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管壳式换热器研究进展点击：2587 日期：[ 2014-04-26 21:53:48 ] |
| 管壳式换热器研究进展 董其伍,刘敏珊,苏立建 (郑州大学热能研究中心CAD/CAE研究室 郑州,450002) 摘 要：根据国内外现有的管壳式换热器的发展情况,着重介绍了管壳式换热器的发展进程和现状,并且分析比较了它们的优缺点。 关键词：管壳式换热器;折流板;自支承;折流杆 1·引言 换热器是一种实现物料之间热量传递的节能设备,是在石油、化工、冶金、电力、轻工、食品等行业应用普遍。在炼油、化工装置中换热器占总设备数量的40%左右,占总投资的30%-45%。近年来随着节能技术的发展,换热器的应用领域不断扩大,带来了显著的经济效益[1]。目前,在换热设备中,管壳式换热器使用量最大。因此对其进行研究就具有很大的意义。 2· 换热器壳程支承结构的发展 管壳式换热器根据其管束支承结构不同可分为四种形式:板式支承,如弓形折流板换热器;杆式支承,如折流杆换热器;空心环支承,空心环换热器;管子自支承,如刺孔膜式换热器[2]。 2.1 板式支承结构的发展 传统的管壳式换热器采用单弓形折流板支承,由于壳程流体在转折和进出口两端涡流的滞留区易产生传热死区,传热面积无法得到充分利用,并且当流体横向流过管束时,流体在管子后方形成的卡曼涡街产生周期性交变应力,使管子发生流体诱导振动[3]。为了使折流板的性能得到改进,人们又提出了多弓形折流板、整圆形折流板、异形孔折流板、网状板,偏心孔折流板。这些新型折流板支承结构的出现主要是为了使流体由横向流动变为纵向流动,从而尽可能的消除死区,使得传热综合性能得到提高,也使得管束的抗振性能得到增强。 2.1.1 多弓形折流板 多弓形折流板包括双弓形和三弓形折流板,多弓形折流板,与单弓形相比在结构上只是增加切口面积,使壳程纵向流流动增大,可以克服单弓形折流板急剧回转流动造成的管束振动和压力降大的缺陷。在相同的流速下,双弓形折流板可使壳程管束压力降降低到单弓形折流板的1/6~1/8;在相同压力降下,则可以使壳程流速提高2倍以上,传热率可提高50%以上[3]。 2.1.2 整圆形折流板 整圆形折流板即是在折流板上不开缺口,只是整圆形的折流板上开一些大、小圆孔,矩形孔,梅花孔,网状孔,偏心孔等。这些整圆形折流板的特点是能够使流体纵向通过折流板,而且也有绕流作用,从而使得壳程换热率得到提高。此外当流体通过管子与孔壁的间隙时还有射流情况存在,射流时流体流速高,这就使得流体冲刷管子,使得管壁的边界层减薄,使壁面不易结垢,并且强化传热。整圆形折流板主要包括大、小圆孔折流板,异形管孔折流板,网状孔折流板,偏心孔折流板。 ①大圆孔折流板[4]:大圆孔板折流板是在折流板上开有比管孔大的孔的整圆形折流板,这种支承结构制造简便,即让管子穿过,又有足够的间隙让流体通过,流动死区和弯路少,压降低,传热面积能够得到充分利用,流体通过折流板时,流速得到提高,而且流体也得到了扰动,从而使得壳程传热效率得到提高。但是大圆孔的折流板对管束没有支承作用,所以换热管易造成振动破坏。因此这种折流板具有较大的弊端,不能很好的得到运用。 ②小圆孔折流板:为了解决大圆孔的支承不好的缺点,便提出了小圆孔折流板(图1-a),折流板上管孔等于管子外径,在管孔中间再开一些小孔,使得流体从小孔中流过折流板,使得流体流速得到提高,并且流体通过管板时产生扰动,从而提高了壳程换热率。由于这种折流板的管孔等于管子外径,使得小圆孔折流板对管子有了很好的支承,防振性能得到大大提高。但在管孔与管子间的缝隙内容易存储杂质,容易造成管子结垢,及管子腐蚀。 ③异形孔折流板:针对小圆孔折流板的缺点,有人有提出了异形孔折流板,如矩形孔(图1-b)、梅花孔(图1-c)折流板结构等,异形孔折流板既能使流体通过板孔与管壁之间的空隙流过,而且也能够很好的支承管子。当流体从空隙流过时,能够产生射流,并且冲刷管子,从而使管子与管孔之间不易结垢和腐蚀。异形孔折流板还具有传热性能好,压降低,防振性能好等优点。 ④网状孔折流板:虽然异形孔在传热,防振,阻止结垢等方面得到了很大的提高,但是在其加工上存在不小的难度,需要专门的冲压模具,从而费用较高。德国GRIMMA公司1991年在化工机械世界性博览会上展出的一种网状整圆形新型折流板(图1-d),其结构与前述几种整圆形折流板没有太大的差别,只是便于加工。该结构仍按普通折流板划线、钻孔,然后将折流板上的横排管孔以4个圆孔为一组,将管桥处铣通。在一般的钻床和铣床就能完成加工,从而降低了加工费用。这种结构不仅避免了大面积的传热死区,而且压降较低,传热率较高。 ⑤偏心孔折流板:此种折流板(图1-e)仍然以整圆形板为基础,与现有的几种整圆形折流板相比,其结构和加工工艺简单,适于工业上大规模推广应用。流体流经整圆形折流板时,折流板处流通面积突然缩小,因而流体压力升高,流体通过异形小孔或环隙通道时形成贴壁射流作用。射出的流体速度很高,并对周围流体产生卷吸作用而发生局部混合,因而在较低的雷诺数下壳程流体仍可以达到局部湍流。同时,由于射流紧贴换热管外壁产生,射流中流体速度高,在一定跨距内冲刷并减薄了壁面流体的边界层,所以既强化了传热,又有抗垢和除垢的作用。整圆形折流板开孔分布均匀,流体呈纵向流动,传热死区减小,换热管与折流板接触面积小,因而传热面积得到充分利用,适用于中、低黏度流体且雷诺数不太大的场合。 2.2 杆式支承结构的发展 美国菲利浦石油公司于20世纪70年代,为了改进板式换热器中管子与折流板的切割破坏和流体诱导作用,开发出了壳程流体纵流折流杆式换热器,即在管子中插入圆杆,不仅解决了诱导振动问题,也使传热效率得到了提高。这种壳程流体纵流折流杆式换热器[5]与传统的板式换热器相比,具有传热效率高、流体阻力小、有效消除流体诱导振动的优点,且不易结垢、质量轻、使用寿命强、设备投资及操作费用低等优点[6]。因此世界各国对该类型的换热器进行了深入的研究,出现了一种新的抗振结构的直扁钢条;后来又有一些单位把圆杆变成波形扁钢;由于圆杆在安装上比较困难,又有一些单位提出了把圆杆变为椭圆截面的杆。 ①折流杆式支撑:这种结构(图2)是4个为一组,称之为折流栅,每组折流栅包括2个横栅和2个纵栅,每个折流栅是由若干平行的折流杆焊接在一个折流圈上而成。折流栅装置是折流杆换热器的核心部件。折流杆的直径等于相邻两根换热管之间的间隙,因而折流杆与换热管之间无间隙。换热管穿过相邻的并按一定旋转角度安置的折流栅上的折流杆系所组成的通道,即被折流杆紧紧夹住,从上下左右四个方位固定。郑州大学等单位[7]也研发了折流杆式支承换热器,并投入工业应用。 通常情况下这种结构只适用于大流量的情况,为了改变这种局限性,充分发挥其优越性,云南工学院与一些企业合作研制的改进折流杆换热器,在原有的折流杆换热器的壳程加装纵向隔壁,使其成为双壳程折流杆式换热器,在相同管束长径比时,壳程流速提高了一倍,给热系数提高了74%左右[8]。这也为折流杆换热器得到大规模的推广,打下了技术基础。 ②扁钢条的支承方式[6]:与圆钢杆单向支承方式类似,不同点在于用直扁钢条代替了圆钢杆,其目的在于通过改善折流杆支承方式,从而抑制了管子的不良振动。对于圆钢杆支承方式来说,圆杆与管子相互垂直,其接触方式是点接触;而直扁钢条与管子是线接触,因此其对管子振动有较强的抑制作用,又便于换热管呈错排排列,因此跨距可以比折流杆构件大,而且对管子不易造成磨损。通过实验测试出利用直扁钢条支承方式的换热器的抗振特性,虽然不能提高管子的固有频率,但却能提高对数衰减比[9]。③波浪型扁钢支承结构[10]:由折流栅组成,而折流栅是由环形折流圈和两端分别焊在环形折流圈上的多根波形扁钢支承带构成。六块间隔一定距离的折流栅组成一组波形扁钢支承构件。整个换热器可设有多个波形扁钢支承构件,相邻的两块折流栅的波形扁钢支承带要相互成60°,相隔一块折流栅的扁钢形支承带相互成120°,相隔两块折流栅的扁钢形支承带相互平行,也即是1与4相互平行,2与5,3与6都相互平行[11](图3)。 该结构的优点[12]是:①由于采用的是三角形布管(图4),使得布管数增加,从而使得换热器的整体换热面积增加。②钢带具有绕流作用,当壳程流体流速达到一定值时,流体经过钢带处的漩涡脱落和折流圈处的文丘里效应,在后面产生漩涡尾流,流体的流速越大,湍动得越激烈,从而强化了传热效果。③由于折流栅的旋转,使得壳程流体在流动时形成一定程度的螺旋流,从而起到强化传热的作用。 ④准椭圆截面的折流杆支承[13]:与圆钢杆支承在结构上没有太大的区别,就是使圆钢杆变成准椭圆截面的杆。由于圆形截面的折流杆与折流圈组焊结构和先组焊,后穿管工艺,在换热器管束组装时,将面临很难保证折流杆的位置精度,且管束组装困难等难题。为了解决这些难题有些单位便提出准椭圆截面的折流杆,优点是截面为准椭圆形,便于穿插。穿完以后,转动折流杆使其和换热管充分贴合,然后将折流杆焊固在折流圈上,因换热管和折流杆充分贴合,在有的换热管上可能产生小的接触预应力,从而也能有效地消除管束振动。 2.3 空心环支承结构 空心环支承(图5)是由华南理工大学化学工程研究所邓先和等[14,15]首先研究的,它是由直径较小的钢管截成短节,均匀分布在换热管之间的同一截面上,呈线性接触,在紧固装置螺栓力的作用下,使管束对紧密固定。由于流体纵向冲刷管束,因此壳程具有流体阻力小、传热性能好及抗振能力强等特点。研究表明,当支承同样的强化管束(即横纹管束)时,空心环支承结构更能使粗糙管束获得更好的强化效果,在同等壳程条件下给热系数高50%以上,并且壳程压力更小[7]。空心环支承的绕流作用不如折流杆支承,而且管束固定工艺相对较复杂。 2.4 管式自支承 管子自支承的共同特点是靠管子自身变形的突出部位相互支承,无需其它支承物。因此,管子排列紧凑,单位体积内的换热面积增大,管子间距小,可提高壳程流速,支承点干扰流体并分割流体边界层,从而增强湍流度,使传热边界层减薄。传热管的截面形状的变化对管内、外流体的传热都具有强化作用[16]。管式自支承结构主要有三种形式:刺孔膜片式,螺旋扁管式和变截面管式。 ①刺孔膜片式(图6-a)在每根换热管两侧相距180°开沟槽,沟槽中嵌焊冲有孔和毛刺的膜片。膜片上的毛刺具有扰流作用,增大了流体湍流程度;同时,使得流体通过小孔实现了混合。由于刺孔膜片嵌焊与管壁上,是管壁的延伸,增大了单位体积的有效传热面积。刺和孔不断使换热表面上的边界层更新,使层流厚度减薄,提高传热系数,壳程流体完全纵向流动,阻力主要是液体的粘性力,因此壳程压力变得很低。 ②螺旋扁管式(图6-b)把圆管轧制或椭圆管扭曲成一定导程的螺旋扁管,靠相邻的管长轴处的点接触支承管子。壳程流体大体上呈纵向流动,同时伴随有横向螺旋运动。这种流速和流向的周期性改变加强了流体的轴向混合和湍流度。同时,流体流经相邻管子的螺旋线接触点后形成脱离管壁的尾流,增加了流体自身的湍流度,破坏了流体在管壁上的传热边界层,从而强化了传热。 ③变截面管式(图6-c)变截面管是普通的圆管被压制而成的,相隔一定间距管子被压制成互成60°(三角形布管)或90°(正方形布管)的扁圆形截面。这种管通过变径部分的点接触支承管子的,同时组成壳程的绕流元件,因此,管子排列紧凑,单位体积内的换热面积增大。由于管间距小,使得壳程流速得以提高,从而增强湍流度,使得管壁上的传热边界层减薄。同时,换热管的截面形状的变化对管内、外流体的传热都具有强化作用。研究表明[2]:变截面管内给热系数比光管提高了20%~35%,压降高;壳程传热性能很好,综合传热性能也有很大的提高。 3 ·结束语 管壳式换热器的发展总体上是支承形式的发展,从板式支承,到折流杆式支承,再到空心环支承,最后到管子的自支承,当然其间也有交错发展的情况。随着支承形式的发展,管壳式换热器的壳程给热系数呈现不断提高的趋势,压降呈现不断下降的趋势,换热器的传热综合性能得到很大的提高。从管壳式换热器的发展可知,新的支承结构的出现,绝大多数是为了使流体的流动方式尽可能的变为纵向流,这样有利于管程与壳程的热交换,从而提高了传热系数,同时伴随着压降的降低,使得传热综合性能得到很大的提高。 直扁钢和波纹扁钢的出现,是为了改善换热器的换热性能,及流体诱导振动问题。然而这些支承结构主要是在高雷诺数下应用,在低雷诺数下仍然应用较少。由于市场上需要在低雷诺数下使用的换热器,这也是板式支承结构的换热器仍然应用很广的原因。椭圆截面折流杆的出现,完全是为了解决安装时所存在的问题。因此改进或改变这些杆式支承结构,使换热器在低雷诺数下的换热或综合性能得到提高,是未来折流杆杆式换热器发展的方向,也是管壳式换热器发展的方向。同时也要考虑安装等,尽可能使总费用降低。 参考文献 [1] 秦叔经,换热器.叶文邦等编.化学工业出版社,2001.12. 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