管殼式換熱器由于其結(jié)構(gòu)簡單、易清洗維修和造價低等優(yōu)點，被廣泛作為精餾塔的冷凝器、再沸器和換熱器使用。但因其換熱列管為普通的無縫鋼管（光滑直管），并脹焊于兩端的管板上，這種結(jié)構(gòu)應用于高沸點、高凝固點特殊物系的分離提純存在著一些問題，尤其是在冷凝水水質(zhì)不好的場合。

　　高沸點、高凝固點物系的精餾塔冷凝器具有以下特點：①殼程工作溫度高，管程為了防止物料在冷凝器中凝固、堵塞，冷凝水溫度不宜太低，從而導致管內(nèi)壁表面溫度高，易結(jié)垢，影響冷凝效果和生產(chǎn)能力；②管、殼程溫差大，熱應力大，易造成列管拉裂；③精餾塔采用內(nèi)回流結(jié)構(gòu)，冷凝器直接置于塔頂部，考慮到塔體和塔基礎的投資，要求塔頂冷凝器的結(jié)構(gòu)緊湊、既小又輕。

　　管殼式波紋管換熱器在管殼式換熱器的基礎上，采用強化傳熱原理把傳統(tǒng)的光滑直管改為有效的波紋管（見圖１），既繼承了管殼式換熱器的優(yōu)點，又克服了其固有的缺點，具有更為廣泛的應用領域。將其應用于高沸點、高凝固點物系的精餾塔冷凝器上，能夠有效地解決結(jié)垢、列管拉裂等問題。

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　　對傳統(tǒng)的管殼式換熱器通過采用波紋管取代光滑直管，使換熱管管壁處的流體始終處于高度湍流狀態(tài)，達到強化傳熱的目的。根據(jù)傳熱學基本公式：

　　由式（１）可知，提高傳熱效率的途徑有三條：提高傳熱系數(shù)Ｋ；加大換熱面積Ｆ；加大對數(shù)平均溫差Δｔｍ。加大換熱面積和加大對數(shù)平均溫差都不是理想的途徑，一味地增加換熱面積勢必會造成設備體積龐大和投資費用的大幅度增加；而加大對數(shù)平均溫差又要受到公用工程條件和分離物系性質(zhì)的限制。只有提高傳熱系數(shù)，才是強化換熱zui有效的途徑。

　　傳熱系數(shù)Ｋ是換熱器的主要性能參數(shù)，眾所周知其計算公式為

　　由式（２）可知，傳熱系數(shù)Ｋ值的大小與管內(nèi)換熱系數(shù)αｉ、管外換熱系數(shù)αｏ，管內(nèi)管外的污垢系數(shù)ｒｉ和ｒｏ，換熱管的外徑與內(nèi)徑之比ｄｏ／ｄｉ，換熱管材料及導熱系數(shù)λｗ和管厚度δｗ有關。而換熱管的材料、規(guī)格一旦選定，則管外徑與內(nèi)徑之比、壁厚及導熱系數(shù)等參數(shù)也隨之確定下來。所以，提高管內(nèi)、外換熱系數(shù)αｉ和αｏ、降低污垢系數(shù)ｒｉ和ｒｏ，才能夠提高換熱器的總傳熱系數(shù)Ｋ。

　　１．１　提高換熱系數(shù)αｉ及αｏ

　　根據(jù)傳熱學對流傳熱準則方程：

　　由雷諾數(shù)Ｒｅ和普朗特數(shù)Ｐｒ可見，管內(nèi)、管外的對流換熱系數(shù)αｉ及αｏ與流體的流動狀態(tài)有很大關系，流動狀態(tài)的改變一方面可借助于流速的提高，但當流速提高到一定程度時，傳熱系數(shù)隨著流速的提高而增加的速率緩慢，而換熱器壓降的增加幅度卻很大。因此，在設計換熱器時，提高傳熱系數(shù)不能單純靠提高流速來實現(xiàn)；改變流動狀態(tài)的另一途徑是設計出合理的流道截面，使流體按湍流或程度較高的紊流進行流動，使流體不斷沖擊邊界層。同時，使截面zui好能不斷改變流體的流動方向，如有意識地使流道截面不間斷地縮小、擴大，即使在流速較小的情況下，流體在管內(nèi)外也可以形成比較強烈的擾動，從而提高管內(nèi)外的對流換熱系數(shù)。

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　　提高總傳熱系數(shù)Ｋ還可以用降低管內(nèi)外的污垢系數(shù)來達到。污垢的問題是換熱設備的老大難問題，多少年來，無數(shù)的科技工作者在這一領域進行了大量的工作取得了一定的進展，但都有局限性。在操作過程中，由于溫度的變化，原來溶解在流體中的一些成分，會析出沉積在傳熱表面形成污垢，每一種污垢都有它獨特的生成機理，這些污垢會加大設備的總熱阻，降低總傳熱系數(shù)。要降低換熱器的污垢熱阻，需從以下幾方面進行考慮：

　?。保m當提高流體的流速，使流體中的沉積物不易沉積、結(jié)垢，但換熱器的壓降加大；

　　２．不斷地改變流體的流動方向，使流體不停地沖擊換熱管的壁面，讓流體中的各種雜質(zhì)不易在壁面停留；

　　３．選擇耐腐蝕的光滑材料，也可以減緩污垢的形成。

　?。病〔y管換熱器結(jié)構(gòu)特點

　　管殼式波紋管換熱器zui突出的優(yōu)點是可以迫使流體按規(guī)定路徑多次錯流通過管束，使流體的湍流程度持續(xù)得到強化，其主要特點如下。

　?。?、傳熱效率高

　　由于換熱管采用波紋管，管內(nèi)流道截面連續(xù)不斷地突變，造成流體即使在流速很低的情況下也始終處于高度湍流狀態(tài)，難以形成層流，使對流傳熱的主要熱阻被有效地克服，管內(nèi)外傳熱被同時強化，因而傳熱系數(shù)很高，一般為傳統(tǒng)管殼式換熱器的２～３倍。

　?。病⒎澜Y(jié)垢能力強

　　因流道內(nèi)流體的高度湍流，使流體中的微粒難以沉積結(jié)垢，即使有少量垢生成，由于介質(zhì)在管內(nèi)外湍流流動，對管壁沖刷強烈，防結(jié)垢能力強。另外，波紋管上存在著因管程與殼程溫差應力而產(chǎn)生的應變，使具有彈性特征的波紋管的曲率發(fā)生微觀變化，從而使波紋管換熱器具有防垢和除垢的能力。

　?。?、應力補償能力強

　　波紋管因其結(jié)構(gòu)形狀和管壁較薄的特性，在管程與殼程溫差應力較大時，具有彈性特征的波紋管的曲率發(fā)生微觀變化，用以補償、消除熱應力，有效防止了傳統(tǒng)的管殼式換熱器換熱管易被拉裂等現(xiàn)象。

　?。础⒔Y(jié)構(gòu)緊湊、既小又輕

　　由于波紋管換熱器傳熱系數(shù)很高，所需的換熱面積小，而且，波紋管的壁厚較薄，所以波紋管換熱器結(jié)構(gòu)緊湊、既小又輕。

　　通過對換熱器強化傳熱原理的剖析和波紋管換熱器的結(jié)構(gòu)分析可見，獨特結(jié)構(gòu)形式的波紋管換熱器使流動流體始終處于湍流狀態(tài)，且不斷地沖刷管壁，有效地提高了換熱器的傳熱系數(shù)。

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　　β－萘酚生產(chǎn)能力７ｔ／ｄ，精餾塔尺寸１２００ｍｍ×２００００ｍｍ，內(nèi)裝填３８ｍｍ矩鞍環(huán)填料。冷凝器直接置于塔頂部，選用１２ｍ２管殼式換熱器，屬內(nèi)回流形式。精餾塔工作壓力１０ｋＰａ（絕壓），溫度２００～２４０℃。由于冷凝水水質(zhì)不太好，且工作溫度較高，換熱管結(jié)垢降低了冷凝器換熱效果，迫使減少產(chǎn)量（一般使用１５個月后，生產(chǎn)能力降到開始時的６０％左右），為此需經(jīng)常調(diào)整操作參數(shù)，產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定。此外，冷凝器每使用二年左右，一些換熱管破裂，需檢修維護。

　　鑒于以上問題，且該廠精餾塔的生產(chǎn)能力需擴大到１０ｔ／ｄ，要求在原塔體和設備基礎的承載能力的條件下對其進行技術改造，即要求塔頂冷凝器和塔內(nèi)填料的質(zhì)量不大于原有的。為此，選用了新型有效規(guī)整波紋填料和新型的管殼式波紋管換熱器。波紋填料的處理能力大、操作彈性高、壓降低，為生產(chǎn)能力的提高創(chuàng)造了有利條件。關鍵的塔頂冷凝器改用管殼式波紋管換熱器，傳熱面積仍為１２ｍ２，其質(zhì)量稍輕于原換熱器。

　　技術改造于２００３年２月完成并投產(chǎn)，生產(chǎn)能力達到１０ｔ／ｄ，產(chǎn)品純度提高到９９．３％。根據(jù)穩(wěn)定運行三年的現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)推算，管殼式波紋管換熱器的換熱效率比原來提高了３５％，而且，波紋管不易結(jié)垢，具有很好的熱應力補償和抗拉裂功能。生產(chǎn)運行和產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，檢修維護方便。

　　４結(jié)論

　　管殼式波紋管換熱器獨特的結(jié)構(gòu)形式使流體始終處于湍流狀態(tài)，且流體不斷地沖刷管壁，阻止或延緩結(jié)垢。波紋管結(jié)構(gòu)很好地迎合了強化傳熱過程機理，有效地提高了換熱器的傳熱系數(shù)３５％。管殼式波紋管換熱器的綜合性能好，體積小質(zhì)量輕，具有傳熱效率高、不易結(jié)垢和應力補償?shù)忍攸c。