固定管板式换热器设计结构设计说明

固定管板式换热器设计结构设计

第一章绪论

1 研究的目的和意义

随着现代工业的发展，以能源为中心的环境、生态等问题日益加剧。世界各国在寻找新能源的同时，也更加注重了节能新途径的研发。强化传热技术的应用不但能节约能源、保护环境，而且能大大节约投资成本。换热器由于其在化工、石油、动力和原子能等工业部门的广泛应用，使得换热器的强化传热技术一直以来受到研究人员的重视，各种研究成果不断涌现[1]。

换热器是一种实现物料之间热量传递的节能设备,在石油、化工、冶金、电力、轻工、食品等行业应用普遍。在炼油、化工装置中换热器占总设备数量的40%左右,占总投资的30%一45%。近年来随着节能技术的发展,换热器的应用领域不断扩大,带来了

显著的经济效益[2]。

目前,在换热设备中,管壳式换热器使用量最大。因此对其进行研究就具有很大的意义。

换热器换热过程是为了实现下列目的：⑴通过减小设计传热面积来减小换热器的体积和质量⑵．提高已有换热器的换热能力⑶．使换

热器能在较低额温差下正常工作⑷．通过减小换热器的流体阻力来减少换热器的动力消耗

2 国内外发展状况

2.1管程强化传热研究进展

换热管是管壳式换热器的主要组成部分，以下是列举的集中国内外新型高效换热管以及它们的作用

2.1.1螺旋槽管

螺旋槽管是一种管壁上具有外凸和内凸的异形管,管壁上的螺旋槽能在有相变和无相变的传热中明显提高管内外的传热系数,起到双边强化的作用。根据在光管表面加工螺旋槽的类型螺旋槽管有单头和多头之分,其主要结构参数有槽深e、槽距p和槽旋角β。美国、英国、日本从1970年至1980年间对螺旋槽管进行了大量的研究[1]

2.1.2横纹管

华南理工大学曾研究过1974年前苏联提出的一种换热管，研究表明：在相同流速下，横纹管的流体阻力较单头螺旋槽管的流体阻力要小。[2]

2.1.3螺旋扁管

梁龙虎[3]经实验研究,表明螺旋扁管管内膜传热系数通常比普通圆管大幅度提高,在低雷诺数时最为明显,达2～3倍;随着雷诺数的

增大,通常也可提高传热系数50%以上。这是由瑞士Allares公司首先提出的一种换热管。管子具有独特结构,流体在管内处于螺旋流动,促使湍流程度。

2.1.4管内插入物

英国CalGavin公司研制一种叫Heatex的插入物,它由一组延伸至管壁的圆态体组成,可使管侧传热效率提高2～15倍[4]。

该公司还开发了一种叫HitranMatrixElements的花环式插入物,能在不增大压降的条件下大大提高传热系数。用于液体工况,可使管壳式换热器管程传热效率提高25倍;用于气体工况,可使相应值提高5倍。此外,与正常流速相比,这种插入物使换热管的防垢能力提高8～10倍[5]

2.1.5内翅片管

内翅片管的特点是通过在换热管管内扩大换热面积，强化管内传热途径来提高换热效率。该换热管在1971年由美国提出，日本，俄罗斯等国家进行过大量研究，研究表明：内翅片管的可以使管内换热系数提高到光管的25倍[6]

2.1.6缩放管

缩放管是由依次交替的多节渐缩段和渐扩段构成,流体在该管结构的作用下引起湍动,从而提高传热效率。缩放管应用于单相流的研究已开展很多。华南理工大学提出一种改型缩放管,将每个缩放单元段中的扩张段减到最小,并采用外凸圆弧、内凹弧和直线相连接的方式。同时还对该改进型管进行自然对流沸腾换热特性的实验研究,表

明了改进型缩放管的自然对流沸腾换热性能优于普通缩放管[7]。陈颖[8,9]经实验和模拟计算,表明该改进型缩放管有较好的强化传热效果。

2.1.7三维内肋管

三维内肋管是通过专用的工具经过一定的方法对普通圆管内壁加工而成的高效强化传热元件。流体在管内受到三维肋的作用而使其热边界层的厚度减薄,从而提高对流传热膜系数。在某些烟气管对流换热中,三维内肋管具有独特的自清灰功能,李清方[10]经实验,发现烟气与三维内肋管的对流换热系数可达光管的3.2倍,比其它强化管如螺纹管的传热效果好。

2.2壳程强化换热研究进展

2.2.1杆式支撑结构[11]

美国菲利浦石油公司于20世纪70年代,为改进传统换热器中管子与折流板的切割破坏和流体诱导作用，开发了壳程流体纵流折流杆式换热器。纵流形支承结构的特征是壳程流体的流动方向与管束平行,这类换热器基本实现了壳程、管程流体的完全逆流,增大了有效平均温差,提高了传热效果。

2.2.2螺旋折流板[12-13]

从结构上看该换热器主要包括2大类:一类是没有中心管,折流板为非整体连续的螺旋结构,其设计原理为:将圆截面的特制板安装在“虚拟螺旋折流系统”中,每块折流扳占换热器壳程横剖面的1/4,

倾角朝向换热器的轴线,使壳程流体做螺旋运动,减少了管板与壳体之间易结垢的死角,从而提高了换热效率。在气-水换热的情况下,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%。另一类是设有中心管,折流板为整体连续的螺旋结构。其设计形式是折流板围绕中心管螺旋缠绕,形成整体连续的螺旋折流板结构,这种结构文献中报道较少,张正国等[14]和英国公司[15]均有相关专利。另外辽宁石油化工大学陈世醒[16]又提出了一种特殊形式的折流板。商利艳[17]等分别对螺旋角为12°、18°、30°、40°的单螺旋板折流换热器性能进行了实验研究,随着螺旋角的减小传热效果增强,但压降增大,得出螺旋角为18°的综合性能最好。王树立[18]等实验结果表明最佳的螺旋角与壳程流体的雷诺数有关.

2.2.3空心环支撑[19]

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4所示。研究表明,空心环管壳式换热器取代折流板式换热器使换热器钢材减少35%～50%,气体压降减少30%～40%,已成功应用于硫酸工业与石化工业。广东鹤山市磷肥厂年产4×104t硫酸的工业过程中,应用该换热器比传统换热器节省换热面积50%,节省钢材40%。空心环常常与强化传热管配合使用,能够同时强化管程、壳程传热,可获得比普通光管高80%～100%的传热膜系数。但空心环支承的扰流作用不如折流杆支承,而且管束固定工艺相对较复杂。