之前提到，林德公司在開(kāi)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(lái)，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(jiàn)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(guò)程中，一個(gè)流體從管道流過(guò)，另一個(gè)流體從外殼層流過(guò)。兩個(gè)流體不相互接觸，通過(guò)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(jiàn)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(mǎn)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(guò)大。

常見(jiàn)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(wú)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(lái)。

首先是管殼式換熱器的溫差應(yīng)力問(wèn)題

傳統(tǒng)管殼式熱器的換熱溫差不宜過(guò)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(guò)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(guò)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(wú)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(wèn)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(wèn)題可以通過(guò)支撐板來(lái)解決，但管殼式換熱器的長(zhǎng)度不會(huì)超過(guò)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(lái)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(lái)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(wèn)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(lái)說(shuō)，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(guò)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(guò)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(lái)了擔(dān)憂(yōu)。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(wú)法清洗，該設(shè)備仍適用于原材料純度高的場(chǎng)合。