[科普中国]-T形翅片管

简介

自1978年德国Wieland-Worke2公司发明了T形翅片管以来，国内外学者开始对T型翅片管进行强化传热性能和机械加工成型的研究。我国现已将T型翅片管拓展到炼油和石油化工领域中应用。在长岭炼油化工总厂烷基化装置上进行了重沸器工业应用试验，在洛阳化学工程公司脱硫装置上进行了工业应用。生产运行结果表明，与光管重沸器相比，T型翅片管重沸器不仅节省了30%以上换热面积，还具有很好的操作弹性，在生产超负荷33%的工况下，不但保持了较高的传热效率，而且操作平稳。

T形翅片管的研究进展1978年西德首先发明的T形翅片管(Gewa-T管或简称T管)，是目前国际上四种主要的沸腾强化表面之一。它不仅能较光管显著提高沸腾给热系数和临界热负荷，其传热性能接近或超过E管，而且与其它强化表面相比，还具有加工极为简便的优点，从而引起了许多研究者的重视。

但是，国内除重庆大学研究过线切割加工的T型平表面的沸腾传热外3，还没有别的单位在研制T管的报导。因此及时开展T管的研制和传热研究是很有必要的。

目前为止所报道的有关T管的研究，主要侧重于比较几种强化表面的传热性能。实验结果表明，T管的沸腾传热系数比光管提高2 -5倍4。关于管的强化传热机理，Stephan, K.等人5进行了初步的探讨，认为翅片的T形结构限制了翅片间遂道内产生的汽泡有效逸出，使得汽抱沿着隧道作周向上升运动。在此运动过程中，汽泡与隧道内壁接触的机会增加，从而促进了传热，即所谓的“接触长度增长假说”。但是，这仅仅是一种定性的直观假说，没有更进一步地分析进出隧道和隧道内的汽液运动。Marco, P. J.等人6的实验研究也表明汽液进出隧道的运动对其传热性能关系甚大。他们的实验还发现，T管与其它沸腾表面一样，起始沸腾存在严重的温差超常现象3即沸腾滞后现象。显然，滞后现象的存在将大大影响其强化性能的发挥。如果能够对滞后现象作较为详细的研究，便可为强化管换热器的设计和操作提供重要的参考数据。

T形翅片管的原理T型翅片管是由光管经过滚轧加工成型的一种高效换热管1。其结构特点是在管外表面形成一系列螺旋环状T型隧道。管外介质受热时在隧道中形成一系列的气泡核，由于在隧道腔内处于四周受热状态，气泡核迅速膨大充满内腔，持续受热使气泡内压力快速增大，促使气泡从管表面细缝中急速喷出。气泡喷出时带有较大的冲刷力量，并产生一定的局部负压，使周围较低温度液体涌入T型隧道，形成持续不断的沸腾。这种沸腾方式在单位时间内，单位表面积上带走的热量远远大于光管，因而这种管型具有较高的沸腾传热能力。

T形翅片管的特点
⑴传热效果好。在R113工质中T管的沸腾给热系数比光管高1.6-3.3倍7。

⑵常规的光管换热器，只有当热介质的温度高于冷介质的沸点或泡点12℃-15℃时，冷介质才会起泡沸腾。T型翅片管换热器只需2℃-4℃的温差，冷介质就可沸腾，且鼓泡细密、连续、快速，形成了与光管相比的独特优势。
⑶以氟利昂11为介质的单管实验表明，T型管沸腾给热系数可达光管的10倍；以液氨为介质的小管束实验结果，总传热系数为光管的2.2倍；C3、C4烃类分离塔的再沸器工业标定表明，低负荷时，T型管总传热系数比光滑管高50%，大负荷时高99%。

⑷较铝多孔表面传热管的价格便宜。
⑸由于隧道内部的气液扰动非常激烈以及气体沿T缝高速喷出，因而无论是T型槽内部还是管外表面，都不易结垢，这一点保证了设备能长期使用而传热效果不会受到结垢的影响。

T形翅片管的传热机制为了解释平均开口度对T管传热性能的影响，以及T管与光管不同的沸腾滞后现象，首先必须了解T管的沸腾传热机理。正如前言所述，关键是T管沸腾时隧道内部的汽液存在方式和流动状况。不同热负荷下观察到的隧道内的汽液运动状况。发现隧道内的汽泡运动既存在接触长度增长的因素，又不完全如此2。
在低热负荷下，隧道内存在明显的汽液柱两相，并发生周期性的汽液柱界面上下运动和汽抱脱离隧道。在一个周期内，首先由于隧道内汽固间液膜的吸热而蒸发，顶部隧道的汽柱体积逐渐增大，下部液体被挤出隧道，汽液柱界面下降。当汽柱压力足以克服从狭缝逸出的形状阻力时，汽泡迅速从狭缝逸出，掖体在静压差和毛细力作
用下迅速进人隧道，汽液界面上升，接着开始下一周期。在这一阶段，传热主要是通过上部隧道内汽固间薄液膜的热传导和下部进出隧道的液体循环的自然对流传热。
当热负荷逐渐升高时，汽相产生的速率加快，汽体膨胀需克服隧道内液体的粘滞力增加，汽相压力升高加快，使汽相更容易逸出隧道。因此实验中还观察到随热负荷升高汽液柱界面运动幅度变小，周期变短。当热负荷比较高时，顶部隧道汽相周期性生长脱离过程不能及时把所有热量带走，隧道内壁和液体温度升高，隧道内其它地方的内表面便有汽抱产生和脱离。这些汽泡正如Stephan, K.等人5所预言的那样，在浮力和隧道形状阻力的作用下将沿隧道作周向上升运动。但不同的是，这些上升的汽泡，有些上升直至与顶部汽柱会合，有些则在会合前从管子两侧脱离隧道。而且热负荷越高，将有更多的汽泡很快从侧面脱离隧道，隧道内逐渐充满汽泡。这正如图8所示，隧道内汽液柱界面逐渐难于分辨。这时传热主要为泡核沸腾。 可以预料，进一步提高热负荷，由于隧道内汽泡的大量产生、运动和脱离，充满隧道的汽泡终将会合成连续的汽相，隧道内的液体难于维持泡状沸腾，传热便转化为隧道内的薄液膜蒸发。当热负荷达到一定数值以后，进人隧道的液体速度小于蒸发速度，内壁面逐渐被蒸干，从而发生沸腾危机或进人汽膜传热状态。

综上实验现象和分析，热负荷从低到高，T管隧道内的传热可以划分为如下五个不同阶段:

(1)汽抱产生前的自然对流传热;

(2)顶部隧道汽相周期性生长脱离时的局部液膜蒸发及相应的液体进出隧道循环时的对流传热;

(3)隧道内的泡核沸腾传热;

(4)隧道内壁薄液膜蒸发传热;

(5)隧道表面蒸干后的膜态传热或烧毁。

T形翅片管的应用场合只要壳侧介质比较干净、无固体颗粒、无胶质，均可采用T型翅片管作换热元件，形成T型翅片管式高效换热器，以提高壳侧沸腾传热效果7。

T形翅片管重沸器的研制与应用
"T”形翅片管重沸器工业试验台位选在中国石油化工股份有限公司长岭分公司烷基化装置气体分馏中的脱丙烷塔(塔一1)底重沸器(换一2)台位上。其设计热负荷为4600GJ/ h。原采用FLa700-135-40-2浮头管壳式重沸器，换热面积为135m22。
换一2最初的设计是考虑到烷基化装置的处理量以后会扩大，放换热面积留有较大的富裕量，实际的传热系数仅为250W/ (m2 K)。用“T”形翅片管重沸器时，按“T”形翅片管外沸腾传热系数为光滑管的3倍计，其传热面积计算为65 m2 ,考虑应增大富裕量，故选用F LB 700-95-40-2 " T "形翅片管重沸器，换热面积为95 m2。但为了利用原设备，只更换管束。将F LB700的管板，改制为F LB700重沸器管板，制成管束。最后1管程堵管29根，2管程共堵管58根。该管束实际换热面积为90. 5m2.
该台T型翅片管重沸器试制成功后，安装在长岭分公司的烷基化装置塔一1底重沸器(换一2)台位上。自运行以来情况良好，其热负荷已超过设计热负荷，满足生产要求。