簡介
換熱器是化工、石油、能源等各工業中套用相當廣泛的單元設備之一。據統計,在現代化學工業中換熱器的投資大約占設備總投資的30%,在煉油廠中占全部工藝設備的40%左右,海水淡化工藝裝置則幾乎全部是由換熱器組成的。對國外換熱器市場的調查表明,雖然各種板式換熱器的競爭力在上升,但管殼式換熱器仍占主導地位約64%。新型換熱元件與高效換熱器開發研究的結果表明, 列管式換熱器已進入一個新的研究時期,無論是換熱器傳熱管件,還是殼程的折流結構都比傳統的管殼式換熱器有了較大的改變,其流體力學性能、換熱效率、抗振與防垢效果從理論研究到結構設計等方面也均有了新的進步。
結構組成
管束
在管殼式換熱器中最簡單的是單管程的換熱器,如需增加傳熱面,一般採用增加管數的方法,管數增加後可將管束分程,以防止管數增加後引起管內流速以及傳熱係數的降低,從製造、安裝、操作的角度考慮,一般採用偶數管程且程數不宜太多。
殼程
管束換熱器右圖中列出了幾種代號的殼程型式。E型是最普通的一種,殼程是 單程的,管程可為單程也可59天津建設科技2007增刊建築技術為多程;F型為二殼程的換熱器,是在殼體中裝入了一塊平行於管子軸線方向的縱向隔板;G型也為二殼程的換熱器,縱向隔板從管板的一段移開使殼程流體得以分流;H型與G型相似,但進出口接管與縱向隔板均多一倍。
管束排列方式
管束在管板上的排列方式最常見的有4種:正三角排列、轉角正三角形排列、正方形排列和轉角正方形排列。
管板
管板是換熱器的重要部件之一,用來排布換熱管並起著分隔管程、殼程空間的作用。薄管板有著節省材料的優點,是用於中、低壓換熱器中;橢圓形管板與換熱器的殼焊接在一起,受力條件較好,適用於高壓、大直徑的換熱器。
折流板折流桿
折流板體有助於提高殼程的流速,增強湍動,改善傳熱,在臥式換熱器中起支承管束的作用。常用的折流板有單弓形、雙弓形、三重弓形等。折流桿是一種新型支承管子的結構,其優點:在傳熱量相同的情況下,其壓力降比弓形折流板的換熱器降低50%以上,沒有傳熱死區,結垢速率慢,防止了橫向流誘發的振動。
工作原理
管束式換熱器工作原理管束式換熱器的換熱管內組成的流體通道稱為管程，換熱管外 組成的流體通道稱為殼程。一種工質由封頭端的進口接管進入傳熱管內，其流程可根據工藝要求實現一管程、二管程和四管程結構；另一種工質由殼體一端的進口接管進入殼體內並均勻地分布於傳熱管外，其流動狀態可根據工藝要求在管束中設定不同型式和數量的折流板。2個不一樣溫度的工質進入換熱器內，溫度相對高的工質經過換熱管壁把熱量傳遞給溫度相對低的工質，溫度相對高的工質被冷卻，溫度相對低的工質被加熱，進而完成兩流體換熱工藝的目標。
主要分類
管殼式換熱器一般有3種結構型式:固定管板式、浮頭式和U形管式。由於換熱器的使用場合、使用目的、換熱介質物性等因素的不同,決定了管殼式換熱器的結構型式。
固定管板式
固定管板式換熱器結構簡單、緊湊、造價低,往往是管板兼法蘭,適用於管、殼程溫差不大或管、殼程溫差大,但壓力不高,殼程介質乾淨或雖結垢但通過化學清洗能清除的場合。其主要缺點是當殼體與管子的壁溫或材料的線膨脹係數相差較大時,在殼體與管中將產生很大的溫差應力。
浮頭式
浮頭式換熱器管束一端的管板可以自由移動,不受溫差應力的影響,其結構複雜,內浮頭密封困難,鍛件多,造價高。維修時可拆卸浮頭,抽出管束進行檢修或更換,適用於管、殼程溫差大但工作壓力不超過10MPa的工況,缺點是需要抽出管束。還有一種浮頭式換熱器也成為填料函式換熱器,其管束可自由伸縮,殼程和管程都可以拆開清洗,結構簡單,適用管、殼程溫差大工況,但其耐壓、耐溫及密封能力差,目前只是在低壓與小直徑的場合下使用。
U形管式
U形管式換熱器管束可自由伸縮,只有一塊管板,密封面少,管束與殼體分離,消除了溫差應力,可抽芯檢修更換。適用場合為管、殼程溫差大,高溫,高壓。殼程需抽芯清洗,管內介質乾淨或雖會結垢但通過化學清洗能清除。
傳熱能力
提高管束式換熱器傳熱能力的措施
管束式換熱器的傳熱能力是由殼程換熱係數、管程換熱係數和換熱器冷、熱介質的對數平均溫差決定的,因此,提高管束式換熱器傳熱能力的措施包括以下幾點。
(1) 提高管束式換熱器冷、熱介質的平均對數溫差。
冷、熱介質平均對數溫差除直接受冷、熱介質進出口溫度影響外,還受到冷、熱介質的流動方向和換熱流程的影響。當換熱器冷、熱流體的溫度沿傳熱面變化時,兩種流體逆流平均溫差最大,順流平均溫差最小,在實際換熱器設計中,冷、熱流體多採用交錯流方式,其平均對數溫差介於逆流和順流之間。因此,應儘量增加換熱器冷、熱流體的逆流比例,提高冷、熱流體的對數平均溫差,提高換熱器的傳熱能力。
(2) 合理確定管程和殼程介質。
在換熱器設計中,對於殼程安裝摺流板的換熱器來說,Re>100時,殼程介質即達湍流,因此,對於流量小或粘度大的介質優先考慮作為殼程換熱介質;由於管程清洗相對於殼程清洗要容易,因此對於易結垢、有沉澱及雜物的介質宜走管程;從經濟性考慮,對於高溫、高壓或腐蝕性強的介質,作為管程換熱介質更加合理;對於剛性結構的換熱器,若冷、熱介質溫差大,因壁面溫度與換熱係數大的介質溫度接近,為減小管束與殼體的膨脹差,換熱係數大的介質走殼程更加合理,而冷、熱介質溫差小,兩介質換熱係數相差大,換熱係數大的介質走管程更加合理。
(3) 採用強化管殼式換熱器傳熱的結構措施。
在換熱器設計中,通常採用強化傳熱的措施來提高換熱器的傳熱能力。強化傳熱的常用措施有:採用高效能傳熱面、靜電場強化傳熱、粗糙壁面、攪拌等。
