摘要：介紹了波紋管換熱器的強化傳熱機理及傳熱元件的札制工藝，并與光管換熱器的換熱性能進行了比較，及在氛冷凝系統中的應用情況。
　　關鍵詞：波紋管換熱器強化傳熱性能對比氨冷凝器
　　化工生產往往要求在一定的溫度下進行，傳熱是化工生產過程中最常見的單元操作之一，而傳熱的實現往往通過各類換熱器來完成。管殼式換熱器是目前應用最為廣泛的一種傳熱設備，在化工企業中占有相當的投資比例。隨著我國經濟技術水平的不斷提高，人們對高效節能型換熱設備的需求也逐年提高。因此開發和應用高效管殼式換熱設備對節省設備投資和提高設備的換熱性能具有相當重要的現實意義。
　　不銹鋼薄壁波紋管換熱器系列(管壁厚度為0.5一0.8 m m)是一種高效強化傳熱的換熱設備。該產品于1996年授權為國家實用新型專利。經過幾十臺工業設備的應用，表明該產品生產技術日臻成熟，強化傳熱效果顯著，節能經濟，結構緊湊，節省鋼材，在冶金供暖及電力等工業裝置中得到較為廣泛的應用。為了適應石油化工裝置高溫、高壓的操作條件，近幾年來，厚壁波紋管的研制和開發工作取得全面成功，并在工業裝置中獲得成功的應用。其雙面強化傳熱效果顯著，為石油、化工裝置的挖潛改造和節能節資提供了新的途徑。
　　1 波紋管換熱器的強化傳熱機理
　　傳熱系統是換熱設備的一個重要技術指標，強化換熱表面的對流傳熱是提高傳熱系數的有效措施。波紋管換熱器的強化傳熱是通過經特殊工藝加工的波紋管來實現的。波紋管傳熱元件是將普通光管由專用設備經滾壓加工而成。滾壓后的管子(見圖1)內表面形成了周期性變化的環形波紋凸起，其波峰和波谷間的高度差約為1.6 m m，波距為18 mm，管外換熱面積為0.078 5 m2/m。當流體在波紋管內、外流動時，由于流通截面和流速方向的不斷變化，導致流體在波紋凸起處產生附加擾動，從而改變了工藝液體的滯留邊界層的流動狀況。換句話說，起到了破壞層流底層的作用，增加了靠近管壁附近的湍流強度與湍流的給熱能力，使層流和過渡流達到湍流傳熱。當湍流即將消失時，流體又流經下一個波紋凸起，不斷產生軸向擾動，保持穩定連續的強化作用，從而提高了傳熱速率。其管外相應形成的波紋表面，不但擴大了傳熱面積，也增加了擾動，使傳熱效果顯著提高。因此，波紋管最終實現了長期而穩定的雙側強化傳熱。一般其K值較普通光管換熱器提高2倍左右，可減少換熱面積約40%以上。
             
    2 性能對比
    波紋管換熱器與傳統的光管管殼式換熱器相比，由于其傳熱元件結構上存在一定的獨特性，從而決定了其在實際工況中的使用性能存在一定差異。
    2.1 傳熱系數
    由于波紋管管壁波紋的周期性變化所形成的特殊通道，從而實現換熱器管內、外流體在低流速下即可達到湍流，徹底打破了邊界層，大大降低了管壁熱阻，提高了管內、外換熱系數，從而使總的傳熱系數大大提高。通常為光管換熱器的2一3倍，而壓力降卻增高不多;而光管換熱器因管壁光滑，流體的流動存在層流邊界層，熱阻通常比較大，導熱速度慢。介質需在較高的流速下才能達到湍流，換熱系數通常較小。
    2.2 防結垢性能
    波紋管由于其截面的獨特性，使得管內外流體總是處于周期性的擾動狀態，流體在管內周期性的能量積累與釋放，使整個換熱器內表面都受到流體沖刷。由于沖刷良好，因此有效地防止了垢阻的生成。同時不銹鋼管壁本身表面光滑，使管壁不易結垢。即使結垢，由于波紋管在工作過程中受到溫差作用后，波紋管各部分的曲率不斷地變化，因管壁污垢和金屬的線膨脹系數相差很大，這種曲率的變化使污垢與波紋管表面之間將產生一個較大的拉脫力，足以使積垢脫落，實現自動清洗，自動除垢，對于硬垢、脆垢其效果更佳，這就是波紋管的自潔效應。因此波紋管換熱器對水質的要求較低，特別是水中鈣鎂離子濃度較高的場合，仍然能可靠地工作。其維護工作量小，通常不需清理;光管換熱器因鋼管表面較粗糙，且管壁表面流體存在層流底層，流速較慢，極易生成污垢。因此光管換熱器的結垢、堵塞一直是較難解決的問題，特別是在水質條件差，水處理效果不佳，氣體介質中含雜質或化學反應易生成結垢物的情況下，這一問題尤為突出。輕者使換熱器換熱性能下降，工況惡化，阻力增大，能耗增加;重者使換熱器堵死無法運行。因此換熱器維護、清洗的工作量較大。
    2.3 耐腐蝕性能
    不銹鋼波紋管在加工過程中可能存在殘余應力，而經過固溶處理的波紋管可消除晶間缺陷及殘余應力，這樣就不會造成應力腐蝕。此外，不銹鋼耐腐蝕性好，不會對介質產生污染;而光管換熱器由于沒有加工應力，故沒有應力腐蝕，但卻存在嚴重的氧化腐蝕，抗化學性能差，對介質易產生污染。
    2.4 性能價格化
    由于波紋管換熱器傳熱效率高，在完成同樣熱、冷負荷前提下所需的傳熱面積要少得多。并有使用壽命長，同時也大大降低了產品的重量，節約材料，從而使產品的性能、價格比得到大幅度的提高，經濟效益十分顯著。通常波紋管換熱器單位體積提供的傳熱面積大，體積均較小，重量輕，占地面積也更少;而光管則相反。
    2.5 適用工況條件
   波紋管由于采用不銹鋼材質，工作溫度可達450 9C，同時波紋管自身具有一定的熱補償能力，軸向應力小，故而能適應較大的工作溫差;而光管工作溫度通常在150℃以下，由于光管管束是剛性元件，只能適用殼體和管束溫差較小的場合。對于殼體和管束間溫差(大于50℃)而殼體承受壓力不太高時，須在殼體上加上熱補償元件以消除過大的熱應力。波紋管和光管均能承受較高的工作壓力。
    3 波紋管換熱器在氨冷凝系統中的應用
    我廠原有1臺氨冷凝器，經過幾年的實際工況運行，腐蝕泄漏嚴重，需更換設備。該設備規格為0 16 00x 5 2 00，列管03 8x 3 .0 ，共608根，F= 3 60m2，重量為15 280 kg，管程數為8。其I況條件如下:管程走水，進口溫度32 cC，出口溫度38 9C，管程工作壓力為0.4 M Pa。殼程介質為液氨、氨氣，氣氨進口溫度為70 9C，液氨出口溫度為40 `C，殼程工作壓力為1.4 M Pa。原設備最大處理氣氨量經工藝測量為2 370 kg/h。
    3. 1 物性數據
    該使用工況條件下介質的物性數據見表t。
               
    3.2 工藝計算(見表2)
               
    考慮到原先氨冷凝器的傳熱能力不足及需現場不動火安裝的現狀，經工藝計算確定，波紋管換熱器型號規格為Φ1200 x14 x6 031，波紋管質:OCr18Ni9，規格Φ25 x 2，根數1102根，L = 5 000mm,F = 4 20m \'，管程數為2，管心距為32m m，管子排列60“，折流板間距為300 mm，設備總重11 208kg。波紋管氨冷凝器結構見圖2。
              
    3.3 加工制作工藝
    (1) 波紋管的軋制。將普通光管用專用設備進行逐根滾壓而成。
    (2) 熱處理工藝。軋制好的波紋管送爐內加熱到1100℃左右，然后經水急冷至室溫進行固溶處理，以消除冷作硬化應力，提高耐蝕性。
    (3) 調直工藝。為使波紋管保持平直，經固溶處理后應進行調直處理，控制平直度在1 3 mm.
    (4) 酸洗鈍化處理。以消除波紋管表面的油污、污漬。
    (5) 水壓試驗。波紋管在組裝前，每根管子應進行水壓試驗，檢查管子是否有缺陷存在，以免管子在組裝后發現問題而使更換困難。
    (6) 焊接制作。換熱器的制造可按GB15 0一98,GB 151一89標準進行。
     4 使用效果
     2000年初，我廠委托寧波廣廈熱力成套設備有限公司制作了1臺波紋管換熱器，制作好的波紋管氨冷凝器于2000年6月投人實際工況運行。經測試，系統壓力顯著下降。原先我廠生產負荷開得較高，冷量平衡較為困難，系統工作壓力高達1.42MPa，嚴重影響車間的正常生產和安全。新設備使用后，系統工作壓力降至1.24 M Pa，滿足了原設備的工藝和設計要求，同時也滿足了全廠的冷量需求。
    該設備在實際工況運行中效果顯著。與原設備相比，設備直徑由Φ1600 mm減少至Φ1200 mm,直徑減少了400 mm，設備重量由15 280 kg減少至11 208 kg，節省鋼材4 072 kg。同時換熱效果得到明顯的提高，單臺設備處理氣氨量由原來的2.37 t /h提高到5.25 t /h。此外冷卻水用量大大減少。
    5 存在問題
    該波紋管換熱器在設計制造和投用過程中，我們覺得如下幾方面的問題尚有待地一步的探討和研究。
    (1) 制造工藝的研究。波紋管生產廠家應進一步提高波紋管軋制的水平，使制作自動化水平更高，同時努力降低生產成本，使之具備市場競爭力。
    (2) 使用廠家應根據實際條件合理選擇波紋管材質，以求最大限度地體現波紋管的經濟性、合理性。
    (3) 我廠該臺氨冷凝器由于施工條件所限，致使該換熱器殼程段存在走捷徑的現象，存在一定的盲區，這在一定程度上也影響了換熱效率。
    6 結論
    綜上所述，厚壁波紋管換熱器是實現雙面強化傳熱的高效換熱設備，它具有傳熱效率高，流動阻力小，結構簡單，制作方便，體積小，重量輕，節省鋼材等特點，非常適用于石油化工裝置的挖潛改造，為節能節資提供了新的途徑。波紋管換熱器繼承了傳統管殼式換熱器的耐高壓、耐高溫的特點，同時具有處理大負荷換熱量的優點，它開創了列管式換熱器的新紀元，不失為換熱領域的首選產品。此外波紋管具防垢自潔效應，實現了整個在開工周期中均能維持較高的傳熱效果。因此，波紋管換熱器的社會效益和經濟效益非常顯著，是目前管殼式換熱器的發展方向之一，具有很好的推廣應用前景。