【正文】 些新型高效換熱器相繼面世。 換熱器的主要分類 在工業(yè)生產(chǎn)中， 由于用途、工作條件和物料特性的不同，出現(xiàn)了不同形式和結(jié)構(gòu)的換熱器。 換熱器的分類及特點 按照傳熱方式的不同，換熱器可分為三類： 又稱混合式換熱器，它是 利用冷、熱流體直接接觸與混合的作用進行熱量的交換。這類換熱器的結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜，常做成塔狀，但僅適用于工藝上允許兩種流體混合的場合。 在這類換熱器中，熱量傳遞是通過格子磚或填料等蓄熱體來完成的。首先讓熱流體通過，把熱量積蓄在蓄熱體中，然后再讓冷流體通過，把熱量帶走。由于兩種流體交變轉(zhuǎn) 5 換輸入，因此不可避免地存在著一小部分流體相互摻和的現(xiàn)象，造成流體的“污染”。 蓄熱式換熱器結(jié)構(gòu)緊湊、價格便宜，單位體積傳熱面比較大，故較適合用于氣 氣熱交換的場合。 這是工業(yè)中最為廣泛使用的一類換熱器。冷、熱流體被一固體壁面隔開，通過壁面進行傳熱。按照傳熱面的形狀與結(jié)構(gòu)特點它又可分為： （ 1） 管式換熱器：如套管式、螺旋管式、管殼式、熱管式等； （ 2） 板面式換熱器：如板式、螺旋板式、板殼式等； （ 3） 擴展表面式換熱器：如板翅式、管翅式、強化的傳熱管等。 管殼式換熱器的分類及特點 由于設(shè)計題目是 浮頭式換熱器的設(shè)計，而浮頭式又屬于 管殼式換熱器，故特此介紹管殼式換熱器的主要類型以及結(jié)構(gòu)特點。 管殼式換熱器是目前用得最為廣泛的一種換熱器，主要是由殼體、傳熱管束、管板、折流板 和管箱等部件組成，其具體 結(jié)構(gòu)如 下 圖所示 。殼體多為圓筒形，內(nèi)部 放置了由許多管子組成的管束，管子的兩端固定在管板上，管子的軸線與殼體的軸線平行。 進行換熱的冷熱兩種流體，一種在管內(nèi)流動，稱為管程流體；另一種在管外流動，稱為殼程流體。 為了增加殼程流體的速度以改善傳熱，在殼體內(nèi)安裝了折流板。 折流板可以提高殼程流體速度，迫使流體按規(guī)定路程多次橫向通過管束，增強流體湍流程度。 流體每通過管束一次稱為一個管程；每通過殼體一次就稱為一個殼程，而圖 121 所示為最簡單的單殼程單管程換熱器。為提高管內(nèi)流體速度，可在兩端管箱內(nèi)設(shè) 置隔板，將全部管子均分為若干組。這樣流體每次只通過部分管子，因而在管束中往返多次，這稱為多管程；同樣。為提高管外流速，也可以在殼體內(nèi)安裝縱向擋板，迫使流體多次通過殼體空間，稱為多殼程。多管程與多殼程可以配合使用。 這種換熱器的結(jié)構(gòu)不算復(fù)雜，造價不高，可選用多種結(jié)構(gòu)材料，管內(nèi)清洗方便，適應(yīng)性強，處理量較大，高溫高壓條件下也能應(yīng)用，但傳熱效率、結(jié)構(gòu)的緊湊性、單位傳熱面的金屬消耗量等方面尚有待改善。 由于管內(nèi)外流體的溫度不同，因之換熱器的殼體與管束的溫度也不同。如果兩流體溫度相差較大，換熱器內(nèi)將產(chǎn)生很大的熱應(yīng) 力，導(dǎo)致管子彎曲、斷裂或從管板上拉脫。因此， 當管束與殼體溫度差超過 50℃時，需采取適當補償措施，以消除或減少熱應(yīng)力。根據(jù)所采用的補償措施，管殼式換熱器可以分為以下幾種主要類型： 6 （ 1） 固定管板式換熱器： 其結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。換熱器的管端以焊接或脹接的方法固定在兩塊管板上，而管板則以焊接的方法與殼體相連。 與其它型式的管殼式換熱器相比，結(jié)構(gòu)簡單，當殼體直徑相同時，可安排更多的管子，也便于分程，同時制造成本較低。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 進行堵管或換管， 但無法在管子的外表面進行機械清洗，且難以檢查，不適宜處理臟的或有腐蝕性的介質(zhì)。更主要的缺點是當殼體與管子的壁溫或材料的線膨脹系數(shù)相差較大時，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)自由移動的浮頭，故當管束 與殼體受熱伸長時，兩者互不牽制，因而不會產(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)管外都能進行清洗，也便于檢修。由上述特點可知，浮頭式換熱器多用于溫度波動和溫差大的場合，盡管與固定管板式換熱器相比其結(jié)構(gòu)更復(fù)雜、造價更高。 7 （ 3） U型 管式換熱器 ：其結(jié)構(gòu)可參見圖 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管箱。因為管束與殼體是分離的，在受熱膨脹時，彼此間不受約束，故消除了溫差應(yīng)力。其結(jié)構(gòu)簡單，造價便宜 ，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 。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。 8 （ 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）從管箱進口管流入，通過內(nèi)插管到達外套管的底部，然后返回，通過內(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。其特點是內(nèi)插管與外套管之間沒有約束，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。由于減少了殼體大蓋，它的結(jié)構(gòu)較浮頭式換熱器簡單，造價也較低，但填料處容易泄漏，工作壓力與溫度受一定限制，直徑也不宜過大。 9 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)。適用場合：①管程流量大殼程流量小時，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，但 10 殼程換熱器需要兩臺以上才能實現(xiàn)傳熱，用一臺雙殼程換熱器不僅可以實現(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。物流通過這種結(jié)構(gòu)換熱器時存在明顯的徑向變化，故不適用于有高熱效率要求的場合。 （ 3） 雙管板結(jié)構(gòu)：在普通結(jié)構(gòu)的管板處增加一個管 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換熱器傳熱性能最直接有效的方法。國內(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，可有效降低物料泡核點，沸騰給熱系數(shù)提高～ ，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，強化沸騰傳熱。 （ 4） 螺旋槽紋管： 可強化管內(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，前一種流動有利于減薄邊界層，后一種流動分離邊界層并增強流體擾動，傳熱系數(shù)提高 ～ 倍，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作一中傳統(tǒng)的標準的換熱設(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)計特針對這類換熱器中的浮頭式換熱器 的工藝設(shè)計以及結(jié)構(gòu)設(shè)計進行介紹。 第二章 工藝計算 在換熱器設(shè)計中，首先應(yīng)根據(jù)工藝 要求選擇適用的類型，然后計算換熱所需要的傳熱 11 面積。工藝設(shè)計中包括了熱力設(shè)計以及流動設(shè)計，其具體運算如下所述： 設(shè)計條件 表 21 油品與原油的操作參數(shù) 原 油 油 品 設(shè)計壓力 （ Mpa） 進口溫度（176。 C） 出口溫度（176。 C） 流 量 （ kg/s） 進 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。這是因為：被冷卻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，同時對于浮頭式換熱器，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 傳熱計算（熱負荷計算） 熱負荷： ( ) ( )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)； ,ci coTT—— 冷流體的進、出口溫度， k； ,hi hoTT—— 熱流體的進、出口溫度， k。 理論上， cQ = hQ ，實際上由于熱量損失， cQ ≠ hQ ，通 管程：原油 殼程：油品 12 常熱負荷應(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 的計算 選取逆流流向，這是因為逆流比并流的傳熱效率高。其中 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? ? ?? ? ? 因為 12 2tt ? ，故采用對數(shù)平均溫度差，則 39。 2121199 31 lnln 31mttt tt? ?? ? ?℃ 。 按經(jīng)驗值初選總傳熱系數(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； 考慮到所用傳熱計算式的準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， 可選換熱器的型式為： B ES 85 6/25 4 Ⅱ，且為達到所需換熱面積，應(yīng) 采用三臺同類換熱器串聯(lián)。 所選 浮頭式 換熱器的規(guī)格參數(shù)以及其工藝 計算常用 參數(shù)可參考表 23 與表 24（附第二章后） 。 ? = ? 1231199ootCtC?? 39。 ? ℃ K估 =180W/（㎡﹒℃） 39。? 2243Am? 13 總傳熱系數(shù) K的校驗 管殼式換熱換熱器面積是以傳熱管外表面為基準，則在利用關(guān)聯(lián)式計算總傳熱系數(shù)也應(yīng)以管外表面積為基準，因此總傳熱系數(shù) K的計算公式如下： 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）；