（化学工程专业论文）管壳式换热器的优化设计.pdf

中文摘要 管壳式换热器是广泛应用于各个领域的工业设备，在国民经济中具有非常重 要的作用。换热器强化传热的方式通常有三种：扩展传热面积；加大传热温差； 提高传热系数。从强化传热的强化机理出发，对各种强化型换热器的结构特点、 强化效果、适用工况及应用进行了详细的分析，可为正确选择强化型换热器提供 了理论依据。 壳程和管程的强化传热是管壳式换热器强化传热的两个重要方面。本文简述 了管壳式换热器壳程和管程强化的研究进展，在介绍螺旋折流板管壳式换热器的 结构及原理的基础上，对壳程传热强化及阻力特性的研究现状进行了总结，分析 了壳侧流体的流动和换热机理，表明螺旋折流板结构是改善壳侧流动换热性能的 有效措施。采用计算流体动力学方法对比研究了不同操作参数对弓形折流板换热 器以及螺旋折流板换热器性能的影响。以齐鲁石油化工股份有限公司某车间生产 装置中标准换热器设计为例，检验本文所提供螺旋折流板换热器结构设计及性能 的可靠性。 关键词：换热器、螺旋折流板、强化传热、传热系数 a b s t r a c t s h e l la n dt u b eh e a te x c h a n g e r sa r ew i d e l yu s e da n dh a sv e r yi m p o r t a n tr o l ei n t h en a t i o n a le c o n o m y u s u a l l yt h r e ew a y so fh e a te x c h a n g e re n h a n c e dh e a tt r a n s f e r a r ee x p a n d i n gt h ea r e ao fh e a tt r a n s f e ra n di n c r e a s i n gt h eh e a tt r a n s f e rt e m p e r a t u r e d i f f e r e n c ea n di n c r e a s i n gt h eh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n t a c c o r d i n gt ot h ee n h a n c i n g m e c h a n i s mo ft h ee n h a n c i n gh e a tt r a n s f e r , t h es t r u c t u r a lc h a r a c t e r i s t i c s ，e n h a n c i n g e f f e c t , s u i t a b l ew o r k i n gc o n d i t i o n sa n da p p l i c a t i o n so fe v e r yk i n do fe n h a n c i n gh e a t e x c h a n g e ra r ee x h a u s t i v e l ya n a l y z e d i tp r o v i d e st h et h e o r yf o rc o r r e c ts e l e c t i n g e n h a n c i n gh e a te x c h a n g e ra n dp o i n t so u tt h e d i r e c t i o no ft h es t u d y h e a tt r a n s f e re n h a n c e m e n to fs h e l ls i d ea n dt u b es i d ei st w oi m p o r t a n ta s p e c t so f s h e l l - a n d - t u b eh e a te x c h a n g e ri n t e n s i f i e dh e a tt r a n s f e r t h ep a p e rp r e s e n t sh e a t t r a n s f e re n h a n c e m e n tr e s e a r c hd e v e l o p m e n ti n s h e l ls i d ea n dt u b es i d eo f s h e l l - a n d - t u b eh e a te x c h a n g e r h e l i c a lb a f f l e sa r ee m p l o y e di n c r e a s i n g l yt oi m p r o v e t h es h e l l s i d eh e a tt r a n s f e rp e r f o r m a n c ef o rs h e l l a n d - t u b eh e a te x c h a n g e ri nr e c e n t y e a r s i nt h ep r e s e n tw o r k , t h ec u r r e n ts t a t u sa n dd e v e l o p m e n to fs h e l l a n d - t u b eh e a t e x c h a n g e r s w i t hh e l i c a lb a f f l e sa r er e v i e w e d t h ef l o wa n dh e a tt r a n s f e r c h a r a c t e r i s t i c sa sw e l la sh e a tt r a n s f e re n h a n c e m e n tt e c h n i q u e so fs h e l l - s i d eo ft h i s k i n do fh e a te x c h a n g e r s ，a r ed i s c u s s e di nd e t a i l ac o m p a r a t i v ew o r kh a sb e e nd o n e b e t w e e nh e l i c a la n ds e g m e n t a lb a f f l e sh e a te x c h a n g e rt oi n v e s t i g a t ei t sp e r f o r m a n c e u n d e rd i f f e r e n to p e r a t i n gp a r a m e t e r s ，w h i c hw i t hac o m m e r c i a lc f ds c h e m e a sa n e x a m p l e ，as a m p l eh e a te x c h a n g e rw i t hh e l i c a lb a f f l e sw a sa p p l i e dt os i n o p e cq i l u p e t r o c h e m i c a lc o r p o r a t i o nt oc h e c kt h ep e r f o r m a n c ea n dr e l i a b i l i t yo fh e l i c a lb a f f l e s h e a te x c h a n g e r k e yw o r d s ：h e a t e x c h a n g e r , h e l i c a lb a f f l e s ，h e a tt r a n s f e re n h a n c e m e n t ， h e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n t 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得丕鲞盘鲎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者潞嬲签字眺刃。罗年t 月) 7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤洼态鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者躲吴碍 签字嗍加争上月刁日 导师签名： 签字日期：加卵年厂月刁日 ， 天津大学硕士学位论文 日舌 1 0 - 翮青 换热器是进行热交换操作的通用工艺设备，被广泛应用于各个工业部门，尤 其在石油、化工生产中应用更为广泛。以炼油厂为例，换热器占设备总金属消耗 量的2 0 左右。它既是工艺流程中的重要装备，同时又是企业减少能源消耗、降 低生产成本的主要手段。因此换热器技术水平是炼油厂先进程度的重要标志之 一。 由于世界性的能源危机，为了降低能耗，工业生产中对换热器的需求量越来 越多，对换热器的质量要求也越来越高。换热器分类方式多样，按照其工作原理 可分为：直接接触式换热器、蓄能式换热器和间壁式换热器三大类，其中间壁式 换热器用量最大，据统计，这类换热器占总用量的9 9 。问壁式换热器又可分为 管壳式和板壳式换热器两类，其中管壳式换热器以其高度的可靠性和广泛的适应 性，在长期的操作过程中积累了丰富的经验，其设计资料比较齐全，在许多国家 都有了系列化标准。近几十年来，随着紧凑式换热器( 板式、板翅式、压焊板 式换热器等) 、热管式换热器、直接接触式换热器等的发展，管壳式换热器面临 着挑战，在某些场合，管壳式换热器已被一些新型的换热器所取代。尽管管壳式 换热器受到了新型换热器的挑战，但由于管壳式换热器有高度的可靠性、广泛的 适应性、结构简单、牢固、操作弹性大、应用材料广等优点，管壳式换热器目前 仍然是化工、石油、制冷、核能和动力等工业中使用的主要类型换热器，它的产 量至今仍占统治地位。目前工业装置中管壳式换热器的用量占全部换热器用量的 7 0 瞳1 ，尤其在高温、高压和大型换热设备中仍占有绝对优势。 由于受到挑战，管壳式换热器在近几十年来也有较大的改进和发展，换热器 的结构从原来传统的弓形隔板和光滑管的结构，发展为其他类型的管间支撑物和 强化管的结构b 1 ，由于这些结构上的改进，使得管壳式换热器的传热与流体阻力 性能有了明显的改善，加上本身固有的优点，如耐高温、耐高压、结构简单、清 洗方便等，使得管壳式换热器在激烈的换热器竞争中得以生存和发展。 我国现行服役的换热器大多采用2 0 世纪5 0 年代国外早期的设计结构，换热 天津大学硕士学位论文 前言 效率较低、阻力降大、易结垢，停工检修频繁。几十年来，虽然作了一些改进， 但基本保持原设计思想，尤其是壳程介质的流动方式几乎没有太大的改进，仍沿 袭传统的垂直弓形板横向流，使得换热器总传热系数k 值一直停滞在较低状态。 进入2 0 世纪7 0 年代后，随着石化行业技术的发展，国外换热器技术也有了 显著的进步。首先在换热器两个传热界面之一的管程采用了螺纹管、异形管、内 插物等强化传热新技术，使管程传热有了较大的突破。但是从间壁传热原理上 讲，控制一台换热器传热效率的是传热能力相对较差一侧的传热能力，而这一侧 往往是壳程。于是美国人首先发明了折流杆列管式换热器。首先它的轴向流动方 式，减少了壳程流体的滞流、回流和死区，提高了佩克莱常数p e 值，减少了压 降和污垢沉积；而且杆后的卡门涡街脱落效应在传热管子表面产生紊流，提高了 壳侧膜传热系数。折流杆的夹持作用又抑制了破坏性振动，使换热器大型化成为 可能。但是折流杆传热器不是万能的，它有着自己的局限性，特别在低r e 数、 高粘度介质中很难形成有效卡门涡街，达不到高传热效率的要求。为进一步提高 壳程传热能力，于是产生了螺旋折流板式列管换热器。螺旋折流板换热器壳程中 的介质既不是横向流，也不是纵向流，而是一种螺旋状斜向流，该种流动方式能 适用包括高粘原油、渣油在内的所有介质，这种结构显著地提高了换热效率，大 幅度降低了压力降，控制了振动造成的破坏，减少了污垢沉积的可能性，为换热 器的大型化提供了广阔的前景。对于完成某一任务的换热器，往往有多个选择， 如何确定最佳的换热器，是换热器优化的问题。 天津大学硕士学位论文第一章国内外管壳式换热器强化传热技术研究 第一章国内外管壳式换热器强化传热技术研究 1 1 换热器强化传热的方式 所谓换热器传热强化或增强传热是指通过对影响传热的各种因素的分析与 计算，采取某些技术措施以提高换热设备的传热量或者在满足原有传热量条件 下，使它的体积缩小。换热器传热强化通常使用的手段包括三类：扩展传热面积 ( f ) ；加大传热温差( t ) ；提高传热系数( k ) 。 1 1 1 换热器强化传热的方式 ( 1 ) 扩展传热面积( f ) 扩展传热面积是增加传热效果使用最多、最简单的一种方法。在扩展换热器 传热面积的过程中，如果简单的通过单一地扩大设备体积来增加传热面积或增加 设备台数来增强传热量，不光需要增加设备投资，设备占地面积大、同时，对传 热效果的增强作用也不明显，这种方法现在已经淘汰。现在使用最多的是通过合 理地提高设备单位体积的传热面积来达到增强传热效果的目的，如在换热器上大 量使用单位体积传热面积比较大的翅片管、波纹管、板翅传热面等材料，通过这 些材料的使用，单台设备的单位体积的传热面积会明显提高，充分达到换热设备 高效、紧凑的目的。 ( 2 ) 加大传热温差t 加大换热器传热温差t 是加强换热器换热效果常用的措施之一。例如热力 采暖系统的换热器使用过程中，提高辐射采暖板管内蒸汽的压力，提高热水采暖 的热水温度，冷凝器冷却水用温度较低的深井水代替自来水，空气冷却器中降低 冷却水的温度等，都可以直接增加换热器传热温差t 。但是，增加换热器传热 温差t 是有一定限度的，我们不能把它作为增强换热器传热效果最主要的手段， 使用过程中我们应该考虑到实际工艺或设备条件上是否允许。例如，我们在提高 辐射采暖板的蒸汽温度过程中，不能超过辐射采暖允许的辐射强度，辐射采暖板 蒸汽温度的增加实际上是一种受限制的增加，依靠增加换热器传热温差t 只能 有限度的提高换热器换热效果：同时，我们应该认识到，传热温差的增大将使整 天津大学硕士学位论文第一章国内外管壳式换热器强化传热技术研究 个热力系统的不可逆性增加，降低了热力系统的可用性。所以，不能一味追求传 热温差的增加，而应兼顾整个热力系统的能量合理使用。 ( 3 ) 增强传热系数( k ) 增强换热器传热效果最积极的措施就是设法提高设备的传热系数( k ) 。换 热器传热系数( k ) 的大小实际上是由传热过程总热阻的大小来决定，换热器传 热过程中的总热阻越大，换热器传热系数( k ) 值也就越低；换热器传热系数( k ) 值越低，换热器传热效果也就越差。换热器在使用过程中，其总热阻是各项分热 阻的叠加，所以要改变传热系数就必须分析传热过程的每一项分热阻。如何控制 换热器传热过程的每一项分热阻是决定换热器传热系数的关键。 上述三方面增强传热效果的方法在换热器都或多或少的获得了使用，但是由 于扩展传热面积及加大传热温差常常受到场地、设备、资金、效果的限制，不可 能无限制的增强，所以，当前换热器强化传热的研究主要方向就是：如何通过控 制换热器传热系数( k ) 值来提高换热器强化传热的效果。我们现在使用最多的 提高换热器传热系数( k ) 值的技术就是：在换热器换热管中加扰流子添加物， 通过扰流子添加物的作用，使换热器传热过程的分热阻大大的降低，并且最终来 达到提高换热器传热系数( k ) 值的目的。 1 1 2 换热器上扰流子强化传热的使用 换热器在传热过程中，影响换热器传热系数( k ) 的主要因素包括：换热器 内、外部液体的流动状态，换热器的形状及尺寸等。为了提高换热器的传热系数， 强化换热器的传热效率，国内外出现了多种强化元件及强化措施，主要包括在换 热器中使用螺纹管、横纹管、缩放管、大导程多头沟槽管、整体双面螺旋翅片管 以及在换热器中加扰流子来强化管内换热等。其中，在换热管中加扰流子添加物 进行强化传热在工业上已使用了多年，它可以使换热器总的传热系数出现明显的 提高，可以大大节省换热器的传热面积，降低设备重量，节约大量金属材料，它 的许多优点己日益引起人们的重视。将对换热器扰流子强化传热的原理及特点作 以下详细论述。 ( 1 ) 扰流子强化元件的种类和共同特点 扰流子强化元件有多种形式，现在使用最多的包括：金属丝制元件、金属螺 旋圈、盘状构件、麻花铁、翼形物等。这些扰流子强化元件有一个共同的特点就 是：在换热器换热管中这些扰流子添加物可以有效降低换热器传热过程中的总热 天津大学硕士学位论文 第一章国内外管壳式换热器强化传热技术研究 阻，大大地提高换热器的传热系数( k ) 值，对换热器的传热效果增强明显。 ( 2 ) 扰流子强化传热的原理 研究表明，加入到换热器换热管中的扰流子添加物可以使换热管内流动的液 体产生明显的螺旋运动。换句话说，在换热器换热管中加入扰流子添加物，就相 当于在换热器换热管中加入空隙率 t 9 5 的多孔体，当换热器换热管中流动的 液体流经这些扰流子添加物以后，流道内将产生明显的弥散流动效应，在低雷诺 数下( r e 3 0 0 ) ，由于弥散流动的促进，使换热器换热管中的液体转变为湍流。 湍流状态的流动液体其总热阻是所有流态液体中最小的，由于换热器换热管中湍 流状态的流动液体热阻非常小，所以，换热器的传热系数( k ) 值将大大增加。 在高的传热系数( k ) 值状态下，换热器中扰流子强化传热的效果就会非常明显。 当然换热器中的扰流子对流经换热管的不同介质，其强化传热的效果是有区别 的。并且，换热管内扰流元件的形状和在传热面上的安装方法，对传热和流阻都 有影响，一般可通过实验确定其最佳形式。例如试验表明：在管道的全长填满螺 旋形金属丝与间断设置螺旋圈相比，后者在传热性能不变时可减小流阻。关于扰 流子强化传热的原理，还有许多其它见解，有的专家认为扰流子强化传热是基于 加大了传热面积和粗糙度，这无疑是正确的。但试验表明，即使不紧贴壁面安装， 则轴向固定在流道中心的扰流子也能使q 值加大，有人解释为填充物能产生持续 不断的涡流，并沿流向产生一个中心旋转流，在离心力的影响下使管中心的流体 与壁面边界层流体充分混合。从而减薄了边界层，强化了传热。总的看，有关扰 流子强化传热的理论还不完备和一致，一些数据仅来自实验，有待于更多的科研 人员开发和利用。 ( 3 ) 扰流子强化传热的特点 在换热器换热管中加扰流子添加物，最明显的特点就是大大增强了换热器内 侧的换热系数。试验表明，在换热器换热管中加扰流子添加物，换热管内侧换热 系数可比光管提高3 5 倍以上。扰流子强化传热除了减少金属消耗，它还可以提 高工厂热能利用效率，降低能耗。目前，一些设计追求高热强度，而管壳式换热 器由于传热效率低，设计中采用的主要手段是选择提高对数平均温差，这要导致 能耗的大幅度增加。以炼油厂常减压装置为例，传热温差为6 0 ，以热一冷流体 2 6 0 - - 2 0 0 c 计算，传热占热流2 1 5 ，如果将温差降至3 3 ，传热损失可降至1 0 采用扰流子强化传热的换热器，在保证换热强度不变的情况下，可以显著降低传 热温差，从而降低了热损，更好地实现能级匹配，达到节能降耗的目的。采用扰 天津大学硕士学位论文 第一章国内外管壳式换热器强化传热技术研究 流子强化传热，另一优点就是可有效地抑制污垢的生成。结垢是换热器非常棘手 的问题。污垢使传热效率下降，它的导热性能差，只有钢的1 3 0 i 5 0 。对碳钢 管油冷却器，当水垢厚度达至1 2 m m 时，将比新制无垢时的运行效率下降3 0 。美国 传热研究公司对换热器的污垢问题进行了多年的研究，发现污垢的形成、生长， 主要与介质温度和流速有关，介质温度越高，介质与壁面温差越大，流速越低， 越易形成污垢。为了消除管侧污垢，国外一些厂家通过提高管内流速( v - - - - 2 3 m s ) ，但这带来过高的压降，能耗很大。采用扰流子强化传热的换热器，设备 管侧的污垢显著减少。首先，由于流体的弥散流动，介质的温度梯度较小，抑制 了污垢的形成、生长；其次，由于弥散流紊动度很高( 扰流子强化相当于静态搅 拌器) ，流体中的杂质不易沉积成垢。使用扰流子强化传热换热器的清洗十分方 便。短时期清洗时，可不抽出强化元件，用水速为v o s m s 的清洗水冲刷管程 即可。实验表明。当水速达n o 8 m s 时，水流将产生强烈的弥散涡流，对管壁有 很强的冲刷效应。因此，可以比较干净地除掉扰流子及管壁上的垢物。如果长时 间运行后清洗，可抽出强化元件，分别清洗扰流子与管壁，这也很便于实施h 1 。 1 1 3 强化型换热器发展方向 强化传热技术的研究对发展国民经济有着十分重要的意义，促使世界各国科 技工作者对强化传热技术进行极为广泛的研究和探讨。由于在强化传热管中流体 的对流传热机理比较复杂，流体在粗糙传热面上的流动和传热规律尚不太清楚， 因此目前有关强化传热管的流体阻力系数和传热准则方程都仍停留在经验或半 经验的关联式水平上，不能满足工程设计要求。应采用先进的测量仪器，如激光 测速、全息摄影等，使得人们对换热器中的流场分布和温度场分布的情况可以做 比较深入和细致的了解。有助于弥补目前在流体力学与传热理论上存在的一些缺二 陷。这对于提高理论研究水平和寻求开发新的强化途径将是一个非常重要的帮 助。 强化型换热器的设计、均一分布的流体模型和壳体侧的流动分析是基于比较 简单的流体模型，可以说在理想的流体条件前提下计算的。虽然实际的换热器自 身结构不复杂，但流动状态极其复杂，因此在这种情况下不偏流是不可能的。特别 对大型换热器在低温差、低压力损失条件下，不可忽略偏流的影响。在强化型换 热器的其他方面还有强化管束的振动问题、腐蚀问题、污垢热阻问题、清洗等方 面。 天津大学硕士学位论文第一章国内外管壳式换热器强化传热技术研究 目前在换热器强化传热理论研究及新技术新产品开发方面已进入高层次的 探索阶段，工业应用结果表明随着高效传热管的不断涌现新型壳程折流的结构也 应随之不断变化。不同强化传热元件，应有不同的壳程折流结构与之匹配，这样才 能获得最佳的传热效果。随着理论研究水平的提高，先进测试仪器的应用，新型强 化异形管将不断涌现。对各种新的高效传热元件研究的同时，应花大力气推广各 种高效传热技术，努力赶上发达国家的应用水平。 1 2 管壳式换热器壳程强化传热技术研究 传统的管壳式换热器，流体在壳侧流动存在着转折和进出口两端涡流的影响 区，影响了壳程的传热系数。管壳式换热器壳程强化传热的途径主要改变壳程挡 板或管间支撑物，以减少或消除壳程流动与传热的滞留死区，使传热面积得到 充分的利用。管壳式换热器壳程挡板或管束支撑物的发展表现为折流板的改变， 其目的是将泵功最大程度用于增强传热方面，而不是消耗于管间支撑物。现有的 支撑形式有板式支承、杆式支承、空心环支承和管子自支承。 1 2 1 板式支撑结构 传统的管壳式换热器采用单弓形折流板支承，壳程流体易产生流动死角，传 热面积无法被充分利用，因而壳程传热系数低、易结垢、流体阻力大。并且当流 体横向流过管束时，还可能使管子产生诱导振动，破坏管子及其与管板连接的可 靠性。因此，为了消除它的弊端，近2 0 年来出现了许多新型的壳程折流板支承结 构，如多弓形折流板、整圆形板、异形孔板、网状板、弓形折流板加平行分隔板、 螺旋折流板等。这些新型折流板支承结构的共同特点是尽可能地改善壳程流体流 动和传热死区，降低壳程流体流动 阻力，而且管束的抗振性也能得到 增强。 ( 1 ) 双弓形及三弓形折流板 双弓形折流板在换热器壳侧将 流体分成两股平行束，横向流动的 长度( 即横流经过的列管数) 大致为 具有同样缺口的单弓形折流板的一 三弓鹫 图1 1 双弓形及三弓形折流板 f i g 1 一ld o u b l eb o wa n dt h r e eb o wb a f f l e s 8 旧+ 0 a 一门h u 叭咿骆兮q 双制 天津大学硕士学位论文第一章国内外管壳式换热器强化传热技术研究 半，与具有相同折流板间距和缺口的单弓形折流板相比，双弓形折流板的压降为 可比设备相应值的3 0 一- 5 0 ，而传热系数是可比设备相应值的6 0 - - - 8 0 瞄1 。类似 于双弓形折流板，三弓形及多弓形折流板则在换热器壳侧将流体分成三股或多股 流。( 结构如图1 - 1 ) ( 2 ) 整圆形折流板 为了尽可能地改变弓形折流板支承的横向流动为平行于管子的纵向流动，消 除滞留死区，提高流体在壳程的流速，在电站和石油化工中，出现了整圆形折流 板。最初出现的整圆形折流板在板上钻大圆孔，既让管子通过，又有足够的间隙 让流体通过。管内外流体总体呈纵向流动，传热温差推动力大，并且由于管壁与 孔板之间的圆环间隙通道对流体可产生射流作用，使流体离开空口很快就形成湍 流，使壁面不易结垢，壳程传热得到强化。但整圆形折流板增大了换热器壳体的 直径，并且由于缺乏管子支承结构，这种换热器的管束抗振性能也很差。为改进 大管孔整圆形折流板的不足，在管孔之间开小孔，使传热介质由小孔通过折流板， 这样就不用增大壳体的直径了。 带小孔的整圆形折流板在管孔与管子之间的间隙内很容易积垢，引起腐蚀。 为了弥补这一缺陷，出现了矩形孔、梅花孔等异形孔的折流板结构( 如图卜2 ) ， a 川、圆孔 l b l 锥形孔i c i 梅花孔( d l 网被 图1 2 各种整圆形折流板 f i g 1 - 2v a r i o u se n t i r ec i r c u l a rb a f f l e s 这种折流板既能支承管子，又能让传热介质流过折流板，当介质流过管孔时，能 产生射流，对管子有冲刷和自清洁作用，从而消除了管子结垢和垢下腐蚀。 异形孔板虽然优点很多，但加工制造相对困难，费用偏高，因此工业上又出 现了网状整圆形折流板。其折流板为整圆，以每四个同一行的相邻折流孔为一组， 在小桥处铣通，壳程流体从铣口通过折流板，成全面积均匀纵向流动哺，。 德国g r i m m a 公司制造的一种整圆形折流板换热器，其结构为折流板上开横 天津大学硕士学位论文 第章国内外管壳式换热器强化传热技术研究 排管孔，以4 个孔为一组将管桥处铣通，壳侧流体在管桥处沿着轴向流动，避免 了流体因转折引起的滞留区。该公司用不同粘度的甘油和水混合物进行实验，结 果表明在中低粘度范围内纵流管束换热器传热效果明显优于传统的圆缺形折流 板换热器。 ( 3 ) 弓形折流板加平行分隔扳 在单弓折流隔板管壳式换热器的两折流隔板间平行插入了一块或数块平行 流分隔板，可将原通道改为多股平行通道，将原单股流分为多股平行流。这样， 就能有效控制板间回流死区的涡尺度，使板问流场得以均化及管间流阻得以减 少。在r e 不太高的情况下加两块、r 行流分隔板后，能在一定程度上控涡均化壳侧 流场，并且能起到较好的强化传热效果。带平行流分隔板的弓形隔板换热器的强 化传热练合性能评价因子在测量的r e 范围内其值约为12 0 1l j 左右，强化因 子随r e 数的增加而减小，这种强化传热技术适台在中低雷诺数下采用”3 。 ( 4 ) 螺旋折流扳 螺旋折流板是将传统的垂直弓形板换成螺旋状或近似螺旋状的折流板，折流 板与换热器壳体横断面有一个倾斜角度使得流体在壳程沿螺旋通道流动。按流 道多少螺旋折流可分为单 头或双头。图卜3 为流体 在螺旋折流板换热器壳侧 流动情况的示意图。螺旋 折流板换热器的螺旋折流 板使流体在壳侧呈连续柱 塞状螺旋流动( 即p l u g 流) ，不会出现传统折流板 换热器内的流动“死区”， 并且由于旋流产生的涡与 管束传热界面边界层相互 作用，使湍流度大幅度增 强有利于提高壳侧传热 膜系数“。 图i 3 蜡! 旋折流扳换热器壳程流动不意图 f i 9 1 3h e l i x c h 皿g e r ss h e l l f l o wd i a g a t i cs k e t c h 天津大学硕士学位论文第一章国内外管壳式换热器强化传热技术研究 1 2 2 杆式支撑结构 为了解决传统折 流板换热器因流体横 向冲刷管束引起的振 动和破坏问题，出现 了折流杆支承结构。 折流杆支承结构由折 流栅和支承杆组成。 折流栅是由在一圆环 图1 4 折流杆 f i g 1 - 4b a f f l ep o l e ( 折流圈) 上焊接一定数量的圆杆( 折流杆) 构成，每副单一的折流栅的主要构件包 括支撑杆、折流环交叉支撑拉杆、分隔板和纵向滑动杆。支撑杆杆端均焊接在圆 环折流环上，采用四种不同布置方式的折流栅构成折流栅组( 如图卜4 ) 。折流栅 上的折流杆交错穿插于管子之间，折流杆的直径约等于相邻管子之间的间隙，管 子被折流杆紧紧夹住，由排布的折流杆形成一系列的壳程折流。 由于折流杆换热器壳程流体为纵向流动，基本不存在流动死区。另外，流体 流过折流杆( 圆杆) 后在其两侧交替产生和脱离旋涡( 卡漫涡街) ，且流体流过折流 栅时流通截面缩小，之后又扩大，从而产生文丘里效应。由于卡漫涡街和文丘里 效应的作用，使流体对管壁形成较强烈的冲刷，从而减薄了传热边界层，也就强 化了壳程传热。折流杆式换热器的特点就是抗振能力强，消除了壳程滞留区，改善 了壳程流体的速度和温度分布。 在实际生产应用中，桂林化机厂与华南理工大学协作，设计试制的气一气折流 杆式换热器在新安江化肥厂变换系统使用，换热器管程和壳程总压降 0 3 5 k 条件下汽化过程仍然稳定。 ( 6 ) 缩放管 缩放管是由依次交替的多节渐缩段和渐扩段构成( 如图1 - 1 1 ) ，在扩张段 天津大学硕士学位论文第一章国内外管壳式换热器强化传热技术研究 中流体速度降低，静压增 加；在收缩段中流体速度 增加，静压减小。在扩张 段中由于流体质点速度变 化产生剧列的旋涡并在收 缩段中得到有效利用，而 且冲刷流体边界层，使其 减薄。在同等流阻损失下， 图1 - 1 1 缩放管结构 f i g 1 1 1z o o mt u b ef i - d m e r e = lx1 0 4 1x1 0 5 范围内，传热量比光管增加7 0 。流体在该管结构的作用下引 起湍动，从而提高传热效率。缩放管应用于单相流的研究已开展很多。华南理工 大学提出一种改型缩放管乜，将每个缩放单元段中的扩张段减到最小，并采用外 凸圆弧、内凹弧和直线相连接的方式。同时还对该改进型管进行自然对流沸腾换 热特性的实验研究，表明了改进型缩放管的自然对流沸腾换热性能优于普通缩放 管。该管可用于多种类型换热器，如空气预热器、油冷却器、冷凝器、废热锅炉 等。 ( 7 ) 波纹管乜筋 波纹管换热器属于列管式换热器，它由壳体、管束、管板和封头等几部分 组成。在壳体内安装有6 块或不等的折流挡板，不仅可防止流体短路、增加流体 速度，而且还可以迫使流体按规定路径多次错流通过管束，使湍流程度增加。波 纹管的结构见图1 - 1 2 。 波纹管换热器的列 管采用钛材质波纹管， 非普通直管，其特点为： 1 ) 热效率高。由于 换热管采用波纹形式， 管内流道截面连续不断 地突变，造成流体即使 在流速很低的情况下也 图1 1 2 波纹管结构 f i g 1 - 1 2c o r r u g a t e dt u b ef r a m e 始终处于高度湍流状态，难以形成层流，使对流传热的主要热阻被有效地克服， 管内外传热被同时强化，因而传热系数很高，一般为直管式的2 3 倍。 2 ) 防垢能力强。由于流道内流体的高度湍流，使流体中的微粒难以沉积结垢， 天津大学硕士学位论文第一章国内外管壳式换热器强化传热技术研究 即使有少量结垢生成，由于波纹管上存在管壳程温差应力而产生的应变，使具有 弹性特征的波纹管曲率发生微观变化，从而使波纹管换热器具有自然防垢和自然 除垢的能力。介质在管内外强烈湍流对管壁冲刷强烈，另外波纹管表面的光滑弧 线也能抑制水垢的生成和生长。 3 ) 波纹管属柔性元件，在温差和压差较大的场合下具有自我补偿能力，可大 大降低管板和简体的应力，不易拉脱、泄漏。 4 ) 采用优质的钛材料，设备抗腐蚀能力高，设备使用寿命长。 5 ) 独特的完全自由成形工艺，没有强烈形变，无晶间缺陷，应力分布均匀。 1 9 9 3 年沈阳市广厦热力设备开发公司开发了超薄壁( 6 = 0 5m m ) 不锈钢波纹 管换热器，由于波纹管壁很薄，波峰波谷高度差达l o m m ，换热管可自由伸缩， 流体在复杂截面流动下不断改变方向和流速，促使紊流增加或湍流产生，以使边 界层减薄和增强相变换热等，从而增大传热系数k ，k 可达2 0 0 0 3 5 0 0 w ( m 2 ) ( 水一水换热) ，3 0 0 0 - - 6 0 0 0 w ( m 2 ) ( 气一气换热) ，对于其他介 质，k 值均较光管式提高2 3 倍。 ( 8 ) 三维内肋管 三维内肋管是通过专用的工具经过一定的方法对普通圆管内壁加工而成的 高效强化传热元件。流体在管内受到三维肋的作用而使其热边界层的厚度减薄， 从而提高对流传热膜系数。在某些烟气管对流换热中，三维内肋管具有独特的自 清灰功能，李清方乜3 1 经实验，发现烟气与三维内肋管的对流换热系数可达光管的 3 2 倍，比其它强化管如螺纹管的传热效果好。 1 4 本文工作及意义 综上所述，研究各种传热过程的强化问题，设计、制造出高效紧凑式换热 器，不仅是现代工业发展过程中必须解决的问题，同时也是开展节能和开发新能 源的迫切任务。特别是近些年来，世界范围内出现的能源危机，使得能源和材料 已成为热力系统总成本更重要的因素。为了节约能源和降低消耗，就需要更多地 求助于强化传热技术。因此，研究开发强化传热技术，对于发展国民经济有着十 分重要的意义，正是由于上述因素，促使世界各国对强化传热技术进行极为广泛 的研究和探索，力图从理论上解释各种强化传热技术的机理，从试验数据中总结 出其规律性，以便在工业上加以推广应用。通过对以上各种传热技术的分析，可 以有针对性的对生产装置的换热器进行优化设计。 天津大学硕 学位论文第二章螺旋折流板换热嚣在实际生产中的应用 第二章螺旋折流板换热器在实际生产中的应用 2 1 低压气相法聚乙烯装置简介 作者所在的生产装置采用美国原联碳( u c c ) 公司开发的低压气相法生产聚乙 烯树脂。即用联碳公司的专利5 - 2 和5 - 9 型催化剂生产高密度聚乙烯，这些催化 剂是属于载负在硅胶载体上的铬系化台物。5 - 2 催化剂的活性平均可以达到 3 0 0 0 5 0 0 0 k g p e k 西a t ，s - 9 催化荆活性可以达到1 0 0 0 0 k g p e k g c a t 。生产的聚 乙烯树脂为乙烯均聚物或乙烯和一种或多种其它的矿烯烃类的共聚物，其密度 削2 i 目密艟聚烯装置实幽 f i g2 一ih i g h d e m i t yp o l y e t h y l e n e 帅l ta c t u a lp i c t u e 天津大学硕士学位论文第二章螺旋折流板换热器在实际生产中的应用 一般 1 0 9 4 9 c m 3 ，熔融指数在0 0 0 1 - 1 0 0 9 l o m i n 的范围内。装置于1 9 7 8 年 1 2 月引进，1 9 8 7 年6 月投产。装置的设计生产能力为每年1 4 万吨高密度聚乙 烯产品，每年设计开工时间8 0 0 0 小时，挤压造粒时间为7 4 0 0 小时，经过不断 进行技术改造，目前装置生产能力已达1 7 万吨年以上，装置实图如图2 - 1 所示。 该套装置的工艺特点为： ( 1 ) 简单和便于操作。 ( 2 ) 能量消耗低。 ( 3 ) 乙烯和共聚单体利用率高。 ( 4 ) 在聚合反应阶段无溶剂和液态稀释剂。 ( 5 ) 维修费用低。 ( 6 ) 工艺废物少。 ( 7 ) 系统泄漏少。 ( 8 ) 安全性高。 ( 9 ) 易于从高生产能力降到低生产能力而不影响树脂性能。 ( 1 0 ) 可获得从高分子量到低分子量，宽分子量分布到窄分子量分布等广泛 范围的产品。 该装置的生产方法主要有以下几步： ( 1 ) 催化剂制备 用活化硅胶作载体，用精制的异戊烷作溶液，按配方加入各种添加剂，经过吸 附、干燥等步骤，制成s - 2 或s - 9 系列催化剂。 ( 2 ) 原料精制有六套精制系统，分别用于乙烯、丙烯己烯、丁烯、异戊烷、 氮气、氢气精制，精制合格后的这些原、辅材料根据需要送到催化剂制备和聚合 反应系统。 ( 3 ) 聚合反应 来自精制工段的乙烯、丙烯己烯或丁烯、氢气送入反应器，保持一定的反 应温度和反应压力，在催化剂作用下，生成聚乙烯，聚乙烯粉料经产品出料系统 离开反应器，进入脱气回收单元净化后，用空气输送到粉料贮存工段。 ( 4 ) 粉料贮存 六台铝镁合金料仓用于聚合反应和混炼造粒之间的缓冲贮存，可贮存两条反 应生产线两天的产量。 ( 5 ) 混炼造粒 天津大学硕士学位论文第二章螺旋折流板换热器在实际生产中的应用 来自粉料贮存料仓的粉料树脂在此进行混炼造粒、干燥。合格的聚乙烯颗粒 用空气输送到产品均化料仓。 ( 6 ) 产品均化 来自混炼造粒工段的聚乙烯颗粒，根据产品质量分别送入合格均化料仓或等 外品仓，然后进行气动循环均化，均化合格的产品，用空气输送到成品车间进行 包装。 该套生产装置中最主要的工段为聚合反应工段，其反应流程如图2 2 所示。 图2 2 聚合反应流程及反应器温度控制图 f i g 2 - 2p o l y m e r i z a t i o nr e a c t i o nf l o wa n dr e a c t o rt e m p e r a t u r ec o n t r o lc h a r t 聚合反应在流化床反应器( 4 1 0 1 3 0 1 ) 中进行。乙烯、h 2 和共聚单体加入到 反应器中，在催化剂作用下反应生成h d p e 树脂，循环气压缩机( 4 3 0 1 3 0 1 ) 将反 应气体打循环，聚合反应热通过循环气冷却器( 4 0 5 1 3 0 1 ) 移出，粉料树脂经脱 气后输送到粉料仓。聚合反应温度由t c 3 0 1 7 进行监测，通过串级调节t c 3 0 0 7 1 、 t c 3 0 0 7 2 控制循环气冷却器上水温度及流量，进而改变循环气出口温度t c 3 0 0 8 ， 来控制反应器温度。 其中循环气冷却器的换热能力决定了该套生产装置的生产能力。自1 9 8 7 年 6 月投产以来冷却器一直采用的是弓形折流板换热器，其列管束为9 0 0 根，换热 天津大学硕1 学位论文第一章螺旋折流板换热器在实际生产中的应用 面积7 4 4 m 2 ，受牛产装置现场条件的限制，已无法改变循环气冷却器的外形尺寸。 2 0 0 3 年，通过改造将冷却器的列管数目提高到1 0 4 4 根，换热面积达到8 3 0 m 2 ， 改造另一冷却器的列管数目为1 1 4 4 根，换热面积达到9 1 0m 3 ，如图2 - 3 所示。 通过改造有效地提高了装置的生产能力，聚合反应负荷由设计的87 5 t j h 提高到了 l l t h 左右，要进一步提高高密度聚乙烯装置牛产能力，就必颁提高循环气冷却器 的换热能力。而受现场条件限制，通过改造继续增加循环气冷却器换热面积难度 较大，因此，有必要探讨采用新型换热器技术对循环气冷却器进行改造的可行性。 2 2 对循环气冷却器的改造优化选型 同2 - 3 弓形折流板换热器实围 f i g2 3s e g m e n t a l - b a f f l e h e a te x c h a n g e ra c t u a lp i c t u r e 对循环气冷却器的改造可从管程的改造和壳程的改造两方面考虑。 在流化床系统内，从床层顶部离开的气体均带有一定量的固体颗粒。当气体 流速大于最小流化速率时，气体从床中渗出时会向上抛射粒子，同时气泡的爆裂 也会向上抛射粒子。这部分粒子中较大颚粒在床层咀上部分的行程中可能随重力 落回床层但也有一部分粒子陡气体继续运动从而形成夹带= 在流化床系统内部，颗粒的夹带现象是不可避免的。对聚乙烯流化床反应器，在 以4 - 6 倍最小流化气体速率范围操作的床层中，夹带量大约为产量的o5 ，此 天津大学硕i 学位论文第二章螺旋折流板换热器在实际生产中的麻用 部分夹带一般不影响系统的运行，但当夹带量较大时，会对系统造成不曳影响。 由于粉末的密度较气体大的多在气体流动过程中粉末会不断在气体流过 的地方沉积，形成粉末层，从而导致气体管线、冷却器、分布板的堵塞。大大降 低了冷却器的传热能力。 从本文第一章可以看出，换热器对管程的改造是把光滑管面改为凹凸的曲 面，这种形式加大了循环气在换热器管程中的流动阻力，更容易造成循环气夹带 粉末的沉积，从而阻塞换热器管束，也不便于换热嚣的冲洗， 因此，受生产过程的限制，对循环气冷却器的改造不能从改造管程方面考虑， 需耍保持循环气冷却原有的光管管束设计。 图2 4 螺旋折流板换热器寓蹦 f i g2 0h e c a l - b a t t l eh 既te x c h 曲g e za c t u a lp i c t u e 从换热器的壳程改造方而根据生产条件的要求，选择螺旋折流板方式对现 有的弓形折流板换热器进行改造优化。螺旋折流板换热器实图如图2 4 所示。 天津大学硕士学位论文第二章螺旋折流板换热器在实际生产中的应用 2 3 螺旋折流板换热器的原理及结构特点 炼油厂设备大型化是提高炼油厂效益的主要途径，但其中弓形折流板换热器 大型化面临着很难逾越的障碍，而板式换热器防污垢沉积能力差也降低了它在炼 油厂的应用效果。目前国内最大的换热器换热面积只有1 0 0 0 一- 2 0 0 0 m 2 ，已在用的 弓形折流板换热器，它存在如下不足之处： ( 1 ) 壳程流体多次改变流动方向易在折流板边缘处产生流体分离，增大流动 阻力； ( 2 ) 在弓形折流板与壳体间存在着流动滞止死区，导致传热效率降低； ( 3 ) 由于圆缺区中流体以平行于