多管束防堵塞管壳换热器

多管束防堵塞管壳换热器

何鹏

广东中科天元新能源科技有限公司

摘要：本文主要从管壳换热器的技术发展出发，提出一个新型的多管束防堵塞管壳换热器的实现方式。

关键词：防堵塞；管壳；换热器

前言

管壳式换热器由于结构可靠、技术成熟、设计与制造相对简单、生产成本低、承受高温高压、选材范围广、适应性强、处理清洗方便等优点，被广泛应用在能源、动力、核能、石油、冶金、制冷、化工等工程领域。但是传统的单弓形折流板管壳式换热器存在传热效率低、流动阻力损失大以及容易引起流体的诱导振动等缺陷，所以改善管壳式换热器壳程流体的传热状况以及提高固定管板换热器的传热效率、减小其能耗损失具有十分重大的工程意义。

一、管壳式换热器的种类

从结构上来说，管壳式换热器一般有3种结构型式:固定管板式、浮头式和U形管式。由于换热器的使用场合、使用目的、换热介质物性等因素的不同，决定了管壳式换热器的结构型式。

1.1固定管板式换热器

结构简单、紧凑、造价低，往往是管板兼法兰，适用于管、壳程温差不大或管、壳程温差大，但压力不高，壳程介质干净或虽结垢但通过化学清洗能清除的场合。

其主要缺点是当壳体与管子的壁温或材料的线膨胀系数相差较大时，在壳体与管中将产生很大的温差应力。

1.2浮头式换热器

管束一端的管板可以自由移动,不受温差应力的影响,其结构复杂，内浮头密封困难，锻件多，造价高。维修时可拆卸浮头，抽出管束进行检修或更换，适用于管、壳程温差大但工作压力不超过10MPa的工况,缺点是需要抽出管束。还有一种浮头式换热器也成为填料函式换热器,其管束可自由伸缩,壳程和管程都可以拆开清洗，结构简单，适用管、壳程温差大工况。

缺点是耐压、耐温及密封能力差，目前只是在低压与小直径的场合下使用。

1.3U形管式换热器

管束可自由伸缩，只有一块管板，密封面少，管束与壳体分离，消除了温差应力，可抽芯检修更换。适用场合为管、壳程温差大，高温，高压。

缺点是壳程需抽芯清洗，管内介质干净或虽会结垢但通过化学清洗能清除。

二、管壳式换热器的改进思路

管壳式换热器需要改变的发展思路如下：换热器的结构改变是基础，研究换热器中流体的热交换效率是过程，进行计算机模型模拟是手段，最终可以将管壳式换热器整改成为一种高效换热效率、不堵塞、流速快的多管束管壳换热器。

2.1换热器结构上的问题

常规管壳式换热器的管箱中都存在一定的流动死区，当管程流体为含有固体颗粒、易结垢或胶状易堵介质时，由于重力沉降、粘附等的作用，介质中的杂质就会慢慢在换热管内和管箱的死区沉积，一方面，使换热管流通面积减少，污垢热阻增大，传热效果变差，增加了整个装置的能耗；另一方面，清洗换热器的工作量增大，设备检修变得频繁，严重时还会导致整台换热器的堵塞，直接影响到装置的安全稳定运行。所以，新型的管壳式换热器一定要消除流动死区，将直线管道变成多管束，弯曲管道方面，将集合小口径直线管道变成大口径弯道，在结构设计上不影响流体的湍流速度。

2.2换热效率问题

管壳式换热器属于间壁传热设备，换热器中的热传递包括换热管与管内外流体的对流换热和换热管的导热，热边界条件无法预先给定。常规的管壳式换热器，外部管道直线的情况下，进行内部小口径管道弯曲，这样会减慢流体的湍流速度，直接减少了流体的热能交换。换热效率的影响因素表现在以下几个方面：流体的流动速度、流体和加热液体的管壁接触面积、充分接触的百分比。所以一个管壳式换热器的效率提升思路为：直径管道的内部小口径改成直线小口径、在弯道集合所有小口径内径管、小孔径管道增强接触面积。

2.3换热效率模拟

换热效率的模拟可以从壳程、管道流体温度分布和流体速度云图三个方面模拟。管壳式换热器的壳程越长，换热的接触面积也就越大，但是总体在热能利用效率方面会降低，单位时间内进行换热的流体总量变少。所以不是壳程越长，就越好，只要保证了流体的温度达到预定的加热温度就可以了。管道的流体温度会随着壳程的加长而改变，改变管道的孔径可以增加换热接触面积、换热效率和减少换热时间。而流体的速度云图模拟上，传统的管壳式换热器有很多流动死角，这些死角不仅没有全面进行了换热而且还会可能给内径管道增加堵塞机会，新型的研究要消除流动死区，巧妙利用折流板和小口径变换分流和回流流体来增加流体的湍流速度。

三、多管束防堵塞管壳换热器的实现方式

多管束防堵塞管壳换热器结构图

3.1概要

这是一种多管束防堵塞管壳换热器，该换热器包括壳体、管束、短节、变径管、管法兰、180°弯头、管板、换热器和折流板等。通过180°弯头将相邻两管束链接形成通道替代传统换热器的管箱，并实现多管束结构，可消除管箱内的流动死区，避免介质在管箱中产生沉积；提高流体的湍流程度，缩短介质在换热管中的停留时间，防止沉积在换热管内表面的酥松杂志结成牢固的污垢。该新型多管束防堵塞管壳换热器提高了传热效率，保证了换热器的长期稳定运行。该换热器由壳体、管束、变径管、管法兰、180°弯头、管板、换热管和折流板构成；换热管由若干管束组成，相邻管束通过180°弯头连接形成通路。管束2是用短节3固定在管板7上，固定方式是焊接或者法兰连接；短节3通过变径管依次与管法兰5和180°弯头6连接。

3.2适用领域

这种多管束防堵塞管壳换热器，适用于化工、轻工、食品等领域的换热装置上。尤其适用于管程体为含有固体颗粒、易结构或胶状易堵介质的场合。

3.3创新点

这种多管束防堵塞管壳换热器的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种多管束防堵塞管壳换热器。方案实现是：180°弯头将相邻的两个管束连接形成通路，替代传统换热器的管箱，实现多管束结构，消除管箱内的流动死区，避免介质在管箱中沉积；提高介质的湍流程度，缩短介质在换热管的停留时间，防止沉积在换热管内表面的疏松杂质结成牢固的污垢；提高而换热器的传热效率，保证设备的长期稳定运行。换热管固定在管板上，换热管由若干管束构成。相邻两个管束通过180°弯头连接成通路。管束的作用是使得小直径换热管能够和大直径弯头组成通路，避免使用大直径换热管以降低换热器的传热系数和增加设备的体积。将相邻的两个管束用短节固定在管板上，固定的方式可以使用焊接法、法兰连接等，优先使用焊接，焊接能减少管束之间的距离以节省空间。短节通过变径管依次与管法兰和180°弯头连接，构成了一个通路。在管束和弯头的连接处，采用变径管过度，缩小弯头直径，进一步提高流速，缩短介质在弯头处的停留时间。壳程设置若干折流板以增加流体的断流速度，提高流体的给热系数。通过以上措施，可以提高流体的湍流程度，消除管箱和换热管的死区，保证换热器的长期稳定运行。

3.4具体实现施工方式

多管束防堵塞管壳换热器以传统的管壳式换热器为基础。壳体1和折流板9在结构上和传统的管壳式换热器基本相同，管板7采用薄管板焊接在筒体内。管程中吧换热管分为若干管束2.管束内的换热管、管束与管束之间按整三角形的形式排布福鼎在管板7上，管束与管束的距离应尽可能小，以增加设备的紧凑性。将相邻的两个管束用短节3焊接在管板7上，短节3通过变径管4依次与管法兰5和180°弯头6连接，相邻的两个管束构成了一个通路。在管束的一端与另一管束按上述方式连接，形成更第二个通路，以此类推。较干净的流体从壳程进入，在折流板的作用下形成湍流，与管程流体充分换热。含有固体颗粒、易结垢或胶状易堵介质从管程进入管束，在管束末端变径流过弯头进入下一个管束，最终从管程出口排出，当需要清洗管程的时候，拆开法兰5用清水冲洗即可。

参考文献

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