套管式换热器

作者:365体育官网发布日期:2020-06-19 17:52

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  管式换热器的一种。套管式换热器是用两种尺寸不同的标准管连接而成同心圆套管,外面的叫壳程,内部的叫管程。两种不同介质可在壳程和管程内逆向流动(或同向)以达到换热的效果。

  套管式换热器是目前石油化工生产上应用最广的一种换热器。它主要由壳体(包括内壳和外壳)、U型肘管、填料函等组成。所需管材,可分别采用普通碳钢、铸铁、铜、钛、陶瓷玻璃等制作。管子一般被固定在支架上。两种不同介质可在管内逆向流动(或同向)以达到换热的目的。在进行逆向换热时,热流体由上部进入,而冷流体由下部进入,热量通过内管管壁由一种流体传递给另一种流体。热流体由进入端到出口端流过的距离称之为管程;流体由壳体的接管进入,从壳体上的一端引入到另一端流出,通过这种方式传热的换热器称为壳程套管式换热器[5]。由于套管式换热器被广泛的应用在石油化工、制冷等工业部门,原本单一的传热方式和传热效率已经不能满足实际工作和生产,目前国内外研究者对套管式换热器提出了很多种改进方案,以延长套管式换热器的使用寿命,加强其使用效率。

  以同心套管中的内管作为传热元件的换热器。两种不同直径的管子套在一起组成同心套管,每一段套管称为“一程“,程的内管(传热管)借U形肘管,而外管用短管依次连接成排,固定于支架上(图1中a)。热量通过内管管壁由一种流体传递给另一种流体。通常,热流体(A流体)由上部引入,而冷流体(B流体)则由下部引入。套管中外管的两端与内管用焊接或法兰连接。内管与U形肘管多用法兰连接,便于传热管的清洗和增减。每程传热管的有效长度取4~7米。这种换热器传热面积最高达18平方米,故适用于小容量换热。当内外管壁温差较大时,可在外管设置U形膨胀节(图中b)或内外管间采用填料函滑动密封(图1中c),以减小温差应力。管子可用钢、铸铁、铜、钛、陶瓷、玻璃等制成,若选材得当,它可用于腐蚀性介质的换热。

  这类换热器的结构比较简单、紧凑、造价便宜,但管外不能机械清洗。此种换热器管束连接在管板上,管板分别焊在外壳两端,并在其上连接有顶盖,顶盖和壳体装有流体进出口接管。通常在管外装置一系列垂直于管束的挡板。同时管子和管板与外壳的连接都是刚性的,而管内管外是两种不同温度的流体。因此,当管壁与壳壁温差较大时,由于两者的热膨胀不同,产生了很大的温差应力,以至管子扭弯或使管子从管板上松脱,甚至毁坏换热器。 为了克服温差应力必须有温差补偿装置,一般在管壁与壳壁温度相差50℃以上时,为安全起见,换热器应有温差补偿装置。但补偿装置(膨胀节)只能用在壳壁与管壁温差低于60~70℃和壳程流体压强不高的情况。一般壳程压强超过0.6MPa时由于补偿圈过厚,难以伸缩,失去温差补偿的作用,就应考虑其他结构。

  换热器的一块管板用法兰与外壳相连接,另一块管板不与外壳连接,以使管子受热或冷却时可以自由伸缩,但在这块管板上连接一个顶盖,称之为“浮头”,所以这种换热器叫做浮头式换热器。其优点是:管束可以拉出,以便清洗;管束的膨胀不变壳体约束,因而当两种换热器介质的温差大时,不会因管束与壳体的热膨胀量的不同而产生温差应力。其缺点为结构复杂,造价高。

  这类换热器管束一端可以自由膨胀,结构比浮头式简单,造价也比浮头式低。但壳程内介质有外漏的可能,壳程中不应处理易挥发、易燃、易爆和有毒的介质。

  U形管式换热器,每根管子都弯成U形,两端固定在同一块管板上,每根管子皆可自由伸缩,从而解决热补偿问题。管程至少为两程,管束可以抽出清洗,管子可以自由膨胀。其缺点是管子内壁清洗困难,管子更换困难,管板上排列的管子少。优点是结构简单,质量轻,适用于高温高压条件。

  这种换热器具有若干突出的优点,所以至今仍被广泛用于石油化工等工业部门。

  ①结构简单,传热面积增减自如。因为它由标准构件组合而成,安装时无需另外加工。

  ②传热效能高。它是一种纯逆流型换热器,同时还可以选取合适的截面尺寸,以提高流体速度,增大两侧流体的传热系数,因此它的传热效果好。液-液换热时,传热系数为 870~1750W/(m

  ·℃)。这一点特别适合于高压、小流量、低传热系数流体的换热。套管式换热器的缺点是占地面积大;单位传热面积金属耗量多,约为管壳式换热器的5倍;管接头多,易泄漏;流阻大。

  ③结构简单,工作适应范围大,传热面积增减方便,两侧流体均可提高流速,使传热面的两侧都可以有较高的传热系数,是单位传热面的金属消耗量大,为增大传热面积、提高传热效果,可在内管外壁加设各种形式的翅片,并在内管中加设刮膜扰动装置,以适应高粘度流体的换热。

  ②生产中,有较多材料选择受限,由于套管式换热器大多是内管中不允许有焊接,因为焊接会造成受热膨胀开裂,而套管式换热器大多数为了节省空间选择,弯制,盘制成蛇管形态,故有较多特殊的耐腐蚀材料无法正常生产。

  ③套管换热器国内还没有形成统一的焊接标准,各个企业都是根据其他换热产品经验选择焊接方式,所以,套管式换热器的焊接处,出现各类问题司空见惯,需要经常注意检查,保养。

  套管式换热器长期运行会导致设备被水垢堵塞,将会使效率降低、能耗增加、寿命缩短。如果水垢不能被及时地清除,就会面临设备维修、停机或者报废更换的危险。长期以来传统的清洗方式如机械方法(刮、刷)、高压水、化学清洗(酸洗)等在对换热器清洗时出现很多问题:不能彻底清除水垢等沉积物,并对设备造成腐蚀,残留的酸对材质产生二次腐蚀或垢下腐蚀,最终导致更换设备,此外,清洗废液有毒,需要大量资金进行废水处理。企业可采用高效环保清洗剂避免上述情况,其具有高效、环保、安全、无腐蚀特点,不但清洗效果良好而且对设备没有腐蚀,能够保证空压机的长期使用。

  兰州石油机械研究所主编. 换热器 第2版 上. 北京:中国石化出版社, 2013.01.

  王沛主编. 制药原理与设备. 上海:上海科学技术出版社, 2014.03.


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