【正文】 管間支撐物的研究。 人們想盡各種辦法實施強化傳熱, 歸結(jié)起來不外乎2 條途徑, 即改變傳熱面的形狀和在傳熱面上或傳熱流路徑內(nèi)設(shè)置各種形狀的插入物。改變傳熱面形狀的方法有多種, 用于強化管程傳熱的有: 橫紋管、螺旋槽管、螺紋管(低翅管)和縮放管以及螺旋扁管(瑞典ALLARDS 公司生產(chǎn)) 。～(3),美、英、日、德等國均有商品化低翅管。德國Hde公司的螺旋槽管，管內(nèi)傳熱效率明顯優(yōu)于光管,在2300 Re 105 范圍內(nèi), ～, 當(dāng)200 Re 1500 時, ～22倍。沈陽市廣廈熱力設(shè)備開發(fā)制造公司開發(fā)的超薄壁(δ= 015mm) 不銹鋼波紋管換熱器[3 ] ,其承壓能力可達(dá)8MPa 。該換熱器不僅強化了管內(nèi)外的給熱, 還由于溫差作用下?lián)Q熱管的可伸縮性,使表面結(jié)垢容易脫落, 因此具有較強的防垢和自動除垢能力。其傳熱系數(shù)較光管式提高2～3 倍。 管內(nèi)插入物[4 ,5]是強化管內(nèi)單相流體傳熱行之有效的方法之一。目前管內(nèi)插入物種類很多, 如螺旋線、紐帶、錯開紐帶、螺旋片和靜態(tài)混合器等。最近, 英國Cal Garin Ltd 公司開發(fā)的一種稱之為Hitran Matrix Elements 的花環(huán)式插入物[6],它是一種金屬絲制翅片管子插入物(Wire2Fin Tube Inserts) ,能增強湍流。中國石化北京設(shè)計院與華南理工大學(xué)聯(lián)合研制的交叉鋸齒型插入物, 是華南理工大學(xué)對12種內(nèi)插件(在Re = 300～3500 和Pr = 135 范圍內(nèi)) 進行比較后優(yōu)選的型式, 可直接形成流體的混合,尤其適用高粘度流體的換熱。其在上海乙烯廠原油2蠟油介質(zhì)換熱器中使用, 其總傳熱系數(shù)與光滑管相比提高了50%。 管殼式換熱器的傳熱能力是由殼程換熱系數(shù)、管程換熱系數(shù)和換熱器冷、熱介質(zhì)的對數(shù)平溫差決定的, 因此, 提高管殼式換熱器傳熱能力的措施包括以下幾點。 提高管殼式換熱器冷、熱介質(zhì)的平均對數(shù)溫差 冷、熱介質(zhì)平均對數(shù)溫差除直接受冷、熱介質(zhì)進出口溫度影響外, 還受到冷、熱介質(zhì)的流動方向和換熱流程的影響。當(dāng)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(shè)計中, 冷、熱流體多采用交錯流方式, 其平均對數(shù)溫差介于逆流和順流之間。因此, 在設(shè)計中應(yīng)盡量增加換熱器冷、熱流體的逆流比例, 提高冷、熱流體的對數(shù)平均溫差, 提高換熱器的傳熱能力。 合理確定管程和殼程介質(zhì) 在換熱器設(shè)計中, 對于殼程安裝折流板的換熱器來說, Re100 時, 殼程介質(zhì)即達(dá)湍流, 因此,對于流量小或粘度大的介質(zhì)優(yōu)先考慮作為殼程換熱介質(zhì)。 由于管程清洗相對于殼程清洗要容易, 因此對于易結(jié)垢、有沉淀及雜物的介質(zhì)宜走管程。 從經(jīng)濟性考慮, 對于高溫、高壓或腐蝕性強的介質(zhì), 作為管程換熱介質(zhì)更加合理。 對于剛性結(jié)構(gòu)的換熱器, 若冷、熱介質(zhì)溫差大, 因壁面溫度與換熱系數(shù)大的介質(zhì)溫度接近, 為減小管束與殼體的膨脹差, 換熱系數(shù)大的介質(zhì)走殼程更加合理, 而冷、熱介質(zhì)溫差小, 兩介質(zhì)換熱系數(shù)相差大, 換熱系數(shù)大的介質(zhì)走管程更加合理。 采用強化管殼式換熱器傳熱的結(jié)構(gòu)措施 在換熱器設(shè)計中, 通常采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: 采用高效能傳熱面、靜電場強化傳熱、粗糙壁面、攪拌等。 設(shè)計思路、方法 管子外形有光管、螺紋管。相同條件下, 采用螺紋管管束比光管管束能增加換熱面積2 倍左右。同時, 由于螺紋管的螺紋結(jié)構(gòu)能有效破壞流體邊界層, 有效提高了換熱器的傳熱能力。當(dāng)殼程介質(zhì)易結(jié)垢時, 由于外螺紋管束沿軸向的脹縮作用使換熱管外壁的硬垢脫落, 具有良好的自潔作用, 能夠有效防止管束外壁的結(jié)垢, 減小換熱器殼程熱阻, 提高換熱器的傳熱能力。 換熱器管徑的設(shè)計 由于小直徑換熱管具有單位體積傳熱面積大, 換熱器結(jié)構(gòu)緊湊, 金屬耗量少, 傳熱系數(shù)高的特點, 在換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計中, 對于管程介質(zhì)清潔、不易結(jié)垢的介質(zhì), 采用小管徑管束能有效增加換熱面積。相同條件下, 采用Φ19mm 管束比采用Φ25mm 管束能提高傳熱面積30%～40% , 節(jié)約金屬20% 以上。 管子的排列方式有等邊三角形、正方形和同心圓排列等, 對于殼程介質(zhì)不易結(jié)垢或可用化學(xué)方法清洗污垢的介質(zhì), 采用三角形排列可使換熱器的外徑減小15% 。 對于需要機械清洗的管束, 管子排列應(yīng)采用正方形。 對于小于300mm 的換熱器, 為使管束排列緊湊, 可采用同心圓排列。 管、殼程分程設(shè)計 管程分程設(shè)計。當(dāng)需要的傳熱面積很大,換熱管長度太長( 對臥式換熱器管長比殼徑比超過6～10, 立式換熱器超過4～6 時) , 采用單管程換熱器使管程流速很低時, 可采用管程分程的辦法來提高管程換熱介質(zhì)的流速。因為決定管程介質(zhì)的流態(tài)的雷諾數(shù)Rei 與管程介質(zhì)流速成正比,為提高換熱器管程換熱系數(shù)hi, 可采用管程分程的辦法提高管程換熱系數(shù)。 殼程分程設(shè)計。為了提高換熱器傳熱能力, 且不使換熱管太長, 殼程利用橫向折流板或縱向折流板分程。殼程分程可增加對殼程換熱介質(zhì)的擾動, 使殼程換熱介質(zhì)流速增加, 流程加大,換熱介質(zhì)橫向沖刷擾動加大, 提高換熱器傳熱能力。 折流板的結(jié)構(gòu)設(shè)計包括型式的確定, 形狀的設(shè)計, 缺口高度設(shè)計和折流板間距設(shè)計。換熱器殼程折流板可分為橫向折流板和縱向折流板, 由于殼程加裝縱向折流板在制造工藝上較困難, 而且造成殼程壓降增加, 因此一般采用殼程加裝橫向折流板。殼程加裝橫向折流板后, 殼程換熱介質(zhì)雷諾數(shù)Re0≥100 時, 殼程介質(zhì)即達(dá)湍流, 能有效提高換熱器的傳熱能力, 橫向折流板常采用弓形和盤 環(huán)形, 弓形折流板加工、制造和組裝較方便, 使用最普遍, 盤 環(huán)形折流板主要用于小型換熱器中。在換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計中, 合理設(shè)計折流板間距是保證殼程換熱介質(zhì)的壓力降滿足設(shè)計要求的關(guān)鍵。、殼程進、出口的設(shè)計 管程進、出口管的設(shè)計。管程進、出口管徑在考慮管程壓降允許的條件下, 通過計算確定管徑, 其計算公式為ρω23 300( ρ 為管程介質(zhì)密度, kg/m3。 ω 為管程介質(zhì)進、出口流速, m/s) 。為保證管程流體的均勻分布, 充分發(fā)揮換熱管的換熱性能, 管程進、出口應(yīng)設(shè)置在換熱器管程的底部和頂部。 對換熱器的使用壽命影響較大, 特別是殼程換熱介質(zhì)流速較高或介質(zhì)中含有固體顆粒。為保證換熱器的使用性能, 可在殼程入口加裝防沖板, 對介質(zhì)沖刷起到緩沖的作用, 保護管束不受沖擊。 為避免殼程入口流速過高, 殼程介質(zhì)流速有一定的限制: ρω22 200。 選材方法 管殼式換熱器的選型管殼式換熱器有三種類型，分別為固定管板式換熱器、浮頭式換熱器、U形管式換熱器和填料函式換熱器。固定管板式： 固定管板式換熱器主要有外殼、管板、管束、封頭壓蓋等部件組成。固定管板式換熱器的結(jié)構(gòu)特點是在殼體中設(shè)置有管束，管束兩端用焊接或脹接的方法將管子固定在管板上，兩端管板直接和殼體焊接在一起，殼程的進出口管直接焊在殼體上，管板外圓周和封頭法蘭用螺栓緊固，管程的進出口管直接和封頭焊在一起，管束內(nèi)根據(jù)換熱管的長度設(shè)置了若干塊折流板。這種換熱器管程可以用隔板分成任何程數(shù)。圖11 固定管板式換熱器固定管板式換熱器結(jié)構(gòu)簡單，制造成本低，管程清洗方便，管程可以分成多程，殼程也可以分成雙程，規(guī)格范圍廣，故在工程上廣泛應(yīng)用。殼程清洗困難，對于較臟或有腐蝕性的介質(zhì)不宜采用。當(dāng)膨脹之差較大時，可在殼體上設(shè)置膨脹節(jié)，以減少因管、殼程溫差而產(chǎn)生的熱應(yīng)力。固定管板式換熱器的特點是：旁路滲流較??；造價低；無內(nèi)漏。在相同的殼體直徑內(nèi)，排管較多，比較緊湊；殼側(cè)層清洗困難，加上膨脹節(jié)的方法不能照到管子的相對移動。比較適合溫差不大或溫差大而殼層壓力不高的場合。固定管板式換熱器的缺點是，殼體和管壁的溫差較大，易產(chǎn)生溫差力，殼程無法清洗，管子腐蝕后連同殼體報廢，設(shè)備壽命較低，不適用于殼程易結(jié)垢場合。浮頭式換熱器：其兩端管板只有一端與殼體完全固定，另一端課相對于殼體作某些移動，該端稱之為浮頭。此種換熱器的管束不受殼體的約束，殼體與管束之間不會因為膨脹量的不同而產(chǎn)生熱應(yīng)力。而且在清洗和檢修時，僅將管束從殼體中抽出即可。圖12 浮頭式換熱器 特點：該種換熱器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、笨重，造價比固定管板式要高出約20％，材料的消耗量較大，浮頭的端蓋在操作中無法檢查，所以安裝時要特別注意其密封，以免發(fā)生內(nèi)漏，且管束和殼體間隙較大，設(shè)計時避免短路。該種換熱器比較適合管殼壁間溫差較大，或易于腐蝕和易于結(jié)垢的場合。U型管式換熱器僅有一個管板，管子兩端均固定于同一管板上。圖13 U型管式換熱器這類換熱器的特點是：管束可以自由伸縮，不會因為管殼之間的溫差而產(chǎn)生熱應(yīng)力，熱補償性能好；管程為雙管程，流程較長，流速較高，傳熱性能好；承壓能力強；管束課從殼體內(nèi)抽出，便于檢修和清洗，造價便宜。但是管內(nèi)清洗不變，管束中間分布的管子難以更換，管板中心部分布管不緊湊，管子數(shù)目不能太多。僅適用于管殼壁溫相差較大，或殼程截止易于結(jié)垢而管程介質(zhì)不易結(jié)垢，高溫高壓腐蝕性強的情形。填料函式換熱器此類換熱器的管板也僅有一端與殼體固定，另一端采用填料函密封。特點為它的管束也可以自由膨脹，所以管殼間不會產(chǎn)生熱應(yīng)力，且管程與殼程都能清洗。造價較低、加工制造簡便，材料消耗較少。填料密封處于泄露，故殼程壓力不能過高，也不宜用于易揮發(fā)、易燃、易爆、有毒的場合。 綜上可知，換熱器的使用場合、使用目的、換熱介質(zhì)物性等因素的不同, 決定了管殼式換熱器的結(jié)構(gòu)型式。固定管板式換熱器結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、造價低, 每根換熱管可以單獨清洗和更換, 在外形尺寸相同的條件下, 與浮頭式和U 形管式換熱器相比, 換熱面積大。由于固定管板式換熱器的殼程清洗困難和適應(yīng)熱膨脹能力差, 決定了固定管板式換熱器適用于換熱介質(zhì)清潔, 殼程壓力不高, 換熱介質(zhì)溫差不大的場合。浮頭式換熱器由于管束的熱膨脹不受殼體的約束, 而且可拆卸抽出管束,檢修更換換熱管、清理管束和殼程污垢方便, 因此, 浮頭式換熱器應(yīng)用最廣泛, 在油田儲運集輸系統(tǒng)中, 60% ～70% 的換熱器為浮頭式換熱器。U 形管換熱器具有良好的密封性能, 并具有檢修、清洗方便的特點。對于換熱器換熱介質(zhì)工作壓力高, 管、殼程介質(zhì)密封要求嚴(yán)的場合, 為確保換熱器管、殼程的密封, 換熱器管束的設(shè)計一般采用U 形管結(jié)構(gòu)的換熱器。 所設(shè)計換熱器用于半水煤氣和變換氣的傳熱，粘度較小，不易結(jié)垢，不易腐蝕管道，所以選用浮頭式換熱器，浮頭便于拆卸、清洗，且半水煤氣走殼程也方便散熱，與冷卻介質(zhì)溫差較大，也避免產(chǎn)生溫差應(yīng)力產(chǎn)生管道變形。綜上所述，換熱器選擇浮頭式，半水煤氣走殼程。 流徑的選擇 在具體設(shè)計時考慮到盡量提高兩側(cè)傳熱系數(shù)較小的一個，使傳熱面兩側(cè)傳熱系數(shù)接近；在運行溫度較高的換熱器中，應(yīng)盡量減少熱量損失，而對于一些制冷裝置，應(yīng)盡量減少其冷量損失；管、殼程的決定應(yīng)做到便于清洗除垢和修理，以保證運行的可靠性。參考標(biāo)準(zhǔn)：不潔凈和易結(jié)垢的流體宜走便于清洗管子，浮頭式換熱器殼程便于清洗。腐蝕性的流體宜走管內(nèi)，以免殼體和管子同時受腐蝕，而且管子也便于清洗和檢修。壓強高的流體宜走管內(nèi)，以免殼體受壓，其中冷卻介質(zhì)循環(huán)水操作壓力高，宜走管程。飽和蒸氣宜走管間，以便于及時排除冷凝液，且蒸氣較潔凈，冷凝傳熱系數(shù)與流速關(guān)系不大。 被冷卻的流體宜走殼程，便于散熱，增強冷卻效果。 需要提高流速以增大其對流傳熱系數(shù)的流體宜走管內(nèi)，因管程流通面積常小于殼程，且可采用多管程以增大流速。粘度大的液體或流量較小的流體，宜走殼程，因流體在有折流擋板的殼程流動時，由于流速和流向的不斷改變，在低Re(Re100)下即可達(dá)到湍流，以提高對流傳熱系數(shù)。若兩流體的溫度差較大，傳熱膜系數(shù)較大的流體宜走殼程，因為壁溫接近傳熱膜系數(shù)較大的流體溫度，以減小管壁和殼壁的溫度差。綜合考慮以上標(biāo)準(zhǔn)，確定半水煤氣應(yīng)走殼程，變換氣走管程。 流速的選擇 表11 換熱器常用流速的范圍 介質(zhì)流速 循環(huán)水 新鮮水 一般液體 易結(jié)垢液體 低粘度油 高粘度油 氣體 管程流速，m/s~~~3~~5~30殼程流速，m/s~~~~~2~15 由于增加流體在換熱器中的流速，將加大對流傳熱系數(shù)，減少污垢在管子表面上沉積的可能性，即降低了污垢熱阻，使總傳熱系數(shù)增大，從而可減小換熱器的傳熱面積。但是流速增加，又使流體阻力增大，動力消耗就增多。故擬取變換氣流速為20m/s。管殼式換熱器的材料應(yīng)根據(jù)操作壓強、溫度及流體的腐蝕性等來選用。在高溫下一般材料的機械性能及耐腐蝕性能要下降。同時具有耐熱性、高強度及耐腐蝕性的材料是很少的。目前 常用的金屬材料有碳鋼、不銹鋼、低合金鋼、銅和鋁等；非金屬材料有石墨、聚四氟乙烯和玻璃等。根據(jù)實際需要，可以選擇使用不銹鋼材料。 管程結(jié)構(gòu)換熱管管板上的排列方式有正方形直列、正方形錯列、三角形直列、三角形錯列和同心圓排列，如下圖所示。 (a) 正方形直列（b）正方形錯列 (c) 三角形直列 （d）三角形錯列 （e）同心圓排列 圖14 換熱管管板上的排列方式正三角形排列結(jié)構(gòu)緊湊；正方形排列便于機械清洗。對于多管程換熱器，常采用組合排列方式。每程內(nèi)都采用正三角形排列，而在各程之間為了便于安裝隔板，采用正方形排列方式。 管板的作用是將受熱管束連接在一起，并將管程和殼程的流體分隔開來。管板與管子的連接可脹接或焊接。 2 殼體直徑的確定與殼體壁厚的計算 管徑 換熱器中最常用的管徑有φ19m