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双壳程螺旋折流板换热器的结构设计点击：2295 日期：[ 2014-04-26 22:06:20 ] |
| 双壳程螺旋折流板换热器的结构设计 李久生 刘莉 李卓 王彬 (抚顺机械设备制造有限公司 辽宁抚顺 113006) 摘要：介绍了一种双壳程螺旋折流板换热器的结构型式及各元件的结构设计方法。这种双壳程结构解决了在大直径换热器上由于采用单壳程螺旋折流结构所形成的折流倾角小、传热性能下降及压力降增大的弊病,具有良好的推广应用前景。 关键词：管壳式换热器;双壳程;螺旋折流板;结构设计 中图分类号：ＴＱ051.5;ＴＥ965 文献标识码:Ｂ 管壳式换热器以其结构简单、可靠程度高、适应性强及操作弹性大等显著特点,在各个工业领域中的应用仍占有较大的比重,其性能对产品质量、能源利用率、系统运行的经济性和可靠性等方面起着重要的作用。如何提高管壳式换热器的性能一直是国内外专家学者们多年关注的问题,特别是在提高壳侧传热系数方面已经进行了大量的实验研究工作,国内于20世纪90年代末应用于石油炼化工业领域中的新型高效螺旋折流板换热器就是这些研究成果之一。 1 螺旋折流板换热器性能简介 国内对螺旋折流板换热器的研究始于20世纪80年代,由于制造困难而未得到深入研究和广泛的应用。进入90年代人们开始对其重新进行了研究和开发[1],1998年国内第一台单壳程螺旋折流板换热器首次应用于抚顺石油二厂炼油装置,取得良好的使用效果。迄今为止,国内已有二十几家炼油厂、几十套装置选用了螺旋折流板换热器,使用效果良好。与弓型折流板换热器相比,螺旋折流板换热器具有传热系数高、压力降低、抗震性能好、防结垢及适用范围广等特点,特别适用于高粘度介质和雷诺数Ｒｅ较低的场合[1,2]。 单壳程螺旋折流板换热器虽然是一种高效节能的新型换热设备,但也有其自身的不足之处,其中之一就是受到螺旋倾角的制约。据国内外专家学者的大量试验研究证明,螺旋折流板换热器的螺旋倾角在25°～40°时各方面的性能都优于弓型折流板换热器[3]。近年来,国内大型炼油化工装置对高温、高压换热器的需求呈现出质量高、数量多的趋势,由此在大直径换热器上选用单壳程螺旋折流板结构将会受到25°～40°螺旋倾角的限制。在换热器的工艺计算中,影响传热系数高低的主要是雷诺数Ｒｅ,而介质的流速对Ｒｅ起到了决定性的作用。壳体内的流速大小与壳侧流通面积有关,即与壳体内径和折流板间距相关,大直径必然形成较大的流通面积。在流量一定的情况下,要想得到适宜的流速,就要选择较小的折流间距来保证一定的Ｒｅ值。折流间距小使得螺旋折流结构的螺旋倾角很小,导致达不到理想的流动状态而影响传热性能;且小角度的螺旋倾角又增大了压力降[4,5]。再加之折流板之间的介质短路等原因,造成传热性能反而不如弓型折流结构好的状况。只有较小壳体直径的折流间距才能变小,从而得到大的螺旋倾角来实现理想的流动状态。 2 双壳程螺旋折流板换热器 今年,我公司与大连海特炼油技术有限公司合作试制了一种双管程、双壳程的螺旋折流板换热器,该换热器公称直径为 1400ｍｍ,采用浮头式结构,直径比较大。根据计算,当采用单壳程时,要保证一定的流速则折流间距仅为370ｍｍ。而采用了双壳程后,使其变为内程折流间距630ｍｍ,外程折流间距1120ｍｍ的双螺旋结构,见图1。采用此双壳程相当于减小了壳体直径,在保证一定流速的情况下使得折流间距变大,从而得到了较大的螺旋倾角,解决了大直径螺旋折流板换热器螺旋倾角小、传热性能下降的弊病。 2.1 结构 一般换热器的双壳程结构大多应用在双管程换热器上,就是利用1块纵向隔板将壳侧分成双程,纵向隔板与壳体内壁间隙的密封有3种型式:①焊接式。②利用导向槽的插入式。③最常用的连接形式,即用耐腐蚀材料制成的弹簧片将两程密封的结构型式[6]。螺旋折流板换热器的双壳程结构与之不同的是其管束的型式,由图1可知,管束由管板、分程结构、内螺旋折流板和外螺旋折流板所组成,其中分程结构是由1个分程筒体和1块环形分隔板组成。管箱分程也是采用了1个与壳侧相同直径的分程筒体,其一端焊接在管箱的端盖上,另一端用4个支撑板将筒体固定,这样就将管箱分为了双程。其工作原理是,管程介质首先从管箱接管流入分程筒体内,再流经筒体内所包含的换热管到另一端管板处,然后返回到筒外的换热管,再流到管箱的分程筒体外从另一接管流出。壳程介质也是先从壳体接管流入,由于分隔板的阻隔,介质只能进入分程筒体内,流至另一端管板处,再返回到筒外流至前端分隔板处,从另一接管流出,这样就完成了管壳程介质的换热过程。 2.2 双壳程管束各元件的结构设计 (1)管子排列方式 双壳程螺旋折流板换热器管板的型式与一般换热器管板相同,只是换热器管孔的布管方式不是按常规的三角形或正方形来布管,而是采用同心圆布管方式布管,这样的布管有利于圆形隔板槽的开设。分程时要考虑两程间的布管数量应大致相等,使两程的流通面积基本相同,以保证两程间的介质有相同的流速,这样分程后分程筒体的直径大小也就随之确定了,然后再根据筒体直径来确定隔板槽的位置。 (2)分程 双壳程的分程结构是由1块环形分隔板和1个分程筒体所组成(图2),分隔板的厚度、筒体的厚度以及筒体长度可根据具体情况来确定,分隔板上开有与管板相对应的管孔,筒外的换热管从管孔中穿过,在分隔板外圆处装设有密封弹簧片,并用压板和螺栓加以固定,用它来密封与壳体内壁之间的环向间隙以避免介质在两程之间发生短路,这种结构与纵向隔板式的相同,只是弹簧片和压板的形状由长方形板条改变为环形板片。分隔板与分程筒体之间的联接采用密封焊接,使其连成一个整体结构,这样不仅便于安装和拆卸,而且还可起到防止漏流的作用。 图 2 壳侧分称结构示意图 (3)折流板 双壳程螺旋折流板的型式可以分为两种,一种是安装于分程筒体内的,称之为内螺旋折流板,它与单壳程螺旋折流板片形状相同,是1个1/4圆的扇形板片(图3),由这样若干个板片按一定的倾斜角上、下、左、右交错排列后就形成了筒内的螺旋通道。另一种是用于筒外的,称为外螺旋折流板,也是1个1/4圆的环形板片(图4),由这样若干个板片按一定的倾角绕分程筒体外壁交错排列形成了筒外的螺旋通道,在两种板片上均钻有与管板相对应的并带有一定倾角的管孔(在专用胎具上加工制作而成),其板片各尺寸的计算可参阅相关文献。 图 3 内螺旋折流板示意图 图 4 外螺旋折流板示意图 3 结语 双壳程螺旋折流板换热器是一种新型的高效节能换热器,除具备单壳程螺旋折流板换热器的全部优点外,其适用范围更广,在大直径换热器和壳程介质流量小而导致螺旋间距较小的换热器上可采用此种结构。另一个最大特点是可以实现纯逆流传热,逆流传热的平均温差比并流的大,在传递同样热量的条件下,逆流所需的传热面积小,使结构更加紧凑。双壳程螺旋折流板换热器的主要缺点是制造工艺比较复杂,工装费用一次性投资较大,适合于大批量生产。 参考文献: [1] 张克铮,陈世醒,张 强.螺旋折流板换热器的开发和研究[Ｊ].抚顺石油学院学报,1998,18(3):31 38. [2] 徐 彬,张麦贵.螺旋折流板换热器在常减压装置中的应用[Ｊ].石油化工设备,2003,32(5):53 54. [3] 王素华,王树立,赵志勇.螺旋折流板换热器流动特性研究[Ｊ].石油化工高等学校学报,2001,14(1):64 67. [4] 王 良.螺旋折流板换热器传热与阻力性能的实验研究[Ｄ].西安:西安交通大学,2001. [5] 张少维,桑芝富.结构和操作参数对螺旋折流板换热器性能影响[Ｊ].石油化工设备,2004,33(3):17 20.[6] ＧＢ151—1999,管壳式换热器[Ｓ].(许编) |
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