管殼式換熱器殼程流體通道設(shè)計

管殼式換熱器殼程流體通道設(shè)計

王福新,王　玉
              

(沈陽匯博熱能設(shè)備有限公司,遼寧沈陽　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)計是工藝設(shè)計和設(shè)備設(shè)計的重要內(nèi)容。文中論述了管殼式換熱器殼程流道設(shè)計的主要類型、適用場合,對合理地選用和設(shè)計殼程結(jié)構(gòu)具有一定的參考價值。
    關(guān)鍵詞:管殼式換熱器;殼程;流道設(shè)計
    中圖分類號:TE965　　文獻標(biāo)識碼:A　　文章編號:1004-9614(2011)03-0034-03
    1·管殼式換熱器結(jié)構(gòu)特點及應(yīng)用場合管殼式換熱器優(yōu)點是適用范圍廣,堅固耐用;缺點是消耗材料多,體積大,費用高,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)各種工況和維護需要,管殼式換熱器通常分為兩類,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;可拆卸的主要類型有浮頭式、U形管式、填料函等類型。
    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。管程的流速和流動阻力計算比較容易解決,通過改變管程數(shù),即可達(dá)到調(diào)節(jié)兩者的目的。另外,通過選用管內(nèi)強化換熱管,如橫槽換熱管、縮放管、波紋管等都可以實現(xiàn)管內(nèi)強化。
    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)也開始工業(yè)應(yīng)用。這些新結(jié)構(gòu)的應(yīng)用,解決了多年來管殼式換熱器換熱效率低、抗振效果差等問題,使管殼式換熱器的效率和可靠性方面,又取得了實質(zhì)性的進展。目前有代表性的殼程結(jié)構(gòu),按殼程流體流動狀態(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(單管程換熱器無此流路)。
    簡化的應(yīng)用弓形折流板的殼程流動狀態(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。橫向流體流動方向變換劇烈,消耗能量多,流阻大。橫向流體對管束沖刷強烈,管束易產(chǎn)生振動破壞。
    橫向流結(jié)構(gòu)雖然有很多缺點,但其工藝計算準(zhǔn)確,制造簡單,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。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),是利用桿來支承管束,其支承情況和流動狀態(tài)如圖2所示。

             
    4·1·1　折流桿結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)點
    4·1·1·1　克服了振動引起的管束破壞
    折流桿支承結(jié)構(gòu)的獨特設(shè)計,消除了殼程的橫向流動,變?yōu)榧兇獾目v向流動(進出口局部地區(qū)除外),有效地克服了管束振動。研究表明,橫向流與縱向流對管子振動的激勵強度具有數(shù)量級的差別。
    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)致兩次清洗時間的間隔可以延長,兩次清洗時間的間隔最長可延長近5倍。
    4·1·1·4　管束抽出和清洗時間減少
    折流桿支承消除了殼程流體流動死區(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間可比原板式支承減少一半。
    4·1·1·5　簡化了管束進口和出口的結(jié)構(gòu)無論接管方位是軸向還是周向,桿狀支承都簡化了管束進口和出口結(jié)構(gòu)。
    4·1·1·6　理想的殼層流體流動狀態(tài)
    流體在折流桿換熱器殼程內(nèi)的流動沒有滯留區(qū),渦流通過折流桿被分成許多渦街,使流體產(chǎn)生湍動,從而在低能量消耗情況下強化了傳熱。
    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,該種換熱器對管內(nèi)外均可強化。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)和流動狀態(tài)見圖3。其實質(zhì)是相當(dāng)于將弓形折流板的B流路,連續(xù)的螺旋前進;相對于弓形折流板,流道距離更長,換熱更充分。

              
    5·1　螺旋流結(jié)構(gòu)的主要特點
    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
    流體流動螺旋平穩(wěn)前進,不像橫向流流動劇烈的方向變化,因而流動阻力較小。
    5·1·3　抗振性能好
    由于流體螺旋狀流動對管束的沖擊性較橫向流小、且無弓形折流板的缺口對管束支承的削弱,抗振效果得到很大提高。
    5·1·4　設(shè)計制造較復(fù)雜
    螺旋折流板換熱器雖然有諸多優(yōu)點,但設(shè)計制造相對復(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　要求制造簡單、殼程用于蒸發(fā)類型的換熱器一般選用橫向流結(jié)構(gòu)即可。因為縱向流結(jié)構(gòu)、螺旋流結(jié)構(gòu)制造比橫向流復(fù)雜得多,制造費用也高。蒸發(fā)類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化殼程傳熱的特點,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),由于流體對管束的沖擊,極易誘發(fā)管束振動,造成換熱器過早損壞。采用縱向流結(jié)構(gòu)、螺旋流結(jié)構(gòu)都會抵御振動引起的破壞。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),會更加不利于黏稠、含顆粒介質(zhì)的流動和熱交換,加之顆粒的沉積、結(jié)垢,將進一步減弱傳熱效果。實際運行表明,縱向流結(jié)構(gòu)對該類介質(zhì)換熱效果加強并不明顯;而對于螺旋流結(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、泥漿類介質(zhì)。
    6·5　工藝計算要求準(zhǔn)確的場合
    橫向流、縱向流的工藝計算已相當(dāng)完備,計算結(jié)果準(zhǔn)確。螺旋流結(jié)構(gòu)由于產(chǎn)生時間較短,加之實際結(jié)構(gòu)與理想模型差距較大,工藝計算不夠完備。
    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合,有時要將2臺或3臺重疊放置,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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