板式换热器的热补偿 - 图文

第一章 概 论

1.1换热器简介及历史

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。它的主要功能是保证热量的转换。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。 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。 换热器的应用器，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。 60年代左右，由于空间技术和尖端科学的迅速发展，迫切需要各种高效能紧凑型的换热器，再加上冲压、钎焊和密封等技术的发展，换热器制造工艺得到进一步完善，从而推动了紧凑型板面式换热器的蓬勃发展和广泛应用。此外，自60年代开始，为了适应高温和高压条件下的换热和节能的需要，典型的管壳式换热器也得到了进一步的发展。70年代中期，为了强化传热，在研究和发展热管的基础上又创制出热管式换热器。

换热器按传热方式的不同可分为混合式、蓄热式和间壁式三类。 混合式换热器是通过冷、热流体的直接接触、混合进行热量交换的换热器，又称接触式换热器。由于两流体混合换热后必须及时分离，这类换热器适合于气、液两流体之间的换热。例如，化工厂和发电厂所用的凉水塔中，热水由上往下喷淋，而冷空气自下而上吸入，在填充物的水膜表面或飞沫及水滴表面，热水和冷空气相互接

触进行换热，热水被冷却，冷空气被加热，然后依靠两流体本身的密度差得以及时分离。 蓄热式换热器是利用冷、热流体交替流经蓄热室中的蓄热体(填料)表面，从而进行热量交换的换热器，如炼焦炉下方预热空气的蓄热室。这类换热器主要用于回收和利用高温废气的热量。以回收冷量为目的的同类设备称蓄冷器，多用于空气分离装置中。 间壁式换热器的冷、热流体被固体间壁隔开，并通过间壁进行热量交换的换热器，因此又称表面式换热器，这类换热器应用最广。 间壁式换热器根据传热面的结构不同可分为管式、板面式和其他型式。管式换热器以管子表面作为传热面，包括蛇管式换热器、套管式换热器和管壳式换热器等；板面式换热器以板面作为传热面，包括板式换热器、螺旋板换热器、板翅式换热器、板壳式换热器和伞板换热器等；其他型式换热器是为满足某些特殊要求而设计的换热器，如刮面式换热器、转盘式换热器和空气冷却器等。 换热器中流体的相对流向一般有顺流和逆流两种。顺流时，入口处两流体的温差最大，并沿传热表面逐渐减小，至出口处温差为最小。逆流时，沿传热表面两流体的温差分布较均匀。在冷、热流体的进出口温度一定的条件下，当两种流体都无相变时，以逆流的平均温差最大顺流最小。 在完成同样传热量的条件下，采用逆流可使平均温差增大，换热器的传热面积减小；若传热面积不变，采用逆流时可使加热或冷却流体的消耗量降低。前者可节省设备费，后者可节省操作费，故在设计或生产使用中应尽量采用逆流换热。 当冷、热流体两者或其中一种有物相变化(沸腾或冷凝)时，由于相变时只放出或吸收汽化潜热，流体本身的温度并无变化，因此流体的进出口温度相等，这时两流体的温差就与流体的流向选择无关了。除顺流和逆流这两种流向外，还有错流和折流等流向。 在传热过程中，降低间壁式换热器中的热阻，以提高传热系数是一个重要的问题。热阻主要来源于间壁两侧粘滞于传热面上的流体薄层(称为边界层)，和换热器使用中在壁两侧形成的污垢层，金属壁的热阻相对较小。 增加流体的流速和扰动性，可减薄边界层，降低热阻提高给热系数。但增加流体流速会使能量消耗增加，故设计时应在减小热阻和降低能耗之间作合理的协调。为了降低污垢的热阻，可设法延缓污垢的形成，并定期清洗传热面。

一般换热器都用金属材料制成，其中碳素钢和低合金钢大多用于制造中、低压换热器；不锈钢除主要用于不同的耐腐蚀条件外，奥氏体不锈钢还可作为耐高、

低温的材料；铜、铝及其合金多用于制造低温换热器；镍合金则用于高温条件下；非金属材料除制作垫片零件外，有些已开始用于制作非金属材料的耐蚀换热器，如石墨换热器、氟塑料换热器和玻璃换热器等。

1.2换热器的分类、构造原理、特点

（1）板式换热器的构造原理、特点：

板式换热器由高效传热波纹板片及框架组成。板片由螺栓夹紧在固定压紧板及活动压紧板之间，在换热器内部就构成了许多流道，板与板之间用橡胶密封。压紧板上有设备与外部连接的接管。板片用优质耐腐蚀金属薄板压制而成，四角冲有供介质进出的角孔，上下有挂孔。人字形波纹能增加对流体的扰动，使流体在低流速下能达到湍流状态，获得高的传热效果。并采用特殊结构，保证两种流体介质不会串漏。

（2）螺旋板式换热器的构造原理、特点：

螺旋板式换热器是一种高效换热器设备,适用汽－汽、汽－液、液－液，对液传热。它适用于化学、石油、溶剂、医药、食品、轻工、纺织、冶金、轧钢、焦化等行业。按 结构形式可分为 不可拆式（Ⅰ型）螺旋板式及可拆式（Ⅱ型、Ⅲ型）螺旋 板式换热器。

（3）管壳式换热器的构造原理、特点：

管壳式换热器是进行热交换操作的通用工艺设备。广泛应用于化工、石油、石油化工、电力、轻工、冶金、原子能、造船、航空、供热等工业部门中。特别是在石油炼制和化学加工装置中，占有极其重要的地位。换热器的型式。 （4）容积式换热器的构造原理、特点：

自动控温节能型容积式热交换器，它充分利用蒸汽能源、高效、节能，是一种新型热水器。普通热水器一般需要配置热交换器来降低蒸汽凝结水温度以便回用。而节能型热交换器凝结水出水温度在45℃左右，或直接回锅炉房重复使用。 钢衬铜热交换器比不锈钢热交换器经济，并且技术上有保证。它利用了钢的强度和耐腐蚀性，即保证热交换器能承受一定工作压力，又使热交换器出水质量好。钢壳内衬铜的厚度一般为1.0mm。钢衬铜热交换器必须防止在罐内形成部分真空，因此产品出厂时均设有防真空阀。此阀除定期检修是绝对不能取消的。部

分真空的形成原因可能是排出不当，低水位时从热交换器，或者排水系统不良。水锤或突然的压力降也是造成负压的原因。

第二章 壳管式换热器

2.1管壳式换热器结构及原理

壳体、传热管束、管板、折流板（挡板）和管箱等部件组成。壳体多为圆筒形，内部装有管束，管束两端固定在管板上。进行换热的冷热两种流体，一种在管内流动，称为管程流体；另一种在管外流动，称为壳程流体。为提高管外流体的传热分系数，通常在壳体内安装若干挡板。挡板可提高壳程流体速度，迫使流体按规定路程多次横向通过管束，增强流体湍流程度。换热管在管板上可按等边三角形或正方形排列。等边三角形排列较紧凑，管外流体湍动程度高，传热分系数大；正方形排列

则管外清洗方便，适用于易结垢的流体。

流体每通过管束一次称为一个管程；每通过壳体一次称为一个壳程。图示为最简单的单壳程单管程换热器,简称为1-1型换热器。为提高管内流体速度,可在两端管箱内设置隔板，将全部管子均分成若干组。这样流体每次只通过部分管子，因而在管束中往返多次，这称为多管程。同样，为提高管外流速，也可在壳体内安装纵向挡板，迫使流体多次通过壳体空间，称为多壳程。多管程与多壳程可配合应用。A流体从接管1流入壳体内，通过管间从接管2流出。B流体从接管3流入,通过管内从接管4流出。如果A流体的温度高于B流体,热量便通过管壁由A流体传递给B流体；反之，则通过管壁由B流体传递给A流体。壳体以内、管子和管箱以外的区域称为壳程，通过壳程的流体称为壳程流体 (A流体)。管子和管箱以内的区域称为管程,通过管程的流体称为管程流体(B流体)。管壳式换热器主要由管箱、管板、管子、壳体和折流板等构成。通常壳体为圆筒形;管子为直管或U形管。为提高换热器的传热效能，也可采用螺纹管、翅片管等。管子的布置有等边三角形、正方形、正方形斜转45°和同心圆形等多种形式，前3 种最为常见。按三角形布置时，在相同直径的壳体内可排列较多的管子，以增加传热面积，但管间难以用机械方法清洗，流体阻力也较大。管板和管子的总体称为管束。管子端部与管板的连接有焊接和胀

接两种。在管束中横向设置一些折流板，引导壳程流体多次改变流动方向，有效地冲刷管子，以提高传热效能，同时对管子起支承作用。折流板的形状有弓形、圆形和矩形等。为减小壳程和管程流体的流通截面、加快流速，以提高传热效能，可在管箱和壳体内纵向设置分程隔板，将壳程分为2程和将管程分为2程、4程、6程和8程等。管壳式换热器的传热系数，在水-水换热时为1400～2850瓦每平方米每摄氏度〔W/(/m(℃)〕;用水冷却气体时,为10～280W/(m(℃)；用水冷凝水蒸汽时,为570～4000W(m(℃)。

特点 管壳式换热器是换热器的基本类型之一，19世纪80年代开始就已应用在工业上。这种换热器结构坚固,处理能力大、选材范围广，适应性强，易于制造,生产成本较低，清洗较方便，在高温高压下也能适用。但在传热效能、紧凑性和金属消耗量方面不及板式换热器、板翅式换热器和板壳式换热器等高效能换热器先进。

分类 管壳式换热器按结构特点分为固定管板式换热器、浮头式换热器、Ｕ型管式换热器、双重管式换热器、填函式换热器和双管板换热器等。前 3种应用比较普遍。

1 固定管板式换热器 它是管壳式换热器的基本结构形式图

图一 固定管板式换热器

管子的两端分别固定在与壳体焊接的两块管板上。在操作状态下由于管子与壳体的壁温不同，二者的热变形量也不同，从而在管子、壳体和管板中产生温差应力。这一点在分析管板强度和管子与管板连接的可靠性时必须予以考虑。为减小温差应力，可在壳体上设置膨胀节。固定管板式换热器一般只在适当的温差应力范围、壳程压力不高的场合下采用。固定管板式换热器的结构简单、制造成本低，但参与换热的两流体的温差受一定限制；管间用机械方法清洗有困难，须采用化学方法清洗，因此要求壳程流体不易结垢。

浮头式换热器 图2 [浮头式换热器]为浮头式换热器的结构。管子一端固定在一块固定管板上，管板夹持在壳体法兰与管箱之间，用螺栓连接；管子另一端固定在浮头管板上，浮头管板与浮头盖用螺栓连接，形成可在壳体内自由移动的

浮头。由于壳体和管束间没有相互约束，即使两流体温差再大，也不会在管子、壳体和管板中产生温差应力。对于图2a [

浮

头

式

换

热

器]中的结

构，拆下管箱可将整个管束直接从壳体内抽出。为减小壳体与管束之间的间隙，以便在相同直径的壳体内排列较多的管子，常采用图2b[浮头式换热器]的结构，即把浮头管板夹持在用螺栓连接的浮头盖与钩圈之间。但这种结构装拆较麻烦。浮头式换热器适用于温度波动和温差大的场合；管束可从壳体内抽出用机械方法清洗管间或更换管束。但与固定管板式换热器相比，它的结构复杂、造价高。 U型管式换热器 一束管子被弯成不同曲率半径的U型管，其两端固定在同一块

管

板

上

,

组

成

管

束

（

图

3[U

型

管

式

换

热

器]）。管板夹持在管箱

法兰与壳体法兰之间，用螺栓连接。拆了管箱即可直接将管束抽出，便于清洗管间。管束的U形端不加固定，可自由伸缩,故它适用于两流体温差较大的场合；又因其构造较浮头式换热器简单,只有一块管板，单位传热面积的金属消耗量少,造价较低,也适用于高压流体的换热。但管子有U形部分，管内清洗较直管困难，因此要求管程流体清洁，不易结垢。管束中心的管子被外层管子遮盖，损坏时难以更换。相同直径的壳体内，U形管的排列数目较直管少,相应的传热面积也较小。

双重管式换热器 将一组管子插入另一组相应的管子中而构成的换热器（图4 器

[

双

重

管

式

换

热]

）。管程流体（B流体）从管箱进口管流入,通过内插管到达外套管的底部，然后返向，通过内插管和外套管之间的环形空间，最后从管箱出口管流出。其特点是内插管与外套管之间没有约束，可自由伸缩。因此，它适用于温差很大的两流体换热。但管程流体的阻力较大，设备造价较高。

为填函式

换热器的结构。管束一端与壳体之间用填料密封。管束的另一端管板与浮头式换热器同样夹持在管箱法兰与壳体法兰之间，用螺栓连接。拆下管箱、填料压盖等有关零件后,可将管束抽出壳体外,便于清洗管间。管束可自由伸缩，具有与浮头式换热器相同的优点。由于减少了壳体大盖，它的结构较浮头式换热器简单，造价也较低；但填料处容易渗漏，工作压力和温度受一定限制，直径也不宜过大。 双管板换热器 管子两端分别连接在两块管板上(图6[双管板换热器的结构

特点])，两块管板之间留有一定的空间，并

装设开孔接管。当管子与一侧管板的连接处发生泄漏时，漏入的流体在此空间内收集起来，通过接管引出，因此可保证壳程流体和管程流体不致相互串漏和污染。双管板换热器主要用于严格要求参与换热的两流体不互相串漏的场合，但造价比固定管板式换热器高

非金属材料换热器 :化工生产中强腐蚀性流体的换热，需采用陶瓷、玻璃、聚四氟乙烯、石墨等非金属材料制作管壳式换热器。 其中以碳化硅为主要材质的陶瓷换热器具有以下特点：

陶瓷换热器的生产工艺与窑具的生产工艺基本相同，导热性与抗氧化性能是材料的主要应用性能。它的原理是把陶瓷换热器放置在烟道出口较近，温度较高的地方，不需要掺冷风及高温保护，当窑炉温度1250-1450℃时，烟道出口的温度应是1000-1300℃，陶瓷换热器回收余热可达到450-750℃，将回收到的的热空气送进窑炉与燃气形成混合气进行燃烧，可节约能源25%－45%，这样直接降低生产成本，增加经济效益。 陶瓷换热器在金属换热器的使用局限下得到了很好的发展，因为它较好地解决了耐腐蚀，耐高温等课题，成为了回收高温余热的最佳换热器。经过多年生产实践，表明陶瓷换热器效果很好。它的主要优点是：导热性能好，高温强度高，抗氧化、抗热震性能好。寿命长，维修量小，性能可靠稳定，操作简便。是目前回收高温烟气余热的最佳装置。

目前，陶瓷换热器可以用于冶金、有色、耐材、化工、建材等行业主要热工窑炉，正在为世界的节能减排事业做出了巨大的贡献。

流道的选择： 进行换热的冷热两流体，按以下原则选择流道：①不洁净和易结垢流体宜走管程，因管内清洗较方便；②腐蚀性流体宜走管程，以免管束与壳体同时受腐蚀；③压力高的流体宜走管程，以免壳体承受压力；④饱和蒸汽宜走壳程，因蒸汽冷凝传热分系数与流速无关,且冷凝液容易排出；⑤若两流体温度差较大,选用固定管板式换热器时，宜使传热分系数大的流体走壳程，以减小热应力。

操作强化： 当管壁两侧传热分系数相差很大时（如粘度小的液体与气体间的换热），应设法减小传热分系数低的一侧的热阻。如果管外传热分系数小，可采用外螺纹管（低翅片管），以增大管外一侧的传热面积和流体湍动，减小热阻。如果管内传热分系数小，可在管内设置麻花铁，螺旋圈等添加物，以增强管内扰动，强化换热，当然这时流体的流动阻力也将增大。

2.3管壳式换热器的研究进展

换热器是化工、石油、动力、钢铁、食品、发电及其他许多工业部门的通用设备，在产中占有重要的地位。尤其是化工生产中，换热器关系到生产的正常运行和操作费用。换热器的种类繁多，但管壳式换热设备在化工生产中仍占据主要地位，尤其在高温或有腐蚀性介质的作业中更能显出优势。管壳式换热器是由一些直径较小的圆管加上管板组成管束，外套一个外壳而构成，其结构坚固，适应性强，选材广，易于制造，成本低。但是，在流动面积相等的条件下，圆形通道的表面积最小，而且管子之间不能紧密排列， 故管壳式换热器的共同缺点是结构不紧凑，单位换热器的容积所提供的传热面小，传热系数不高，金属消耗量 大。因而，换热器的强化传热技术的研究越来越重要了。随着工业的发展，陆续出现了不少高效紧凑的管壳式换热器并逐渐趋于完善。这些换热器基本上可分为两类:一类是在管壳式换热器的基础上加以改进;另一类则根本上摆脱圆管而采用多种板状换热表面川。在管壳式换热器基础上改进的板式换热器，有结构紧凑，材料消耗低，传热系数大等优点，但是不能承受高温高压。本文就管壳式换热器的自身改进加以论述。

2.3.1管壳式换热器的自身改进

为了实现换热器的传热高效化，其先决条件是提高单位体积的传热面积和提

高传热面的传热效率，以提高综合传热系数，即强化传热(狭义的强化传热是指提高流体和提高传热面之间的传热系统)。其主要方法可归结为使温度边界层减薄和调换传热面附近的流体。前者采用多种间断翅片结构，后者采用泡核沸腾传热。人们想方设法实施强化传热，归纳起来以下4种方法:改变传热面的形状;在传热面或传热路径内加人扰动促进体;对折流挡板和支撑物加以改进;特殊材料管子的制造。 (1)改变传热面的形状

改变传热面形状的方法有多种，用于无相变强化传热的有:横槽管，螺旋管，缩放管和波纹管。新近又开发出偏置折边翅片管和螺旋扁管。用于有相变强化传热管，主要是在传热表面烧结一层金属或镀层，通过机械加工附加一些细孔等结构，在沸腾时使用这类传热面可以使起泡点数目增多，并在细孔内产生蒸气时，能从通孔的另一人口端吸取液体，从而促进细

孔内液膜的蒸发，收到显著改善沸腾换热系数的效果。对于凝结，还有一种翅片结构，利用凝结液在滴落过程中，由表面张力的作用把凝结液膜拉开，使液膜减薄。例如短翅片管，由于翅片的前缘减薄，促进液膜的下流，而使换热系数增高侧。现在的冷冻机换热器，如果管子制成上述形式，那么将使其体积减小，成本降低，效能提高。目前广泛研究的是螺旋槽管，横纹管以及利用机械加工，烧结，由化学腐蚀及表面镀层等手段制成的管件。螺旋槽管是在管壁挤压出单头或多头螺旋槽，是一次加工双面成型的高效传热元件。如图1示:

图1螺旋槽管的结构示意图

华南理工大学李治滨对螺旋槽管管内流体的流动状态，强化传热机理及管参数的优化选择方法进行了深人研究。他用20多种不同规格的螺旋槽管进行试验对比，发现单头螺旋槽管比多头螺旋槽管的性能好。螺旋槽使近壁处流体螺旋运动，产生局部2次流，即在管的中心部分速度较高，由于离心力较小，流体便由壁面走向中心内侧，从而在管的横截面上产

生了2次流，增加了流体的湍动性，因而强化了传热，而且螺旋槽又导致形体阻力，起了表面粗糙度的作用，产生了逆向压力梯度，使边界层出现分离旋涡，结果破坏了流动边界，增加了流体的径向混合，减少边界层热阻，从而提高了传热速率。另外螺旋槽管具

有较强的抗污垢性能，螺旋管主要用于管内外过渡区，湍流区(Re>2100)的无相变传热，还可用于管外沸腾，管内外冷凝等传热。我国于19%年已将螺旋槽应用于石油化工装置的换热设备。例如上海溶剂厂甲醛蒸汽余热锅炉急冷塔中采用了螺旋槽管，总传热系数提高了60%，相同压降条件下，传热面积减少了30%〔4j。 横纹管是20世纪70年代中期出现的一种高效换热器元件，它是以普通光管为毛坯，经简单滚压在管外壁形成与轴线成直角的环状槽纹。如图2所示。

图2横纹管的结构示意图

横纹管强化传热机理为:当管内流体流经横向凹槽时，管壁附近形成轴向涡流，增加了流体边界层的扰动，使边界层分离，从而使流体传热强化，当涡流即将消失时，流体又流经下一个凹槽，因此不断地产生轴向涡流，保持了连续稳定的强化作用。此外，由于涡流主要在管内壁附近形成，对流体的主流影响很小，所以不会产生流体无谓的能量损耗，所以横纹管的流体阻力较相同节距和槽深的螺纹槽管要小很多[5]。横纹管处理介质主要是无相变的气相或液相。近几年，横纹管的应用大大增强，效果也很明显。如益阳炼油厂、茂名炼油厂等单位采用横纹管换热器，总传热系数较光管提高了85%，同等传热量，可节省46%的传热面积[6j。

截面管也是近年来国内外研究开发的强化传热元件，可分为蛋形管，鼓状管，菱形管。实验证明，此类管件与光圆管相比，具有显著强化传热效果。 （2）加入扰动促进体

在单相流的情况下，在管内加人扰动促进体或管内插人体，通过搅乱流动可以达到强化传热的目的。扰动促进体，设置在传热面附近，它可以有多种形状或型式，常用的如图3所示:

图3各种类型的扰动促进体[z]

扰动促进体的作用是对器壁产生较高的流体剪切应力，降低管内流体由层流向湍流过渡的临界雷诺数，从而提供较陡的速度梯度和更高的传热系数，管内插件对强化气体，低雷诺数流体或高粘度流体的传热会起到更好的效果[’]。加人扰动促进体，势必增大了摩擦阻力，导致了压强的增大。所以现在正朝着优化的方向发展，一种成功的扰动促进体应在提高传热系数的同时，不以增大压强为代价。华南理工大学和中国石化北京设计院合作研制了交叉锯齿形扰动促进体。可直接形成流体的混合。在U形管中插人单，双螺旋状和螺旋线以强化沸腾传热，实验证明这几种扰动促进体均可消除壁温飞升现象，其中单螺旋片的压降较低[sj。

国外在这方面的研究很多，英国catGavin公司研制出了一种叫Heatex的扰动促进体，这种扰动促进体由一组延伸至管壁的圆芯体组成，它可使管侧传热效率提高2倍以上。该公司还开发了一种叫Hitran的丝网扰动促进体，用于液体工况时，可使管壳式换热器管子传热效率提高25倍，用于气体工况，可使相应值提高5倍。同时，与正常流速相比，这种促进体使换热管的防垢能力提高8一10倍。国内在此方面也有所尝试。江苏省漂阳市化工设备公司和清华大学利用多孔介质弥散效应强化管内换热的新技术，联合开发了高效强化换热器。它采用的强化元件是一种金属丝制元件烧制而成，相当于空隙率。>95%的多孔体。当流体流经时，流道内产生弥散流动效应，使流体变为湍流，从而强化了传热。实验

结果表明采用这种高效的绕花丝多孔型强化换热器的总传热系数是普通光管的1.5到4倍。上海石化总厂乙烯厂减压蒸馏装置换热器采用国产交叉锯齿形带扰动促进体，在压强不增加的前提下，总传热系数较光管提高了50%。

第四章热补偿实例

在化工管道的设计安装过程中常会遇到高温管道的热补偿问题，解决管道热补偿问题对保证系统正常运行、对保护设备及对避免安全事故的发生等方面都至关重要。如何设置补偿器，如何选用补偿器及如何设置固定支架是解决热补偿问题的关键。现以广州南沙开发区某公司一工艺管道系统安装工程为例介绍管道热补偿及横向小拉杆波纹补偿器的应用。该工艺管道系统工作温度140℃，工作压力0.6 MPa，材质为碳钢，安装温度20℃，环境最低温度0℃。因管道系统分布较广，管线较长，有多处需设置补偿器进行热补偿，下面以其中一处作为例子介绍。

4.1管道布局及热膨胀分析

管道布局如图1所示。管道与设备1、2连接，其中设备1是重要设备，不能承受附加的应力。从图中可看出，管道的热膨胀应力主要在AB、BC、CD管段，C处有一DN200的支

管，由于支管受支架的约束，对这个管系来讲是一个相对固定的点，因此可以以

C点为分界，分别考虑ABC段和CD段的热膨胀及热补偿，即可解决整个管线的热补偿问题。

（1）管道膨胀量的计算

由上述分析可知,管道的热膨胀应力主要在AB、BC、CD管段，分别计算AB、BC、CD管段的膨胀量：AB管段的膨胀量： ?t(AB)=LAB×αt×?T=3×12.20×10-3×120=53 mm

BC管段的膨胀量：?t(BC)=LBC×αt×?T=21×12.20×10-3×120=31 mm CD管段的膨胀量：?t(CD)=LBC×αt×?T=13×12.20×10-3×120=19 mm 式中：?t——管线膨胀量，cm；L——管线长度，m；αt—— 材料的线膨胀系数，12.20×10-3 mm/m·℃；?T——管系的温升， ℃(安装温度按20℃计算)。

（2）膨胀节的选型及固定支架设置

由上述分析和计算可知，CD管段的膨胀量为19 mm，因设备1不能承受附加应力，为对设备1的保护，在D处设置固定支架G1，而C处本身就是一个相对固定的点，因此在C处也设置一个固定支架G2。CD管段只有轴向应力，根据其膨胀量选择通用型6TB250X4轴向膨胀节即可，这里不对该膨胀节进行详细的复核计算。下面只对ABC管段选用膨胀节进行详细介绍。

ABC管段存在纵、横两个方向的位移，根据这种情况，选用横向小拉杆波纹

补偿器，拉杆横向型波纹补偿器除可以补偿弯曲管道的横向位移和角位移，同时也可以补偿轴向位移。若将横向小拉杆波纹补偿器安装于BC段，则AB段的膨胀量53 mm对于膨胀节就是横向的位移，BC段的膨胀量31 mm则是轴向位移。根据此膨胀量选择6XLB250X8-1500型横向小拉杆波纹补偿器，该补偿器的参数如下：

轴向补偿量：X=60 mm； 轴向刚度：Kx=352 N/mm； 横向补偿量：Y=135 mm； 横向刚度：Ky=14.7 mm； 波纹管有效面积：A=62902 m2。

C处已设置了固定支架G2，在A处再设置固定支架G3，两固定支架之间再按一定间距设置多个轴向滑动支架，那么ABC管段的热膨胀即可通过上面所选的横向小拉杆波纹补偿

器进行补偿。管线的支架及膨胀节的设置简化如下图(图2)：A

4.2横向小拉杆波纹补偿器验算

(1)补偿量验算：

在使用横向小拉杆波纹补偿器时，轴向补偿量对横向补偿量有一定影响，按下式进行验算： XY1+YX1≤XY

XY1+YX1=60×53+135×31=7365≤XY=60×135=8100

故膨胀节6XLB250X8-1500满足实际X1=31 mm、Y1=53 mm的条件使用。 式中：

X、Y——膨胀节补偿量，mm； X1、Y1——管道膨胀量，mm。 (2)对补偿进行预变形，变形量?X为：

?X=X[1/2-(To-Tmin)/(Tmax-Tmin)]=31[1/2-(20-0)/(140-0)]=11 mm 要求对补偿器预拉伸11 mm。 (3)支架G2、G3的受力计算：

内压推力：F=P×A=0.6×62902=37741 N；

G2轴向弹力：F x=Kx×(X1-?X)=352×(31-11)=7040 N； G3轴向弹力：F y=Ky×Y1=14.7×53=779 N；

因受滑动支架的约束，固定支架G2、G3不受横向弹力及弯矩的作用。

4.3结语

经验算，所选的膨胀节能满足上述工况的条件使用，后来的使用情况也表明，所选用的膨胀节及支架设置合理，管线工作运行情况良好，膨胀节工作正常，设备也得到很好的保护。

4.4补偿器(膨胀节)

管道因温度变化产生热胀冷缩现象，管线受热膨胀变形，受冷收缩发生断裂，为了避免这种现象产生的管线破坏叫热力补偿。一般在管段加入补偿器，管线因温度变化而伸长或缩短的配件，热力管线上所利用的主要有波形补偿器和波纹管两种

膨胀节习惯上也叫伸缩节,或波纹管补偿器，是用以利用波纹管补偿器 膨胀节的弹性元件的有效伸缩变形来吸收管线、导管或容器由热胀冷缩等原因而产生的尺寸变化的一种补偿装置，属于一种补偿元件。可对轴向，横向，和角向位移的的吸收，用于在管道、设备及系统的加热位移、机械位移吸收振动、降低噪音等。

膨胀节为补偿因温度差与机械振动引起的附加应力，而设置在容器壳体或管道上的一种挠性结构。由于它作为一种能自由伸缩的弹性补偿元件，工作可靠、性能

良好、结构紧凑等优点，已广泛应用在化工、冶金、核能等部门。在容器上采用的膨胀节。

管道膨胀节在一定范围内可轴向伸缩,也能在一定的角度内克服管道对接不同轴向而产生的偏移,能极大的方便阀门管道的安装与拆卸，在管道允许伸缩量中可以自由伸缩,一旦越过其最大伸缩量就起到限位,确保管道的安全运行。主要为保障管道安全运行。 4.4.1 补偿器简介：

补偿器习惯上也叫膨胀节，或伸缩节。由构成其工作主体的波纹管（一种弹性元件）和端管、支架、法兰、导管等附件组成。

属于一种补偿元件。利用其工作主体波纹管的有效伸缩变形，以吸收管线、导管、容器等由热胀冷缩等原因而产生的尺寸变化，或补偿管线、导管、容器等的轴向、横向和角向位移。也可用于降噪减振。在现代工业中用途广泛。 4.4.2补偿器作用：

补偿器也称伸缩器、膨胀节、波纹补偿器。补偿器分为：波纹补偿器、套筒补偿器、旋转补偿器、方形自然补偿器等几大类型，其中以波纹补偿器较为常用，主要为保障管道安全运行，具有以下作用： 1.补偿吸收管道轴向、横向、角向热变形。

2. 波纹补偿器伸缩量，方便阀门管道的安装与拆卸。 3.吸收设备振动，减少设备振动对管道的影响。

4.吸收地震、地陷对管道的变形量。

第五章热补偿措施

管壳式换热器由于其结构简单、易清洗维修和造价低等优点，被广泛作为精馏塔的冷凝器、再沸器和换热器使用。但因其换热列管为普通的无缝钢管（光滑直管），并胀焊于两端的管板上，这种结构应用于高沸点、高凝固点特殊物系的分离提纯存在着一些问题，尤其是在冷凝水水质不好的场合。

高沸点、高凝固点物系的精馏塔冷凝器具有以下特点：①壳程工作温度高，管程为了防止物料在冷凝器中凝固、堵塞，冷凝水温度不宜太低，从而导致管内壁表面温度高，易结垢，影响冷凝效果和生产能力；②管、壳程温差大，热应力大，易造成列管拉裂；③精馏塔采用内回流结构，冷凝器直接置于塔顶部，考虑到塔体和塔基础的投资，要求塔顶冷凝器的结构紧凑、既小又轻。

管壳式波纹管换热器在管壳式换热器的基础上，采用强化传热原理把传统的光滑直管改为高效的波纹管，既继承了管壳式换热器的优点，又克服了其固有的缺点，具有更为广泛的应用领域。将其应用于高沸点、高凝固点物系的精馏塔冷凝器上，能够有效地解决结垢、列管拉裂等问题。??

5.１ 强化传热原理

对传统的管壳式换热器通过采用波纹管取代光滑直管，使换热管管壁处的流体始终处于高度湍流状态，达到强化传热的目的。根据传热学基本公式： 提高传热效率的途径有三条：提高传热系数Ｋ；增大换热面积Ｆ；加大对数平均温差Δｔｍ。增大换热面积和加大对数平均温差都不是理想的途径，一味地增加换热面积势必会造成设备体积庞大和投资费用的大幅度增加；而加大对数平均温差又要受到公用工程条件和分离物系性质的限制。只有提高传热系数，才是强化换热最有效的途径。

传热系数Ｋ是换热器的主要性能参数，传热系数Ｋ值的大小与管内换热系数αｉ、管外换热系数αｏ，管内管外的污垢系数ｒｉ和ｒｏ，换热管的外径与内径之比ｄｏ／ｄｉ，换热管材料及导热系数λｗ和管厚度δｗ有关。而换热管的材料、规格一旦选定，则管外径与内径之比、壁厚及导热系数等参数也随之确定下来。所以，提高管内、外换热系数αｉ和αｏ、降低污垢系数ｒｉ和ｒｏ，才能够提高换热器的总传热

5.１.１ 提高换热系数αｉ及αｏ 根据传热学对流传热准则方程：

由雷诺数Ｒｅ和普朗特数Ｐｒ可见，管内、管外的对流换热系数αｉ及αｏ与流体的流动状态有极大关系，流动状态的改变一方面可借助于流速的提高，但当流速提高到一定程度时，传热系数随着流速的提高而增加的速率缓慢，而换热器压降的增加幅度却很大。因此，在设计换热器时，提高传热系数不能单纯靠提高流速来实现；改变流动状态的另一途径是设计出合理的流道截面，使流体按湍流或程度较高的紊流进行流动，使流体不断冲击边界层。同时，使截面最好能不断改变流体的流动方向，如有意识地使流道截面不间断地缩小、扩大，即使在流速较小的情况下，流体在管内外也可以形成比较强烈的扰动，从而提高管内外的对流换热系数。

5.１．２ 降低污垢系数ｒｉ及ｒｏ

提高总传热系数Ｋ还可以用降低管内外的污垢系数来达到。污垢的问题是换热设备的老大难问题，多少年来，无数的科技工作者在这一领域进行了大量的工作取得了一定的进展，但都有局限性。在操作过程中，由于温度的变化，原来溶解在流体中的一些成分，会析出沉积在传热表面形成污垢，每一种污垢都有它独特的生成机理，这些污垢会增大设备的总热阻，降低总传热系数。要降低换热器的污垢热阻，需从以下几方面进行考虑：

（１）．适当提高流体的流速，使流体中的沉积物不易沉积、结垢，但换热器的压降增大；

（２）．不断地改变流体的流动方向，使流体不停地冲击换热管的壁面，让流体中的各种杂质不易在壁面停留；

（3） ．选择耐腐蚀的光滑材料，也可以减缓污垢的形成。

5.２ 波纹管换热器结构特点

管壳式波纹管换热器最突出的优点是可以迫使流体按规定路径多次错流通过管束，使流体的湍流程度持续得到强化，其主要特点如下。 5.2.１、传热效率高

由于换热管采用波纹管，管内流道截面连续不断地突变，造成流体即使在流速很低的情况下也始终处于高度湍流状态，难以形成层流，使对流传热的主要热阻被有效地克服，管内外传热被同时强化，因而传热系数很高，一般为传统管壳式换热器的２～３倍。

5.2.２、防结垢能力强

因流道内流体的高度湍流，使流体中的微粒难以沉积结垢，即使有少量垢生成，由于介质在管内外湍流流动，对管壁冲刷强烈，防结垢能力强。另外，波纹管上存在着因管程与壳程温差应力而产生的应变，使具有弹性特征的波纹管的曲率发生微观变化，从而使波纹管换热器具有防垢和除垢的能力。 5.2.３、应力补偿能力强

波纹管因其结构形状和管壁较薄的特性，在管程与壳程温差应力较大时，具有弹性特征的波纹管的曲率发生微观变化，用以补偿、消除热应力，有效防止了传统的管壳式换热器换热管易被拉裂等现象。 5.2.４、结构紧凑、既小又轻

由于波纹管换热器传热系数很高，所需的换热面积小，而且，波纹管的壁厚较薄，所以波纹管换热器结构紧凑、既小又轻。

通过对换热器强化传热原理的剖析和波纹管换热器的结构分析可见，独特结构形式的波纹管换热器使流动流体始终处于湍流状态，且不断地冲刷管壁，有效地提高了换热器的传热系数。

5.3几种常用补偿器

5.3.1自然补偿与方形补偿器

利用管道在室内、管沟或管井内的弯头或方形补偿器进行补偿。这些弯头或方形补偿器可以是为管路转向而设置的，也可是为了热补偿而增设的。例如管井内管道很长时，可在某一层管井中将其拐弯形成一个方形补偿器;沿墙敷设的直管段在穿过墙时设补偿器;沿柱敷设的管道绕柱设方形补偿器。(需要设置补偿器的直管段长度可查有关文献)。水平单管采暖系统每5一6组散热器的水平支管上以及高层建筑的采暖立管上要设方形补偿器或乙字弯形状的管道，防止因管道热胀冷缩引起的立管与支管、支管与散热器接口处渗漏供热介质。自然补偿或方形补偿器造价低，不用维修，但要占用空间，特别是在管井中管子根数较多时，要妥善处理各管的关系。尽量将补偿器设在管道穿间墙或楼板处，既美观，又不占地。

5.3.2套筒补偿器

套筒补偿器构造由芯管、外壳管、填料圈、后压兰和前压兰等组成。当管道

温度变化时，芯管可在外壳管内移动进行热补偿。填料圈被压兰压紧在内外管之间起密封作用，但同时也增加了泄漏点，因为使用几年后填料性能变化，每隔一定时间要进行更换。该补偿器直接连接在直线管段上，多用于管井、管沟中。 5.3.3波纹管补楼器

波纹管补偿器构造是用不锈钢制成、由多个连续波状管组成的补偿器，靠改变波的形状来起到补偿的作用。为了减少流动阻力和防止沉积污物，波纹管补偿器常设有光滑的内衬管，该补偿器安装在直线管段上，根据管线公称直径，热伸长量及承受的最大工作压力进行选择。安装时应注意内衬管的方向。为了保证套管补偿器与波纹管补偿器沿轴向补偿和直线位移，施工时应靠固定支架安装，必要时还应设导向支架，以控制横向位移防止失去效能 5.3.4补偿器法补偿

补偿器补偿法又称为人工补偿法,是使用人工制作的补偿器来吸收管路上的冷热变形量的补偿方法。常用的补偿器可分为:回折管式补偿器,波纹管(或凸面)式补偿器和填料函式补偿器等类型。回折式补偿器的特点是将直管弯曲成一定几何形状而成的补偿器形式,其原理是利用弯管的挠性变形来补偿两端直管部分的热伸长量。其特点是补偿能力大,易于就地制作,但尺寸大,不易在狭窄的地方安装,而且流阻大。波纹管式补偿器是利用凸面金属薄壳的变形来补偿管路的热伸长量。其特点是结构紧凑,但补偿能力小,轴向推力大,较适合于真空及低压管路和大直径管路的气体管路。填料函式补偿器又称为套管式补偿器,是由套管,插管和填料函三部分组成,是一种活动的密封联接。插管可以自由伸缩,以补偿管路的热伸长量。其特点是结构紧凑,补偿力大,但易泄漏。它适用于低压小管径的管路上。

5.4结束语

综上所述,在热力管路的布局设计和施工中,必须根据热力管路在安装和使用过程中的温度变化情况,考虑固定方式和热补偿问题。当该温度差小于许用温度变量时,主要考虑采取卡箍固定、自然补偿的方法;对温度差大于许用温度变量的管路,可考虑采用波纹管等补偿器补偿、卡箍固定的方法。

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