【正文】 ...................................................................30 設(shè)計(jì) 小 結(jié) .............................................................................................................................................31 參考文獻(xiàn) .............................................................................................................................................32 附表 ....................................................................................................................................................33 附錄 ....................................................................................................................................................34 6 前 言 熱交換器，簡(jiǎn)稱換熱器，是在不同溫度的流體間，進(jìn)行傳遞熱能的裝置。換 熱器在化工、石油、動(dòng)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(guó)政府及研究機(jī)構(gòu)的高度重視，在全世界第一次能源危機(jī)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(qiáng)化傳熱原件誕生了。這對(duì)提高能量的利用效率有著很大的促進(jìn)作用，對(duì)社會(huì)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(kuò)大，利用換熱器進(jìn)行高溫和低溫?zé)崮芑厥諑砹孙@著的經(jīng)濟(jì)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?，F(xiàn)在，它被當(dāng)作一種傳統(tǒng) 的標(biāo)準(zhǔn)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(dǎo)地位。同時(shí)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(duì)列管式換熱器的設(shè)計(jì)和運(yùn)用進(jìn)行介紹。 7 設(shè)計(jì)任務(wù)書 設(shè)計(jì)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(dǎo) 系數(shù)： λ c＝ (m﹒℃ ) ⑤每年按 330 天計(jì)，每天 24 小時(shí)連續(xù)運(yùn)行。 （ 4） 建廠地址 天津地區(qū) 設(shè)計(jì)要求： 選擇適宜的列管式換熱器并進(jìn)行核算。 8 第 1章 設(shè)計(jì)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(shí)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(duì)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(shí)將冷的填充物加熱，當(dāng)冷流體通過時(shí)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(dá)到熱交換的目的。蓄熱器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可耐高溫，常用于高溫氣體熱量的利用或冷卻。其缺點(diǎn)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(diǎn)是在冷、熱流體之間用以金屬壁（或石墨等導(dǎo)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(jìn)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(jiǎn)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(dāng)管束和殼體之間的溫差太大而產(chǎn)生不同的熱膨脹時(shí)，常會(huì)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(duì)移動(dòng)。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(chǎng)合。 ?浮頭式 換熱器 浮頭式換熱器針對(duì)固定管板式的缺陷做了結(jié)構(gòu)上的改進(jìn)。兩端管板只由一端與管體完全固定，另一端則可相對(duì)于殼體作某些移動(dòng)，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(huì)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(shí)，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(chǎng)合。但該類換熱器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、本中，造價(jià)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(shí)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(jì)時(shí)要避免短路。至于殼程的壓力也受滑動(dòng)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(diǎn)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(dāng)于雙管程。這類換熱器的特點(diǎn)是：管束可以自由伸縮，不會(huì)因管殼之間的溫差而產(chǎn)生熱應(yīng)力，熱補(bǔ)償性能好；管程為雙管程，流程較長(zhǎng)，流速較高，傳熱性能較好；承壓能力強(qiáng)；管束可以從殼體內(nèi)抽出，便于檢修和清洗，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)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(bǔ)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(chǎng)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(qiáng)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(huì)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(jiǎn)單，造價(jià)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(chǎng)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(cuò)列、三角形錯(cuò)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(jī)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(guó)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(cuò)列排列居多，也有正三角形排列。 對(duì)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(shí)為 ，脹接時(shí)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(jì)和制造換熱器時(shí)，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(jì)。對(duì)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(xué)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(kuò)脹，產(chǎn)生顯 著的塑性變形，靠管子與管板間的擠壓力達(dá)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(jì)壓力不超過 4MPa，設(shè)計(jì)溫度不超過 350℃的場(chǎng)合。 焊接法在高溫高壓條件下更能保證接頭的嚴(yán)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(dāng)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(gè)可拆蓋板，因此在檢修或清洗管子時(shí)無須卸下管箱。 ③分程隔板 當(dāng)需要的 換熱面積很大時(shí)，可采用多管程換熱器。對(duì)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(qiáng)傳熱。管程多者可達(dá)到 16 程，常用的由 6程。在布置時(shí)應(yīng)盡量使管程流體與管程流體成逆流布置，以增強(qiáng) 12 傳熱，同時(shí)