U形管换热器的整体结构设计.docx

PAGE PAGE 1 U U形管换热器的整体结构设计 第 1 章 绪论 管壳式换热器 (shell and tube heat exchanger) 又称列管式换热器。是以封闭在壳体中管束的壁面作为传热面的间壁式换热器。这种换热器结构较简单， 操作可靠，可用各种结构材料（主要是金属材料）制造，能在高温、高压下使 用，是目前应用最广的类型。 概述 换热器是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，又称热交换器 [1] 。换热器的应用广泛，日常生活中取暖用的暖气散热片、汽轮机装置中的凝汽器和航 天火箭上的油冷却器等，都是换热器。它还广泛应用于化工、石油、动力和原 子能等工业部门。在炼油、化工装置中换热器占总设备数量的 40%左右，占总投资的 30%～45%。它的主要功能是保证工艺过程对介质所要求的特定温度，同时 也是提高能源利用率的主要设备之一。换热器既可是一种单独的设备，如加热 器、冷却器和凝汽器等；也可是某一工艺设备的组成部分，如氨合成塔内的热 交换器。由于制造工艺和科学水平的限制，早期的换热器只能采用简单的结构， 而且传热面积小、体积大和笨重，如蛇管式换热器等。随着制造工艺的发展， 逐步形成一种管壳式换热器，它不仅单位体积具有较大的传热面积，而且传热 效果也较好，长期以来在工业生产中成为一种典型的换热器。管壳式换热器按 用途分为无相变传热的换热器和有相变传热的冷凝器和重沸器；按结构可分为 固定管板、 U形管、浮头式三种形式，而固定管板式换热器最为常见。 国内各研究机构、高等院校对传热理论及高效换热器的研究一直非常重视， 走过了从引进、消化、吸收、发展到自主开发的历程。二十世纪 20 年代出现板式换热器，并应用于食品工业。以板代管制成的换热器，结构紧凑，传 热效果好，因此陆续发展为多种形式。 30 年代初，瑞典首次制成螺旋板换 热器。接着英国用钎焊法制造出一种由铜及其合金材料制成的板翅式换热 器，用于飞机发动机的散热。 30 年代末，瑞典又制造出第一台板壳式换热器，用于纸浆工厂。在此期间，为了解决强腐蚀性介质的换热问题，人们 对新型材料制成的换热器开始注意。 50～60 年代的照搬发展到 70 年代消化和 吸收，进入 80 年代以来国内又出现了自主开发传热技术的新趋势，大量的强化 传热元件被推向市场，形成第一次开发浪潮。到 90 年代中期，大量的强化传热技术应用于工业装置中，带来了良好的社会效益和经济效益。国内 80 年代传热技术高潮时期的代表杰作有折流杆换热器、新结构高效换热器、高效重沸器 、高效冷凝器、双壳程换热器、管壳式换热器、表面蒸发式空冷器等一批优良的 高效换热器。当前换热器发展的基本趋势是：继续提高设备的传热效率，促进设备结构的紧凑性，加强生产制造的标准系列化和专业化，并在广泛的范围内继续向大型化的方向发展，模型化技术、强化传热技术及新型换热器开发等形成一个高技术体系。 一般来说，管壳式换热器制造容易、生产成本低、选材范围广、清洗方便、适应性强、处理量大、工作可靠、且能适应高温高压。虽然它在结构紧凑性、 传热强度和单位金属消耗量方面无法与板翅式换热器相比，但它由于前述的一 些优点，因而在化工、石油、能源等行业的应用中仍处于主导地位。在换热器 向高温、高压、大型化发展的今天，随着新型高效传热管不断出现，使得管壳 式换热器的应用范围得以扩大，更增添了管壳式换热器的新的生命力。 国外换热器市场管壳式换热器占 64％。虽然各种板式换热器的竞争力在上升，但管壳式换热器仍将占主导地位。随着动力、石油化工工业的发展，其设 备也继续向着高温、高压、大型化方向发展。 而换热器在结构方面也有不少新的发展。现就几种新型换热器的特点简介如下： 一、气动喷涂翅片管换热器俄罗斯提出了一种先进方法，即气动喷涂法，来提 高翅片表面的性能。其实质是采用高速的冷的或稍微加温的含微粒的流体给翅 片表面喷镀粉末粒子。用该方法不仅可喷涂金属，还能喷涂合金和陶瓷（金属 陶瓷混合物），从而得到各种不同性能的表面。 通常在实践中翅片底面接触阻力是限制管子加装翅片的因素之一。 为了评估翅片底面接触阻力对翅片效率的影响，特对气动喷涂翅片管换热器元件进行了试验研究。试验证明，气动喷涂翅片的底面的接触阻力对效率无实质性影响。 因而气动喷涂法不但可用于成型，还可用来将按普通方法制造的翅片固定在换热器管子的表面上，也可用来对普通翅片的底面进行补充加固。可以预计， 气动喷涂法在紧凑高效换热器的生产中，将会得到广泛应用。 二、螺旋折流板换热器 在管壳式换热器中，壳程通常是一个薄弱环节。通常普通的弓形折流板能 造成曲折的流道系统（ Z字形流道），这样会导致较大的死角和相对高的返混。 为此，美国提出了一种新方案，即建议采用螺旋状折流板。这种设计的先进性已为流体动力学