传热管以及使用其的裂解炉

摘要

本发明涉及一种传热管以及使用这种传热管的裂解炉。该传热管包括设置在管内壁上的扭曲片，扭曲片沿传热管的轴向呈螺旋形延伸。在扭曲片上设置有沿传热管轴向的从扭曲片的一个端部朝向另一端部延伸的非贯穿的缺口。根据本发明的传热管和裂解炉具有良好的传热效果，而且压降损失也较小。

说明书

技术领域

本发明涉及一种传热管，该传热管特别适用于加热炉。本发明还涉及使用这 种传热管的裂解炉。

背景技术

裂解炉是石油化工中的重要设备，其主要用于对裂解原料进行加热以实现裂 解反应，因此在裂解反应中需要大量的热。根据传热过程的傅立叶定理：

$\frac{q}{A}=-k\frac{\mathrm{dt}}{\mathrm{dy}}$

其中q为传热量，A为传热面积，k为传热系数，dt/dy为温度梯度。以石油化学 工业中的裂解炉为例，在传热面积A（由裂解炉的能力决定）和温度梯度dt/dy （由炉管材质和燃烧器的能力决定）确定的情况下，唯一能够提高单位面积传热 量q/A的方法就是提高传热系数k。传热系数k受到主流体的热阻、边界层的热 阻等因素的影响。

按照普兰特边界层流动理论，当实际流体沿固体壁面流动时，紧贴在壁面的 一层极薄的流体，将附着在壁面不滑脱，即靠近壁面的流体的流速为零，该层就 形成边界层。这个边界层虽然很薄，但其传热阻力却非常大，当热量通过边界层 后，就可以迅速传递到主流体。因此，通过某种方式减薄边界层，将有效地增加 传热量。

在现有技术中，石油化工行业中的常用的裂解炉的炉管通常有以下结构：（1） 在裂解炉管中沿炉管的轴向从炉管的入口端到出口端设置一个或多个区域或全 部区域管壁内表面上的肋片，肋片由沿炉管的轴向在管壁内表面上的螺旋延伸。 尽管肋片能达到搅动流体的目的以尽量降低边界层的厚度，但是随着炉管使用时 间的增加，炉管内表面的结焦将会使得肋片起的作用越来越弱，其降低边界层的 作用也会相应的变小。（2）在炉管的内表面上离散地设置多个翅片，这些翅片 也能够降低边界层的厚度，但是同样随着炉管内表面的结焦量增多，这些翅片所 起的作用也越来越小。

因此，如何进一步提高炉管的传热效果是强化传热元件的重要研究方向。

发明内容

针对现有技术中所存在的上述技术问题，本发明提出了一种传热管。这种传 热管具有良好的传热效果。本发明还涉及使用这种传热管的裂解炉。

根据本发明的第一方面，提出了一种传热管，包括设置在管内壁上的扭曲片， 扭曲片沿传热管的轴向呈螺旋形延伸，在扭曲片上设置有沿传热管轴向的从扭曲 片的一个端部朝向另一端部延伸的非贯穿的缺口。

在本发明的传热管中，在扭曲片的作用下，沿着扭曲片的流体变成旋转流， 流体由于具有切向速度而会破坏了边界层，达到强化传热的目的。此外，通过设 置缺口，减小了传热管内流体流动的阻力，从而将降低了流体的压降损失。另外， 缺口是不贯穿的，即扭曲片实际上还是一个整体，扭曲片的两个侧边均与换热管 相连，增加了扭曲片在换热管内流体冲击下的稳定性。

在一个实施例中，扭曲片的扭曲角度在90-1080°之间。当扭曲角度较小时， 流体的压力降小，并且旋转流动的流体的切向速度也较小，因此传热管的传热效 果较差。随着扭曲角度逐渐变大，旋转流动的流体的切向速度会变大，传热管的 传热能力会提高，但是流体的压力降会增大。当扭曲角度在120-360°之间时，传 热管的传热能力和流体的压力降均达到适当的范围。扭曲片轴向长度与传热管的 内径的比值在1-10之间。当该比值较小时，并且旋转流动的流体的切向速度也较 大，因此传热管的传热效果较好，但是流体的压力降较大。随着该比值逐渐增大， 旋转流动的流体的切向速度会变小，传热管的传热能力会有所降低，但是流体的 压力降会减小。当该比值在2-4之间时，传热管的传热能力和流体的压力降均达 到适当的范围。在这种尺寸扭曲片使得换热管内的流体具有足够的切向流速来破 坏边界层，从而就有较好的传热效果，并且减小换热管壁结焦的速率。

在一个实施例中，缺口的面积与扭曲片的面积的比值在0.05-0.95之间。当该 比值较小时，扭曲片对流体的导流作用较大，因此传热管的传热效果较好，但是 流体的压力降较大。随着该比值逐渐增大，扭曲片对流体的导流作用会变小，流 体的压力降会变小，但是传热效果也会随之降低。当该比值在0.6-0.8之间时，传 热管的传热能力和流体的压力降均达到适当的范围。此外，在这种面积比的范围 中，流体的压降较小，并且扭曲片的耐冲击性较高。在一个实施例中，缺口的轮 廓线为平滑的曲线。平滑的曲线有利流体流动，降低流动阻力，进而降低了流体 的压降损失。在一个具体的实施例中，曲线包括两条相同的曲线段，两条曲线段 关于传热管的中心线中心对称。在一个实施例中，缺口的起始端的宽度与传热管 内径的比值在0.05-0.95之间，优选为0.6-0.8。并且任一个曲线段从缺口的起始端 朝向缺口的终端延伸，曲线段的曲率半径的变化率在x轴上的分量与传热管内径 的比值在0.05-0.95之间；在y轴上的分量与传热管内径的比值在0.05-0.95之间； 在z轴上的分量与传热管内径的比值在1-10之间。当曲线段的曲率半径的变化率 在z轴上的分量与传热管内径的比值较小时，旋转流体的切向速度较大，传热管 的传热效果好，但是流体的压力降较大。当该比值逐渐变大时，切向速度会变小， 流体的压力降也会变小，但是传热管的传热效也会有所变差。当该比值为2-4时， 传热管的传热能力和流体的压力降均达到适当的范围。通过这种方式实现的缺口 轮廓还具有最佳的流体力学效果，即其产生的流体压降最小，并且扭曲片的耐冲 击性最高。

在一个实施例中，缺口的数量为两个，并且其从扭曲片的不同端部沿传热管 轴向朝向彼此延伸并且不贯穿。处于上游的缺口的面积与处于下游的缺口的面积 的比值在20-0.05之间。当比值较大时，流体的压力降小，并且旋转流动的流体 的切向速度也较小，因此传热管的传热效果较差。随着上下游面积比值逐渐变小， 旋转流动的流体的切向速度会变大，传热管的传热能力会提高，但是流体的压力 降会增大。当该比值在2-0.5之间时，传热管的传热能力和流体的压力降均达到 适当的范围。此外，处于下游的缺口有助于进一步降低流体的流动阻力，从而降 低压降。在上游和下游均设置缺口还有助于降低扭曲片的重量，方便安装和使用。

在一个实施例中，在扭曲片上还设置有多个孔。轴向流动的流体和径向流动 的流体都能够流过该孔，也就是说这些孔能够改变流体的流向，从而加强传热管 内的扰流，破坏边界层，达到强化传热的目的。另外，不同方向的流体均能方便 地通过这些孔朝向下游流动，从而进一步降低了流体流动阻力，进一步降低了压 降损失。混在流体中的结焦片体也能够穿过这些孔朝向下游运动，有利于结焦片 体的排出。在一个优选的实施例中，相邻孔的中心线之间的轴向距离与扭曲片轴 向长度的比值在0.2-0.8之间。

根据本发明的第二方面，提出了一种裂解炉，该裂解炉的辐射炉管包括至少 一个根据上文所述的传热管，优选为2-10个。

在一个实施例中，多个传热管以间隔方式沿轴向设置在辐射炉管中，间隔距 离与传热管的直径的比值为15-75，优选为25-50。间隔设置的多个传热管不断将 辐射炉管内的流体从活塞流变为旋转流，提高了传热效率。

在本申请中，用语“活塞流”理想地是指流体在轴向流动方向上完全混合， 而在径向完全不混合，在实际中达不到完全的活塞流，只能近似认为是活塞流。

与现有技术相比，本发明的优点在于：在传热管中设置扭曲片，流体沿着扭 曲片的流体变成旋转流，提高了流动的切向速度，破坏了边界层，达到强化传热 的目的。在扭曲片上设置有沿传热管轴向的从扭曲片的一个端部朝向另一端部延 伸的非贯穿的缺口。该缺口减小了传热管内流体流动的阻力，从而将降低了流体 的压降损失。而且缺口是不贯穿的，即扭曲片实际上还是一个整体，扭曲片的两 个侧边均与换热管相连，增加了扭曲片在换热管内流体冲击下的稳定性。设置在 扭曲片上的多个孔能够改变流体的流向，从而加强传热管内的扰流，达到强化传 热的目的。这些孔还进一步降低了流体流动阻力，进一步降低了压降损失。混在 流体中的结焦片体也能够穿过这些孔朝向下游运动，有利于结焦片体的排出。

附图说明

在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。其中：

图1是根据本发明的带有扭曲片的传热管的侧视图；

图2和3示意性地显示了根据本发明的扭曲片的第一实施例的立体图；

图4-6示意性地显示了图1的使用了图2的扭曲片的传热管的A-A、B-B、 C-C截面图；

图7和8示意性地显示了根据本发明的扭曲片的第二实施例的立体图；

图9示意性地显示了根据本发明的扭曲片的第三实施例的立体图；

图10示意性地显示了根据现有技术的扭曲片的立体图；

图11示意性地显示了使用根据发明的传热管的裂解炉的辐射炉管。

在附图中，相同的部件使用相同的附图标记。附图并未按照实际的比例绘制。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做进一步说明。

图1示意性地显示了根据本发明的传热管10的侧视图，在传热管10内设置 有引导流体作旋转流的扭曲片11。扭曲片11沿传热管10的轴向呈螺旋形延伸， 在图2、3、7、8和9中示意性地显示了扭曲片11的具体结构，将在下文中具体 说明。

图2和3示意性地显示了扭曲片11的第一实施例。扭曲片11的扭曲角度在 90-1080°之间。扭曲片11轴向长度与传热管的内径的比值在1-10之间。在扭曲 片11上设置有缺口12，缺口12沿传热管10的轴向从扭曲片11的上游端部朝向 下游端部延伸并且不贯穿整个扭曲片11，大体上可将缺口12理解为字母“U” 形。在这种情况下，缺口12的面积与扭曲片11的面积的比值在0.05-0.95之间。

可以将扭曲片11轴向长度称之为“节距”，而将“节距”与传热管的内径 的比值称之为“扭曲比”。扭曲角度和扭曲比都会对传热管10内的流体旋转程 度有影响，在相同扭曲比的前提下，旋转角度越大，流体的切向速度就越大，但 是流体压降也会相应的增加。扭曲片11选择这里所描述的扭曲比和扭曲角度使 得换热管10内的流体具有足够的切向流速来破坏边界层，从而就有较好的传热 效果，并且减小换热管壁结焦的倾向，并且流体的压降也在能接受的范围内。通 过在扭曲片11上设置缺口12，流体与扭曲片11的接触面积大大减小，因此减小 了传热管10内流体流动的阻力，从而将降低了流体的压降。另外，缺口12是不 贯穿的，即扭曲片11实际上还是一个整体，扭曲片11的两个边均与换热管10 相连，增加了扭曲片11在换热管10内的稳定性。

图2和3所示的扭曲片11的缺口12的轮廓线为平滑的曲线。平滑的曲线有 助于降低流体的流动阻力，从而降低流体压降。该轮廓曲线可理解为包括两条相 同的曲线段13、13’，并且两条曲线段13、13’关于传热管10的中心线中心对称。 按照此理解方式，缺口12具有以下技术特征，缺口12的起始端的宽度与传热管 10内径的比值在0.05-0.95之间，并且曲线段13（这里仅以曲线段13为例进行描 述）从缺口12的起始端14朝向缺口12的终端15延伸，曲线段13的曲率半径 的变化率在x轴上的分量与传热管内径的比值在0.05-0.95之间，在y轴上的分量 与传热管内径的比值在0.05-0.95之间，在z轴上的分量与传热管内径的比值在 1-10之间，在本申请中，“x轴”是指传热管10的直径方向，“y轴”是指垂直 于纸面的方向，“z轴”是指传热管10的轴向方向。这种形式的缺口12具有最 佳的流体力学效果，即其产生的流体压降最小，并且扭曲片11的耐冲击性最高。

实际上，图2和3所示的扭曲片11可理解为通过下面方式形成：传热管10 的一条直径绕其自身中点旋转，同时还沿着传热管10的轴向向上或者向下平移 而经过的轨迹曲面，然后使用椭球体或类似物与轨迹曲面相交并截去相交的部分 而形成。这样，扭曲片11包括相互平行的上侧边和下侧边，一对扭曲边并且两 条扭曲边始终与传热管10的内壁接触，以及缺口轮廓曲线。图4-6示意性地显示 了在传热管10不同位置处的横截面图，从中可看出扭曲片11的扭转形式。图4 所示的缺口12横截面部分大于图5所示的缺口12横截面部分，这是由于A-A横 截面更靠近形成缺口12的椭球的短轴，图6显示的扭曲片11没有缺口，这是由 于在C-C横截面处于扭曲片11的不被缺口12贯穿的部分。

尽管在图2中显示了扭曲片11的缺口12设置为其开口朝向上游，顶端朝向 下游，实际上缺口12还可以设置为其顶端朝向上游而开口朝向下游。在这种情 况下，流体对扭曲片11的冲击力会显著减小，从而扭曲片11的耐冲击性会更高。

图7和8示意性地显示了扭曲片11的第二实施例。该实施例与图2和3所 示扭曲片11类似，不同之处仅在于，在扭曲片11上设置有两个缺口12和12’， 并且缺口12和12’各自从扭曲片11的上游端部和下游端部朝向彼此延伸并且不 贯穿。处于下游的缺口12’有助于进一步降低流体的流动阻力，从而降低压降。 此外，在上游和下游均设置缺口有助于降低扭曲片11的重量，方便了传热管10 的安装和使用。优选地，处于上游的缺口12的面积与处于下游的缺口12’的面积 的比值在2-0.5之间。在这种情况下，缺口12和12’的面积之和与扭曲片11的面 积的比值在0.05-0.95之间。

图9示意性地显示了扭曲片11的第三实施例。在该实施例中，在扭曲片11 上设置有孔41。这样，流体能够流过孔41而顺畅地朝向下游流动，进一步降低 流体的压降损失。在一个具体的实施例中，相邻孔的中心线之间的轴向距离与扭 曲片11轴向长度的比值在0.2-0.8之间。

本发明还涉及使用上文所述传热管10的裂解炉（未示出）。裂解炉是本领 域的技术人员所述的，这里不再赘述。在这种裂解炉的辐射炉管50中设置有至 少一个上文所述的传热管10，如图11中示意性地显示了3个。优选地，这些传 热管10以间隔方式沿轴向设置在辐射炉管50中。例如，相邻传热管10之间的 轴向距离与传热管10的内径的比值为15-75，进一步优选为25-50，这样辐射炉 管内的流体会不断地被从活塞流变为旋转流，提高了传热效率。需要说明地是， 当传热管的数量为多个时，这些传热管10中的扭曲片可为图2、7、9中任一个 所示的形式。

下面以具体的实施例来说明使用本发明的传热管10之后，裂解炉的辐射炉 管50的传热效率和压降。

实施例1：

在裂解炉的一根辐射炉管上安装6个图2所示的扭曲片的传热管10。传热管 10的内径为51mm，曲线段的曲率半径的变化率在x轴上的分量与传热管内径的 比值为0.6；在y轴上的分量与传热管内径的比值为0.6；在z轴上的分量与传热 管内径的比值为2，扭曲片11和11’的扭曲角度为180°，扭曲比例为2.5，相邻 的传热管10之间的距离为传热管直径10的50倍。实验发现，该辐射炉管的传 热负荷为1278.75KW，压降为70916.4Pa。

对比例1：

在裂解炉的辐射炉管上安装了6个现有技术中的传热管50’。该传热管50’ 的结构为在传热管50’的壳体中设置有扭曲片51’，并且该扭曲片51’将传热管50’ 分成两个不连通的物料通道，如图10所示。传热管50’的内径为51mm，扭曲片 51’的扭曲角度为180°，扭曲比例为2.5，相邻的传热管50’之间的距离为传热管 直径50’的50倍。实验发现，该辐射炉管传热负荷传热负荷1264.08KW，压降为 71140Pa。

通过以上实施例和对比例，可发现使用了根据本发明的传热管的裂解炉的辐 射炉管的传热效率比使用现有技术的传热管的裂解炉的辐射炉管的传热效率有 了很大的提高，而且压降也得到降低。这些特征对于烃类裂解反应是非常有利的。

虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的 情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只 要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起 来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内 的所有技术方案。