管壳式波纹管换热器的结构特点与应用效果

1、管壳式波纹管换热器的结构特点与应用效果发布人：admin浏览3次【字号大 屮小】发布吋间：2008年8月26日摘耍：针对传统的管壳式换热器在高沸点、高凝同点物系屮使用存在的问 题，介绍了以波纹管代替光滑直管的管壳式波纹管换热器强化传热的原理和 结构特点，实践证明该新型换热器的传热系数提高了3 5%。关键词：管壳式换热器+波纹管；特点；传热系数；应用管壳式换热器由于其结构简单、易清洗维修和造价低等优点，被广泛作 为精憎塔的冷凝器、再沸器和换热器使用。但因其换热列管为普通的无缝钢 管（光滑直管），并胀焊于两端的管板上，这种结构应用于高沸点、高凝固 点特殊物系的分离提纯存在着一些问题，尤其是在冷凝水

2、水质不好的场合。高沸点、高凝固点物系的精惚塔冷凝器具有以下特点：壳程工作温度 高，管程为了防止物料在冷凝器中凝固、堵塞，冷凝水温度不宜太低，从而 导致管内壁表而温度高，易结垢，影响冷凝效果和生产能力；管、壳程温 差大，热应力大，易造成列管拉裂；精徭塔采用内冋流结构，冷凝器直接 置于塔顶部，考虑到塔体和塔基础的投资，要求塔顶冷凝器的结构紧凑、既 小又轻。管壳式波纹管换热器在管壳式换热器的基础上，采用强化传热原理把传 统的光滑直管改为高效的波纹管（见图1 ）,既继承了管壳式换热器的优点, 乂克服了其固有的缺点，具有更为广泛的应用领域。将其应用于高沸点、高 凝固点物系的精锚塔冷凝器上，能够有效地解决

3、结垢、列管拉裂等问题。1强化传热原理对传统的管壳式换热器通过采用波纹管取代光滑直管，使换热管管壁处 的流体始终处丁高度湍流状态，达到强化传热的目的。根据传热学基本公式:q = kf 沁（i）式屮：q热流量，w;k传热系数,w /（ m2 - k）;f换热而积，2对数平均温差曲式（1 ） 口j知，提高传热效率的途径有三条：提高传热系数k；增大 换热面积f；加大对数平均温差 t mo增大换热面积和加大对数平均温差 都不是理想的途径，一味地增加换热而积势必会造成设备体积庞大和投资费 用的大幅度增加；而加大对数平均温差乂要受到公用工程条件和分离物系性 质的限制。只有提高传热系数，才是强化换热最有效的途

4、径。传热系数k是换热器的主要性能参数，众所周知其计算公式为式屮，ao管内、管外的对流传热系数，w /( k);dt.do换热管的内径、外径，m;« . ro换热管内堆、外堆的污垢系数,k/w;§换热管的堆丿事,m;k换热管的热导率,w /( m > k)。由式(2 )可知，传热系数k值的大小与管内换热系数a i、管外换热 系数a o ,管内管外的污垢系数r i和r o ,换热管的外径与内径z比d o /di,换热管材料及导热系数入w和管厚度6 w有关。而换热管的材料、 规格一旦选定，则管外径与内径之比、壁厚及导热系数等参数也随之确定下 來。所以，提高管内、外换热系数a

5、 i和a o、降低污垢系数r i和o , 才能够提高换热器的总传热系数k。11提高换热系数a i及a o根据传热学对流传热准则方程：a = f( ref p r)( 2 )其中 re = pi£, /八,pr=qc/x.式中：p体积质量,kg/m3;n特征速度/s; n(动力)黏度，pbs； g定压质量热容,j/(kgk);x热导率k)。由雷诺数re和普朗特数p可见，管内、管外的对流换热系数a i及 a 0与流体的流动状态有极大关系，流动状态的改变一方面可借助于流速的 提高，但当流速提高到一定程度时，传热系数随着流速的提高而增加的速率 缓慢，而换热器压降的增加幅度却很大。因此，在设计

6、换热器时，提高传热 系数不能单纯靠捉高流速来实现；改变流动状态的另一途径是设计出合理的 流道截面，使流休按湍流或程度较高的紊流进行流动，使流休不断冲击边界 层。同吋，使截面最好能不断改变流体的流动方向，如有意识地使流道截面 不间断地缩小、扩大，即使在流速较小的情况下，流体在管内外也可以形成 比较强烈的扰动，从而提高管内外的对流换热系数。12 降低污垢系数r i及r o提高总传热系数k还可以用降低管内外的污垢系数来达到。污垢的问题 是换热设备的老大难问题，多少年来，无数的科技工作者在这一领域进行了 大量的工作取得了一定的进展，但都冇局限性。在操作过程屮，由于温度的 变化，原来溶解在流休中的一些成

7、分，会析岀沉积在传热表面形成污垢，每 一种污垢都有它独特的生成机理，这些污垢会增大设备的总热阻，降低总传 热系数。要降低换热器的污垢热阻，需从以下几方面进行考虑：1适当提高流体的流速，使流体中的沉积物不易沉积、结垢，但换热 器的压降增大；2不断地改变流休的流动方向，使流休不停地冲击换热管的壁面，让 流体屮的各种杂质不易在壁面停留；3. 选择耐腐蚀的光滑材料，也可以减缓污垢的形成。2波纹管换热器结构特点管壳式波纹管换热器最突出的优点是可以迫使流体按规定路径多次错流 通过管束，使流休的湍流程度持续得到强化，其主要特点如下。1、传热效率高曲于林如管采用波纹管，管内流道截面连续不断地突变，造成流体即使

8、 在流速很低的情况下也始终处丁高度湍流状态，难以形成层流，使对流传热 的主耍热阻被冇效地克服，管内外传热被同时强化，因而传热系数很高，一 般为传统管壳式换热器的23倍。2、防结垢能力强因流道内流体的高度湍流，使流体中的微粒难以沉积结垢，即使有少量 垢生成，由于介质在管内外湍流流动，对管壁冲刷强烈，防结垢能力强。另 外，波纹管上存在着因管程与壳程温差应力而产生的应变，使具冇弹性特征 的波纹管的曲率发生微观变化，从而使波纹管换热器具有防垢和除垢的能力。3、应力补偿能力强波纹管因其结构形状和管壁较薄的特性，在管程与壳程温差应力较大吋, 具有弹性特征的波纹管的曲率发生微观变化，用以补偿、消除热应力，有效 防止了传统的管壳式换热器换热管易被拉裂等现象。4、结构紧凑、既小又轻由于波纹管换热器传热系数很高，所需的换热面积小，而且，波纹管的 壁厚较薄，所以波纹管换热器结构紧凑、既小又轻。通过对换热器强化传热原理的剖析和波纹管换热器的结构分析可见，独 特结构形式的波纹管换热器使流动流体始终处丁湍流状态，且不断地冲刷管 壁，冇效地捉高了换热器的传热系数。