【文章內(nèi)容簡介】 在換熱器中，至少 有兩種溫度不同的流體，一種流體溫度較高，放出熱量；另一種流體則溫度較低，吸收熱量。在工程實踐中有時也會存在兩種以上的流體參加換熱，但它的基本原理與前一種情形并無本質(zhì)上的區(qū)別。 換熱設備在煉油、石油化工以及在其他工業(yè)中使用廣泛，它適用于冷卻、冷凝、加熱、蒸發(fā)和廢熱回收等各個方面。 其中，管殼式換熱器雖然在換熱效率、設備的體積和金屬材料的消耗量等方面不如其他新型的換熱設備，但它具有結(jié)構(gòu)堅固、彈性大、可靠程度高、使用范圍廣等優(yōu)點，所以在各工程中仍得到普遍使用。 管殼式換熱器的結(jié)構(gòu)設計，是為了保證 換熱器的質(zhì)量和運行壽命，必須考慮很多因素，如材料、壓力、溫度、壁溫差、結(jié)垢情況、流體性質(zhì)以及檢修與清理等等來選擇某一種合適的結(jié)構(gòu)形式。 對同一種形式的換熱器，由于各種條件不同，往往采用的結(jié)構(gòu)亦不相同。在工程設計中，除盡量選用定型系列產(chǎn)品外，也常按其特定的條件進行設計，以滿足工藝上的需要（得到適合工況下最合理最有效也最經(jīng)濟的便于生產(chǎn)制造的換熱器等等）。 管殼式換熱器的發(fā)展史 為了滿足電廠對在較高壓力下運行的大型換熱器（如冷凝器和供水加熱器）的需要，在 20 世紀初，提出了殼管式換熱器的基本設計。經(jīng)過 長期的運用，使設計變得相當成熟和專業(yè)化。 當今已廣泛地應用于工業(yè)上的殼管式換熱器，在 20 世紀初也開始適應石油工業(yè)提出的要求。油加熱器和冷卻器、再沸器以及各種原油餾分和有關的有機流體的冷凝 器這些設備需要在惡劣的野外條件下運行，流體常常不干凈而且又要求高溫和高壓，因此，設備便于清洗和進行現(xiàn)場修理是絕對需要的。 化工與材料學院 09級本科生化工機械設備課程設計 3 殼管式換熱器發(fā)展的早期階段，出現(xiàn)的最大量的嚴重問題，不是在傳熱方面（這可以由實踐經(jīng)驗粗略的估算），而是各種部件，特別是管板材料的強度計算問題，還有在制造技術和工程實施中的許多有關的其他問題，如 管和管板的連接，法蘭和接頭管的焊接等。 在 20 世紀 20 年代，殼管式換熱器的制造工藝得到相當圓滿的發(fā)展，這主要是由于幾個主要制造商努力的結(jié)果。制造設備的傳熱面積可達 500m2,即直徑約 750mm、長 6m，用于急劇增長的石油工業(yè)。在 30 年代，殼管式換熱器的設計者，根據(jù)直接經(jīng)驗和在理想管束上的實驗數(shù)據(jù)，建立了很多正確的設計原則。水 水和水 氣換熱器的設計，大概與現(xiàn)今的設計差不多。因為污垢熱阻起很大的作用，殼側(cè)流動的粘性流是一個困難的問題，而且，60 年代以前的他們的了解很少。 隨著殼管式換熱器的應用穩(wěn)步增長 ，以及對在各種流程條件下性能預計的精度要求越來越高，這造就 40 年代直至 50 年代研究活動的激增。研究內(nèi)容不僅包括殼側(cè)流動，而且相當重要的還有真實平均溫差的計算、結(jié)構(gòu)件特別是管板的強度計算。 多年來發(fā)展起來的殼管式換熱器，由于其結(jié)構(gòu)堅固并能適應很大的設計和使用條件的變化，已成為最廣泛使用的換熱器。 管殼式換熱器的國內(nèi)外概況 隨著現(xiàn)代新工藝、新技術、新材料的不斷發(fā)展和能源問題的日益嚴重 , 必然帶來更多的高性能、高參數(shù)換熱設備的需求。換熱器的性能對產(chǎn)品質(zhì)量、能量利用率以及系統(tǒng)的經(jīng)濟性和可靠性起著重 要的作用 , 有時甚至是決定性的作用。目前在發(fā)達的工業(yè)國家熱回收率已達 96% ,換熱設備在石油煉廠中約占全部工藝設備投資的 35%～ 40%。其中管殼式換熱器仍然占絕對的優(yōu)勢 ,約 70%。其余 30 %為各類高效緊湊式換新型熱管和蓄熱器等設備 ,其中板式、板翅式、熱管及各類高效傳熱元件的發(fā)展十分迅速。隨著工業(yè)裝置的大型化和高效率化 , 換熱器也趨于大型化 ,并向低溫差設計和低壓力損失設計的方向發(fā)展。當今換熱器的發(fā)展以 CFD (Computational Fluid Dynamics) 、模型化技術、強化傳熱技術及新型換熱器 開發(fā)等形成了一個高技術體系 [1]。 該換熱器是當前應用最廣 ,理論研究和設計技術完善 ,運用可靠性良好的一類換熱 器。目前各國為改善該換熱器的傳熱性能開展了大量的研究。強化傳熱主要有 3 種途徑提高傳熱系數(shù)、擴大傳熱面積和增大傳熱溫差 ,研究主要集中在強化管程和殼程傳熱面方面。 殼層強化傳熱 傳統(tǒng)的管殼式換熱器 , 流體在殼側(cè)流動存在著轉(zhuǎn)折和進出口兩端渦流的影響區(qū) , 影響了殼側(cè)的給熱系數(shù)。殼側(cè)的傳熱強化研究包括管型與管間支撐物的研究。 管層強化傳熱 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 化工與材料學院 09級本科生化工機械設備課程設計 4 ALLARDS 公司生產(chǎn) ) 。我國螺紋管的標準翅化率為 ～ (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) , 提高傳熱效率 ～ 倍 , 當 200 Re 1500 時 , 提高傳熱效率 ～ 22倍。沈陽市廣廈熱力設備開發(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 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。中國石化北京設計院與華南理工大學聯(lián)合研制的交叉鋸齒型插入物 , 是華南理工大學對 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%。 提高管殼式換熱器傳熱能力的措施 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 , 在設計中應盡量增加換熱器冷、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。 化工與材料學院 09級本科生化工機械設備課程設計 5 設計思路、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Φ 19mm 管束比采用Φ 25mm 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、殼程分程設計 管程分程設計。當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。 、殼程進、出口的設計 管程進、出口管的設計。 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ρω 23 300( 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、出口應設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 化工與材料學院 09級本科生化工機械設備課程設計 6 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 : ρω 22 200。 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