高通量换热器的研制开发及应用

李松山，李鹏，张小许(青岛兰石重型机械设备有限公司，山东 青岛 266555)

0 引言

装置大型化的问题在化工、石化等行业快速发展的影响下变得越发突出，同时，装备的高效化发展俨然成为了阻碍装置大型化发展的重要因素。在这种行业背景下，高效换热器开发应用就成为了迫在眉睫的问题。除此之外，国家推行的能源战略中，节能作为其中的要点，也就要求化工、石化等工业需要通过提升换热设备的效率实现节能目标。高通量换热器作为现今技术条件下传热效果最为优秀的管壳式传热器，得以在工业领域内规模化应用，并且国内的高通量换热器生产制造也随着时代发展逐渐拉近和国际水平的差距。文章就当下高通量换热器额度开发、应用展开了研究探讨。

1 高通量换热管的性能分析

烧结型高通量管是一种在普通换热管表面使用粉末冶金的方式烧结一层结构特定的多空表面的高效换热管。位于表面多孔层的凹穴和孔隙之间是相互连通的，能够做到显著的强化沸腾传热，十分适用于烷烃、烯烃介质。烧结型的表面多孔管和光管相比，具备如下四点优势：

第一，沸腾传热可以得到显著的强化，同时这一环节所需要的换热面积也可以缩减50%左右，能够在大型的乙烯和芳烃的化工和石化装置中得到广泛的应用。

第二，能够在温差相对较小的环境下维持沸腾，这也就意味着对于低品位能量的回收和低温沸腾的换热等方面具备着较大的应用价值。在再沸腾器中进行应用的时候，可以显著降低需要的加热蒸汽的等级。

第三，临界热负荷相比于普通光管高出50%至上。

第四，具备着较高的阻垢性能水平。通过粉末冶金的相关理论知识不难看出，通过使用成分特定的粉末和粉末烧结技术进行有机的结合，可以确保换热管所具备的基本性能在不受到较大影响的情况下实现了特定高空隙率多表层的烧结。

2 高通量换热管强化传热原理分析

高通量换热感作为一种在普通换热管的表面通过使用粉末冶金技术将一层具备特定结构的多孔表面薄层烧结在其上的高效换热管。其本身拥有的沸腾传热系数较之于普通的换热管可以提升一个数量等级。同时，表面多孔的高通量换热管所拥有的传热强化机理可以从如下三个方面进行解释：

第一，沸腾传热速率和传热面气泡出现的速度之间有着十分密切的关联，普通换热管上表面产生的气泡的气化核心是其原本就存在的表面缺陷之一，而表面多孔换热管存在着为数众多的人为制造汽化核心，也正是因为这些人为制造汽化核心的存在，使得气泡成核的速度大幅度提高，为此多孔表面管远比光滑管的表面更加容易产生气泡；

第二，呈现相互连通关系的多孔层在气泡长大和逸出的过程中，会因为受到虹吸作用的影响，进一步促进局部液体流动速度的加快，并借此产生整体对流传热。同时烧结型表面多孔管的沸腾传热主要是通过隧道内的液膜和壁面二者之间形成的对流传热、薄膜蒸发以及整体对流三种方式来进行的；

第三，表面多孔层的存在显著的提升了传热的表面积，能够对传热起到积极的作用。

高通量换热管与之前的普通换热管相比，具备着如下两个较为明显的优势：

第一，换热系数可以提升3～10倍以上，也正因为如此高通量换热管可以十分显著的强化沸腾传热，并且所需要的换热面积数值可以缩减到原本的1/2，换言之，如果使用同样的换热面积，可以显著的提升整体的换热效果和热负荷；

第二，具备着较为优秀的反堵塞能力。简单说来，表面多孔型换热管可以有效防止表面结垢现象的发生。

3 高通量换热器的设计及开发流程

3.1 高通量换热器的设计流程

根据当前换热器在结构和技术指标层面的要求不难得出，传统常规的再沸器呈现出一种自带蒸发空间的卧式换热器结构体系，需要加热的操作介质走壳程，并借助管线和塔体链接在一起。而高通量换热器则是一种立式换热器，需要加热的操作介质走的是管程，且换热器直接连接到塔体。换热管作为其内部传热实现的关键元件，在传统的换热器结构设计工作中，换热器是其中最为薄弱的地方，主要是因为换热管在工作的时候，其两面都会接受介质的腐蚀，但却忽视了腐蚀裕量，为此就会经常性出现因为穿透性腐蚀带来的堵管问题。但之前传统设计中所用到的换热面积放大方式最终带来的是能源消耗显著增加但换热效果却不见提升，而高通量换热管的应用则可以十分有效的解决这一问题。高通量换热管的两端是光管和管板贴胀，并且管端和管板之间进行了高强度焊接，且其中间段的外表面是需要沿着轴线将之轧制成条形齿状，并且其内部表面需要将一层多孔合金烧结其上。在结构设计完成之后，则需要根据实际的工作温度环境要求选择制造材料，一般而言选择的都是铜镍合金。而在针对壳程筒体制造选择材料的时候，则需要将材料的强度、耐腐蚀性等因素全面考虑，并控制材料和换热管的线膨胀系数数值较为接近。上管箱的结构及其材料都需要根据实际用途做出合理的设计。同时，由于换热管需要长时间在某些介质中维持着较高符合的工作状态，会有一定的出现结垢现象的可能性。为此，在设计换热器的过程中，为了保障换热器不会因为污垢的制约而出现负荷能力降低的现象，需要合理的考虑换热器结垢的倾向性，最终选择合适的污垢系数。

3.2 高通量换热器的开发制造流程

作为高通量换热器换热处理关键元件的高通量换热管，由于其制造材料种类多元化，这也导致高通量换热管制造工艺的参数存在着较大的差异，但基本的生产工序包括如下八个流程：

第一，基管涂敷前的准备工作，主要包括了除油、除锈等环节，在保障换热管表面清洁性的前提下，方可确保多孔层的烧结质量；

第二，调配涂敷材料。以制造工艺的各项技术指标要求为依据将特定的烧结粉末和助涂剂使用合理的比例数值调配为涂敷料；

第三，涂敷换热管的表面。在，满足多孔层的厚度及均匀程度要求的同时，使用不同的设施涂敷换热管的内外侧，并且可以通过自动化控制的使用确保多孔层的涂敷质量；

第四，烧结多孔层。烧结工作的主要目的是帮助粉末颗粒之间及多孔层和基管之间可以形成较为良好的冶金结合，确保其结构参数和强度数值可以符合相关标准的要求。在这个过程中，需要严格按照工艺操作规范要求进行烧结，以此来避免出现换热管特别是多孔层的氧化问题；

第五，通过热处理保障换热管的机械性能符合标准要求；

第六，在换热管表面涂敷用于预防氧化腐蚀的防锈油层，其该层需要不会对换热管的后期应用产生任何影响；

第七，做好换热管的防尘处理及包装工作；

第八，严格按照现行相关产品标准对换热管的力学、工艺性能等数据指标进行检验。

4 高通量换热器的实际应用分析

对于炼油、乙烯、化工等行业来说，其生产装置中所采用的数量较多的蒸发器、汽化器等装置中也同样可以使用高通量换热器。同时国内的诸多化工和炼油企业的建成之后，也会随着企业规模的扩大和经济利益的增加进行不断的改造扩容，又或者是购置全新的装置，而在这些装置经过多次改造之后就出现了诸多的设备能源使用瓶颈。在这种情况下，表面多孔管高通量换热管就可以广泛地应用在这些装置中，尤其是在原有的换热设施所具备的传热面积无法有效满足工业生产实际需求，且因为现场生产空间的制约无法更换符合生产要求的换热设备的情况下，高通量换热器的使用可以在维持原有换热设施尺寸数值不变的前提下，将其中的传统换热器技术进行去全面的替代。在进行装置扩容改造工作的过程中，甚至于可以只将原有的换热设施中的管束进行替换，而其中原有的封头、壳体、管路等仍可继续进行使用，这对企业而言无疑是节省了大量的装置改造费用。除此之外，表面多孔高通量换热器能够在不提升设备体积数值的前提下，提升设备的传热能力30%～50%，极大的提升企业的生产效率。

表面多孔管高通量换热器的应用可以极大的降低所需的发生面积和设备的结构尺寸，尤其是对于那些规模较大的重沸器项目来说，可以显著地减少换热器的总体数量，并且能够在管路、控制、地基施工费用等方面做出进一步的节省。也正因为如此，在近些年来新设计的大型芳烃、乙烯等生产装置中，高通量管已经得到了规模化的应用。比如产量为100万吨/年的装置重整单元抽余液塔再沸器。在使用的时候，需要使用6台大型的普通列管式再沸器，如此一来，就对现场空间和布置工作提出了更高的要求，通过使用烧结性的高通量换热管，只需要使用两台的高通量再沸器便可有效地满足实际的企业生产需求。就当前的情况来看，国内的高通量换热器生产技术已经逐渐趋于成熟，并且换热器质量保证体系也逐渐趋于完善，和国际先进水平之间的差距也逐渐缩小，使得国内的高通量换热器具备了较高国际市场竞争力，为国民经济发展做出了较大的贡献。

5 结语

高通量换热器在设计、加工、制造等方面均具备显著的独有特点，并且国内的高通量换热器，在经过多年的研制和实践应用之后，对于高通量换热器以及换热管的设计制造等关键技术已经深度地掌握并进行了相应的创新，在提升我国各个行业的生产效率的同时，也使得我国的高通量换热器产品进入到了国际市场中，这也就意味着我国的高通量换热器技术进入了国际先进行列。高通量换热器本身在传热强化、节能降耗等方面具备着十分显著的效果，能够规模化的应用在炼油、石化等工业装置中的重沸器等内部。除此之外，天然气的净化和气体分离装置中也可以使用高通量换热器，能够在降低换热面积总数的同时减少温差数值，降低整体的能源消耗数量。