李松山，李鵬，張小許(青島蘭石重型機械設備有限公司，山東 青島 266555)

0 引言

裝置大型化的問題在化工、石化等行業(yè)快速發(fā)展的影響下變得越發(fā)突出，同時，裝備的高效化發(fā)展儼然成為了阻礙裝置大型化發(fā)展的重要因素。在這種行業(yè)背景下，高效換熱器開發(fā)應用就成為了迫在眉睫的問題。除此之外，國家推行的能源戰(zhàn)略中，節(jié)能作為其中的要點，也就要求化工、石化等工業(yè)需要通過提升換熱設備的效率實現(xiàn)節(jié)能目標。高通量換熱器作為現(xiàn)今技術(shù)條件下傳熱效果最為優(yōu)秀的管殼式傳熱器，得以在工業(yè)領域內(nèi)規(guī)模化應用，并且國內(nèi)的高通量換熱器生產(chǎn)制造也隨著時代發(fā)展逐漸拉近和國際水平的差距。文章就當下高通量換熱器額度開發(fā)、應用展開了研究探討。

1 高通量換熱管的性能分析

燒結(jié)型高通量管是一種在普通換熱管表面使用粉末冶金的方式燒結(jié)一層結(jié)構(gòu)特定的多空表面的高效換熱管。位于表面多孔層的凹穴和孔隙之間是相互連通的，能夠做到顯著的強化沸騰傳熱，十分適用于烷烴、烯烴介質(zhì)。燒結(jié)型的表面多孔管和光管相比，具備如下四點優(yōu)勢：

第一，沸騰傳熱可以得到顯著的強化，同時這一環(huán)節(jié)所需要的換熱面積也可以縮減50%左右，能夠在大型的乙烯和芳烴的化工和石化裝置中得到廣泛的應用。

第二，能夠在溫差相對較小的環(huán)境下維持沸騰，這也就意味著對于低品位能量的回收和低溫沸騰的換熱等方面具備著較大的應用價值。在再沸騰器中進行應用的時候，可以顯著降低需要的加熱蒸汽的等級。

第三，臨界熱負荷相比于普通光管高出50%至上。

第四，具備著較高的阻垢性能水平。通過粉末冶金的相關(guān)理論知識不難看出，通過使用成分特定的粉末和粉末燒結(jié)技術(shù)進行有機的結(jié)合，可以確保換熱管所具備的基本性能在不受到較大影響的情況下實現(xiàn)了特定高空隙率多表層的燒結(jié)。

2 高通量換熱管強化傳熱原理分析

高通量換熱感作為一種在普通換熱管的表面通過使用粉末冶金技術(shù)將一層具備特定結(jié)構(gòu)的多孔表面薄層燒結(jié)在其上的高效換熱管。其本身擁有的沸騰傳熱系數(shù)較之于普通的換熱管可以提升一個數(shù)量等級。同時，表面多孔的高通量換熱管所擁有的傳熱強化機理可以從如下三個方面進行解釋：

第一，沸騰傳熱速率和傳熱面氣泡出現(xiàn)的速度之間有著十分密切的關(guān)聯(lián)，普通換熱管上表面產(chǎn)生的氣泡的氣化核心是其原本就存在的表面缺陷之一，而表面多孔換熱管存在著為數(shù)眾多的人為制造汽化核心，也正是因為這些人為制造汽化核心的存在，使得氣泡成核的速度大幅度提高，為此多孔表面管遠比光滑管的表面更加容易產(chǎn)生氣泡；

第二，呈現(xiàn)相互連通關(guān)系的多孔層在氣泡長大和逸出的過程中，會因為受到虹吸作用的影響，進一步促進局部液體流動速度的加快，并借此產(chǎn)生整體對流傳熱。同時燒結(jié)型表面多孔管的沸騰傳熱主要是通過隧道內(nèi)的液膜和壁面二者之間形成的對流傳熱、薄膜蒸發(fā)以及整體對流三種方式來進行的；

第三，表面多孔層的存在顯著的提升了傳熱的表面積，能夠?qū)鳠崞鸬椒e極的作用。

高通量換熱管與之前的普通換熱管相比，具備著如下兩個較為明顯的優(yōu)勢：

第一，換熱系數(shù)可以提升3～10倍以上，也正因為如此高通量換熱管可以十分顯著的強化沸騰傳熱，并且所需要的換熱面積數(shù)值可以縮減到原本的1/2，換言之，如果使用同樣的換熱面積，可以顯著的提升整體的換熱效果和熱負荷；

第二，具備著較為優(yōu)秀的反堵塞能力。簡單說來，表面多孔型換熱管可以有效防止表面結(jié)垢現(xiàn)象的發(fā)生。

3 高通量換熱器的設計及開發(fā)流程

3.1 高通量換熱器的設計流程

根據(jù)當前換熱器在結(jié)構(gòu)和技術(shù)指標層面的要求不難得出，傳統(tǒng)常規(guī)的再沸器呈現(xiàn)出一種自帶蒸發(fā)空間的臥式換熱器結(jié)構(gòu)體系，需要加熱的操作介質(zhì)走殼程，并借助管線和塔體鏈接在一起。而高通量換熱器則是一種立式換熱器，需要加熱的操作介質(zhì)走的是管程，且換熱器直接連接到塔體。換熱管作為其內(nèi)部傳熱實現(xiàn)的關(guān)鍵元件，在傳統(tǒng)的換熱器結(jié)構(gòu)設計工作中，換熱器是其中最為薄弱的地方，主要是因為換熱管在工作的時候，其兩面都會接受介質(zhì)的腐蝕，但卻忽視了腐蝕裕量，為此就會經(jīng)常性出現(xiàn)因為穿透性腐蝕帶來的堵管問題。但之前傳統(tǒng)設計中所用到的換熱面積放大方式最終帶來的是能源消耗顯著增加但換熱效果卻不見提升，而高通量換熱管的應用則可以十分有效的解決這一問題。高通量換熱管的兩端是光管和管板貼脹，并且管端和管板之間進行了高強度焊接，且其中間段的外表面是需要沿著軸線將之軋制成條形齒狀，并且其內(nèi)部表面需要將一層多孔合金燒結(jié)其上。在結(jié)構(gòu)設計完成之后，則需要根據(jù)實際的工作溫度環(huán)境要求選擇制造材料，一般而言選擇的都是銅鎳合金。而在針對殼程筒體制造選擇材料的時候，則需要將材料的強度、耐腐蝕性等因素全面考慮，并控制材料和換熱管的線膨脹系數(shù)數(shù)值較為接近。上管箱的結(jié)構(gòu)及其材料都需要根據(jù)實際用途做出合理的設計。同時，由于換熱管需要長時間在某些介質(zhì)中維持著較高符合的工作狀態(tài)，會有一定的出現(xiàn)結(jié)垢現(xiàn)象的可能性。為此，在設計換熱器的過程中，為了保障換熱器不會因為污垢的制約而出現(xiàn)負荷能力降低的現(xiàn)象，需要合理的考慮換熱器結(jié)垢的傾向性，最終選擇合適的污垢系數(shù)。

3.2 高通量換熱器的開發(fā)制造流程

作為高通量換熱器換熱處理關(guān)鍵元件的高通量換熱管，由于其制造材料種類多元化，這也導致高通量換熱管制造工藝的參數(shù)存在著較大的差異，但基本的生產(chǎn)工序包括如下八個流程：

第一，基管涂敷前的準備工作，主要包括了除油、除銹等環(huán)節(jié)，在保障換熱管表面清潔性的前提下，方可確保多孔層的燒結(jié)質(zhì)量；

第二，調(diào)配涂敷材料。以制造工藝的各項技術(shù)指標要求為依據(jù)將特定的燒結(jié)粉末和助涂劑使用合理的比例數(shù)值調(diào)配為涂敷料；

第三，涂敷換熱管的表面。在，滿足多孔層的厚度及均勻程度要求的同時，使用不同的設施涂敷換熱管的內(nèi)外側(cè)，并且可以通過自動化控制的使用確保多孔層的涂敷質(zhì)量；

第四，燒結(jié)多孔層。燒結(jié)工作的主要目的是幫助粉末顆粒之間及多孔層和基管之間可以形成較為良好的冶金結(jié)合，確保其結(jié)構(gòu)參數(shù)和強度數(shù)值可以符合相關(guān)標準的要求。在這個過程中，需要嚴格按照工藝操作規(guī)范要求進行燒結(jié)，以此來避免出現(xiàn)換熱管特別是多孔層的氧化問題；

第五，通過熱處理保障換熱管的機械性能符合標準要求；

第六，在換熱管表面涂敷用于預防氧化腐蝕的防銹油層，其該層需要不會對換熱管的后期應用產(chǎn)生任何影響；

第七，做好換熱管的防塵處理及包裝工作；

第八，嚴格按照現(xiàn)行相關(guān)產(chǎn)品標準對換熱管的力學、工藝性能等數(shù)據(jù)指標進行檢驗。

4 高通量換熱器的實際應用分析

對于煉油、乙烯、化工等行業(yè)來說，其生產(chǎn)裝置中所采用的數(shù)量較多的蒸發(fā)器、汽化器等裝置中也同樣可以使用高通量換熱器。同時國內(nèi)的諸多化工和煉油企業(yè)的建成之后，也會隨著企業(yè)規(guī)模的擴大和經(jīng)濟利益的增加進行不斷的改造擴容，又或者是購置全新的裝置，而在這些裝置經(jīng)過多次改造之后就出現(xiàn)了諸多的設備能源使用瓶頸。在這種情況下，表面多孔管高通量換熱管就可以廣泛地應用在這些裝置中，尤其是在原有的換熱設施所具備的傳熱面積無法有效滿足工業(yè)生產(chǎn)實際需求，且因為現(xiàn)場生產(chǎn)空間的制約無法更換符合生產(chǎn)要求的換熱設備的情況下，高通量換熱器的使用可以在維持原有換熱設施尺寸數(shù)值不變的前提下，將其中的傳統(tǒng)換熱器技術(shù)進行去全面的替代。在進行裝置擴容改造工作的過程中，甚至于可以只將原有的換熱設施中的管束進行替換，而其中原有的封頭、殼體、管路等仍可繼續(xù)進行使用，這對企業(yè)而言無疑是節(jié)省了大量的裝置改造費用。除此之外，表面多孔高通量換熱器能夠在不提升設備體積數(shù)值的前提下，提升設備的傳熱能力30%～50%，極大的提升企業(yè)的生產(chǎn)效率。

表面多孔管高通量換熱器的應用可以極大的降低所需的發(fā)生面積和設備的結(jié)構(gòu)尺寸，尤其是對于那些規(guī)模較大的重沸器項目來說，可以顯著地減少換熱器的總體數(shù)量，并且能夠在管路、控制、地基施工費用等方面做出進一步的節(jié)省。也正因為如此，在近些年來新設計的大型芳烴、乙烯等生產(chǎn)裝置中，高通量管已經(jīng)得到了規(guī)模化的應用。比如產(chǎn)量為100萬噸/年的裝置重整單元抽余液塔再沸器。在使用的時候，需要使用6臺大型的普通列管式再沸器，如此一來，就對現(xiàn)場空間和布置工作提出了更高的要求，通過使用燒結(jié)性的高通量換熱管，只需要使用兩臺的高通量再沸器便可有效地滿足實際的企業(yè)生產(chǎn)需求。就當前的情況來看，國內(nèi)的高通量換熱器生產(chǎn)技術(shù)已經(jīng)逐漸趨于成熟，并且換熱器質(zhì)量保證體系也逐漸趨于完善，和國際先進水平之間的差距也逐漸縮小，使得國內(nèi)的高通量換熱器具備了較高國際市場競爭力，為國民經(jīng)濟發(fā)展做出了較大的貢獻。

5 結(jié)語

高通量換熱器在設計、加工、制造等方面均具備顯著的獨有特點，并且國內(nèi)的高通量換熱器，在經(jīng)過多年的研制和實踐應用之后，對于高通量換熱器以及換熱管的設計制造等關(guān)鍵技術(shù)已經(jīng)深度地掌握并進行了相應的創(chuàng)新，在提升我國各個行業(yè)的生產(chǎn)效率的同時，也使得我國的高通量換熱器產(chǎn)品進入到了國際市場中，這也就意味著我國的高通量換熱器技術(shù)進入了國際先進行列。高通量換熱器本身在傳熱強化、節(jié)能降耗等方面具備著十分顯著的效果，能夠規(guī)模化的應用在煉油、石化等工業(yè)裝置中的重沸器等內(nèi)部。除此之外，天然氣的凈化和氣體分離裝置中也可以使用高通量換熱器，能夠在降低換熱面積總數(shù)的同時減少溫差數(shù)值，降低整體的能源消耗數(shù)量。