內(nèi)部螺旋線型管式熱交換器在工業(yè)窯爐上的應(yīng)用

陳龍豪，朱從健

( 蘇州匯科機(jī)電設(shè)備有限公司，江蘇 蘇州215562)

內(nèi)部螺旋線型管式熱交換器(以下簡稱“螺旋線熱交換器”)，是由英國Cal Gavin 公司于20 世紀(jì)80 年代開發(fā)并商業(yè)化的應(yīng)用產(chǎn)品，迄今為止，已有約30000 套安裝使用，可顯著提高熱交換器內(nèi)部的熱交換效率。

螺旋線熱交換器的構(gòu)造如圖1 所示，是由被稱為芯線（Core Wire）的中心線構(gòu)成螺旋狀的環(huán)線（Loop Wire）而組成。兩端的線材是由一整根線制成，需專用設(shè)備來加工。此環(huán)線的端頭部分與管內(nèi)壁之間沿各個方向呈360°的點(diǎn)接觸，形狀像弓箭羽毛的尾部。螺旋芯線根據(jù)其在單位長度上編入的環(huán)線數(shù)量的不同，被分為“高密度”、“中密度”、“低密度”三類，這與在業(yè)內(nèi)被廣泛使用的空冷式熱交換器肋片管上肋片纏繞數(shù)的分類原則是相似的。

管側(cè)膜狀凝結(jié)傳熱系數(shù)——也被稱為管內(nèi)壁的膜狀凝結(jié)傳熱系數(shù)（本文用hi表示，也稱為“管壁側(cè)傳熱系數(shù)”），它和管內(nèi)的壓力損失是呈反比的關(guān)系，即傳熱系數(shù)越大，則管內(nèi)壓力損失越小。一旦傳熱效果變差，管阻必然增大。因此需針對產(chǎn)品具體的熱交換特性要求，選擇最合適密度的螺旋線熱交換器。

1 熱傳導(dǎo)原理及其效果

內(nèi)部未安裝螺旋線的管道稱為空心管。管道內(nèi)部凝結(jié)的流體，能潤濕管道內(nèi)壁，在管道內(nèi)表面均勻地鋪展成膜，這樣的凝結(jié)形式稱為“膜狀凝結(jié)”。流體在管壁內(nèi)側(cè)產(chǎn)生膜狀凝結(jié)時，流體的熱量需穿過這層液膜才能被傳輸?shù)焦艿纼?nèi)壁上，此時“液膜層”(也稱“境膜層”)就成為主要的換熱熱阻，如果盡可能減薄或消除此液膜層，就可以增強(qiáng)換熱效率。內(nèi)部螺旋線就具有消除管道壁面附近形成靜止液膜的效果。

圖1 螺旋線熱交換器結(jié)構(gòu)示意圖

用激光風(fēng)速儀分別測量螺旋線熱交換器和空心管熱交換器，觀察二者內(nèi)部有無流動上的差異，有螺旋線的管道和無螺旋線的空心管流動的對比見圖2 (圖中黑點(diǎn)表示流速最大的地方)?？梢钥吹?，螺旋線能夠產(chǎn)生阻止管壁壁面處形成層流膜狀凝結(jié)的效果[1]。

圖2 使用激光風(fēng)速儀測量的流速分布對比圖

從激光風(fēng)速儀的顯示可以發(fā)現(xiàn)，在空心管中心處流體的流速為最大（圖中黑點(diǎn)），管壁側(cè)則流速為0，流動呈放射線狀，管壁處存在流動傳熱熱阻。而在插入螺旋線的管子內(nèi)，在臨近管壁處，流體仍然存在流動(也就是圖2 中，上下兩邊靠近管壁處)。由于管壁附近的流體流速加快引起熱阻降低，使膜狀凝結(jié)傳熱系數(shù)增大。管壁處流速越快，則境膜產(chǎn)生的熱阻就越小。這說明，空心管內(nèi)的流體只在管道中心處流動性好，而靠近管壁處則幾乎不流動，造成熱阻大，傳熱效果差；而螺旋線管道則在靠近管壁處，流體仍然流動，甚至流速最大，所以熱阻下降，傳熱效果大大改善。

試驗(yàn)表明，螺旋線熱交換器的流體熱交換系數(shù)與空心管熱交換器相比，在液相時最大達(dá)到20倍，在氣相時達(dá)到5 倍。

2 溫度交換效率

管壁側(cè)傳熱系數(shù)為hi，熱交換器內(nèi)側(cè)傳熱系數(shù)為ho。

圖3 是在hi?ho的條件下，管壁表面溫度（Skin Temp）的計算公式。圖中（to-ti）是高溫側(cè)流體和低溫側(cè)流體的溫度差。左側(cè)圖是空心管的溫度曲線，右側(cè)圖是插有螺旋線管子的溫度曲線。在插入螺旋線的場合，在達(dá)到相同的管側(cè)流體平均溫度時，僅需很低的ti溫度，這樣就意味著達(dá)到了節(jié)能的效果。測試表明，選用自身熱回收型（Feed/Effluents）的熱交換器，其內(nèi)部溫度to被設(shè)置為一定的數(shù)值，流體流向?yàn)閺臒峤粨Q器機(jī)身一側(cè)的出口排出。另一方，則從管內(nèi)入口供給常溫氫氣，其溫度為ti，將其升溫至接近爐內(nèi)溫度的高溫。溫度差（to-ti）越小，則表示溫度交換效率越高。

式中，tw為管壁表面溫度；

to為熱交換器機(jī)身內(nèi)流體平均溫度；

Ti為管側(cè)流體平均溫度(指接近管壁處的流體溫度)；

hi為管側(cè)膜狀凝結(jié)傳熱系數(shù)；

ho為熱交換器側(cè)的膜狀凝結(jié)傳熱系數(shù)。

圖3 管側(cè)溫度曲線（使用hiTRAN 管的場合）

3 螺旋線熱交換器的設(shè)計、試運(yùn)轉(zhuǎn)結(jié)果

3.1 從輔助試驗(yàn)機(jī)到實(shí)際窯爐的運(yùn)轉(zhuǎn)情況

在對已氧化金屬進(jìn)行氫氣還原時，為了提高還原效果，需要將高溫加熱后的被處理物料充分地與氫氣接觸。在實(shí)驗(yàn)中使用了通氣型窯爐，但考慮到物料尺寸不均勻、體積大小不一，會產(chǎn)生不均勻受熱的情況，因此使用了外部加熱的間歇式運(yùn)轉(zhuǎn)回轉(zhuǎn)爐?；剞D(zhuǎn)爐能將物料一邊進(jìn)行攪拌一邊加熱，使通入爐內(nèi)的氫氣與物料更充分接觸。

使用的試驗(yàn)設(shè)備是蘇州匯科機(jī)電設(shè)備有限公司自行研發(fā)的氣氛式高溫回轉(zhuǎn)爐，回轉(zhuǎn)爐的旋轉(zhuǎn)爐管為“爐芯管”。試驗(yàn)用的回轉(zhuǎn)爐爐管內(nèi)尺寸為φ800 mm×1600 mm，氫氣量按照流量2 Nm3/min（其中：N 表示標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下）來通入爐芯管。試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，在加熱溫度約850 ℃時，僅是將氫氣溫度升至規(guī)定的溫度，而爐子加熱功率已超過了30 kW。外加熱型回轉(zhuǎn)爐對被處理物的電加熱(傳熱)，依靠的是輻射傳熱和通過爐芯管帶來的對流傳熱兩種熱傳導(dǎo)方式；對通入氣體的電加熱（傳熱）則是以與爐芯管壁之間的熱傳導(dǎo)和與加熱后的被處理物之間的對流傳熱為主。因此，將流量為2 Nm3/min 的氫氣直接通入800 ℃的爐芯管內(nèi)時，難以保證氣體被充分加熱，很可能是爐芯管內(nèi)的溫度偏低。而根據(jù)要求，加熱器的外管溫度必須設(shè)定在爐芯管內(nèi)溫度的+30 ℃以內(nèi)，也就是加熱器溫度不能比爐芯管內(nèi)部溫度高太多。為避免局部產(chǎn)生高溫的可能，需要對氫氣預(yù)熱，需配置氫氣預(yù)熱裝置。

3.2 實(shí)施的主要測試

氣體預(yù)熱，使用的是電加熱型通氣式預(yù)熱裝置，由于被加熱的氣體是氫氣，氣體泄漏絕對不允許，而且，氫氣預(yù)熱后通入爐芯管內(nèi)，輸送氫氣的管道溫度也會變高，從而可能使管道接頭處的密封材料受損，造成泄漏。有氣體通入就意味著也會有氣體排出，因此設(shè)計為將此排氣的熱量利用在氣體預(yù)熱上，換句話說，就是選用自身熱回收型（Feed/Effluents）的熱交換器。

使用熱交換器作為排氣預(yù)熱裝置，必須能耐受800 ℃的高溫，熱交換器的形狀應(yīng)采用較為簡單的管殼式。該型交換器如果安裝在爐子外部，如何在排氣變冷之前將其快速送入熱交換器，如何把要輸送的氣體在變冷之前送入爐芯管內(nèi)，這就是設(shè)計的關(guān)鍵所在。如果不能實(shí)現(xiàn)長期安全穩(wěn)定且高效率地傳熱，研發(fā)工作將會面臨很大的困難。其他方面，由于高溫下熱交換器殼體和傳熱管兩者的熱膨脹量有很明顯的差異，必須對熱交換器殼體加裝伸縮管(即膨脹節(jié))。由于回轉(zhuǎn)爐是間歇爐，意味著必然有多次的升降溫，這樣反復(fù)的膨脹和伸縮，會對加熱器殼體帶來損傷。

因此，把熱交換器裝入回轉(zhuǎn)爐的爐芯管內(nèi)，把交換器殼體以及傳熱管安裝在爐芯管內(nèi)部。這樣，氣體管道接頭就不會暴露在高溫下。同時，將傳熱管的一端設(shè)計成完全自由的狀態(tài)，這樣就不會阻礙管道熱膨脹時產(chǎn)生的伸縮。

如圖4 所示，將傳熱管作為爐芯管的一部分插入其中，供給的氫氣從管內(nèi)通過。從傳熱管和爐芯管內(nèi)部的導(dǎo)流管端部，氫氣流出，然后流入爐子的爐芯管內(nèi)，通過爐體排氣口排出爐體。

圖4 回轉(zhuǎn)爐前端的熱交換器

爐芯管會旋轉(zhuǎn)，封閉氣體的密封圈和其支撐件以及殼體和導(dǎo)氣管則不旋轉(zhuǎn)。由于需同時測量被處理物的溫度并根據(jù)其溫度情況調(diào)整生產(chǎn)工藝，安裝使用了熱電偶，熱電偶也不旋轉(zhuǎn)。

考慮到傳熱管和其連接殼體的熱膨脹量有差異，傳熱管被設(shè)計成向爐芯管內(nèi)部延伸。由于這種結(jié)構(gòu)是裝在爐芯管內(nèi)部，即使發(fā)生連接板或管道的開裂，也不用擔(dān)心氫氣會泄漏到爐子外部。

通過建模，分析計算了不同種類的相關(guān)氣體，在理論上所需要的氣體預(yù)熱溫度和排氣溫度，以及各流量條件下的相關(guān)模擬量值，計算出在從爐芯管筒身一側(cè)被排出的氣體，其溫度為800 ℃時，預(yù)熱溫度需在600 ℃以上，爐芯管排氣溫度為200 ℃左右；將螺旋線加熱器裝入爐管內(nèi)后，預(yù)熱溫度為750 ℃，排氣溫度約100 ℃左右。

在使用螺旋線加熱器之后，由于傳熱效果良好，爐子實(shí)際上的加熱功率超過了30 kW 傳統(tǒng)爐型的加熱能力。

3.3 爐子試運(yùn)轉(zhuǎn)的結(jié)果

為了詳細(xì)測量各輸入氣體溫度、預(yù)熱溫度、排氣溫度，原本考慮在相應(yīng)位置安裝多個溫度表，但是設(shè)備實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)時，如果這些溫度表全部安裝較為困難，工作量較大，因此最后放棄，只能通過在爐芯管內(nèi)安裝熱電偶和排氣熱電偶來確認(rèn)相關(guān)溫度。

3.4 設(shè)備的設(shè)計和相關(guān)熱工計算

圖5 是回轉(zhuǎn)爐的熱交換器結(jié)構(gòu)示意圖，圖6是設(shè)備整體的工藝構(gòu)成圖。表1 表示在設(shè)計時和試運(yùn)轉(zhuǎn)時的目標(biāo)溫度的計算結(jié)果。圖7 是把流體溫度的計算結(jié)果對照熱交換器的管長進(jìn)行的對比，圖8 為各種條件下傳熱系數(shù)的對比圖表，就是將空心管和管內(nèi)插入螺旋線設(shè)計進(jìn)行傳熱對比。

圖5 回轉(zhuǎn)爐的熱交換器結(jié)構(gòu)示意圖

在設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)驗(yàn)收時，將爐子的操作溫度進(jìn)一步降低，在確認(rèn)排氣溫度達(dá)到100 ℃左右時，測量了爐芯管內(nèi)被處理物的溫度，其溫度比加熱器(位于爐芯管外)的設(shè)定溫度只低了10 ℃左右。同時測量得了排氣處的殼體溫度為50～100 ℃，這與計算的數(shù)值相吻合。在氣體密封處、配管接頭處，溫度均為50 ℃以下，完全未達(dá)到密封圈受損的溫度，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計目標(biāo)[2]。

圖6 設(shè)備整體的工藝構(gòu)成圖

表1 出口、入口的氣體溫度 ℃

圖7 管道長度與傳熱系數(shù)的對應(yīng)關(guān)系圖

圖8 管道長度與流體溫度的關(guān)系圖

4 結(jié)束語

實(shí)驗(yàn)設(shè)備使用的是間歇式特性的回轉(zhuǎn)爐，節(jié)省的設(shè)備耗電量。因?yàn)樵O(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)時間短而使耗電量整體減少的效果體現(xiàn)不很明顯（按照每周設(shè)備工作天數(shù)5 d，每天工作8 h 來計算，設(shè)備一年的工作時間在2000 h 左右）。如果使用連續(xù)式電加熱窯爐，設(shè)備節(jié)省下來的用電量將會隨設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)時間的延長而明顯增大。為了減少能源中價格較貴的電能消耗量，對氫氣等工藝氣氛氣體做高效率的熱交換，以此來提高氣體供給時的溫度，就成為了重要的解決方案。另外，對間歇式工作的窯爐，將氮?dú)膺M(jìn)行快速地升溫和冷卻時，由于爐體容量限制，應(yīng)該考慮在爐內(nèi)和爐外設(shè)置2 臺熱交換器，以增加對氣體的熱交換能力。氣體的熱容相比液體小了很多 (傳熱系數(shù)相比液體少一個數(shù)量級)，此時，如果進(jìn)行熱交換的兩種流體溫度差低，就需要傳熱面積很大的熱交換器才能保證換熱效果，但這樣，就沒有經(jīng)濟(jì)性可言了。所以，從技術(shù)上考慮，另辟蹊徑，研發(fā)傳熱系數(shù)更大、換熱效果更理想的熱交換器，作為解決這些問題的對策，顯得尤為重要。這一對策已經(jīng)成為當(dāng)今工業(yè)窯爐領(lǐng)域一個全新的節(jié)能技術(shù)發(fā)展方向。