专利名称：一种热交换管及其制造方法和应用的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种热交换管，该热交换管用于在乙烯裂解炉和其它管式加热炉中改善传热效果。另外，本发明还涉及采用这种热交换管的乙烯裂解炉和其它管式加热炉。本发明还进一步涉及这种热交换管的制造方法，即采用真空冶炼熔模精铸技术制造扭曲片与热交换圆管集成一体的热交换管。
本领域的技术人员都知道，提高乙烯、丙烯等化工产品收率的技术关键包括提高裂解温度和缩短原料在炉管中的停留时间，这要求改善炉管的传热效率。
为此，国际上已有厂商采用了螺旋梅花形炉管。从这种螺旋梅花形炉管的横截面看，炉管的内壁上分布着翅片，螺旋梅花形炉管的中心部为空心的。这种炉管结构虽然增加了传热面积，改善了传热效果，但是，在螺旋梅花形炉管内，中心部的物料流速与内壁处的物料流速差别较大，相应的温差也较大，这增加了裂解不充分和产生结焦现象的可能性。
近年来，本领域的技术人员也试图在增加传热面积和改善传热效果的同时，使炉管内不同部位的物料流速差别减小，以使相应的温差更均匀，从而更好地进行裂解反应。中国实用新型CN 87 2 03192 U公开了一种能增强换热效果的装置，其包括换热圆管和扭曲片，该扭曲片由在两个长边上设有凸齿的一矩形片扭曲而成，所述扭曲片插入至换热圆管内，并且所述扭曲片的两端焊接在换热圆管上。该中国实用新型虽然进一步改善了裂解反应，但是，由于所述扭曲片的中间部分无法焊接在换热圆管的内壁上，而物料在换热圆管内的流速快、冲击力大，因此，这种结构的扭曲片承受着振动激励，很容易损坏，另外，在扭曲片和换热圆管的内壁之间、扭曲片的两个长边上的各凸齿之间会产生小旋涡，这增加了裂解不充分和产生结焦现象的可能性。
本发明的目的是提供一种热交换管，该热交换管可进一步改善换热效果、减小结焦倾向、使用性能稳定可靠、工作寿命长。
本发明的另外一个目的是提供一种热交换管，该热交换管的扭曲片表面光滑、管壁致密、尺寸误差小、形状误差也小。
本发明的进一步的目的是提供一种热交换管的制造方法，以简单、方便、成本低廉地制造热交换管。
本发明的另外一个目的是提供一种采用这种热交换管的裂解炉，其既可以使物料旋转前进，以强化传热过程，又不导致明显降低物料在热交换管内的流速；既可以提高目的化工产品的产量，又可延长清焦周期。
本发明的进一步的目的是提供一种采用这种热交换管的管式加热炉，其以低成本改善传热效果，增加物料处理量。
根据本发明的第一方面，提供了一种热交换管，其包括内置的扭曲片，所述扭曲片沿热交换管的轴向至少部分地设置在该热交换管的内部；该扭曲片与热交换管集成一体。
特别是，所述扭曲片的扭曲角度在100～360°之间。
特别是，所述扭曲片扭曲180°的轴向长度与热交换管的内径的比值在2～3之间。
特别是，所述扭曲片的厚度与热交换管的管壁的厚度相近；所述扭曲片与热交换管的管壁之间呈圆角过渡。
特别是，所述热交换管采用真空冶炼熔模精铸技术制成。
根据本发明的第二方面，提供了一种裂解炉，该裂解炉的辐射炉管中包括至少一节根据本发明的热交换管；各节所述热交换管以相互间隔的方式设置在至少一段辐射炉管中；两个相邻的所述热交换管之间的距离至少为5个节距。
特别是，所述热交换管沿轴向焊接在辐射炉管中。
根据本发明的第三方面，提供了一种管式加热炉，该管式加热炉的炉管中包括至少一节根据本发明的热交换管；各节所述热交换管以相互间隔的方式设置在至少一段炉管中；所述扭曲片扭曲180°的轴向长度为一节距，两个相邻的所述热交换管之间的距离至少为5个节距。
特别是，所述热交换管沿轴向焊接在炉管中。
根据本发明的第四方面，提供了一种热交换管的制造方法，采用真空冶炼熔模精铸技术，其中，内腔模具分成数个模块，各模块组合成符合扭曲片形状的轮廓。
根据本发明的热交换管的技术方案，当物料在所述热交换管内流经扭曲片的表面时，该扭曲片强迫物料从原来的柱塞流动状态改变成旋转前进状态，热交换管内的物料产生横向流动，对热交换管的管壁形成强烈的冲刷，使热阻大的边界层流层的厚度减薄，从而改善换热效果。
换热效果的改善又使热交换管的内壁温度下降，结焦倾向减小，这将进一步改善换热效果。
根据本发明的热交换管的物料通道内各处都是光滑过渡的曲面，没有使物料可能产生死区的部位。因此，结焦倾向减小，换热效果好。
根据本发明的热交换管的扭曲片与该热交换管集成一体，这种结构的扭曲片不容易损坏。因此，该热交换管使用性能稳定可靠、工作寿命长。
根据本发明的热交换管采用真空冶炼熔模精铸技术制成，因此，可使得扭曲片表面光滑、管壁致密、尺寸误差小、形状误差也小。
由于热交换管内腔的表面光洁度高，因此对物料的流动阻力小，而且可防止局部产生涡流，减小结焦倾向。
另外，根据本发明的热交换管采用真空冶炼熔模精铸技术制成，因此，可以简单、方便、成本低廉地制造热交换管。由于根据本发明的热交换管采用铸造技术制成，因此具有可焊性，可方便地通过焊接方法连接在炉管中，因此，可以简单、方便、成本低廉地安装根据本发明的热交换管。
根据本发明，在裂解炉的原有的圆形辐射炉管上分段地设置带扭曲片的热交换管。由于仅在辐射炉管的某个部位或几个部位设置带扭曲片的热交换管，在辐射炉管的整个管程中，带扭曲片的热交换管的总长度只占整个管程的很小一部分。因此，物料的阻力不会有大的增加。因此，采用这种热交换管的裂解炉，其既可以使物料旋转前进，以强化传热过程，又不导致明显降低物料在热交换管内的流速。
在本发明的热交换管的扭曲片作用下，热交换管内的物料产生横向流动，对热交换管的管壁形成强烈的冲刷，使热阻大的边界层流层的厚度减薄，从而减小了管壁对物料流动的阻力，可适当地提高物料的前进速度。
在本发明中，热交换管采用了扭曲片，虽然物料的阻力有增加的趋势，但由此带来的负面影响比由于换热效果的改善带来的正面影响要小得多。由于靠近管壁的物料的温度降低了，热交换管内腔的表面减小结焦倾向，因此，采用本发明的热交换管既可以提高化工产品的产量，又可延长清焦周期。
加入根据本发明的带扭曲片的热交换管后，由于裂解炉的辐射炉管的内壁温度下降，该裂解炉的辐射炉管的使用寿命可以提高。
同理，采用这种热交换管的管式加热炉，可以低成本改善传热效果，并且还可增加物料处理量。
下面结合附图对本发明的推荐实施例进行详细说明，以使本发明的上述目的和优点以及其它目的和优点更加容易被理解，所述附图包括
图1是根据本发明的数种带扭曲片的热交换管的实物透视照片；图2是根据本发明的一种带扭曲片的热交换管的实物解剖后的照片；图3是根据本发明的带扭曲片的热交换管的侧视图，其中标明了B-B、C-C、D-D剖面的位置；图4是在如图3中沿箭头A或箭头E看的端面图；图5是在如图3中沿B-B线的截面图；图6是在如图3中沿C-C线的截面图；图7是在如图3中沿D-D线的截面图；和图8示出了裂解炉的辐射炉管中或管式加热炉的炉管中各节热交换管的一个布局实施例的示意图。
图1和图2是根据本发明的带扭曲片的热交换管的数个实施例的实物照片，由此可概括地了解本发明的带扭曲片的热交换管。
图3至图7更详细地示出了根据本发明的带扭曲片的热交换管的一个实施例。
根据本发明的该实施例，从如图4所示的横截面可以看出，带扭曲片的热交换管10包括管壁部分1和扭曲片部分2，该扭曲片部分2与热交换管的管壁部分1集成一体。扭曲片部分2沿热交换管10的直径方向把热交换管10分隔成两个横截面积相同的物料通道3、4。
根据本发明的思想，在物料通道3、4内，在扭曲片部分2和热交换管的管壁部分1的连接部位，即由附图标记5、6、7和8所示的拐角部，所述扭曲片与热交换管的管壁之间呈圆角过渡。其过渡圆角不能过大，否则物料通道3、4过于狭窄，会影响物料的流动量。另外一方面，过渡圆角不能过小，否则使流动的物料在此处形成死角涡流，并且容易形成局部结焦。
图3示出的带扭曲片的热交换管的长度为一个节距，因此，沿箭头A或箭头E看的端面图是相同的，如图4所示，此时，扭曲片部分呈水平状态。图5示出了在图3中从左端起1/4长度处的截面图，此时，扭曲片部分向左倾斜45°；图6示出了在图3中从左端起1/2长度处的截面图，此时，扭曲片部分呈垂直状态；图7示出了在图3中从左端起3/4长度处的截面图，此时，扭曲片向右倾斜45°。
总之，根据本发明的带扭曲片的热交换管10，在沿其轴向的任何剖面处的横截面的形状和尺寸都是相同的。所不同的只是扭曲片部分2的倾斜角度不同。这反映出扭曲片的扭曲状态。
事实上，扭曲片2既可以左旋扭曲，又可以右旋扭曲。
特别是，扭曲片2既可以处于热交换管的内径位置，又可以偏离热交换管的内径位置。在扭曲片2偏离热交换管的内径位置的情况下，物料通道3、4具有不同大小的横截面积。
进一步说，扭曲片2的横截面既可以呈直线状态，又可以呈曲线状态。
根据实际需要，扭曲片也可设计成更复杂的形状，把热交换管内分隔成两个以上的物料通道。
实际上，在根据本发明的热交换管中，所述扭曲片可以沿热交换管的轴向的全长范围内进行设置，也可以部分地设置在该热交换管的内部。
在本发明中，术语“节距”S是指扭曲片扭曲180°的轴向长度。术语“扭曲比”Y是指节距S与热交换管的内径D的比值。即Y＝S/D。
Y值越小，则表明扭曲片的扭曲程度越大，因此，热交换管内的物料的横向流动倾向越大，强化换热效果越好，减小结焦倾向越大；然而，物料的阻力会增大，从而会影响物料的流速。
相反，Y值越大，热交换管内的物料的横向流动倾向越小，物料的阻力越小，然而，热交换管内的物料冲刷管壁和减薄边界层流层的厚度的作用也越小，强化换热效果越弱，减小结焦倾向的作用较弱。
因此，选取合适的扭曲比特别重要。在本发明中，扭曲比Y＝2.5可取得很好的效果。而在扭曲比Y＝2～3同样可获得良好的效果。
在另外一个实施例中，本发明的热交换管也可总体上呈椭圆形。
如果在裂解炉的辐射炉管的全长范围内都设有扭曲片，对增强换热效果当然好，但物料的阻力会增大，从而会影响物料的流速。为此，在本发明中，在裂解炉的辐射炉管的全长范围内分段地设置带扭曲片的热交换管，两个相邻的所述热交换管之间留有一定长度的空管段。由于物料的旋转惯性，物料在空管段内仍能旋转前进。也就是说，各节所述热交换管以相互间隔的方式设置在辐射炉管中；所述两个相邻的所述热交换管之间的距离至少为5个节距。
特别是，所述两个相邻的所述热交换管之间的距离在15至20个节距。
特别是，在本发明中，某些裂解炉的辐射炉管可设有本发明的所述热交换管，而在另外一些裂解炉的辐射炉管可不设有本发明的所述热交换管。换句话说，本发明的所述热交换管可仅仅设置在一部分裂解炉的辐射炉管中。
特别是，本发明的所述热交换管可设置在以水平、垂直、或任何倾斜方向延伸的裂解炉的辐射炉管中。
图8示出了裂解炉的辐射炉管中各节热交换管的一个布局。在裂解炉的辐射炉管的全长范围内，每个带扭曲片的热交换管的扭曲比Y可以相同，也可以不同，各带扭曲片的热交换管的扭曲比Y可以根据实际需要进行设计。每两个相邻的所述热交换管之间的距离可以相同，也可以不同，可以根据实际需要进行设计。
所述热交换管的长度可以小于一个节距，也可以略大于一个节距。也就是说，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°之间，特别是，所述扭曲片的扭曲角度通常在100～200°之间。
另外，如果所述扭曲片的厚度过大，则所占有的热交换管的内部空间过多，因此，物料的流动量会减小。由于扭曲片承受着物料的冲刷作用，如果所述扭曲片的厚度过薄，则其使用寿命就会降低。在本发明中，所述扭曲片的厚度为热交换管的管壁的厚度的80％左右。实际上，在所述扭曲片的厚度与热交换管的管壁的厚度相近的情况下，都会取得良好的效果。
特别是，所述热交换管可以沿轴向焊接在辐射炉管中，也可以采用螺纹连接或其它适当的连接方式串联在辐射炉管中。
特别是，根据本发明的热交换管可用于乙烯裂解炉的强化传热或其它化工产品的裂解炉的强化传热。事实上，本发明可用于采用这种热交换管的任何管式加热炉。因此，本发明的热交换管也可用于其它管式加热炉的炉管中。
特别是，根据本发明的热交换管的制造方法，采用真空冶炼熔模精铸技术，其中，内腔模具分成数个模块，各模块组合成符合扭曲片形状的轮廓。
尽管上文对本发明的实施例进行了详细说明，本领域的技术人员可以理解，所指出的实施例仅仅是为了方便对本发明进行说明，本发明并不仅仅局限于上述各实施例。在本发明的思想指引下，本领域的技术人员可对本发明进行种种修改、补充或替换，然而，这不会超出本发明的精神和范围。
权利要求
1.一种热交换管，包括内置的扭曲片，其特征在于所述扭曲片沿热交换管的轴向至少部分地设置在该热交换管的内部；该扭曲片与热交换管集成一体。
2.如权利要求1所述的热交换管，其特征在于所述扭曲片的扭曲角度在100～360°之间。
3.如权利要求1或2所述的热交换管，其特征在于所述扭曲片扭曲180°的轴向长度与热交换管的内径的比值在2～3之间。
4.如权利要求1至3其中之一所述的热交换管，其特征在于所述扭曲片的厚度与热交换管的管壁的厚度相近；所述扭曲片与热交换管的管壁之间呈圆角过渡。
5.如权利要求1至4其中之一所述的热交换管，其特征在于所述热交换管采用真空冶炼熔模精铸技术制成。
6.一种裂解炉，其特征在于该裂解炉的辐射炉管中包括至少一节根据本发明的热交换管；各节所述热交换管以相互间隔的方式设置在至少一段辐射炉管中；两个相邻的所述热交换管之间的距离至少为5个节距。
7.如权利要求6所述的热交换管，其特征在于所述热交换管沿轴向焊接在辐射炉管中。
8.一种管式加热炉，其特征在于该管式加热炉的炉管中包括至少一节根据本发明的热交换管；各节所述热交换管以相互间隔的方式设置在至少一段炉管中；两个相邻的所述热交换管之间的距离至少为5个节距。
9.如权利要求8所述的管式加热炉，其特征在于所述热交换管沿轴向焊接在炉管中。
10.一种热交换管的制造方法，采用真空冶炼熔模精铸技术，其特征在于内腔模具分成数个模块，各模块组合成符合扭曲片形状的轮廓。
全文摘要
一种热交换管,包括内置的扭曲片,所述扭曲片沿热交换管的轴向至少部分地设置在该热交换管的内部;该扭曲片与热交换管集成一体。所述扭曲片的扭曲角度在100～360°之间。所述扭曲片的扭曲比在2～3之间。所述扭曲片的厚度与热交换管的管壁的厚度相近;所述扭曲片与热交换管的管壁之间呈圆角过渡。本发明还提供了一种裂解炉或管式加热炉,其炉管中包括至少一节根据本发明的热交换管;各节所述热交换管以相互间隔的方式设置在至少一段辐射炉管中;两个相邻的所述热交换管之间的距离至少为5个节距。
文档编号F28F13/12GK1260469SQ9911887
公开日2000年7月19日 申请日期1999年9月16日 优先权日1998年9月16日
发明者朱耀宵, 郑志, 曾清泉, 宁秀珍, 楼琅洪, 许适群, 王国清, 白清举 申请人:中国石油化工集团公司, 中国科学院金属研究所, 中国石油化工集团公司北京化工研究院