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帖子主题:间壁式换热器的类型夹套式换热器
楼主:游客2419 [2015-7-8 16:36:14]

一、夹套式换热器

如图所示,为一夹套式换热器。这种换热器结构简单,即在反应器(或容和的外部筒体部分焊接或安装一夹套层,在夹套与器壁之间形成密闭的空间,成为一种流体的通道。

夹套式换热器主要用于反应器的加热或冷却。当蒸气进行加热时,蒸气由上部接管进入夹套,冷凝水由下部接管排出。如用冷却水进行冷却时,则由夹套下部接管进入,而由上部接管流出。由于夹套内部清洗比较困难,故一般用不易产生垢层的水蒸气、冷却水等作为载热体。

这种换热器的传热系数较小,传热面又受到容器冷凝液的限制,因此适用于传热量不大的场合。为了提高其传热性能,可在容器内安装搅拌器,使容器内液体作强制对流。为了弥补传热面积的不足,还可在容器内加设蛇管等。当夹套内通冷却水时,可在夹套内加设挡板,这样既可使冷却水流向一定,又可使流速增大,以提高对流传热系数。

 

第1楼:游客2419 [2008-5-16 8:50:38]

二、蛇管式换热器

1.沉浸式蛇管换热器

如图所示,为一沉浸式蛇管换热器。蛇管多以金属管弯绕成窗口器的形状,沉浸在容器中的液体内。两种流体分别在管内、外流动进行热交换。

沉浸式蛇管换热器

这种换热器的优点是结构简单,价格低廉,便于防腐,能承受高压。其主要缺点是管外对流传热系数较小,因而传热系数K值也较小如在容器内加设搅拌器,则可提高传热系数。

2.喷淋式蛇管换热器

喷淋式蛇管换热器

如图所示,它是用水作为喷淋冷却剂,以冷却管内的热流体,故常称为水冷器。冷却水从上面的水槽(或分布管)中淋下,沿蛇管表面下流,与管内的热流体进行热交换。这种设备通常放置在室外空气流通处,冷却水在外部汽化时,可带走部分热量,以提高冷却效果。它与沉浸式蛇管换热器相比,具有便于检修、清洗和传热效果较好等优点;其缺点是占地较大,喷淋不易均匀,耗水量大。

 

第2楼:游客2419 [2008-5-16 8:55:21]

三、套管式换热器

如图所示,为一套管式换热器。这种换热器是由两种不同直径的管子装成同心套管,每一段直出口-管称为一程,程数根据换热任务和要求确定。每程的有效长度为4~6m,内管直径在38~89mm范围内选取,外管直径在60~114mm范围内选取,一般均选标准管。

套管换热器的优点是结构简单,能耐高压,传热面积可根据需要易于增减,恰当地选择内管和外管的直径,可使流体流速增大,且呈浦流状态,故一般具有较高的传热系数,同时也可减少垢层的形成,两种流体可始终保持逆流流动,传热效果较好。其缺点是单位传热面积的金属消耗量大,占地较大。故一般适用于流量不大、所需传热面积较小及高压的场合。

第3楼:游客2419 [2008-5-16 9:02:09]

四、列管式换热器

列管式换热器又称管壳式换热器,是目前石油化工生产中应用最广泛的一种换热器。它与其它换热器相比,主要优点是单位体积所具有的传热面积大,传热效果好,结构比较简单,处理能力大,适应性强,操作弹性大,尤其在高温、高压和大型装置中应用更为普遍。

1.列管换热器的结构

列管换热器主要由壳体、管束(换热管)、管板(又称花板)、顶盖(又称封头)和连接管等部件组成。

壳体内装有管束,管束是由许多无缝钢管两端固定在管板上组成的,固定的方法可用胀接法,也可用焊接法。

一种流体通过管内流动,其行程称为管程,另一种流体在壳体与管束间的空隙流动,其行程称为壳程

流体一次通过管程的称为单管程列管换热器。当换热器的传热面积较大时,管子数目较多,为提高管程的流体流速,常将管子平均分成若干组,使流体在管内依次往返多次通过,称为多管程。

增加管程数虽然可以提高流速使对流传热系数增大,但随着管程数增加,流体流动阻力增大,动力费用增加,结构也变得复杂,故管程数不宜过多,通常多为2、4、6程。

同样,为提高壳程的流体流速,增大壳程侧的对流传热系数。当常在壳程安装折流挡板,以常见的折流挡板有圆缺形(或称弓形)和圆盘形两种,前者应用较为广泛。

 

圆缺形折流挡板

 

圆盘形折流挡板

2.列管式换热器的基本型式

列管式换热器操作时,由于冷、热两流体温度不同,使壳体和管束的温度也不同,其膨胀程度就不同。如果两流体的温度相差较大(如50℃以上)时,就可能由于热应力而引起设备的变形,甚至弯曲和断裂、或管子从管板上松脱,因此就必须从结构上采取适当的温差补偿措施,以消除或减小热应力。根据采取热补偿的措施不同,列管式换热器常有以下三种基本形式。

 (1)固定管板式换热器

如图所示,为具有补偿圈(或称膨胀节)的固定管板式列管换热器,当壳体与管束间有温差时,依靠补偿圈的弹性变形,来适应壳体与管束间的不同热膨胀。这种补偿结构一般适用于壳体与管束间的温度差低于50℃,壳程压力小于6kgf/cm2的情况。这种换热器具有结构比较简单、造价低廉的优点;但其缺点是因管束不能抽出而使壳程清洗困难,因此要求壳程的流体应是较清洁且不易结垢的物料。

(2)浮头式换热器

如图所示,为一浮头式换热器,两端管板中有一端不与壳体固定相连,该端称为浮头。当壳体与管束因温度不同而引起热膨胀时,管束连同浮头就可在壳体内自由伸缩,而与壳体无关,从而解决热补偿问题。另外,由于固定端的管板是以法兰与壳体相连接的,因此管束可以从壳体中抽出,便于清洗和检修,所以浮头式换热器应用较为普遍,其缺点是结构比较复杂,金属消耗量多,造价较高。

(3)U形管式换热器

如图所示,为一U形管式换热器,每根管子都弯成U形,两端均固定在同一管板上,因此管子可以自由伸缩,从而解决热补偿问题。这种型式换热器结构较简单,重量轻,适用于高温和高压的情况。其主要缺点是管程清洗比较困难,且因管子有一定弯曲半径,管板利用率较低,管程不易清洗,因此管程流体必须清洁。

上述三种型式的列管式换热器,我国已有系列化标准,其规格和系列标准课本P298-303。

第4楼:游客2419 [2008-5-16 9:08:58]

五、其它类型换热器

除了上述几种在炼油及石油化工生产中普通应用的换热器外,还有其它类型的换热器。目前应用虽然不太普遍,但由于这些换热器具有设备紧凑句单位体积传热面积大、金属材料耗量少及传热效果好等优点,其使用范围正日益扩大。下面简单介绍几种。

1.翅片式换热器

为了增加传热面,提高传热效果,在换热管表面上加上纵向(轴向)或横向(径向)翅片,称为翅片换热器,常见的几种翅片形式如图5-36所示

当相互换热的两流体的对流传热系数相差较大时,如用水蒸气加热空气或粘性大的液体,用空气冷却热的液体时,则空气或粘性大的液体一侧的热阻为控制性热阻。此时,如在换热管的气体或粘性大的液体一侧增设翅片,既可增大了气体一侧的对流传热面积(翅片的面积为光滑管面积的2~9倍),又可增强气体流动的湍动程度,从而提高了换热器的传热效果。一般来说,当两流体的对流传热系数之比等于或大于3时,为强化传热,宜采用翅片式换热器。

翅片的种类很多,按其高度可分为高翅片和低翅片两种。高翅片适用于冷、热流体的对流传热系数相差大的场合,如气体的加热或冷却。低翅片多为螺纹管,适用于冷、热流体的对流传热系数相差不太大的场合,如粘度较大流体的加热或冷却等。

目前,在炼油和石油化工中,翅片式换热器较为重要的应用是空气冷却器(简称空冷器),由翅片管束、风机和支架组成。热流体进入各管束中,经冷却后汇集于排出管排出。冷空气由轴流式通风机吹过管束,通风机装在管束下方称为强制式空冷器;通风机装在管束上方称为引风式空冷器。

由于管外增设了翅片,这样既增大了传热面积,同时又增强了管外空气的端流程度,因而就减少了管子内、外对流传热系数过于悬殊的影响,从而提高了换热器的传热效果。

空冷器的优点是不用冷却水,动力消耗较水冷低。

主要缺点是:热介质入口温度较低(例如<70-80℃)用空冷温差太小;介质凝点太高(例如高于5℃),用空冷时可能在局部地方易于造成管子堵塞;介质出口温度要求较低,用空冷在夏季难于满足要求。

2.螺旋板式换热器

螺旋板式换热器是一种新型换热器,是由两张平行的薄钢板焊接在一块分隔板(中心隔板)上,并卷制成一对互相隔开的螺旋形流道。两板之间焊有定距柱以维持流道的问距,同时也增强螺旋板的刚度。螺旋板的两端焊有盖板,两端面及螺旋板上设有冷、热流体进、出口接管。冷、热流体分别在两个螺旋形流道中流动,通过螺旋板进行热量交换。如图所示。

螺旋板式热交换器

1、2-金属片  3-隔板 4、5-冷流体连接管 6、7热流体连接管

螺旋板式换热器的直径一般在1.6m以内,板宽为200~1200mm,极厚为2~4mm,两板间距为5~25mm。常用材料为碳钢或不锈钢。螺旋板式换热器的主要优点是结构紧凑,单位体积所提供的传热面积大(约为列管式换热器的三倍);流体允许有较高的流速(液体可达2m/s,气体可达20m/s),湍流程度大,传热系数较大(约为列管换热器的1~2倍);可实现纯逆流操作;不易结垢,不易堵塞。其主要缺点是操作压力和温度不宜太高,流体流动阻力较大,不易检修,且对焊接质量要求很高。故一般操作压力低于2Okgf/cm2,温度在300~400℃以下。

3.板式换热器

板式换热器是由一组矩形金属薄板平行排列、相邻板之间衬以垫片并用框架夹紧组装而成。板片四角开有圆孔,形成流体通道,冷、热流体分别在同一板片两侧流过,通过板片进行换热。为其组装流。板片厚度为0.5~3mm,通常压制成各种波纹形状。

流体流向示意图                         水平波纹板

板式换热器的主要优点是:结构紧凑,单位体积设备提供的传热面积大,约为250~1000m2/m3,而列管式换热器只有40~150m2/m3;传热系数高,对低粘度液体传热,传热系数可达1500~4700W/(m2.℃),最高可达7000W/(m2.℃),操作灵活,适应性大,可以根据需要增减板数以调整传热面积,加工制造容易、检修清洗方便、热损失少。其主要缺点是:因受到板片刚度、垫片种类及沟槽结构的限制,允许的操作压力较低;因受垫片材质的限制,操作温度不能太高,对合成橡胶垫片,操作温度不超过130℃,对压缩石棉垫片也应低于250℃;因板间距小,流道截面小,流速不能过大,所以处理量较小,不易密封,易泄漏,易于堵塞。

4.热管换热器

热管换热器是一种新型、高效、节能换热器,广泛使用于航天航空业,并逐步用于加热炉对流室烟气余热回收中。它是由数根热管组成的。热管外部装有翅片以提高传热效果。热管管束中间装有隔板,冷、热流体分别在隔板的两侧流动,通过热管进行热量传递。

其工作原理为:当热管的两端分别被加热(与热流体接触)和冷却(与冷流体接触)时,被加热的一端(称为蒸发段)管中的液体吸热蒸发成为蒸气,蒸气沿管中心通道向另一端(称为冷凝段)并在此冷凝放出热量,由于多孔管芯毛细作用,冷凝下来的液体又会自动地沿管芯流回蒸发段。如此循环往复,通过工作介质的蒸发、冷凝,将热量由热流体传递至冷流体。热管换热器具有传热效率高、结构紧凑、操作简单、使用寿命长等优点。

热管的结构及工作原理

1-管壳   2-管芯 3-凝液流 4-蒸气流 5-隔板

 

第5楼:游客2419 [2008-5-16 9:13:24]

一、列管式换热器的选用及设计原则

(一)形式与结构的选定

1.固定管板式与浮头式的选择

固定管板式与浮头式相比,其结构简单,造价低(约相差20%),所以在工艺条件允许时应优先使用。但固定管板式的管束与壳体要承受较大的膨胀应力,且管束无法抽出清扫,故当冷热两流体的极限温度超过50℃或壳程流体易生垢、有腐蚀时应当选用浮头式。

2.管束形式及管径、管长的选择

目前,国产浮头换热器系列中,F、FA型为Ф19×2mm管子,正三角形排列;FB型为Ф25×2.5mm管子,正方形斜转450排列。正三角形排列单位传热面金属耗量低,小管径有利于传热,还可承受较高的压力,但壳程不易清扫,故只与壳程流体洁净时才优先选用FB系列。

固定管板换热器系列中管长有1.5、2、3、6m四种;浮头式只有3、6m两种,对单位传热面积而言,长管比短管节省金属,对炼油厂常用的大型换热器,一般都采用≥6m长的管子。

3.折流挡板的选择

前已述及,安装折流挡极可以提高壳程流体的速度,使端流程度加剧,以提高壳程对流传热系数。下面就常用的横向圆缺形折流挡板作一简要介绍。

圆缺形折流挡板切去的弓形高度约为外壳内径的10%~40%,一般取20%~25%。因形缺口太大或太小都会产生"死角"不利于传热。两相邻折流挡板间的距离(板间距)B约为外壳内径的0.2~1.0倍。系列标准中采用的B值,对固定管板式的有150、300和600mm三种;对浮头式的有150、200、300、480和600mm五种。板间距过大时,不能保证流体垂直地流过管束,使壳程对流传热系数下降;板间距过小时,不仅制造、检修困难,且阻力损失也大。

折流挡板切去的弓形高度及板间距对流体流动的影响如图所示。

                挡板缺口高度和板间距的影响

(a)缺口高度过小,板间距过大;(b)正常;(c)缺口高度过高,板间距过小

4. 壳径的选定

壳径越大,单台换热器传热面积越大,单位传热面金属耗量越低,即用一台大换热器比用多台小型换热器经济。但壳径的选择还需根据壳程流速及壳程数对平均温差的影响综合考虑。

(二)管程和壳程的确定

主要是根据流体的性质、流量、生垢及腐蚀情况等因素,并依据有利传热、减少压降、便于操作与清扫等原则来确定。一般可按下列原则处理:

(1)不洁净或易结垢的流体应流经易清洗的一侧。对于固定管板式换热器上述物料应流经管程,而对于U形管式换热器应流经壳程,对浮头式换热器,流经管程或壳程均可。

(2)需要提高流速以增大其对流传热系数的流体应流经管程。

(3)具有腐蚀性的流体应流经管程,以免壳体和管束同时被腐蚀。

(4)压力高的流体宜流经管程,以免壳体受压。

(5)饱和蒸筑或沸腾液体应走壳程。因有相变化时对流传热系数很大,不需要用提高流速的方法来强化传热过程,同时也便于排出冷凝液。

(6)粘度大或流量较小的流体宜走壳程,因流体在设有折流挡板的壳程中流动低的雷诺数(Re >100)下即可达揣流,以利于提高壳程的对流传热系数。

(7)需要冷却的流体一般流经壳程,便于散热。

以上各点往往不能同时兼顾,应视具体问题,首先考虑流体的压力、防腐蚀及清洗等要求,综合、权衡考虑,以便作出较恰当的选择。

(三)操作条件的确定

1.流速

流体在管程或壳程的流速大小,不仅影响传热效果,而且也影响流体阻力、动力消耗。增大流速可以提高对流传热系数,减少污垢,降低污垢热阻,防止流体中的杂质沉积。但是流速增大,会使流体阻力增大,动力消耗增多。因此,选择适宜的流速十分重要。通常可根据经验,确定一合理的压降,从而求出其相应的流速。推荐的合理压降可参考表6-3。

此外,为避免设备磨损,还可参考不同情况下经验流速的最大值,使所算出的实际流速不超过该值。例如,烃类的管内员大流速为:2.7—3.0m/s(若含固体颗粒,如催化裂化油浆则最大流速<1.8m/s)。冷却水最高流速不超过3.0-3.5m/s而最低流速不应低于0.6-0.9m/s,以免引起严重结垢。壳程流体的最大允许流速一般约为管程的一半左右。液体在换热器内的常用流速可参考课本P305表6-4及表6-5。

总之,流速的确定,既要保证有利于传热(避免在层流下操作),又要使换热器的压降在合理范围内,不可兼得时应服从主要矛盾的解决。

2.换热终温

终温即流体出口温度。当终温可以人为选定时(例如冷却水出口温度可由设计考选定)其数值对换热器的经济合理性有较大的影响。如果要求终温过于苛刻(即接近极限温度),则使平均温差急剧下降,导致所需传热面积大大增加,所回收的热量与增加的设备投资不成比例,这是不合理的。特别是对于错流或多管程换热器,不应出现温度交叉现象,即不希望冷流出口温度高于热流出口温度(或热流出口低于冷流出口温度)。不能改变温度时,只能用多个换热器串联或改用逆流操作换热器。

第6楼:游客2419 [2008-5-16 9:19:21]

二、对流传热系数的计算

1.管程的对流传热系数

按管内对流传热系数的计算方法计算。前面已介绍。

2.壳程对流传热系数的计算

    具有缺圆形折流板的壳程给热系数的计算方法很多,比较有代表性的有;贝尔(Bell)法、寇恩(Kern)法、多诺霍(Donohue)法,其中贝尔法的精度最高,但所需要已知的条件也较多(如壳与管束之间的间隙,管与折流板之间的间欧等),计算较为繁琐;寇恩法只适用于折流扳缺口供高与壳径之比为25%的情况,故本节推荐用多诺霍公式计算。

——流体横过管束与通过折流板缺口时的平均质量流速,kg/(m2·s)

——两折流板之间,靠近壳中心线处的管间流通面积;对标淮换热器可直接由表6—2查得,也可用以下公式计算:

式中  B——折流板间距,m;

    ——最靠近壳中心线的管排处的壳径,m

——最靠近壳中心线的管排的管子根数;

——折流板缺口的管间流通截面积,m2

——弓形面积系数,与缺口拱高hB的关系见表6-6;

——折流板缺口内的管子根数。国产系列的见表6-2。

国产换热器系列的折流板缺口拱高hB=0.2-0.3Ds可由表6-2查得。

多诺霍公式适用范围:

第7楼:游客6349 [2015-7-8 16:36:13]
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