1. ¿Qué es el tubo torcido?

La sección transversal del tubo retorcido es elíptica, que es un elemento de intercambio de calor y la trayectoria del flujo en el tubo es en espiral, por lo que se llama tubo plano retorcido. Para facilitar el procesamiento de la conexión entre el elemento de intercambio de calor y la placa tubular, los dos extremos del tubo elíptico se mantienen todavía redondos. La disposición de los tubos planos retorcidos en la carcasa es muy compacta. Los bordes exteriores de los tubos de transferencia de calor adyacentes mantienen el contacto del punto espiral para reducir el volumen del intercambiador de calor y aumentar el espacio de flujo entre los elementos de intercambio de calor.

El tubo trenzado es un tipo de tubos de transferencia de calor mejorados que fueron presentados primero por la compañía suiza Allares y luego mejorados por la compañía estadounidense Brown. 

2. Estructura y fabricación de  tubo torcido.

La característica del tubo torcido es que cada sección transversal del tubo es ovalada; cuando se ensamblan intercambiadores de calor, pueden ser haces mixtos (es decir, el uso mixto de tubo torcido y tubo desnudo) y también pueden ser un haz de tubos torcidos puros.

El proceso de fabricación incluye dos pasos de conformación: "presión parcial" y "distorsión". La sección transversal del tubo es de tipo elipse y la relación entre el eje largo y el corto está diseñada de acuerdo con la velocidad del flujo en el tubo de transferencia de calor. Cuando el caudal en el tubo es bajo, podemos aumentar la relación entre el eje largo y corto, o reducir la superficie de flujo.

Los tubos retorcidos de acero sin costura utilizados para producir intercambiadores de calor son tubos completos sin juntas. Los materiales comunes utilizados en los tubos de acero se muestran en el siguiente cuadro.

3. Principios mejorados de transferencia de calor del tubo torcido.

La estructura única del tubo retorcido puede hacer que el flujo en el tubo pase y la carcasa pase en movimiento espiral al mismo tiempo, de esta manera mejora la intensidad turbulenta. El coeficiente de transferencia de calor del tubo retorcido es un 40% mayor que el normal, pero la caída de presión es casi la misma.

4. Ventajas del intercambiador de calor con tubo torcido

5. Especificación del  intercambiador de calor de tubos torcidos

Fig: Figura del parámetro de dimensión básica del tubo torcido

Nota: La tabla anterior es el parámetro básico del tubo trenzado estándar. El tubo trenzado se puede fabricar de acuerdo con St y L, si existen requisitos especiales.

6. Aplicación del tubo torcido

Como el tubo torcido se ha desarrollado y mejorado rápidamente en los últimos años, es mucho más confiable y efectivo, y casi se puede usar en todos los intercambiadores de calor de carcasa y tubos. Desde 1984 se han utilizado más de 400 intercambiadores de calor de tubos trenzados, que pueden utilizarse en procesos de transferencia de calor gas-gas, líquido-líquido y líquido-gas, incluidos productos químicos, petróleo, alimentos, fabricación de papel, energía eléctrica, metalurgia, minería. y la industria de la calefacción urbana.

7. Ejemplo de aplicación del tubo torcido

En 1997, la refinería de Lanzhou cambió los intercambiadores de calor tradicionales de la unidad de desparafinado de cetona benceno por intercambiadores de calor de tubo plano giratorio, que fueron diseñados y fabricados por una empresa local. De acuerdo con los parámetros del proceso, se utilizó HETECH para el cálculo de selección del tipo de intercambiador de calor de tubo plano giratorio.

Tubo retorcido, tubo Twist Flate, tubo retorcido con aleta marrón

Tabla: Parámetros relacionados del proceso de desparafinado de benzol-cetona

Artículo Paso de tubo Paso de carcasa 

Medium Solvent Hot water

Flow rate/kg·h-1 5000.0 20000.0

Operating pressure/MPa 0.18 0.23

Inlet temperature/oC 130.0 200.0

Exit temperature/oC 185.0 190.0

Relative densityd420 0.83 1.0

Temperature when viscometry /oC 50 100 50 100

Viscosity/mm2·s-1 13.4 5.6 0.556 0.296

Fouling resistance/W·(m2·K)-1 0.0002 0.0002

Selection & calculation of the twist flat-tube heat exchanger:

They chose two units of twist flat-tube heat exchangers (the No. is LCLF600-2.5-74.5-6/25-6 (ST = 250)) by calculation instead of the initial two units of bow baffle plate heat exchangers (No. BES800-2.5-145-6/25-6 (B = 300)). The heat transfer surface of every unit nearly saved nearly twice of the original equipment. Considering the pressure drop of shell pass, and it was the first time using this type heat exchanger, we chose DN600mm heat exchanger. In the structural parameters, we still chose Φ 25 mm heat transfer tube, whose tube pitch is 32 mm, arrangement is square turn 45°, to facilitate the flow and the cleaning in the shell pass. We selected the optimal lead of twist flat-tube in single tube heat transfer experiment: 200, 250 and 300 mm. For the same lead twist flat-tube, the heat transfer and resistance performance of Φ 25 mm tube is obviously better than theΦ19 mm tube. The lead also has a direct relation with the heat transfer coefficient, if the lead is too small, flow velocity increased, point contacts of helix increased, it strengthened the function of wake flow, and improved the heat transfer coefficient, but increased the resistance; if the lead is too large, the velocity is almost not change, heat transfer effect is not obvious. Therefore, we chose the lead for 250 mm.

Table: Results of process calculation

Thermal load 248.2kW

The film heat transfer coefficient in tube pass 371.0/W·(m2·K)-1

The film heat transfer coefficient in shell pass 2872.3/W·(m2·K)-1

The total film heat transfer coefficient(clean) 328.6/W·(m2·K)-1

The total film heat transfer coefficient(deposit) 286.3/W·(m2·K)-1

logarithmic mean temperature difference 32.5/oC

Effective mean temperature difference 29.0/oC

correction factor of temperature difference 0.895

The total pressure drop in tube pass 17.7/kPa

The total pressure drop in shell pass 0.6/kPa

Heat transfer area(calculation) 29.9/ m2

Heat transfer area(design) 74.5/ m2

The affluence of heat transfer surface 149.5%

Table: Structure parameters of the heat exchanger

Shell diameter 0.6m

Type Twist flat-tube

Number of heat transfer tubes/

number of tube pass 158/6

Specification Φ25×2.5mm

Length 6m

Tube pitch 32mm

Locate type Rotating Squares 

Lead 250mm

Number of shell pass 1

Type of the flow baffle plate Nothing

Heat transfer area 75m2

Outlet diameter of the tube pass 150mm

Outlet diameter of the shell side 150mm

Structure design:

As traditional bow baffle plate heat exchanger, the twist flat-tube heat exchanger is composed of the bundle, shell, tube box, floating head cover and the outside head cover. The main difference is that the structure of the heat transfer tube and tube bundle, other parts, such as fixed tube sheet, floating tube sheet and draft tube is exactly the same.

The two ends of the twist flat-tube keep straight, which make it easy to assemble heat transfer tube and connect tube sheet. Every cross section of twist flat-tubes is oval, the long axis and short axis are determined by the tube pitch.

They can support each other by relying on the points of outer spiral; every tube has four points to contact with its surrounding four tubes. The rest may be deduced by analogy that they support each other and are function as self-supporting. And direction of roating tube in every cross section is required to be consistent, to ensure the mediums spiral flow in the shell pass.

As there are six tube passes, there is no tube in the shell pass on the place of the baffle. Lacking of one side support, it will lose balance, and leakage flow and short circuit may occur. Thus, the baffle was designed.

As the tube bundle is 6 meters long, and deflection is large, without the baffle plate, tube vibration and collapse may occur during operation, and affect service life of equipment. So they designed 8 groups of steel belt strapping bundles outside the tube bundles, it can avoid the tube bundles from getting loose, and strengthen its integrity. Each steel belt added a ring baffle, its outer diameter is 4 ~ 5 mm, less than shell inner diameter. And opened four slide channels were opened from top to bottom of the baffle, so it is embedded two sets of slide damper in vertical direction along the tube bundle. This can prevent by-pass leakage, and facilitate tube bundle into the shell.

There is a draft cylinder in the inlet and outlet of tube bundle. First of all, it can reduce fluid stagnation area caused by gap between the tube and tube sheet, and increase effective heat transfer length of tube; secondly, it can play a supporting role to the tube bundle. Finally, it can reduce erosion of the fluid on heat transfer tube.

Dado que el tamaño de la sección cilíndrica del tubo plano retorcido es mayor que el del tubo desnudo, después del ensamblaje del haz, los tubos se acercan a la entrada y salida, lo que reducirá la superficie de circulación y aumentará la caída de presión. Para solucionar este problema, los tratamientos son los siguientes:

Una fila de tubos permanece recta a 500 mm desde el extremo cerca de la entrada y la salida, la longitud de la sección en espiral, el ion se reduce ligeramente, lo que tiene poco efecto en el rendimiento de la transferencia de calor, pero aumenta la distancia desde aquí hasta la sección y la superficie de flujo del tubo dentro del tanque y reduce la caída de presión. Abrir muchos orificios pequeños en el cilindro de tiro también puede reducir la caída de presión en la entrada y salida.

Este diseño utiliza el método de expansión y soldadura por resistencia, no solo garantiza la resistencia de la conexión del tubo y la placa del tubo, sino que también garantiza el rendimiento del sellado y evita la corrosión en las grietas.

A finales de 1998, se utilizaron los dos dispositivos, que hasta ahora funcionaban bien y fueron elogiados por los usuarios. Posteriormente, el dispositivo de presión normal requiere muchos intercambiadores de calor en la refinería de Lanzhou, el medio de procesamiento incluye: petróleo crudo, petróleo normal de cuatro líneas, corte cuatro, corte cinco, corte seis, aceite y lodos, etc., que son de alta viscosidad, y completó el diseño del proceso y Según los cálculos de selección, su diámetro se reduce de 1 a 2 niveles en comparación con los intercambiadores de calor tradicionales, lo que puede ahorrar alrededor del 30% de la inversión.