管殼式換熱器的特性與用途研究

王艷彩

摘 要：近幾年隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，從而制造業(yè)也在與日俱進(jìn)，管殼式換熱器在各個(gè)行業(yè)使用的越來(lái)越多，但是對(duì)于管殼式換熱器的研究較少。本文針對(duì)現(xiàn)有的管式換熱器，對(duì)其工作原理和傳熱性能進(jìn)行分析，并且提出了改進(jìn)傳熱的措施，為管殼式的廣泛應(yīng)用打下了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：管殼式，換熱器的特點(diǎn)，換熱器的用途

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.03.017

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展需要，換熱器已成為現(xiàn)代化不可缺少的工藝裝備，在工程實(shí)踐中應(yīng)用廣泛，很多大型企業(yè)都使用換熱器來(lái)節(jié)省能量，對(duì)能量實(shí)現(xiàn)循環(huán)利用提高了生產(chǎn)效率。現(xiàn)在國(guó)家非常重試環(huán)境的保護(hù)和節(jié)能，尤其在能源、機(jī)械、制冷、空調(diào)等行業(yè)對(duì)換熱器的需求更加多。換熱器能夠充分利用工業(yè)的二次能源，并且能夠?qū)崿F(xiàn)余熱回收和節(jié)能 任何一種石油、化工產(chǎn)品，都是人們利用一定的生產(chǎn)技術(shù)和按照特定的工藝要求。在生產(chǎn)實(shí)踐中，要實(shí)現(xiàn)某種化工生產(chǎn)就需要有相應(yīng)的機(jī)器和設(shè)備。石油化學(xué)等過(guò)程工業(yè)的絕大數(shù)生產(chǎn)過(guò)程都是在化工設(shè)備這一特定空間內(nèi)進(jìn)行的?；と萜骷霸O(shè)備是為生產(chǎn)工藝過(guò)程服務(wù)的，它必須在規(guī)定的工藝條件下，在單位時(shí)間內(nèi)，盡可能利用最少的資源，最小的空間生產(chǎn)最多的產(chǎn)品，而且在經(jīng)濟(jì)上也是最為合理的。

1 管殼式換熱器的工作原理

管殼式換熱器的連接方式有多種多樣，其中固定式連接、U型管式連接和滑動(dòng)式連接應(yīng)用較多。管殼式換熱管可以分為倆種，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單而且其殼體內(nèi)徑很小，管程可以根據(jù)實(shí)際工況進(jìn)行設(shè)計(jì)，殼程也是根據(jù)實(shí)際所需進(jìn)行定制，因此規(guī)格范圍廣，在工程實(shí)踐中應(yīng)用較多。在管殼式換熱器中，在殼程流體和管程流體之間因?yàn)榱鲃?dòng)性而存在一定的溫差，在溫差作用下會(huì)使殼體和換熱管之也形成一個(gè)溫度差，從而會(huì)造成殼體和換熱管之間會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力，防止殼體和換熱管局部地區(qū)產(chǎn)生應(yīng)力集中而破裂，從而造成換熱管破壞。因此，必須在殼體和換熱管之間加一節(jié)膨脹節(jié)來(lái)防止兩個(gè)零件遭到不同程度破壞，也可以通過(guò)加厚兩個(gè)零件的厚度來(lái)防止其破壞。

管殼式換熱器由殼體和管束組成，管束包括多個(gè)管道相連接。管殼式換熱器一般的工作壓力可達(dá)4.5MPa，而且能夠在工作溫度低于200°C下進(jìn)行操作。已有的加工水平，其殼體直徑一般低于2000mm，而且其管道長(zhǎng)度也小于10m。

2 管殼式換熱器的傳熱性能分析

對(duì)于一個(gè)封閉的系統(tǒng)，即熱力系統(tǒng)沒(méi)有能量的交換，該系統(tǒng)的能量交換關(guān)系：

式中，Q表示系統(tǒng)從外界吸收的能量， W表示系統(tǒng)對(duì)外界做功，△U表示系統(tǒng)內(nèi)能；△Ek表示系統(tǒng)動(dòng)能，△EP表示熱力系統(tǒng)的勢(shì)能。

（1）增大傳熱的面積：

1）對(duì)管殼式的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，通過(guò)計(jì)算和實(shí)驗(yàn)對(duì)內(nèi)外導(dǎo)管進(jìn)行優(yōu)化，增加其有效傳遞面積。

2）對(duì)管殼式的面積進(jìn)行增大，通過(guò)增加翅片來(lái)增大受熱面積。

3）增加管殼式換熱器的總體面積。

（2）增大傳熱平均溫差：

傳熱平均溫差的大小是由兩種冷、熱液體溫度所決定，當(dāng)雙方都變溫度的流體，應(yīng)盡可能考慮從逆流的結(jié)構(gòu)以獲得接近計(jì)數(shù)器。

3 增大傳熱系數(shù)

傳熱過(guò)程中，各熱阻與總傳熱系數(shù)關(guān)系如下

從上式可以看出傳熱系數(shù)的增大和K值的大小有關(guān)。如果Ri較大時(shí)，則應(yīng)主要考慮如何防止或延緩垢層的形成或使污垢層清洗方便當(dāng)hj和h0差別不大時(shí)，最好能同時(shí)提高兩流體的對(duì)流換熱系數(shù)；而當(dāng)兩者差別較大時(shí)，要設(shè)法增大換熱系數(shù)較小的一項(xiàng)。

4 提高管殼式換熱器傳熱能力的措施

提高管殼式換熱器換熱能力的措施包括以下內(nèi)容：

（1）提高管殼式換熱器的平均對(duì)數(shù)，必須盡量提高冷、熱流體的逆流比例。

（2）確定管側(cè)和殼側(cè)介質(zhì)。在換熱器的設(shè)計(jì)中，換熱器殼內(nèi)安裝擋板，當(dāng)阻力> 100，殼體就會(huì)發(fā)生振動(dòng)，因此，對(duì)小流量或介質(zhì)的粘度較差是優(yōu)選殼熱介質(zhì)；因?yàn)檫@樣清洗殼體更加簡(jiǎn)單，當(dāng)有沉淀和碎片時(shí)應(yīng)該遵循易結(jié)垢管；從經(jīng)濟(jì)性考慮，對(duì)于高溫、高壓、腐蝕性介質(zhì)的管作為傳熱介質(zhì)更為合理；冷凝式換熱器一般采用剛性結(jié)構(gòu)，如果冷、熱介質(zhì)溫度、壁面溫度和換熱系數(shù)的介質(zhì)溫度接近非常接近時(shí)，管殼介質(zhì)換熱系數(shù)更合理，冷、熱介質(zhì)溫度小，兩介質(zhì)熱交換系數(shù)大，熱管螺紋的介質(zhì)換熱系數(shù)更合理。

（3）加強(qiáng)管殼式換熱器傳熱的結(jié)構(gòu)措施。在換熱器的設(shè)計(jì)中，通常采用強(qiáng)化傳熱來(lái)提高換熱器的傳熱能力.。常用的強(qiáng)化傳熱措施有：采用高效傳熱表面、靜電場(chǎng)強(qiáng)化傳熱、壁厚、攪拌等。

5 總結(jié)

本文針對(duì)現(xiàn)有的管式換熱器，對(duì)其工作原理和傳熱性能進(jìn)行分析，并且提出了改進(jìn)傳熱的措施，為管殼式的廣泛應(yīng)用打下了基礎(chǔ)。

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