【《原油-减压渣油换热器工作原理和结构概述》4700字】

第2章换热器综述原油-减压渣油换热器工作原理和结构概述目录TOC\o"1-3"\h\u26018原油-减压渣油换热器工作原理和结构概述 1282541.1换热器工作原理 1101611.2换热器分类及应用 2258721.1.1管壳式换热器 213101.1.2板式换热器 481641.1.3板翅式换热器 452311.3新型换热器及其优化 518361.3.1新型换热器 584571.3.2换热器优化 650311.4换热器研究进展 81.1换热器工作原理热量从高温物体传递给低温物体称为传热。热量传递的形式有：传导，对流和辐射。在间接式换热设备中主要是以传导和对流两种形式进行换热的，根据流体传热原理及能量守恒定律，换热器在整个工作过程中，应符合传热方程式[13](2-1)和热平衡方程式(2-2)： (2-1)式中：Q——热负荷，热交换器每单位小时传递的热量，kJ/h；F——传热表面积，m2；K——热交换器的传热系数，kJ/m2·℃。传热系数K是一个流体的性质，与流速、流体种类、管板材质、管板壁结垢情况及流体流动状态有关。 （2-2）式中：Mc——热容，可用W表示，kJ/kg·℃；——热流体的进口温度，℃； t1——热流体的出口温度，℃；——冷流体的进口温度，℃； ——冷流体的出口温度，℃。1.2换热器分类及应用按照冷热流体换热方式，换热器可以分为间壁式、混合式（直接接触式）、蓄热式等。间壁式换热器又分为管式和板面式等；其中管式换热器有管壳式、套管式、热管式等；而板面式换热器包括板式、板翅式、螺旋板式等。其中管壳式换热器是应用最为普遍的，按照结构特点可以分为固定管板式换热器、浮头式换热器、Ｕ型管换热器和双管板换热器等，其中前三种的应用比较普遍。1.1.1管壳式换热器管壳式换热器由具有许多平行管（也称为管束）的圆柱形壳构成，允许两种流体分别流过管内空间（管侧）和管外空间（壳侧）进行热交换。管壳式换热器具有结构简单，成本低廉，材料选择范围广，对高温高压适应性强的特点。主要有固定管板式换热器、浮头式换热器、Ｕ型管换热器。（1）固定管板式换热器固定管板式换热器中通过焊接材料将换热管固定在管板上，冷流体和热流体分别穿过管侧和壳侧以进行热传递。如图2-1所示。图2-1固定管板式换热器固定管板式换热器的优点是：设计制造结构简单、造价成本低，传热面积大，管束易于拆卸，管程清洗维护比较方便；缺点是壳程基本不能进行清洗维护，一旦发生腐蚀，便将管束和壳体报废，从而在一定程度上缩短了使用寿命。管侧流体与壳侧流体之间的温差不应太大，当冷、热流体之间的温度差大于50℃时，便会产生温差应力，从而损坏管板和管束；为了避免这种温差应力，会选择在壳体上放置膨胀节。而膨胀节的压力限制又制约着壳程的压力不能太高。因此，管板式换热器通常适用于壳程介质是洁净的流体，且冷、热两种流体温度差低于50℃或是虽温度差高于50℃但壳程压力不高的工况[14]。（2）U型管式换热器U型管式换热器的结构比较简单，换热管为U型设计，如图2-2所示。图2-2U型管式换热器每根换热管制成U型，并且换热管的两段都固定在同一块管板上，管束是双管程管束，管程流程长且流速快，从而提高了传热效率。每根换热管都可以自由的伸缩，所以当壳体和管束之间的温度差较大时，不会产生温差应力，也不会损坏换热器；U型管式换热器可以将管束从壳体中抽出，方便清洁和维护，从而延长了换热器的使用寿命。U型管式换热器的优点是整体设计结构简单，由于只在一端有管板，所以焊接面比较小，成本也比较低，壳体侧的清洗和维修更方便；缺点是将管子制作成U型，难以清洁管的内部，并且难以在管束的中间更换换热管，最内层的管子弯曲直径有限导致内层管间距太大，无法保证管板的利用率[15]。因此，U型管式换热器通常适用于管侧介质比较清洁的流体，且冷、热流体之间的温差较大的工况。（3）浮头式换热器浮头式换热器是经常出现在常减压装置中的换热器。如图2-3所示，主要有壳体、管束、固定管板、浮头、浮头管板等。管束固定在管板上，固定管板一端与壳体连接；浮头管板一端不与壳体连接，称为浮头，这部分在壳体内可以浮动，能够自由调节[16]，而且不会存在温差应力。正因为浮头的存在，管束可以从壳体内抽出，便于清洗维护。适用于壳程介质不够洁净，或者冷热流体温差过大的工况。缺点是结构比较复杂，耗材消耗量大，造价比较高，对浮头端的密封要求很高。图2-3浮头式换热器1.1.2板式换热器板式换热器通过将许多波纹板作为传热板压紧一定距离并使用密封垫片组装而成的可拆卸的换热器。冷热流体流经传热板波纹形成的特殊通道，实现热交换。板式换热器的结构优点是整个设备的体积较小，结构紧凑[17]。与管壳式换热器相比，占地面积仅为管壳式换热器的一半。组装和拆卸方便，并且清洁和维护也方便。缺点是由于使用密封垫圈压紧和组装，密封性能相对较差，容易发生泄漏。在换热器的每一层之间形成矩形通道，热量通过板片传递。具有热效率高，结构紧凑，安装方便，使用寿命长等特点。在相同条件下，其传热系数比普通管壳式换热器高出3倍以上，占地面积仅为管式换热器的1/3，热回收率高，约90%。1.1.3板翅式换热器板翅式换热器是一种紧凑轻便的传热设备，具有很高的传热效率和较强的适应性。通常由翅片、隔板、封条和导流组成。在两隔板间安装翅片、导流片组成夹层（通道），按照流体的不同方式将夹层叠置，将其焊接以形成板束，板束是板翅式换热器的核心部件，再安上封头、接管等即可。板翅式换热器因其结构紧凑，传热强度高等特点，被人们认为是最有发展前景的新型换热器之一。1.3新型换热器及其优化1.3.1新型换热器由于对于节能高效的要求越来越高，以上一些比较常见的换热器再也无法满足要求，因此大量的新型换热器被研发出来。新型椭圆形套管-管翅式蒸发式冷凝器椭圆形套管-管翅式蒸发式冷凝器是套管换热器的一种[18]，简单结构模型见图2-4。它将风冷式和水冷式冷凝器相结合，不仅解决了水冷式冷凝器耗水量大的问题，也克服了风冷式冷凝器容易受到环境温度影响的缺点，节能又高效。图2-4蒸发式冷却器结构图微通道换热器微通道换热器是利用微通道换热的原理[19]，结构简图见图2-5。对于其他传统尺寸的换热器来说，微通道换热器以单位尺寸换热量高，换热效率高，运行平稳，使用周期长等优势，被越来越多的学者进行研究。图2-5微通道换热器结构简图导孔板壳式换热器板壳式换热器是在管式换热器和板式换热器的基础上发展起来的，是一种高效的换热器设备[20]。板片是圆形波纹板，且两边分有一个导孔，板束是在圆形筒体内的，具体结构见图2-6。

图2-6导孔板壳式换热器结构分解图缠绕管式换热器缠绕管式换热器由壳体和缠绕在筒体上的管程组成[21]，结构见图2-7。它以耐高温，换热速度快，构造紧凑等优势，在石油化工、制药以及LNG工业中被广泛应用[22]。图2-7缠绕管式换热器1.3.2换热器优化当前，换热器在各行业中越来越重要，在这个建设能源节约，环境友好型现代化工业社会中，研发高效节能的换热器愈发重要。所以，在换热器行业发展过程中，换热器的优化成为换热器研发的主要方向。（1）换热器强化传热通过传热方程来看，提高传热量的途径有两种，第一种是提高传热系数；第二种是增加传热面积。提高传热系数可以从以下两个方面进行，一是减少换热器污垢层，二是改变板片的材料。增大传热面积可以从两个方面进行[23]：一是管程强化传热。通过改变换热管的内外传热表面可以促进湍流，增加传热面积。螺旋槽纹管、横纹槽管、缩放管、波节管[24]、粗糙表面管、螺旋扁管等都属于异型管，如图2-8所示。利用管内插入物来改变换热管内部流体行动形态也可以增加传热面积，一般主要用纽带和螺旋片。由于管内插入物结构简单，对传热管形状无影响等优点，对管内插入物进行研究的学者也逐渐增加[25-28]。二是壳程强化传热。传统的单弓形折流板支承，存在流动死区和压降大的问题[29]，对其进行优化，采用折流杆支承结构，及新型的折流板支承结构如多方形，整圆形，异型孔网状板，螺旋形[30]等，这些结构都可以改变壳程流体的流动方向，同时增强管束的抗振性。不仅如此，不同的螺旋折流板对换热器性能影响也很大[31]。图2-8常用螺旋形表面强化管结构（2）换热器腐蚀及泄漏管壳式换热器在石油化工领域应用广泛，但也存在着腐蚀、泄漏等问题。换热器一旦泄漏，对工艺的进行、以及设备和工人的安全都是极为危险的。经分析，换热器列管破损是在氧腐蚀、列管振动和涡流的共同作用下形成的[32]。一般情况下，大多数的泄漏都是换热器腐蚀所导致的。发生腐蚀的原因，通常有三种：第一，是冷却水水质的影响，盐、各种矿物质和金属离子会在冷却水循环过程中不断累积，浓度增大，导致电导率也逐渐增大，形成电流分解水中的碳酸氢盐形成垢。管壁上垢层越积越厚，会导致管道局部腐蚀；第二，受管壳式换热器结构特点的影响；第三，换热管材质不佳也会导致腐蚀的发生而泄漏。对于换热管的腐蚀问题，根据腐蚀的机理，有以下解决方法：（1）加强换热器的密封性；（2）选择合适的材料；（3）改进管束材质。对换热管添加防腐涂层，注意日常维修，添加缓蚀剂也可以有效的避免腐蚀现象。对于换热器的优化，许多学者从不同角度入手，运用不同的模型或者算法，对换热器进行优化。ArzuSencanSahin等人基于人工蜂群算法对管壳式换热器的设计进行经济优化[33]；MaidaBarbaraReyesRodriguez等人将“entransy耗散”与生态功能相结合，提出了一种新的壳管式换热器生态影响评价方法[34]。1.4换热器研究进展国外在换热器研发方面起步较早。欧美发达国家于19世纪90年代起开始竞相开发各种型式的高效换热器。德国Linden公司1895年在低温甲醇洗、空分等工序开始研发使用高效紧凑式的缠绕管换热器；法国Packinox公司于20世纪80年代、90年代首次在催化重整装置、加氢装置应用大型板壳式换热器替代传统的管壳式换热器。我国第一台管壳式换热器于1960年生产，达到了美国电信与制造工程师协会的标准，标志着中国进入了热交换器的生产市场[35]。换热器因其在节能和环保方面的独特优势而吸引了众多行业的关注。直至今年，换热器企业总规模会以每年大约10%~15%比例增长[36]。不过至今还有许多因素限制了换热器的发展，必须对于限制其发展的相关问题进行进一步研究，提高换热效率和使用寿命。由于换热器的遍及，更多的学者参与到换热器研究领域。在国内，刘彬彬[37]对非轴对称截面换热器在强化传热方面与传统管式换热器进行了比较研究；袁雨文[38]等人通过数值模拟，分析了多流程板壳式换热器的流量分布特性并进行了优化；谢洪涛[39]等人对微通道换热器在其通道结构和优化设计两个方面进行分析，为未来微通道内流动沸腾强化传热的发展提供方向；封蔚建[40]等人采用正交试验和数值模拟相结合的方法对平直翅片管式换热器的换热和流阻特性做出分析研究，并给出了一种优化组合结构；闫君芝[41]等人利用CAD对单弓形折流板管式换热器进行3D建模，然后将模型导入fluent中进行换热过程的数值模拟，为换热器性能优化和选取适合的壳体流体提供了理论基础；施素丽[42]等人采用数值模拟的方法，分析了换热器取热方式是怎样影响单罐蓄热系统释热性能规律的，同时研究了释热过程中熔盐侧流场变动，对于熔盐单罐蓄放热系统设计得到了理论依据；古新[43]等人对扭转流管式换热器进行了数值模拟和正交实验，通过两者对比，数值模拟方法的可行性得到了验证，并提供了一种新方法来优化换热器壳程结构；姚立影[44]和宋康[45]分别对换热器入口管箱和入口管段进行了优化分析；孟雪[46]等人运用AspenEDR软件对壳管式换热器做了设计和校核，研究结果表明该软件结果可靠，计算过程简捷，大大减少了设计时间。国外也对换热器在不同领域的应用进行了研究。KeshavarzzadehAmirH[47]等人利用各种优化技术对地源换热器几何形状进行多目标进化优化；BiçerNihat[48]等人采用CFD和田口法对新型三边折流板壳管式换热器进行了优化设计；Hamed