管殼式換熱器的結構型式及傳熱性能

1、管殼式換熱器的結構型式及傳熱性能                                             王建國  

2、;                        (天津市萬全設備安裝有限公司，天津300270)    摘要：介紹了管殼式換熱器種類、結構以及傳熱計算，總結了提高管殼式換熱器傳熱性能的措施。    關鍵詞：管殼換熱器；折流板與折流桿；傳熱系數(shù)   

3、 中圖分類號：TU8222 文獻標識碼：C 文章編號：10083197(2007)S1005903    換熱器是熱力過程中的關鍵設備，廣泛應用于能源、化工、冶金等領域。在各種形式的換熱器中，管殼式換熱器以其高度的可靠性和廣泛的適應性成為目前應用最廣泛，也是最重要的一種換熱設備。    1 管殼式換熱器的種類    管殼式換熱器一般有3種結構型式：固定管板式、浮頭式和u形管式。由于換熱器的使用場合、使用目的、換熱介質物性等因素的不同，決

4、定了管殼式換熱器的結構型式。    11 固定管板式換熱器    結構簡單、緊湊、造價低，往往是管板兼法蘭，適用于管、殼程溫差不大或管、殼程溫差大，但壓力不高，殼程介質干凈或雖結垢但通過化學清洗能清除的場合。其主要缺點是當殼體與管子的壁溫或材料的線膨脹系數(shù)相差較大時，在殼體與管中將產生很大的溫差應力。    12 浮頭式換熱器    管束一端的管板可以自由移動，不受溫差應力的影響，其結構復雜，內浮頭密封困難，鍛件多，

5、造價高。維修時可拆卸浮頭，抽出管束進行檢修或更換，適用于管、殼程溫差大但工作壓力不超過10 MPa的工況，缺點是需要抽出管束。還有一種浮頭式換熱器也成為填料函式換熱器，其管束可自由伸縮，殼程和管程都可以拆開清洗，結構簡單，適用管、殼程溫差大工況，但其耐壓、耐溫及密封能力差，目前只是在低壓與小直徑的場合下使用。    13 U形管式換熱器    管束可自由伸縮，只有一塊管板，密封面少，管束與殼體分離，消除了溫差應力，可抽芯檢修更換。適用場合為管、殼程溫差大，高溫，高壓。殼程需抽芯清洗，管內介質干凈

6、或雖會結垢但通過化學清洗能清除。    2 管殼式換熱器的結構    21 管束    在管殼式換熱器中最簡單的是單管程的換熱器，如需增加傳熱面，一般采用增加管數(shù)的方法，管數(shù)增加后可將管束分程，以防止管數(shù)增加后引起管內流速以及傳熱系數(shù)的降低，從制造、安裝、操作的角度考慮，一般采用偶數(shù)管程且程數(shù)不宜太多。    22 殼程    圖1列出了幾種代號的殼程型式。E型是最普

7、通的一種，殼程是單程的，管程可為單程也可為多程；F型為二殼程的換熱器，是在殼體中裝入了一塊平行于管子軸線方向的縱向隔板；G型也為二殼程的換熱器，縱向隔板從管板的一段移開使殼程流體得以分流；H型與G型相似，但進出口接管與縱向隔板均多一倍。                              &#

8、160;                                             圖1換熱器的殼程型式  

9、0; 2.3 管子排列方式    管子在管板上的排列方式最常見的有4種：正三角排列、轉角正三角形排列、正方形排列和轉角正方形排列。    2.4 管板    管板是換熱器的重要部件之一，用來排布換熱管并起著分隔管程、殼程空間的作用。薄管板有著節(jié)省材料的優(yōu)點，是用于中、低壓換熱器中；橢圓形管板與換熱器的殼焊接在一起，受力條件較好，適用于高壓、大直徑的換熱器。    25 折流板與折流桿 &

10、#160;  折流板體有助于提高殼程的流速，增強湍動，改善傳熱，在臥式換熱器中起支承管束的作用。常用的折流板有單弓形、雙弓形、三重弓形等。折流桿是一種新型支承管子的結構，其優(yōu)點：在傳熱量相同的情況下，其壓力降比弓形折流板的換熱器降低50 以上，沒有傳熱死區(qū)，結垢速率慢，防止了橫向流誘發(fā)的振動。    3 管殼式換熱器的傳熱分析   由傳熱過程分析可知，單位時間內傳熱量如下式所示：    =KVtm    可

11、見，增大傳熱面積A、傳熱系數(shù)K和平均溫差tm都可以增大傳熱量 。    3.1 增大傳熱面積    (1)合理優(yōu)化結構，如采用合適的內外導流筒，增大有效傳熱面積。    (2)增大傳熱的擴展表面，如在管內外增加肋片或翅片，提高單位容積內設備的換熱面積來增強換熱。     (3)將管殼式換熱器串聯(lián)增大換熱面積。     3.2 增大傳熱平均溫差

12、60;    傳熱平均溫差的大小主要由冷熱兩種流體的溫度所決定，當兩邊流體均為變溫的情況下，應當盡可能考慮從結構上采用逆流和接近逆流的流向以得到較大的tm值。     33 增大傳熱系數(shù)     傳熱過程中，各熱阻與總傳熱系數(shù)關系如下                  

13、     要增大總傳熱系數(shù)，就要設法減小對K值影響較大的項。如果污垢熱阻較大時，則應主要考慮如何防止或延緩垢層的形成或使污垢層清洗方便當hi和h。差別不大時，最好能同時提高兩流體的對流換熱系數(shù)；而當兩者差別較大時，要設法增大換熱系數(shù)較小的一項。    4 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、熱介質的對數(shù)平均溫差決定的，因此，提高管殼式換熱器傳熱能力的措施包括以下幾點。  

14、  (1)提高管殼式換熱器冷、熱介質的平均對數(shù)溫差冷、熱介質平均對數(shù)溫差除直接受冷、熱介質進出口溫度影響外，還受到冷、熱介質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，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。    (2)合理確定管程和殼程介質。在換熱器設計中，對于殼程安裝折流板的換熱器來說，Re>100時，殼程介質即達湍流，

15、因此，對于流量小或粘度大的介質優(yōu)先考慮作為殼程換熱介質；由于管程清洗相對于殼程清洗要容易，因此對于易結垢、有沉淀及雜物的介質宜走管程；從經濟性考慮，對于高溫、高壓或腐蝕性強的介質，作為管程換熱介質更加合理；對于剛性結構的換熱器，若冷、熱介質溫差大，因壁面溫度與換熱系數(shù)大的介質溫度接近，為減小管束與殼體的膨脹差，換熱系數(shù)大的介質走殼程更加合理，而冷、熱介質溫差小，兩介質換熱系數(shù)相差大，換熱系數(shù)大的介質走管程更加合理。    (3)采用強化管殼式換熱器傳熱的結構措施。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。    5 結語    換熱器是石油、化工中重要的熱工設備，其中管殼式換熱器的發(fā)展已經取得了巨大進步，其發(fā)展總體上是支承形式的發(fā)展，從板式支承，到折流桿式支承，再到空心環(huán)支承最后到管子的自支承，當然其問也有交錯發(fā)展的情況。隨著支承形式的發(fā)展，換熱器的傳熱綜合性能得到很大地提高。從結構上來講，其結構形式會直接影響傳熱性能，所以在確定換熱器結構時，應對其參數(shù)不斷調整，反復計算以使換熱器的性能更高。 &#