管殼式波紋管換熱器的結構特點與應用效果

1、管殼式波紋管換熱器的結構特點與應用效果發(fā)布人：admin瀏覽3次【字號 大 中 小】 發(fā)布時間：2008年8月26日摘要：針對傳統(tǒng)的管殼式換熱器在高沸點、高凝固點物系中使用存在的問 題，介紹了以波紋管代替光滑直管的管殼式波紋管換熱器強化傳熱的原理和 結構特點，實踐證明該新型換熱器的傳熱系數(shù)提高了3 5%。關鍵詞：管殼式換熱器+波紋管；特點；傳熱系數(shù)；應用管殼式換熱器由于其結構簡單、易清洗維修和造價低等優(yōu)點，被廣泛作 為精儲塔的冷凝器、再沸器和換熱器使用。但因其換熱列管為普通的無縫鋼 管（光滑直管），并脹焊于兩端的管板上，這種結構應用于高沸點、高凝固 點特殊物系的分離提純存在著一些問題，尤其是在

2、冷凝水水質不好的場合。高沸點、高凝固點物系的精儲塔冷凝器具有以下特點：殼程工作溫度 高，管程為了防止物料在冷凝器中凝固、堵塞，冷凝水溫度不宜太低，從而 導致管內壁表面溫度高，易結垢，影響冷凝效果和生產能力；管、殼程溫 差大，熱應力大，易造成列管拉裂；精儲塔采用內回流結構，冷凝器直接 置于塔頂部，考慮到塔體和塔基礎的投資，要求塔頂冷凝器的結構緊湊、既 小又輕。管殼式波紋管換熱器在管殼式換熱器的基礎上，采用強化傳熱原理把傳 統(tǒng)的光滑直管改為高效的波紋管（見圖1）,既繼承了管殼式換熱器的優(yōu)點， 又克服了其固有的缺點，具有更為廣泛的應用領域。將其應用于高沸點、高 凝固點物系的精儲塔冷凝器上，能夠有效地

3、解決結垢、列管拉裂等問題。1 強化傳熱原理對傳統(tǒng)的管殼式換熱器通過采用波紋管取代光滑直管，使換熱管管壁處 的流體始終處于高度湍流狀態(tài)，達到強化傳熱的目的。根據(jù)傳熱學基本公式：Q =KfAt（I）式中：Q熱流量，W;K傳熱系數(shù)，W /（* K）;F換熱面積，At時數(shù)平均溫差，標由式（1）可知，提高傳熱效率的途徑有三條：提高傳熱系數(shù)K;增大 換熱面積F ;加大對數(shù)平均溫差 Atm。增大換熱面積和加大對數(shù)平均溫差 都不是理想的途徑，一味地增加換熱面積勢必會造成設備體積龐大和投資費 用的大幅度增加；而加大對數(shù)平均溫差又要受到公用工程條件和分離物系性 質的限制。只有提高傳熱系數(shù)，才是強化換熱最有效的途徑

4、。傳熱系數(shù)K是換熱器的主要性能參數(shù)，眾所周知其計算公式為 -id”a dj+ F + 不+/ a “u人k式中，明 .明管內，管外的對流傳熱系數(shù)，W /( Y* K);山&換熱管的內徑、外徑，m;換熱管內壁,外壁的污垢系數(shù),6, K/W;&換熱管的壁厚, m；、換熱管的熱導率，W"m，K).由式(2)可知，傳熱系數(shù)K值的大小與管內換熱系數(shù)民1、管外換熱系數(shù)a。，管內管外的污垢系數(shù)r 1和r。，換熱管的外徑與內徑之比d。 /d 1 ,換熱管材料及導熱系數(shù) 入w和管厚度6 w有關。而換熱管的材料、 規(guī)格一旦選定，則管外徑與內徑之比、壁厚及導熱系數(shù)等參數(shù)也隨之確定下 來。所

5、以，提高管內、外換熱系數(shù) a 1和a。、降低污垢系數(shù)r 1和r。， 才能夠提高換熱器的總傳熱系數(shù)K o1 . 1 提高換熱系數(shù)a i及a o根據(jù)傳熱學對流傳熱準則方程：a P r)( 2)其中 Re = Pud； /R, Pr- 0( /A, 式中：P體積質量,kg/wJ jn特征速度，m小； H-(動力)黏度，Par策 G定玉質量熱容，J«kgK)；X熱導率，W/( m* K).由雷諾數(shù)Re和普朗特數(shù)P r可見，管內、管外的對流換熱系數(shù)a 1及a o與流體的流動狀態(tài)有極大關系，流動狀態(tài)的改變一方面可借助于流速的 提高，但當流速提高到一定程度時，傳熱系數(shù)隨著流速的提高而增加的速率 緩

6、慢，而換熱器壓降的增加幅度卻很大。因此，在設計換熱器時，提高傳熱 系數(shù)不能單純靠提高流速來實現(xiàn)；改變流動狀態(tài)的另一途徑是設計出合理的 流道截面，使流體按湍流或程度較高的紊流進行流動，使流體不斷沖擊邊界 層。同時，使截面最好能不斷改變流體的流動方向，如有意識地使流道截面 不間斷地縮小、擴大，即使在流速較小的情況下，流體在管內外也可以形成 比較強烈的擾動，從而提高管內外的對流換熱系數(shù)。1 . 2 降低污垢系數(shù)r 1及r。提高總傳熱系數(shù)K還可以用降低管內外的污垢系數(shù)來達到。污垢的問題 是換熱設備的老大難問題，多少年來，無數(shù)的科技工作者在這一領域進行了大量的工作取得了一定的進展，但都有局限性。在操作過

7、程中，由于溫度的 變化，原來溶解在流體中的一些成分，會析出沉積在傳熱表面形成污垢，每 一種污垢都有它獨特的生成機理，這些污垢會增大設備的總熱阻，降低總傳 熱系數(shù)。要降低換熱器的污垢熱阻，需從以下幾方面進行考慮：1 .適當提高流體的流速，使流體中的沉積物不易沉積、結垢，但換熱 器的壓降增大；2 .不斷地改變流體的流動方向，使流體不停地沖擊換熱管的壁面，讓 流體中的各種雜質不易在壁面停留；3 .選擇耐腐蝕的光滑材料，也可以減緩污垢的形成。2 波紋管換熱器結構特點管殼式波紋管換熱器最突出的優(yōu)點是可以迫使流體按規(guī)定路徑多次錯流 通過管束，使流體的湍流程度持續(xù)得到強化，其主要特點如下。1、傳熱效率高由于

8、換熱管采用波紋管，管內流道截面連續(xù)不斷地突變，造成流體即使 在流速很低的情況下也始終處于高度湍流狀態(tài)，難以形成層流，使對流傳熱 的主要熱阻被有效地克服，管內外傳熱被同時強化，因而傳熱系數(shù)很高，一 般為傳統(tǒng)管殼式換熱器的23倍。2、防結垢能力強因流道內流體的高度湍流，使流體中的微粒難以沉積結垢，即使有少量 垢生成，由于介質在管內外湍流流動，對管壁沖刷強烈，防結垢能力強。另 外，波紋管上存在著因管程與殼程溫差應力而產生的應變，使具有彈性特征 的波紋管的曲率發(fā)生微觀變化，從而使波紋管換熱器具有防垢和除垢的能力。3、應力補償能力強波紋管因其結構形狀和管壁較薄的特性，在管程與殼程溫差應力較大時, 具有彈性特征的波紋管的曲率發(fā)生微觀變化，用以補償、消除熱應力，有效 防止了傳統(tǒng)的管殼式換熱器換熱管易被拉裂等現(xiàn)象。4、結構緊湊、既小又輕由于波紋管換熱器傳熱系數(shù)很高，所需的換熱面積小，而且，波紋管的 壁厚較薄，所以波紋管換熱器結構緊湊、既小又輕。通過對換熱器強化傳熱原理的剖析和波紋管換熱器的結構分析可見，獨 特結構形式的波紋管換熱器使流動流體始終處于湍流狀態(tài)，且不斷地沖刷管 壁，有效地提高了換熱器的傳熱系數(shù)