管壳式换热器技术进展

1典型化工设备设计课程论文专业：化学工程与工艺班级：08级一班姓名：____王健____学号：_200803001192011年4月17日2管壳式换热器技术进展[摘要]介绍了管壳式换热器在多个方面的技术进展情况:管子的强化,折流板及支撑物,管内插件技术。认为提高传热系数,降低流体压降,增加传热面积等,是管壳式换热器的技术发展方向。[关键词]管壳式换热器;技术进展Technicalprogressofshellandtubeexchanger[Abstract]Thestatusoftechnicalprogressofshellandtubeexchangerwasintroducedfromseveralrespectssuchasstrengtheningthepipe,usingbaffle-plateandsupportplate,andimprovingthetechnologyofinserterinpipe.Itwasthoughtthatincreasingtheheattransfercoefficient,reducingthepressuredropoffluids,andextendingtheheattransferarea,etc,werethedevelopingdirectionofthetechnologyofshellandtubeexchanger.[Keywords]Shellandtubeexchanger；Technicalprogress1引言换热设备在化工过程中起着至关重要的作用，其投资费用一般占全部设备投资的40%左右，而且，它的行为也关系着全厂的正常运行和操作费用。旧厂改造的许多工作是围绕换热设备的优化进行的,一方面,过程系统工程致力于换热网络的优化综合；另一方面，机械工程师们在寻找换热器强化传热技术的具体手段。虽然样式繁多的换热器很大程度上拓宽了人们的选择范围，但管壳式这一传统的换热设备在化工生产中仍占据着主要地位,在高温高压或有腐蚀性介质的作业中更能显示其优势。管壳式换热器由一些直径较小的圆管加上管板组成管束，外套一个外壳而构成。其特点是结构简单，易于加工、清洗,选材及应用范围广，处理量大。以上优点使其成为传统换热器的标准设备。但在追求高效传热的今天,传统的管壳式换热器单位体积的传热面积较低,传热系数不高,难以满足生产要求,因而,换热器强化传热技术的研究越来越得到重视。所谓换热器强化传热技术就是使换热器在单位时间、单位传热面积传递的热量尽可能多。长期以来,国内外对此进行了大量研究[1]。2管子的强化3为了提高管壳式换热器换热性能,一方面要提高单位体积的传热面积,另一方面要提高综合传热系数,即进行强化传热。为提高单位体积的传热面积,采用减小管径,增加管数的办法是不可取的,一般认为,大型换热器管径不会小于6mm。为提高传热系数而采用单纯加大流体流速的手段同样会不尽人意,因为增加流体流速而引起的传热系数的增加率,往往会低于克服摩擦阻力的功耗增加率。因此,管子的强化工作主要集中在异型管的开发方面,此外,还可采用在管内、管外安装翅片等手段对传热管进行强化。2.1强化管程传热目前管程强化传热的研究主要集中在开发异型传热管,如螺旋槽纹管、横纹槽管和缩放管等。国内外已经有许多研究单位和生产厂家成功的应用了技术。(1)螺旋槽纹管换热器管内强化传热主要由两种方式起决定作用流体在管内流动时受螺旋槽纹的引导,使靠近壁面的部分流体顺槽旋流,产生局部的二次流,增加流体的湍动性还有一部分流体顺壁面轴向流动,由于螺旋槽导致形体阻力,产生逆向压力梯度,引起边界层分层及边界层中流体质量的扰动,从而加快由壁面至流体主体的热量传递。据有关文献报道美国国家实验室和技术公司设计、制造的螺旋槽纹管换热器,其传热性能比光管提高倍。我国上海溶剂厂把螺旋槽纹管应用到甲醛余热锅炉中,使传热系数提高了60%。目前,优化螺旋槽纹管的几何尺寸,使之具有良好的传热性能是其今后发展的主要方向。图1为螺旋槽纹管结构,由光滑管在车床上轧制而成,分为单头和多头,用于强化管内气体或液体的传热、强化管内液体的沸腾或管外蒸汽的冷凝。其强化机理为:流体在管内流动时受螺旋槽纹的引导,靠近壁面的部分流体顺槽旋流,有利于减薄边界层厚度;还有一部分流体顺壁面轴向流动通过螺旋槽纹凸起处便产生轴向漩涡,引起边界层分层及边界层中流体的扰动,从而加快由壁面至流体主体的热量传递。4(2)横纹槽管换热器流体经过圆环形的凹槽时,管壁上形成轴向旋涡,增加了流体边界层的扰动,使边界层分离,有利于使热量通过边界层进行传递。当漩涡将要消失时,流体又经过下一个圆环形凹槽,所以能保持不断地生成轴向旋涡,这就保证了连续稳定的强化作用。据报道,华南理工大学在研究了一种横纹管折流杆换热器,这种设备将横纹槽管强化传热技术和折流杆换热器技术结合起来,同时提高了管程换热和壳程换热效率,并发现在相同管内流速下其传热效率要优于螺旋槽管,并将这种设备在云南某厂投入使用,取代了原来的原来的列管式析流板主热交换器,使设备投资减少了原来的1/3。(3)缩放管换热器流体在经过扩展段时流体速度降低并且静压增加,而在流体经过收缩段时正好相反。由于在扩展段中流体质点速度的变化而产生了剧烈的漩涡,这样在经过收缩段时就会冲刷流体边界层,边界层就会变薄,所以缩放管可以强化管内外单相流体的传热,与光管相比其传热量可以增加70%。据报道,我国益阳氮肥厂在变换锅炉软水加热器时,采用缩放管后,换热面积减少了69%。近几年,开发出一种缩放管整圆槽孔折流棚板换热器,也是一种将强化传热元件与新型壳程折流结构的优化组合,并且在工业应用操作运行中具有一定的强化传热效果。(4)波纹管换热器由于波纹管壁较薄,波峰波谷高度差达10mm,这种换热管可以自由地轴向伸缩,流体在复杂界面流动下可以不断改变方向和流速,改变紊流的脉动性,并促使湍流产生,减小层流底层,增强相变换热等,增大传热系数,并且由于在温差作用下的可仲缩性,具有较强的防垢和除垢能力。波纹管换热器比普通光管换热器的总传热系数可提高1.7倍。5图2波纹管换热器（5）内插物形换热器用内插物通过改变流道,对器壁产生较高的流体应力,促进管内流形成湍流,降低管内流体由层流转变到湍流时的临界雷诺数,强化管内单相流体传热,达到强化传热的目的。据文献报道,英国公司开发一种绕丝花环换热器,它采用了一种金属丝制翅片管子插入件,用于液体工况时可使管程传热效率提高倍,用于液体工况时可使管程传热效率提高25倍,用于气体时可提高5倍,并且其防垢能力也可以提高[2]。2.2强化壳程传热传统的管壳式换热器,流体经过壳侧转折处和管束两端入口及出口处均存在着涡流滞留区,因此会影响壳程的传热膜系数,并且容易结垢,流阻大,为了强化壳程传热,目前研究的主要途径是一方面改变管子的形状和表面性质,加入扰动促进体,另一方面改变管支撑物和壳程挡板的形式,这些改进可以降低流体在课程中的阻力,保证流体在壳程中以湍流状态纵向流动,以利于强化壳程传热。（1）强化冷凝传热的传热管锯齿形翅片管是新型的冷凝传热管,与螺纹管相比翅间距更密,翅片外缘有锯齿缺口,因而具有比螺旋管更大的传热面积,其顶部有错开锯齿状,使凝液流动呈扰动状态,因而促进了冷凝液膜的对流传热,其管外冷凝给热系数时光管的6倍,是低肋管的1.5一2倍。（2）强化沸腾传热的传热管强化沸腾传热主要是通过将热传递表面特制成粗糙表面,使薄膜面积变大,隧道与外界液体流通,有利于蒸汽流出和液体吸入。如日立公司的表面多孔（E管）,孔口带蛇的多孔管（E2管）,这些换热器表面形成多孔的隧道,增加气化核心,有利于沸腾时强烈的对流给热。(3)折流杆式换热器折流杆换热器是由分离板和纵向滑动杆组成的折流栅代替折流板的换热器,它由排布的支撑杆形式形成一系列的壳程折流,折流栅构件主要包括支撑杆、折流环交叉支撑拉杆、分隔板和纵向滑动杆。其支撑方式是通过每4个不同折流栅上的圆钢杆分别限制四个方向的位移,其特点是壳程内流体流动为纵向流动,使流体压降减小,传热面积得到充分利用,抗震能力强,消除了壳程滞留区,改善了流体的速度和温度的分布。华南理工大学和大庆石油化工总厂开发的折流杆螺旋槽管再沸器的总传热系数比普通光管再沸器提高了1.2一1.7倍,抗震性能较好,减少了热管诱导震动的隐患[3]。6(4)纵流管束换热器德国GRIMMA公司展出了一种整圆形折流板换热器,不开任何缺口,其横排管孔以四个孔为一组在管桥处铣通,壳侧流体在管桥处沿着轴向流动。该公司用用甘油与水混合后进行试验,结果表明,与传统结构的圆缺形折流板换热器相比,在中、低粘度范围内,纵流管束换热器具有明显的传热效果。|(5)螺旋折流板换热器螺旋折流板换热器的这流板互相形成一种特殊的螺旋形结构,每个折流板与壳程流体的流动方向成一定的角度,由于使得壳程流体沿着折流板作螺旋运动,而且螺旋运动使壳侧流体存在着半径方向的速度梯度并破坏了边界层,也强化了传热,此外还能减少管板与壳体之间易结垢的死角,能显著的防止结垢,从而提高换热效率。在气一水换热情况下,传递相同热量时,该换热器可减少30%-40%的传热面积,节省材料20%-30%。(6)空心环管壳式换热器空心环支承是由华南理工大学研发的,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,其结构如图3所示[4]。空心环管壳式换热器以强化管作为环热管,能够同时强化管内与管间支撑物,空隙率大,对流体形体阻力小,其壳程管隙间流体大部分压降可作用在强化管得粗糙传热面上,用以促进壁流体传热滞留层的湍流强度,降低传热热阻,达到强化传热的目的。采用整体结构优化的空心环管壳式换热器取代折流隔板式换热器,能使换热器钢材减少35%-50%,气体压降减少30%-40%。图3空心环支承结构3结语换热器技术的进步,大大提高了换热设备的效率,使能源得到更为有效的利用。同时,高效换热器所需的传热面积更小,压降更低,使设备投资和操作费用得到优化。此外,工质7流体流动更为合理,抗振、防腐、自洁、换热器寿命等多方面性能得到改善。不断提出的新问题,和相关的有益的工作体现了换热器技术发展的方向:提高综合传热系数;降低管程、壳程的流体压降;增加单位体积的传热面积,即结构的紧凑度；低廉的成本和价格；延长使用寿命；综合考虑加工、运输、安装、操作及维护等方面。参考文献:[1]赵国辉,隋军。管壳式换热器技术进展，化学工业与工程技术，2000，21（4）12-14[2]崔海亭,龚立武。高效能管壳式热交换器的技术进展及应用。河北工业科技,1999,16（3）；27-31[3]贺运初。换热器的强化传热与优化设计。化工装备技术,1997,(2):25-28[4曹艳芝,郝红。管壳式换热器的研究进展。化工技术与开发，2009,38（6）41-45