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纏繞管式換熱器層間距及同層管間距的確定

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纏繞管式換熱器層間距及同層管間距的確定

發布日期:2019-01-25 作者: 點擊:

貴州管業為您介紹纏繞管式換熱器層間距及同層管間距的確定

纏繞管式換熱器是由一組或多組纏繞呈螺旋管狀的管子置于殼體之中制成的,又稱螺旋管式換熱器。他的特點是結構緊湊、傳熱面積比直管大,溫差應力小,但管內清洗困難,可用于較高粘度的流體加熱或冷卻。

纏繞管式換熱器不僅適用于大型石油化工工藝過程,現今大型氮肥國產化裝置也陸續制造了數臺大型纏繞管式換熱器,并取得了初步成功。纏繞管式換熱器在化工工藝流程中不僅是甲醇洗裝備的關鍵單元設備,而且還是一種節能設備,但由于該設備工藝計算復雜,制造難度極大,工程技術一直被國外林德等公司壟斷,國產化進展較小。

纏繞管式換熱器層間距及同層管間距的確定。

纏繞管式換熱器與傳統換熱器相比,其優點在于:喘流度高,換熱效率高,結構緊湊、空間利用效率高,無換熱死區。

纏繞管式換熱器之所以具備較傳統換熱器優越的性能,在于其結構方面的特殊。

傳統換熱器是浮頭式折流板換熱器,該換熱器的換熱管是光滑直管,介質在管內直流,在管中心部分流速快,與管內表面接觸的部分流速慢。其特點如下:1、由于介質在管內直流,因此管內的介質運動狀態較為穩定,喘流度小,管中心的介質在流動過程中幾乎不會與管內表面附近的介質發生擾動,不能很好的實現熱量由管心介質向靠近管內壁介質的轉移,從而造成同一界面上,管內表面處的溫度接近換熱管外表面的介質溫度,而越靠近管中心,介質溫度與換熱管外表面的介質溫度相差越大,最終降低了熱交換能力。2、由于換熱管是直管,因此,換熱管的長度小于殼體的長度,所以換熱管的換熱面積受到極大的限制。3、由于殼體內設有折流板,因此根據流體力學知識不難得出在換熱過程中必然存在換熱死區,以至對換熱效率造成影響。4、又由于殼體內各間隙的換熱環境不同,故不易進行可控條件下的多股流換熱。

纏繞式換熱器由一組或多組纏繞呈螺旋管狀的管子置于殼體之中制成的。貴州管業其纏繞特點為:1、任意一層相鄰兩換熱管之間的凈距相同,用s表示。2、任意相鄰兩層換熱管之間的凈距相同,用d表示。3、每一層換熱管的根數由內層至外層的順序遞增,關鍵在于遞增的結果應保證任意一層上、任意兩相鄰換熱管之間的間距相同。4、同一層上的螺旋狀換熱管的螺旋角應相同,用a表示。5、任意相鄰兩層螺旋換熱管的螺旋角應互為相反數。6、相鄰兩層螺旋換熱管之間用厚度為d的薄金屬片通過焊接的方式固定。7、最內層螺旋狀換熱管與中心柱筒之間用厚度為d/2的薄金屬片通過焊接的方式固定。8、最外層螺旋狀換熱管與殼體內壁之間用厚度為d/2的薄金屬片通過焊接的方式固定。(注:上述所提及的薄金屬片都是沿換熱器軸向固定)

在纏繞管式換熱器的使用過程中,換熱管內的介質將沿著換熱管的螺旋方向流動,殼體內的流體將沿著同層間螺旋管所構成的螺旋通道流動。其換熱特點在于:1、由于介質在螺旋流動的過程中將產生二次環流,故殼內及換熱管內喘流度高,流束內外部熱交換充分,所以熱交換能力強。2、由于相鄰兩層螺旋管的螺旋角為相反數,故可以大大的增強殼體內相鄰兩流層的喘流度,增強熱交換能力。3、由于換熱管是螺旋狀纏繞的,因此換熱管的長度將遠遠大于換熱器的長度,所以極大地增大了換熱面積。4、因為螺旋管道的長度遠遠大于換熱器的長度,故在介質流速為定值的情況下,將大大的延長換熱的時間,從而達到提高換熱效率的目的4、。根據纏繞管式換熱器的布局特點不難發現殼體內任一空隙位置的換熱環境均相同(殼體內任一空隙位置的大小相同),故可以在已知的情況下進行多股流的熱交換。

介質在螺旋狀流道內熱交換的優點在上述段落內已提及,但如何達到介質做螺旋流道流動的目的需要對同層管間距d與相鄰層間距s進行具體的分析。

對于相鄰層管間距d的取值判定,首先要意識到當d值足夠大時,殼內介質將做直流流動,因此d值越小,越有利于實現螺旋流道式流動。其中,當d=0,即相鄰層螺旋管直接焊在一起時達到螺旋流道流動的最佳效果,但是直接將管道焊在一起,將會對換熱管的強度造成影響,以至不能適應高壓工況下的換熱。除上述所說的對換熱管道強度造成影響之外,由于過流面積的減小,還會大大的增大殼內介質的動能損失,不適宜高粘度的流質換熱,所以螺旋管層層之間必須通過金屬片來固定。金屬片的厚度受到工業焊接水平的限制,西方發達國家的纏繞式換熱器的d值取2mm。

對于同層管間距s的取值應依據相鄰層管間距d的取值判定,其要求在于,s的取值應不至于導致介質做螺旋流道流動的阻力大于其直流的阻力,滿足此要求的s值中,必然存在一個最小值,該值可使同層間換熱管排列最緊湊。s值的最終確定應在滿足不小于最小值的條件下由具體換熱要求確定。

需要強調的是,在纏繞管式換熱器中,任意一根換熱管的長度都相同。其次便是,介質的流動方向是沿著阻力損失小的流道流動的,而絕非是沿著最短的流道流動,故介質螺旋流動換熱的關鍵在于如何實現做螺旋流動的阻力損失小于做直流流動的阻力損失,即最終取絕于相鄰層管間距d與同層管間距s。

雖然上述所說的比較簡單,但事實上,如何合理的選取d、s值需要在大量實驗的基礎上才能確定。實驗應針對在不同的溫度、不同的壓力條件下對不同的介質進行,從而在大量實驗數據的基礎上,貴州管業得出不同介質在不同溫度、不同壓力的條件下d值與s值的關系,并做成特定的表格,以便于不同應用環境中纏繞管式換熱器的設計。

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