管殼式換熱器殼程流體通道設計

王福新,王　玉
              

(沈陽匯博熱能設備有限公司,遼寧沈陽　110043)

摘要:管殼式換熱器是目前應用最廣泛和可靠的換熱器,其殼程流體通道設計是工藝設計和設備設計的重要內容。文中論述了管殼式換熱器殼程流道設計的主要類型、適用場合,對合理地選用和設計殼程結構具有一定的參考價值。
    關鍵詞:管殼式換熱器;殼程;流道設計
    中圖分類號:TE965　　文獻標識碼:A　　文章編號:1004-9614(2011)03-0034-03
    1·管殼式換熱器結構特點及應用場合管殼式換熱器優點是適用范圍廣,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,技術成熟,目前仍是石化行業換熱設備的首選產品。
    為了適應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構發展
    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,即可達到調節兩者的目的。另外,通過選用管內強化換熱管,如橫槽換熱管、縮放管、波紋管等都可以實現管內強化。
    殼程結構一直沿用橫向流結構,直到20世紀70年代至80年代情況才有所改變,發明了縱向流結構。20世紀90年代,螺旋流結構也開始工業應用。這些新結構的應用,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,又取得了實質性的進展。目前有代表性的殼程結構,按殼程流體流動狀態,將其分為橫向流結構、縱向流結構、螺旋流結構。
    3·橫向流結構
    傳統的換熱器殼程結構,多以單弓型為主,應用歷史悠久,工藝計算結果精確。
    經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—管束外圍和殼內壁之間的旁流流路;E流路—折流板與殼內壁之間的泄漏流路;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)。
    簡化的應用弓形折流板的殼程流動狀態如圖1所示。“B”是主流,約占傳熱面積的60% ~80%。其他低流速區域,約占傳熱面積的20% ~40%,這些區域,由于流速低,故而傳熱系數低,易結垢。
    由于該結構泄漏流路多,死區范圍大,傳熱效率低,易結垢。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,管束易產生振動破壞。
    橫向流結構雖然有很多缺點,但其工藝計算準確,制造簡單,目前仍是管殼式換熱器應用最為廣泛的結構設計。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徑的20% ~45%,應根據具體的工況確定。

             
    4·縱向流結構
    4·1　折流桿結構
    縱向流的典型結構,是利用桿來支承管束,其支承情況和流動狀態如圖2所示。

             
    4·1·1　折流桿結構的主要優點
    4·1·1·1　克服了振動引起的管束破壞
    折流桿支承結構的獨特設計,消除了殼程的橫向流動,變為純粹的縱向流動(進出口局部地區除外),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量級的差別。
    4·1·1·2　明顯地減少了壓降
    應用表明,在相同流量或傳熱量下,壓力降可比傳統弓形折流板降低50%以上。
    4·1·1·3　消除了死區(停滯區),結垢速度慢
    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),結垢速度慢。這種較低結垢速率導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,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構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構。
    4·1·1·6　理想的殼層流體流動狀態
    流體在折流桿換熱器殼程內的流動沒有滯留區,渦流通過折流桿被分成許多渦街,使流體產生湍動,從而在低能量消耗情況下強化了傳熱。
    4·2　其他縱向流結構
    主要有管自支承結構,如螺旋扁管換熱器,該種換熱器不需要另外采用支承結構,僅靠換熱管之間的相互支承約束,該種換熱器對管內外均可強化。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·螺旋流結構
    螺旋流結構是介于橫向流和縱向流的一種結構,支承結構和流動狀態見圖3。其實質是相當于將弓形折流板的B流路,連續的螺旋前進;相對于弓形折流板,流道距離更長,換熱更充分。

              
    5·1　螺旋流結構的主要特點
    5·1·1　傳熱系數高
    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,同橫向流比較有效傳熱面積更大,也不易結垢。因此傳熱系數高于橫向流結構。
    5·1·2　壓降小
    流體流動螺旋平穩前進,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　設計制造較復雜
    螺旋折流板換熱器雖然有諸多優點,但設計制造相對復雜。為降低制造難度,多采用非連續螺旋結構,即每圓周采用3塊或4塊折流板布置。工業應用不如弓形、折流桿換熱器普遍。
    6　流道結構選用
    6·1　要求制造簡單、殼程用于蒸發類型的換熱器一般選用橫向流結構即可。因為縱向流結構、螺旋流結構制造比橫向流復雜得多,制造費用也高。蒸發類型的換熱器一般殼程要求有較大的蒸發空間,阻擋蒸發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種結構是恰當的。
    6·3　要求抗振性能好
    傳統的橫向流結構,由于流體對管束的沖擊,極易誘發管束振動,造成換熱器過早損壞。采用縱向流結構、螺旋流結構都會抵御振動引起的破壞。目前,縱向流的折流桿結構是優秀的抗振結構。
    6·4　黏稠、含顆粒介質
    橫向流由于存在滯流區,會更加不利于黏稠、含顆粒介質的流動和熱交換,加之顆粒的沉積、結垢,將進一步減弱傳熱效果。實際運行表明,縱向流結構對該類介質換熱效果加強并不明顯;而對于螺旋流結構,不存在滯流區,顆粒也不容易在螺旋流狀態下沉積,是目前最好的黏稠、含顆粒介質應用結構,適于渣油、焦油、泥漿類介質。
    6·5　工藝計算要求準確的場合
    橫向流、縱向流的工藝計算已相當完備,計算結果準確。螺旋流結構由于產生時間較短,加之實際結構與理想模型差距較大,工藝計算不夠完備。
    6·6　雙殼程結構的選用
    放入縱向隔板的雙殼程換熱器,可以改善熱效應,比2個換熱器串聯要便宜。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很大的情況。由于現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,殼程用接管相互聯通,以達到真正的殼程分程目的。
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