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换热器是化工、石油、能源等各工业中应用相当广泛的单元设备之一。据统计,在现代化学工业中换热器的投资大约占设备总投资的30%,在炼油厂中占全部工艺设备的40%左右,海水淡化工艺装置则几乎全部是由换热器组成的。对国外换热器市场的调查表明,虽然各种板式换热器的竞争力在上升,但管壳式换热器仍占主导地位约64%。新型换热元件与高效换热器开发研究的结果表明,列管式换热器已进入一个新的研究时期,无论是换热器传热管件,还是壳程的折流结构都比传统的管壳式换热器有了较大的改变,其流体力学性能、换热效率、抗振与防垢效果从理论研究到结构设计等方面也均有了新的进步。

在管壳式换热器中最简单的是单管程的换热器,如需增加传热面,一般采用增加管数的方法,管数增加后可将管束分程,以防止管数增加后引起管内流速以及传热系数的降低,从制造、安装、操作的角度考虑,一般采用偶数管程且程数不宜太多。

图1右图1中列出了几种代号的壳程型式。E型是最普通的一种,壳程是单程的,管程可为单程也可59天津建设科技2007增刊建筑技术为多程;F型为二壳程的换热器,是在壳体中装入了一块平行于管子轴线方向的纵向隔板;G型也为二壳程的换热器,纵向隔板从管板的一段移开使壳程流体得以分流;H型与G型相似,但进出口接管与纵向隔板均多一倍。

管束在管板上的排列方式最常见的有4种:正三角排列、转角正三角形排列、正方形排列和转角正方形排列。

管板是换热器的重要部件之一,用来排布换热管并起着分隔管程、壳程空间的作用。薄管板有着节省材料的优点,是用于中、低压换热器中;椭圆形管板与换热器的壳焊接在一起,受力条件较好,适用于高压、大直径的换热器。

折流板体有助于提高壳程的流速,增强湍动,改善传热,在卧式换热器中起支承管束的作用。常用的折流板有单弓形、双弓形、三重弓形等。折流杆是一种新型支承管子的结构,其优点:在传热量相同的情况下,其压力降比弓形折流板的换热器降低50%以上,没有传热死区,结垢速率慢,防止了横向流诱发的振动。

管束式换热器工作原理管束式换热器的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。一种工质由封头端的进口接管进入传热管内，其流程可根据工艺要求实现一管程、二管程和四管程结构；另一种工质由壳体一端的进口接管进入壳体内并均匀地分布于传热管外，其流动状态可根据工艺要求在管束中设置不同型式和数量的折流板。2个不一样温度的工质进入换热器内，温度相对高的工质经过换热管壁把热量传递给温度相对低的工质，温度相对高的工质被冷却，温度相对低的工质被加热，进而完成两流体换热工艺的目标。

管壳式换热器一般有3种结构型式:固定管板式、浮头式和U形管式。由于换热器的使用场合、使用目的、换热介质物性等因素的不同,决定了管壳式换热器的结构型式。

固定管板式换热器结构简单、紧凑、造价低,往往是管板兼法兰,适用于管、壳程温差不大或管、壳程温差大,但压力不高,壳程介质干净或虽结垢但通过化学清洗能清除的场合。其主要缺点是当壳体与管子的壁温或材料的线膨胀系数相差较大时,在壳体与管中将产生很大的温差应力。

浮头式换热器管束一端的管板可以自由移动,不受温差应力的影响,其结构复杂,内浮头密封困难,锻件多,造价高。维修时可拆卸浮头,抽出管束进行检修或更换,适用于管、壳程温差大但工作压力不超过10MPa的工况,缺点是需要抽出管束。还有一种浮头式换热器也成为填料函式换热器,其管束可自由伸缩,壳程和管程都可以拆开清洗,结构简单,适用管、壳程温差大工况,但其耐压、耐温及密封能力差,目前只是在低压与小直径的场合下使用。

U形管式换热器管束可自由伸缩,只有一块管板,密封面少,管束与壳体分离,消除了温差应力,可抽芯检修更换。适用场合为管、壳程温差大,高温,高压。壳程需抽芯清洗,管内介质干净或虽会结垢但通过化学清洗能清除。

提高管束式换热器传热能力的措施

管束式换热器的传热能力是由壳程换热系数、管程换热系数和换热器冷、热介质的对数平均温差决定的,因此,提高管束式换热器传热能力的措施包括以下几点。

(1)提高管束式换热器冷、热介质的平均对数温差。

冷、热介质平均对数温差除直接受冷、热介质进出口温度影响外,还受到冷、热介质的流动方向和换热流程的影响。当换热器冷、热流体的温度沿传热面变化时,两种流体逆流平均温差最大,顺流平均温差最小,在实际换热器设计中,冷、热流体多采用交错流方式,其平均对数温差介于逆流和顺流之间。因此,应尽量增加换热器冷、热流体的逆流比例,提高冷、热流体的对数平均温差,提高换热器的传热能力。

(2)合理确定管程和壳程介质。

在换热器设计中,对于壳程安装折流板的换热器来说,Re>100时,壳程介质即达湍流,因此,对于流量小或粘度大的介质优先考虑作为壳程换热介质;由于管程清洗相对于壳程清洗要容易,因此对于易结垢、有沉淀及杂物的介质宜走管程;从经济性考虑,对于高温、高压或腐蚀性强的介质,作为管程换热介质更加合理;对于刚性结构的换热器,若冷、热介质温差大,因壁面温度与换热系数大的介质温度接近,为减小管束与壳体的膨胀差,换热系数大的介质走壳程更加合理,而冷、热介质温差小,两介质换热系数相差大,换热系数大的介质走管程更加合理。

(3)采用强化管壳式换热器传热的结构措施。

在换热器设计中,通常采用强化传热的措施来提高换热器的传热能力。强化传热的常用措施有:采用高效能传热面、静电场强化传热、粗糙壁面、搅拌等。