管壳式换热器壳程流体通道设计

点击：1875 日期：[ 2014-04-26 21:36:08 ]

管壳式换热器壳程流体通道设计王福新,王　玉 (沈阳汇博热能设备有限公司,辽宁沈阳　110043) 摘要:管壳式换热器是目前应用最广泛和可靠的换热器,其壳程流体通道设计是工艺设计和设备设计的重要内容。文中论述了管壳式换热器壳程流道设计的主要类型、适用场合,对合理地选用和设计壳程结构具有一定的参考价值。关键词:管壳式换热器;壳程;流道设计中图分类号:TE965　　文献标识码:A　　文章编号:1004-9614(2011)03-0034-03 1·管壳式换热器结构特点及应用场合管壳式换热器优点是适用范围广,坚固耐用;缺点是消耗材料多,体积大,费用高,换热效率低。但由于其具有高可靠性,技术成熟,目前仍是石化行业换热设备的首选产品。为了适应各种工况和维护需要,管壳式换热器通常分为两类,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为代表;可拆卸的主要类型有浮头式、U形管式、填料函等类型。 2·管壳式换热器壳程结构发展管壳式换热器分管程、壳程。管程的流速和流动阻力计算比较容易解决,通过改变管程数,即可达到调节两者的目的。另外,通过选用管内强化换热管,如横槽换热管、缩放管、波纹管等都可以实现管内强化。壳程结构一直沿用横向流结构,直到20世纪70年代至80年代情况才有所改变,发明了纵向流结构。20世纪90年代,螺旋流结构也开始工业应用。这些新结构的应用,解决了多年来管壳式换热器换热效率低、抗振效果差等问题,使管壳式换热器的效率和可靠性方面,又取得了实质性的进展。目前有代表性的壳程结构,按壳程流体流动状态,将其分为横向流结构、纵向流结构、螺旋流结构。 3·横向流结构传统的换热器壳程结构,多以单弓型为主,应用历史悠久,工艺计算结果精确。经典的流路分析将弓形折流板形成的流路分为5种,即:A流路—折流板管孔和管子之间的泄漏流路;B流路—错流流路; C流路—管束外围和壳内壁之间的旁流流路;E流路—折流板与壳内壁之间的泄漏流路;F流路—管程分程隔板处的中间穿流流路(单管程换热器无此流路)。简化的应用弓形折流板的壳程流动状态如图1所示。“B”是主流,约占传热面积的60% ~80%。其他低流速区域,约占传热面积的20% ~40%,这些区域,由于流速低,故而传热系数低,易结垢。由于该结构泄漏流路多,死区范围大,传热效率低,易结垢。横向流体流动方向变换剧烈,消耗能量多,流阻大。横向流体对管束冲刷强烈,管束易产生振动破坏。横向流结构虽然有很多缺点,但其工艺计算准确,制造简单,目前仍是管壳式换热器应用最为广泛的结构设计。弓形折流板缺口方向常用的有水平和竖直方向,缺口弦高通常是圆筒内径的20% ~45%,应根据具体的工况确定。 4·纵向流结构 4·1　折流杆结构纵向流的典型结构,是利用杆来支承管束,其支承情况和流动状态如图2所示。 4·1·1　折流杆结构的主要优点 4·1·1·1　克服了振动引起的管束破坏折流杆支承结构的独特设计,消除了壳程的横向流动,变为纯粹的纵向流动(进出口局部地区除外),有效地克服了管束振动。研究表明,横向流与纵向流对管子振动的激励强度具有数量级的差别。 4·1·1·2　明显地减少了压降应用表明,在相同流量或传热量下,压力降可比传统弓形折流板降低50%以上。 4·1·1·3　消除了死区(停滞区),结垢速度慢折流杆支承没有板式支承造成的腐蚀和降低传热效率的死角(停滞区),结垢速度慢。这种较低结垢速率导致两次清洗时间的间隔可以延长,两次清洗时间的间隔最长可延长近5倍。 4·1·1·4　管束抽出和清洗时间减少折流杆支承消除了壳程流体流动死区,各部位流速较一致,垢层薄而均匀,使得管束的抽出和清洗时间可比原板式支承减少一半。 4·1·1·5　简化了管束进口和出口的结构无论接管方位是轴向还是周向,杆状支承都简化了管束进口和出口结构。 4·1·1·6　理想的壳层流体流动状态流体在折流杆换热器壳程内的流动没有滞留区,涡流通过折流杆被分成许多涡街,使流体产生湍动,从而在低能量消耗情况下强化了传热。 4·2　其他纵向流结构主要有管自支承结构,如螺旋扁管换热器,该种换热器不需要另外采用支承结构,仅靠换热管之间的相互支承约束,该种换热器对管内外均可强化。纵向外翅片管也常常利用外翅的相互支承,迫使壳程流体纵向流过翅间通道。 5·螺旋流结构螺旋流结构是介于横向流和纵向流的一种结构,支承结构和流动状态见图3。其实质是相当于将弓形折流板的B流路,连续的螺旋前进;相对于弓形折流板,流道距离更长,换热更充分。 5·1　螺旋流结构的主要特点 5·1·1　传热系数高由于流体沿着螺旋通道及流体在径向方向存在速度梯度,流体易形成湍流。从图3分析,流体通道无滞流区,同横向流比较有效传热面积更大,也不易结垢。因此传热系数高于横向流结构。 5·1·2　压降小流体流动螺旋平稳前进,不像横向流流动剧烈的方向变化,因而流动阻力较小。 5·1·3　抗振性能好由于流体螺旋状流动对管束的冲击性较横向流小、且无弓形折流板的缺口对管束支承的削弱,抗振效果得到很大提高。 5·1·4　设计制造较复杂螺旋折流板换热器虽然有诸多优点,但设计制造相对复杂。为降低制造难度,多采用非连续螺旋结构,即每圆周采用3块或4块折流板布置。工业应用不如弓形、折流杆换热器普遍。 6　流道结构选用 6·1　要求制造简单、壳程用于蒸发类型的换热器一般选用横向流结构即可。因为纵向流结构、螺旋流结构制造比横向流复杂得多,制造费用也高。蒸发类型的换热器一般壳程要求有较大的蒸发空间,阻挡蒸发气流的部件越少越好,一般选用弓(圆)型支承板。 6·2　要求总传热系数高由于纵向流和螺旋流都具有强化壳程传热的特点,选用这2种结构是恰当的。 6·3　要求抗振性能好传统的横向流结构,由于流体对管束的冲击,极易诱发管束振动,造成换热器过早损坏。采用纵向流结构、螺旋流结构都会抵御振动引起的破坏。目前,纵向流的折流杆结构是优秀的抗振结构。 6·4　黏稠、含颗粒介质横向流由于存在滞流区,会更加不利于黏稠、含颗粒介质的流动和热交换,加之颗粒的沉积、结垢,将进一步减弱传热效果。实际运行表明,纵向流结构对该类介质换热效果加强并不明显;而对于螺旋流结构,不存在滞流区,颗粒也不容易在螺旋流状态下沉积,是目前最好的黏稠、含颗粒介质应用结构,适于渣油、焦油、泥浆类介质。 6·5　工艺计算要求准确的场合横向流、纵向流的工艺计算已相当完备,计算结果准确。螺旋流结构由于产生时间较短,加之实际结构与理想模型差距较大,工艺计算不够完备。 6·6　双壳程结构的选用放入纵向隔板的双壳程换热器,可以改善热效应,比2个换热器串联要便宜。分流式换热器,适用于大流量且压降要求低的情况,中间的隔板作为冷凝器时可以采用有孔板;双分流式换热器,适用于低压降的情况,当一物流与另一物流相比温度变化很小的情况,以及适用于温差很大或者传热系数很大的情况。由于现有的双壳程纵向隔板的密封效果并不十分可靠,因此,在工艺要求比较苛刻场合,有时要将2台或3台重叠放置,壳程用接管相互联通,以达到真正的壳程分程目的。参考文献: [1]兰州石油机械研究所.换热器.北京:中国石化出版社,1993. [2]史美中.热交换器原理与设计.南京:东南大学出版社,1996.[3]GB 151—1999　管壳式换热器. [4]刘明言.管壳式换热器工艺设计进展.石油化工设备,2003, 32(5) : 34-37. [5]胡庆均.纵流壳程换热器概述.第二届全国换热器学术会议,无锡, 2002. [6]徐彬.螺旋折流板换热器在常减压装置中的应用.石油化工设备, 2003, 32(5) : 53-54. [7]国德文.螺旋折流板换热器管束及管板的结构设计.炼油与化工, 2008, 19(2) : 39-41. [8]程治方.高效拼装式连续型螺旋折流板换热器的开发.石油和化工设备, 2008, 11(5) : 9-13. [9]中国石化集团上海工程有限公司.化工工艺设计手册(上册). 3版.北京:化学工业出版社, 2003.

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