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簡要了解管殼式換熱器與傳熱機理

靜態混合器|混合器|管道混合器 加入時間:2018-9-11 15:50:15  點擊:
管殼式換熱器又稱列管式換熱器。是以封閉在殼體中管束的壁面作為傳熱面的間壁式換熱器。這種換熱器結構較簡單,操作可靠,可用各種結構材料(主要是金屬材料)制造,能在高溫、高壓下使用,是目前應用最廣的類型。 管殼式換熱器結構與類型 管殼式換熱器由殼體、傳熱管束、管板、折流板(擋板)和管箱等部件組成。殼體多為圓筒形,內部裝有管束,管束兩端固定在管板上。進行換熱的冷熱兩種流體,一種在管內流動,稱為管程流體;另一種在管外流動,稱為殼程流體。為提高管外流體的傳熱分系數,通常在殼體內安裝若干擋板。擋板可提高殼程流體速度,迫使流體按規定路程多次橫向通過管束,增強流體湍流程度。換熱管在管板上可按等邊三角形或正方形排列。等邊三角形排列較緊湊,管外流體湍動程度高,傳熱分系數大;正方形排列則管外清洗方便,適用于易結垢的流體。 流體每通過管束一次稱為一個管程;每通過殼體一次稱為一個殼程。圖示為最簡單的單殼程單管程換熱器,簡稱為1-1型換熱器。為提高管內流體速度,可在兩端管箱內設置隔板,將全部管子均分成若干組。這樣流體每次只通過部分管子,因而在管束中往返多次,這稱為多管程。同樣,為提高管外流速,也可在殼體內安裝縱向擋板,迫使流體多次通過殼體空間,稱為多殼程。多管程與多殼程可配合應用。 管殼式換熱器由于管內外流體的溫度不同,因之換熱器的殼體與管束的溫度也不同。如果兩溫度相差很大,換熱器內將產生很大熱應力,導致管子彎曲、斷裂,或從管板上拉脫。因此,當管束與殼體溫度差超過50℃時,需采取適當補償措施,以消除或減少熱應力。根據所采用的補償措施,管殼式換熱器可分為以下幾種主要類型: ①固定管板式換熱器管束兩端的管板與殼體聯成一體,結構簡單,但只適用于冷熱流體溫度差不大,且殼程不需機械清洗時的換熱操作。當溫度差稍大而殼程壓力又不太高時,可在殼體上安裝有彈性的補償圈,以減小熱應力。 ②浮頭式換熱器管束一端的管板可自由浮動,完全消除了熱應力;且整個管束可從殼體中抽出,便于機械清洗和檢修。浮頭式換熱器的應用較廣,但結構比較復雜,造價較高。 ③ U型管式換熱器 每根換熱管皆彎成U形,兩端分別固定在同一管板上下兩區,借助于管箱內的隔板分成進出口兩室。此種換熱器完全消除了熱應力,結構比浮頭式簡單,但管程不易清洗。 ④填料函式換熱器 填料函式換熱器其結構特點是管板只有一端與殼體固定連接,另一端采用填料函密封。管束可以自由伸縮,不會產生因殼壁與管壁溫差而引起的溫差應力。填料函式換熱器的優點是結構較浮頭式換熱器簡單,制造方便,耗材少,造價低;管束可從殼體內抽出,管內、管間均能進行清洗,維修方便。其缺點是填料函耐壓不高,一般小于4.0MPa;殼程介質可能通過填料函外漏,對易燃、易爆、有毒和貴重的介質不適用。填料函式換熱器適用于管、殼壁溫差較大或介質易結垢,需經常清理且壓力不高的場合。 ⑤釜式換熱器 釜式換熱器結構特點是在殼體上部設置適當的蒸發空間,同時兼有蒸汽室的作用。管束可以為固定管板式、浮頭式或U 型管式。釜式換熱器清洗維修方便,可處理不清潔、易結垢的介質,并能承受高溫、高壓。它適用于液-汽式換熱,可作為最簡結構的廢熱鍋爐。 管殼式換熱器傳熱機理 一般來說,管殼式換熱器制造容易,生產成本低,選材范圍廣,清洗方便,適應性強,處理量大,工作可靠,且能適應高溫高壓。雖然它在結構緊湊性、傳熱輕度和單位金屬消耗量方面無法與板式和板翅式換熱器相比,但它由于具有前述的一些優點,因而在化工、石油能源等行業的應用中仍處于主導地位。暖通南社 管殼式換熱器是把管子與管板連接,再用殼體固定。它的型式大致分為固定管板式、釜式浮頭式、U型管式、滑動管板式、填料函式及套管式等幾種,前面我們簡要介紹過。根據介質的種類、壓力、溫度、污垢和其他條件,管板與殼體的連接的各種結構型式特點,傳熱管的形狀和傳熱條件,造價,維修檢查方便等情況來選擇設計制造各種管殼式換熱器。 管殼式換熱器結構及制造標準 一般來說,管殼式換熱器制造容易,生產成本低,選材范圍廣,清洗方便,適應性強,處理量大,工作可靠,且能適應高溫高壓。雖然它在結構緊湊性、傳熱輕度和單位金屬消耗量方面無法與板式和板翅式換熱器相比,但它由于具有前述的一些優點,因而在化工、石油能源等行業的應用中仍處于主導地位。 管殼式換熱器是把管子與管板連接,再用殼體固定。它的型式大致分為固定管板式、釜式浮頭式、U型管式、滑動管板式、填料函式及套管式等幾種,前面我們簡要介紹過。根據介質的種類、壓力、溫度、污垢和其他條件,管板與殼體的連接的各種結構型式特點,傳熱管的形狀和傳熱條件,造價,維修檢查方便等情況來選擇設計制造各種管殼式換熱器。 管殼式換熱器結構及制造標準 管殼式換熱器:是以封閉在殼體中管束的壁面作為傳熱面的間壁式換熱器,這種換熱器結構較簡單、操作可靠,可用各種結構材料(主要是金屬材料)制造,能在高溫、高壓下使用,是目前應用最廣的類型。(設計制造遵循標準:國外 TEMA ASME 國內 GB151、GB150)暖通南社 換熱器封頭選取原則 1、管殼側是否需要清洗; 2、是否需要移動管束; 3、是否需要考慮熱膨脹; 前封頭類型:A、B、C、D、N 后封頭類型:L、M、N、P、S、T、W 后封頭又分為固定式、浮頭式以及U型管,相對于固定式,浮頭式造價更高、需要更大的殼徑、低的換熱效果(由于泄漏流C的存在),優點則是一端具有自由度可以處理好熱膨脹問題。 前封頭 A型封頭:適應于管程流體較臟,需要經常清洗的情況。 B型封頭:單法蘭經濟型最好,由于易于采購,是最常用的封頭 C型封頭:帶管板和可拆蓋,管側清洗方便,可以處理管程高壓和高危介質(適當),適于殼側管束較重以及殼側需要清洗的情況。 D型封頭:特種高壓型,適用于特殊高壓的工況(管箱焊在管板上) N型封頭:帶管板和可拆蓋,管束不可拆,此種封頭經濟性最好,接近管板容易;可以處理殼側高危介質。 A型封頭與B型封頭相比多了一片法蘭,其耐壓性沒有B型封頭好,其優點是換熱器檢修時不許將封頭拿掉,相對于B型封頭來說更加方便。C型封頭、N型封頭換熱器中的管束是可抽出的,其中C型封頭的換熱器中的管板和管箱是焊在一起的。 后封頭 L型后封頭:和A型前封頭相同; M型后封頭:和B型前封頭相同; N型后封頭:和N型前封頭相同; U型:U型管束,管束可移動,殼側容易清洗;熱膨脹處理優秀,經濟(無法蘭);缺點是管側無法清洗,更換管束困難,彎頭部位容易沖刷損傷。 P型封頭和W型封頭已經被淘汰,不在使用。 S型封頭:其尺寸特點是其后封頭要比殼體的直徑大,優點是可以解決換熱器設計過程中的兩個問題,一是可以消除換熱器的熱應力,二是換熱器的管殼側都可以進行清洗。暖通南社 T型封頭和S型封頭相似,但其后封頭尺寸和殼體直徑相同,且其內封頭和管束可以直接抽出,但T型封頭和S型封頭相比,受力情況沒有S型封頭好,唯一的好處是抽芯方便,在工程設計中一般不選用T。 換熱器殼體 E型殼體:為單程殼體,在設計過程中一般優先選擇,它適用于所有的情況,單相換熱更優,缺點是壓降較大。 F型殼體:適用于場地受限,需要雙殼程的情況,比較適合于單相換熱,純逆流換熱,傳熱溫差大;缺點是F型殼體有分程隔板,此處會發生漏流,而且殼程進口與出口處的壓差和溫差都是最大的,會發生漏溫且分程隔板也容易發生變形。所以F型殼體適用于壓差和溫差都不大的情況下。 G型殼體:屬于平行流換熱器,該換熱器的熱流體出口溫度可以比冷流體出口溫度低,適用于需要做殼側強化的臥式熱虹吸再沸器、冷凝器等。 H型殼體:雙平行流換熱器,主要用于冷凝和蒸發的工況下,而且殼體中不使用折流板。G/H型殼體的優點是傳熱溫差大,比E型要高。 J型殼體:分流殼體,一是適用于殼體氣相壓降較大,振動解決不了的情況;二是用于再沸器,相對于E型使得傳熱的效果比較穩定;三是用于部分冷凝的工況,其缺點則是傳熱溫差較小,傳熱系數也不大。 K型殼體:主要用于管程熱介質,殼側蒸發的工況,在廢熱回收條件下使用。暖通南社 X型殼體:冷熱流體屬于錯流流動,其優點是壓降非常小,當采用其他殼體發生振動,且通過調整換熱器參數無法消除該振動時可以使用此殼體形式,其不足之處是流體分布不均勻,X型殼體并不經常使用。 在化工工藝手冊中,I型殼體類型可EDR軟件中的不是同一種殼體,其形式見I1,它的使用方式僅有一種搭配,就是BIU,U型管換熱器。 換熱器折流板 單弓形折流板:優點是可以達到最大的錯流,缺點是壓降較高,且窗口的管束容易發生振動;設計要點是折流板圓缺率在17%-35%之間,折流板間距在0.2-1.0倍的殼徑。此種類型折流板適用于大部分場合。 NITW:該折流板窗口不布管,管子支撐完美,不引起管束振動,缺點是相同的殼徑大小,布管數較少,需要的殼體直徑大。設計要點:15%的折流板圓缺率。適合的場合是氣體振動和壓降受限。 雙弓形折流板:優點是壓降低,更好的規避振動的問題;缺點是大的窗口流動面積;設計要點:5%-30%的圓缺率,默認兩排管重疊;適合場合時振動和壓力受限的換熱器(相對于單弓形折流板來說)。 螺旋折流板:分為單螺旋折流板和雙螺旋折流板優點是換熱好,壓降低,流動均勻;缺點是制造困難;設計要點是螺旋角度5-45°,適合的場合時壓降受限,容易結垢的場合。 折流桿:優點是支撐優,流動均勻,壓降低基本無振動問題;缺點是低的換熱效果;管子布置只能為45°和90°;適合場合是低壓降氣體冷凝和換熱。暖通南社 窩巢型:支撐優,流動均勻,壓降低;缺點是比換熱效果不好,設計基本無要求。 蛋框型:支撐好,制造經濟;缺點是高溫應力下發生變形;設計基本無要求。 管殼式換熱器設計所需考慮的因素 換熱設備的類型很多,對每種特定的傳熱工況,通過優化選型都會得到一種最合適的設備型號,如果將這個型號的設備使用到其他工況,則傳熱的效果可能有很大的改變。因此,針對具體工況選擇換熱器類型,是很重要和復雜的工作。對管殼式換熱器的設計,有以下因素值得考慮。 1、流速的選擇 流速是換熱器設計的重要變量,提高流速則提高傳熱系數,同時壓力降與功耗也會隨之增加,如果采用泵送流體,應考慮將壓力降盡量消耗在換熱器上而不是調節閥上,這樣可依靠提高流速來提高傳熱效果。 采用較高的流速有兩個好處:一是提高總傳熱系數,從而減小換熱面積;二是減少在管子表面生成污垢的可能性。但是也相應的增加了阻力和動力的消耗,所以需要進行經濟比較才能最后確定適宜的流速。 此外在選擇流速上,還必須考慮結構上的要求。為了避免設備的嚴重磨損,所算出的流速不應超過最大允許的經驗流速。 以下的三個表格分別表示了介質的流速范圍和水在管內的流速余材質的關系等。 2、允許壓力降的選擇 選擇較大的壓力降可以提高流速,從而增強傳熱效果減少換熱面積。但是較大的壓力降也使得泵的操作費用增加。合適的壓力降值需要以換熱器年總費用為目標,反復調整設備尺寸,進行優化計算而得出。 在大多數設備中,可能會發現一側的熱阻明顯的高于另一側,此側的熱阻成為控制熱阻。可殼程的熱阻是控制側時,可以用增加折流板塊數或者縮小殼徑的方法,來增加殼側流體流速、減少傳熱熱阻,但是減少折流板間距是有限制的,一般不能小于殼徑的1/5或50mm。當管程的熱阻是控制側時,則依靠增加管成熟來增加流體流速。 在處理粘稠物料時,如果流體處于層流流動則將此物料走殼程。由于在殼程的流體流動易達到湍流狀態,這樣可以得到較高的傳熱速率,還可以改進對壓力降的控制。 下圖為不同介質在不同設備類型中的允許壓力降參考值: 3、管殼程流體的確定 主要根據流體的操作壓力和溫度、可以利用的壓力降、結構和腐蝕特性,以及所需設備材料的選擇等方面,考慮流體適宜走哪一程。下面的因素可供選擇時考慮: 適于走管程的流體有水和水蒸氣或強腐蝕性流體;有毒性流體;容易結構的流體;高溫或高壓操作的流體等。 適于走殼程的流體有塔頂餾出物的冷凝;烴類的冷凝和再沸;管件壓力降控制的流體;粘度大的流體等。 當上述情況排除后,介質走哪一程的選擇,應著眼于提高傳熱系數和最充分的利用壓力降上。由于介質在殼程的流動容易達到湍流(Re≥100),因而將粘度大的或流量小的流體,即雷諾數低的流體走殼程一般是有利的。反之,如果流體在管程能夠達到湍流時,則安排走管程較合理。若從壓力降的角度考慮,一般是雷諾數低的走殼程合理。 4、換熱終溫的確定 換熱終溫一般由工藝過程的需要確定。當換熱終溫可以選擇時,其數值對換熱器是否經濟合理有很大的影響。在熱流體出口溫度與冷流體出口溫度相等的情況下,熱量利用效率最高,但是有效傳熱溫差最小,換熱面積最大。暖通南社 另外,在確定物流出口溫度時,不希望出現溫度交叉現象,即熱流體出口溫度低于冷流體出口溫度。 5、設備結構的選擇 對于一定的工藝條件,首先應確定設備的形式,例如選擇固定管板形式還是浮頭形式等。參照下表1-7. 在換熱器設計過程中,強化傳熱總的目標概括有:在給定換熱量下減少換熱器的尺寸;提高現有換熱器的性能;減小流動工質的溫差;或者降低泵的功率。 傳熱過程是指兩種流體通過硬設備的壁面進行熱交換的過程,按照流體的傳熱方式基本上可以分為無相變和有相變兩種類型。無相變過程強化傳熱技術的研究,一般依據控制熱阻側而采取相應的措施:如采用擴展管內或者管外表面;采用管內插異物;改變管束支撐件形式;加入不互溶的低沸點添加劑等方法,以增強傳熱效果。 螺紋管性能特點 在管子類型中,螺紋管屬于管外擴展表面的類型,在普通換熱管外壁軋制成螺紋狀的低翅片,用以增加外側的傳熱面積。螺紋管表面積比光管可擴展1.6-2.7倍,與光管相比,當管外流速一樣時,殼程傳熱熱阻可以縮小相應的倍數,而管內流體因管徑的減小,則壓力降會略有增大。螺紋管比較適宜于殼程傳熱系數相當于管程傳熱系數1/3-3/5的工況。 波紋管換熱器的性能特點 以改變管內流體流動狀態、增強傳熱效果的典型管形為波紋管、內插物管。波紋管是在無切削的機加工中,管內被擠出凸肋從而改變了管內壁滯流層的流動狀態,減少了流體傳熱熱阻,增強了傳熱效果。 折流桿換熱器的性能特點 折流桿換熱器、雙弓板換熱器、盤環式換熱器、旋流式換熱器等,都屬于通過殼程管束支撐件、大幅度降低阻力提高流速或改變流動方式從而達到強化傳熱的目的。折流桿換熱器每根換熱管的四個方向上,用折流桿加以固定,具有很好的防震性能。
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