纏繞管式換熱器因其高傳熱效率、耐高壓和緊湊結(jié)構(gòu)，成為石油化工、LNG液化、核電等領(lǐng)域的核心設(shè)備。其性能高度依賴(lài)多個(gè)關(guān)鍵參數(shù)的協(xié)同優(yōu)化。
一、結(jié)構(gòu)參數(shù)
?1. 管徑
?定義：?jiǎn)胃鶕Q熱管的直徑(通常為Φ6~25mm)。
?影響：
?傳熱效率：小管徑可增大比表面積，提升傳熱系數(shù)，但壓降顯著增加。
?抗堵塞能力：小管徑易被顆粒物堵塞，需結(jié)合介質(zhì)潔凈度選擇。
?典型應(yīng)用：
Φ8~12mm：LNG液化(高潔凈度介質(zhì))。
Φ15~20mm：煉油廠(chǎng)重油換熱(含雜質(zhì)介質(zhì))。
?2. 螺旋角
?定義：螺旋管束中心線(xiàn)與軸向的夾角(通常30°~45°)。
?影響：
?殼程流場(chǎng)：螺旋角越大，介質(zhì)螺旋流動(dòng)增強(qiáng)，湍流度提高(傳熱↑)，但流動(dòng)阻力(壓降↑)同步增加。
?結(jié)構(gòu)緊湊性：大螺旋角可減少設(shè)備直徑，但管束層數(shù)增加。
?優(yōu)化建議：LNG液化裝置常用40°~45°，平衡傳熱與壓降。
?3. 管程數(shù)
?定義：介質(zhì)在管束內(nèi)的流動(dòng)路徑數(shù)量(單程、雙程或多程)。
?作用：
?流量分配：多程設(shè)計(jì)可降低單管流量，減少壓降。
?溫度控制：逆流/順流布置影響對(duì)數(shù)平均溫差(LMTD)。
二、流動(dòng)與傳熱參數(shù)
?1. 流量
?定義：?jiǎn)挝粫r(shí)間流經(jīng)管程或殼程的介質(zhì)體積(m³/h)或質(zhì)量流量(kg/s)。
?關(guān)鍵影響：
?流速：流量決定流速，直接影響流動(dòng)狀態(tài)(層流/湍流)和傳熱系數(shù)。
?流型匹配：兩相流(如氣液混合)需控制流量避免流型失穩(wěn)(如段塞流)。
?設(shè)計(jì)閾值：
管程流速：液體1~3 m/s，氣體10~30 m/s。
殼程流速：液體0.5~1.5 m/s，氣體5~15 m/s。
?2. 壓降(Pressure Drop)?
?定義：介質(zhì)流經(jīng)換熱器后的壓力損失(ΔP，單位kPa或bar)。
?組成：
?管程壓降：摩擦壓降(主導(dǎo))+ 局部壓降(彎頭、進(jìn)出口)。
?殼程壓降：管束繞流壓降(占70%以上)+ 進(jìn)出口損失。
?計(jì)算公式?(管程簡(jiǎn)化式)：
其中，摩擦系數(shù)f由Colebrook方程求解，ρ為密度，v為流速。
?3. 傳熱系數(shù)(Heat Transfer Coefficient, HTC)?
?定義：?jiǎn)挝粶夭钕聠挝幻娣e的傳熱量(W/(m²·K))。
?管側(cè)HTC：
?殼側(cè)HTC：
?Bell-Delaware法：通過(guò)修正因子(Jc、Jl、Jb)計(jì)算復(fù)雜流場(chǎng)下的傳熱。
?強(qiáng)化傳熱技術(shù)：
內(nèi)翅片管：增加內(nèi)表面積，HTC提升30%~50%。
螺旋槽管：誘導(dǎo)旋流，HTC提升20%~40%。
三、材料與耐久性參數(shù)
?1. 材質(zhì)選擇
?常用材料：
不銹鋼(316L)：耐腐蝕，適用于一般化工介質(zhì)。
鈦合金(Gr.2)：耐海水、氯離子腐蝕，用于海洋工程。
哈氏合金(C276)：耐強(qiáng)酸、高溫，用于硫酸回收裝置。
?選型依據(jù)：
介質(zhì)腐蝕性、溫度、壓力及成本。
?2. 污垢熱阻
?定義：污垢層導(dǎo)致的附加熱阻(m²·K/W)。
?影響因素：
介質(zhì)成分(含顆粒物、易結(jié)垢離子如Ca²?)。
流速(低流速加劇污垢沉積)。
?設(shè)計(jì)補(bǔ)償：在清潔HTC基礎(chǔ)上增加10%~20%的傳熱面積。
?3. 疲勞壽命
?定義：換熱器在交變載荷(溫度/壓力波動(dòng))下的耐久周期。
?關(guān)鍵指標(biāo)：
?熱應(yīng)力：管板與殼體因溫差膨脹不均導(dǎo)致的應(yīng)力。
?振動(dòng)疲勞：流體誘導(dǎo)振動(dòng)(FIV)可能引發(fā)管束斷裂。
?增強(qiáng)措施：
設(shè)置膨脹節(jié)吸收熱應(yīng)力。
優(yōu)化折流板間距(≤1.5倍管徑)抑制振動(dòng)。
四、運(yùn)行監(jiān)控參數(shù)
?1. 溫度分布
?監(jiān)測(cè)點(diǎn)：
管程/殼程進(jìn)出口溫度。
關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)壁溫(防止局部過(guò)熱)。
?異常診斷：
溫度梯度突變：可能堵塞或結(jié)垢。
壁溫超限：材質(zhì)失效風(fēng)險(xiǎn)。
?2. 壓差趨勢(shì)
?監(jiān)控意義：
壓降持續(xù)上升：污垢積累或堵塞。
壓降驟降：可能發(fā)生內(nèi)漏(管束破裂)。
?3. 振動(dòng)與噪聲
?檢測(cè)手段：
加速度傳感器監(jiān)測(cè)管束振動(dòng)頻率。
聲發(fā)射技術(shù)捕捉微泄漏信號(hào)。
?安全閾值：
振動(dòng)速度≤8 mm/s(ISO 10816標(biāo)準(zhǔn))。
