【正文】 ...................................................................30 設(shè)計 小 結(jié) .............................................................................................................................................31 參考文獻 .............................................................................................................................................32 附表 ....................................................................................................................................................33 附錄 ....................................................................................................................................................34 6 前 言 熱交換器，簡稱換熱器，是在不同溫度的流體間，進行傳遞熱能的裝置。換 熱器在化工、石油、動力、制冷、食品等各領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛，在日常生活中傳熱設(shè)備也隨處可見，是不可缺少的工藝設(shè)備之一。因此換熱設(shè)備的研究備受世界各國政府及研究機構(gòu)的高度重視，在全世界第一次能源危機及在節(jié)約能源上研究新途 徑。在研究投入大、人力資源配備足的情況下，一批具有代表性的高效換熱器和強化傳熱原件誕生了。這對提高能量的利用效率有著很大的促進作用，對社會效益非常顯著，從另一方面大大緩解了能源的緊張狀況。 在化工廠的建設(shè)中，換熱器通常約占總投資的 11%；在現(xiàn)代石油煉廠中，換熱器約占全部工藝設(shè)備投資的 40%左右。近年來隨著節(jié)能技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴大，利用換熱器進行高溫和低溫熱能回收帶來了顯著的經(jīng)濟效益。目前，在換熱設(shè)備中，使用量最大的是管殼式換熱器。 列管式換熱器的應(yīng)用已具有很悠久的歷史。現(xiàn)在，它被當作一種傳統(tǒng) 的標準換熱器設(shè)備在很多工業(yè)部門中大量使用，尤其在化工、石油、能源設(shè)備等部門所使用的換熱器中，列管式換熱器仍處于主導地位。同時板式換熱器也已成為高效、緊湊的換熱設(shè)備，大量地應(yīng)用于工業(yè)中。本文主要是對列管式換熱器的設(shè)計和運用進行介紹。 7 設(shè)計任務(wù)書 設(shè)計任務(wù)及操作條件 （ 1） 處理能力 ?104t/a 煤油 （ 2） 設(shè)備形式 列管式換熱器 （ 3） 操作條件 ① 煤油：入口溫度 140℃，出口溫度 40℃。 ② 冷卻介質(zhì)：循環(huán)水，入口溫度 30℃，出口溫度 40℃。 ③ 允許壓降：不大于 105Pa。 ④ 煤油定性溫度下的物性數(shù)據(jù)： 密度 ： ρ c＝ 825kg/m3 黏 度 ： μ c＝ ﹒ s 定壓比熱容 ： Cpc＝ (kg﹒℃ ） 熱導 系數(shù)： λ c＝ (m﹒℃ ) ⑤每年按 330 天計，每天 24 小時連續(xù)運行。 （ 4） 建廠地址 天津地區(qū) 設(shè)計要求： 選擇適宜的列管式換熱器并進行核算。 8 第 1章 設(shè)計綜述 換熱器分類 換熱器是許多工業(yè)部門的通用設(shè)備。根據(jù)不同的目的不同，換熱器可以是熱交換器、加熱器、冷卻器、蒸發(fā)器、冷凝器等。根據(jù)冷、熱流體熱量交換的方式，換熱器可以 分為以下三大類： ?直接接觸式換熱器 這類換熱器的主要工作原理是兩種介質(zhì)接觸而相互傳遞熱量，實現(xiàn)傳熱，接觸面積直接影響到傳熱。這類換熱器的介質(zhì)通常是一種是氣體，另一種為液體，主要是以塔設(shè)備為主體的傳熱設(shè)備，但通常又涉及傳質(zhì)，故很難區(qū)分與塔器的關(guān)系，通常歸口味塔式設(shè)備，電廠用涼水塔為最典型的直接接觸式換熱器。 ?蓄熱式換熱器 蓄熱式換熱器主要由對外充分隔熱的蓄熱室構(gòu)成，室內(nèi)裝由熱容量大的固定填充物。熱流體通過蓄熱室時將冷的填充物加熱，當冷流體通過時則將熱量帶走。熱、冷流體交替通過蓄熱室，利用固體填充 物來積蓄或放出熱量而達到熱交換的目的。蓄熱器結(jié)構(gòu)簡單，可耐高溫，常用于高溫氣體熱量的利用或冷卻。其缺點是設(shè)備體積較大，過程是不定常的交替操作，且不能完全避免兩種流體的摻雜。所以這類設(shè)備化工上用的不多。 ?間壁式換熱器 其特點是在冷、熱流體之間用以金屬壁（或石墨等導熱性能良好的非金屬壁）隔開，使兩種流體在不發(fā)生混合的情況下進行熱量傳遞。從傳熱的基本特征分類，間壁式換熱器可分為管式和板式。其中包括夾套式換熱器、沉浸式蛇管換熱器、噴淋式換熱器、套管式換熱器、列管式換熱器以及其他高效換熱器。 列管式換熱 器的類型 ?固定管板式換熱器 固定管板式換熱器的兩端和殼體連為一體，管子則固定于管板上，它的結(jié)構(gòu)簡單；在相同的殼體直徑內(nèi)，排管最多，比較緊湊；由于這種結(jié)構(gòu)是殼側(cè)清洗困難，所以殼程宜用于不易結(jié)垢和清洗的流體。當管束和殼體之間的溫差太大而產(chǎn)生不同的熱膨脹時，常會使管子與管板的接口脫開，從而發(fā)生介質(zhì)的泄露。為此在外殼上焊以膨脹節(jié)，但它僅能減小而不能完全消除由于溫差而產(chǎn)生的熱應(yīng)力， 9 且在多程換熱器中，這種方法不能照顧到管子的相對移動。由此可見，這種換熱器比較適合用于溫差不大或溫差較大但殼程壓力不高的場合。 ?浮頭式 換熱器 浮頭式換熱器針對固定管板式的缺陷做了結(jié)構(gòu)上的改進。兩端管板只由一端與管體完全固定，另一端則可相對于殼體作某些移動，該端稱之為浮頭，如 圖 12所示。此類換熱器的管束膨脹不受殼體的約束，所以殼體與管束之間不會由于膨脹量的不同而產(chǎn)生熱應(yīng)力。而且在清洗和檢修時，僅需要將管束從殼體中抽出即可，所以能適用于管殼壁間溫差較大，或易于腐蝕和易結(jié)垢的場合。但該類換熱器結(jié)構(gòu)復雜、本中，造價約比固定管板式高 20%左右，材料消耗量大，而且由于浮頭的端蓋在操作中無法檢查，所以在制造和安裝時要注意其密封，以避免發(fā)生內(nèi) 漏，管束和殼體的間隙較大，在設(shè)計時要避免短路。至于殼程的壓力也受滑動接觸的密封限制。 ? U 形管換熱器 見圖 13 為一 U形管換熱器，其結(jié)構(gòu)特點為每根管子都彎成 U形，兩端固定在同一塊管板上，封頭用隔板分成兩室，故相當于雙管程。這類換熱器的特點是：管束可以自由伸縮，不會因管殼之間的溫差而產(chǎn)生熱應(yīng)力，熱補償性能好；管程為雙管程，流程較長，流速較高，傳熱性能較好；承壓能力強；管束可以從殼體內(nèi)抽出，便于檢修和清洗，且結(jié)構(gòu)簡單，造價便宜。但管內(nèi)清洗不便，管束中間部分的管子難以更換，又因最內(nèi)層管子彎曲半徑不能太小，在管板 中心部分布管不緊湊，所以管子數(shù)不能太多，且管束中心部分存在間隙，使殼程流體易于短路而影響殼程換熱。此外，為了彌補彎管后壁管的減薄，直管部分必須用壁較厚的管子。這就影響了它的使用場合，僅宜用于管殼壁溫相差較大，或殼程介質(zhì)易結(jié)垢而管程介質(zhì)不易結(jié)垢，高溫、高壓、腐蝕性強的情形。 ?填料函式換熱器 此類換熱器的管板也僅有一端與殼體固定，另一端采用填料函密封，如圖14 所示。它的管束也可自由膨脹，所以管殼之間不會產(chǎn)生熱應(yīng)力，且管程和殼 10 程都能清洗，結(jié)構(gòu)較浮頭式簡單，造價較低，加工制造方便，材料消耗較少。但由于密封處易 于泄露，故殼程壓力不能過高，也不宜用于易揮發(fā)、易燃、易爆、有毒的場合。 列管式換熱器的結(jié)構(gòu) 管程結(jié)構(gòu) 介質(zhì)流經(jīng)傳熱管內(nèi)的通道部分稱為管程。 ?換熱管布置和排列間距 常用換熱管規(guī)格有 Ф 19 2mm、 Ф 25 2mm(1Cr18Ni9Ti)、 Ф 25 （碳鋼 10）。換熱管管板上的排列方式有正方形直列、正方形錯列、三角形錯列和三角形直列和同心圓排列，如圖 1所示。 圖 1 換熱管排列方式 正三角形排列結(jié)構(gòu)緊湊；正方形排列便于機械清洗；同心圓排列用于小殼徑換熱器，外圓管布均勻，結(jié)構(gòu)更為緊湊。 我國換熱器系列中，固定管板式多采用正三角形排列；浮頭式則以正方形錯列排列居多，也有正三角形排列。 對于多管程換熱器，常采用組合排列方式。每程內(nèi)都采用三角形排列，而在 11 各程之間為了便于安裝，采用正方形排列。 管間距（管中心的間距 ） t與外管徑 d。 的比值，焊接時為 ，脹接時為～ 。 管子材料常用的為碳鋼、低合金鋼、不銹鋼、銅、銅鎳合金、鋁合金等。應(yīng)根據(jù)工作壓力、溫度和介質(zhì)腐蝕性等條件決定。此外海域一些非金屬材料，如石墨、陶瓷、聚四氟乙烯等亦有采用。在設(shè)計和制造換熱器時，正確選用材料很重要。既要滿足工 藝條件的要求，又要經(jīng)濟。對化工設(shè)備而言，由于各部分可采用不同材料，應(yīng)注意由于不同種類的金屬接觸而產(chǎn)生的電化學腐蝕作用。 ?管板 管板的作用是將受熱管束連接在一起，并將管程和殼程的流體分隔開來。 管板與管子的連接可脹接或焊接。脹接法是利用脹管器將管子擴脹，產(chǎn)生顯 著的塑性變形，靠管子與管板間的擠壓力達到密封緊固的作用。脹接法一般用在管子為碳素鋼，管板為碳素鋼或低合金鋼，設(shè)計壓力不超過 4MPa，設(shè)計溫度不超過 350℃的場合。 焊接法在高溫高壓條件下更能保證接頭的嚴密性。 管板與殼體的連接有可拆連接和不可拆連接兩 種。固定管板常采用不可拆連接。兩端管板直接焊在外殼上并兼作法蘭，拆下頂蓋可檢修彭脹口或清洗管內(nèi)。浮頭式、 U型管式等為是殼體清洗方便，常將管板夾在殼體法蘭和頂蓋法蘭直接按構(gòu)成可拆連接。 ?封頭和管箱 封頭和管箱位于殼體兩端，其作用式控制及分配管程流體。 ①封頭 當殼體直徑較小式常采用封頭。接管和封頭可用法蘭或螺紋連接， 封頭與殼體直接按用螺紋連接，以便卸下封頭，檢查和清洗管子。 ②管箱 一般殼徑較大的換熱器大多采用管箱結(jié)構(gòu)。管箱具有一個可拆蓋板，因此在檢修或清洗管子時無須卸下管箱。 ③分程隔板 當需要的 換熱面積很大時，可采用多管程換熱器。對于多管 程換熱器，在管箱內(nèi)應(yīng)設(shè)分程隔板，將管束分為順次串接的若干組，各組管子數(shù)目大致相等。這樣可提高介質(zhì)流速，增強傳熱。管程多者可達到 16 程，常用的由 6程。在布置時應(yīng)盡量使管程流體與管程流體成逆流布置，以增強 12 傳熱，同時