專利名稱：一種熱交換管及其制造方法和應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種熱交換管，該熱交換管用于在乙烯裂解爐和其它管式加熱爐中改善傳熱效果。另外，本發(fā)明還涉及采用這種熱交換管的乙烯裂解爐和其它管式加熱爐。本發(fā)明還進(jìn)一步涉及這種熱交換管的制造方法，即采用真空冶煉熔模精鑄技術(shù)制造扭曲片與熱交換圓管集成一體的熱交換管。
本領(lǐng)域的技術(shù)人員都知道，提高乙烯、丙烯等化工產(chǎn)品收率的技術(shù)關(guān)鍵包括提高裂解溫度和縮短原料在爐管中的停留時間，這要求改善爐管的傳熱效率。
為此，國際上已有廠商采用了螺旋梅花形爐管。從這種螺旋梅花形爐管的橫截面看，爐管的內(nèi)壁上分布著翅片，螺旋梅花形爐管的中心部為空心的。這種爐管結(jié)構(gòu)雖然增加了傳熱面積，改善了傳熱效果，但是，在螺旋梅花形爐管內(nèi)，中心部的物料流速與內(nèi)壁處的物料流速差別較大，相應(yīng)的溫差也較大，這增加了裂解不充分和產(chǎn)生結(jié)焦現(xiàn)象的可能性。
近年來，本領(lǐng)域的技術(shù)人員也試圖在增加傳熱面積和改善傳熱效果的同時，使?fàn)t管內(nèi)不同部位的物料流速差別減小，以使相應(yīng)的溫差更均勻，從而更好地進(jìn)行裂解反應(yīng)。中國實用新型CN 87 2 03192 U公開了一種能增強(qiáng)換熱效果的裝置，其包括換熱圓管和扭曲片，該扭曲片由在兩個長邊上設(shè)有凸齒的一矩形片扭曲而成，所述扭曲片插入至換熱圓管內(nèi)，并且所述扭曲片的兩端焊接在換熱圓管上。該中國實用新型雖然進(jìn)一步改善了裂解反應(yīng)，但是，由于所述扭曲片的中間部分無法焊接在換熱圓管的內(nèi)壁上，而物料在換熱圓管內(nèi)的流速快、沖擊力大，因此，這種結(jié)構(gòu)的扭曲片承受著振動激勵，很容易損壞，另外，在扭曲片和換熱圓管的內(nèi)壁之間、扭曲片的兩個長邊上的各凸齒之間會產(chǎn)生小旋渦，這增加了裂解不充分和產(chǎn)生結(jié)焦現(xiàn)象的可能性。
本發(fā)明的目的是提供一種熱交換管，該熱交換管可進(jìn)一步改善換熱效果、減小結(jié)焦傾向、使用性能穩(wěn)定可靠、工作壽命長。
本發(fā)明的另外一個目的是提供一種熱交換管，該熱交換管的扭曲片表面光滑、管壁致密、尺寸誤差小、形狀誤差也小。
本發(fā)明的進(jìn)一步的目的是提供一種熱交換管的制造方法，以簡單、方便、成本低廉地制造熱交換管。
本發(fā)明的另外一個目的是提供一種采用這種熱交換管的裂解爐，其既可以使物料旋轉(zhuǎn)前進(jìn)，以強(qiáng)化傳熱過程，又不導(dǎo)致明顯降低物料在熱交換管內(nèi)的流速；既可以提高目的化工產(chǎn)品的產(chǎn)量，又可延長清焦周期。
本發(fā)明的進(jìn)一步的目的是提供一種采用這種熱交換管的管式加熱爐，其以低成本改善傳熱效果，增加物料處理量。
根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了一種熱交換管，其包括內(nèi)置的扭曲片，所述扭曲片沿?zé)峤粨Q管的軸向至少部分地設(shè)置在該熱交換管的內(nèi)部；該扭曲片與熱交換管集成一體。
特別是，所述扭曲片的扭曲角度在100～360°之間。
特別是，所述扭曲片扭曲180°的軸向長度與熱交換管的內(nèi)徑的比值在2～3之間。
特別是，所述扭曲片的厚度與熱交換管的管壁的厚度相近；所述扭曲片與熱交換管的管壁之間呈圓角過渡。
特別是，所述熱交換管采用真空冶煉熔模精鑄技術(shù)制成。
根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供了一種裂解爐，該裂解爐的輻射爐管中包括至少一節(jié)根據(jù)本發(fā)明的熱交換管；各節(jié)所述熱交換管以相互間隔的方式設(shè)置在至少一段輻射爐管中；兩個相鄰的所述熱交換管之間的距離至少為5個節(jié)距。
特別是，所述熱交換管沿軸向焊接在輻射爐管中。
根據(jù)本發(fā)明的第三方面，提供了一種管式加熱爐，該管式加熱爐的爐管中包括至少一節(jié)根據(jù)本發(fā)明的熱交換管；各節(jié)所述熱交換管以相互間隔的方式設(shè)置在至少一段爐管中；所述扭曲片扭曲180°的軸向長度為一節(jié)距，兩個相鄰的所述熱交換管之間的距離至少為5個節(jié)距。
特別是，所述熱交換管沿軸向焊接在爐管中。
根據(jù)本發(fā)明的第四方面，提供了一種熱交換管的制造方法，采用真空冶煉熔模精鑄技術(shù)，其中，內(nèi)腔模具分成數(shù)個模塊，各模塊組合成符合扭曲片形狀的輪廓。
根據(jù)本發(fā)明的熱交換管的技術(shù)方案，當(dāng)物料在所述熱交換管內(nèi)流經(jīng)扭曲片的表面時，該扭曲片強(qiáng)迫物料從原來的柱塞流動狀態(tài)改變成旋轉(zhuǎn)前進(jìn)狀態(tài)，熱交換管內(nèi)的物料產(chǎn)生橫向流動，對熱交換管的管壁形成強(qiáng)烈的沖刷，使熱阻大的邊界層流層的厚度減薄，從而改善換熱效果。
換熱效果的改善又使熱交換管的內(nèi)壁溫度下降，結(jié)焦傾向減小，這將進(jìn)一步改善換熱效果。
根據(jù)本發(fā)明的熱交換管的物料通道內(nèi)各處都是光滑過渡的曲面，沒有使物料可能產(chǎn)生死區(qū)的部位。因此，結(jié)焦傾向減小，換熱效果好。
根據(jù)本發(fā)明的熱交換管的扭曲片與該熱交換管集成一體，這種結(jié)構(gòu)的扭曲片不容易損壞。因此，該熱交換管使用性能穩(wěn)定可靠、工作壽命長。
根據(jù)本發(fā)明的熱交換管采用真空冶煉熔模精鑄技術(shù)制成，因此，可使得扭曲片表面光滑、管壁致密、尺寸誤差小、形狀誤差也小。
由于熱交換管內(nèi)腔的表面光潔度高，因此對物料的流動阻力小，而且可防止局部產(chǎn)生渦流，減小結(jié)焦傾向。
另外，根據(jù)本發(fā)明的熱交換管采用真空冶煉熔模精鑄技術(shù)制成，因此，可以簡單、方便、成本低廉地制造熱交換管。由于根據(jù)本發(fā)明的熱交換管采用鑄造技術(shù)制成，因此具有可焊性，可方便地通過焊接方法連接在爐管中，因此，可以簡單、方便、成本低廉地安裝根據(jù)本發(fā)明的熱交換管。
根據(jù)本發(fā)明，在裂解爐的原有的圓形輻射爐管上分段地設(shè)置帶扭曲片的熱交換管。由于僅在輻射爐管的某個部位或幾個部位設(shè)置帶扭曲片的熱交換管，在輻射爐管的整個管程中，帶扭曲片的熱交換管的總長度只占整個管程的很小一部分。因此，物料的阻力不會有大的增加。因此，采用這種熱交換管的裂解爐，其既可以使物料旋轉(zhuǎn)前進(jìn)，以強(qiáng)化傳熱過程，又不導(dǎo)致明顯降低物料在熱交換管內(nèi)的流速。
在本發(fā)明的熱交換管的扭曲片作用下，熱交換管內(nèi)的物料產(chǎn)生橫向流動，對熱交換管的管壁形成強(qiáng)烈的沖刷，使熱阻大的邊界層流層的厚度減薄，從而減小了管壁對物料流動的阻力，可適當(dāng)?shù)靥岣呶锪系那斑M(jìn)速度。
在本發(fā)明中，熱交換管采用了扭曲片，雖然物料的阻力有增加的趨勢，但由此帶來的負(fù)面影響比由于換熱效果的改善帶來的正面影響要小得多。由于靠近管壁的物料的溫度降低了，熱交換管內(nèi)腔的表面減小結(jié)焦傾向，因此，采用本發(fā)明的熱交換管既可以提高化工產(chǎn)品的產(chǎn)量，又可延長清焦周期。
加入根據(jù)本發(fā)明的帶扭曲片的熱交換管后，由于裂解爐的輻射爐管的內(nèi)壁溫度下降，該裂解爐的輻射爐管的使用壽命可以提高。
同理，采用這種熱交換管的管式加熱爐，可以低成本改善傳熱效果，并且還可增加物料處理量。
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的推薦實施例進(jìn)行詳細(xì)說明，以使本發(fā)明的上述目的和優(yōu)點以及其它目的和優(yōu)點更加容易被理解，所述附圖包括

圖1是根據(jù)本發(fā)明的數(shù)種帶扭曲片的熱交換管的實物透視照片；圖2是根據(jù)本發(fā)明的一種帶扭曲片的熱交換管的實物解剖后的照片；圖3是根據(jù)本發(fā)明的帶扭曲片的熱交換管的側(cè)視圖，其中標(biāo)明了B-B、C-C、D-D剖面的位置；圖4是在如圖3中沿箭頭A或箭頭E看的端面圖；圖5是在如圖3中沿B-B線的截面圖；圖6是在如圖3中沿C-C線的截面圖；圖7是在如圖3中沿D-D線的截面圖；和圖8示出了裂解爐的輻射爐管中或管式加熱爐的爐管中各節(jié)熱交換管的一個布局實施例的示意圖。
圖1和圖2是根據(jù)本發(fā)明的帶扭曲片的熱交換管的數(shù)個實施例的實物照片，由此可概括地了解本發(fā)明的帶扭曲片的熱交換管。
圖3至圖7更詳細(xì)地示出了根據(jù)本發(fā)明的帶扭曲片的熱交換管的一個實施例。
根據(jù)本發(fā)明的該實施例，從如圖4所示的橫截面可以看出，帶扭曲片的熱交換管10包括管壁部分1和扭曲片部分2，該扭曲片部分2與熱交換管的管壁部分1集成一體。扭曲片部分2沿?zé)峤粨Q管10的直徑方向把熱交換管10分隔成兩個橫截面積相同的物料通道3、4。
根據(jù)本發(fā)明的思想，在物料通道3、4內(nèi)，在扭曲片部分2和熱交換管的管壁部分1的連接部位，即由附圖標(biāo)記5、6、7和8所示的拐角部，所述扭曲片與熱交換管的管壁之間呈圓角過渡。其過渡圓角不能過大，否則物料通道3、4過于狹窄，會影響物料的流動量。另外一方面，過渡圓角不能過小，否則使流動的物料在此處形成死角渦流，并且容易形成局部結(jié)焦。
圖3示出的帶扭曲片的熱交換管的長度為一個節(jié)距，因此，沿箭頭A或箭頭E看的端面圖是相同的，如圖4所示，此時，扭曲片部分呈水平狀態(tài)。圖5示出了在圖3中從左端起1/4長度處的截面圖，此時，扭曲片部分向左傾斜45°；圖6示出了在圖3中從左端起1/2長度處的截面圖，此時，扭曲片部分呈垂直狀態(tài)；圖7示出了在圖3中從左端起3/4長度處的截面圖，此時，扭曲片向右傾斜45°。
總之，根據(jù)本發(fā)明的帶扭曲片的熱交換管10，在沿其軸向的任何剖面處的橫截面的形狀和尺寸都是相同的。所不同的只是扭曲片部分2的傾斜角度不同。這反映出扭曲片的扭曲狀態(tài)。
事實上，扭曲片2既可以左旋扭曲，又可以右旋扭曲。
特別是，扭曲片2既可以處于熱交換管的內(nèi)徑位置，又可以偏離熱交換管的內(nèi)徑位置。在扭曲片2偏離熱交換管的內(nèi)徑位置的情況下，物料通道3、4具有不同大小的橫截面積。
進(jìn)一步說，扭曲片2的橫截面既可以呈直線狀態(tài)，又可以呈曲線狀態(tài)。
根據(jù)實際需要，扭曲片也可設(shè)計成更復(fù)雜的形狀，把熱交換管內(nèi)分隔成兩個以上的物料通道。
實際上，在根據(jù)本發(fā)明的熱交換管中，所述扭曲片可以沿?zé)峤粨Q管的軸向的全長范圍內(nèi)進(jìn)行設(shè)置，也可以部分地設(shè)置在該熱交換管的內(nèi)部。
在本發(fā)明中，術(shù)語“節(jié)距”S是指扭曲片扭曲180°的軸向長度。術(shù)語“扭曲比”Y是指節(jié)距S與熱交換管的內(nèi)徑D的比值。即Y＝S/D。
Y值越小，則表明扭曲片的扭曲程度越大，因此，熱交換管內(nèi)的物料的橫向流動傾向越大，強(qiáng)化換熱效果越好，減小結(jié)焦傾向越大；然而，物料的阻力會增大，從而會影響物料的流速。
相反，Y值越大，熱交換管內(nèi)的物料的橫向流動傾向越小，物料的阻力越小，然而，熱交換管內(nèi)的物料沖刷管壁和減薄邊界層流層的厚度的作用也越小，強(qiáng)化換熱效果越弱，減小結(jié)焦傾向的作用較弱。
因此，選取合適的扭曲比特別重要。在本發(fā)明中，扭曲比Y＝2.5可取得很好的效果。而在扭曲比Y＝2～3同樣可獲得良好的效果。
在另外一個實施例中，本發(fā)明的熱交換管也可總體上呈橢圓形。
如果在裂解爐的輻射爐管的全長范圍內(nèi)都設(shè)有扭曲片，對增強(qiáng)換熱效果當(dāng)然好，但物料的阻力會增大，從而會影響物料的流速。為此，在本發(fā)明中，在裂解爐的輻射爐管的全長范圍內(nèi)分段地設(shè)置帶扭曲片的熱交換管，兩個相鄰的所述熱交換管之間留有一定長度的空管段。由于物料的旋轉(zhuǎn)慣性，物料在空管段內(nèi)仍能旋轉(zhuǎn)前進(jìn)。也就是說，各節(jié)所述熱交換管以相互間隔的方式設(shè)置在輻射爐管中；所述兩個相鄰的所述熱交換管之間的距離至少為5個節(jié)距。
特別是，所述兩個相鄰的所述熱交換管之間的距離在15至20個節(jié)距。
特別是，在本發(fā)明中，某些裂解爐的輻射爐管可設(shè)有本發(fā)明的所述熱交換管，而在另外一些裂解爐的輻射爐管可不設(shè)有本發(fā)明的所述熱交換管。換句話說，本發(fā)明的所述熱交換管可僅僅設(shè)置在一部分裂解爐的輻射爐管中。
特別是，本發(fā)明的所述熱交換管可設(shè)置在以水平、垂直、或任何傾斜方向延伸的裂解爐的輻射爐管中。
圖8示出了裂解爐的輻射爐管中各節(jié)熱交換管的一個布局。在裂解爐的輻射爐管的全長范圍內(nèi)，每個帶扭曲片的熱交換管的扭曲比Y可以相同，也可以不同，各帶扭曲片的熱交換管的扭曲比Y可以根據(jù)實際需要進(jìn)行設(shè)計。每兩個相鄰的所述熱交換管之間的距離可以相同，也可以不同，可以根據(jù)實際需要進(jìn)行設(shè)計。
所述熱交換管的長度可以小于一個節(jié)距，也可以略大于一個節(jié)距。也就是說，所述扭曲片的扭曲角度可以小于180°，也可以大于180°。所述扭曲片的扭曲角度在100～360°之間，特別是，所述扭曲片的扭曲角度通常在100～200°之間。
另外，如果所述扭曲片的厚度過大，則所占有的熱交換管的內(nèi)部空間過多，因此，物料的流動量會減小。由于扭曲片承受著物料的沖刷作用，如果所述扭曲片的厚度過薄，則其使用壽命就會降低。在本發(fā)明中，所述扭曲片的厚度為熱交換管的管壁的厚度的80％左右。實際上，在所述扭曲片的厚度與熱交換管的管壁的厚度相近的情況下，都會取得良好的效果。
特別是，所述熱交換管可以沿軸向焊接在輻射爐管中，也可以采用螺紋連接或其它適當(dāng)?shù)倪B接方式串聯(lián)在輻射爐管中。
特別是，根據(jù)本發(fā)明的熱交換管可用于乙烯裂解爐的強(qiáng)化傳熱或其它化工產(chǎn)品的裂解爐的強(qiáng)化傳熱。事實上，本發(fā)明可用于采用這種熱交換管的任何管式加熱爐。因此，本發(fā)明的熱交換管也可用于其它管式加熱爐的爐管中。
特別是，根據(jù)本發(fā)明的熱交換管的制造方法，采用真空冶煉熔模精鑄技術(shù)，其中，內(nèi)腔模具分成數(shù)個模塊，各模塊組合成符合扭曲片形狀的輪廓。
盡管上文對本發(fā)明的實施例進(jìn)行了詳細(xì)說明，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解，所指出的實施例僅僅是為了方便對本發(fā)明進(jìn)行說明，本發(fā)明并不僅僅局限于上述各實施例。在本發(fā)明的思想指引下，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可對本發(fā)明進(jìn)行種種修改、補(bǔ)充或替換，然而，這不會超出本發(fā)明的精神和范圍。
權(quán)利要求
1.一種熱交換管，包括內(nèi)置的扭曲片，其特征在于所述扭曲片沿?zé)峤粨Q管的軸向至少部分地設(shè)置在該熱交換管的內(nèi)部；該扭曲片與熱交換管集成一體。
2.如權(quán)利要求1所述的熱交換管，其特征在于所述扭曲片的扭曲角度在100～360°之間。
3.如權(quán)利要求1或2所述的熱交換管，其特征在于所述扭曲片扭曲180°的軸向長度與熱交換管的內(nèi)徑的比值在2～3之間。
4.如權(quán)利要求1至3其中之一所述的熱交換管，其特征在于所述扭曲片的厚度與熱交換管的管壁的厚度相近；所述扭曲片與熱交換管的管壁之間呈圓角過渡。
5.如權(quán)利要求1至4其中之一所述的熱交換管，其特征在于所述熱交換管采用真空冶煉熔模精鑄技術(shù)制成。
6.一種裂解爐，其特征在于該裂解爐的輻射爐管中包括至少一節(jié)根據(jù)本發(fā)明的熱交換管；各節(jié)所述熱交換管以相互間隔的方式設(shè)置在至少一段輻射爐管中；兩個相鄰的所述熱交換管之間的距離至少為5個節(jié)距。
7.如權(quán)利要求6所述的熱交換管，其特征在于所述熱交換管沿軸向焊接在輻射爐管中。
8.一種管式加熱爐，其特征在于該管式加熱爐的爐管中包括至少一節(jié)根據(jù)本發(fā)明的熱交換管；各節(jié)所述熱交換管以相互間隔的方式設(shè)置在至少一段爐管中；兩個相鄰的所述熱交換管之間的距離至少為5個節(jié)距。
9.如權(quán)利要求8所述的管式加熱爐，其特征在于所述熱交換管沿軸向焊接在爐管中。
10.一種熱交換管的制造方法，采用真空冶煉熔模精鑄技術(shù)，其特征在于內(nèi)腔模具分成數(shù)個模塊，各模塊組合成符合扭曲片形狀的輪廓。
全文摘要
一種熱交換管,包括內(nèi)置的扭曲片,所述扭曲片沿?zé)峤粨Q管的軸向至少部分地設(shè)置在該熱交換管的內(nèi)部;該扭曲片與熱交換管集成一體。所述扭曲片的扭曲角度在100～360°之間。所述扭曲片的扭曲比在2～3之間。所述扭曲片的厚度與熱交換管的管壁的厚度相近;所述扭曲片與熱交換管的管壁之間呈圓角過渡。本發(fā)明還提供了一種裂解爐或管式加熱爐,其爐管中包括至少一節(jié)根據(jù)本發(fā)明的熱交換管;各節(jié)所述熱交換管以相互間隔的方式設(shè)置在至少一段輻射爐管中;兩個相鄰的所述熱交換管之間的距離至少為5個節(jié)距。
文檔編號F28F13/12GK1260469SQ9911887
公開日2000年7月19日 申請日期1999年9月16日 優(yōu)先權(quán)日1998年9月16日
發(fā)明者朱耀宵, 鄭志, 曾清泉, 寧秀珍, 樓瑯洪, 許適群, 王國清, 白清舉 申請人:中國石油化工集團(tuán)公司, 中國科學(xué)院金屬研究所, 中國石油化工集團(tuán)公司北京化工研究院