套管式換熱器是目前石油化工生產(chǎn)上應用最廣的一種換熱器。它主要由殼體(包括內(nèi)殼和外殼)、U型肘管、填料函等組成。所需管材,可分別采用普通碳鋼、鑄鐵、銅、鈦、陶瓷玻璃等制作。管子一般被固定在支架上。兩種不同介質(zhì)可在管內(nèi)逆向流動(或同向)以達到換熱的目的。在進行逆向換熱時,熱流體由上部進入,而冷流體由下部進入,熱量通過內(nèi)管管壁由一種流體傳遞給另一種流體。熱流體由進入端到出口端流過的距離稱之為管程;流體由殼體的接管進入,從殼體上的一端引入到另一端流出,通過這種方式傳熱的換熱器稱為殼程套管式換熱器[5]。由于套管式換熱器被廣泛的應用在石油化工、制冷等工業(yè)部門,原本單一的傳熱方式和傳熱效率已經(jīng)不能滿足實際工作和生產(chǎn),目前國內(nèi)外研究者對套管式換熱器提出了很多種改進方案,以延長套管式換熱器的使用壽命,加強其使用效率。
以同心套管中的內(nèi)管作為傳熱元件的換熱器。兩種不同直徑的管子套在一起組成同心套管,每一段套管稱為“一程“,程的內(nèi)管(傳熱管)借U形肘管,而外管用短管依次連接成排,固定于支架上(圖1中a)。熱量通過內(nèi)管管壁由一種流體傳遞給另一種流體。通常,熱流體(A流體)由上部引入,而冷流體(B流體)則由下部引入。套管中外管的兩端與內(nèi)管用焊接或法蘭連接。內(nèi)管與U形肘管多用法蘭連接,便于傳熱管的清洗和增減。每程傳熱管的有效長度取4~7米。這種換熱器傳熱面積最高達18平方米,故適用于小容量換熱。當內(nèi)外管壁溫差較大時,可在外管設置U形膨脹節(jié)(圖中b)或內(nèi)外管間采用填料函滑動密封(圖1中c),以減小溫差應力。管子可用鋼、鑄鐵、銅、鈦、陶瓷、玻璃等制成,若選材得當,它可用于腐蝕性介質(zhì)的換熱。
這種換熱器具有若干突出的優(yōu)點,所以至今仍被廣泛用于石油化工等工業(yè)部門。
①結構簡單,傳熱面積增減自如。因為它由標準構件組合而成,安裝時無需另外加工。
②傳熱效能高。它是一種純逆流型換熱器,同時還可以選取合適的截面尺寸,以提高流體速度,增大兩側流體的傳熱系數(shù),因此它的傳熱效果好。液-液換熱時,傳熱系數(shù)為 870~1750W/(m2·℃)。這一點特別適合于高壓、小流量、低傳熱系數(shù)流體的換熱。套管式換熱器的缺點是占地面積大;單位傳熱面積金屬耗量多,約為管殼式換熱器的5倍;管接頭多,易泄漏;流阻大。
③結構簡單,工作適應范圍大,傳熱面積增減方便,兩側流體均可提高流速,使傳熱面的兩側都可以有較高的傳熱系數(shù),是單位傳熱面的金屬消耗量大,為增大傳熱面積、提高傳熱效果,可在內(nèi)管外壁加設各種形式的翅片,并在內(nèi)管中加設刮膜擾動裝置,以適應高粘度流體的換熱。
④可以根據(jù)安裝位置任意改變形態(tài),利于安裝。