螺纹管和翅片管传热性能分析及其应用_李春兰.pdf

第26期第6期石油化工设备Vol.26No.61997年11月PETRO-CHEMICAL EQUIPM ENT Nov.1997螺纹管和翅片管传热性能分析及其应用兰州长征机械厂(兰州 730050)工程师 李春兰兰州石油机械研究所工程师 杨国恒摘要介绍了螺纹管和翅片管的结构特点和常用的性能参数,分析了其传热性能以及在管壳式换热器和空冷器中的应用前景。关键词换热器翅片管螺纹管传热性能分析应用中图法分类号TQ 051.503在炼油及石化等工业领域,换热器的应用已十分广泛。目前,强化管内外流体传热,提高传热效率是其研究开发工作的重点。为了实现强化传热,在换热管的研制上投入比较大,迄今已出现了螺纹管又称低翅片管)、翅片管(相对地可称为高翅片管)、螺旋槽纹管、横槽纹管、螺旋扁管、缩放管及锯齿形(或T 形)翅片管等。本文仅就我厂换热器及空冷器产品中使用的螺纹管和翅片管的传热性能及其应用做一扼要介绍。1结构特点1.1螺纹管螺纹管是一种由钢管经环向滚压轧制而成的整体低翅片管,其结构和性能参数见图1a 和表1。表中,d 为换热管外径,mm;de、dr、di、及dof分别为螺纹管的当量直径、根径、内径及齿顶圆直径,mm;?为翅化比,即螺纹管外表面积与滚轧前光管外表面积之比值;Fo/Fi为螺纹管内外表面积之比值。由图1a可看出,管子两端无翅片,管子与管板的连接与光管相同。图1螺纹管的结构尺寸和翅片管的类型表1螺纹管的有关尺寸参数d/mm1925翅化比,?2.82.52.22.01.72.802.752.502.201.801.60de/mm17.517.823.5dr/mm17.016.816.616.616.423.022.622.322.322.022.0di/mm13.413.018.818.0面积比 Fo/Fi3.63.33.12.72.33.63.53.33.02.52.2dof/mm18.80.224.80.21.2翅片管翅片与管子的连接有绕片、镶片及轧片等形式。管子材料可用碳钢、不锈钢及铝合金等。翅片则需选用延展性好、抗大气腐蚀及传热性能良好的铝或铜等材料。常用的翅片有L 及 LL 型绕片式、镶嵌式及双金属轧制等形式,见图1b。国产翅片管的特性参数见表2。表2国产翅片管的特性参数类别管材基管直径d/mm翅片管外径D/mm翅片参数/mm翅片高h翅片厚?翅片间距 C翅片管排列管心距 A排列形式低翅片钢管255012.50.52.3,2.554,56,59高翅片钢管255716.00.52.8,3.26264高翅片铝管255716.00.53.667等边三角形翅片管形式 翅片间距/mm翅化比低翅片高翅片LLKLMLG2.32.52.83.23.616.415.213.712.110.923.021.319.116.815.116.915.714.112.411.223421.719.517.315.316.915.714.112.411.223.421.719.517.315.317.316.014.412.711.423.922.119.817.415.62传热计算2.1螺纹管螺纹管总传热系数 K 的计算式为:K=1/(1/ho)+ro+rf+(Fo/Fm)(?/?)+ri(Fo/Fi)+(1/hi)(Fo/Fi)(1)2.2翅片管翅片管总传热系数 K 的计算式为:K=1/(1/ho)+ro+rf+(Fo/Fm)(?/?)+ri(Fo/Fi)+(1/ho)(Fo/Fi)+rb(Fo/Fb)(2)式中,K 为总传热系数,W/(m2?K);hi,ho分别为管内外膜传热系数,W/(m2?K);ri,ro为管内外侧之结垢热阻,(m2?K)/W;rf,rb分别为翅片热阻和翅片与管子连接处的间隙热阻,(m2?K)/W;Fi,Fo为管内外(带翅)之传热面积,m2;Fm为平均壁面积,m2;?为管子壁厚,m;?为所用管子材料的导热系数,W/(m?K);Fb为翅片与管子的接触面积,m2。由式(1),(2)可看出,hi及 ho增大,K 值随之增大,但此时首先要增大管内外流体的流速。流速增加,压力降增大,亦即动力消耗增加了。由表1和表2中翅化比分析可以得出,螺纹管的管外表面积较之光管增加1.53倍,翅片管较之光管增大1024倍,因而强化了管外传热。由传热公式可知,K 值总是接近于 hi和 ho中较小的一个,提高小者,K 值就能增大。所以,当 ho?hi时,翅片管才能体现其明显经济效益。经验表明,当传热管壁两侧的 h 值相差25倍时,采用螺纹管较合适。若 h 值相差10倍以上,则用翅片管较合理。翅片位于传热系数较小的一侧,使总 K 值增大了几倍。3传热性能分析螺纹管是由管子本身经整体轧制而成的,其螺纹状的低翅片与管子构成一体,无接触热阻,强度高,耐热震和机械振动,因而具有较好的力学、传热和热膨胀等性能。轧制后的管内径比光管缩小2 mm 左右,管内壁有轻微的螺纹痕迹,故有使管内传热系数增加和结垢减少的作用。但压降略有增加,同时管外的流通面积亦有所增加。试验表明,当管内的传热系数比管外的大2倍以上时,其总 K值可提高20%30%。翅片管的传热性能受翅片与管子间接触热阻的影响,而接触热阻又取决于两者间的接触压力。?对绕片管来说,翅片是借助缠绕时的初始应力被紧固在钢管表面上的,当管壁温度超过70时,翅片的张力便大大降低。翅片开始松动,接触热阻增大,可见其热工性能不够理想。它的工作温度最高为200250。?对镶嵌式翅片管,其翅片已嵌入钢管 的 表 面 层,并 被 挤 压 深 入 到 0.25 0.50mm 的螺旋槽中。与此同时,被挤出的金属又压回到翅片根部,故其耐热性能较好,可40石油化工设备1997年 第26卷用于250350的场合。?对双金属轧制翅片管,其外翅片部分所用的材料,要求延展性和传热性能均较好,且还要能抗大气腐蚀,故一般选铝或铜等金属。经轧制后的内外管子能完全紧密地结合在一起,故刚度好,压降小,又不易变形,传热性能高且稳定。翅片参数对其传热性能有直接影响。?翅高越高,传热面积越大,但翅片的传热效率随之降低。在某一高度之内,有效面积和翅片效率增加较快,超过这一高度,有效面积增加甚微,得不偿失,因而有一个最佳翅片高度值。当翅高为12.516.0mm 时,技术和经济指标均较好。?从传热角度讲,翅片厚度?o与其材料及高度 h 有关。一般地说,当钢的h/?o=2535,铝的 h/?o=3040,铜的 h/?o=3545时,较低的翅片应选其较大值,反之,选较小值。我国 铝翅片 的?o=0.40.5mm,波纹钢片的?o=1.01.2mm。?当其它参数相同时,翅片间距又与翅片面积有关。间距缩小,换热面积增加,被认为是改善空冷器性能的一项重要措施。但间距缩小,对管外膜传热系数影响甚微,且该间距也不能过小,否则将增加空气阻力,使风机功耗过大,反而使传热性能下降。一般的翅片间距以23mm 为宜,常用的是2.3mm。4应用4.1螺纹管如前所述,当管内膜传热系数为管外膜传热系数的2倍或更大时,或单相流体壳程(管外)热阻为主的强化传热时,用螺纹管合适。螺纹管这种特殊的几何形状,使其也适宜于严重结垢场合的应用。据报道,南京炼油厂用于渣油一次换热的螺纹管换热器,两次抽芯所见的表面结垢均呈螺纹状,这与国外报道的情况一致。运转中温度的变化,使管子发生了“手风琴”式的膨胀和收缩,故能使垢层自行脱落。而光管外表面为圆柱体垢层,无任何自然力量使之自行脱落,故其抗垢能力不如螺纹管。又据介绍,南炼常减压渣油(壳程)和原油(管程)一次换热的螺纹管换热器,连续操作2年后因折流板及旁路挡板腐蚀才撤下来,而螺纹管还能用。一般光管换热器,在此种条件下使用1年多就报废了。因此可以说,对渣油及腊油等粘度大,有腐蚀且易结垢的场合,使用螺纹管较好。螺纹管也可用来强化有相变流体的传热,如在卧式冷凝器中可用来冷凝氟里昂及轻质油等有机蒸气。其优点是:?节省设备费用。当管内冷却水流速 v 1m/s 时,冷凝传热系数比光管提高1倍以上。按公称直径计算,其传热面积只需光管的1/21/2.5。?因为清洗周期延长,节约操作费用。4.2翅片管翅片管主要用在传热管管壁两侧传热系数 h 值相差10倍以上的工况条件。如水的 hw=(25)103W/(m2?K),空气的hg=1050W/(m2?K)。空冷器正是这样一种工况条件,故翅片管得到大量应用。翅片设在 hg较小的气侧,有利于有效增大总的 K 值。翅片管是空冷器的核心和关键元件,其选用主要根据工作条件来决定。L 型绕片翅片管是其最基本的形式,制造费用最低,空冷器介质进口温度 t 150 的场合,用 L 型管已完全可以胜任了。若大气腐蚀较严重,则可选用LL 型或双金属轧片式翅片管。对湿式空冷器,以选用双金属轧片式翅片管较合适。当介质温度更高时,则可选用镶片式或双金属轧片式翅片管。对各项性能要求都较高的空冷器,还有套片管及椭圆翅片管等可供选用,但价格均比较高。翅片管的制造费用,从一次性投资来看,比水冷冷凝器要高一些,但国内外均有不少研究者或现场工程技术人员从能耗、环境保护以及设备折旧费用等方面进行了分析,其结果认为,还是以选用空冷器较好。41第6期李春兰等:螺纹管和翅片管传热性能分析及其应用第26期第6期石油化工设备Vol.26No.61997年11月PETRO-CHEMICAL EQUIPM ENT Nov.1997经验交流气压机组频繁停机原因及对策广西北海石油化工厂(北海 536000)工程师阳春摘要重油催化裂化装置的透平气压机组能否长期正常和安全运行至关重要。分析了 MCL405+MCL355离心气压机组频繁停机的原因,并采取相应改造措施,获得满意效果。关键词离心压缩机催化裂化浮环密封停机原因对策中图法分类号TE 964某厂20104t/a 重油催化裂化装置气压机于1992年9月15日试车投用以来,运行状况很不正常,仅1993年就停机达25次,其中有一月停机多达8次,总停机时间达300h,严重影响装置安全生产及工厂经济效益。因此,解决气压机组频繁停机问题成为当务之急。笔者对 MCL405+MCL355气压机组自投用后的运行情况进行了详细的调查分析,并采取相应措施加以改造治理,取得了良好效果。1机组概况机组本体由压缩机和汽轮机组成,压缩机为沈阳鼓风机厂采用意大利辛比隆技术生产的 MCL 型分段式离心压缩机,两段间用齿式联轴器连接,轴端均采用迷宫密封和封油浮环密封。汽轮机为杭州汽轮机厂采用德国西门子技术生产的NK 型凝汽式汽轮机,并且使用Woodward 调速器调速。汽轮机和压缩机也用齿式联轴器连接,机组布置如图1。图1气压机机组布置图机组主要技术参数:汽轮机额定功率 935 kW工作转速12 180 r/min压缩机MCL405MCL355进口压力0.137 2MPa0.550MPa排气压力0.568 0MPa1.569MPa轴功率850kW 850kW5结语在已经开发成功的众多高效传热元件中,国内外的应用实践均证明,螺纹管和空冷器用翅片管是工业装置中得到大面积推广并且获得巨大经济效益的传热管,随着石油化学工业的迅速发展以及人们认识水平的不断提高,这两种传热管必将会得到进一步推广与应用。参考文献1GB 15189钢制管壳式换热器,1989.2朱聘冠.换热器原理及计算.北京:清华大学出版社,1987.3兰州石油机械研究所主编.换热器.北京:烃加工出版社,1988.4马义伟,刘纪福,钱辉广.空气冷却器.北京:化学工业出版社,1982.5王兴一.螺纹管换热器在炼油厂中的应用.化工炼油机械,1984,13(1):9136谭盈科.强化传热管.化工炼油机械,1984,13(5):1525(收稿日期:1996-11-28)(熊编)