【正文】 相比，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，當(dāng)殼體直徑相同時(shí)，可安排更多的管子，也便于分程，同時(shí)制造成本較低。由于不存在彎管部分，管內(nèi)不易積聚污垢，即使產(chǎn)生污垢也便于清洗。如果管子發(fā)生泄漏或損壞，也便于 進(jìn)行堵管或換管，但無(wú)法在管子的外表面進(jìn)行機(jī)械清洗，且難以檢查，不適宜處理臟的或有腐蝕性的介質(zhì)。更主要的缺點(diǎn)是當(dāng)殼體與管子的 壁溫或材料的線膨脹系數(shù)相差較大時(shí)，在殼體與管中將產(chǎn)生較大的溫差應(yīng)力，因此為了減少溫差應(yīng)力，通常需在殼體上設(shè)置膨脹節(jié)，利用膨脹節(jié)在外力作用下產(chǎn)生較大變形的能力來(lái)降低管束與殼體中的溫差應(yīng)力。 （ 2） 浮頭式換熱器：其結(jié)構(gòu)如圖 2 所示。 管子一端固定在一塊固定管板上，管板夾持在殼體法蘭與管箱法蘭之間，用螺栓連接；管子另一端固定在浮頭 6 管板上，浮頭管板 夾持在用螺柱連接的浮頭蓋與鉤圈 之間，形成可在殼體內(nèi)自由移動(dòng)的浮頭，故當(dāng)管束與殼體受熱伸長(zhǎng)時(shí)，兩者互不牽制，因而不會(huì)產(chǎn)生溫差應(yīng)力。浮頭部分是由浮頭管板，鉤圈與浮頭端蓋組成的可拆聯(lián)接， 因此可以容易抽出管束，故管內(nèi)管外都能進(jìn)行清洗，也便于檢修。由上述特點(diǎn)可知，浮頭式換熱器多用于溫度波動(dòng)和溫差大的場(chǎng)合，盡管與固定管板式換熱器相比其結(jié)構(gòu)更復(fù)雜、造價(jià)更高。 7 （ 3） U型 管式換熱器 ：其結(jié)構(gòu)可參見(jiàn)圖 3。一束管子被彎制成不同曲率半徑的 U型管，其兩端固定在同一塊管板上，組成管束，從而省去了一塊管板與一個(gè)管箱。因?yàn)楣苁c殼體是分離的，在受熱膨脹時(shí)，彼此間不受約束，故消除了溫差應(yīng)力。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)便宜，管束可以在殼體中抽出，管外清洗方便，但管內(nèi)清洗困難，故最好讓不 易 結(jié)垢的物料從管內(nèi)通過(guò) 。由于彎管的外側(cè)管壁 較薄以及管束的中央部分存在較大的空隙，故 U 型管換熱器具有承壓能力差、傳熱能力不佳的缺點(diǎn)。 （ 4） 雙重管式換熱器：將一組管子插入另一組相應(yīng)的管子中而構(gòu)成的換熱器，其結(jié)構(gòu)可以參看圖 4。管程流體（ B 流體）從管箱進(jìn)口管流入，通過(guò)內(nèi)插管到達(dá)外套管的底部，然后返回，通過(guò)內(nèi)插管和外套管之間的環(huán)形空間，最后從管箱出口管流出。其特點(diǎn)是內(nèi)插管與外套管之間沒(méi)有約束，可自由伸縮。因此，它適用于溫差很大的兩流體換熱，但管程流體的阻力較大，設(shè)備造價(jià)較高。 （ 5） 填料函式換熱器： 圖 5 為填料函式換熱器的結(jié)構(gòu)。管束一端與殼體之間用填料密封，管束的 另一端管板與浮頭式 換熱器同樣夾持在管箱法蘭和殼體法蘭之間，用螺栓連接。拆下管箱、填料壓蓋等有關(guān)零件后，可將管束抽出殼體外，便于清洗管間。管束可自由伸縮，具有與浮頭式換熱器相同的優(yōu)點(diǎn)。由于減少了殼體大蓋，它的結(jié)構(gòu)較浮頭式換熱器簡(jiǎn)單，造價(jià)也較低，但填料處容易泄漏，工作壓力與溫度受一定限制，直徑也不宜過(guò)大。 8 管殼式換熱器特殊結(jié)構(gòu) 包括有雙殼程結(jié)構(gòu)、螺旋折流板、雙管板等特殊結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)將使換熱器擁有更高的工作效率。 （ 1） 雙殼程結(jié)構(gòu)：在換熱器管束中間設(shè)置縱向隔板，隔板與殼體內(nèi)壁用密封片阻擋物流內(nèi)漏，形 成雙殼程結(jié)構(gòu)。適用場(chǎng)合：①管程流量大殼程流量 9 小時(shí)，采用此結(jié)構(gòu)流速可提高一倍，給熱系數(shù)提高 1～ 倍；②冷熱流體溫度交叉時(shí)，但殼程換熱器需要兩臺(tái)以上才能實(shí)現(xiàn)傳熱，用一臺(tái)雙殼程換熱器不僅可以實(shí)現(xiàn)傳熱，而且可以得到較大的傳熱溫差。 （ 2） 螺旋折流板式換熱器：螺旋折流板可以防止死區(qū)和返混，壓降較小。物流通過(guò)這種結(jié)構(gòu)換熱器時(shí)存在明顯的徑向變化，故不適用于有高熱效率要求的場(chǎng)合。 （ 3） 雙管板結(jié)構(gòu)：在普通結(jié)構(gòu)的管板處增加一個(gè)管板，形成的雙管板結(jié)構(gòu)用于收集泄漏介質(zhì)，防止兩程介質(zhì)混合。 換熱管簡(jiǎn)介 換熱管 是管殼式換熱器的傳熱元 件，采用高效傳熱元件是改進(jìn)換熱器傳熱性能最直接有效的方法。國(guó)內(nèi)已使用的 新效的 換熱管有以下幾種： （ 1） 螺紋管：又稱低翅片管，用光管軋制而成，適用于管外熱阻為管內(nèi)熱阻 倍以上的單相流及渣油、蠟油等粘度大、腐蝕易結(jié)垢物料的換熱。 （ 2） T 形翅片管：用于管外沸騰時(shí)，可有效降低物料泡核點(diǎn)，沸騰給熱系數(shù)提高 ～ 倍，是蒸發(fā)器、重沸器的理想用管。 （ 3） 表面多孔管：該管為光管表面形成一層多孔性金屬敷層，該敷層上密布的小孔能形成許多汽化中心，強(qiáng)化沸騰傳熱。 （ 4） 螺旋槽紋管： 可強(qiáng)化管內(nèi)物流間的傳熱，物料在管內(nèi)靠近管壁部分流體順槽旋流 ，另一部分流體呈軸向渦流，前一種流動(dòng)有利于減薄邊界層，后一種流動(dòng)分離邊界層并增強(qiáng)流體擾動(dòng)，傳熱系數(shù)提高 ～ ，但阻力降增加 ～ 倍。 （ 5） 波紋管：為擠壓成型的不銹鋼薄壁波紋管，管內(nèi)、管外都有強(qiáng)化傳熱的作用，但波紋管換熱器承壓能力不高，管心距大而排管少，殼程短而不易控制。 管殼式換熱器的應(yīng)用已經(jīng)有悠久的歷史，而且管殼式換熱器被當(dāng)作一中傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)的換熱設(shè)備在很多工業(yè)部門(mén)中大量使用 。 尤其在化工、石油、能源設(shè)備等部門(mén)所使用的換熱設(shè)備中， 管殼式換熱器仍處于主導(dǎo)地位，因此本次畢業(yè)設(shè)計(jì)特針對(duì)這類(lèi)換熱器中 的浮頭式換熱器 的工藝設(shè)計(jì)以及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行介紹。 10 第二章 工藝計(jì)算 在換熱器設(shè)計(jì)中，首先應(yīng)根據(jù)工藝 要求選擇適用的類(lèi)型，然后計(jì)算換熱所需要的傳熱 面積。工藝設(shè)計(jì)中包括了熱力設(shè)計(jì)以及流動(dòng)設(shè)計(jì)，其具體運(yùn)算如下所述： 設(shè)計(jì)條件 表 21 油品與原油的操作參數(shù) 原 油 油 品 設(shè)計(jì)壓力 （ Mpa） 進(jìn)口溫度（176。 C） 出口溫度（176。 C） 流 量 （ kg/s） 進(jìn)口溫度 （176。 C） 出口溫度 （176。 C） 流 量 （ kg/s） 69 101 300 100 表 22 油品與原油的物性參數(shù) 名稱 平均溫度（℃） 比熱kJ/kg178。 k 導(dǎo)熱系數(shù)W/（ m178。 k） 密度 kg/ m3 粘度（ *103）Pa178。 S 熱阻（ *103）㎡178。 K/w 原油 85 805 油品 200 918 核算換熱器傳熱面積 流動(dòng)空間的確定 選擇被冷卻的油品走殼程，被加熱的原油走管程。這是因?yàn)椋罕焕鋮s的流體走殼程可便于散熱，而傳熱系數(shù)大的流體應(yīng)走管程，這樣可 降低管壁的溫差，減少熱應(yīng)力，同時(shí)對(duì)于浮頭式換熱器，一般是將易結(jié)垢流體流經(jīng)管程。 初算換熱器傳熱面積 39。A 傳熱計(jì)算（熱負(fù)荷計(jì)算） 熱負(fù)荷： ( ) ( )c p c c o c i h p h h i h oQ m c T T m c T T? ? ? ? 式中： ,chmm—— 冷熱流體的質(zhì)量流量， kg/s； ,pc phcc—— 冷熱流體的定壓比熱， J/(kg178。 k)； 管程：原油 殼程：油品 11 ,ci coTT—— 冷流體的進(jìn)、出口溫度， k； ,hi hoTT—— 熱流體的進(jìn)、出口溫度， k。 理論上， cQ = hQ ，實(shí)際上由于熱量損失， cQ ≠ hQ ，通常熱負(fù)荷應(yīng)該取 max（ cQ ， hQ ）。 ( ) 2 6 .5 3 .1 6 5 ( 1 0 1 6 9 ) 2 6 8 3 .9 K Wc c pc c o c iQ m c T T? ? ? ? ? ? ?( ) = 6 .4 4 2 .5 8 7 ( 3 0 0 1 0 0 ) = 3 3 3 2 .1 K Wh h ph hi hoQ m c T T? ? ? ?； 故 ? 。 有效平均溫差 39。mt 的計(jì)算 選取逆流流向，這是因?yàn)槟媪鞅炔⒘鞯膫鳠嵝矢摺Ｆ渲?1t 為較小的溫度差， 2t 為較大的溫度差。 121 0 0 6 9 3 1 。3 0 0 1 0 1 1 9 9 。ootC? ? ?? ? ? 因?yàn)? 12 2tt ? ，故采用對(duì)數(shù)平均溫度差，則 39。 2121199 31 lnln 31mttt tt? ?? ? ?℃ 。 按經(jīng)驗(yàn)值初選總傳熱系數(shù) K估 查表選得 K估 =180W/（㎡﹒℃）； 初算出所需的傳熱面積 39。A 339。239。 3 3 3 2 . 1 1 0 2 0 2 . 51 8 0 9 1 . 4mQAmKt ?? ? ??估； 考慮到所用傳熱計(jì)算式的準(zhǔn)確程度及其他未可預(yù)料的因素，應(yīng)使所選用的換熱器具有換熱面積 0A 留有裕度 ? = ? 1231199ootCtC?? 39。 ? ℃ K估 =180W/（㎡﹒℃） 39。? 12 10%25%，故有 39。21. 2 1. 2 * 20 2. 5 24 3A A m? ? ?，根據(jù) A 查選型手冊(cè)， 可選換熱器的型式為： B ES 85 6/25 4 Ⅱ，且為達(dá)到所需換熱面積，應(yīng) 采用三臺(tái)同類(lèi)換熱器串聯(lián)。 所選 浮頭式 換熱器的規(guī)格參 數(shù)以及其工藝 計(jì)算常用 參數(shù)可參考表 23 與表 24（附第二章后） 。 總傳熱系數(shù) K的校驗(yàn) 管殼式換熱換熱器面積是以傳熱管外表面為基準(zhǔn)，則在利用關(guān)聯(lián)式計(jì)算總傳熱系數(shù)也應(yīng)以管外表面積為基準(zhǔn)，因此總傳熱系數(shù) K的計(jì)算公式如下： 11 o o os o s iw m i ib d d dRRK d d d? ? ? ? ?Oiα λ α 式中： K—— 總傳熱系數(shù)， W/（㎡﹒ K）； iα 、 Oα —— 分別為管程和殼程流體的傳熱膜系數(shù)，W/（㎡﹒ K）； siR 、 soR —— 分別為管程和殼程的污垢熱阻，㎡178。 K/w； id 、 od 、 md —— 分別是傳熱管內(nèi)徑、外 徑 及平均直徑， m； wλ —— 傳熱管壁材料導(dǎo)熱系 數(shù)， W/（㎡﹒ K）； b —— 傳熱管壁厚， m。 管程流體傳熱膜系數(shù) iα 其計(jì)算過(guò)程如下： 24 2 6 . 5 2 . 2 2 /8 0 5 0 . 0 1 4 8ci cimu m sd??? ? ??； 30 . 0 2 2 . 2 2 8 0 5R e 4 4 1 38 . 1 1 0i i iidu ?? ???? ? ??，可知流體處于過(guò)渡流狀態(tài)； 2243Am? /iu m s? Re 4413? 13 333 . 1 6 5 1 0 8 . 1 1 0Pr 1 8 30 . 1 4 0p i iic ???? ? ?? ? ?； 當(dāng)流體在管內(nèi)流動(dòng)為過(guò)渡流的時(shí)候，對(duì)流傳熱系數(shù)可先按湍流的公式計(jì)算 ，然后把計(jì)算結(jié)果乘以校正系數(shù) ? ，即可得到過(guò)渡流下的對(duì)流傳熱膜系數(shù)。 先計(jì)算校正系數(shù) ? ： 551 . 8 1 . 86 1 0 6 1 01 1 0 .8 3 5R e 4 4 1 3??? ? ? ? ? ?； 而湍流情況下的 39。i? 計(jì)算如下： 由于 2ia??? ，故原油為高黏度的流體，故應(yīng)用SiederTate 關(guān)聯(lián)式： 39。 0 . 8 1 / 3 0 . 1 40 .0 2 7 R e Pr ( / )ii i wid?? ? ?? 工程上，當(dāng)液體被加熱時(shí)，取 0. 14( / ) 1. 05iw?? ? ，當(dāng)液體被冷卻時(shí)，取 0. 14( / ) 0. 95iw?? ? ，而管程流體原油是被加熱的，則有 39。 0 . 8 1 / 30 . 1 4 00 . 0 2 7 4 4 1 3 1 8 3 1 . 0 5 9 2 80 . 0 2i? ? ? ? ? ? ? W/（㎡﹒ K） ； 故管內(nèi)流體傳熱膜系數(shù) i? 為： 39。 928 775ii??? ? ? ? ?W/（㎡﹒ K） ； 殼程流體傳熱膜系數(shù) Oα ： 其計(jì)算過(guò)程如下： 換熱器內(nèi)需裝弓形折流板，根據(jù) GB1511999 可知，折流板最小的間距一般不小于圓筒內(nèi)直徑的 1/5，且不小于50mm ，故根據(jù)浮頭式換熱器折流板間距的系列標(biāo)準(zhǔn)，可取折流板間距 300bl mm? 。 因?yàn)闅んw選擇為卷制圓筒，根據(jù) GB1501999 可知?dú)r 183? ?? 39。 928i?? W/（㎡﹒ K） 775i?? W/（㎡﹒ K） 300bl mm? 14 體內(nèi)徑 600iD DN mm?? 。 管間流速 ou 是根據(jù)流體流過(guò)管間最大截面 積 sA 計(jì)算：(1 )os b i tdA l D p?? 其中： od —— 管外徑，即 25 ㎜， tp —— 為換熱管中心距，此時(shí)選擇換熱管在管板上的排列方式為正方形排列，因?yàn)檫@樣便于機(jī)械清洗，查GB1511