波纹管换热器的结构特点与应用

2015-10-21任伟平

石油化工建设 2015年4期

任伟平

西安石油大学陕西西安 710065

波纹管换热器是一种强化传热节能高效的换热设备，其结构见图1。它在传统换热器的基础上，应用强化传热和力学理论对传统换热器进行了突破。它继承了管式换热器的坚固、耐用、安全、可靠等优点，同时克服了其换热能力差、易结垢的缺陷。波纹管能起到温差补偿的作用，由于温差应力的作用，换热管会自动清除表面污垢。波纹管换热器具有强化传热和清除污垢的双重功效，结构简单，投资低，热效率高，广泛应用于换热装置上，在石油化工等行业中都取得了良好的效益。

图1 波纹管换热器结构

1 波纹管换热器的强化传热原理与结构特点

1.1 强化传热原理

波纹管换热器采用波纹管替代光管，将波纹管与管壳式结构两者的优点相结合，使换热器具有良好的传热效果。波纹管是一种双面强化的传热管型，内壁与外壁都被轧成波纹状，内壁能改变流体边界层的流动状态，外壁能增大传热表面积，从而达到双面传热的目的，其强化传热示意见图2。

流体在管内流动和传热分为两部分：直管中，流体呈等径流束，由于直段长度较短，流体在管壁附近的层流边界层尚未充分展开，流型开始改变；弧管中，流体呈变径流束，在弧管的进口处会产生喷射效果，使得管内产生漩涡和横向流，对流体的边界层和污垢层产生破坏力，显著提高弧管的传热系数。

图2 强化传热示意图

1.2 结构特点

波纹管换热器其外表与普通换热器类似，壳程采用普通的圆筒型结构，相比普通换热器，最大的特点是管程采用薄壁波纹式换热管，管料经过挤波器加工而成，使换热管壁形成凸起，并经过与其焊接的管套，与管板进行强度焊接而成。

2 波纹管换热器的性能分析

2.1 换热性能分析

2.1.1 传热效率高

波纹管换热器是依靠独特的传热元件-波节管来实现的。波节管特殊的波峰与波谷设计，使流体流动时由于管内外截面连续不断地突变形成强烈湍流，即使在流速很小的情况下，流体在管内外均可形成强烈扰动，大大提高了换热管的传热系数，其传热系数比传统管式换热器高2～3倍。

2.1.2 换热面积大

由于采用波纹换热管，外表面形成波纹，所以内外表面积均比同长度的光管大，所以波纹管换热器比普通换热器换热面积大。

2.1.3 防垢能力强

由于管内流体的高速湍流，使流体中的微粒难以沉积结垢，即使有少量污垢生成，由于波纹管上存在的管程壳程温差应力而产生的应变，使具有弹性特征的波纹管曲率发生微观变化，从而使波纹管换热器具有防垢和除垢的特性。介质在管内外的高速湍流对管壁冲刷强烈，波纹管表面的光滑弧线也能抑制污垢的生成。

2.2 使用性能分析

2.2.1 不污、不堵、不结垢，运行平稳

波纹管在工作过程中，一方面管内外介质始终处于高度湍流状态，使得介质中的固体微粒难以沉积结垢；另一方面受介质温差影响，波节管会产生微量的轴向伸缩变形，管内外的曲率会随之频繁变化，由于垢层和波节管的线膨胀系数相差很大，所以污垢和换热管之间会产生较大的拉脱力，即使有污垢沉着也会因此破裂而自动脱落，从而使换热器始终保持持久、高效的换热性能。同时管路通道大，压降小、节能效果明显，也不存在堵塞问题。

2.2.2 具有自动补偿功能

波纹管的特殊结构形状，使其在受热情况下，能有效的降低热应力，无须加设膨胀节，从而简化了产品结构，提高了产品的可靠性。

2.2.3 防震能力强

波纹管与套管焊接后，再与管板相焊的结构，这样就使波纹换热管与管板不直接接触，减少了因厚度差引起的局部应力。另外与波纹管焊接的套管处，采用了缓冲节结构，提高了其抗震性能。

2.2.4 减少设备维修量

由于波纹管换热器不污、不堵、不腐蚀、不结垢，密封性能好，因此不必年年检修。维修时工作量也很小。

2.2.5 较高的承压能力由于换热管做成波纹型结构，对比光管增强了其承载压力的能力，使其更适合在较高压力下工作。

2.2.6 结构紧凑，既小又轻

由于传热系数明显提高，因而在换热面积相同的情况下，外形尺寸减小，波纹管管壁较薄，所以波纹管换热器结构紧凑，既小又轻。