新型U形管換熱器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及工業(yè)應(yīng)用

0  引言
    在高壓工況下，常用的換熱器主要有螺紋鎖緊環(huán)換熱器、Ω環(huán)換熱器、套管式換熱器、U形管換熱器。螺紋鎖緊環(huán)換熱器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、金屬耗量大、機(jī)加工配合件多、造價(jià)高、檢修工作量大；Ω環(huán)換熱器的Ω環(huán)加工難度大、檢修不方便；套管式換熱器在同樣換熱面積時(shí)所需空間大、單位傳熱面積的價(jià)格高，一般只適用于傳熱面積較小的場合；U形管換熱器具有結(jié)構(gòu)簡單、金屬耗量最小等優(yōu)點(diǎn)。所以，在高壓工況下U形管換熱器比螺紋鎖緊環(huán)換熱器、
    Ω環(huán)換熱器、套管式換熱器的用量大。為避免普通U形管換熱器的諸多不足之處，我們開發(fā)了一種高效、安全、可靠的新型U形管換熱器，并獲得了技術(shù)專利權(quán)。
1  結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及優(yōu)點(diǎn)
    普通U形管換熱器的殼體一般為圓筒形，僅有一塊管板，將換熱管彎成U形，管子兩端固定在同一塊管板上。優(yōu)點(diǎn)是：因殼體和管子分開，管束可以自由伸縮，不會因管壁與殼壁之間的溫度差而產(chǎn)生熱應(yīng)力，熱補(bǔ)償性能好；管程為雙程，流程較長，流速較高，管側(cè)傳熱性能好，承壓能力強(qiáng)；只有一塊管板，且無浮頭，所以結(jié)構(gòu)簡單。在直徑相同的情況下?lián)Q熱面積最大，在高壓工況下金屬耗量比其他換熱器小，造價(jià)比其他換熱器低等。缺點(diǎn)有：U形管束與換熱管垂直方向的中心部位存在較大空隙，易結(jié)垢，流體易走短路，使傳熱效率降低；
    管板上排列的換熱管較少，管板直徑及厚度均較大，管子與管板間的殘余焊接應(yīng)力大；換熱管的彎管段無支承件，管束易振動(dòng)，易在此處形成殼程流體流動(dòng)死區(qū)，易結(jié)垢，影響傳熱效果；需將管束從殼體內(nèi)抽出才能清洗管間污垢等。
    新型U形管換熱器的結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由管箱、管板、清洗接口、換熱管、筒體、管間支承件、支座等組成。在流體流量較大、所需換熱面積較大的情況下，換熱器可由圖1所示換熱器串聯(lián)或并聯(lián)組成，或串、并聯(lián)混合聯(lián)接組成。該種換熱器的主要特點(diǎn)是：將換熱器的筒體和換熱管均設(shè)計(jì)制造成U型，換熱管的兩端分別固定在兩塊管板上；在U形換熱管的彎管段設(shè)置折流桿或彈簧等管間支承件；在簡體上設(shè)置供殼程清洗、排污用的接口。

2  應(yīng)用實(shí)例
    某化肥企業(yè)聯(lián)醇裝置中的粗甲醇水冷器的工藝條件如下：氣量為100000Nm／h3左右，進(jìn)氣溫度≤95℃，出氣溫度≤40℃，進(jìn)氣壓力≤12.5MPa，進(jìn)水溫度≤35℃，進(jìn)水壓力≤0.38MPa，水冷器的循環(huán)水進(jìn)出口壓差≤0.2MPa。該水冷器原來由兩臺傳熱面積為240m2、管間支承件為折流板的普通U形管換熱器串聯(lián)組成，管內(nèi)介質(zhì)為氣體，管間介質(zhì)為循環(huán)水。
    投產(chǎn)初期基本能滿足生產(chǎn)要求。大約運(yùn)行一年后出現(xiàn)了下列問題：管子與管板間焊縫多處開裂，且補(bǔ)焊不久又重新開裂；多根換熱管磨損、甚至穿孔，不得不多次堵管；殼程結(jié)垢較嚴(yán)重，且清洗不方便；傳熱效率低，高溫季節(jié)水冷器的氣體出口溫度高達(dá)50℃，導(dǎo)致分離器出口氣體的醇含量偏高，每天損失大約2.5噸粗甲醇。我們認(rèn)為主要原因是：管子與管板之間的連接采用了先脹后焊工藝，焊接時(shí)脹管過程中遺留于縫隙中的油污在高溫下生成氣體并受熱膨脹而從焊縫面逸出，嚴(yán)重影響焊縫質(zhì)量。且管子與管板間焊縫未進(jìn)行消除應(yīng)力退火處理；組合應(yīng)用U形管與折流板，且U形管的彎管段無管間支承件，導(dǎo)致較大的流體流動(dòng)誘發(fā)振動(dòng)，造成換熱管與折流板間的撞擊與磨損；殼程流體走短路，存在流動(dòng)死區(qū)。
    該化肥企業(yè)在粗甲醇水冷器的更新改造中，選用了圖1所示的新型U形管換熱器。由四臺換熱面積為120m2的換熱器串、并聯(lián)混合聯(lián)接組成。鑒于該水冷器在使用過程中有多根換熱管被磨損，且殼程結(jié)垢嚴(yán)重，管間支承件選用了折流桿，以在換熱器的殼側(cè)建立固有的、無障礙的、大橫截面流體流道殼側(cè)流體，在整個(gè)殼程斷面內(nèi)以比較均勻的速度平行于管子軸向流動(dòng)，消除管束產(chǎn)生流體誘導(dǎo)振動(dòng)的根源和殼程內(nèi)嚴(yán)重的滯流區(qū)域，產(chǎn)生由支撐桿引起的流體“卡曼旋渦”分離和折流圈引發(fā)的“文丘里”效應(yīng)，以防止管束振動(dòng)，減少殼側(cè)污垢，強(qiáng)化殼程傳熱，降低殼側(cè)壓降。為防止冷卻水沖刷殼程進(jìn)口處的換熱管段并造成侵蝕及振動(dòng)，減小殼程進(jìn)出口接管與管板間的介質(zhì)停滯區(qū)而增加換熱管的有效換熱長度，避免因?qū)Я魍舱紦?jù)殼程空間而減少管板上的排管數(shù)，在殼程進(jìn)出口處設(shè)置了外導(dǎo)流筒。換熱管與管板之間的連接方式選用先焊后脹的強(qiáng)度焊加貼脹，并對管子與管板間焊縫進(jìn)行消除應(yīng)力退火處理，以保證管子與管板間連接接頭的可靠性。
    新型U形管換熱器投入系統(tǒng)運(yùn)行兩年半后，仍能完全滿足工藝要求，且未曾出現(xiàn)換熱管與管板間連接接頭失效的情況。表1是新、老粗甲醇水冷器在各自投入系統(tǒng)運(yùn)行兩年半后的換熱效果對比情況。   

3  結(jié)語   
    與普通U形管換熱器相比，新型U形管換熱器具有下列優(yōu)點(diǎn)：換熱器的簡體與換熱管均為U形，與換熱管垂直方向的管束中心處無較大空隙，殼程流體不易走短路或形成流體流動(dòng)死區(qū)，管間不易結(jié)垢；在U形換熱管的彎曲段設(shè)置了折流桿或彈簧、波網(wǎng)、空心環(huán)等管間支承件，可降低管束振動(dòng)，強(qiáng)化換熱管彎曲段的傳熱；在筒體上設(shè)置了供殼程清洗用的清洗接口，方便殼程清洗；U形換熱管兩端分別固定在兩塊管板上，減小了管板直徑和厚度，降低了管板與換熱管焊接時(shí)的拘束應(yīng)力及管子與管板間的焊接殘余應(yīng)力，提高了換熱器的安全可靠性。