第28卷第4期1998年8月
湖 南 化 工
HUNANCHEMICALINDUSTRY
Vol.28No.4 August1998
高效折流杆列管式换热器
花正旺 (岳阳市化工机械厂 414000)
摘 要 指出高效折流杆列管式换热器是一种新型的换热设备,与传统的折流板换热器相比具有管束振动小、传热效率高、结垢率低等显著优点;从理论和实践的角度阐述了设计制造这种换热器的技术。
关键词 高效换热器 折流杆 热效率
分类号 TQ051
AKindofHighEfficientTube-rowHeatExchangerwithBaffle-rod
HuaZhengwang
(YueyangChemicalandMechanicalPlant,414000)
Abstract Thehighefficienttube-rowheatexchangerwithbaffle-rodisanewtypeofequipment.Comparedtoconventionalonewithbaffle-board,ithaslightbundlev-i
bration,highheattransferefficiencyandlowscaling.Thetechniqueofdesignandmak-ingofitispresenttheoreticallyandpractically.
Keywords highefficientheatexchanger baffle-rod heattransferefficiency
于工业生产。据报道在80年代后期全世界已有79家企业采用这一技术设计制造了各种不同用途的管壳式换热器。国内一些厂家与华南理工大学等单位合作开发研制了一些
用于不同操作条件的高效折流杆换热器,并已成功地用于石油化工和小化肥的生产
[2~4]
1 前 言
换热器是石油化工生产的重要单元设备之一。用于换热器方面的投资,往往占石油化工建厂总投资的20%左右,换热器在全厂化工设备总质量中约占40%[1]。
换热设备的损坏大部归因于流体振动引起的管束诱导振动。对于目前传统的折流板管壳式换热器,防止和减少诱导振动损坏的主要手段是缩小折流板间距和降低流体在换热器的流速。这种手段虽能比较有效地防止和减少诱导振动损坏,但不可避免地会导致换热器结构尺寸的增大,设备质量的增加,压头损失的提高,从而也不可避免地引起基建投资、设备运行费用及能源消耗的提高。
70年代初,美国PhillipsPetrolcum公司。
2 折流杆管壳式换热器的优点
其优点主要如下:
¹管束振动小。实践证明,折流杆管壳换热器已根本上解决了传统折流板管壳换热器的管束振动破坏问题。文献[2]提供的管束振动的实测结果如图1所示,折流杆管壳换热器的管束振动振幅较同样操作条件下的折流板换热器管束振幅小得多,所以这种换热
第4期 花正旺:高效折流杆列管式换热器技术 15
总传热效率,折流杆换热器要比传统折流板换热器高2倍。
在设计上,为了满足压降的要求,在总压降(管程压降与壳程压降之和)相同时,折流杆换热器所需传热面积要比折流板换热器小得多(见图4)
。
a.折流杆换热器管束振动曲线b.折流板换热器管束振动曲线图1 管束诱导振动曲线
º壳程压降($P)低。与传统折流换热器错流(图2)不同,折流杆换热器壳程流体的流动方向是平流的。这不但防止了管束振动而且使壳程压降($P)明显降低,即明显地降低了换热器运行的能耗。有人在相同流量下对两种管壳换热器壳程压降进行了实验,结果表明:折流杆换热器的压降大约为同流量下折流板换热器压降的50%
。
图4 总压降与传热面积的关系
»结垢率低。折流杆换热器消除了折流板换热器中折流板前后的流体流动死区,易结垢物质失去存留,富集空间,结垢速率明显下降,从而有效延长了换热器的运行清洗周期。
折流杆换热器的上述各优点表明它的综
a.双弓形折流板换热器;b.折流杆换热器图2 折流板换热器与折流杆换热器壳程流态比较
合性能远优于传统折流板换热器。如果再把各种强化传热管如翅片管,螺槽管等引入折流杆换热器中,其综合性能将会得到进一步改善
[2~4]
同时得到的相同流量下的总传热效率如图3所示。从图3不难看出,
在相同流量下
,这就是折流杆管壳换热器日益引
起广泛重视的原因。
3 折流杆管壳式换热器设计技术311 结构设计
与折流板换热器比较,折流杆换热器结构特点主要表现在管束上(见图5)。它用折
流杆圈组件代替传统折流板支承换热管并提高壳程流体的湍动性能。折流杆圈是由一个支承环和一些折流杆组成的(见图6)。折流杆圈的组合方式如图7所示。由4个折流杆
图3 壳程压降与流速的关系
WX,4
16 湖 南 化 工 第28卷
流杆圈的彼此相位差为90b,实现对换热管的4个方向的支承(见图8)。除管束外,折流杆换热器的其它结构与传统折流板换热器基本相同。
允许按传统设计方法进行设计。
对于湍流
Nu=Ct(Reh)0.8#(Pr)0.4#(L/Lw)0.14(2)式(1)、(2)适用范围为:雷诺准数
Reh=300~150000;普兰特准数 Pr=0.74
0.14
~45;粘度比 (L/L=0.36~0.95,w)
AL/As=0.09~0.219,Lt/Db0=4.02~11.58,Ab/As=0.52~0.748,P/e=0.965~2.99。
式中符号:Nu:Nusselt准数;Reh:Reynolds准数;Pr:Prandtl准数;CL:层流换热几何系数;Ct:湍流换热几何系数;L:流体在既定温度下的粘度Pa#s;Lw:流体在壁温下的粘度Pa#s;AL:漏流面积m2;AS:折流杆流通面积m2;Lt:换热管长度m;Db0:折流杆圈外径m;P:翅片管翅片节距mm;e:翅片管的翅片高度mm。31212 压降计算
图6
折流杆图
图5
管束结构
$P=$PL#$Pb
2
$PL=2KLfFLtVS/DP
(3)(4)(5)
$Pb=KbnbQVb/2
2
式中:$P:壳程压降;$PL:无折流杆时的压降;$Pb:折流杆导致的压降;Q:流体密度kg/m3;VS:壳程流速m/s;Vb:折流杆流速m/s;fF:摩擦系数;Lt:换热管
图7
折流杆圈组
长度m;Dp:对应直径m;Kb:系数;nb:折流杆圈数量。
4 折流杆管壳换热器的制造
与传统折流板管壳式换热器比较,折流杆管壳式换热器结构特点主要表现在管束上,它是用折流杆圈代替传统的折流板对换
图8 折流杆换热管支承结构
312 工艺设计31211 准数计算
有关工艺设计的报道不多,文献[5]提供的准数关系式如下:对于层流
0.14
(0.6#Pr)0.4(L/L1)w)
热管进行支承。这一结构特点给折流杆换热
器的制造带来一些需要解决的特殊问题。
首先,对于折流板换热器只需进行管板与折流板孔的配钻,就可满足管束组装要求。而对于折流杆换热器管板孔的加工,则须保证管板孔间的管间距具有允许的位置
(下转第19页)
第4期 刘向荣等:聚硅酸硫酸铝的制备及应用性能研究 19
优于PFS,PAC。其去浊效果见图3
。31313 PSAA与PFS,PAC腐蚀性能的比较
用PSAA,PFS,PAC进行铁片挂片实验,当挂片时间均为72h时,PSAA,PFS和PAC对铁片的腐蚀率分别为01185%、01304%和01215%。从而可知,PSAA腐蚀性比PFS,PAC要小,其原因可能与硅酸盐的缓蚀机理类似。4 结 论
图3 PSAA加入量与浊度去除率的关系
¹以工业水玻璃、硫酸铝为原料制备了聚硅酸硫酸铝,当Al3+/SiO2摩尔比为1B1,pH在5.5~11.0范围内时,絮凝剂脱色效果最好。
º试验表明,PSAA用量为2~4mg/L时,其对生活污水及印染废水的去浊脱色效果,优于常用的絮凝剂PAC和PFS。
参
考
文
献
31312 对印染废水的处理效果
取400ml长沙印染厂的印染废水,考察不同絮凝剂的絮凝、脱色效果。试验结果表明,与其它絮凝剂相比,PSAA使用pH范围宽,处理效果好(见图4)。
1 Hasegawa,T.etal.,ProceedingsofInternationalCorfer-enceonWater&Wastewater,AcademicPeridicalPress,Beijing,1989,5~90
2 张忠远#活性硅酸絮凝剂在有机废水处理中的应用研究#环境科学研究,1993,6(3):27
图4 pH值与色度去除率的关系
收稿日期:1998-06-01
(上接第16页)
度,才能保证换热管顺利穿过两个管板。
其次,折流杆圈上折流杆的间距也必须控制在装配上允许的公差范围内,才能顺利进行管束的组装。
为了保证上述管板孔与折流杆圈的组焊加工精度,需设计专用工艺装备。
管束与壳体组装,一般可按与折流板换热器的管束组装相同的方法进行。
一般地说,凡具有制造传统折流板管壳式换热器的厂家,在设计制造一些简单而必要的工艺装备之后,都有能力生产折流杆管(3):32-34
参考文献
1 顾 明#杆式折流板换热器简析#杨子石油化工,1988,2 张应毫#折流杆换热器的试验及其应用#石油化工设备,
1988,(1):7-10
3 桂林化机厂#桂林化工机械厂产品样本#保存地点#桂林
化机厂#1997
4 方红敏,钱颂文,岑汉钊等#管速(卧式)冷凝及折流杆
冷凝器#石油化工设备,1992,(2):7-10
5 CCCentry.RodbaffleHeatExchangesFechnology.ChemicalEngeeringPreglass.巴陵公司设计院#19906 刘传宝#折流杆换热器管束制造工艺#压力容器,1992,
(1):78~79
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第28卷第4期1998年8月
湖 南 化 工
HUNANCHEMICALINDUSTRY
Vol.28No.4 August1998
高效折流杆列管式换热器
花正旺 (岳阳市化工机械厂 414000)
摘 要 指出高效折流杆列管式换热器是一种新型的换热设备,与传统的折流板换热器相比具有管束振动小、传热效率高、结垢率低等显著优点;从理论和实践的角度阐述了设计制造这种换热器的技术。
关键词 高效换热器 折流杆 热效率
分类号 TQ051
AKindofHighEfficientTube-rowHeatExchangerwithBaffle-rod
HuaZhengwang
(YueyangChemicalandMechanicalPlant,414000)
Abstract Thehighefficienttube-rowheatexchangerwithbaffle-rodisanewtypeofequipment.Comparedtoconventionalonewithbaffle-board,ithaslightbundlev-i
bration,highheattransferefficiencyandlowscaling.Thetechniqueofdesignandmak-ingofitispresenttheoreticallyandpractically.
Keywords highefficientheatexchanger baffle-rod heattransferefficiency
于工业生产。据报道在80年代后期全世界已有79家企业采用这一技术设计制造了各种不同用途的管壳式换热器。国内一些厂家与华南理工大学等单位合作开发研制了一些
用于不同操作条件的高效折流杆换热器,并已成功地用于石油化工和小化肥的生产
[2~4]
1 前 言
换热器是石油化工生产的重要单元设备之一。用于换热器方面的投资,往往占石油化工建厂总投资的20%左右,换热器在全厂化工设备总质量中约占40%[1]。
换热设备的损坏大部归因于流体振动引起的管束诱导振动。对于目前传统的折流板管壳式换热器,防止和减少诱导振动损坏的主要手段是缩小折流板间距和降低流体在换热器的流速。这种手段虽能比较有效地防止和减少诱导振动损坏,但不可避免地会导致换热器结构尺寸的增大,设备质量的增加,压头损失的提高,从而也不可避免地引起基建投资、设备运行费用及能源消耗的提高。
70年代初,美国PhillipsPetrolcum公司。
2 折流杆管壳式换热器的优点
其优点主要如下:
¹管束振动小。实践证明,折流杆管壳换热器已根本上解决了传统折流板管壳换热器的管束振动破坏问题。文献[2]提供的管束振动的实测结果如图1所示,折流杆管壳换热器的管束振动振幅较同样操作条件下的折流板换热器管束振幅小得多,所以这种换热
第4期 花正旺:高效折流杆列管式换热器技术 15
总传热效率,折流杆换热器要比传统折流板换热器高2倍。
在设计上,为了满足压降的要求,在总压降(管程压降与壳程压降之和)相同时,折流杆换热器所需传热面积要比折流板换热器小得多(见图4)
。
a.折流杆换热器管束振动曲线b.折流板换热器管束振动曲线图1 管束诱导振动曲线
º壳程压降($P)低。与传统折流换热器错流(图2)不同,折流杆换热器壳程流体的流动方向是平流的。这不但防止了管束振动而且使壳程压降($P)明显降低,即明显地降低了换热器运行的能耗。有人在相同流量下对两种管壳换热器壳程压降进行了实验,结果表明:折流杆换热器的压降大约为同流量下折流板换热器压降的50%
。
图4 总压降与传热面积的关系
»结垢率低。折流杆换热器消除了折流板换热器中折流板前后的流体流动死区,易结垢物质失去存留,富集空间,结垢速率明显下降,从而有效延长了换热器的运行清洗周期。
折流杆换热器的上述各优点表明它的综
a.双弓形折流板换热器;b.折流杆换热器图2 折流板换热器与折流杆换热器壳程流态比较
合性能远优于传统折流板换热器。如果再把各种强化传热管如翅片管,螺槽管等引入折流杆换热器中,其综合性能将会得到进一步改善
[2~4]
同时得到的相同流量下的总传热效率如图3所示。从图3不难看出,
在相同流量下
,这就是折流杆管壳换热器日益引
起广泛重视的原因。
3 折流杆管壳式换热器设计技术311 结构设计
与折流板换热器比较,折流杆换热器结构特点主要表现在管束上(见图5)。它用折
流杆圈组件代替传统折流板支承换热管并提高壳程流体的湍动性能。折流杆圈是由一个支承环和一些折流杆组成的(见图6)。折流杆圈的组合方式如图7所示。由4个折流杆
图3 壳程压降与流速的关系
WX,4
16 湖 南 化 工 第28卷
流杆圈的彼此相位差为90b,实现对换热管的4个方向的支承(见图8)。除管束外,折流杆换热器的其它结构与传统折流板换热器基本相同。
允许按传统设计方法进行设计。
对于湍流
Nu=Ct(Reh)0.8#(Pr)0.4#(L/Lw)0.14(2)式(1)、(2)适用范围为:雷诺准数
Reh=300~150000;普兰特准数 Pr=0.74
0.14
~45;粘度比 (L/L=0.36~0.95,w)
AL/As=0.09~0.219,Lt/Db0=4.02~11.58,Ab/As=0.52~0.748,P/e=0.965~2.99。
式中符号:Nu:Nusselt准数;Reh:Reynolds准数;Pr:Prandtl准数;CL:层流换热几何系数;Ct:湍流换热几何系数;L:流体在既定温度下的粘度Pa#s;Lw:流体在壁温下的粘度Pa#s;AL:漏流面积m2;AS:折流杆流通面积m2;Lt:换热管长度m;Db0:折流杆圈外径m;P:翅片管翅片节距mm;e:翅片管的翅片高度mm。31212 压降计算
图6
折流杆图
图5
管束结构
$P=$PL#$Pb
2
$PL=2KLfFLtVS/DP
(3)(4)(5)
$Pb=KbnbQVb/2
2
式中:$P:壳程压降;$PL:无折流杆时的压降;$Pb:折流杆导致的压降;Q:流体密度kg/m3;VS:壳程流速m/s;Vb:折流杆流速m/s;fF:摩擦系数;Lt:换热管
图7
折流杆圈组
长度m;Dp:对应直径m;Kb:系数;nb:折流杆圈数量。
4 折流杆管壳换热器的制造
与传统折流板管壳式换热器比较,折流杆管壳式换热器结构特点主要表现在管束上,它是用折流杆圈代替传统的折流板对换
图8 折流杆换热管支承结构
312 工艺设计31211 准数计算
有关工艺设计的报道不多,文献[5]提供的准数关系式如下:对于层流
0.14
(0.6#Pr)0.4(L/L1)w)
热管进行支承。这一结构特点给折流杆换热
器的制造带来一些需要解决的特殊问题。
首先,对于折流板换热器只需进行管板与折流板孔的配钻,就可满足管束组装要求。而对于折流杆换热器管板孔的加工,则须保证管板孔间的管间距具有允许的位置
(下转第19页)
第4期 刘向荣等:聚硅酸硫酸铝的制备及应用性能研究 19
优于PFS,PAC。其去浊效果见图3
。31313 PSAA与PFS,PAC腐蚀性能的比较
用PSAA,PFS,PAC进行铁片挂片实验,当挂片时间均为72h时,PSAA,PFS和PAC对铁片的腐蚀率分别为01185%、01304%和01215%。从而可知,PSAA腐蚀性比PFS,PAC要小,其原因可能与硅酸盐的缓蚀机理类似。4 结 论
图3 PSAA加入量与浊度去除率的关系
¹以工业水玻璃、硫酸铝为原料制备了聚硅酸硫酸铝,当Al3+/SiO2摩尔比为1B1,pH在5.5~11.0范围内时,絮凝剂脱色效果最好。
º试验表明,PSAA用量为2~4mg/L时,其对生活污水及印染废水的去浊脱色效果,优于常用的絮凝剂PAC和PFS。
参
考
文
献
31312 对印染废水的处理效果
取400ml长沙印染厂的印染废水,考察不同絮凝剂的絮凝、脱色效果。试验结果表明,与其它絮凝剂相比,PSAA使用pH范围宽,处理效果好(见图4)。
1 Hasegawa,T.etal.,ProceedingsofInternationalCorfer-enceonWater&Wastewater,AcademicPeridicalPress,Beijing,1989,5~90
2 张忠远#活性硅酸絮凝剂在有机废水处理中的应用研究#环境科学研究,1993,6(3):27
图4 pH值与色度去除率的关系
收稿日期:1998-06-01
(上接第16页)
度,才能保证换热管顺利穿过两个管板。
其次,折流杆圈上折流杆的间距也必须控制在装配上允许的公差范围内,才能顺利进行管束的组装。
为了保证上述管板孔与折流杆圈的组焊加工精度,需设计专用工艺装备。
管束与壳体组装,一般可按与折流板换热器的管束组装相同的方法进行。
一般地说,凡具有制造传统折流板管壳式换热器的厂家,在设计制造一些简单而必要的工艺装备之后,都有能力生产折流杆管(3):32-34
参考文献
1 顾 明#杆式折流板换热器简析#杨子石油化工,1988,2 张应毫#折流杆换热器的试验及其应用#石油化工设备,
1988,(1):7-10
3 桂林化机厂#桂林化工机械厂产品样本#保存地点#桂林
化机厂#1997
4 方红敏,钱颂文,岑汉钊等#管速(卧式)冷凝及折流杆
冷凝器#石油化工设备,1992,(2):7-10
5 CCCentry.RodbaffleHeatExchangesFechnology.ChemicalEngeeringPreglass.巴陵公司设计院#19906 刘传宝#折流杆换热器管束制造工艺#压力容器,1992,
(1):78~79
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