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套管式換熱器
鎖定
管式換熱器的一種。套管式換熱器是用兩種尺寸不同的標準管連接而成同心圓套管,外面的叫殼程,內部的叫管程。兩種不同介質可在殼程和管程內逆向流動(或同向)以達到換熱的效果。
- 中文名
- 套管式換熱器
- 外文名
- double-pipe heat exchanger
- 學 科
- 機械工程
- 類 型
- 管式換熱器
- 應 用
- 石油化工
- 優 點
- 結構簡單、傳熱效能高
套管式換熱器介紹
套管式換熱器是目前石油化工生產上應用最廣的一種換熱器。它主要由殼體(包括內殼和外殼)、U型肘管、填料函等組成。所需管材,可分別採用普通碳鋼、鑄鐵、銅、鈦、陶瓷玻璃等製作。管子一般被固定在支架上。兩種不同介質可在管內逆向流動(或同向)以達到換熱的目的。在進行逆向換熱時,熱流體由上部進入,而冷流體由下部進入,熱量通過內管管壁由一種流體傳遞給另一種流體。熱流體由進入端到出口端流過的距離稱之為管程;流體由殼體的接管進入,從殼體上的一端引入到另一端流出,通過這種方式傳熱的換熱器稱為殼程套管式換熱器[5]。由於套管式換熱器被廣泛的應用在石油化工、製冷等工業部門,原本單一的傳熱方式和傳熱效率已經不能滿足實際工作和生產,目前國內外研究者對套管式換熱器提出了很多種改進方案,以延長套管式換熱器的使用壽命,加強其使用效率。
套管式換熱器結構原理
以同心套管中的內管作為傳熱元件的換熱器。兩種不同直徑的管子套在一起組成同心套管,每一段套管稱為“一程“,程的內管(傳熱管)借U形肘管,而外管用短管依次連接成排,固定於支架上(圖1a)。熱量通過內管管壁由一種流體傳遞給另一種流體。通常,熱流體(A流體)由上部引入,而冷流體(B流體)則由下部引入。套管中外管的兩端與內管用焊接或法蘭連接。內管與U形肘管多用法蘭連接,便於傳熱管的清洗和增減。每程傳熱管的有效長度取4~7米。這種換熱器傳熱面積最高達18平方米,故適用於小容量換熱。當內外管壁温差較大時,可在外管設置U形膨脹節(圖1b)或內外管間採用填料函滑動密封(圖1c),以減小温差應力。管子可用鋼、鑄鐵、銅、鈦、陶瓷、玻璃等製成,若選材得當,它可用於腐蝕性介質的換熱。
[1]
套管式換熱器分類
1、 固定管板式換熱器
這類換熱器的結構比較簡單、緊湊、造價便宜,但管外不能機械清洗。此種換熱器管束連接在管板上,管板分別焊在外殼兩端,並在其上連接有頂蓋,頂蓋和殼體裝有流體進出口接管。通常在管外裝置一系列垂直於管束的擋板。同時管子和管板與外殼的連接都是剛性的,而管內管外是兩種不同温度的流體。因此,當管壁與殼壁温差較大時,由於兩者的熱膨脹不同,產生了很大的温差應力,以至管子扭彎或使管子從管板上鬆脱,甚至毀壞換熱器。 為了克服温差應力必須有温差補償裝置,一般在管壁與殼壁温度相差50℃以上時,為安全起見,換熱器應有温差補償裝置。但補償裝置(膨脹節)只能用在殼壁與管壁温差低於60~70℃和殼程流體壓強不高的情況。一般殼程壓強超過0.6MPa時由於補償圈過厚,難以伸縮,失去温差補償的作用,就應考慮其他結構。
2、 浮頭式換熱器
換熱器的一塊管板用法蘭與外殼相連接,另一塊管板不與外殼連接,以使管子受熱或冷卻時可以自由伸縮,但在這塊管板上連接一個頂蓋,稱之為“浮頭”,所以這種換熱器叫做浮頭式換熱器。其優點是:管束可以拉出,以便清洗;管束的膨脹不變殼體約束,因而當兩種換熱器介質的温差大時,不會因管束與殼體的熱膨脹量的不同而產生温差應力。其缺點為結構複雜,造價高。
3、 填料函式換熱器
這類換熱器管束一端可以自由膨脹,結構比浮頭式簡單,造價也比浮頭式低。但殼程內介質有外漏的可能,殼程中不應處理易揮發、易燃、易爆和有毒的介質。
4、 U型管式換熱器
U形管式換熱器,每根管子都彎成U形,兩端固定在同一塊管板上,每根管子皆可自由伸縮,從而解決熱補償問題。管程至少為兩程,管束可以抽出清洗,管子可以自由膨脹。其缺點是管子內壁清洗困難,管子更換困難,管板上排列的管子少。優點是結構簡單,質量輕,適用於高温高壓條件。
套管式換熱器優點
這種換熱器具有若干突出的優點,所以至今仍被廣泛用於石油化工等工業部門。
①結構簡單,傳熱面積增減自如。因為它由標準構件組合而成,安裝時無需另外加工。
②傳熱效能高。它是一種純逆流型換熱器,同時還可以選取合適的截面尺寸,以提高流體速度,增大兩側流體的傳熱係數,因此它的傳熱效果好。液-液換熱時,傳熱係數為 870~1750W/(m2·℃)。這一點特別適合於高壓、小流量、低傳熱係數流體的換熱。套管式換熱器的缺點是佔地面積大;單位傳熱面積金屬耗量多,約為管殼式換熱器的5倍;管接頭多,易泄漏;流阻大。
③結構簡單,工作適應範圍大,傳熱面積增減方便,兩側流體均可提高流速,使傳熱面的兩側都可以有較高的傳熱係數,是單位傳熱面的金屬消耗量大,為增大傳熱面積、提高傳熱效果,可在內管外壁加設各種形式的翅片,並在內管中加設刮膜擾動裝置,以適應高粘度流體的換熱。
④可以根據安裝位置任意改變形態,利於安裝。
套管式換熱器缺點
①檢修、清洗和拆卸都較麻煩,在可拆連接處容易造成泄漏。
②生產中,有較多材料選擇受限,由於套管式換熱器大多是內管中不允許有焊接,因為焊接會造成受熱膨脹開裂,而套管式換熱器大多數為了節省空間選擇,彎制,盤製成蛇管形態,故有較多特殊的耐腐蝕材料無法正常生產。
③套管換熱器國內還沒有形成統一的焊接標準,各個企業都是根據其他換熱產品經驗選擇焊接方式,所以,套管式換熱器的焊接處,出現各類問題司空見慣,需要經常注意檢查,保養。