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壳程结构设计对管壳式换热器传热影响讨论点击：2239 日期：[ 2014-04-20 00:59:04 ] |
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摘 要：结合管壳式换热器Ｔｉｎｋｅｒ壳程流体流动模型的分析，介绍了影响换热器传热效率的一些壳程结构设计因素，文中详尽地介绍了防短路结构、进出口结构、换热器壳侧纵向隔板等方面对传热效果的影响；并针对性地对弓形折流板、折流杆以及螺旋板等常用壳程强化传热结构的传热性能进行了分析和比较，对提高换热器换热效率的几种壳程结构设计进行了总结。 关键词：管壳式换热器 传热效率 流体流动模型 结构设计 换热器是进行热量交换的通用设备，在石化行业中，对流体加热或冷却以及液体气化或蒸汽冷凝等过程都需进行热量交换，故使其得到了极为广泛的应用。而管壳式换热器因其操作弹性大、材料范围广、制造容易、工作可靠等独特优点，一直在炼化行业的应用中处于主导地位。因此换热器结构设计的先进性、合理性、节能性以及其传热效率都将直接影响到生产企业的能源利用率，合理的换热器结构设计将有效提高换热器传热效率，改善换热性能。 １ Ｔｉｎｋｅｒ壳程流体流动模型［１］ １９４７年，Ｔｉｎｋｅｒ首次提出了管壳式换热器壳侧流体流动的模型（如图１），即把壳程流体分成了Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｅ、Ｆ五股流路： 流路Ａ———由于管子与折流板上的管孔间存在间隙而产生的流路； 流路Ｂ———横向流过管束的流路，即为纯错流换热的主要流路，它对传热和阻力影响最大； 流路Ｃ———管束最外层管子与壳体间存在间隙而产生的流路； 流路Ｅ———由于折流板和壳体内壁间存在一定间隙所产生的流路； 流路Ｆ———对于多管程，因设置分程隔板而使壳程形成了不为管子所占据的通道而形成的流路。 从传热的角度出发，壳程结构设计应尽量扩大流路Ｂ的流量，抑制其余四股流的流量。因为Ａ、Ｃ、Ｅ、Ｆ四股流路，虽然不是完全不起传热作用，但是相同流量下比横流通过管束的流路Ｂ的传热性能要弱得多。 ２·防短路结构对传热影响 在换热器布管设计时，应尽量布满整个管板，以减少流路Ｃ；对于管束边缘和分程部位不能排满换热管的，壳程流体会在这些部位形成旁路。为防止壳程物料从这些旁路大量短路，降低换热效率，可在管束边缘的适当位置安装旁路挡板和在分程部位的适当地方安装假管，安装旁路挡板可以减少流路Ｃ，而设置假管可以减少流路Ｆ，从而改善传热效果。 另外，控制壳程筒体与折流板外圆的间隙是减少流路Ｅ的最有效的手段，一方面要按照ＧＢ １５１控制壳程筒体直径和椭圆度，用板材卷制时，圆筒外圆周长允许的上偏差为１０ｍｍ，下偏差为零；同时控制圆筒的直径偏差为ｅ小于等于０．５％ＤＮ，且当ＤＮ小于等于１ ２００ｍｍ时，直径偏差值不大于５ｍｍ；当ＤＮ大于等于１ ２００ｍｍ时，直径偏差值不大于７ｍｍ［２］；另一方面在保证顺利穿管束的前提下，适当加大折流板外圆的尺寸可以有效地控制流路Ｅ，将提高换热效率。 ３·折流板结构对传热影响 折流板除了用来支撑换热管，减少换热管无支撑跨距，避免流体诱导振动，更重要的是为了增加壳程流体的流速，提高壳程的传热系数，从而达到提高总传热效率的目的。因此合理的折流板设计将会在传热和压降上都得到优化，对缓解换热器的受力状况和避免振动都有一定作用；在有相变的壳程中，一般设置支撑板起支承作用，与传热关系不大。折流板结构形式有很多，主要有弓形、圆盘－圆环型、整圆形、折流杆和螺旋板等结构，下面介绍几种常见的折流板结构对传热的影响。 ３．１ 弓形折流板 弓形折流板包括单弓形、双弓形和三弓形，单弓形和双弓形折流板是换热器设计中用得较多的结构，但是单弓折流板具有流阻大，易结垢，压降大等缺点。双弓形折流板由双弓形隔板和中心隔板组成，两种隔板沿管束方向交替排列，引导流体波浪式前进［３］。一般适用于壳程流量很大的物流或流体为低密度低压气体，此时会减低压降，但是对于传热系数影响较小。双弓形折流板换热器与间距和缺口相同的单弓形折流板换热器相比，能使两种介质进行良好的换热，消除换热器死角，以保证充分地达到高效换热的目的［１］；虽然其压降为后者的０．３～０．５，传热系数为后者的０．６～０．８，但总体的传热性能是提高的［４］。弓形折流板的不同的缺口大小，会形成不同的流动状态（如图２），缺口太大或太小都会产生“死区”，既不利于传热，又往往增加流体阻力。过小的缺口，导致流路Ｂ呈Ｓ形横流过管束，在折流板的顶部区域内形成很大的流体循环旋流，减低传热系数；过大的缺口会在折流板与壳体的交角处有过大的流动死区，减少了有效传热面积。弓形折流板的缺口高度应使流体通过缺口时与横过管束时的流速相接近比较合理。 合理的折流板间距也至关重要，小间距会增加壳程的流速，增加横流流路，提高传热系数但同时增加压降，而过大的间距将可能使壳程流体顺流大大增加，使传热效率大大下降。此外，在无相变换热器中，采用高精度等级的换热管，折流板管孔与换热管的径向间隙较小［２］，可以减小流路Ａ，从而提高换热效率。 ３．２ 折流杆结构 折流杆纵流式换热器是１９７０年美国菲利浦石油公司首先提出的，最初是为了改善传统折流板换热器中流体诱导振动而设计的［５］，这种结构是将管壳式换热器中的折流板改成杆式支承，支撑管子的折流杆与管子几乎不存在间隙（如图３）。其管束中每根换热管的上、下、左、右都得到了可靠的支撑，从而从根本上改变了流体的流动状况，使折流板换热器的横向流动变为平行于管子的轴向流动；从而消除了产生流体振动的根源，因而流体可以在壳体内高速流动。 在折流杆换热器中，其折流圈的外边缘应与壳体的内径相接近，以限制可能潜在的流路Ｅ的形成，同时其壳侧的流体流道横截面比较大，流体的流场是平行的纵向流（顺流），正是由于这许多根细小的支撑杆所引起的流体的“卡曼旋涡”分离和折流圈产生的“文丘里”效应起到了传热强化作用［５］；且在换热器内不存在严重的滞留区域，折流杆与换热器的接触面积很小，传热面积得到充分利用；因此折流杆式换热器压降很低，低于弓形折流板的１／４；传热效率也较高，传热强化是弓形折流板换热器的１．３～２．４倍［４］。 ３．３ 螺旋折流板 螺旋折流板换热器壳侧支撑结构是用一系列的扇形面相间连接，从而在壳侧形成近似的螺旋面，壳程流体作螺旋运动可以有效地清除污垢死角、增强壳程湍流度、强化换热器壳程传热。这种折流板形成的螺旋形结构，使流体在壳程内形成螺旋流，达到与柱塞流近似的效果，返混程度很低，几乎没有流动的死区；同时由于折流板是螺旋结构，使得介质形成一个漩涡，从圆心到半径方向存在较大的速度梯度，这个梯度场能在管子表面产生湍流，使边界层减薄，更有利与提高传热系数［６］。螺旋折流板换热器使传热效率提高的同时，又获得了较佳的压降；其传热系数最大可以为弓形折流板换热器的１．３９倍，压降随着螺旋角的不同大约可降低２６％～６０％［３］。 ４ 进出口结构对传热的影响 一方面壳程进出口接管在满足结构和强度要求的情况下，应尽量靠近管板布置，以减少流体停滞区，改善换热效果；另一方面为了防止壳程物料进口处流体对换热管表面的直接冲刷，经常需要在壳程进口管处设置防冲板，以减少侵蚀和振动。而防冲板的设置要求在物料进口区域留出一定的空间，往往会减少布管数，影响传热面积。当壳程物料进、出口接管尺寸较大时，会造成壳程空间不能充分合理利用，因此对壳程物料进口尺寸较大，进出口离管板较远时，有时采用导流筒替代防冲板，以减少远离接管处的死区，增加换热管的有效换热长度，增加布管数，提高换热效果。 ５ 壳程纵向隔板的影响 换热器的壳程一般为单程，但当壳程介质流量较小而要提高壳程传热系数时，可在壳程内安装一平行于换热管的纵向隔板（如图４）。在隔板与壳体密封好的情况下，可以提高壳程流速，改善传热，比起用两个换热器串联要经济很多。 ６ 结语 换热器的设计应当坚持节能降耗的原则，在充分考虑经济性和结构合理的同时，应该对整台设备进行合理的优化设计，全面考虑以上的各点影响因素，改善换热器的换热效果，满足能效要求。 参考文献： ［１］换热器，秦叔经，叶文邦等编．化工设备设计全书［Ｍ］．北京：化学工业出版社，２００２：１２． ［２］ＧＢ １５１—１９９９管壳式换热器［Ｓ］ ［３］李安军，邢桂菊，周丽雯．换热器各种管束支撑结构与传热性能［Ｊ］．化工设备与管道，２００８，４５（２）：２８－３１． ［４］陈姝，高学农，徐娓，等．管壳式换热器壳侧在强化传热方面的进展［Ｊ］．广州化工，２００６，３３（５）：１８－２１． ［５］钱颂文，主编．换热器设计手册［Ｍ］．北京：化学工业出版社，２００２：８． ［６］蔡业彬，胡智华．一种高效壳程强化传热换热器及其工程应用［Ｊ］．石油化工设备技术，２００６，２７（１）：１８－２２． 转载请注明：哈雷换热设备有限公司 http://www.hrale.net/news/201285204846.html |
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