管壳式换热器壳程流体通道设计

管壳式换热器壳程流体通道设计

王福新,王　玉
              

(沈阳汇博热能设备有限公司,辽宁沈阳　110043)

摘要:管壳式换热器是目前应用最广泛和可靠的换热器,其壳程流体通道设计是工艺设计和设备设计的重要内容。文中论述了管壳式换热器壳程流道设计的主要类型、适用场合,对合理地选用和设计壳程结构具有一定的参考价值。
    关键词:管壳式换热器;壳程;流道设计
    中图分类号:TE965　　文献标识码:A　　文章编号:1004-9614(2011)03-0034-03
    1·管壳式换热器结构特点及应用场合管壳式换热器优点是适用范围广,坚固耐用;缺点是消耗材料多,体积大,费用高,换热效率低。但由于其具有高可靠性,技术成熟,目前仍是石化行业换热设备的首选产品。
    为了适应各种工况和维护需要,管壳式换热器通常分为两类,管束可以拆卸的和不可拆卸的。不可拆卸的主要以固定管板式为代表;可拆卸的主要类型有浮头式、U形管式、填料函等类型。
    2·管壳式换热器壳程结构发展
    管壳式换热器分管程、壳程。管程的流速和流动阻力计算比较容易解决,通过改变管程数,即可达到调节两者的目的。另外,通过选用管内强化换热管,如横槽换热管、缩放管、波纹管等都可以实现管内强化。
    壳程结构一直沿用横向流结构,直到20世纪70年代至80年代情况才有所改变,发明了纵向流结构。20世纪90年代,螺旋流结构也开始工业应用。这些新结构的应用,解决了多年来管壳式换热器换热效率低、抗振效果差等问题,使管壳式换热器的效率和可靠性方面,又取得了实质性的进展。目前有代表性的壳程结构,按壳程流体流动状态,将其分为横向流结构、纵向流结构、螺旋流结构。
    3·横向流结构
    传统的换热器壳程结构,多以单弓型为主,应用历史悠久,工艺计算结果精确。
    经典的流路分析将弓形折流板形成的流路分为5种,即:A流路—折流板管孔和管子之间的泄漏流路;B流路—错流流路; C流路—管束外围和壳内壁之间的旁流流路;E流路—折流板与壳内壁之间的泄漏流路;F流路—管程分程隔板处的中间穿流流路(单管程换热器无此流路)。
    简化的应用弓形折流板的壳程流动状态如图1所示。“B”是主流,约占传热面积的60% ~80%。其他低流速区域,约占传热面积的20% ~40%,这些区域,由于流速低,故而传热系数低,易结垢。
    由于该结构泄漏流路多,死区范围大,传热效率低,易结垢。横向流体流动方向变换剧烈,消耗能量多,流阻大。横向流体对管束冲刷强烈,管束易产生振动破坏。
    横向流结构虽然有很多缺点,但其工艺计算准确,制造简单,目前仍是管壳式换热器应用最为广泛的结构设计。弓形折流板缺口方向常用的有水平和竖直方向,缺口弦高通常是圆筒内径的20% ~45%,应根据具体的工况确定。

             
    4·纵向流结构
    4·1　折流杆结构
    纵向流的典型结构,是利用杆来支承管束,其支承情况和流动状态如图2所示。

             
    4·1·1　折流杆结构的主要优点
    4·1·1·1　克服了振动引起的管束破坏
    折流杆支承结构的独特设计,消除了壳程的横向流动,变为纯粹的纵向流动(进出口局部地区除外),有效地克服了管束振动。研究表明,横向流与纵向流对管子振动的激励强度具有数量级的差别。
    4·1·1·2　明显地减少了压降
    应用表明,在相同流量或传热量下,压力降可比传统弓形折流板降低50%以上。
    4·1·1·3　消除了死区(停滞区),结垢速度慢
    折流杆支承没有板式支承造成的腐蚀和降低传热效率的死角(停滞区),结垢速度慢。这种较低结垢速率导致两次清洗时间的间隔可以延长,两次清洗时间的间隔最长可延长近5倍。
    4·1·1·4　管束抽出和清洗时间减少
    折流杆支承消除了壳程流体流动死区,各部位流速较一致,垢层薄而均匀,使得管束的抽出和清洗时间可比原板式支承减少一半。
    4·1·1·5　简化了管束进口和出口的结构无论接管方位是轴向还是周向,杆状支承都简化了管束进口和出口结构。
    4·1·1·6　理想的壳层流体流动状态
    流体在折流杆换热器壳程内的流动没有滞留区,涡流通过折流杆被分成许多涡街,使流体产生湍动,从而在低能量消耗情况下强化了传热。
    4·2　其他纵向流结构
    主要有管自支承结构,如螺旋扁管换热器,该种换热器不需要另外采用支承结构,仅靠换热管之间的相互支承约束,该种换热器对管内外均可强化。纵向外翅片管也常常利用外翅的相互支承,迫使壳程流体纵向流过翅间通道。
    5·螺旋流结构
    螺旋流结构是介于横向流和纵向流的一种结构,支承结构和流动状态见图3。其实质是相当于将弓形折流板的B流路,连续的螺旋前进;相对于弓形折流板,流道距离更长,换热更充分。

              
    5·1　螺旋流结构的主要特点
    5·1·1　传热系数高
    由于流体沿着螺旋通道及流体在径向方向存在速度梯度,流体易形成湍流。从图3分析,流体通道无滞流区,同横向流比较有效传热面积更大,也不易结垢。因此传热系数高于横向流结构。
    5·1·2　压降小
    流体流动螺旋平稳前进,不像横向流流动剧烈的方向变化,因而流动阻力较小。
    5·1·3　抗振性能好
    由于流体螺旋状流动对管束的冲击性较横向流小、且无弓形折流板的缺口对管束支承的削弱,抗振效果得到很大提高。
    5·1·4　设计制造较复杂
    螺旋折流板换热器虽然有诸多优点,但设计制造相对复杂。为降低制造难度,多采用非连续螺旋结构,即每圆周采用3块或4块折流板布置。工业应用不如弓形、折流杆换热器普遍。
    6　流道结构选用
    6·1　要求制造简单、壳程用于蒸发类型的换热器一般选用横向流结构即可。因为纵向流结构、螺旋流结构制造比横向流复杂得多,制造费用也高。蒸发类型的换热器一般壳程要求有较大的蒸发空间,阻挡蒸发气流的部件越少越好,一般选用弓(圆)型支承板。
    6·2　要求总传热系数高
    由于纵向流和螺旋流都具有强化壳程传热的特点,选用这2种结构是恰当的。
    6·3　要求抗振性能好
    传统的横向流结构,由于流体对管束的冲击,极易诱发管束振动,造成换热器过早损坏。采用纵向流结构、螺旋流结构都会抵御振动引起的破坏。目前,纵向流的折流杆结构是优秀的抗振结构。
    6·4　黏稠、含颗粒介质
    横向流由于存在滞流区,会更加不利于黏稠、含颗粒介质的流动和热交换,加之颗粒的沉积、结垢,将进一步减弱传热效果。实际运行表明,纵向流结构对该类介质换热效果加强并不明显;而对于螺旋流结构,不存在滞流区,颗粒也不容易在螺旋流状态下沉积,是目前最好的黏稠、含颗粒介质应用结构,适于渣油、焦油、泥浆类介质。
    6·5　工艺计算要求准确的场合
    横向流、纵向流的工艺计算已相当完备,计算结果准确。螺旋流结构由于产生时间较短,加之实际结构与理想模型差距较大,工艺计算不够完备。
    6·6　双壳程结构的选用
    放入纵向隔板的双壳程换热器,可以改善热效应,比2个换热器串联要便宜。分流式换热器,适用于大流量且压降要求低的情况,中间的隔板作为冷凝器时可以采用有孔板;双分流式换热器,适用于低压降的情况,当一物流与另一物流相比温度变化很小的情况,以及适用于温差很大或者传热系数很大的情况。由于现有的双壳程纵向隔板的密封效果并不十分可靠,因此,在工艺要求比较苛刻场合,有时要将2台或3台重叠放置,壳程用接管相互联通,以达到真正的壳程分程目的。
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