管殼式換熱器殼程流體通道設(shè)計(jì)

管殼式換熱器殼程流體通道設(shè)計(jì)

王福新,王　玉
              

(沈陽(yáng)匯博熱能設(shè)備有限公司,遼寧沈陽(yáng)　110043)

摘要:管殼式換熱器是目前應(yīng)用最廣泛和可靠的換熱器,其殼程流體通道設(shè)計(jì)是工藝設(shè)計(jì)和設(shè)備設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容。文中論述了管殼式換熱器殼程流道設(shè)計(jì)的主要類(lèi)型、適用場(chǎng)合,對(duì)合理地選用和設(shè)計(jì)殼程結(jié)構(gòu)具有一定的參考價(jià)值。
    關(guān)鍵詞:管殼式換熱器;殼程;流道設(shè)計(jì)
    中圖分類(lèi)號(hào):TE965　　文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A　　文章編號(hào):1004-9614(2011)03-0034-03
    1·管殼式換熱器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及應(yīng)用場(chǎng)合管殼式換熱器優(yōu)點(diǎn)是適用范圍廣,堅(jiān)固耐用;缺點(diǎn)是消耗材料多,體積大,費(fèi)用高,換熱效率低。但由于其具有高可靠性,技術(shù)成熟,目前仍是石化行業(yè)換熱設(shè)備的首選產(chǎn)品。
    為了適應(yīng)各種工況和維護(hù)需要,管殼式換熱器通常分為兩類(lèi),管束可以拆卸的和不可拆卸的。不可拆卸的主要以固定管板式為代表;可拆卸的主要類(lèi)型有浮頭式、U形管式、填料函等類(lèi)型。
    2·管殼式換熱器殼程結(jié)構(gòu)發(fā)展
    管殼式換熱器分管程、殼程。管程的流速和流動(dòng)阻力計(jì)算比較容易解決,通過(guò)改變管程數(shù),即可達(dá)到調(diào)節(jié)兩者的目的。另外,通過(guò)選用管內(nèi)強(qiáng)化換熱管,如橫槽換熱管、縮放管、波紋管等都可以實(shí)現(xiàn)管內(nèi)強(qiáng)化。
    殼程結(jié)構(gòu)一直沿用橫向流結(jié)構(gòu),直到20世紀(jì)70年代至80年代情況才有所改變,發(fā)明了縱向流結(jié)構(gòu)。20世紀(jì)90年代,螺旋流結(jié)構(gòu)也開(kāi)始工業(yè)應(yīng)用。這些新結(jié)構(gòu)的應(yīng)用,解決了多年來(lái)管殼式換熱器換熱效率低、抗振效果差等問(wèn)題,使管殼式換熱器的效率和可靠性方面,又取得了實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展。目前有代表性的殼程結(jié)構(gòu),按殼程流體流動(dòng)狀態(tài),將其分為橫向流結(jié)構(gòu)、縱向流結(jié)構(gòu)、螺旋流結(jié)構(gòu)。
    3·橫向流結(jié)構(gòu)
    傳統(tǒng)的換熱器殼程結(jié)構(gòu),多以單弓型為主,應(yīng)用歷史悠久,工藝計(jì)算結(jié)果精確。
    經(jīng)典的流路分析將弓形折流板形成的流路分為5種,即:A流路—折流板管孔和管子之間的泄漏流路;B流路—錯(cuò)流流路; C流路—管束外圍和殼內(nèi)壁之間的旁流流路;E流路—折流板與殼內(nèi)壁之間的泄漏流路;F流路—管程分程隔板處的中間穿流流路(單管程換熱器無(wú)此流路)。
    簡(jiǎn)化的應(yīng)用弓形折流板的殼程流動(dòng)狀態(tài)如圖1所示。“B”是主流,約占傳熱面積的60% ~80%。其他低流速區(qū)域,約占傳熱面積的20% ~40%,這些區(qū)域,由于流速低,故而傳熱系數(shù)低,易結(jié)垢。
    由于該結(jié)構(gòu)泄漏流路多,死區(qū)范圍大,傳熱效率低,易結(jié)垢。橫向流體流動(dòng)方向變換劇烈,消耗能量多,流阻大。橫向流體對(duì)管束沖刷強(qiáng)烈,管束易產(chǎn)生振動(dòng)破壞。
    橫向流結(jié)構(gòu)雖然有很多缺點(diǎn),但其工藝計(jì)算準(zhǔn)確,制造簡(jiǎn)單,目前仍是管殼式換熱器應(yīng)用最為廣泛的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。弓形折流板缺口方向常用的有水平和豎直方向,缺口弦高通常是圓筒內(nèi)徑的20% ~45%,應(yīng)根據(jù)具體的工況確定。

             
    4·縱向流結(jié)構(gòu)
    4·1　折流桿結(jié)構(gòu)
    縱向流的典型結(jié)構(gòu),是利用桿來(lái)支承管束,其支承情況和流動(dòng)狀態(tài)如圖2所示。

             
    4·1·1　折流桿結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)點(diǎn)
    4·1·1·1　克服了振動(dòng)引起的管束破壞
    折流桿支承結(jié)構(gòu)的獨(dú)特設(shè)計(jì),消除了殼程的橫向流動(dòng),變?yōu)榧兇獾目v向流動(dòng)(進(jìn)出口局部地區(qū)除外),有效地克服了管束振動(dòng)。研究表明,橫向流與縱向流對(duì)管子振動(dòng)的激勵(lì)強(qiáng)度具有數(shù)量級(jí)的差別。
    4·1·1·2　明顯地減少了壓降
    應(yīng)用表明,在相同流量或傳熱量下,壓力降可比傳統(tǒng)弓形折流板降低50%以上。
    4·1·1·3　消除了死區(qū)(停滯區(qū)),結(jié)垢速度慢
    折流桿支承沒(méi)有板式支承造成的腐蝕和降低傳熱效率的死角(停滯區(qū)),結(jié)垢速度慢。這種較低結(jié)垢速率導(dǎo)致兩次清洗時(shí)間的間隔可以延長(zhǎng),兩次清洗時(shí)間的間隔最長(zhǎng)可延長(zhǎng)近5倍。
    4·1·1·4　管束抽出和清洗時(shí)間減少
    折流桿支承消除了殼程流體流動(dòng)死區(qū),各部位流速較一致,垢層薄而均勻,使得管束的抽出和清洗時(shí)間可比原板式支承減少一半。
    4·1·1·5　簡(jiǎn)化了管束進(jìn)口和出口的結(jié)構(gòu)無(wú)論接管方位是軸向還是周向,桿狀支承都簡(jiǎn)化了管束進(jìn)口和出口結(jié)構(gòu)。
    4·1·1·6　理想的殼層流體流動(dòng)狀態(tài)
    流體在折流桿換熱器殼程內(nèi)的流動(dòng)沒(méi)有滯留區(qū),渦流通過(guò)折流桿被分成許多渦街,使流體產(chǎn)生湍動(dòng),從而在低能量消耗情況下強(qiáng)化了傳熱。
    4·2　其他縱向流結(jié)構(gòu)
    主要有管自支承結(jié)構(gòu),如螺旋扁管換熱器,該種換熱器不需要另外采用支承結(jié)構(gòu),僅靠換熱管之間的相互支承約束,該種換熱器對(duì)管內(nèi)外均可強(qiáng)化。縱向外翅片管也常常利用外翅的相互支承,迫使殼程流體縱向流過(guò)翅間通道。
    5·螺旋流結(jié)構(gòu)
    螺旋流結(jié)構(gòu)是介于橫向流和縱向流的一種結(jié)構(gòu),支承結(jié)構(gòu)和流動(dòng)狀態(tài)見(jiàn)圖3。其實(shí)質(zhì)是相當(dāng)于將弓形折流板的B流路,連續(xù)的螺旋前進(jìn);相對(duì)于弓形折流板,流道距離更長(zhǎng),換熱更充分。

              
    5·1　螺旋流結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)
    5·1·1　傳熱系數(shù)高
    由于流體沿著螺旋通道及流體在徑向方向存在速度梯度,流體易形成湍流。從圖3分析,流體通道無(wú)滯流區(qū),同橫向流比較有效傳熱面積更大,也不易結(jié)垢。因此傳熱系數(shù)高于橫向流結(jié)構(gòu)。
    5·1·2　壓降小
    流體流動(dòng)螺旋平穩(wěn)前進(jìn),不像橫向流流動(dòng)劇烈的方向變化,因而流動(dòng)阻力較小。
    5·1·3　抗振性能好
    由于流體螺旋狀流動(dòng)對(duì)管束的沖擊性較橫向流小、且無(wú)弓形折流板的缺口對(duì)管束支承的削弱,抗振效果得到很大提高。
    5·1·4　設(shè)計(jì)制造較復(fù)雜
    螺旋折流板換熱器雖然有諸多優(yōu)點(diǎn),但設(shè)計(jì)制造相對(duì)復(fù)雜。為降低制造難度,多采用非連續(xù)螺旋結(jié)構(gòu),即每圓周采用3塊或4塊折流板布置。工業(yè)應(yīng)用不如弓形、折流桿換熱器普遍。
    6　流道結(jié)構(gòu)選用
    6·1　要求制造簡(jiǎn)單、殼程用于蒸發(fā)類(lèi)型的換熱器一般選用橫向流結(jié)構(gòu)即可。因?yàn)榭v向流結(jié)構(gòu)、螺旋流結(jié)構(gòu)制造比橫向流復(fù)雜得多,制造費(fèi)用也高。蒸發(fā)類(lèi)型的換熱器一般殼程要求有較大的蒸發(fā)空間,阻擋蒸發(fā)氣流的部件越少越好,一般選用弓(圓)型支承板。
    6·2　要求總傳熱系數(shù)高
    由于縱向流和螺旋流都具有強(qiáng)化殼程傳熱的特點(diǎn),選用這2種結(jié)構(gòu)是恰當(dāng)?shù)摹?br />     6·3　要求抗振性能好
    傳統(tǒng)的橫向流結(jié)構(gòu),由于流體對(duì)管束的沖擊,極易誘發(fā)管束振動(dòng),造成換熱器過(guò)早損壞。采用縱向流結(jié)構(gòu)、螺旋流結(jié)構(gòu)都會(huì)抵御振動(dòng)引起的破壞。目前,縱向流的折流桿結(jié)構(gòu)是優(yōu)秀的抗振結(jié)構(gòu)。
    6·4　黏稠、含顆粒介質(zhì)
    橫向流由于存在滯流區(qū),會(huì)更加不利于黏稠、含顆粒介質(zhì)的流動(dòng)和熱交換,加之顆粒的沉積、結(jié)垢,將進(jìn)一步減弱傳熱效果。實(shí)際運(yùn)行表明,縱向流結(jié)構(gòu)對(duì)該類(lèi)介質(zhì)換熱效果加強(qiáng)并不明顯;而對(duì)于螺旋流結(jié)構(gòu),不存在滯流區(qū),顆粒也不容易在螺旋流狀態(tài)下沉積,是目前最好的黏稠、含顆粒介質(zhì)應(yīng)用結(jié)構(gòu),適于渣油、焦油、泥漿類(lèi)介質(zhì)。
    6·5　工藝計(jì)算要求準(zhǔn)確的場(chǎng)合
    橫向流、縱向流的工藝計(jì)算已相當(dāng)完備,計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確。螺旋流結(jié)構(gòu)由于產(chǎn)生時(shí)間較短,加之實(shí)際結(jié)構(gòu)與理想模型差距較大,工藝計(jì)算不夠完備。
    6·6　雙殼程結(jié)構(gòu)的選用
    放入縱向隔板的雙殼程換熱器,可以改善熱效應(yīng),比2個(gè)換熱器串聯(lián)要便宜。分流式換熱器,適用于大流量且壓降要求低的情況,中間的隔板作為冷凝器時(shí)可以采用有孔板;雙分流式換熱器,適用于低壓降的情況,當(dāng)一物流與另一物流相比溫度變化很小的情況,以及適用于溫差很大或者傳熱系數(shù)很大的情況。由于現(xiàn)有的雙殼程縱向隔板的密封效果并不十分可靠,因此,在工藝要求比較苛刻場(chǎng)合,有時(shí)要將2臺(tái)或3臺(tái)重疊放置,殼程用接管相互聯(lián)通,以達(dá)到真正的殼程分程目的。
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