U形管换热器的设计文献综述

 2021-11-02 08:11

毕业论文课题相关文献综述

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文 献 综 述

一、前言

换热器是一种常见且实用的换热设备,主要用于实现对热量的传递,比如使热量由高温流体传送到低温流体。根据不同的工艺要求,换热过程可分为:加热、冷却、冷凝和蒸发等。

换热器作为一种较为通用的工业设备,被广泛应用于汽车、航空、石油化工、动力、医药、冶金、制冷、轻工、食品、工程机械等行业,其质量约占工艺设备总量的20%~70%,按其传热面的形状和结构进行分类可分为管型、板型和其他形式换热器。管壳式换热器又称为列管式换热器,是以封闭在壳体中管束的壁面作为传热面的间壁式换热器,结构一般由壳体、传热管束、管板、折流板(挡板)和管箱等部件组成【1】

管壳式换热器是众多换热器中使用最为广泛的一种,目前常用的管壳式换热器种类有浮头式、固定管板式和U形管式,其中以浮头式换热器居多。管壳式换热器它应用于石油石化等行业,如果换热器的换热面积小、壳程与管程的温差较大或壳程介质很容易脏、管束表面需要经常清理地,一般都采用U型管式换热器。管壳式换热器具有传热面积大,传热效果好,结构坚固,可选用的结构材料范围宽广,操作弹性大的优点,而在管壳式换热器的各种型式中,U形管式换热器结构简单紧凑、密封性能好、金属耗量小、造价低、热补偿性能好,而且承压能力强,适合用于高温、高压等工况。所以正确合理地确定管板的厚度对保证换热器安全运转、节约材料、降低成本起着非常重要的作用。美国的ASME和TEMA标准是管壳式换热器的两个通用设计准则,在国际上具有比较高的认可度【2】【3】

换热器是化工、能源、动力、医药和其他许多工业部门广泛应用的一种通用工艺设备,在化工厂的建设中占总投资的10 %~20%,在炼油厂中通常占到了全部工艺设备投资的35%~40%。【4】。U 形管换热器是一种典型的管壳式换热器,其管子弯成U形,管子的两端固定在同一管板上,因此每根管子可以自由伸缩,而与其他管子及壳体无关。 U形管换热器仅有一块管板,无浮头,结构简单,因此造价相比其他换热器便宜一些。U形管换热器管内介质必须是清洁且不易结垢的物料,这是因为U 形管管束可以从壳体内抽出,所以管子外表面便于清洗,但由于弯管的存在,管内清洗较为困难。由于换热管为U形,管子更换困难,除了外侧一层内部管子大部分不能更换而且管束中心部分存在空隙,流体容易发生堵塞而影响传热效果。U 形管的弯头部分曲率不同还会造成管子长度不一物料分布不均匀的问题【5】【6】

二、常见的几种换热器介绍

1、固定管板式换热器【7】

整体由壳体、管束、封头、管板、折流挡板、接管等部件组成。结构特点: 换热管束可做成单程、双程或多程,两块管板分别焊于壳体的两端,管束两端固定在管板上,适用于壳体与管子温差较小的场合。

优点:结构简单,在相同的壳体直径内排管数最多,旁路最少;每根换热管都可以进行更换,管内清洗方便。

缺点:壳程不能进行机械清洗;当换热管与壳体的温差较大(大于50C)时产生温差应力,需在壳体上设置膨胀节,而且壳程压力受膨胀节强度的限制不能太高。固定管板式换热器适用于壳层流体清洁且不易结垢,两流体温差不大或温差较大但壳程压力不高的场合。

2、浮头式换热器【8】

管束一端的管板可以自由浮动,完全消除了热应力;整个管束可从壳体中抽出,便于机械清洗和维护。浮头换热器应用广泛,但结构复杂,成本高【9】。浮头式换热器适用于壳与管束壁温差较大或壳侧介质容易结垢的情况。其结构特点是两端管板一端与壳体不固定连接,可在壳体内沿轴向自由伸缩,称为浮头【10】

优点:当换热管与壳体之间存在温度差时,壳体或换热管膨胀,相互不受约束,不会产生温差应力;管束可以从管壳中抽出,便于清洗管内和管间。 缺点:结构复杂,材料消耗大,成本高;如果浮头盖板与浮管板之间的密封不严密,就会发生内部泄漏,导致两种介质混合

3、U形管式换热器【11】

U行管式换热器的结构特点为只有一个管板,换热管为U型,管子两端固定在同一管板上,管束可以自由伸缩,当壳体与U型换热管有温差时,不会产生温差应力。可弥补浮头式换热器结构复杂的特点,同时又保留了换热管束可以抽出,热应力可以消除的优点。

优点:结构简单,只有一个管板,密封面少,运行可靠,造价低;管束可以抽出,管间清洗方便。

缺点:管内清洗比较困难;由于管子需要有一定的弯曲半径,故管板的利用率较低;管束最内层管间距大,壳程易短路;内层管子坏了只能堵塞而不能更换,因而报废率较高。

U形管式换热器适用于管、壳壁温差较大或壳程介质易结垢,而管程介质清洁不易结垢以及高温、高压、腐蚀性强的场合【12】【13】。一般高温、高压、腐蚀性强的介质走管内,可使高压空间减小,密封易解决,并可节约材料和减少热损失【14】

目前,从世界石油、化工相关行业来看,先进国家早已开发和采用了高效节能换热器。世界先进国家的油化工企业的换热设备正处在更新换代时期,朝着新型降耗高效换热器方向发展【15】


4、填料函式换热器

填料函式换热器的结构较简单,该换热器其中一块管板是与法兰通过螺栓固定连接的,另一块则类似于浮头,与壳体间隙处通过填料密封,可做一定量的移动;因此加工、制造、检修、清洗较方便。但由于填料处易泄漏,所以填料函式换热器一般只能用于低温低压、难燃、难挥发的介质传热情况。

针对传统的填料函式换热器介质会通过填料函外漏以及填料函耐压不高的问题,可以在原有填料函密封的基础上增设新的密封构件,比如:剖分式卡箍、压簧式密封圈、介质回收罐等。其中,剖分式卡箍安装在浮动管箱体的凹槽中,压簧式密封圈安装在填料函座与剖分式卡箍之间.两个部分式卡箍的剖面处安装有密封垫,采用螺栓连接;卡箍上开设有通孔,并有管道与介质回收罐连通。由此,就实现了设备的再次密封,大幅减少换热器壳程介质的外漏量并可回收泄漏的介质,有利于保护环境、降低污染,提高换热器使用寿命【16】


1、管程隔板; 2、壳程隔板; 3、浮头

三、国内外现状发展及趋势

1、国内进展

随着我国国防工业技术的不断发展,换热器操作条件日趋苛刻,迫切需要新的耐磨损、耐腐蚀、高强度材料来提高换热器的综合性能。各种换热器产品根据用途的不同,要求其达到的工艺指标也各不相同,但是必须同时满足热交换性能良好、体积小、重量轻、环境适应性好、可靠性高、成本低等一系列要求。换热器热交换性能与体积重量之间,可靠性与成本之间的平衡都需要细致的考虑。近年来,我国不锈钢-铜合金复合材料、铝镁合金和碳化硅等非金属材料的发展都取得了不同程度的进步,特别是钛的快速发展。钛具有良好的耐海水、氯碱、醋酸等腐蚀传热性能,效果会更好,目前一些制造单位已较好地掌握了钛的加工制造技术。在材料喷涂方面,我国已引进国外生产线。铝镁合金具有较高的耐蚀性和导热性,比钛合金便宜【17】。近些年来,国家在提高换热器性能、提高换热效率、减小换热面积、降低压降、提高设备热强度等方面取得了显著成绩。换热器的广泛应用可以有效地提高能源利用率,降低企业成本,提高效益。未来,国内市场需求将呈现以下特点:对产品质量要求较高,如环保、节能产品将是未来发展的重点;提高产品的性价比;对个性化、多样化产品的需求趋势较强;逐步支付注重品牌产品的选择;大型工程项目青睐大型企业或企业集团产品。换热器产品的规模化、高效化、节能化将是该行业未来的技术发展趋势【18】。我国的换热器产业起步晚,近年来得到了较快的发展,国内市场存在着内资企业与外资企业的激烈竞争。随着我国经济社会的不断向前发展,人们对美好生活的日益向往,我国的换热器企业将迎来更加广阔的发展前景【19】

换热器的大量使用有效的提高了能源的利用率,降低了企业的生产成本,从而大大提高了社会经济效益。据统计,在一般石油化工企业中换热器的投资占全部投资的40%-50%;在现代石油化工企业中约30%-40%;在热电厂中,如果把锅炉也作为换热设备,换热器的投资约占整个电厂总投资70%;在制冷机中,蒸发器的质量要占制冷机总质量的30% -40%,其动力消耗约占总值的20%-30%。由此可见,换热器的合理设计和良好运行对企业节约资金、能源和空间都十分重要。提高换热传热性能并减小其体积,在能源日趋短缺的今天更是具有明显的经济效益和社会效益。我国换热器的研究取得了显著成绩。根据国民经济和社会发展第十一个五年规划纲要,十一五期间我国经济增长将保持年均7.5%的速度。而石化及钢铁作为支柱型产业,将继续保持快速发展的势头,预计2010年钢铁工业总产值将超过5000亿元,化工行业总产值将突破4000亿元。这些行业的发展都将为换热器行业提供更加广阔的发展空间。未来,国内市场对换热器的需求主要体现在以下几个方面:①对产品质量水平提出了更高的要求,环保节能型产品将是今后发展的重点;②对产品的个性化、多样化的需求趋势强烈,未来的换热器需要具有更高的性价比;③开始注重产品的品牌价值,更加青睐大企业集团产品【20】

理论上来说,换热器传热性能越好,经济效益与社会价值就越高,因此强化传热技术的改进就显得分外重要。换热器强化传热技术需要从管程增强传热、壳程增强传热和管束增强传热等方面着手:一、采用折流板换热,使流体出现变化,由横掠的管束变为纵掠的管束,使流体出现陀螺状的漩涡,经过旋涡尾流入从而提高换热器的质量。二、空心环支撑,使壳侧的流体对管外表的粗糙度得到增强,促进流体湍流的形成,提高传热质量。三、使用整圆形孔板,会减薄射流周围的传热边界层,而且还能起到除垢的作用。四、采用自支撑管 ,增加管束紧凑度并简化管束支撑结构,主要用来强化高粘度流体的层流传热。五、使用螺旋折流板【21】。随着国内高新技术的发展以及电脑模拟技术的应用,换热器的高效传热技术必将得到更大的发展,研究将会更为深入,借助电脑的模拟技术能够在加工以前对其运行性能加以分析,使用激光测速和红外摄像仪能够将实际使用中的温度场和流场的分布状况弄明白,高效且环保将是今后各行各业主要发展趋势【22】

2、国外进展

国外换热器市场中的调查表明,管壳式换热器仍将占主导地位,占比较重,同时板式、板翅式 、热管及各类高效传热元件的发展十分迅速。国外换热器产业的高端产品主要集中在瑞典、美国、德国、英国、法国、日本等发达国家,产品趋势表现为大型化,节能化和高效化。在产品类型上,为提高换热器传热效率,各种新型换热器产品层出不穷,螺旋折流板换热器、双纹管换热器、丝状花内插物换热器、变形翅片管换热器等新型产品不断推向市场【23】。螺旋折流板换热器是由美国ABB公司提出的一种新型换热器,其基本原理是:将圆截面的特制板安装在拟螺旋折流系统中每块折流板占换热器壳程中横剖面的25%,其倾角朝向换热器的轴线即与换热器轴线保持一定倾斜度。相邻折流板的周边相接与外圆处成连续螺旋状。每个折流板与壳程流体的流动方向成--定的角度使壳程流体做螺旋运动能减少管板与壳体之间易结垢的死角从而提高了换热效率。在气--水换热的情况下传递相同热量时该换热器可减少30%-40%的传热面积节省材料20%-30%。相对于弓形折流板螺旋折流板消除了弓形折流板的返混现象、卡门涡街从而提高有效传热温差防止流动诱导振动;在相同流速时壳程流动压降小;基本不存在震动与传热死区,不易结垢。对于低雷诺数下(Re1000)的传热螺旋折流板效果更为突出【24】

3、未来行业的发展趋势

我国的换热器行业虽然起步较晚,但近年来也得到了较快的发展,其中在节能增效提高传热效率、减少传热面积、降低压降以及提高装置