之前提到，林德公司在開發(fā)冷凍甲醇法吸收脫硫工藝時(shí)，制造了一種新型的換熱設(shè)備——纏繞螺旋管換熱器。近年來，國(guó)內(nèi)許多制造商都在做這項(xiàng)技術(shù)。我們?cè)谶@些展覽中看到了它。我們?cè)?jīng)有引進(jìn)它的計(jì)劃，所以我想在這里介紹你。

在介紹這種新設(shè)備之前，首先要分析傳統(tǒng)換熱管殼式換熱器的結(jié)構(gòu)。

這是傳統(tǒng)的管殼式換熱器，分為管程和殼程。管程是一束金屬管，常見尺寸為19或1925mm。用兩根固定用兩根固定的板管固定在一起，形成一個(gè)管束，然后在管束外包裹一個(gè)大圓筒，形成一個(gè)外殼范圍。在換熱過程中，一個(gè)流體從管道流過，另一個(gè)流體從外殼層流過。兩個(gè)流體不相互接觸，通過換熱管的管壁換熱。

這種熱交換器結(jié)構(gòu)非常經(jīng)典，是目前最常用的形式，甚至其規(guī)格和尺寸都有標(biāo)準(zhǔn)要遵循。管殼熱交換器如此常見的原因主要是它是一種非常具有成本效益的熱交換設(shè)備，性能指標(biāo)非常均衡。

首先，管殼式換熱器的傳熱系數(shù)在400左右。雖然不是特別大，但與夾套反應(yīng)器(100左右)相比，套管式換熱器(200)的流直流還是不知道高到哪里，在大多數(shù)情況下都能滿足正常使用。

其次，管殼式換熱結(jié)構(gòu)更加緊湊。由于所有管道共用一個(gè)外殼層，管道可以盡可能精確地排列。與蛇管換熱器不同，管道外應(yīng)添加套管作為外殼層，使管道間距不能變小，導(dǎo)致?lián)Q熱器尺寸過大。

常見的套管式換熱器，由于每根管子單獨(dú)配備一個(gè)套管作為殼體范圍，管道無法密集布置，單位體積內(nèi)可容納的換熱面積有限。

管殼式換熱器的各種性能可謂中庸，但在某些特殊情況下，管殼式反應(yīng)器的弱點(diǎn)暴露出來。

首先是管殼式換熱器的溫差應(yīng)力問題

傳統(tǒng)管殼式熱器的換熱溫差不宜過大。例如，200度高溫流體難以用常溫冷卻水換熱。具體原因是，如果高溫液體通過管道進(jìn)行，由于熱膨脹和冷收縮，管道將伸長(zhǎng)。但此時(shí)，殼體層只是通過冷流體進(jìn)行。在冷流體的作用下，殼體范圍的溫度低于管道范圍，伸長(zhǎng)量無法與換熱管相比。不幸的是，用于固定管束的管板焊接在殼體外管上。這樣，管道想要伸長(zhǎng)，但如果管板限制管道伸長(zhǎng)，則會(huì)產(chǎn)生溫差應(yīng)力。傳統(tǒng)的換熱器通常使用膨脹節(jié)或U型管結(jié)構(gòu)可以解決這個(gè)問題。但治標(biāo)不治本，仍不適用于溫差較大的換熱系統(tǒng)。

由于傳統(tǒng)換熱器采用直管，管道長(zhǎng)度有限。換熱管本身有重量。管道越長(zhǎng)，在重力作用下就越容易彎曲。雖然這個(gè)問題可以通過支撐板來解決，但管殼式換熱器的長(zhǎng)度不會(huì)超過12m。此外，前面提到的溫差應(yīng)力對(duì)管道越長(zhǎng)影響越大。

此外，當(dāng)管道內(nèi)壓力較高時(shí)，直管的應(yīng)力也較大。直管換熱器的耐壓性難以提高。它限制了傳統(tǒng)換熱器在高壓下的使用。目前，隨著化學(xué)工藝的發(fā)展，我們發(fā)現(xiàn)越來越多的極端工藝需要在高溫高壓條件下進(jìn)行熱交換。我認(rèn)為目前熱交換器的發(fā)展主要是為了提高其普遍性。

看看纏繞螺旋管換熱器的結(jié)構(gòu)

纏繞螺旋管換熱器的結(jié)構(gòu)如圖所示。與傳統(tǒng)的管殼式換熱器相比，唯一的重大改進(jìn)是將原來的直管變成螺旋管。包裹螺旋管換熱器有什么好處？

首先，由于管程做成了螺旋管，各種溫差應(yīng)力的問題就不存在了。

你可以把螺旋管想象成一個(gè)彈簧。當(dāng)彈簧固定在兩端時(shí)，當(dāng)受到應(yīng)力時(shí)，螺旋之間的距離或直徑可以自動(dòng)改變，以補(bǔ)償應(yīng)力。因此，螺旋管換熱器兩側(cè)的溫差可以非常大。此外，由于應(yīng)力結(jié)構(gòu)合理，即使管道內(nèi)的壓力很高，作用在管壁上的重量也不高，反應(yīng)器也能承受更高的壓力。

其次，由于管道布置為螺旋管，結(jié)構(gòu)非常緊湊。從圖中可以看出，整個(gè)換熱器內(nèi)部都是管道。該換熱器每立方米的換熱面積可達(dá)100多平方米。

此外，當(dāng)流體在螺旋管中流動(dòng)時(shí)，由于管道彎曲，流體在管道中的方向經(jīng)常發(fā)生變化，可以形成局部湍流，進(jìn)一步提高設(shè)備的傳熱系數(shù)。因此，總的來說，纏繞螺旋管熱交換器也是一種傳熱強(qiáng)化設(shè)備，可以在較小的體積內(nèi)實(shí)現(xiàn)非常高的熱交換。此外，由于管道螺旋纏繞，管道長(zhǎng)度可達(dá)數(shù)百米，可使用較長(zhǎng)的熱交換器，有利于熱交換器的大規(guī)模。包裹螺旋管熱交換器具有明顯的優(yōu)點(diǎn)，可以大大擴(kuò)大熱交換過程的使用范圍。唯一的缺點(diǎn)是加工可能更困難，導(dǎo)致加工成本高。此外，熱交換管的間距等幾何參數(shù)對(duì)內(nèi)部流體流動(dòng)的影響非常復(fù)雜，導(dǎo)致熱交換過程的計(jì)算和設(shè)計(jì)不能參考傳統(tǒng)熱交換器，給業(yè)主的選擇帶來了擔(dān)憂。當(dāng)然，最麻煩的是管道堵塞。由于管道特別長(zhǎng)，結(jié)垢后幾乎無法清洗，該設(shè)備仍適用于原材料純度高的場(chǎng)合。