管壳换热器范文

管壳换热器范文（精选9篇）

管壳换热器 第1篇

1.1 初选

换热器种类繁多, 形式各异, 如管壳式、釜式、板式、板翅式、螺旋板式、空冷器、套管式、蛇管式、升降膜式等。为了获得较好的传热效果, 由于换热器形式多样, 所以在设计换热器时必须先根据温度、压力、温度差、压力降、结垢情况、材料、流体状态、应用方式、检修和清理等实际情况, 初步选定符合操作条件的换热器形式, 再确定换热器的几何尺寸。在满足安全性和热负荷的基础上, 通过技术经济对比, 确定最佳换热器形式。

1.2 强化传热

由传热量公式:Q=KA∆t (1) 式中, Q为传热量;K为传热系数;A为传热面积;∆t为平均温差。由式 (1) 可知增加K、A和∆t值, 均可提高Q值。其中最主要的是提高K值, 方法是增强两侧流体的湍动, 这就构成传统管壳式换热器以外的特殊形式换热器。

1.3 管壳式

由于管壳式换热器易于制造、适应性强、处理量大、成本较低以及可供选用的材料范围广泛, 仍是当前应用最广, 理论研究和设计技术最完善, 性能可靠的一类换热器, 而且目前关于改善管壳式换热器传热效果的研究仍在进行。

2 换热器的几何尺寸

在设计过程中可以选择HTFS或HTRI进行设计计算, 有时需要使用ASPEN PLUS模拟工艺物料的物性数据。先进行设计性计算, 输入基础数据, 如换热器形式、流体走向、卧立式、流体温度、压力、流量及物性数据等, 进行运算得出比较合适的换热器直径和换热管长, 再进行校核型和模拟型计算, 核算所选换热器是否满足设计要求。

2.1 换热器的直径

关于换热器的直径, 目前国内已有的标准系列 (mm) :1 5 0, 2 0 0, 2 5 0, 3 00, (3 5 0) , 4 0 0, (4 5 0) , 5 0 0, (5 5 0) , 6 0 0, (6 5 0) , 7 0 0, 8 00, 9 0 0, 1 0 0 0, (1 1 0 0) , 1 2 0 0, (1 3 0 0) , 1 4 0 0, (1 5 0 0) , 1 6 00, (1 7 0 0) , 1 8 0 0, (1 9 0 0) , 2 0 0 0, 2 2 0 0, (2 3 0 0) , 2 4 0 0, 2 60 0, 2 8 0 0, 3 0 0 0, 3 2 0 0, 3 4 0 0, 36 0 0, 3 8 0 0, 4 0 0 0。凡是 () 记号的换热器直径, 尽可能不选。若换热器直径小于400, 可以选用无缝钢管制造换热器, 因此可选用的无缝钢, 管外径规格有:159, 219, 273, 325, (377) 。

2.2 换热管长

在换热器设计中基本采用下列管长 (m m) 1500, 2000, 2500, 3000, 4500, 5000, 6000, 7500, 9000, 12000, 最, 常用的管长为1500, 2000, 3000, 6000四种。一般钢管长6 m或1 2 m, 选取的换热管长度符合其模数就没有余量, 比较节约材料。同时选用换热管长度时要注意与换热器直径相匹配, 换热器的换热管长度与公称直径比在4~25之间, 常用的为6~10, 立式换热器多为4~6。

2.3 换热管标准管径和管间距

在设计中基本采用标准管径 (mm) :

不锈钢:Φ19×2.0, Φ25×2.0, Φ32×3.0, Φ38×3.0;

碳钢:Φ10×1.5, Φ19×2.0, Φ25×2.5, Φ38×3.0, Φ57×3.5。

换热管的间距最小是换热管外径的1.25倍。特殊情况除外。

2.4 换热管排列方式

T E M A标准中换热管有四种排列形式:30°、45°、60°、90°。一般情况30°和60°排列多排约17%的管子, 因而单位面积的金属耗量较低。一般当换热器直径小于500m m、壳程不易结垢或采用固定管板式换热器, 换热器壳程进行化学清洗时, 宜采用30°或60°排列;当换热器直径大于500m m、壳程易结垢、采用可拆卸管束的换热器形式, 换热器壳程可进行机械清洗时, 宜采用45°或90°排列。30°和45°排列为错列, 介质流动时形成湍流, 对传热有利;60°和90°排列为直列, 介质流动时有一部分是层流, 对传热有不利影响。对有相变换热器, 其传热与介质流动的关系较小, 却与管壁凝液流动方向关系较大, 故凝液流动方向上换热管数量是这类换热器管子排列所应考虑的主要因素, 宜采用60°和90°排列。

2.5 物料污垢系数

一般情况下, 物料污垢系数对换热器的传热系数有较大影响, 因此污垢系数的选取也直接影响到换热器的设计。工艺物料的污垢系数应由专利商在工艺包中提出, 在没有数据的情况下可以根据物料特性、清洁度、粘度等选取。如汽相物

料可取 (0.0001~0.0002) ㎡·K/W, 比较干净的液体物料可取 (0.0002~0.0003) ㎡·K/W, 比较脏的物料可取 (0.0004~0.0005) ㎡·K/W甚至更高。

公用工程的污垢系数, 除了有具体说明外, 可参考以下数据选取:

循环冷却水:0.00052㎡·K/W

冷冻盐水:0.00026㎡·K/W

密封油:0.00017㎡·K/W

蒸汽:0.000086㎡·K/W

氮气:0.00017㎡·K/W

间接冷却水:0.000086㎡·K/W

3 结语

(1) 支吊架在管道设计中有着不可忽视的重要作用, 正确选择和合理布置弹簧支吊架, 尽可能避免弹簧的失效尤为关键, 它对装置正常和长周期运行及延长管系和设备使用寿命至关重要。

(2) 碟形弹簧刚度大, 承载能力大, 工作特性线比较稳定, 在安装和使用过程中, 比圆柱螺旋弹簧更不容易失效, 因此, 在管道设计中, 弹簧支吊架选用时最好选用碟形弹簧。它能保证管系安全正常运行, 受力状态恒定。

管壳式换热器工程设计论文 第2篇

3.1Colburn-Donohue方法

管壳式换热器的壳侧的传热和流动过程是非常复杂的，尤其是壳侧的传热和压降设计计算非常重要，一些设计原理就是通过壳侧传热和压降计算方法的确定而建立的。1933年，以理想管排数据为基础的壳侧传热系数计算关联式由Colburn首先提出。而带有折流板的管壳式换热器中存在漏流和旁流,采用Sieder-Tate关联式计算进行设计更为方便。因为管壳式换热器中同时发生流体的传热与流动阻力，它们是相互制约的，所以，在设计计算中应将流体的传热与流动阻力作为一个整体考虑。1949年,完整的管壳式换热器综合设计方法由Donohue首次提出。这种方法的传热计算式对Colburn关联式进行了修正，这种方法称为Colburn-Donohue方法。

3.2Kern方法

在Colburn-Donohue法的基础上，Kern方法进行了一定的改进。Kern方法将设计作为一个整体来处理，考虑传热、壳程管程流动、温度分布、污垢及结构等问题。后来对这一设计方法又进行了总结,新的内容增加了进去,它已经成为目前管壳式换热器的重要设计参考书，对管壳式换热器的发展和研究具有巨大的价值。3.3Bell-Delaware方法Bell在前人研究成果的基础上，为了进一步对管壳式换热器壳程的工艺设计进行改进，提出了Bell-Delaware方法。Bell-Delaware方法是一种精确度较高的半理论方法，它利用大量实验数据，将各流路的校正系数引入，将传热、流动与结构的综合效应考虑在内,但是由实验数据回归得到该方法的传热关联式中的系数与指数，该方法的适用范围有一定的限制，总体来说是有利有弊的。

3.4流路分析方法

为克服Bell-Delaware法的受到适用范围的限制的局限性，美国传热研究公司提出了具有独创性的流路分析法，该方法是在引用自己的研究成果并利用Tinker的流动模型和Delaware大学的`实验数据的基础上提出的。1979年，天津大学提出了应用计算机进行计算的计算壳侧压降的流路分析法。1984年，Wills和Johnson简化了流路分析法，使该方法进行手工计算也非常方便。该方法应该加以发扬，所依赖的各种流路阻力系数仍属于经验公式。

3.5基于计算流体动力学的设计方法

管壳换热器 第3篇

关键词：节能减排；换热器；管壳式

中图分类号： TH21.5 文献标识码： A 文章编号： 1673-1069（2016）20-162-2

0 引言

在一些高能耗的产业部门中都要应用到换热器，例如动力、石油、化工等。由于化石能源的紧缺，我国在各行各业积极倡导节能减排，这也进一步推进了换热器节能技术的发展。换热器中应用最广泛的一种就是管壳式换热器，管壳式换热器的节能减排技术主要针对增大传热面积和提高传热系数两个方面，通过强化传热技术来实现节能减排的目的。

1 管壳式换热器的管程节能技术应用

在管壳式换热器中，强化传热，指的是通过对光管进行加工，将其加工成为各种形状的异形管，或者在管内插入其他物体来进行传热强化，这样可以对传热面积进行扩展，使流体的湍流速度增加[1]。

1.1 管内插入件

为了对管内的单向流体传热进行强化，可以使用管内插入件的方法。常用的管内插入件主要有静态混合器、螺旋片、螺旋线圈、纽带等。与光管相比，将麻花片纽带加入到管内，能够增加55%-95%的管的换热系数，70%-400%的摩擦系数。这是由于管内液体从层流到湍流时的临界雷诺数会因为管内的插入物而降低，使其具有更好的强化传热效果。

1.2 针翅管

针翅管不仅能够节省支撑板材料，而且能够使传热面得到有效的扩大，并使流体产生强烈的扰动，有着良好的强化传热效果。针翅管可以作为油品换热器中的换热管，以代替传统的螺纹管和钢管，其具有含尘高温烟气、高粘度介质、低传热膜系数，在余热回收以及纵向流管束换热中都可以得到有效的应用[2]。

1.3 带内凸肋结构管

带内凸肋结构管的显著特征就是管壁上存在有内凸肋结构，应用比较广泛的带内凸肋结构管是横纹管和螺旋槽管。通过对光管进行挤压可以制成螺旋槽管，通过无相变或有相变的传热，螺旋槽管的管壁条纹能够使管内外的传热系数得到明显的提高。与此同时冷凝液膜也会产生附加的表面张力，从而使冷凝传热热阻减少，横纹管的制作比较简单，选择普通圆管，通过滚轧的方式在管外壁制作出一些凹槽，并在管内制作出凸起的环肋，凹槽的方向垂直于轴线。当横向环肋中有液体流过时，就会形成轴向旋涡，使边界层的扰动不断增加，促使边界层的分离，热量传递比较有利。而且一个漩涡消失又会产生另一个涡流，从而对其强化传热作用进行稳定。

在冷凝、沸腾、对流的工况中都比较适用带内凸肋结构管，这是由于其具有并强化传热的功能。单头螺旋纹管的流体阻力略大于横纹管，但其具有更好的传热性能。

1.4 缩放管

使用一次交替的多节渐扩段和渐缩段能够构成缩放管。在管壁面收缩的作用下，流经缩放管的液体压力会出现周期性变化，从而产生涡流，涡流会对流体的边界层进行冲刷，减薄边界层，从而达到增加传热系数的目的。而且管内外单向流体的传热都可以得到有效的强化，在流阻损失不变的前提下，与光管相比，使用缩放管能够增加70%左右的传热量。根据相关研究，缩放管扩张段的局部换热系数逐渐下降，其收缩段具有较强的凭据换热能力。这是由于收缩段的流体加速，能够强化传热，而扩张段流体减速，会弱化传热。当前的缩放管结构中，收缩压和扩张段的长度各占一半，由于扩张段的比例较大，一定程度上影响了缩放管的总体传热效率。因此可以适当的减少扩张段的长度，增加收缩段的长度，并运用平直链面连接方式作为缩放连接处，对流体阻力进行进一步的减小[3]。

1.5 三维内肋管

使用专门的工具和方法加工普通圆管的内壁，能够使其成为三维内肋管，其是一种局部强化传热元件。三维内肋管具有以下几点传热机理：第一，三维内肋管对管内传热面积进行了进一步的扩大；第二，三维内管中的各肋都可以成为扰动源，使流体流动的紊动度增加；第三，肋间的近壁面处流体会进一步加速，从而使热边界层的厚度进一步减薄；第四，三维肋会受到流体的横向冲刷，从而增大肋与流体的换热系数；第五，三维内肋管中的流体会形成周期性振动。

通过相关实验表明，与光管相比，三维内肋管的空气换热倍数为5.8倍，在相同工况下，三维内肋管的管内沸腾换热是光管的2-5倍，凝结换热是光管的3-5倍。然而其缺点在于具有比较复杂的加工工艺，而且清洗比较困难[4]。

2 管壳式换热器的壳程节能技术应用

支撑管束是管壳式换热器中管束支撑结构的主要作用，通过支撑管束能够使有效地控制流体的流速和流行，避免流体诱导振动而造成的管子失效。在管壳式换热器中，壳程的关键部件就是管束支撑结构。有两种方式可以对换热器的壳程传热进行强化，分别为对传热管的管间支撑结构进行改变和对传热管的外表面结构进行改变。

2.1 管间支撑结构

2.1.1 管子自支撑结构

自支撑管能够对原有的管束支撑进行有效的简化，并使换热器的紧凑度得到一定的提高，常用的自支撑管包括变截面管、螺旋扁管、刺孔膜片管等。管子主要是靠变径部分、螺旋线和刺孔膜片进行支撑，其能够构成壳程的扰流元件，使流体自身的湍流度增大，管壁上的流体边界层也会遭到破坏，从而增强壳程传热。

2.1.2 空心环支撑结构

依照一定的间隔将小直径的金属短管设置在换热管束的同一界面上，以此来替代传统的折流栅，其不仅能够，对管束进行支撑，对流体扰动也有一定的促进作用。将强化板和空心环支撑组合起来，可以形成花瓣管、低肋管、缩放管等，流体纵向冲刷产生的对流换热得到了一定的强化，其具有压降小、壳侧空隙率大的优点。

2.1.3 杆式支撑结构

折流板换热器中，横向冲刷的流体可能会产生一定的振动破坏，为了解决这一问题，产生了杆式支撑结构，其主要构成部件是支承杆和折流栅。将一定数量的折流杆焊接在折流圈上，形成折流栅。折流杆会夹住管子，并保持流体的纵向流动。折流杆换热器的有点在于设备结构紧凑，具有良好的抗振性能和较小的流体阻力，传热系统较大。

2.2 管外传热强化

表面多孔管具有良好的管外传热强化功能，由于加工方法的不同，表面多孔管又可以分为机械加工多孔表面管、化学腐蚀加工多孔表面管、烧结多孔表面管等类型。表面多孔管具有粗糙的表面和多孔隧道，气化核心增强，对于形成泡核沸腾更加有利，沸腾时更容易产生强烈的对流给热。但是表面多孔管也存在一定的不足，综合性能较好的是烧结多孔表面管，机械加工多孔表面管难以形成很小的空隙，从而不能有效地提高传热性能，化学腐蚀加工多孔表面管中的金属很容易被氧化，容易掩盖或阻塞微孔，影响使用寿命。

3 结语

在管壳式换热器中应用各种有效的节能减排技术能够起到良好的作用，主要是对换热器结构进行改进或者对传热元件进行强化。当前该方面的研究大多属于半经验性和经验性研究，但是这也存在一定的问题，在强化传热的过程中可能会增加流动阻力。因此在应用节能节排技术时还要考虑对流体阻力的增加进行有效的控制。

参 考 文 献

[1] 唐安.一种水冷换热设备除垢方法研究[J].船电技术，2016（02）.

[2] 尤天运.浅谈换热器管束制作过程中的关键工序[J].中国新技术新产品，2013（22）.

[3] 金文凯.U型换热器管束潜在质量问题分析及处理对策[J].中国化工装备，2013（01）.

管壳式换热器的优化设计 第4篇

1 管壳式换热器概论以及设计流程

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、石油化工、冶金、电力、轻工、食品行业普遍应用的一种工艺设备, 在炼油、化工装置中换热器占总设备的40%左右, 占总投资的30%-45%。目前, 在换热器设备中, 使用量最大的是管壳式换热器。

本文是基于管壳式换热器, 其壳程流体为水, 管程流体为湿空气。由于管程出口湿空气特殊性需求——达到换热温度的要求, 且把对应压降控制在其允许的范围之内。同时, 换热器的相关试验环境需要充分的满足相关的换热条件之后才能提升其换热效率的, 合理的减少换热面积。该情况是需要充分考虑换热器的换热面积和其压降损失状况, 而换热器传统的优化方式对某单项的对应指标不能满足高效的需求。因此, 对换热器提出一种新型的优化及评估方法显得尤为迫切, 使换热效率以及压降损失等因素更好的得以统筹, 以便实现换热器的合理优化。

1.1 管壳式换热器概论

管壳式换热器具备结构简单且牢固、操作弹性较大以及应用材料广泛等特性, 现阶段仍是化工、石油以及石化行业中所运用的一种重要的热交换器, 特别适用于高温、高压工况, 甚至在较大型的换热设备中它也具有很大的应用优势。涉及换热器的性能因素很多, 比如传热系数、换热面积、压力降、泵送功率等等。一般换热器的优化方式仅是针对经济成本、换热面积以及压降耗损其中的某一项展开优化。在对换热器性能所涉及的多个因素进行优化时, 发现传统的优化方式不可避免地存在的其局限性。

1.2 目标函数

本文中, 管壳式换热器壳程是以水为介质, 在其进口的水温一定时, 由传热学原理可得出, 冷却水出口的温度会影响换热器传热面积以及该换热设备的投资费用。冷却水的出口温度低时, 其需要的传热面积就会相对较小, 也就是换热器投资费用会相对减小。不过这时冷却水用量就会提高, 其需要的相关操作费用也会提升, 因此, 为保证设备费用与操作费用之和是为最小值时, 需对换热器优化设计, 使其冷却水出口温度合理。

1.3 设计流程

管壳式换热器的设计是由诸多因素相互关联的、多参数相互影响的, 因此设计过程复杂。本文中壳程流体放热将管程内的湿空气加热至指定的温度。由于其工况的特殊性, 分析了相应优化过程, 发现其忽视了壳程的流体传热膜系数和壳程压降对换热器的影响, 因此, 换热器优化的前提是要求设备的实际传热面积大于其理论计算值。而且, 相应管程压降损失应小于压降的最大允许值。

2 换热器经济性分析与优化计算

通常情况下, 利用换热器回收运用热能或者是实行工艺过程加热, 其所带来的年经济收益和换热器的相关换热量及年运行时间成正比例关系。

换热器的年总费用主要是固定的投资费用以及运作费用、热损失费用, 为了有效的简化计算, 把换热器最初的投资费用、折旧费用、维修费用、配套工程费用等固定的相关费用均用单位的传热面积费用来表示。

3 换热器压降分析

虽然湿空气和水换热的过程对壳程压降要求较低, 但仍要考虑管程流体所存在的压力损失。低压工况下, 管程压降与直管的摩擦阻力压降为主, 此时湿空气压降最大, 所以压降损失小于其最大允许值就显得尤为关键。当然, 在高压时也应符合此要求。

4 程序设计

上面所分析的相关问题均是属于单个变量最优化, 该类问题的求解方式也算是较为成熟, 可以运用解析法以及黄金分割法和函数逼近法等数值方式对其进行求解。在这里我们是运用MATLAB语言计算, 应用工具箱中的Nelder-Mead单纯形法函数进行优化。上述分析是针对管壳式水冷却器而得出的结论, 而由于分析方法及传热机理的相似, 对其他不同换热介质的管壳式换热器的优化也具有一定普遍的, 其对应的求解结果可以是设计管壳式换热器的关键依据, 进而能够合理的节约生产生本, 以便于促进设计科学化进程。

5 实际算例

本文以管程为湿空气, 壳程为水的管壳式换热器为例, 对换热水器结构的进行参数优化设计。其对应的热负荷为863W, 进出口处的对数平均温差是3.17K, 湿空气体积的流量是66.7L/s, 设计要求最小压强为300Pa, 所涉及换热器的的最大压降不超过15Pa。

6 结语

本文是以湿空气和水为换热介质, 对管壳式换热器进行优化设计。在限定管程的压降状态下, 该换热器能够呈现换热器的体积最小, 并且, 还能综合考虑换热器的传热面积以及压降损失, 并合理地统筹兼顾两者, 极大地提高了传热效率, 压降控制的成效显著。

摘要：管壳式换热器的设计所涉及的相关设计参数极多, 且难度也较强, 为此需探索一种简便实用的优化方法。管壳式换热器是一种用于各大领域的工业设备, 对国民经济有着非常关键的作用, 其设计工作的核心是管壳式换热器的换热效率。本文分析了管壳式换热器的设计原理, 并提出相应的优化策略。

关键词：管壳式,换热器,设计优化

参考文献

[1]刘宏, 魏新利.管壳式换热器的优化设计[J].机械强度, 2012 (10) .

管壳式换热器优化设计研究 第5篇

主导地位 . 在换热器向高温、高压、大型化发展的今天,随着新型高效传热管的不断出现,使得管壳式换热器的应用范围得以扩大,更增添了管壳式换热器新的生命力[1]。

基于换热器的设计内容较多,本篇文章仅结合企业实际运行情况,就换热器实现最佳设计给出一些建议和相关内容的总结。

1 管壳式换热器设计

1. 1 初始设计

在开始着手设计之前,应该首先清楚可选管子尺寸、壳体形状、管束布置方式以及折流板形式。

1. 2 换热管尺寸选择

换热管尺寸对换热器大小和性能的影响总结为:

( 1) 换热器容积随着换热管直径增大而增大;

( 2) 壳程传热膜系数随着换热管直径增大而降低;

( 3) 总换热系数和换热面积随着换热管直径增大而减小;

( 4) 管侧压降随着换热管直径增大而降低;

以上应用实际对换热管尺寸的选择提供了依据。

( 1) 首先,推荐采用Φ19的换热管;

( 2) 在设计适当增大管径以改变压降条件。

1. 3 壳体类型选择

目前壳体形状较多,最简单的就是带有折流挡板的单管程E型壳体,介质流动为逆向流动,这种流向设计,可以充分利用温差效应,因此换热管尺寸最小。如果需要多管程,则需要对对数平均温差做出校正,以弥补因流体非完全逆流造成的误差。通常情况下,需要设计多壳程换热器[2,3]。

F型壳体有纵向折流板,该壳体可使流体接近双管程纯逆向流动,壳体内压降与壳程流速平方以及管排数量成正比。对于相同的壳体尺寸和折流板数量的换热器,由于纵向折流板原因,F型壳体内流体流速是E型壳体内流体流速的两倍,而截面上的管子数相同。因此,F型壳体压降比E型壳体的压降高出四倍。

同样,对于G,H,J型壳体,G型壳体的压降是E型壳体的压降的二分之一。H型壳体的压降是E型壳体的压降的十六分之一。J型壳体的压降是E型壳体的压降的八分之一。

综合以上信息,在换热器初始设计时笔者给出如下建议:

( 1) 初始设计选择E型壳体;

( 2) 若需要多管程换热器,可换成F型壳体,因为F型壳体可以弥补多壳程引起的损失;

( 3) 如果存在管侧压降受限的情况,可换成J型壳体,其次再考虑用G,H型壳体。

1. 4 管束布置

节距比 ( 管间距与管板直径之比) 的比值越小,对于给定壳体形状的换热器,其换热管数越多。所以,换热器最小节距比首先取1. 25,若壳侧压降受限,则需要逐步扩大节距比。管束布局分成两类,内联布置和错列布置。内联布置是指管子按照45°或者90°排列布置,适于机械方法清洗管壁面。错列布置是指管子按照30°或者60°排列布置,适于化学方法清洗管壁面。

对于一个给定的换热器壳体直径,若采用错列布置方式,则适合换热管数量较多的场合。根据单位长度上的压降与传热效率的关系,30°,60°,90°布管方式,他们的换热性能基本类似。对于压降不变的情况下,45°的布管方式可以提高10% 左右的换热性能。另外,在截面流速相同的情况下,45°的布管方式并非最佳选择。关键是考虑换热与压降之间的关系。

30°布管方式在不引起共振的情况下可以承受更高的流速。

鉴于以上应用实际,在设计时给出以下建议:

( 1) 若换热器换热管需要机械清洗,可以采用45°的布管方式;

( 2) 若换热器换热管需要化学清洗,可以采用30°的布管方式;

1. 5 折流板形状选择

折流板形状对换热性能的影响非常明显,图1是折流板切割率对换热器折流板流通面积的影响。对于给定管子数量和折流板间距的换热器,文献均作了计算,在计算时,将所需面积这个变量转换为管子长度和壳侧压降的函数,通过分析找到了优化数据,即折流板的缺口率为27% 为最优折流板。如果采用缺口率为15% 的折流板,将导致所需面积比最小值高出23% 。如果采用缺口率为45% 的折流板,将导致所需面积比最小值高出17% 。其他条件不变,换热器性能达到最优条件是折流板流通面积与折流板错流流路面积大致相同[4]。

所以,改变折流板间距将引起最佳折流板切割率的点发生变化。而获得折流板的最佳切割率时,换热器折流板流通面积与折流板错流流路面积基本相同。

一旦壳体直径与折流板切割率确定下来,折流板间距在基于折流板流通面积与折流板错流流路面积相等条件下也可以确定下来。接下来考虑折流板形状的选择和换热器空间的最优设计。

目前关于换热器折流板性能的比较分析的学术报告很少,只是一些涉及关于杆式折流板和螺旋折流板性能的研究报告。而对于换热器折流板性能的研究有待进一步的研究[5]。本文结合企业应用实际,在设计时有如下建议:

( 1) 首先选用单弓型折流板;

( 2) 在遇到壳侧压降受限的情况下,可换成双弓折流板或者三弓折流板;

( 3)采用特殊形式的折流板。

充分考虑换热器的空间大小后再确定折流板的切割率大小和间距。

2 举 例

杭州下沙生物科技有限公司一车间采用列管式换热器。工艺要求: 正己烷/甲醇减压二级冷凝。

热侧: 正己烷/甲醇冷凝,进出口温 度15 /10℃ ; 流量0. 4 t / h。

冷侧: 冷盐水,进出口温度5 /7℃。

选型: E型壳体,换热器壳体尺寸为DN400 /DN310,L =3050 mm /2956 mm,45°布管,Φ19换热管,双弓形折流板,折流板的缺口率为27% ,换热面积20 m2/10 m2,如图3所示。

经过长期观察,该列管式换热器换热性能基本稳定,能够达到工艺要求。

3 结 语

根据工程应用实际,换热器的设计时应遵从如下规则:

( 1) 初始参数确定、换热管尺寸、壳体类型、管束布置方式、折流板形状等信息确定;

( 2) 选择折流板切割率的初始值;

( 3) 结合Poddar给出的参考图进行判断。

若壳侧压降需要控制,其压降线将位于管侧压降线的左侧( 图3所示) 。增大折流板切割率将有助于减少压降,进而使两条线基本协调。由图4可知,进一步增大折流板切割率并不能提高换热性能,由于该方案不能充分利用壳侧压降。

若管侧压降需要控制,采用推荐的折流板切割率不能充分利用壳侧压降。目前,降低折流板切割率和调整折流板间距有助于提高换热器壳侧流速和促进壳侧热传递,改变管程数是使管侧压降发生变化的一种手段。

参考文献

[1]钱颂文主编.热器设计手册[M].北京:化学工业出版社,2002:1-5.

[2]史美中,王中铮.热交换器原理与设计[M].南京:东南大学出版社,2009:4-10.

[3]朱聘冠.换热器原理及计算[M].北京:清华大学出版社,1987:7-12.

[4]李安军,桂菊,丽雯.换热器强化传热技术的研究进展[J].冶金能源,2008,27(1):50-54.

浅谈国内管壳式换热器发展 第6篇

1 管式换热器

管式换热器主要有套管式换热器和管壳式换热器两种。

1.1 套管式换热器

套管式换热器是将不同直径的两根换热器管套成同心套管作为元件、然后把多个元件加以连接而成的一种换热器, 工作时两种流体以纯顺流或纯逆流方式流通。套管式换热器的优点是:结构简单, 适用于高温、高压流体, 特别是小容量流体的传热。另外, 只要做成内管可以抽出的套管, 就可清楚污垢, 所以它也使用于易生污垢的流体。他的主要缺点是流动阻力大;金属消耗量多;管间接头较多, 易发生泄露而且容易弯曲引起震动;而且体积大, 占地面积大, 故多用于传热面积不大的换热器。

1.2 管壳式换热器

管壳式换热器又称谓列管式换热器, 是以封闭在壳体中管束的壁面作为传热面的间壁式换热器, 结构一般由管箱、壳体、管束、管板、折流板等部件组成。目前, 国内外工业生产中所用的换热设备中, 管壳式换热器仍占主导地位, 虽然它在换热效率、结构紧凑性和金属材料消耗等方面, 不如其他新型换热设备, 但它具有结构坚固, 操作弹性大, 适应性强, 可靠程度高, 选材范围广, 处理能力大, 能承受高温高压等特点, 所以在工程中仍得到广泛应用。以下几种常见的管壳式强化换热器。

1.2.1 螺旋折流板式换热器

螺旋折流板换热器是传统换热器中最普遍应用, 螺旋折流板换热器工作原理是壳程的折流板是以螺旋壮排列的, 这样使壳程介质自进口向出口呈螺旋壮、连续螺旋推进, 将传统的横向折流方式变成纵向螺旋折流方式。折流通道为螺旋式, 不会出现流动“死区”, 由于换热器壳程中的介质呈螺旋式的柱塞流动方式, 在壳程横街面径向产生速度梯度, 将每根换热管都置于换热介质旋窝中, 提高了流体径向湍流程度, 有利于冲刷强撑内的颗粒物及沉淀物, 防止污垢沉淀。按流道又可分为单螺旋和双螺旋两种结构。

1.2.2 螺旋叶片折流板式换热器

螺旋叶片折流板式换热器是基于螺旋折流板换热器的基础上, 进行短位调整。把螺旋折流板的流体周期缩短, 4个叶片成风扇状, 而不像螺旋折流板成连续旋窝状。使流体一个周期一个周期的冲刷折流板进行换热。它的好处在于大大降低了壳程流体的速度, 使介质长时间在壳程中进行换热。这样的换热器相比其他普通弓型折流板式换热器而言, 大大提高了换热器中介质的换热效率。但是它的缺点是不能使用污垢比较多的介质或者粘稠的介质, 因为本身壳程就已经降低了介质的流速, 再使用粘稠的介质, 会使壳程阻塞或者沉淀物增多, 反而影响了整个系统的运转。螺旋叶片折流板换热器性能在理论上有较好的优越性, 但对它的研究尚处在起始阶段, 对其流动和传热机理还需做深入的试验与计算机模拟, 相信在以后的道路中, 会成为换热的主导。

1.2.3 扭曲管式换热器

扭曲管式换热器是在传统管壳式换热器的基础上, 以扭曲扁管代替光管, 壳程没有折流板, 可依靠螺旋扭曲扁管外缘螺旋线的点接触进行自支撑。管内螺旋流道使流体在流动时产生纵向旋转和二次旋转, 这种螺旋扰流作用增加了流体的扰动程度, 减薄了传热边界层, 增强了流体的混合, 这种混合使得管壁附近保持较高的温度梯度, 极大的提高了传热系数。壳程流体在通道内由于离心力的作用而周期性地改速度和方向, 强化了流体的纵向混合。同时, 壳程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, 增大了流体自身的湍流度破坏了管壁上的流体边界层, 从而使壳程传热得到增强。但是由于没有折流板, 所以应用捆扎带进行固定管束, 但是高速流体介质进入壳程后会引起管子强烈振动和下榻。所以不能应用壳程高速流体介质。

1.2.4 波纹管换热器

波纹管换热器是在传统列管式换热器的基础上, 应用强化传热理论及换热管独特的波峰与波谷的设计, 与传统管壳式换热器不同的是波纹管换热器采用带波纹的换热管, 而管壳式换热器采用光滑的直管作为换热管。主要适用于管内外介质有加热、冷却热交换的场合, 其特点为传热效率高, 这一特点是依靠独特的传热元件—波纹管来实现的。波纹管特殊的波峰与波谷设计, 使流体在关内外形成强烈扰动, 大大提高了换热管的传热系数, 其传热系数比传统管式换热器高2~3倍。波纹管在工作过程中, 一方面管内外介质始终处于高度湍流状态, 另一方面内外介质产生温度差, 使得波纹管会产生微量的轴向伸缩变形, 管内外的曲率会随之频繁变化, 由于污垢与污垢之间会产生拉脱力, 所以使水垢破裂而自动脱落, 从而不会产生污垢。对于波纹管的拉伸作用, 以前设计人员因为这个作用, 而不设定膨胀节。使它成为波纹管的一大有利优点。但近年来, 由于介质要求越来越高, 设计压力越来越大, 波纹管越来越受到人们关注与应用, 在设计压力高的情况下, 由于波纹管的轴向许用应力因为波纹而降低, 会使波纹管弯曲与失效, 所以不设定膨胀节也不是波纹管的优点了。这点技术还得需要时间的累计和研究人员的探讨。

2 国内换热器发展需要

20世纪20年代出现板式换热器, 以板代管, 结构紧凑, 传热效果好, 并应用于食品工业。30年代初, 瑞典首次制成螺旋板换热器。接着英国用钎焊法制造出一种由铜及其合金材料制成的板翅式换热器, 用于飞机发动机的散热。30年代末, 瑞典又制造出第一台板壳式换热器, 用于纸浆工厂。

60年代左右, 由于空间技术和尖端科学的迅速发展, 迫切需要各种高效能紧凑型的换热器, 再加上冲压、钎焊和密封等技术的发展, 换热器制造工艺得到进一步完善, 从而推动了紧凑型板面式换热器的蓬勃发展和广泛应用。此外, 自60年代开始, 为了适应高温和高压条件下的换热和节能的需要, 典型的管壳式换热器也得到了进一步的发展。70年代中期, 为了强化传热, 在研究和发展热管的基础上又创制出热管式换热器。

20世纪80年代后, 大量的强化传热元件被推向市场, 如折流杆换热器、新结构高效换热器、高效重沸器、高效冷凝器、双壳程换热器、板壳式换热器、表面蒸发式空冷器等高效换热器。

进入21世纪后, 大量的强化传热技术应用于工业装臵, 世界换热器产业在技术水平上获得了快速提升, 板式换热器日渐崛起。

总结说来, 换热器的技术发展主要分为三个阶段:第一阶段主要解决是否能够实现换热的问题;第二阶段以提升冷却效率为目标, 主要是对传热过程的研究和对换热部件的改进;第三阶段强调生产成本、运行成本、环境消耗成本等综合成本与冷却效果的优化匹配。世界换热器产业在产品与技术方面的发展趋势主要表现为产品大型化、高效化、节能化。此外, 换热器新材料的开发应用、产品技术的更新换代、不同应用领域产品的细分化也都是行业的发展趋势。

参考文献

管壳式换热器的工作原理及结构 第7篇

属于间壁式换热器的就是管壳式换热器, 其换热管内组成的流体通道称为管程, 换热管外组成的流体通道称为壳程。管程以及壳程分别经过2个不一样温度的流体时, 温度相对高的流体经过换热管壁把热量传递给温度相对低的流体, 温度相对高的流体被冷却, 温度相对低的流体被加热, 进而完成两流体换热工艺的目标。 (工作原理和结构见图1)

管壳式换热器关键由管箱、管板、管子、壳体以及折流板等组成。一般圆筒形为壳体;直管或U形管为管子。为把换热器的传热效能提高, 也能使用螺纹管、翅片管等。管子的安排有等边三角形、正方形、正方形斜转45°以及同心圆形等几种方式, 最为常见的是前面三种。依照三角形部署时, 在一样直径的壳体内能排列相对多的管子, 以把传热面积增加, 但管间很难用机械办法清洗, 也相对大的流体阻力。在管束中横向部署一些折流板, 引导壳程流体几次改变流动目标, 管子有效地冲刷, 以把传热效能提高, 同时对管子起支承作用。弓形、圆形以及矩形等是折流板的形状。为把壳程以及管程流体的流通截面减小、流速加快, 以把传热效能提高, 能在管箱以及壳体内纵向安排分程隔板, 把壳程分为二程以及把管程分为二程、四程、六程以及八程等。管壳式换热器的传热系数, 水换热在水时为1400~2850瓦每平方米每摄氏度[W/ (m (℃) ];气体用水冷却时, 为10~280W/ (m (℃) ;水蒸汽用水冷凝时, 为570~4000W/ (m (℃) 。

2 管壳式换热器依据结构特征能分为下面2类

2.1 刚性构造的管壳式换热器:

固定管板式是这种换热器的另一个名称, 一般能可分为单管程以及多管程2种。在两块管板上换热器的管端以焊接、胀接、胀焊并用的办法固定, 而管板则以焊接的办法以及壳体相连。因为不存在弯管部分, 污垢不容易在管内积聚, 就算出现污垢也方便清洗。假如管子出现泄漏或损坏, 也方便实施堵管或换管。但不能在管子的外表面实施机械清洗, 而且很难检验, 不适合解决脏的或有腐蚀性的介质。更关键的不足是当壳体以及管子的壁温或材料的线膨胀系数相差相对大时, 在壳体以及管中将出现很大的温差应力。

2.2 管壳式换热器具备温差补偿装置:它能让受热部分自由膨胀

这构造方式又能分成:

(1) 浮头式换热器:浮头式换热器针对固定管板式换热器的不足在构造上做了改进, 只有一端与壳体固定的两端管板, 而能够在壳体内自由移动的是另一端的管板, 这端称为浮头。浮头端设计成能拆构造, 让管束能够容易地插入或抽出, 这样为检修、清洗供应了便捷。

(2) U形管式换热器:它只有一块管板, 弯成U形的换热管, 管子的两端都固定在这只有的一块管板上, 把全部管子的入口端集中在半块管板上, 在另半块管板上是出口端集中的地方, 中间用管箱的分程隔板隔开。由里向外是U形管的排列, 最里层的U形管一定要维持一个最小弯曲半径, 于是造成壳程内发生了不炉排管的条形空间, 就是影响构造的紧凑, 防短路的中间挡板或挡管又要安装, U形管假如出现泄漏损坏, 只可以把坏管堵塞而不可以更换。因此U形管换热器只适合用于管、壳程温差大, 管内介质清洁但压力相对高的场合。

(3) 填料函式换热器:对于某些腐蚀严重, 温差相对大而常常要更换管束的冷却器, 使用填料要比浮头式或固定式换热器优越的多的是函式换热器。它是具备浮头式换热器的优势, 固定式换热器的不足又克服了, 构造跟浮头相比简单, 制造便捷, 容易方便检修清洗。填料函式换热器的管板也只有一端和壳体固定, 另一端使用填料函密封, 它的管束也能够自由膨胀, 因此也不需要思考因为管壁、壳壁温度引发的热应力。而且管程以及课程都可以清洗, 加工制造的浮头容易简单, 而且造价相对低。

3 主要技术特点:

3.1 通常管壳式换热器和别的类型换热器对比有下面关键技术特点:

(1) 不怕高温不怕高压, 牢固稳当实用; (2) 历史悠久的制造运用, 成熟的制造工艺和操作维检技术; (3) 选材广泛, 适用区域大。

3.2 管壳式换热器除具备上面说的特点外, 独具下面主要技术特点

(1) 换热管内外表面均呈螺旋状的螺旋管管壳式换热器, 在管内呈三维螺旋运动状态向前流动的是管程流体, 流速非常低时就能达到充足湍流, 从而把管壳式换热器管程流体界膜传热系数相对低的不足克服了, 明显把换热器的总传热系数提高了, 流体阻力损失相对小了; (2) 波节管式换热器的改进型的弧线管壳式换热器, 具备波节管式换热器传热系数高, 不容易结垢等所有的优点, 同时把波节管式换热器受制造工艺约束而管壁相对薄、换热管相对短、管板以及换热管连结一定要另加焊接套等不足克服了, 跟GB151国家规范完全符合, 牢固实用; (3) 离子束管壳式换热器和镍基渗层管壳式换热器的换热管通过离子束加工或镍基渗碳, 其表面产生平均的微观凸凹面, 使换热流体表面张力降低, 从而把流体界膜传热系数提高, 特别是对于冷凝传热, 变膜状冷凝为珠状冷凝, 把冷凝界膜传热系数和换热器总传热系数大幅度提高。

4 结语

在经济水平飞速发展的现在社会, 人们开始更多地重视生活上每一个细节的品质, 也愈来愈需要更充裕更加便捷的热能供应形式, 作为一种传统的换热设备的管壳式换热器, 由于其构造简单, 解决能力大、选材区域广, 适应性强, 容易制造而且成本相对低, 方便清洗, 在高温高压下也可以适用等很多的优点, 依然在换热器中占主导位置。

参考文献

[1]马小明.管壳式换热器[S].中国石化出版社出版, 2010 (01) :01.

管壳式换热器壳侧沸腾换热模拟研究 第8篇

管壳式换热器在核电站、石油化工、大型动力电站及制冷空调工程等领域有着广泛使用,国内外学者们也从未停止过对其进行研究和改进,采用分布阻力、表面渗透度、容积多空度等多种理论手段对管壳式换热 器进行了 不同流动 形式下的 模拟计算[1,2,3,4],并于1974年首次将计算流体力学CFD运用于管壳式换热器数值模拟研究[5],取得了丰硕的研究成果。但目前理论研究大多仅限于单相流动的二维和三维模拟分析,而研究表明多数管壳式换热器壳侧流动存在两相流[6],所以壳侧两相流动的实验模拟就显得尤为必要,在这方面国内学者已有一些重要理论成果: 2000年,上海交通大学的黄兴华建立了管壳式换热器壳侧紊流流动的三维数值模型,对壳侧流体流动及传热进行了研究,对冷凝器两相流动进行了模拟分析[7,8]; 吕彦力等发表于河南科技大学学报上的文章研究了旁路流对换热器壳侧气液两相流动特性的影响[9]; 陈达卫等在炼油技术与工程杂志上对TEMA - F型换热器壳侧环状流时两相流换热进行了模拟仿真[10]。通过分析近年来管壳式换热器的一些理论实验成果不难发现,研究的重点主要 集中于改 善流动质 量、优化结构 形式[11]、提高换热效率、如何消除原有结构换热死区等方面,而流动换热模拟水平的提高、大量CFD软件的使用无疑为这些研究提供了重要手段,但湍流模拟的复杂性决定了未来一段时间里管壳式换热器的研究重点仍为如何使流体流动产生更广泛的小涡湍流,进一步提高换热质量。

本文将着重于对基本尺寸的管壳式换热器壳侧进行三维沸腾换热的研究分析,得到切合实际的壳侧流动、换热数据,为以后管壳式换热器的改进和合理使用提供参考依据。

1 数据处理

本论文参考实际使用情况及应用价值,并考虑处理难度,将设定换热器为单管程、弓形折流板管壳式换热器,利用Gambit强大的前处理能力对其进行构造模型、网格划分、边界设定等操作,然后使用Fluent软件做进一步初始设置,引入自定义函数UDF,建立相应计算模型,采用合理的两相流模型和求解器对其进行迭代计算。

1. 1 参数设定

管壳式换热器采用弓形折流板,单管程,见图1。换热器壳侧长为1 200 mm,内径为Ф150 mm,折流板厚度为3 mm,间距为260 mm,距壳侧边缘为210 mm,圆缺距圆心为35 mm,排气缺口位于折流板的上方,换热管采用三角形排列,外径为Ф16 mm,内径为Ф14. 2 mm,各换热管中心距为22 mm,共31根,壳侧冷水进口和蒸汽出口管径均为Ф60 mm,进水口距壳侧边120 mm,出气口距壳侧边100 mm。冷凝水进水温度为25℃,流速为1 m/s,出口为饱和水蒸气。换热管过热水蒸气进气温度为140℃,出口温度为103℃。

1. 2 前处理

首先用Gambit软件画出管壳式换热器壳侧模型图( 如图2) 。由于折流板厚度较小对流动影响不大,为了提高网格质量,使计算简化,这里忽略折流板厚度影响,只做wall处理; 由于模型结构的复杂性,首先要对模型体进行分块,然后逐次分区域划分网格,对壳侧进出口段采用相对规则的Hex - cooper式网格,对结构较复杂的各个弓形板间用Tet/Hybrid - TGrid方式划分网格。最后对各个面进行相应的边界设定。

1. 3 Fluent 计算

1. 3. 1 计算模型选择

两相流模型选择: VOF( Volume of Fluid) 模型是在整个计算域内对一种连续和一种非连续的不互溶并且有相对明显界面的两相流进行分别求解的计算模型; 而混合物模型对象可以是颗粒或者流体,能够模拟匀质弥散相对完全混合的两相流,对其进行整体计算; 当多种流体以网格尺寸完全混合时,欧拉模型通过流体相互影响分别计算更能反映真实情况,缺点是计算量较大。

论文主要涉及水蒸气和液态水的两相流模型,属于气液两相流( 不同的有气液、气固、液固、液液两相流[11]) ,考虑水蒸气和水混合特点以及对计算难度和精度的要求,本论文将采用混合物模型。

湍流模型选择: 对于一般工程流体计算,标准的k - ε方程已经完全可以满足精度要求,其形式为

式中k———湍动能/m2·s- 2;

ε———湍流耗散率 / m2·s- 3;

ρm———流体密度/kg·m- 3;

u———流体速度 / m·s- 1;

Pt———由平均速度梯度引起的湍动能k的生成项;

μ———流体动力粘度;

μt———湍流粘性系数;

σk、σε———与k、ε对应的普朗特数;

Cε1、Cε2、Cμ———经验常数。

1. 3. 2 迭代设置

将模型引入Fluent,采用分离式求解器,多相流采用混合物模型,粘性方程用标准k - ε模型( 选择粘性热传递) ,激活能量项,控制条件选重力作用项为 - y方向9. 81,由于是沸腾换热,两相流涉及水和水蒸气的质量转换、气化潜热等问题,所以要自建能量、质量转换的自定义函数UDF,将其引入边界条件设定中( 如图3所示) 。

为了使问题简化,本文将换热管边界温度进行分段常量设置,分为高温段和低温段。

1. 4 计算结果

通过速度矢量图( 图5) 得知在弓形板后方形成了较明显的大尺度涡湍流,使得整体流动速度明显放缓,阻力损失增大,压力降低,成为流动死区,这样就造成了温度图( 图4) 中弓形板后温度过高、热量聚集的现象,而较低的流速也进一步降低了这些地方的有效换热温差,对换热极为不利,最终形成了换热死区; 通过水蒸气分布图( 图6) 不难看出水蒸气相主要集中在壳侧后部,并且越往上水蒸气所占比例越大,这也符合水蒸气密度小于水的事实。

2 总结

通过温度图、速度矢量图得知在弓形板后存在较明显的换热死区,再结合水蒸气相主要分布区域,总结对管壳式换热器主要影响和改进建议如下:

( 1) 换热死区的存在对换热质量形成较大影响,可以通过在弓形板上增加导流孔减小影响,提高换热质量,增大有效温差;

( 2) 弓形板后过高的热量聚集使得弓形板前后形成了较大的温差,再加上板后区域相对封闭的大尺度湍流影响,这就对弓形板的强度,耐腐蚀性提出了很高要求,在生产过程中要适当提高弓形板质量等级;

( 3) 水蒸气相主要出现在管壳式换热器壳侧流动的后部,并且越往上比例越大,这样就在壳侧腔体顶部和出口连接位置出现了水蒸气的聚集,温度也随之升高,所以在结构上这一区域要有较好的耐高温和耐腐蚀性。

摘要：为了研究管壳式换热器壳侧沸腾换热流动传热特点,本论文将使用Gambit软件对管壳式换热器进行划分网格等前处理,然后通过采用标准k-ε湍流模型、混合物多相流模型,编写相应的沸腾换热自定义函数UDF,用Fluent软件对其进行壳侧沸腾换热计算,得到两相流、速度和温度等分布图,结果证明壳侧流动在弓形板后面形成了换热死区,水蒸气产生主要集中于后部,并向上聚集,最后分析了对换热器结构、强度等的影响并提出了相应的改进办法,为管壳式换热器的设计和使用提供理论参考。

关键词：管壳式换热器,沸腾换热,两相流,湍流模型,Fluent,换热死区

参考文献

[1]Gentry C C.ROD baffle heat exchanger technology[J].Chemical Engineering Progress,1990(7):48-57.

[2]王学华,熊兴才,薛海清.核电厂辅助冷却水系统水锤计算与防护[J].电网与清洁能源,2014,30(9):102-105.

[3]刘利平,黄万年.Fluent软件模拟管壳式换热器壳程三维流场[J].化工装备技术,2006,27(3):54-57.

[4]Zhang C,Sousa A C M,Venart J E S.The numerical and experimental study of a power plant condenser[J].ASME J.Heat Transfer,1993(115):435-445.

[5]Patankar S V,Spalding D B.A calculation Procedure for the transient steady state behavior of shell-and-tube beat exchanger.In Afgan N and Schlunder EV(EU),Heat Exchanger Design and Theory Source book,Washington D C:Scripta book Company,1974:156-175.

[6]林宗虎,王栋,等.多相流的近期工程应用趋向[J].西安交通大学学报,2001,35(9):886-887.

[7]黄兴华.管壳式换热器壳侧紊流流动及凝汽器中汽液两相流动的数值研究[D].上海:上海交通大学,2000.

[8]黄兴华,等.管壳式换热器壳程流动的三维数值模拟[J].化工学报,2000,51(3):297-302.

[9]吕彦力,孙启鹏,陶文铨,等.旁路流对换热器壳侧气液两相流动特性的影响[J].河南科技大学学报,2006,27(4):22-25.

[10]陈达卫,王启杰,李国华.TEMA-F型换热器壳侧环状流时两相流换热的实验研究与模型[J].炼油技术与工程,2004,34(1):16-18.

[11]冯国红,等.管壳式换热器的研究进展[J].化工技术与开发,2009,38(6):41-42.

浅析管壳式换热器的分类及强化传热 第9篇

在工程中, 将某种流体的热量以一定的传热方式传递给其它流体的设备, 称为换热器。换热器广泛用于石油、化工、轻工、制药、食品、机械、冶金、动力等工程领域。换热器的种类繁多, 按照工作过程的不同, 一般分为混合式、蓄热式和间壁式三种。管壳式换热器是一种最常见的间壁式换热器, 具有结构坚固、操作弹性大、承压能力好、可靠程度高、使用范围广等优点, 因此在工业生产中得到普遍使用。管壳式换热器强化传热的主要方面为:管程方面, 根据生产要求和流体的物性, 来选用缩放管、螺旋槽管、横纹管等强化传热管, 相关内容前面已做介绍;壳程方面, 改变壳程的结构, 使得壳程内流速分布均匀, 减小流动死区, 从而强化传热。主要的壳程结构形式有板式、杆式、环式、管子自支撑和旋流网板等。

二、管壳式换热器的分类

1、旋流网板换热器

空心环支撑管束能够解决壳侧流体流速不均, 存在死区的问题, 但是没有直接对流体进行强化。旋流网板很好的弥补了空心环的缺点, 在阻力增加不是很大的前提下, 壳程的传热性能得到很好的提升。周水洪等对旋流网板支撑传热管进行数值模拟和实验研究, 得出旋流网板的传热综合性能要高于空心环支撑传热管的结论。从2005年开始应用于国内制酸工业, 取代原有了空心环管壳式换热器。

2、螺旋折流板换热器

传统的管壳式换热器大多采用弓形折流板支撑, 但是这种结构易出现隔板与管壁相连处产生流动死区的问题, 导致换热系数下降, 流动阻力增大, 并且易诱导管子振动, 破坏管子与管板连接。

为了改善传统管壳式换热器壳程流动情况, 20世纪90年代出现了螺旋折流板换热器。其壳程支撑结构采用一系列扇形平板 (称为螺旋折流板) , 形成近似的螺旋面, 流体在壳侧内产生连续的螺旋流动。Lutcha等比较全面地研究了螺旋折流板换热器的传热与流阻性能。王玉琴等人通过对螺旋折流板换热器和传统的弓形折流板换热器壳程传热和流阻性能研究, 发现螺旋折流板换热器的换热性能优于弓形折流板换热器, 并且壳程的阻力要小于弓形折流板换热器。

3、空心环换热器

空心环式管壳式换热器是由华南理工大学邓先和教授研制开发的, 采用空心环作为管束间支撑结构, 可以大幅度降低因折流引起的输送功损失, 从而充分利用输送功来提高壳程换热系数。从1990年第一台空心环式换热器投入运行以来, 经过二十年的发展, 已经在硫酸、石化等行业得到普遍的应用, 获得了巨大的经济和社会效益。

4、管子自支撑换热器

管子自支撑的特点是依靠管子自身的突出部位相互支撑, 而不需要其他的壳程支撑结构。管子自支撑换热器中管子排列比较紧凑, 单位体积内的换热面积增大, 可以提高壳程流速, 并且支撑点干扰流体, 增大流体的湍动程度, 从而进行强化传热。分别是管子自支撑结构的三种形式:刺孔膜片式、螺旋扁管式和变截面管式。

空心环换热器、旋流网板换热器和管子自支撑换热器都属于纵流式壳程换热器, 采用此类壳程结构的换热器, 壳程流体由传热的横向流动改变为纵向流动, 因此被广泛应用于壳程强化传热过程。与传统的折流板式换热器相比, 纵流式壳程换热器具有以下优点: (1) 应用不同的壳程支撑物, 强化壳侧流体传热, 换热器的总传热系数得以提高; (2) 很大程度上降低了壳侧的流动阻力, 降低了输送功耗; (3) 减轻了换热器的重量, 节省了制造成本; (4) 防止了流体诱导振动, 提高了换热器的使用安全性; (5) 减少了污垢的沉积, 使用寿命增长。

三、换热器的强化传热

所谓换热器传热强化或增强传热是指通过对影响传热的各种因素的分析与计算, 采取某些技术措施以提高换热设备的传热量或者在满足原有传热量条件下, 使它的体积缩小。换热器传热强化通常使用的手段包括三类:扩展传热面积;加大传热温差;提高传热系数。

目前在换热器强化传热理论研究及新技术新产品开发方面已进入高层次的探索阶段, 工业应用结果表明随着高效传热管的不断涌现新型壳程折流的结构也应随之不断变化。不同强化传热元件, 应有不同的壳程折流结构与之匹配, 这样才能获得最佳的传热效果。随着理论研究水平的提高, 先进测试仪器的应用, 新型强化异形管将不断涌现。对各种新的高效传热元件研究的同时, 应花大力气推广各种高效传热技术, 努力赶上发达国家的应用水平。

1、管壳式换热器壳程强化传热技术探究

传统的管壳式换热器, 流体在壳侧流动存在着转折和进出口两端涡流的影响区, 影响了壳程的传热系数。管壳式换热器壳程强化传热的途径主要改变壳程挡板或管间支撑物, 以减少或消除壳程流动与传热的滞留死区, 使传热面积得到充分的利用。管壳式换热器壳程挡板或管束支撑物的发展表现为折流板的改变, 其目的是将泵功最大程度用于增强传热方面, 而不是消耗于管间支撑物。现有的支撑形式有板式支承、杆式支承、空心环支承和管子自支承。

2、管壳式换热器管程强化传热技术探究

换热器管程强化传热就是力求使换热器在单位时间内, 单位传热面积传递的热量尽可能增多。各种异形强化管的结构不同, 但其强化传热机理大同小异, 都是通过对管进行各种细微的加工, 以期在管子壁面上形成有规律或无规律分布的凸起物, 或将管壁本身沿轴向制成波纹状或螺旋凹肋等等, 这些传热面上的各种形状的凸起物, 既是无源扰动的促进体, 又起断续地阻断边界层发展的作用。