專利名稱：一種內置螺旋片的熱交換管及其應用的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種熱交換管及其應用，更具體地說，本發明涉及一種內置螺旋片的 熱交換管及其在乙烯裂解爐的強化傳熱爐管中的應用，屬于能源化工領域。
背景技術：
乙烯裂解爐是石油化工中的重要設備，主要用于對裂解原料進行加熱以實現裂解 反應。高溫、短停留時間和較低的烴分壓的裂解反應是提高裂解選擇性和裂解深度，進而提 高乙烯、丙烯等關鍵化工產品收率的關鍵所在，故裂解反應過程需要大量的熱量，使得裂解 爐是乙烯裝置的能耗大戶，其能耗約占裝置總能耗的60%，其中燃料消耗部分在全部燃料 消耗中占90%以上。因此，采用強化傳熱技術，提高裂解爐傳熱效率是提升產量、減少能耗 的重要途徑。為達到提高裂解選擇性，增加傳熱效率，實現節能的目的，從20世紀80年代中期 以來，許多公司推出了采用不同結構的異形管，或在圓管內外增加強化傳熱構件來提高爐 管傳熱速率的新型爐管構型。其中，Exxon公司提出將爐管內壁改成波紋狀，以增大爐管比表面積，改善流體流 動狀態。波紋管的使用，使爐管傳熱效率提高11%，原料處理量增大10 % 15 %，流體速率 提高8%，內表面積增大27. 2%，管壁溫度下降20 25°C。但是由于在生產過程中，產生的 焦炭很快填滿波紋管的凹槽，改善的傳熱效果并不突出。此外還有Kellogg公司推出的將單程小直徑圓形爐管改成內壁為8翅的梅花螺旋 形爐管以及Kubota推出的MERT爐管等。雖然這些改良的爐管，可以強化傳熱，但同時又引 入了許多其他問題，例如，結焦面積增大，流道過長導致停留時間延長，或者管體內側被高 速氣流沖刷磨損嚴重，或者加工鑄造比較困難。為達到提高裂解選擇性并解決前述存在的問題，目前國內主要存在以下相關專 利。申請(專利)號200910080846. X專利名稱帶扭曲片的換熱器。該專利公開了 一種帶有扭曲片的換熱器，在熱交換管中設置有扭曲片，改變熱交換管中流體流動形式，提 高了傳熱效率，延長了設備使用周期。但該專利所采用的扭曲片對改變熱交換管中流體流 動形式的效果不甚明顯，并不能充分延緩熱交換管內的結焦趨勢，并且在制造扭曲片的過 程中扭曲誤差較大，亦容易影響其技術效果。
發明內容
為解決以往存在的問題，本發明的目的在于提供一種內置螺旋片的熱交換管，以 克服傳統乙烯裂解爐管傳熱效率低、易結焦、管壁被高速流體沖刷嚴重、加工鑄造困難等缺 陷，在熱交換管內部制造一節或多節螺旋片，從而強化傳熱。所述內置螺旋片的熱交換管性 能穩定可靠，壽命長，可提高傳熱效率，減少結焦，降低能耗，延長乙烯裂解爐的使用周期， 降低投資。同時，本發明的進一步目的是將這種內置螺旋片的熱交換管應用于熱交換器中，例如管殼式換熱器，提高熱交換器的管內傳熱系數，從而提高熱交換器的總傳熱系數。為達到上述目的，本發明采用的技術方案為，一種內置螺旋片的熱交換管，包括熱 交換管，其特征在于，在所述熱交換管內設置螺旋片，所述螺旋片為螺旋狀，所述螺旋片在 熱交換管內側沿軸向呈一節或連續多節分布。本發明在熱交換管內設置螺旋片的目的在于改變熱交換管內流體的流動狀態，使 流體進入熱交換管后沿螺旋流道運動，進而強化傳熱效果，緩解管壁的結焦趨勢，起到抗結 焦的作用。更優選地，所述螺旋片的軸向厚度接近于熱交換管管壁厚度且小于熱交換管管壁 厚度。從而保證較好的傳熱效果，又不至于因管內氣流速度過高而損壞螺旋片。更優選地，所述螺旋片的徑向寬度的取值范圍大于或者等于所述螺旋片的軸向厚 度、小于或者等于所述熱交換管的內半徑。目的在于根據對傳熱效果和壓降要求的恰當選 擇所述螺旋片的徑向寬度的取值，加強靠近熱交換管內壁壁面流體的旋轉流動和徑向擾 動，進而強化傳熱效果。更優選地，所述螺旋片沿熱交換管軸向的邊緣與熱交換管內壁相切。目的在于最 大限度地減薄邊界層，增加傳熱系數，強化傳熱效果。更優選地，所述螺旋片焊接于熱交換管內或與熱交換管整體鑄造在一起。目的在 于使螺旋片沿熱交換管軸向的邊緣與熱交換管內壁充分相切，實現螺旋片沿熱交換管軸向 的邊緣與熱交換管內壁的無縫接合，進一步確保傳熱效果。更優選地，所述螺旋片的節距與所述熱交換管的內直徑的比值范圍為0. 5 10。 目的在于根據對傳熱效果的要求恰當選擇所述螺旋片的節距與所述熱交換管的內直徑的 比值，調和熱交換管內部流體的旋轉流動程度和螺旋片對流體產生的流動阻力之間的關 系，進而強化傳熱效果。更優選地，所述螺旋片的螺旋方向為沿所述熱交換管軸向左旋或沿所述熱交換管 軸向右旋。目的在于通過改變熱交換管內部流體的流動狀態從而達到強化傳熱效果的目 的。本發明提供的一種內置螺旋片的熱交換管可布置于乙烯裂解爐的輻射段爐管中， 同時也可布置于熱交換器中，例如管殼式換熱器。所述輻射段爐管或熱交換器如管殼式換 熱器內部至少包含一段本發明提供的置螺旋片的熱交換管。從而達到提高傳熱效率，降低 結焦，減少能耗，延長設備使用壽命的目的。本發明提供的一種內置螺旋片的熱交換管，所述螺旋片可以只有一段，也可以是 沿軸向間距分散的多段。本發明提供的一種內置螺旋片的熱交換管，通過在熱交換管中設置螺旋片，從而 實現了提高傳熱效率、強化傳熱效果、降低結焦、減少產能消耗、增長設備使用周期的目的。 同時螺旋狀的設計也減少了熱交換管內部高速流體對管體內部的沖刷磨損現象的發生，進 一步強化了傳熱效果。
圖1為本發明內置螺旋片的熱交換管的結構示意圖；圖2為螺旋片的徑向寬度的取值為熱交換管的內半徑時的螺旋片結構示意圖3為螺旋片的徑向寬度的取值大于螺旋片的軸向厚度且小于熱交換管的內半 徑時的螺旋片結構示意圖；圖4為內置單段多節螺旋片的熱交換管結構示意圖；圖5為內置多段螺旋片的熱交換管結構示意圖；圖6為內置螺旋片的熱交換管在乙烯裂解爐內的布置示例圖；圖7為內置螺旋片的熱交換管在管殼式換熱器內的布置示例圖。圖1中，1、熱交換管2、螺旋片。
具體實施例方式關鍵技術原理根據ft~andtl的邊界層理論，當流體沿著固體壁面流動時，靠近壁面會形成極薄 的一層流體，該層流體流動速度較慢，附在管壁面且不易滑脫，這樣便在管內壁形成了一個 流動邊界層。在管內中心區，熱量通過對流方式傳到湍流中心，從而傳熱效果好；而前述流 體形成的流動邊界層雖然很薄，但是傳熱阻力很大。因此，熱交換管傳熱的最大阻力在于內 壁的流動邊界層，如果能夠減少流動邊界層的傳熱阻力，將大大增加熱交換管的傳熱效率。 為達到強化傳熱效果的目的，在熱交換管內部設置螺旋片，可以改變管內流體的流動狀態， 使流動狀態由活塞流變為旋轉流，并引起二次流，促進徑向混合，一方面在離心力影響下使 中心區流體與邊界層流體充分混合，形成溫度均勻速度變化明顯的核心區，降低壁溫；另一 方面徑向流動擾動壁面附近的低速區，減薄邊界層，克服傳熱阻力，從而強化了傳熱過程。 同時，徑向流動對管壁形成強烈的沖刷，使表面不易結焦，即使結焦，結焦層的厚度也會隨 管壁溫度下降而變薄，從而延長了設備使用周期。實施例下面給出內置螺旋片的熱交換管的結構參數取值范圍、不同取值范圍所產生的不 同影響。內置螺旋片熱交換管的結構示意圖和相關尺寸參數如圖1所示。其中D是熱交換 管1的內直徑。本發明所提供的螺旋片2，其外邊緣必須始終與管內壁接觸，因此螺旋片2 外邊緣螺旋軌跡方向始終與管內壁相切，螺旋線外直徑即是管內徑。S是螺旋片的節距，可 定義為從螺旋片2的起始端旋轉360°到下一個重復形狀的起始端之間的軸向長度，也可 定義為在管軸方向上螺旋片2與管內壁接觸的兩個相鄰點的距離。扭曲比Y被定義為節距 S與管內直徑的比值，即Y = S/D。圖1中W是螺旋片2的徑向寬度，T是螺旋片2的厚度。扭曲比Y表征了螺旋片2的螺旋密度，取值范圍在2到10之間。Y值越小，說明螺 旋片2在熱交換管1內排列分布越緊密，熱交換管1內部流體的旋轉流動程度越大，強化傳 熱效果越強，對于減少結焦的貢獻越大。然而同時流動阻力也會增大，進而減緩流體的流動 速度。反之，Y值越大，說明螺旋片2在熱交換管1內排列分布越稀疏，產生的流動阻力 和對流體速度的影響越小，然而同時熱交換管1內部流體的旋轉流動程度越小，強化傳熱 效果越弱，減少結焦貢獻越小。徑向寬度W的取值范圍在螺旋片2厚度T和熱交換管1內半徑即D/2之間 T^ff^ D/2。當W = D/2時，螺旋片2完全覆蓋于管內部，產生的旋轉流動程度最大，但是對流體流動的阻力也最大。W減小時，整體的旋轉流動程度減小，靠近管壁的流體仍然產生 旋轉流動，管軸附近中心區的流體可以直接通過，減小了流動阻力。根據本發明的技術原理，加強靠近壁面流體的旋轉流動和徑向擾動是強化傳熱效 果的關鍵，而管軸附近中心區的流動速度相對較快，因此應根據對傳熱效果和壓降的要求 恰當選擇徑向寬度W的取值。其中，W = D/2的螺旋片2如圖2所示，T < W < D/2的螺旋片2如圖3所示。螺旋片2的軸向厚度T應與熱交換管1管壁厚度接近且小于熱交換管1管壁厚度。螺旋片2表面需打磨光滑。如圖5所示，螺旋片2的螺旋方向可以是左旋，也可以 使右旋。本發明所提供的熱交換管1內部每個包含螺旋片2的連續部分稱為一段。從每段 開始沿軸向距離一個節距的每個部分稱為一節。在熱交換管1內沿軸向分布一節或多節螺旋片2。螺旋片2可以只有一段，也可以 是沿熱交換管1軸向間距分散的多段。每段熱交換管1包含的螺旋片2可以是單節，也可 以是連續多節。具體如圖4，圖5所示。圖4所示為只有一段螺旋片2的情況，圖5所示為 包含有多段螺旋片2情況。圖5左邊一段為單節情況，右邊一段為連續多節情況。另，螺旋片2沿熱交換管1軸向的邊緣與熱交換管1內壁相切，并固定在熱交換管 1內壁。螺旋片2可預先焊接在一段熱交換管內，也可采用帶螺旋片的熱交換管模具，整鑄 成型。再將這段帶有螺旋片的熱交換管的兩端采用焊接或其他適當方式串聯在乙烯裂解爐 管或其他型式的熱交換管中。本發明所提供的內置螺旋片的熱交換管可布置于乙烯裂解爐的輻射段爐管中，如 圖6所示。也可布置于其他熱交換器，如管殼式換熱器中，如圖7所示。下面給出在熱交換管內加入螺旋片前后的傳熱效果對比實驗參數及實驗結果。實驗參數
第一組第二組熱交換管內徑D=25mm;管壁厚2mm; L=1500，內部連續螺旋片W=12.5mm (W=D/2)W=8mm (W<D/2)T=ImmT=ImmS=18mm (S/D=0. 72)S=18mm (S/D=0. 72)表中D為熱交換管的內直徑，W為螺旋片徑向寬度，S為螺旋片的節距，T為螺旋
片厚度。實驗結果其中Nusselt數表示對流換熱強烈程度的一個準數。第一組Nusselt數約是光管的2. 3倍030% )第一組摩擦阻力損失大約是光管的4. 9倍第二組Nusselt數約是光管的3. 4倍(340% )第二組摩擦阻力損失大約是光管的2. 6倍由如上實驗數據可見，熱交換管內加入螺旋片后，不僅大大增強了傳熱效果，而且 其阻力損失也在可接受的范圍內。
通過如上所述，即可制成內置螺旋片的熱交換管。從而實現了提高傳熱效率、強化 傳熱效果、降低結焦、減少產能消耗、增長設備使用周期的目的。同時螺旋狀的設計也減少 了熱交換管內部高速流體對管體內部的沖刷磨損現象的發生，進一步強化了傳熱效果。
權利要求
1.一種內置螺旋片的熱交換管，包括熱交換管(1)，其特征在于，在所述熱交換管(1) 內設置螺旋片O)，所述螺旋片( 為螺旋狀，所述螺旋片( 在熱交換管(1)內側沿軸向 呈一節或連續多節分布。
2.根據權利要求1所述的內置螺旋片的熱交換管，其特征在于，所述螺旋片( 的軸向 厚度接近于熱交換管(1)管壁厚度且小于熱交換管(1)管壁厚度。
3.根據權利要求1所述的內置螺旋片的熱交換管，其特征在于，所述螺旋片( 的徑 向寬度的取值范圍大于或者等于所述螺旋片O)的軸向厚度、小于或者等于所述熱交換管 (1)的內半徑。
4.根據權利要求1所述的內置螺旋片的熱交換管，其特征在于，所述螺旋片( 沿熱交 換管⑴軸向的邊緣與熱交換管⑴內壁相切。
5.根據權利要求1所述的內置螺旋片的熱交換管，其特征在于，所述螺旋片(2)焊接于 熱交換管(1)內或與熱交換管(1)整體鑄造在一起。
6.根據權利要求1所述的內置螺旋片的熱交換管，其特征在于，所述螺旋片( 的節距 與所述熱交換管(1)的內直徑的比值范圍為0. 5 10。
7.根據權利要求1所述的內置螺旋片的熱交換管，其特征在于，所述螺旋片( 的螺旋 方向為沿所述熱交換管(1)軸向左旋或沿所述熱交換管(1)軸向右旋。
8.如權利要求1所述的一種內置螺旋片的熱交換管的應用，其特征在于，所述內置螺 旋片的熱交換管布置在乙烯裂解爐的輻射段爐管中，所述輻射段爐管至少包含一段所述內 置螺旋片的熱交換管。
9.根據權利要求8所述的一種內置螺旋片的熱交換管的應用，其特征在于，還可用于 布置在使用熱交換管的換熱器中，所述換熱器內部至少包含一段所述內置螺旋片的熱交換 管。
10.根據權利要求9所述的一種內置螺旋片的熱交換管的應用，其特征在于，所述使用 熱交換管的換熱器為管殼式換熱器。
全文摘要
本發明涉及一種內置螺旋片的熱交換管及其應用，所述內置螺旋片的熱交換管包括熱交換管(1)，其特征在于，在所述熱交換管(1)內設置螺旋片(2)，所述螺旋片(2)為螺旋狀，所述螺旋片(2)在熱交換管(1)內側沿軸向呈一節或連續多節分布。同時，本發明所提供的內置螺旋片的熱交換管可布置于乙烯裂解爐的輻射段爐管中，也可布置于其他熱交換器，如管殼式換熱器中。從而實現了提高傳熱效率、強化傳熱效果、降低結焦、減少產能消耗、增長設備使用周期的目的。同時螺旋狀的設計也減少了熱交換管內部高速流體對管體內部的沖刷磨損現象的發生，進一步強化了傳熱效果。
文檔編號C10G9/20GK102095332SQ20111004457
公開日2011年6月15日 申請日期2011年2月24日 優先權日2011年2月24日
發明者代晶晶, 倪志宇, 李培寧, 王學生, 蔣曉東, 黃志榮 申請人:華東理工大學