列管式換熱器

　　在化工企業(yè)中列管式換熱器的類型很多，如板式，套管式，蝸殼式，列管式。其中列管式換熱器雖在熱效率、緊湊性、金屬消耗量等方面均不如板式換熱器，但它卻具有結(jié)構(gòu)堅固、可靠程度高、適應(yīng)性強(qiáng)、材料范圍廣等特點(diǎn)，因此成為石油、化工生產(chǎn)中，尤其是高溫、高壓和大型換熱器的主要結(jié)構(gòu)形式。列管式換熱器主要有固定管板式換熱器、浮頭式換熱器、填函式換熱器和U型管式換熱器，而其中固定管板式換熱器由于結(jié)構(gòu)簡單，造價低，因此應(yīng)用最普遍。

　　固定管板式換熱器

　　這類換熱器操作簡單、便宜。最大的缺點(diǎn)是管外側(cè)清洗困難，因而多用于殼側(cè)流體清潔，不易結(jié)垢或污垢容易化學(xué)處理的場合。當(dāng)殼壁與殼壁溫度相差較大時，由于兩者的熱膨脹不同，產(chǎn)生了很大的溫差應(yīng)力，以致管子扭彎或使管子從管板上松脫，甚至毀壞整個換熱器，因此，一般管壁與殼壁溫度相差50℃以上時，換熱器應(yīng)有溫差補(bǔ)償裝置，圖為具有溫差補(bǔ)償圈(或稱膨脹節(jié))的固定管板式換熱器。一般這種裝置只能用在殼壁與管壁溫差低于60~70℃和殼程流體壓強(qiáng)不高的情況。殼程壓強(qiáng)超過6×105Pa時，由于補(bǔ)償圈過厚，難以伸縮，失去溫差補(bǔ)償作用，就應(yīng)考慮采用其他結(jié)構(gòu)。

　　完善的換熱器在設(shè)計和選型時應(yīng)滿足以下各項基本要求：

　　(1)合理地實現(xiàn)所規(guī)定的工藝條件：可以從：①增大傳熱系數(shù)②提高平均溫差③妥善布置傳熱面等三個方面具體著手。

　　(2)安全可靠 換熱器是壓力容器，在進(jìn)行強(qiáng)度、剛度、溫差應(yīng)力以及疲勞壽命計算時，應(yīng)

　　遵循我國《鋼制石油化工壓力容器設(shè)計規(guī)定》和《鋼制管殼式換熱器設(shè)計規(guī)定》等有關(guān)規(guī)定與標(biāo)準(zhǔn)。

　　(3)有利于安裝操作與維修 直立設(shè)備的安裝費(fèi)往往低于水平或傾斜的設(shè)備。設(shè)備與部件應(yīng)便于運(yùn)輸與拆卸，在廠房移動時不會受到樓梯、梁、柱的妨礙，根據(jù)需要可添置氣、液排放口，檢查孔與敷設(shè)保溫層。

　　(4)經(jīng)濟(jì)合理 評價換熱器的最終指標(biāo)是：在一定時間內(nèi)(通常1年內(nèi)的)固定費(fèi)用(設(shè)備的購置費(fèi)、安裝費(fèi)等)與操作費(fèi)(動力費(fèi)、清洗費(fèi)、維修費(fèi))等的總和為最小。在設(shè)計或選型時，如果有幾種換熱器都能完成生產(chǎn)任務(wù)的需要，這一標(biāo)準(zhǔn)就尤為重要了。

　　一、板式換熱器優(yōu)化設(shè)計方向

　　板式換熱器技術(shù)日益幼稚，近年來。其傳熱效率高，體積小，重量輕，污垢系數(shù)低，裝配方便，板片品種多，適用范圍廣，供熱行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。板式換熱器按組裝方式分為可拆式、焊接式、釬焊式、板殼式等。由于可拆式板式換熱器便于裝配清洗，增減換熱器面積靈活，供熱工程中使用較多。可拆式板式換熱器受橡膠密封墊耐熱溫度的限制，適用于水一水傳熱。本文對提高可拆式板式換熱器效能的優(yōu)化設(shè)計進(jìn)行研究。

　　應(yīng)通過技術(shù)經(jīng)濟(jì)比擬后確定。提高換熱器的傳熱效率和降低換熱器的阻力應(yīng)同時考慮，提高板式換熱器的效能是一個綜合經(jīng)濟(jì)效益問題。而且應(yīng)合理選用板片材質(zhì)和橡膠密封墊材質(zhì)及安裝方法，保證設(shè)備平安運(yùn)行，延長設(shè)備使用壽命。

　　二、板式換熱器優(yōu)化設(shè)計方法

　　2.1提高傳熱效率

　　冷熱流體通過換熱器板片傳熱，板式換熱器是問壁傳熱式換熱器。流體與板片直接接觸，傳熱方式為熱傳導(dǎo)和對流傳熱。提高板式換熱器傳熱效率的關(guān)鍵是提高傳熱系數(shù)和對數(shù)平均溫差。

　　減小污垢層熱阻:① 提高換熱器傳熱系數(shù)只有同時提高板片冷熱兩側(cè)的外表傳熱系數(shù)。選用熱導(dǎo)率高的板片，減小板片的厚度，才有效提高換熱器的傳熱系數(shù)。

　　a.提高板片的外表傳熱系數(shù)

　　外表傳熱系數(shù)與板片波紋的幾何結(jié)構(gòu)以及介質(zhì)的流動狀態(tài)有關(guān)。板片的波形包括人字形、平直形、球形等。經(jīng)過多年的研究和實驗發(fā)現(xiàn)，由于板式換熱器的波紋能使流體在較小的流速下產(chǎn)生湍流 雷諾數(shù)一 150時 因此能獲得較高的外表傳熱系數(shù)。波紋斷面形狀為三角形 正弦形外表傳熱系數(shù)最大，壓力降較小，受壓時應(yīng)力分布均勻，但加工困難,人字形板片具有較高的外表傳熱系數(shù)，且波紋的夾角越大，板間流道內(nèi)介質(zhì)流速越高，外表傳熱系數(shù)越大。

　　b.減小污垢層熱阻

　　傳熱系數(shù)降低約 10%因此，減小換熱器的污垢層熱阻的關(guān)鍵是防止板片結(jié)垢。板片結(jié)垢厚度為 1mm時。必需注意監(jiān)測換熱器冷熱兩側(cè)的水質(zhì)，防止板片結(jié)垢，并防止水中雜物附著在板片上。有些供熱單位為防止盜水及鋼件腐蝕，供熱介質(zhì)中添加藥劑，因此必需注意水質(zhì)和黏 劑引起雜物沾污換熱器板片。如果水中有黏性雜物，應(yīng)采用專用過濾器進(jìn)行處理。選用藥劑時，宜選擇無黏性的藥劑。

　　c.選用熱導(dǎo)率高的板片

　　熱導(dǎo)率約 14. 4W/mK強(qiáng)度高，板片材質(zhì)可選擇奧氏體不銹鋼、鈦合金、銅合金等。不銹鋼的導(dǎo)熱性能好。沖壓性能好，不易被氧化，價格比鈦合金和銅合金低，供熱工程中使用最多，但其耐氯離子腐蝕的能力差。

　　d.減小板片厚度

　　與換熱器的承壓能力有關(guān)。板片加厚，板片的設(shè)計厚度與其耐腐蝕性能無關(guān)。能提高換熱器的承壓能力。采用人字形板片組合時，相鄰板片互相倒置，波紋相互接觸，形成了密度大、分布均勻的支點(diǎn)，板片角孑 L及邊緣密封結(jié)構(gòu)已逐步完善，使換熱器具有很好的承壓能力。國產(chǎn)可拆式板式換熱器最大承壓能力已達(dá)到2.5MPa板片厚度對傳熱系數(shù)影響很大，厚度減小 0.1mm對稱型板式換熱器的總傳熱系數(shù)約增加 600W/mK非對稱型約增加 500W/mK¨ 滿足換熱器承壓能力的前提下，應(yīng)盡量選用較小的板片厚度。

　　② 提高對數(shù)平均溫差

　　逆流時對數(shù)平均溫差最大，板式換熱器流型有逆流、順流和混合流型 既有逆流又有順流 相同工況下。順流時最小，混合流型介于二者之問。提高換熱器對數(shù)平均溫差的方法為盡可能采用逆流或接近逆流的混合流型，盡可能提高熱側(cè)流體的溫度，降低冷側(cè)流體的溫度。

　　③ 進(jìn)出口管位置的確定

　　為檢修方便，對于單流程布置的板式換熱器。流體進(jìn)出口管應(yīng)盡可能安排在換熱器固定端板一側(cè)。介質(zhì)的溫差越大，流體的自然對流越強(qiáng)，形成的滯留帶的影響越明顯，因此介質(zhì)進(jìn)出口位置應(yīng)按熱流體上進(jìn)下出，冷流體下進(jìn)上出布置，以減小滯留帶的影響，提高傳熱效率。

　　2. 2降低換熱器阻力的方法

　　可提高傳熱系數(shù)，提高板問流道內(nèi)介質(zhì)的平均流速。減小換熱器面積。但提高流速，將加大換熱器的阻力，提高循環(huán)泵的耗電量和設(shè)備造價。循環(huán)泵的功耗與介質(zhì)流速的3次方成正比，通過提高流速獲得稍高的傳熱系數(shù)不經(jīng)濟(jì)。當(dāng)冷熱介質(zhì)流量比擬大時，可采用以下方法降低換熱器的阻力，并保證有較高的傳熱系數(shù)。

　　① 采用熱混合板

　　板片按人字形波紋的夾角分為硬板 H和軟板 L夾角 一般為 120左右 大于 90為硬板，熱混合板的板片兩面波紋幾何結(jié)構(gòu)相同。夾角 一般為 70左右 小于 90為軟板。熱混合板硬板的外表傳熱系數(shù)高，流體阻力大，軟板則相反。硬板和軟板進(jìn)行組合，可組成高 HH中 HL低 LL3種特性的流道，滿足不同工況的需求。

　　采用熱混合板比采用對稱型單流程的換熱器可減少板片面積。熱混合板冷熱兩側(cè)的角孔直徑通常相等，冷熱介質(zhì)流量比擬大時。冷熱介質(zhì)流量比過大時，冷介質(zhì)一側(cè)的角孑 L壓力損失很大。另外，熱混合板設(shè)計技術(shù)難以實現(xiàn)精確匹配，往往導(dǎo)致節(jié)省板片面積有限。因此，冷熱介質(zhì)流量比過大時不宜采用熱混合板。

　　② 采用非對稱型板式換熱器

　　形成冷熱流道流通截面積相等的板式換熱器。非對稱型 不等截面積型 板式換熱器根據(jù)冷熱流體的傳熱特性和壓力降要求，對稱型板式換熱器由板片兩面波紋幾何結(jié)構(gòu)相同的板片組成。改變板片兩面波形幾何結(jié)構(gòu)，形成冷熱流道流通截面積不等的板式換熱器，寬流道一側(cè)的角孑 L直徑較大。非對稱型板式換熱器的傳熱系數(shù)下降微小，且壓力降大幅減小。冷熱介質(zhì)流量比擬大時，采用非對稱型單流程比采用對稱型單流程的換熱器可減少板片面積 15%一 3O%

　　③ 采用多流程組合

　　可以采用多流程組合安排，當(dāng)冷熱介質(zhì)流量較大時。小流量一側(cè)采用較多的流程，以提高流速，獲得較高的傳熱系數(shù)。大流量一側(cè)采用較少的流程，以降低換熱器阻力。多流程組合呈現(xiàn)混合流型，平均傳熱溫差稍低。采用多流程組合的板式換熱器的固定端板和活動端板均有接管，檢修時工作量大。

　　④ 設(shè)換熱器旁通管

　　可在大流量一側(cè)換熱器進(jìn)出口之問設(shè)旁通管，當(dāng)冷熱介質(zhì)流量比擬大時。減少進(jìn)入換熱器流量，降低阻力。為便于調(diào)節(jié)，旁通管上應(yīng)裝置調(diào)節(jié)閥。該方式應(yīng)采用逆流安排，使冷介質(zhì)出換熱器的溫度較高，保證換熱器入口合流后的冷介質(zhì)溫度能達(dá)到設(shè)計要求。設(shè)換熱器旁通管可保證換熱器有較高的傳熱系數(shù)，降低換熱器阻力，但調(diào)節(jié)略繁。

　　⑤ 板式換熱器形式的選擇

　　阻力以不大于 100kPa為宜。根據(jù)不同冷熱介質(zhì)流量比，換熱器板間流道內(nèi)介質(zhì)平均流速以 0. 30. 6ms為宜。可參照表 1選用不同形式的板式換熱器，表中非對稱型板式換熱器流道截面積比為 2采用對稱型或非對稱型、單流程或多流程板式換熱器，均可設(shè)置換熱器旁通管，但應(yīng)經(jīng)詳細(xì)的熱力計算。

　　2. 3橡膠密封墊材質(zhì)及安裝方式

　　① 材質(zhì)的選擇

　　冷熱介質(zhì)對橡膠密封墊均無腐蝕性。選用橡膠密封墊材質(zhì)的關(guān)鍵是耐溫和密封性能，水一水換熱器中。橡膠密封墊材質(zhì)可按文獻(xiàn)選用。

　　② 裝置方式的選擇

　　將橡膠密封墊用膠水粘接在板片密封槽內(nèi)。卡扣式是換熱器組裝時，橡膠密封墊常用裝置方式為粘接式、卡扣式。粘接式是換熱器組裝時。利用橡膠密封墊和板片邊緣的卡扣結(jié)構(gòu)，將橡膠密封墊固定在板片密封槽內(nèi)。由于卡扣式裝置工作量很小，換熱器裝配時橡膠密封墊損壞率低，而且不存在膠水中可能含有的氯離子造成對板片的腐蝕，因此使用較多。

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