纏繞管換熱器的特點及設計計算

纏繞管換熱器的特點

纏繞管式換熱器用作氮氣液化主低溫換熱器是其自身的特點決定的:

1、管內(nèi)介質(zhì)以螺旋方式流動,殼程介質(zhì)逆流橫向交叉通過繞管,換熱器層與層之間換熱管反向纏繞,管、殼程介質(zhì)以純逆流方式進行傳熱,即使在較低的雷諾數(shù)下其流動形態(tài)也為湍流,換熱系數(shù)較高;

2、多種介質(zhì)共存于一臺纏繞管式換熱器進行傳熱時,由于其傳熱元件為圓管,纏繞管式換熱器對不同介質(zhì)之間的壓差和溫  差限制要求較小,降低了生產(chǎn)裝置的操作難度,提高了設備的安全性;

3、結(jié)構(gòu)相對緊湊、耐高壓且密封可靠、熱膨脹可自行補償;

4、易實現(xiàn)大型LNG液化作業(yè)。               

      美國空氣產(chǎn)品化學工程公司( air product s)是LNG領域SWHE的供貨商,在1977～2008 年間,為79 套LN G 裝置(其液化能力累計達到2. 3 ×108 t/ a)生產(chǎn)了纏繞管式換熱器。德國林德(Linde) 公司在近5 年內(nèi)一共生產(chǎn)了累計金屬重量達到3 120 t的多股流纏繞管式換熱器應用于LN G工廠。纏繞管式換熱器的關鍵技術(shù)主要有:  

（1）.結(jié)構(gòu):纏繞管式換熱器的結(jié)構(gòu)和工藝條件緊密聯(lián)系在一起,合理分配液化段和過冷段的熱負荷,使液化段和過冷段相對協(xié)調(diào);結(jié)合特大型換熱器的載荷分配以及換熱管相對較軟的特性,采用足夠剛度的中心筒,從設計上保證纏繞的均勻性。組合設計技術(shù)的充分應用使“冷塔”結(jié)構(gòu)合理;管殼程及物料進出口位置的合理選擇,使流體的分布更均勻;多管板結(jié)構(gòu)的應用使結(jié)構(gòu)進一步優(yōu)化。

（2）.材料:由于大型氮氣 液化工廠的熱負荷都是數(shù)十乃至數(shù)百兆瓦級的,再加上低溫要求,目前適用的材料只有兩種:奧氏體不銹鋼和鋁合金。換熱面積2×104  以下的纏繞管式換熱器換熱管還可以考慮采用薄壁奧氏體不銹鋼材料,2 ×104  以上的纏繞管式換熱器換熱管基本采用鋁合金材料。全奧氏體不銹鋼材料的纏繞管式換熱器制造起來相對簡單,若換熱管采用鋁鎂合金管則面臨著幾個問題: ①超長型鋁鎂合金換熱管的國產(chǎn)化; ②換熱器其他受壓元件的選材及其與換熱管的適應性; ③管板的復合技術(shù)研究,在常溫下成形后復合管板的低溫機械性能研究以及管板過渡層材料厚度的研究; ④精密沖壓內(nèi)件的成型技術(shù)研究,保證對換熱管的零損傷。

換熱器的設計計算

      在設計一個熱交換器時，從收集原始資料開始，到正式繪出圖紙為止，需要進行一系列的設計計算工作，這種計算一般包括下列幾個方面的內(nèi)容：

1.熱計算根據(jù)給出的具體條件，例如熱交換器的類型，流體的進、出口溫度，壓力，它們的物理化學性質(zhì)，在傳熱過程中有無相變等等，求出熱交換器的傳熱系數(shù)，進而算出傳熱面積的大小。

2.結(jié)構(gòu)計算根據(jù)傳熱面積的大小計算熱交換器主要部件和構(gòu)件的尺寸，例如管子的直徑、長度、根數(shù)，殼體的直徑，縱向隔板和折流板的尺寸和數(shù)目，分程隔板的數(shù)目和布置，以及連接管尺寸等等。

3.流動阻力計算進行流動阻力計算的目的在于為選擇泵或風機提供依據(jù)或者核算其壓降是否在限定的范圍之內(nèi)。當壓降超過允許的數(shù)值時，則必須改變熱交換器的某些尺寸，或者改變流速等。

4.強度計算熱交換器各部件尤其是受壓部件（如殼體）的應力大小，檢查其強度是否在允許范圍內(nèi)，對于在高溫高壓下工作的熱交換器，更不能忽視這一步。

5.在熱交換器向著大型化發(fā)展并對傳熱進行強化的情況下，有可能因流體的流速過高而引起強烈的振動，嚴重時甚至可使整個熱交換器遭到破壞。因而在設計熱交換器時，還必須對其振動情況進行預測或校核，判斷有無產(chǎn)生強烈振動的可能，以便采取相應的減振措施，保證安全運行。

纏繞管式換熱器具體計算內(nèi)容

      對于纏繞管式換熱器的設計計算過程主要有以下幾部分組成：

1.根據(jù)工藝流程圖進行介質(zhì)參數(shù)的確定;  

2.通過查詢NIST程序確定各介質(zhì)的性能參數(shù)及不同壓力狀態(tài)下各介質(zhì)的狀態(tài);  

3.根據(jù)各級吸熱和放熱平衡求出各級介質(zhì)的質(zhì)流量和制冷量;  

4.求出換熱器對外換熱的散熱量并進行質(zhì)流量校核;  

5.確定換熱系數(shù)，換熱面積和所需的纏繞管束個數(shù);  

6.對管束進行布置和排列,并求出各管束的壓力降損失;  

7.進行外殼的設計計算與校核驗證。

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