高通量管（high flux tube）

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高通量管和换热器

    高通量管是将烧结方法和机加工技术有机结合的新产品，该产品能同时提高换热管内侧和外侧传热系数，因此可大幅提高整根换热管的换热系数即总换热效率。从而解决目前困扰强化传热过程中只提高单侧强化传热系数，而总换热效率低下的瓶颈问题，大幅度提高换热管和换热器的换热效率。

高通量管一方面可减少蒸汽需求量，另一方面可提高传热能力。在大型换热系统中，因为小温差的需求，重沸器的数量需求非常大。此时使用高通量管可以减少3/4的重沸器数量，而温差ΔT要求仅为5℃。使用高通量管替代传统光管，可以消除换热瓶颈，满足更大换热负荷的需求，显著地提高产量。同时，在保持设计效率情况下，可以采用更低的蒸汽压力从而减少成本消耗。

目前定型的产品有：

外表面烧结多孔层/内表面低翅片、外表面纵槽/内表面烧结多孔层、外表面锯齿表面/内表面烧结多孔层、外表面翅片/内表面烧结多孔层。

1.1 高通量管材质和尺寸

材质：碳钢、白铜、不锈钢、紫铜和黄铜等

尺寸：外径15～40mm，长度500～12000 mm

一般情况下，高通量换热管中间为强化段，两端为光滑段，便于穿管和胀接。高通量换热管可以根据用户要求进行订做。产品采用木箱包装。

1.2 高通量换热器适用介质

乙二醇（MEG）、二乙二醇（DEG，二甘醇）、三氯代乙烯、乙烷、丙烯和乙醇等。

1.3高通量换热器应用场合

高通量管及其高通量换热器可以用于各种具有相变的换热设备，即汽化器、蒸发器、再沸器和冷凝器等，具体，如乙烯汽化器、乙烯分离装置的塔顶冷凝器和重沸器、乙二醇蒸发、芳烃联合装置、空分装置的主冷凝—蒸发器。以及天然气液化、低温制冷、空气分离、海水淡化等。


1）炼油及石油化工装置

如乙烯分离装置塔顶冷凝器和重沸器、乙烯汽化器、催化油浆蒸发器、乙醇蒸发器、乙二醇蒸发器等，能够削减换热器面积80%以上，同时能减小冷冻机马力。具有强化沸腾传热的多孔表面在长期运转过程中，性能稳定，没有结焦或结垢现象发生。同时可以大幅度减少热源介质消耗，甚至可以降低热源介质温度。


（2）天然气净化和分离装置

例如在低温空气分离厂的再沸冷凝器中，一方面可以降低蒸发-冷凝（冷却）换热器的初始成本（削减面积）；另一方面，由于在低温差下工作，降低了动力消耗。

（3）海水淡化和废热利用。

1.4 高通量换热器效益分析

建设一套百万吨级大型乙烯成套设备，总投资一般在200亿元以上，按照历史经验数据测算，换热设备费用占总投资30%左右，则每套大型乙烯项目的换热设备费用将达到70亿元左右。但由于我国能源利用效率仅为34％，相当于发达国家20年前的水平，比发达国家低十个百分点。研制一种在尽量小温差和尽量少传热面积下可以传输更多热量的高效换热器，可以说是直接关系到工业节能开发的第一步。采用高通量换热管及其高效换热器是最为有效，也是最为经济的提高能源利用效率的手段。

目前我国高通量换热管需求量剧增，高通量换热管及其高效换热器以其优异的传热性能在乙烯工业等领域具有广泛的应用前景，因而具有巨大的潜在市场需求。在美国、日本和德国等已大量生产该类高效换热管定型商品，但目前该技术仍对我国保密，乙烯工业被迫使用进口的高通量换热管。

我们开发的双面强化高通量管不仅可以减少传统热交换器的传热面积和尺寸（约80%）。而且对于大型的重沸器项目，还可以减少换热器的总量，节约管路、控制、地基施工费用和平面占地费用。而对于已有工厂的换热装置扩容改造，则只需替换管束，原有的封头、壳体、管路等可重新使用。


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关于高通量管及换热器的技术解析与应用建议：

1. **核心优势分析**
- 双面强化传热：外表面（烧结多孔层/翅片/纵槽）+内表面（烧结多孔层/低翅片）的组合结构，同时提升管内外传热系数（K值），解决传统强化管单侧优化瓶颈
- 小温差高效传热：ΔT=5℃即可实现有效换热，相比传统光管降低60-80%传热温差需求，特别适合低温差工况（如LNG液化、空分装置）
- 设备减量效果：同工况下换热面积减少80%，重沸器等设备数量可缩减至原1/4

2. **选型技术要点**
- 材质匹配原则：
  - 碳钢：常规烃类介质（丙烯、乙烷）
  - 不锈钢：腐蚀性介质（乙二醇、三氯代乙烯）
  - 铜合金：低温传热场景（空分主冷蒸发器）
- 结构选型策略：
  - 高蒸发负荷：外锯齿+内多孔层（强化核态沸腾）
  - 冷凝工况：外纵槽+内多孔层（促进冷凝液排出）
  - 两相流场景：外烧结层+内低翅片（延缓干涸现象）

3. **工程应用关键点**
- 安装注意事项：
  - 两端保留≥200mm光管段（保证胀接密封性）
  - 管束排布需预留20%以上膨胀间隙（多孔层结构热膨胀系数比基材高15-30%）
- 防堵措施：
  - 含固体颗粒介质需配置在线反冲洗系统（多孔层孔隙易挂壁）
  - 设计流速保持>1.5m/s（防结焦临界流速）

4. **经济效益测算（以乙烯装置为例）**
- 改造案例对比：
  - 传统重沸器：Φ25×6mm光管，传热系数500W/(m·K)
  - 高通量管：同尺寸，传热系数2200W/(m·K)
  - 结果：换热面积减少78%，蒸汽耗量降低35%，年运行成本节省约120万元/台

5. **国产化技术难点**
- 烧结工艺控制：
  - 孔隙率需稳定在55-65%（孔隙率每偏差5%，传热效率下降12%）
  - 层厚控制在0.3-0.8mm（过厚导致热阻增加，过薄易脱落）
- 检测标准：
  - 需通过3000次热循环试验（-196℃~300℃交变）
  - 表面润湿性测试接触角<10°（保证沸腾传热性能）

6. **维护检修策略**
- 寿命周期管理：
  - 定期进行管壁厚度监测（重点检测烧结层过渡区）
  - 建议5年进行涡流检测（ECT）评估多孔层完整性
- 清洗方案：
  - 化学清洗禁用强酸（pH>4），避免腐蚀烧结层金属骨架
  - 机械清洗推荐尼龙刷+低压水射流（<3MPa）

目前国产高通量管已突破Φ40mm以下规格量产，传热性能达到进口产品90%水平，但在极端工况（如-100℃深冷）下的长期稳定性仍需提升。建议在ΔT>15℃的炼油装置先行试用，逐步向低温差关键设备推广。   

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