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浅析管壳式换热器的分类及强化传热

点击:2237 日期:[ 2014-04-26 21:14:10 ]
                       浅析管壳式换热器的分类及强化传热                      中国石油抚顺石化公司石油二厂   杨钊                      中国石油抚顺石化公司石油三厂   韩毓                      中国石油抚顺石化公司石油二厂   宋士萍     摘要:随着世界各国对节能环保要求的不断提高和能源的日益短缺,促使人们对换热器的性能提出了更高的要求。作为重要的能量交换设备的管壳式换热器,它的性能优劣无疑对于能源的有效利用和环境保护具有重要作用,因此管壳式换热器的研究受到人们的高度重视。本文主要对管壳式换热器的分类进行了介绍,最后简单阐述了强化传热技术。     关键词:管壳式 换热器 传热     一、引言     在工程中,将某种流体的热量以一定的传热方式传递给其它流体的设备,称为换热器。换热器广泛用于石油、化工、轻工、制药、食品、机械、冶金、动力等工程领域。换热器的种类繁多,按照工作过程的不同,一般分为混合式、蓄热式和间壁式三种。管壳式换热器是一种最常见的间壁式换热器,具有结构坚固、操作弹性大、承压能力好、可靠程度高、使用范围广等优点,因此在工业生产中得到普遍使用。管壳式换热器强化传热的主要方面为:管程方面,根据生产要求和流体的物性,来选用缩放管、螺旋槽管、横纹管等强化传热管,相关内容前面已做介绍;壳程方面,改变壳程的结构,使得壳程内流速分布均匀,减小流动死区,从而强化传热。主要的壳程结构形式有板式、杆式、环式、管子自支撑和旋流网板等。     二、管壳式换热器的分类     1、旋流网板换热器     空心环支撑管束能够解决壳侧流体流速不均,存在死区的问题,但是没有直接对流体进行强化。旋流网板很好的弥补了空心环的缺点,在阻力增加不是很大的前提下,壳程的传热性能得到很好的提升。周水洪等对旋流网板支撑传热管进行数值模拟和实验研究,得出旋流网板的传热综合性能要高于空心环支撑传热管的结论。从2005年开始应用于国内制酸工业,取代原有了空心环管壳式换热器。     2、螺旋折流板换热器     传统的管壳式换热器大多采用弓形折流板支撑,但是这种结构易出现隔板与管壁相连处产生流动死区的问题,导致换热系数下降,流动阻力增大,并且易诱导管子振动,破坏管子与管板连接。     为了改善传统管壳式换热器壳程流动情况,20世纪90年代出现了螺旋折流板换热器。其壳程支撑结构采用一系列扇形平板(称为螺旋折流板),形成近似的螺旋面,流体在壳侧内产生连续的螺旋流动。Lutcha等比较全面地研究了螺旋折流板换热器的传热与流阻性能。王玉琴等人通过对螺旋折流板换热器和传统的弓形折流板换热器壳程传热和流阻性能研究,发现螺旋折流板换热器的换热性能优于弓形折流板换热器,并且壳程的阻力要小于弓形折流板换热器。     3、空心环换热器     空心环式管壳式换热器是由华南理工大学邓先和教授研制开发的,采用空心环作为管束间支撑结构,可以大幅度降低因折流引起的输送功损失,从而充分利用输送功来提高壳程换热系数。从1990年第一台空心环式换热器投入运行以来,经过二十年的发展,已经在硫酸、石化等行业得到普遍的应用,获得了巨大的经济和社会效益。     4、管子自支撑换热器     管子自支撑的特点是依靠管子自身的突出部位相互支撑,而不需要其他的壳程支撑结构。管子自支撑换热器中管子排列比较紧凑,单位体积内的换热面积增大,可以提高壳程流速,并且支撑点干扰流体,增大流体的湍动程度,从而进行强化传热。分别是管子自支撑结构的三种形式:刺孔膜片式、螺旋扁管式和变截面管式。     空心环换热器、旋流网板换热器和管子自支撑换热器都属于纵流式壳程换热器,采用此类壳程结构的换热器,壳程流体由传热的横向流动改变为纵向流动,因此被广泛应用于壳程强化传热过程。与传统的折流板式换热器相比,纵流式壳程换热器具有以下优点:(1)应用不同的壳程支撑物,强化壳侧流体传热,换热器的总传热系数得以提高;(2)很大程度上降低了壳侧的流动阻力,降低了输送功耗;(3)减轻了换热器的重量,节省了制造成本;(4)防止了流体诱导振动,提高了换热器的使用安全性;(5)减少了污垢的沉积,使用寿命增长。     三、换热器的强化传热     所谓换热器传热强化或增强传热是指通过对影响传热的各种因素的分析与计算,采取某些技术措施以提高换热设备的传热量或者在满足原有传热量条件下,使它的体积缩小。换热器传热强化通常使用的手段包括三类:扩展传热面积;加大传热温差;提高传热系数。     目前在换热器强化传热理论研究及新技术新产品开发方面已进入高层次的探索阶段,工业应用结果表明随着高效传热管的不断涌现新型壳程折流的结构也应随之不断变化。不同强化传热元件,应有不同的壳程折流结构与之匹配,这样才能获得最佳的传热效果。随着理论研究水平的提高,先进测试仪器的应用,新型强化异形管将不断涌现。对各种新的高效传热元件研究的同时,应花大力气推广各种高效传热技术,努力赶上发达国家的应用水平。   1、管壳式换热器壳程强化传热技术探究     传统的管壳式换热器,流体在壳侧流动存在着转折和进出口两端涡流的影响区,影响了壳程的传热系数。管壳式换热器壳程强化传热的途径主要改变壳程挡板或管间支撑物,以减少或消除壳程流动与传热的滞留死区,使传热面积得到充分的利用。管壳式换热器壳程挡板或管束支撑物的发展表现为折流板的改变,其目的是将泵功最大程度用于增强传热方面,而不是消耗于管间支撑物。现有的支撑形式有板式支承、杆式支承、空心环支承和管子自支承。     2、管壳式换热器管程强化传热技术探究     换热器管程强化传热就是力求使换热器在单位时间内,单位传热面积传递的热量尽可能增多。各种异形强化管的结构不同,但其强化传热机理大同小异,都是通过对管进行各种细微的加工,以期在管子壁面上形成有规律或无规律分布的凸起物,或将管壁本身沿轴向制成波纹状或螺旋凹肋等等,这些传热面上的各种形状的凸起物,既是无源扰动的促进体,又起断续地阻断边界层发展的作用。     换热器管程强化的主要方式,一种是改变管子外形或在管外加翅片,即通过管子形状和表面特性的改变来强化传热,如螺纹管、螺旋槽管、外翅片管等强化传热管技术;再一种是改变管子外形或在管内加入插入物等。
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