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管壳式换热器与传热机理简要说明

简要了解管壳式换热器与传热机理

管壳式换热器又称列管式换热器。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。这种换热器结构较简单,操作可靠,可用各种结构材料(主要是金属材料)制造,能在高温、高压下使用,是目前应用最广的类型。

管壳式换热器结构与类型

管壳式换热器由壳体、传热管束、管板、折流板(挡板)和管箱等部件组成。壳体多为圆筒形,内部装有管束,管束两端固定在管板上。进行换热的冷热两种流体,一种在管内流动,称为管程流体;另一种在管外流动,称为壳程流体。为提高管外流体的传热分系数,通常在壳体内安装若干挡板。挡板可提高壳程流体速度,迫使流体按规定路程多次横向通过管束,增强流体湍流程度。换热管在管板上可按等边三角形或正方形排列。等边三角形排列较紧凑,管外流体湍动程度高,传热分系数大;正方形排列则管外清洗方便,适用于易结垢的流体。



流体每通过管束一次称为一个管程;每通过壳体一次称为一个壳程。图示为最简单的单壳程单管程换热器,简称为1-1型换热器。为提高管内流体速度,可在两端管箱内设置隔板,将全部管子均分成若干组。这样流体每次只通过部分管子,因而在管束中往返多次,这称为多管程。同样,为提高管外流速,也可在壳体内安装纵向挡板,迫使流体多次通过壳体空间,称为多壳程。多管程与多壳程可配合应用。


管壳式换热器由于管内外流体的温度不同,因之换热器的壳体与管束的温度也不同。如果两温度相差很大,换热器内将产生很大热应力,导致管子弯曲、断裂,或从管板上拉脱。因此,当管束与壳体温度差超过50℃时,需采取适当补偿措施,以消除或减少热应力。根据所采用的补偿措施,管壳式换热器可分为以下几种主要类型:


①固定管板式换热器管束两端的管板与壳体联成一体,结构简单,但只适用于冷热流体温度差不大,且壳程不需机械清洗时的换热操作。当温度差稍大而壳程压力又不太高时,可在壳体上安装有弹性的补偿圈,以减小热应力。

②浮头式换热器管束一端的管板可自由浮动,完全消除了热应力;且整个管束可从壳体中抽出,便于机械清洗和检修。浮头式换热器的应用较广,但结构比较复杂,造价较高。


③ U型管式换热器 每根换热管皆弯成U形,两端分别固定在同一管板上下两区,借助于管箱内的隔板分成进出口两室。此种换热器完全消除了热应力,结构比浮头式简单,但管程不易清洗。

④填料函式换热器 填料函式换热器其结构特点是管板只有一端与壳体固定连接,另一端采用填料函密封。管束可以自由伸缩,不会产生因壳壁与管壁温差而引起的温差应力。填料函式换热器的优点是结构较浮头式换热器简单,制造方便,耗材少,造价低;管束可从壳体内抽出,管内、管间均能进行清洗,维修方便。其缺点是填料函耐压不高,一般小于4.0MPa;壳程介质可能通过填料函外漏,对易燃、易爆、有毒和贵重的介质不适用。填料函式换热器适用于管、壳壁温差较大或介质易结垢,需经常清理且压力不高的场合。

⑤釜式换热器 釜式换热器结构特点是在壳体上部设置适当的蒸发空间,同时兼有蒸汽室的作用。管束可以为固定管板式、浮头式或U 型管式。釜式换热器清洗维修方便,可处理不清洁、易结垢的介质,并能承受高温、高压。它适用于液-汽式换热,可作为最简结构的废热锅炉。


管壳式换热器传热机理

一般来说,管壳式换热器制造容易,生产成本低,选材范围广,清洗方便,适应性强,处理量大,工作可靠,且能适应高温高压。虽然它在结构紧凑性、传热轻度和单位金属消耗量方面无法与板式和板翅式换热器相比,但它由于具有前述的一些优点,因而在化工、石油能源等行业的应用中仍处于主导地位。暖通南社

管壳式换热器是把管子与管板连接,再用壳体固定。它的型式大致分为固定管板式、釜式浮头式、U型管式、滑动管板式、填料函式及套管式等几种,前面我们简要介绍过。根据介质的种类、压力、温度、污垢和其他条件,管板与壳体的连接的各种结构型式特点,传热管的形状和传热条件,造价,维修检查方便等情况来选择设计制造各种管壳式换热器。

管壳式换热器结构及制造标准

一般来说,管壳式换热器制造容易,生产成本低,选材范围广,清洗方便,适应性强,处理量大,工作可靠,且能适应高温高压。虽然它在结构紧凑性、传热轻度和单位金属消耗量方面无法与板式和板翅式换热器相比,但它由于具有前述的一些优点,因而在化工、石油能源等行业的应用中仍处于主导地位。

管壳式换热器是把管子与管板连接,再用壳体固定。它的型式大致分为固定管板式、釜式浮头式、U型管式、滑动管板式、填料函式及套管式等几种,前面我们简要介绍过。根据介质的种类、压力、温度、污垢和其他条件,管板与壳体的连接的各种结构型式特点,传热管的形状和传热条件,造价,维修检查方便等情况来选择设计制造各种管壳式换热器。

管壳式换热器结构及制造标准

管壳式换热器: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,这种换热器结构较简单、操作可靠,可用各种结构材料(主要是金属材料)制造,能在高温、高压下使用,是目前应用最广的类型。(设计制造遵循标准:国外 TEMA   ASME   国内  GB151、GB150)暖通南社


换热器封头选取原则

1、管壳侧是否需要清洗;

2、是否需要移动管束;

3、是否需要考虑热膨胀;

前封头类型:A、B、C、D、N

后封头类型:L、M、N、P、S、T、W

后封头又分为固定式、浮头式以及U型管,相对于固定式,浮头式造价更高、需要更大的壳径、低的换热效果(由于泄漏流C的存在),优点则是一端具有自由度可以处理好热膨胀问题。

前封头


A型封头:适应于管程流体较脏,需要经常清洗的情况。

B型封头:单法兰经济型最好,由于易于采购,是最常用的封头

C型封头:带管板和可拆盖,管侧清洗方便,可以处理管程高压和高危介质(适当),适于壳侧管束较重以及壳侧需要清洗的情况。

D型封头:特种高压型,适用于特殊高压的工况(管箱焊在管板上)

N型封头:带管板和可拆盖,管束不可拆,此种封头经济性最好,接近管板容易;可以处理壳侧高危介质。

A型封头与B型封头相比多了一片法兰,其耐压性没有B型封头好,其优点是换热器检修时不许将封头拿掉,相对于B型封头来说更加方便。C型封头、N型封头换热器中的管束是可抽出的,其中C型封头的换热器中的管板和管箱是焊在一起的。

后封头


L型后封头:和A型前封头相同;

M型后封头:和B型前封头相同;

N型后封头:和N型前封头相同;

U型:U型管束,管束可移动,壳侧容易清洗;热膨胀处理优秀,经济(无法兰);缺点是管侧无法清洗,更换管束困难,弯头部位容易冲刷损伤。

P型封头和W型封头已经被淘汰,不在使用。

S型封头:其尺寸特点是其后封头要比壳体的直径大,优点是可以解决换热器设计过程中的两个问题,一是可以消除换热器的热应力,二是换热器的管壳侧都可以进行清洗。暖通南社

T型封头和S型封头相似,但其后封头尺寸和壳体直径相同,且其内封头和管束可以直接抽出,但T型封头和S型封头相比,受力情况没有S型封头好,唯一的好处是抽芯方便,在工程设计中一般不选用T。

换热器壳体


E型壳体:为单程壳体,在设计过程中一般优先选择,它适用于所有的情况,单相换热更优,缺点是压降较大。

F型壳体:适用于场地受限,需要双壳程的情况,比较适合于单相换热,纯逆流换热,传热温差大;缺点是F型壳体有分程隔板,此处会发生漏流,而且壳程进口与出口处的压差和温差都是最大的,会发生漏温且分程隔板也容易发生变形。所以F型壳体适用于压差和温差都不大的情况下。

G型壳体:属于平行流换热器,该换热器的热流体出口温度可以比冷流体出口温度低,适用于需要做壳侧强化的卧式热虹吸再沸器、冷凝器等。

H型壳体:双平行流换热器,主要用于冷凝和蒸发的工况下,而且壳体中不使用折流板。G/H型壳体的优点是传热温差大,比E型要高。

J型壳体:分流壳体,一是适用于壳体气相压降较大,振动解决不了的情况;二是用于再沸器,相对于E型使得传热的效果比较稳定;三是用于部分冷凝的工况,其缺点则是传热温差较小,传热系数也不大。

K型壳体:主要用于管程热介质,壳侧蒸发的工况,在废热回收条件下使用。暖通南社

X型壳体:冷热流体属于错流流动,其优点是压降非常小,当采用其他壳体发生振动,且通过调整换热器参数无法消除该振动时可以使用此壳体形式,其不足之处是流体分布不均匀,X型壳体并不经常使用。

在化工工艺手册中,I型壳体类型可EDR软件中的不是同一种壳体,其形式见I1,它的使用方式仅有一种搭配,就是BIU,U型管换热器。

换热器折流板


单弓形折流板:优点是可以达到最大的错流,缺点是压降较高,且窗口的管束容易发生振动;设计要点是折流板圆缺率在17%-35%之间,折流板间距在0.2-1.0倍的壳径。此种类型折流板适用于大部分场合。

NITW:该折流板窗口不布管,管子支撑完美,不引起管束振动,缺点是相同的壳径大小,布管数较少,需要的壳体直径大。设计要点:15%的折流板圆缺率。适合的场合是气体振动和压降受限。

双弓形折流板:优点是压降低,更好的规避振动的问题;缺点是大的窗口流动面积;设计要点:5%-30%的圆缺率,默认两排管重叠;适合场合时振动和压力受限的换热器(相对于单弓形折流板来说)。

螺旋折流板:分为单螺旋折流板和双螺旋折流板优点是换热好,压降低,流动均匀;缺点是制造困难;设计要点是螺旋角度5-45°,适合的场合时压降受限,容易结垢的场合。

折流杆:优点是支撑优,流动均匀,压降低基本无振动问题;缺点是低的换热效果;管子布置只能为45°和90°;适合场合是低压降气体冷凝和换热。暖通南社

窝巢型:支撑优,流动均匀,压降低;缺点是比换热效果不好,设计基本无要求。

蛋框型:支撑好,制造经济;缺点是高温应力下发生变形;设计基本无要求。

管壳式换热器设计所需考虑的因素

换热设备的类型很多,对每种特定的传热工况,通过优化选型都会得到一种最合适的设备型号,如果将这个型号的设备使用到其他工况,则传热的效果可能有很大的改变。因此,针对具体工况选择换热器类型,是很重要和复杂的工作。对管壳式换热器的设计,有以下因素值得考虑。

1、流速的选择

流速是换热器设计的重要变量,提高流速则提高传热系数,同时压力降与功耗也会随之增加,如果采用泵送流体,应考虑将压力降尽量消耗在换热器上而不是调节阀上,这样可依靠提高流速来提高传热效果。

采用较高的流速有两个好处:一是提高总传热系数,从而减小换热面积;二是减少在管子表面生成污垢的可能性。但是也相应的增加了阻力和动力的消耗,所以需要进行经济比较才能最后确定适宜的流速。

此外在选择流速上,还必须考虑结构上的要求。为了避免设备的严重磨损,所算出的流速不应超过最大允许的经验流速。

以下的三个表格分别表示了介质的流速范围和水在管内的流速余材质的关系等。


2、允许压力降的选择

选择较大的压力降可以提高流速,从而增强传热效果减少换热面积。但是较大的压力降也使得泵的操作费用增加。合适的压力降值需要以换热器年总费用为目标,反复调整设备尺寸,进行优化计算而得出。

在大多数设备中,可能会发现一侧的热阻明显的高于另一侧,此侧的热阻成为控制热阻。可壳程的热阻是控制侧时,可以用增加折流板块数或者缩小壳径的方法,来增加壳侧流体流速、减少传热热阻,但是减少折流板间距是有限制的,一般不能小于壳径的1/5或50mm。当管程的热阻是控制侧时,则依靠增加管成熟来增加流体流速。

在处理粘稠物料时,如果流体处于层流流动则将此物料走壳程。由于在壳程的流体流动易达到湍流状态,这样可以得到较高的传热速率,还可以改进对压力降的控制。

下图为不同介质在不同设备类型中的允许压力降参考值:


3、管壳程流体的确定

主要根据流体的操作压力和温度、可以利用的压力降、结构和腐蚀特性,以及所需设备材料的选择等方面,考虑流体适宜走哪一程。下面的因素可供选择时考虑:

适于走管程的流体有水和水蒸气或强腐蚀性流体;有毒性流体;容易结构的流体;高温或高压操作的流体等。

适于走壳程的流体有塔顶馏出物的冷凝;烃类的冷凝和再沸;管件压力降控制的流体;粘度大的流体等。

当上述情况排除后,介质走哪一程的选择,应着眼于提高传热系数和最充分的利用压力降上。由于介质在壳程的流动容易达到湍流(Re≥100),因而将粘度大的或流量小的流体,即雷诺数低的流体走壳程一般是有利的。反之,如果流体在管程能够达到湍流时,则安排走管程较合理。若从压力降的角度考虑,一般是雷诺数低的走壳程合理。

4、换热终温的确定

换热终温一般由工艺过程的需要确定。当换热终温可以选择时,其数值对换热器是否经济合理有很大的影响。在热流体出口温度与冷流体出口温度相等的情况下,热量利用效率最高,但是有效传热温差最小,换热面积最大。暖通南社

另外,在确定物流出口温度时,不希望出现温度交叉现象,即热流体出口温度低于冷流体出口温度。

5、设备结构的选择

对于一定的工艺条件,首先应确定设备的形式,例如选择固定管板形式还是浮头形式等。参照下表1-7.

在换热器设计过程中,强化传热总的目标概括有:在给定换热量下减少换热器的尺寸;提高现有换热器的性能;减小流动工质的温差;或者降低泵的功率。

传热过程是指两种流体通过硬设备的壁面进行热交换的过程,按照流体的传热方式基本上可以分为无相变和有相变两种类型。无相变过程强化传热技术的研究,一般依据控制热阻侧而采取相应的措施:如采用扩展管内或者管外表面;采用管内插异物;改变管束支撑件形式;加入不互溶的低沸点添加剂等方法,以增强传热效果。

螺纹管性能特点

在管子类型中,螺纹管属于管外扩展表面的类型,在普通换热管外壁轧制成螺纹状的低翅片,用以增加外侧的传热面积。螺纹管表面积比光管可扩展1.6-2.7倍,与光管相比,当管外流速一样时,壳程传热热阻可以缩小相应的倍数,而管内流体因管径的减小,则压力降会略有增大。螺纹管比较适宜于壳程传热系数相当于管程传热系数1/3-3/5的工况。


波纹管换热器的性能特点

以改变管内流体流动状态、增强传热效果的典型管形为波纹管、内插物管。波纹管是在无切削的机加工中,管内被挤出凸肋从而改变了管内壁滞流层的流动状态,减少了流体传热热阻,增强了传热效果。


折流杆换热器的性能特点

折流杆换热器、双弓板换热器、盘环式换热器、旋流式换热器等,都属于通过壳程管束支撑件、大幅度降低阻力提高流速或改变流动方式从而达到强化传热的目的。折流杆换热器每根换热管的四个方向上,用折流杆加以固定,具有很好的防震性能。

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