[发明专利]一种内置螺旋片的热交换管及其应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种热交换管及其应用，更具体地说，本发明涉及一种内置螺旋片的热交换管及其在乙烯裂解炉的强化传热炉管中的应用，属于能源化工领域。

背景技术

乙烯裂解炉是石油化工中的重要设备，主要用于对裂解原料进行加热以实现裂解反应。高温、短停留时间和较低的烃分压的裂解反应是提高裂解选择性和裂解深度，进而提高乙烯、丙烯等关键化工产品收率的关键所在，故裂解反应过程需要大量的热量，使得裂解炉是乙烯装置的能耗大户，其能耗约占装置总能耗的60％，其中燃料消耗部分在全部燃料消耗中占90％以上。因此，采用强化传热技术，提高裂解炉传热效率是提升产量、减少能耗的重要途径。

为达到提高裂解选择性，增加传热效率，实现节能的目的，从20世纪80年代中期以来，许多公司推出了采用不同结构的异形管，或在圆管内外增加强化传热构件来提高炉管传热速率的新型炉管构型。

其中，Exxon公司提出将炉管内壁改成波纹状，以增大炉管比表面积，改善流体流动状态。波纹管的使用，使炉管传热效率提高11％，原料处理量增大10％～15％，流体速率提高8％，内表面积增大27.2％，管壁温度下降20～25℃。但是由于在生产过程中，产生的焦炭很快填满波纹管的凹槽，改善的传热效果并不突出。

此外还有Kellogg公司推出的将单程小直径圆形炉管改成内壁为8翅的梅花螺旋形炉管以及Kubota推出的MERT炉管等。虽然这些改良的炉管，可以强化传热，但同时又引入了许多其他问题，例如，结焦面积增大，流道过长导致停留时间延长，或者管体内侧被高速气流冲刷磨损严重，或者加工铸造比较困难。

为达到提高裂解选择性并解决前述存在的问题，目前国内主要存在以下相关专利。

申请(专利)号：200910080846.X专利名称：带扭曲片的换热器。该专利公开了一种带有扭曲片的换热器，在热交换管中设置有扭曲片，改变热交换管中流体流动形式，提高了传热效率，延长了设备使用周期。但该专利所采用的扭曲片对改变热交换管中流体流动形式的效果不甚明显，并不能充分延缓热交换管内的结焦趋势，并且在制造扭曲片的过程中扭曲误差较大，亦容易影响其技术效果。

发明内容

为解决以往存在的问题，本发明的目的在于提供一种内置螺旋片的热交换管，以克服传统乙烯裂解炉管传热效率低、易结焦、管壁被高速流体冲刷严重、加工铸造困难等缺陷，在热交换管内部制造一节或多节螺旋片，从而强化传热。所述内置螺旋片的热交换管性能稳定可靠，寿命长，可提高传热效率，减少结焦，降低能耗，延长乙烯裂解炉的使用周期，降低投资。同时，本发明的进一步目的是将这种内置螺旋片的热交换管应用于热交换器中，例如管壳式换热器，提高热交换器的管内传热系数，从而提高热交换器的总传热系数。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案为，一种内置螺旋片的热交换管，包括热交换管，其特征在于，在所述热交换管内设置螺旋片，所述螺旋片为螺旋状，所述螺旋片在热交换管内侧沿轴向呈一节或连续多节分布。

本发明在热交换管内设置螺旋片的目的在于改变热交换管内流体的流动状态，使流体进入热交换管后沿螺旋流道运动，进而强化传热效果，缓解管壁的结焦趋势，起到抗结焦的作用。

更优选地，所述螺旋片的轴向厚度接近于热交换管管壁厚度且小于热交换管管壁厚度。从而保证较好的传热效果，又不至于因管内气流速度过高而损坏螺旋片。

更优选地，所述螺旋片的径向宽度的取值范围大于或者等于所述螺旋片的轴向厚度、小于或者等于所述热交换管的内半径。目的在于根据对传热效果和压降要求的恰当选择所述螺旋片的径向宽度的取值，加强靠近热交换管内壁壁面流体的旋转流动和径向扰动，进而强化传热效果。

更优选地，所述螺旋片沿热交换管轴向的边缘与热交换管内壁相切。目的在于最大限度地减薄边界层，增加传热系数，强化传热效果。

更优选地，所述螺旋片焊接于热交换管内或与热交换管整体铸造在一起。目的在于使螺旋片沿热交换管轴向的边缘与热交换管内壁充分相切，实现螺旋片沿热交换管轴向的边缘与热交换管内壁的无缝接合，进一步确保传热效果。

更优选地，所述螺旋片的节距与所述热交换管的内直径的比值范围为0.5～10。目的在于根据对传热效果的要求恰当选择所述螺旋片的节距与所述热交换管的内直径的比值，调和热交换管内部流体的旋转流动程度和螺旋片对流体产生的流动阻力之间的关系，进而强化传热效果。

更优选地，所述螺旋片的螺旋方向为沿所述热交换管轴向左旋或沿所述热交换管轴向右旋。目的在于通过改变热交换管内部流体的流动状态从而达到强化传热效果的目的。