管式 CO₂预热器

一、结构组成

1. 壳体（Shell）

• 容纳 CO₂气体（壳程流体），材质通常为碳钢或不锈钢（如 304、316L），需耐受 CO₂的压力（尤其是超临界状态下的高压，≥7.38MPa）和可能的腐蚀性（如含水分时生成碳酸）。

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• 设有 CO₂进出口接管，通常在壳体上加装压力表、温度计等监测仪表。

2. 管束（Tube Bundle）

• 蒸汽加热时，采用不锈钢管（防腐蚀）；

• 高温导热油加热时，需选用耐高温合金管（如 Incoloy 800）。

• 由多根换热管组成，内部流经加热介质（如蒸汽、导热油、热水等，管程流体），通过管壁与壳程 CO₂进行热量交换。

• 换热管材质需根据加热介质和 CO₂特性选择，例如：

3. 管板（Tube Sheet）

• 固定管束两端，分隔管程和壳程流体，确保两种介质不混合。

• 管板与壳体、换热管通过焊接或胀接固定，需满足高压工况下的密封性。

4. 折流板 / 支承板（Baffle/Support Plate）

• 折流板：引导 CO₂在壳程横向冲刷管束，增加湍流程度，强化换热效率（如呈 “S” 形流动），同时支撑管束防止振动。

• 支承板：若 CO₂流速较低，可简化为仅支撑管束的结构，减少压降。

5. 其他附件

• 管程分程隔板：若加热介质需多流程流动（如提高流速增强换热），可在管箱内设置分程隔板。

• 膨胀节：当壳体与管束温差较大时，加装膨胀节补偿热变形，避免结构应力损坏。

二、工作原理

1. 热量传递过程

• 壳程（CO₂侧）：低温 CO₂从壳体一端进入，在折流板引导下横向流过管束外部，吸收管壁传来的热量，温度升高后从另一端排出。

• 管程（加热介质侧）：高温加热介质（如蒸汽）从管程入口流入，在管束内流动并释放热量（蒸汽冷凝为凝结水），低温介质从出口流出。

• 传热机制：热量通过 “加热介质→管壁内侧→管壁→管壁外侧→CO₂” 的路径传导，核心是对流换热（介质与管壁）和热传导（管壁本身）。

2. 强化换热的关键设计

• 湍流流动：折流板迫使 CO₂横向冲刷管束，破坏边界层，减少热阻（对比层流，湍流换热系数可提升 3-5 倍）。

• 增大接触面积：采用小直径换热管（如 φ19mm×2mm）或翅片管（在 CO₂侧加装翅片，增强气体侧换热）。

• 逆流布置：使 CO₂与加热介质逆向流动，增大平均温差（对数平均温差 ΔT₁ₘ大于顺流），提升换热效率。