T形翅片管是一種由光管經過滾軋加工成型的一種高效換熱管。其結構特點是在管外表面形成一系列螺旋環狀T型隧道。管外介質受熱時在隧道中形成一系列的氣泡核，由於在隧道腔內處於四周受熱狀態，氣泡核迅速膨大充滿內腔，持續受熱使氣泡內壓力快速增大，促使氣泡從管表面細縫中急速噴出。氣泡噴出時帶有較大的沖刷力量，並產生一定的局部負壓，使周圍較低溫度液體湧入T型隧道，形成持續不斷的沸騰。這種沸騰方式在單位時間內，單位表面積上帶走的熱量遠遠大於光管，因而這種管型具有較高的沸騰傳熱能力。詳細介紹了T形翅片管的研究進展、工作原理、特點、傳熱機制以及套用等。
基本介紹
- 中文名：T形翅片管
- 外文名：T-shaped fin tube
- 別稱：Gewa-T管
- 簡稱：T管
- 發明時間：1978年
- 類型：高效換熱元件
- 領域：能源
- 學科：熱力學
簡介,T形翅片管的研究進展,T形翅片管的原理,T形翅片管的特點,T形翅片管的傳熱機制,T形翅片管的套用場合,T形翅片管重沸器的研製與套用,
簡介
自1978年德國Wieland-Worke公司發明了T形翅片管以來，國內外學者開始對T型翅片管進行強化傳熱性能和機械加工成型的研究。我國現已將T型翅片管拓展到煉油和石油化工領域中套用。在長嶺煉油化工總廠烷基化裝置上進行了重沸器工業套用試驗，在洛陽化學工程公司脫硫裝置上進行了工業套用。生產運行結果表明，與光管重沸器相比，T型翅片管重沸器不僅節省了30%以上換熱面積，還具有很好的操作彈性，在生產超負荷33%的工況下，不但保持了較高的傳熱效率，而且操作平穩。
T形翅片管的研究進展
1978年西德首先發明的T形翅片管(Gewa-T管或簡稱T管)，是目前國際上四種主要的沸騰強化表面之一。它不僅能較光管顯著提高沸騰給熱係數和臨界熱負荷，其傳熱性能接近或超過E管，而且與其它強化表面相比，還具有加工極為簡便的優點，從而引起了許多研究者的重視。
但是，國內除重慶大學研究過線切割加工的T型平表面的沸騰傳熱外，還沒有別的單位在研製T管的報導。因此及時開展T管的研製和傳熱研究是很有必要的。
目前為止所報導的有關T管的研究，主要側重於比較幾種強化表面的傳熱性能。實驗結果表明，T管的沸騰傳熱係數比光管提高2 -5倍。關於管的強化傳熱機理，Stephan, K.等人進行了初步的探討，認為翅片的T形結構限制了翅片間遂道內產生的汽泡有效逸出，使得汽抱沿著隧道作周向上升運動。在此運動過程中，汽泡與隧道內壁接觸的機會增加，從而促進了傳熱，即所謂的“接觸長度增長假說”。但是，這僅僅是一種定性的直觀假說，沒有更進一步地分析進出隧道和隧道內的汽液運動。Marco, P. J.等人的實驗研究也表明汽液進出隧道的運動對其傳熱性能關係甚大。他們的實驗還發現，T管與其它沸騰表面一樣，起始沸騰存在嚴重的溫差超常現象即沸騰滯後現象。顯然，滯後現象的存在將大大影響其強化性能的發揮。如果能夠對滯後現象作較為詳細的研究，便可為強化管換熱器的設計和操作提供重要的參考數據。
T形翅片管的原理
T型翅片管是由光管經過滾軋加工成型的一種高效換熱管。其結構特點是在管外表面形成一系列螺旋環狀T型隧道。管外介質受熱時在隧道中形成一系列的氣泡核，由於在隧道腔內處於四周受熱狀態，氣泡核迅速膨大充滿內腔，持續受熱使氣泡內壓力快速增大，促使氣泡從管表面細縫中急速噴出。氣泡噴出時帶有較大的沖刷力量，並產生一定的局部負壓，使周圍較低溫度液體湧入T型隧道，形成持續不斷的沸騰。這種沸騰方式在單位時間內，單位表面積上帶走的熱量遠遠大於光管，因而這種管型具有較高的沸騰傳熱能力。
T形翅片管的特點
⑴傳熱效果好。在R113工質中T管的沸騰給熱係數比光管高1.6-3.3倍。
⑵常規的光管換熱器，只有當熱介質的溫度高於冷介質的沸點或泡點12℃-15℃時，冷介質才會起泡沸騰。T型翅片管換熱器只需2℃-4℃的溫差，冷介質就可沸騰，且鼓泡細密、連續、快速，形成了與光管相比的獨特優勢。
⑶以氟利昂11為介質的單管實驗表明，T型管沸騰給熱係數可達光管的10倍；以液氨為介質的小管束實驗結果，總傳熱係數為光管的2.2倍；C3、C4烴類分離塔的再沸器工業標定表明，低負荷時，T型管總傳熱係數比光滑管高50%，大負荷時高99%。
⑶以氟利昂11為介質的單管實驗表明，T型管沸騰給熱係數可達光管的10倍；以液氨為介質的小管束實驗結果，總傳熱係數為光管的2.2倍；C3、C4烴類分離塔的再沸器工業標定表明，低負荷時，T型管總傳熱係數比光滑管高50%，大負荷時高99%。
⑷較鋁多孔表面傳熱管的價格便宜。
⑸由於隧道內部的氣液擾動非常激烈以及氣體沿T縫高速噴出，因而無論是T型槽內部還是管外表面，都不易結垢，這一點保證了設備能長期使用而傳熱效果不會受到結垢的影響。
⑸由於隧道內部的氣液擾動非常激烈以及氣體沿T縫高速噴出，因而無論是T型槽內部還是管外表面，都不易結垢，這一點保證了設備能長期使用而傳熱效果不會受到結垢的影響。
T形翅片管的傳熱機制
為了解釋平均開口度對T管傳熱性能的影響，以及T管與光管不同的沸騰滯後現象，首先必須了解T管的沸騰傳熱機理。正如前言所述，關鍵是T管沸騰時隧道內部的汽液存在方式和流動狀況。不同熱負荷下觀察到的隧道內的汽液運動狀況。發現隧道內的汽泡運動既存在接觸長度增長的因素，又不完全如此。
在低熱負荷下，隧道記憶體在明顯的汽液柱兩相，並發生周期性的汽液柱界面上下運動和汽抱脫離隧道。在一個周期內，首先由於隧道內汽固間液膜的吸熱而蒸發，頂部隧道的汽柱體積逐漸增大，下部液體被擠出隧道，汽液柱界面下降。當汽柱壓力足以克服從狹縫逸出的形狀阻力時，汽泡迅速從狹縫逸出，掖體在靜壓差和毛細力作
用下迅速進人隧道，汽液界面上升，接著開始下一周期。在這一階段，傳熱主要是通過上部隧道內汽固間薄液膜的熱傳導和下部進出隧道的液體循環的自然對流傳熱。
當熱負荷逐漸升高時，汽相產生的速率加快，汽體膨脹需克服隧道內液體的粘滯力增加，汽相壓力升高加快，使汽相更容易逸出隧道。因此實驗中還觀察到隨熱負荷升高汽液柱界面運動幅度變小，周期變短。當熱負荷比較高時，頂部隧道汽相周期性生長脫離過程不能及時把所有熱量帶走，隧道內壁和液體溫度升高，隧道內其它地方的內表面便有汽抱產生和脫離。這些汽泡正如Stephan, K.等人所預言的那樣，在浮力和隧道形狀阻力的作用下將沿隧道作周向上升運動。但不同的是，這些上升的汽泡，有些上升直至與頂部汽柱會合，有些則在會合前從管子兩側脫離隧道。而且熱負荷越高，將有更多的汽泡很快從側面脫離隧道，隧道內逐漸充滿汽泡。這正如圖8所示，隧道內汽液柱界面逐漸難於分辨。這時傳熱主要為泡核沸騰。 可以預料，進一步提高熱負荷，由於隧道內汽泡的大量產生、運動和脫離，充滿隧道的汽泡終將會合成連續的汽相，隧道內的液體難於維持泡狀沸騰，傳熱便轉化為隧道內的薄液膜蒸發。當熱負荷達到一定數值以後，進人隧道的液體速度小於蒸發速度，內壁面逐漸被蒸乾，從而發生沸騰危機或進人汽膜傳熱狀態。
在低熱負荷下，隧道記憶體在明顯的汽液柱兩相，並發生周期性的汽液柱界面上下運動和汽抱脫離隧道。在一個周期內，首先由於隧道內汽固間液膜的吸熱而蒸發，頂部隧道的汽柱體積逐漸增大，下部液體被擠出隧道，汽液柱界面下降。當汽柱壓力足以克服從狹縫逸出的形狀阻力時，汽泡迅速從狹縫逸出，掖體在靜壓差和毛細力作
用下迅速進人隧道，汽液界面上升，接著開始下一周期。在這一階段，傳熱主要是通過上部隧道內汽固間薄液膜的熱傳導和下部進出隧道的液體循環的自然對流傳熱。
當熱負荷逐漸升高時，汽相產生的速率加快，汽體膨脹需克服隧道內液體的粘滯力增加，汽相壓力升高加快，使汽相更容易逸出隧道。因此實驗中還觀察到隨熱負荷升高汽液柱界面運動幅度變小，周期變短。當熱負荷比較高時，頂部隧道汽相周期性生長脫離過程不能及時把所有熱量帶走，隧道內壁和液體溫度升高，隧道內其它地方的內表面便有汽抱產生和脫離。這些汽泡正如Stephan, K.等人所預言的那樣，在浮力和隧道形狀阻力的作用下將沿隧道作周向上升運動。但不同的是，這些上升的汽泡，有些上升直至與頂部汽柱會合，有些則在會合前從管子兩側脫離隧道。而且熱負荷越高，將有更多的汽泡很快從側面脫離隧道，隧道內逐漸充滿汽泡。這正如圖8所示，隧道內汽液柱界面逐漸難於分辨。這時傳熱主要為泡核沸騰。 可以預料，進一步提高熱負荷，由於隧道內汽泡的大量產生、運動和脫離，充滿隧道的汽泡終將會合成連續的汽相，隧道內的液體難於維持泡狀沸騰，傳熱便轉化為隧道內的薄液膜蒸發。當熱負荷達到一定數值以後，進人隧道的液體速度小於蒸發速度，內壁面逐漸被蒸乾，從而發生沸騰危機或進人汽膜傳熱狀態。
綜上實驗現象和分析，熱負荷從低到高，T管隧道內的傳熱可以劃分為如下五個不同階段:
(1)汽抱產生前的自然對流傳熱;
(2)頂部隧道汽相周期性生長脫離時的局部液膜蒸發及相應的液體進出隧道循環時的對流傳熱;
(3)隧道內的泡核沸騰傳熱;
(4)隧道內壁薄液膜蒸發傳熱;
(5)隧道表面蒸乾後的膜態傳熱或燒毀。
T形翅片管的套用場合
只要殼側介質比較乾淨、無固體顆粒、無膠質，均可採用T型翅片管作換熱元件，形成T型翅片管式高效換熱器，以提高殼側沸騰傳熱效果。
T形翅片管重沸器的研製與套用
"T”形翅片管重沸器工業試驗台位選在中國石油化工股份有限公司長嶺分公司烷基化裝置氣體分餾中的脫丙烷塔(塔一1)底重沸器(換一2)台位上。其設計熱負荷為4600GJ/ h。原採用FLa700-135-40-2浮頭管殼式重沸器，換熱面積為135m2。
換一2最初的設計是考慮到烷基化裝置的處理量以後會擴大，放換熱面積留有較大的富裕量，實際的傳熱係數僅為250W/ (m2 K)。用“T”形翅片管重沸器時，按“T”形翅片管外沸騰傳熱係數為光滑管的3倍計，其傳熱面積計算為65 m2 ,考慮應增大富裕量，故選用F LB 700-95-40-2 " T "形翅片管重沸器，換熱面積為95 m2。但為了利用原設備，只更換管束。將F LB700的管板，改制為F LB700重沸器管板，製成管束。最後1管程堵管29根，2管程共堵管58根。該管束實際換熱面積為90. 5m2.
該台T型翅片管重沸器試製成功後，安裝在長嶺分公司的烷基化裝置塔一1底重沸器(換一2)台位上。自運行以來情況良好，其熱負荷已超過設計熱負荷，滿足生產要求。
