業領域內規模化應用，并且國內的高通量換熱器生產制造也隨著時代發展逐漸拉近和國際水平的差距。文章就當下高通量換熱器額度開發、應用展開了研究探討。

1 高通量換熱管的性能分析

燒結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一層結構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，能夠做到顯著的強化沸騰傳熱，十分適用于烷烴、烯烴介質。燒結型的表面多孔管和光管相比，具備如下四點優勢：

第一，沸騰傳熱可以得到顯著的強化，同時這一環節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用。

第二，能夠在溫差相對較小的環境下維持沸騰，這也就意味著對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用價值。在再沸騰器中進行應用的時候，可以顯著降低需要的加熱蒸汽的等級。

第三，臨界熱負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。通過粉末冶金的相關理論知識不難看出，通過使用成分特定的粉末和粉末燒結技術進行有機的結合，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現了特定高空隙率多表層的燒結。

2 高通量換熱管強化傳熱原理分析

高通量換熱感作為一種在普通換熱管的表面通過使用粉末冶金技術將一層具備特定結構的多孔表面薄層燒結在其上的高效換熱管。其本身擁有的沸騰傳熱系數較之于普通的換熱管可以提升一個數量等級。同時，表面多孔的高通量換熱管所擁有的傳熱強化機理可以從如下三個方面進行解釋：

第一，沸騰傳熱速率和傳熱面氣泡出現的速度之間有著十分密切的關聯，普通換熱管上表面產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眾多的人為制造汽化核心，也正是因為這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，為此多孔表面管遠比光滑管的表面更加容易產生氣泡；

第二，呈現相互連通關系的多孔層在氣泡長大和逸出的過程中，會因為受到虹吸作用的影響，進一步促進局部液體流動速度的加快，并借此產生整體對流傳熱。同時燒結型表面多孔管的沸騰傳熱主要是通過隧道內的液膜和壁面二者之間形成的對流傳熱、薄膜蒸發以及整體對流三種方式來進行的；

第三，表面多孔層的存在顯著的提升了傳熱的表面積，能夠對傳熱起到積極的作用。

高通量換熱管與之前的普通換熱管相比，具備著如下兩個較為明顯的優勢：

第一，換熱系數可以提升3～10倍以上，也正因為如此高通量換熱管可以十分顯著的強化沸騰傳熱，并且所需要的換熱面積數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荷；

第二，具備著較為優秀的反堵塞能力。簡單說來，表面多孔型換熱管可以有效防止表面結垢現象的發生。

3 高通量換熱器的設計及開發流程

3.1 高通量換熱器的設計流程

根據當前換熱器在結構和技術指標層面的要求不難得出，傳統常規的再沸器呈現出一種自帶蒸發空間的臥式換熱器結構體系，需要加熱的操作介質走殼程，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走的是管程，且換熱器直接連接到塔體。換熱管作為其內部傳熱實現的關鍵元件，在傳統的換熱器結構設計工作中，換熱器是其中最為薄弱的地方，主要是因為換熱管在工作的時候，其兩面都會接受介質的腐蝕，但卻忽視了腐蝕裕量，為此就會經常性出現因為穿透性腐蝕帶來的堵管問題。但之前傳統設計中所用到的換熱面積放大方式最終帶來的是能源消耗顯著增加但換熱效果卻不見提升，而高通量換熱管的應用則可以十分有效的解決這一問題。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行了高強度焊接，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，并且其內部表面需要將一層多孔合金燒結其上。在結構設計完成之后，則需要根據實際的工作溫度環境要求選擇制造材料，一般而言選擇的都是銅鎳合金。而在針對殼程筒體制造選擇材料的時候，則需要將材料的強度、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數值較為接近。上管箱的結構及其材料都需要根據實際用途做出合理的設計。同時，由于換熱管需要長時間在某些介質中維持著較高符合的工作狀態，會有一定的出現結垢現象的可能性。為此，在設計換熱器的過程中，為了保障換熱器不會因為污垢的制約而出現負荷能力降低的現象，需要合理的考慮換熱器結垢的傾向性，最終選擇合適的污垢系數。

3.2 高通量換熱器的開發制造流程

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

第一，基管涂敷前的準備工作，主要包括了除油、除銹等環節，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質量；

第二，調配涂敷材料。以制造工藝的各項技術指標要求為依據將特定的燒結粉末和助涂劑使用合理的比例數值調配為涂敷料；

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，使用不同的設施涂敷換熱管的內外側，并且可以通過自動化控制的使用確保多孔層的涂敷質量；

第四，燒結多孔層。燒結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合，確保其結構參數和強度數值可以符合相關標準的要求。在這個過程中，需要嚴格按照工藝操作規范要求進行燒結，以此來避免出現換熱管特別是多孔層的氧化問題；

第五，通過熱處理保障換熱管的機械性能符合標準要求；

第六，在換熱管表面涂敷用于預防氧化腐蝕的防銹油層，其該層需要不會對換熱管的后期應用產生任何影響；

第七，做好換熱管的防塵處理及包裝工作；

第八，嚴格按照現行相關產品標準對換熱管的力學、工藝性能等數據指標進行檢驗。

4 高通量換熱器的實際應用分析

對于煉油、乙烯、化工等行業來說，其生產裝置中所采用的數量較多的蒸發器、汽化器等裝置中也同樣可以使用高通量換熱器。同時國內的諸多化工和煉油企業的建成之后，也會隨著企業規模的擴大和經濟利益的增加進行不斷的改造擴容，又或者是購置全新的裝置，而在這些裝置經過多次改造之后就出現了諸多的設備能源使用瓶頸。在這種情況下，表面多孔管高通量換熱管就可以廣泛地應用在這些裝置中，尤其是在原有的換熱設施所具備的傳熱面積無法有效滿足工業生產實際需求，且因為現場生產空間的制約無法更換符合生產要求的換熱設備的情況下，高通量換熱器的使用可以在維持原有換熱設施尺寸數值不變的前提下，將其中的傳統換熱器技術進行去全面的替代。在進行裝置擴容改造工作的過程中，甚至于可以只將原有的換熱設施中的管束進行替換，而其中原有的封頭、殼體、管路等仍可繼續進行使用，這對企業而言無疑是節省了大量的裝置改造費用。除此之外，表面多孔高通量換熱器能夠在不提升設備體積數值的前提下，提升設備的傳熱能力30%～50%，極大的提升企業的生產效率。

表面多孔管高通量換熱器的應用可以極大的降低所需的發生面積和設備的結構尺寸，尤其是對于那些規模較大的重沸器項目來說，可以顯著地減少換熱器的總體數量，并且能夠在管路、控制、地基施工費用等方面做出進一步的節省。也正因為如此，在近些年來新設計的大型芳烴、乙烯等生產裝置中，高通量管已經得到了規模化的應用。比如產量為100萬噸/年的裝置重整單元抽余液塔再沸器。在使用的時候，需要使用6臺大型的普通列管式再沸器，如此一來，就對現場空間和布置工作提出了更高的要求，通過使用燒結性的高通量換熱管，只需要使用兩臺的高通量再沸器便可有效地滿足實際的企業生產需求。就當前的情況來看，國內的高通量換熱器生產技術已經逐漸趨于成熟，并且換熱器質量保證體系也逐漸趨于完善，和國際先進水平之間的差距也逐漸縮小，使得國內的高通量換熱器具備了較高國際市場競爭力，為國民經濟發展做出了較大的貢獻。

5 結語

高通量換熱器在設計、加工、制造等方面均具備顯著的獨有特點，并且國內的高通量換熱器，在經過多年的研制和實踐應用之后，對于高通量換熱器以及換熱管的設計制造等關鍵技術已經深度地掌握并進行了相應的創新，在提升我國各個行業的生產效率的同時，也使得我國的高通量換熱器產品進入到了國際市場中，這也就意味著我國的高通量換熱器技術進入了國際先進行列。高通量換熱器本身在傳熱強化、節能降耗等方面具備著十分顯著的效果，能夠規模化的應用在煉油、石化等工業裝置中的重沸器等內部。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的同時減少溫差數值，降低整體的能源消耗數量。