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管壳式换热器的工艺设计点击：2015 日期：[ 2014-04-26 21:53:52 ] |
| 管壳式换热器的工艺设计 芮胜波 李 峥 王克立 李彩艳 兖矿鲁南化肥厂 滕州 277527 摘要：介绍在工艺设计中如何确定管壳式换热器程数,以及如何降低换热器的压力降。 关键词：管壳式换热器 程数 压降 设计 在化工、石油、动力、制冷以及食品等行业中,换热器属于常用而又重要的工艺设备,换热器的设计应满足特定工况和苛刻操作条件的要求。具体说满足工艺过程的要求,在工作压力下具有一定的强度,结构简单、紧凑,便于安装和维修,并考虑造价要低,运行安全可靠。 新型换热器提高了传热效率。比如板式换热器和螺旋板式换热器具有传热效果好、结构紧凑等优点,能满足在温度和压力不太高的工况下运行;板翅式换热器是一种轻巧、紧凑、高效换热器,广泛应用于石油化工、天然气液化、气体分离等行业中;此外,空气冷却器以空气为冷却剂在翅片管外流过,用以冷却或冷凝管内通过的流体,尤其适用于缺水地区,由于管外装置了翅片,既增强了管外流体的湍流程度,又增大了传热面积,这样,可以减少两边对流传热系数过于悬殊的影响,从而提高换热器的传热效能。目前,管壳式换热器具有结构坚固、操作弹性大、可靠程度高、使用范围广等优点,所以在工程中仍得到普遍使用。尽管设计人员已能用专用软件HTFS进行设计计算,但为了使设计出来的换热器能更好地满足各种工况,仍然有许多方面需在设计时充分加以考虑。 1 程数的选择 1·1 管程 管程程数的选择,关键要比较管程与壳程的给热系数。如果单管程时管程流体的给热系数小于壳程流体给热系数,则应改用双管程,管程给热系数会因此显著增大,并且总传热系数也会有大幅提高。例如,一台单管程换热器,管程给热系数为990W / (m2·℃),壳程给热系数为5010W / (m2·℃),总传热系数为794 W / (m2·℃),在换热器的外形尺寸保持不变的情况下改为双管程后,管程给热系数变为1680W / (m2·℃),增大了70%,总传热系数变为1176W /(m2·℃),增大了48%,显然此时选用双管程换热器有利。反之,如果单管程时管程的给热系数大于壳程给热系数,当改用双管程时,虽然管程给热系数也会显著增大,但总传热系数则增幅不明显。例如,一单管程换热器,管程给热系数为2276 W / (m2·℃),壳程给热系数为2104W / (m2·℃),总传热系数为1040 W / (m2·℃),在换热器的外形尺寸保持不变的情况下改为双管程后,管程给热系数变为4147W / (m2·℃),增大了82%,总传热系数变为1280W /(m2·℃),只增大了23%。此处由于双管程换热器中分程挡板的存在,减少了换热管的排管数量,所以,有时传热系数增大的幅度尚不足以补偿因换热管的减少而损失的换热面积,在这种情况下则不宜采用双管程结构。从结构上看,双管程要比单管程复杂,制造难度大,所以在换热面积相当时,以选单管程换热器为宜。 1·2 壳程 换热器壳程程数的选择,应从两个方面考虑,首先,对于换热管很长的换热器,如果为了减少占地面积,可以采用双壳程结构。例如一台单管程、单壳程的换热器外形尺寸为Φ1000×6000,若改用双管程双壳程结构,则Φ1400×3000可满足要求,长度方向减少了一半,从占地角度考虑是很有意义的;其次,如果壳程流体流量较小,造成壳程给热系数较小,单纯靠扩大壳体直径虽然会增大传热面积,但是由于流速降低而导致总传热系数的减小,甚至不能补偿增大的传热面积,此时,除了可以选用几台小直径的换热器串联外,也可以考虑选用双壳程结构。但是双壳程设计需要在壳程设置纵向隔板,增加了换热器本身结构的复杂性和制造成本,而且壳程介质容易发生短路,降低换热效率,一般不宜采用。 2 压力降的设计 换热器的压力降不仅受到动力消耗的限制,有时工艺过程也要求压力降不能太大,例如热虹吸式再沸器,其工作原理就是靠再沸器与塔之间的静压差,使工艺物料在蒸馏塔与再沸器之间构成循环,如果工艺流体的压力降过大,使静压差不足以克服压力降从而导致精馏塔不能正常操作。 2·1 影响因素 影响压力降的因素很多,其中物料流速关系较大,增加物料流速,可增大传热系数,使换热器结构紧凑,但增加流速同时增大了换热器的压力降。管程压力降的降低主要就是靠减小流体流速即增大换热管的流通面积,如减少管程数、选用大直径的壳体从而增加换热管数等。壳程压力降除了与壳体直径有关外,换热器的内部结构比如折流板的形式及切口宽度、换热管的间距及排列方式等也会对压力降造成不同程度的影响,如果选择得当,将会大大降低壳程的压力降,壳程为气相冷凝时常遇到这种情况。 2·2 设折流挡板 为了提高壳程流体的流速,往往在壳体内安装一定数目与管束相垂直的折流挡板,这样可使流体沿规定路径多次横向流过管束,增加湍流程度,提高管间对流传热系数。 2·2·1 形式 常用的折流板有以下两种形式: (1)圆缺形折流板,大部分换热器采用此种形式。又可分为单圆缺和双圆缺,单圆缺形折流板的缺口宽度可为直径的15% ~45%,其在壳程内的放置形式有两种,一种是上下方向排列,可造成液体剧烈扰动,以增大传热系数;另一种是左右方向排列,当设备中伴随有气相的吸收冷凝时,有利于冷凝液与气体的流动。对双圆缺形折流板,每块圆缺的缺口宽度可为直径的15% ~25%。 (2)环盘形折流板,此种折流板允许通过的流量大,压降小,但传热效率不如圆缺形折流板,因此这种折流板多用于要求压降小的情况。 2·2·2 选用 对于壳程为气相冷凝的冷凝器,折流板的具体形式对壳程压降有很大影响,为了降低压降,在满足换热效果的前提下,可以增大单圆缺折流板的切口宽度,也可以选用双圆缺折流板或者环盘形折流板。此外调整折流板之间的间距以及第一块折流板与管板之间的距离,也会减小壳程压降。一般情况下,对同一台换热器,习惯采用相同切口宽度的折流板,对壳程没有相变的换热器来说,这样做没有问题,但是对壳程为气相冷凝的冷凝冷却器来讲,就会存在一定的弊病,如果采用较小的圆缺切口宽度,则在壳程进口处的几块折流板处必然会产生较大的压降;反之,如果为了降低压降而采用很大的圆缺切口宽度,那么经过一定数量的折流板后,大部分气体冷凝造成流体体积急剧减小,从而导致液体通道相对太大而影响换热效果。实际上,为了解决这个问题,可以对壳程进口处的几块折流板采用较大的切口宽度,而后逐渐减小切口宽度,这样既能满足压降的要求,又能使冷凝液也能有较大的传热系数,但是HTFS软件中没有提供这种计算模式,所以,折流板的切口宽度将如何渐变,渐变后壳程内不同部位流体的给热系数如何分布,计算起来将比较复杂,有待于在实际工作中进一步寻求经验。 3 遵循的原则 在管壳式换热器的设计中,还有一些常规问题需要考虑。比如在物流的安排上,一般应遵循以下原则: (1)不洁净或易于分解结垢的物料应流经易清洗的一侧。 (2)需要提高流速以增大对流传热系数的流体应当走管程。 (3)具有腐蚀性的物料走管程。 (4)压力高的物料走管程,以使外壳不承受高压。 (5)温度很高(或很低)的物料走管程,以减少热量(或冷量)的散失,如果为了更好地散热,则应让高温物料走壳程。 (6)蒸汽一般通入壳程,以便于排除冷凝液,而且蒸汽较清洁,其对流传热系数又与流速关系较小。 (7)粘度大的流体(μ>1·5×10-3Pa·s)一般走壳程,因为在设有挡板的壳程中流动时,流道截面和流向都在不断改变,在低Re数(Re>100)下即可达到湍流,有利于提高壳程流体的对流传热系数。 4 结语 在进行管壳式换热器的设计时,必须综合考虑各种因素的影响,只有这样,才能使换热器的设计既能满足工艺过程本身的要求,又能满足结构、维修、造价等各方面的综合要求。通过合理的工艺设计,有效地提高传热效率,减少传热面积,降低压降,提高能源的利用率,最终使企业降低成本,提高效益。 |
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