CN102095332A

CN102095332A - 一种内置螺旋片的热交换管及其应用

Info

Publication number: CN102095332A
Application number: CN 201110044574
Authority: CN
Inventors: 倪志宇; 王学生; 黄志荣; 蒋晓东; 李培宁; 代晶晶
Original assignee: East China University of Science and Technology
Current assignee: East China University of Science and Technology
Priority date: 2011-02-24
Filing date: 2011-02-24
Publication date: 2011-06-15

Abstract

本发明涉及一种内置螺旋片的热交换管及其应用，所述内置螺旋片的热交换管包括热交换管(1)，其特征在于，在所述热交换管(1)内设置螺旋片(2)，所述螺旋片(2)为螺旋状，所述螺旋片(2)在热交换管(1)内侧沿轴向呈一节或连续多节分布。同时，本发明所提供的内置螺旋片的热交换管可布置于乙烯裂解炉的辐射段炉管中，也可布置于其他热交换器，如管壳式换热器中。从而实现了提高传热效率、强化传热效果、降低结焦、减少产能消耗、增长设备使用周期的目的。同时螺旋状的设计也减少了热交换管内部高速流体对管体内部的冲刷磨损现象的发生，进一步强化了传热效果。

Description

一种内置螺旋片的热交换管及其应用

技术领域

本发明涉及一种热交换管及其应用，更具体地说，本发明涉及一种内置螺旋片的热交换管及其在乙烯裂解炉的强化传热炉管中的应用，属于能源化工领域。

背景技术

乙烯裂解炉是石油化工中的重要设备，主要用于对裂解原料进行加热以实现裂解反应。高温、短停留时间和较低的烃分压的裂解反应是提高裂解选择性和裂解深度，进而提高乙烯、丙烯等关键化工产品收率的关键所在，故裂解反应过程需要大量的热量，使得裂解炉是乙烯装置的能耗大户，其能耗约占装置总能耗的60％，其中燃料消耗部分在全部燃料消耗中占90％以上。因此，采用强化传热技术，提高裂解炉传热效率是提升产量、减少能耗的重要途径。

为达到提高裂解选择性，增加传热效率，实现节能的目的，从20世纪80年代中期以来，许多公司推出了采用不同结构的异形管，或在圆管内外增加强化传热构件来提高炉管传热速率的新型炉管构型。

其中，Exxon公司提出将炉管内壁改成波纹状，以增大炉管比表面积，改善流体流动状态。波纹管的使用，使炉管传热效率提高11％，原料处理量增大10％～15％，流体速率提高8％，内表面积增大27.2％，管壁温度下降20～25℃。但是由于在生产过程中，产生的焦炭很快填满波纹管的凹槽，改善的传热效果并不突出。

此外还有Kellogg公司推出的将单程小直径圆形炉管改成内壁为8翅的梅花螺旋形炉管以及Kubota推出的MERT炉管等。虽然这些改良的炉管，可以强化传热，但同时又引入了许多其他问题，例如，结焦面积增大，流道过长导致停留时间延长，或者管体内侧被高速气流冲刷磨损严重，或者加工铸造比较困难。

为达到提高裂解选择性并解决前述存在的问题，目前国内主要存在以下相关专利。

申请(专利)号：200910080846.X专利名称：带扭曲片的换热器。该专利公开了一种带有扭曲片的换热器，在热交换管中设置有扭曲片，改变热交换管中流体流动形式，提高了传热效率，延长了设备使用周期。但该专利所采用的扭曲片对改变热交换管中流体流动形式的效果不甚明显，并不能充分延缓热交换管内的结焦趋势，并且在制造扭曲片的过程中扭曲误差较大，亦容易影响其技术效果。

发明内容

为解决以往存在的问题，本发明的目的在于提供一种内置螺旋片的热交换管，以克服传统乙烯裂解炉管传热效率低、易结焦、管壁被高速流体冲刷严重、加工铸造困难等缺陷，在热交换管内部制造一节或多节螺旋片，从而强化传热。所述内置螺旋片的热交换管性能稳定可靠，寿命长，可提高传热效率，减少结焦，降低能耗，延长乙烯裂解炉的使用周期，降低投资。同时，本发明的进一步目的是将这种内置螺旋片的热交换管应用于热交换器中，例如管壳式换热器，提高热交换器的管内传热系数，从而提高热交换器的总传热系数。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案为，一种内置螺旋片的热交换管，包括热交换管，其特征在于，在所述热交换管内设置螺旋片，所述螺旋片为螺旋状，所述螺旋片在热交换管内侧沿轴向呈一节或连续多节分布。

本发明在热交换管内设置螺旋片的目的在于改变热交换管内流体的流动状态，使流体进入热交换管后沿螺旋流道运动，进而强化传热效果，缓解管壁的结焦趋势，起到抗结焦的作用。

更优选地，所述螺旋片的轴向厚度接近于热交换管管壁厚度且小于热交换管管壁厚度。从而保证较好的传热效果，又不至于因管内气流速度过高而损坏螺旋片。

更优选地，所述螺旋片的径向宽度的取值范围大于或者等于所述螺旋片的轴向厚度、小于或者等于所述热交换管的内半径。目的在于根据对传热效果和压降要求的恰当选择所述螺旋片的径向宽度的取值，加强靠近热交换管内壁壁面流体的旋转流动和径向扰动，进而强化传热效果。

更优选地，所述螺旋片沿热交换管轴向的边缘与热交换管内壁相切。目的在于最大限度地减薄边界层，增加传热系数，强化传热效果。

更优选地，所述螺旋片焊接于热交换管内或与热交换管整体铸造在一起。目的在于使螺旋片沿热交换管轴向的边缘与热交换管内壁充分相切，实现螺旋片沿热交换管轴向的边缘与热交换管内壁的无缝接合，进一步确保传热效果。

更优选地，所述螺旋片的节距与所述热交换管的内直径的比值范围为0.5～10。目的在于根据对传热效果的要求恰当选择所述螺旋片的节距与所述热交换管的内直径的比值，调和热交换管内部流体的旋转流动程度和螺旋片对流体产生的流动阻力之间的关系，进而强化传热效果。

更优选地，所述螺旋片的螺旋方向为沿所述热交换管轴向左旋或沿所述热交换管轴向右旋。目的在于通过改变热交换管内部流体的流动状态从而达到强化传热效果的目的。

本发明提供的一种内置螺旋片的热交换管可布置于乙烯裂解炉的辐射段炉管中，同时也可布置于热交换器中，例如管壳式换热器。所述辐射段炉管或热交换器如管壳式换热器内部至少包含一段本发明提供的置螺旋片的热交换管。从而达到提高传热效率，降低结焦，减少能耗，延长设备使用寿命的目的。

本发明提供的一种内置螺旋片的热交换管，所述螺旋片可以只有一段，也可以是沿轴向间距分散的多段。

本发明提供的一种内置螺旋片的热交换管，通过在热交换管中设置螺旋片，从而实现了提高传热效率、强化传热效果、降低结焦、减少产能消耗、增长设备使用周期的目的。同时螺旋状的设计也减少了热交换管内部高速流体对管体内部的冲刷磨损现象的发生，进一步强化了传热效果。

附图说明

图1为本发明内置螺旋片的热交换管的结构示意图；

图2为螺旋片的径向宽度的取值为热交换管的内半径时的螺旋片结构示意图；

图3为螺旋片的径向宽度的取值大于螺旋片的轴向厚度且小于热交换管的内半径时的螺旋片结构示意图；

图4为内置单段多节螺旋片的热交换管结构示意图；

图5为内置多段螺旋片的热交换管结构示意图；

图6为内置螺旋片的热交换管在乙烯裂解炉内的布置示例图；

图7为内置螺旋片的热交换管在管壳式换热器内的布置示例图。

图1中，1、热交换管2、螺旋片。

具体实施方式

关键技术原理：

根据Prandtl的边界层理论，当流体沿着固体壁面流动时，靠近壁面会形成极薄的一层流体，该层流体流动速度较慢，附在管壁面且不易滑脱，这样便在管内壁形成了一个流动边界层。在管内中心区，热量通过对流方式传到湍流中心，从而传热效果好；而前述流体形成的流动边界层虽然很薄，但是传热阻力很大。因此，热交换管传热的最大阻力在于内壁的流动边界层，如果能够减少流动边界层的传热阻力，将大大增加热交换管的传热效率。为达到强化传热效果的目的，在热交换管内部设置螺旋片，可以改变管内流体的流动状态，使流动状态由活塞流变为旋转流，并引起二次流，促进径向混合，一方面在离心力影响下使中心区流体与边界层流体充分混合，形成温度均匀速度变化明显的核心区，降低壁温；另一方面径向流动扰动壁面附近的低速区，减薄边界层，克服传热阻力，从而强化了传热过程。同时，径向流动对管壁形成强烈的冲刷，使表面不易结焦，即使结焦，结焦层的厚度也会随管壁温度下降而变薄，从而延长了设备使用周期。

实施例

下面给出内置螺旋片的热交换管的结构参数取值范围、不同取值范围所产生的不同影响。

内置螺旋片热交换管的结构示意图和相关尺寸参数如图1所示。其中D是热交换管1的内直径。本发明所提供的螺旋片2，其外边缘必须始终与管内壁接触，因此螺旋片2外边缘螺旋轨迹方向始终与管内壁相切，螺旋线外直径即是管内径。S是螺旋片的节距，可定义为从螺旋片2的起始端旋转360°到下一个重复形状的起始端之间的轴向长度，也可定义为在管轴方向上螺旋片2与管内壁接触的两个相邻点的距离。扭曲比Y被定义为节距S与管内直径的比值，即：Y＝S/D。图1中W是螺旋片2的径向宽度，T是螺旋片2的厚度。

扭曲比Y表征了螺旋片2的螺旋密度，取值范围在2到10之间。Y值越小，说明螺旋片2在热交换管1内排列分布越紧密，热交换管1内部流体的旋转流动程度越大，强化传热效果越强，对于减少结焦的贡献越大。然而同时流动阻力也会增大，进而减缓流体的流动速度。

反之，Y值越大，说明螺旋片2在热交换管1内排列分布越稀疏，产生的流动阻力和对流体速度的影响越小，然而同时热交换管1内部流体的旋转流动程度越小，强化传热效果越弱，减少结焦贡献越小。

径向宽度W的取值范围在螺旋片2厚度T和热交换管1内半径即D/2之间：T≤W≤D/2。当W＝D/2时，螺旋片2完全覆盖于管内部，产生的旋转流动程度最大，但是对流体流动的阻力也最大。W减小时，整体的旋转流动程度减小，靠近管壁的流体仍然产生旋转流动，管轴附近中心区的流体可以直接通过，减小了流动阻力。

根据本发明的技术原理，加强靠近壁面流体的旋转流动和径向扰动是强化传热效果的关键，而管轴附近中心区的流动速度相对较快，因此应根据对传热效果和压降的要求恰当选择径向宽度W的取值。

其中，W＝D/2的螺旋片2如图2所示，T＜W＜D/2的螺旋片2如图3所示。

螺旋片2的轴向厚度T应与热交换管1管壁厚度接近且小于热交换管1管壁厚度。

螺旋片2表面需打磨光滑。如图5所示，螺旋片2的螺旋方向可以是左旋，也可以使右旋。

本发明所提供的热交换管1内部每个包含螺旋片2的连续部分称为一段。从每段开始沿轴向距离一个节距的每个部分称为一节。

在热交换管1内沿轴向分布一节或多节螺旋片2。螺旋片2可以只有一段，也可以是沿热交换管1轴向间距分散的多段。每段热交换管1包含的螺旋片2可以是单节，也可以是连续多节。具体如图4，图5所示。图4所示为只有一段螺旋片2的情况，图5所示为包含有多段螺旋片2情况。图5左边一段为单节情况，右边一段为连续多节情况。

另，螺旋片2沿热交换管1轴向的边缘与热交换管1内壁相切，并固定在热交换管1内壁。螺旋片2可预先焊接在一段热交换管内，也可采用带螺旋片的热交换管模具，整铸成型。再将这段带有螺旋片的热交换管的两端采用焊接或其他适当方式串联在乙烯裂解炉管或其他型式的热交换管中。

本发明所提供的内置螺旋片的热交换管可布置于乙烯裂解炉的辐射段炉管中，如图6所示。也可布置于其他热交换器，如管壳式换热器中，如图7所示。

下面给出在热交换管内加入螺旋片前后的传热效果对比实验参数及实验结果。

实验参数：

表中：D为热交换管的内直径，W为螺旋片径向宽度，S为螺旋片的节距，T为螺旋片厚度。

实验结果：其中Nusselt数表示对流换热强烈程度的一个准数。

第一组Nusselt数约是光管的2.3倍(230％)

第一组摩擦阻力损失大约是光管的4.9倍

第二组Nusselt数约是光管的3.4倍(340％)

第二组摩擦阻力损失大约是光管的2.6倍

由如上实验数据可见，热交换管内加入螺旋片后，不仅大大增强了传热效果，而且其阻力损失也在可接受的范围内。

通过如上所述，即可制成内置螺旋片的热交换管。从而实现了提高传热效率、强化传热效果、降低结焦、减少产能消耗、增长设备使用周期的目的。同时螺旋状的设计也减少了热交换管内部高速流体对管体内部的冲刷磨损现象的发生，进一步强化了传热效果。

Claims

1.一种内置螺旋片的热交换管，包括热交换管(1)，其特征在于，在所述热交换管(1)内设置螺旋片(2)，所述螺旋片(2)为螺旋状，所述螺旋片(2)在热交换管(1)内侧沿轴向呈一节或连续多节分布。

2.根据权利要求1所述的内置螺旋片的热交换管，其特征在于，所述螺旋片(2)的轴向厚度接近于热交换管(1)管壁厚度且小于热交换管(1)管壁厚度。

3.根据权利要求1所述的内置螺旋片的热交换管，其特征在于，所述螺旋片(2)的径向宽度的取值范围大于或者等于所述螺旋片(2)的轴向厚度、小于或者等于所述热交换管(1)的内半径。

4.根据权利要求1所述的内置螺旋片的热交换管，其特征在于，所述螺旋片(2)沿热交换管(1)轴向的边缘与热交换管(1)内壁相切。

5.根据权利要求1所述的内置螺旋片的热交换管，其特征在于，所述螺旋片(2)焊接于热交换管(1)内或与热交换管(1)整体铸造在一起。

6.根据权利要求1所述的内置螺旋片的热交换管，其特征在于，所述螺旋片(2)的节距与所述热交换管(1)的内直径的比值范围为0.5～10。

7.根据权利要求1所述的内置螺旋片的热交换管，其特征在于，所述螺旋片(2)的螺旋方向为沿所述热交换管(1)轴向左旋或沿所述热交换管(1)轴向右旋。

8.如权利要求1所述的一种内置螺旋片的热交换管的应用，其特征在于，所述内置螺旋片的热交换管布置在乙烯裂解炉的辐射段炉管中，所述辐射段炉管至少包含一段所述内置螺旋片的热交换管。

9.根据权利要求8所述的一种内置螺旋片的热交换管的应用，其特征在于，还可用于布置在使用热交换管的换热器中，所述换热器内部至少包含一段所述内置螺旋片的热交换管。

10.根据权利要求9所述的一种内置螺旋片的热交换管的应用，其特征在于，所述使用热交换管的换热器为管壳式换热器。