管壳式换热

管壳式换热器壳程传热强化研究进展

信息来源:延安大学化学与化工学院作者:曹振恒,赵立功,王彩琴,翟 祥更新日期:15-11-30 点击:
摘 要:对比分析了管壳式换热器壳程传热强化的主要方式和壳程管束支撑结构的研究进展。大多数管壳式换热器壳程强化结构兼具管束支撑的功能,主要以不同形式的折流杆、整圆形孔板、空心环、管束自支撑和螺旋折流板等代替传统的弓形折流档板,结构的优化提高了换热器壳程传热系数,且有效降低了壳程的流动阻力,缓减了换热器壳侧管束的振动和结垢,从而提高了换热器的传热性能。 管壳式换热器在石油、化工、冶金、动力、食品、制冷、钢铁、原子能、发电等领域占据着主导地位,在我国所有换热器产量中管壳式换热器的产量约占80%[1]。随着现代工业领域的快速发展,社会对能源的需求日益增长,为了节约能耗,工业上对换热器的需求越来越多,对换热器的质量要求也越来越高。在现代石油化工企业中,换热器的投资占所有投资的30%~40%。鉴于管壳式换热器具有适应性强、操作弹性高、换热面积较大、选材广、处理能力大、易于制造、清洗、成本低等特点,在换热设备中始终占据主导地位。在管壳式换热器中,折流板起到改变壳程流体的流动方向和支撑的作用。由于壳侧流体流动方向改变比较频繁,且存在漏流现象,因此壳程内流体的流动方向和换热成为研究换热器的困难所在。在传统的弓形折流板换热器中,流体成Z 字形流动,这种折流板换热器存在沿程压降大,容易产生流动死区,容易结垢和振动寿命短,效率低等缺点;这些缺点威胁着换热设备的安全运行。 针对以上缺陷,为了强化壳程传热,国内外许多学者致力于管式换热器强化传热的研究[2]。各国学者对管束支撑的结构进行了改进和创新。管束支撑由最初的折流板到出现的折流杆,以及后来开发出的整圆心孔板、空心环、管束自支撑和螺旋折流板等一系列管束支撑结构,这些结构可以降低流体在壳侧的阻力,消除壳程流体流动死区,以利于达到壳程强化传热。 1 ·管壳式换热器壳程强化及管束支撑方式 换热器强化传热是通过对影响传热的各种因素的分析与计算,采用某些技术措施以提高换热设备的传热量。传热速率方程为Q=KA ∆ tm,Q 为换热量,K 为传热系数,A 为传热面积, ∆ tm为传热温差。可以通过增大传热面积和传热温差来强化传热过程。对于管壳式换热器,强化传热研究主要集中在对管程和壳程强化的研究,本文主要介绍管壳式换热器壳程强化传热的进展。 1.1 折流板 折流板被用来支撑换热器的换热管,以此来减少换热管之间没有支撑的跨距,避免流体流动时产生诱导振动,更重要的一点是为了增加壳程内流体的流速,以此来提高壳程的传热系数,最终达到提高总传热效率的目的。 传统的管壳式换热器大多采用弓形折流板来支撑管束,弓形折流板包括单弓形、双弓形和三弓形。单弓形折流板和双弓形折流板是换热器设计中用得较多的结构,但是单弓形折流板具有流阻大,易结垢,压降大等缺点[3]。双弓形折流板由双弓形隔板和中心隔板组成,两种隔板是沿着管束方向交替排列,引导流体波浪式前进[4]。双弓形折流板一般适用于壳程流量比较大的流体或密度较低的气体,此时会降低流体的压降,但是对壳程的传热系数却没有多大改变。双弓形隔板换热器与间距和缺口相同的单弓型隔板换热器相比,虽然其压降为后者的30%~50%,传热系数为后者的60%~80%,但总体的传热性能是提高的[5]。另外折流板的间距尺寸要合适,尺寸过大过小都会使壳程的传热效率降低。 1.2 折流杆 折流杆支撑是由支撑杆、折流环交叉支撑拉杆、分隔板和纵向滑动杆组成的折流栅代替折流板的一种结构。一般运用于壳程流量很大的物流或流体为低浓度低压气体。它可以使流体在壳程内产生折流,这样可以防止振动,也可以增加流体在壳程内的湍流度,以此来增加壳程传热系数。而流体湍流度的增加主要靠流体经过折流杆时产生的文丘里效应和涡流实现的[6]。折流杆式换热器是二十世纪七十年代由美国菲利浦石油公司开发的,由于壳程内流体的流动方向和管束是平行的,所以也叫纵流折流杆式换热器。这类换热器基本上实现了管壳和壳程内流体的完全逆流,以此增大了平均温差,得到了传热效果[7]。折流杆式换热器压降很低,比弓形隔板低1/4,传热效率比较高,是弓形折流板换热器的1.3~2.4 倍[5]。郭展玲[8]在用折流杆式换热器代替折流板换热器的应用分析中得出,在相同传热量的情况下,折流杆式换热器比弓形折流板换热器的压力降降低了50 %以上。 1.3 整圆形孔板 在一些石油化工行业中,出现了一种新型的折流板换热器—整圆形折流板换热器。这种折流板不开缺口,而是在折流板上钻一些大圆孔,这些大圆孔既能让管子穿过去,也能留出空隙使流体通过,它代替了传统的弓形折流板。 Mohammad .Tarawneh 等[9]对单相层流强制对流在多孔管壳式换热器试验研究