【正文】 .... 42 3 致 謝 .................................................. 45 4 參考文獻(xiàn) ................................................ 46 1 前 言 換熱器是一種實(shí)現(xiàn)物料之間熱量傳遞的節(jié)能設(shè)備，在石油、化工、冶金、電力、輕工、食品等行業(yè)應(yīng)用普遍。在煉油、化工裝置中換熱器占總設(shè)備數(shù)量的 40％左右，占總投資的30％ ～ 45％ 。尤其是換熱器在化工生產(chǎn)裝置中應(yīng)用十分廣泛，是化工操作單元中的重要組成部分。隨著工業(yè)裝置的大型化和高效率化，換熱器也趨于大型化。目前在大型化工生產(chǎn)裝置中，各種換熱設(shè)備的數(shù)量占工藝設(shè)備數(shù)量的 30％以上。因此，了解換熱器各方面知識(shí)是很有必要的。 換熱器種類繁多，形 式各異，如管殼式、釜式、板式、板翅式、螺旋板式、空冷器、套管式、蛇管式、升降膜式等。由于管殼式換熱器易于制造、適應(yīng)性強(qiáng)、處理量大、成本較低6 以及可供選用的材料范圍廣泛，仍是當(dāng)前應(yīng)用最廣，理論研究和設(shè)計(jì)技術(shù)最完善，性能可靠的一類換熱器，所以這里我們重點(diǎn)研究這它們。 管殼式換熱器的分類 根據(jù)管殼式換熱器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可分為固定管板式、浮頭式、 U形管式、填料函式及釜式重沸器等五類，每種結(jié)構(gòu)形式各自發(fā)揮不同的作用。 固定管板式換熱器它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊、造價(jià)低，往往是管板兼法蘭，適用于管、殼程溫差不大或管、殼程溫差大 ，但壓力不高，殼程介質(zhì)干凈或雖結(jié)垢但通過(guò)化學(xué)清洗能清除的場(chǎng)合。其主要缺點(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)生很大的溫差應(yīng)力。 浮頭式換熱器管束一端的管板可以自由移動(dòng)，不受溫差應(yīng)力的影響，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，內(nèi)浮頭密封困難，鍛件多，造價(jià)高。維修時(shí)可拆卸浮頭，抽出管束進(jìn)行檢修或更換，適用于管、殼程溫差大但工作壓力不超過(guò) 10 MPa的工況，缺點(diǎn)是需要抽出管束。還有一種浮頭式換熱器也稱為填料函式換熱器，其管束可自由伸縮，殼程和管程都可以拆開(kāi)清洗，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適用管、殼程溫差大工況，但其耐壓、耐 溫及密封能力差，目前只是在低壓與小直徑的場(chǎng)合下使用。 U形管式換熱器管束可自由伸縮，只有一塊管板，密封面少，管束與殼體分離，消除了溫差應(yīng)力，可抽芯檢修更換。適用場(chǎng)合為管、殼程溫差大，高溫，高壓。殼程需抽芯清洗，要求管內(nèi)介質(zhì)干凈或雖會(huì)結(jié)垢但通過(guò)化學(xué)清洗能清除。其他類型就不予解釋。 管殼式換熱器的結(jié)構(gòu) 7 圖 管束 在管殼式換熱器中最簡(jiǎn)單的是單管程的換熱器，如需增加傳熱面，一般采用增加管數(shù)的方法，管數(shù)增加后可將管束分程，以防止管數(shù)增加后引起管內(nèi)流速以及傳熱系數(shù)的降低，從制造、安裝、操作的角度考慮，一般采用偶數(shù)管程且程數(shù)不宜太多。 殼程 圖 。 E型是最普通的一種，殼程是單程的，管程可為單程也可為多程； F型為二殼程的換熱器，是在殼體中裝入了一塊平行于管子軸線方向的縱向隔板； G型也為二殼程的換熱器，縱向隔板從管板的一段移開(kāi)使殼程流體得以分流； H型與 G型相似，但進(jìn)出口接管與縱向隔板均多一倍。 圖 管子的排列方式 管子在管板上的排列方式最常見(jiàn)的有 4種：正三角排列、轉(zhuǎn)角正三角形排列、正方形排8 列和轉(zhuǎn)角正方形排列。 管板 管板是換熱器的重要部件之一，用來(lái)排布換熱管并起著分隔管程、殼程空間的作用。薄管板有著節(jié)省材料的優(yōu)點(diǎn)，是用于中、低壓換熱器中；橢圓形管板與換熱器的殼焊接在一起，受力條件較好，適用于高壓、大直徑的換熱器。 折流板與折流桿 折流板體有助于提高殼程的流速，增強(qiáng)湍動(dòng)，改善傳熱，在臥式換熱器中起支承管束的作用。常用的折流板有單弓形、雙弓形、三重弓形等。折流桿是一種新型支承管子的結(jié)構(gòu)，其優(yōu)點(diǎn)：在傳熱量相同的情況下，其壓力降比弓形折流板的換熱器降低 50％ 以上，沒(méi)有傳熱死區(qū)，結(jié)垢速率慢，防止了 橫向流誘發(fā)的振動(dòng)。 管殼式換熱器相關(guān)分析 傳熱系數(shù) 在管側(cè)熱阻、殼側(cè)熱阻、污垢熱阻和管壁熱阻中分析導(dǎo)致熱阻的主要原因。一般管殼式換熱器的管壁熱阻在總熱阻中只占很小的比例，對(duì)傳熱系數(shù)影響不大。如是管側(cè)熱阻或殼側(cè)熱阻起決定作用，應(yīng)該采取措施有效地增強(qiáng)湍動(dòng)效果以提高傳熱系數(shù)，如是污垢熱阻起決定作用，應(yīng)該采取措施使換熱器有效除垢以提高傳熱系數(shù)。 平均溫差 平均溫差是對(duì)數(shù)平均溫差，但當(dāng)多管程或多殼程時(shí)，需要修正平均溫差。 流體流速 一般流體流速都有合理的范圍，特別是對(duì)于甲類 和乙類流體還有安全流速，因此要分析流速是否合理，操作安全性是否可靠。 流體壓降 其實(shí)流體壓降與流速有密切關(guān)聯(lián)，要分析壓降是否合理，是否滿足工藝要求。 振動(dòng) 9 振動(dòng)對(duì)于操作的安全性十分重要，因此對(duì)振動(dòng)的分析也必不可少。 其他 換熱器的長(zhǎng)徑比、介質(zhì)走向、防沖板的設(shè)置、折流板間距、換熱器清洗等問(wèn)題也要在設(shè)計(jì)中加以注意。 經(jīng)過(guò)結(jié)果分析后，一切參數(shù)均能滿足工藝要求，換熱器的工藝設(shè)計(jì)才能完成。 提高管殼式換熱器傳熱能力的措施 管殼式換熱器的傳熱能力是由殼程換熱系數(shù)、管程換熱系數(shù) 和換熱器冷、熱介質(zhì)的對(duì)數(shù)平均溫差決定的，因此，提高管殼式換熱器傳熱能力的措施包括以下幾點(diǎn)。 、熱介質(zhì)的平均對(duì)數(shù)溫差。冷、熱介質(zhì)平均對(duì)數(shù)溫差除直接受冷、熱介質(zhì)進(jìn)出口溫度影響外，還受到冷、熱介質(zhì)的流動(dòng)方向和換熱流程的影響。當(dāng)換熱器冷、熱流體的溫度沿傳熱面變化時(shí)，兩種流體逆流平均溫差最大，順流平均溫差最小，在實(shí)際換熱器設(shè)計(jì)中，冷、熱流體多采用交錯(cuò)流方式，其平均對(duì)數(shù)溫差介于逆流和順流之間。因此，應(yīng)盡量增加換熱器冷、熱流體的逆流比例，提高冷、熱流體的對(duì)數(shù)平均溫差，提高換熱器的傳熱能力。 確定管程和殼程介質(zhì)。在換熱器設(shè)計(jì)中，對(duì)于殼程安裝折流板的換熱器來(lái)說(shuō)，Re100時(shí)，殼程介質(zhì)即達(dá)湍流，因此，對(duì)于流量小或粘度大的介質(zhì)優(yōu)先考慮作為殼程換熱介質(zhì)；由于管程清洗相對(duì)于殼程清洗要容易，因此對(duì)于易結(jié)垢、有沉淀及雜物的介質(zhì)宜走管程；從經(jīng)濟(jì)性考慮，對(duì)于高溫、高壓或腐蝕性強(qiáng)的介質(zhì)，作為管程換熱介質(zhì)更加合理；對(duì)于剛性結(jié)構(gòu)的換熱器，若冷、熱介質(zhì)溫差大，因壁面溫度與換熱系數(shù)大的介質(zhì)溫度接近，為減小管束與殼體的膨脹差，換熱系數(shù)大的介質(zhì)走殼程更加合理，而冷、熱介質(zhì)溫差小，兩介質(zhì)換熱系數(shù)相差大，換熱系數(shù)大的介質(zhì)走管程更 加合理。 。在換熱器設(shè)計(jì)中，通常采用強(qiáng)化傳熱的措施來(lái)提高換熱器的傳熱能力。強(qiáng)化傳熱的常用措施有：采用高效能傳熱面、靜電場(chǎng)強(qiáng)化傳熱、粗糙壁面、攪拌等。 10 管殼式換熱器工作原理 圖 3為固定管板式換熱器的構(gòu)造。 A流體從接管 1流入殼體內(nèi)，通過(guò)管間從接管 2流出。 B流體從接管 3流入 ,通過(guò)管內(nèi)從接管 4流出。如果 A流體的溫度高于 B流體 ,熱量便通過(guò)管壁由 A流體傳遞給 B流體；反之，則通過(guò)管壁由 B流體傳遞給 A流體。殼體以內(nèi)、管子和管箱以外的區(qū)域稱為殼程，通過(guò)殼程的流體稱為殼程流體 (A流體 )。管子和管箱以內(nèi)的區(qū)域稱為管程 ,通過(guò)管程的流體稱為管程流體 (B流體 )。管殼式換熱器主要由管箱、管板、管子、殼體和折流板等構(gòu)成。通常殼體為圓筒形 。管子為直管或 U形管。為提高換熱器的傳熱效能，也可采用螺紋管、翅片管等。管子的布置正如上面所提到的有等邊三角形、正方形、正方形斜轉(zhuǎn) 45度和同心圓形等多種形式，前 3種最為常見(jiàn)。按三角形布置時(shí)，在相同直徑的殼體內(nèi)可排列較多的管子，以增加傳熱面積，但管間難以用機(jī)械方法清洗，流體阻力也較大。管板和管子的總體稱為管束。管子端部與管板的連接有焊接和脹接兩種。在管束中橫向設(shè)置 一些折流板，引導(dǎo)殼程流體多次改變流動(dòng)方向，有效地沖刷管子，以提高傳熱效能，同時(shí)對(duì)管子起支承作用。折流板的形狀有弓形、圓形和矩形等。為減小殼程和管程流體的流通截面、加快流速，以提高傳熱效能，可在管箱和殼體內(nèi)縱向設(shè)置分程隔板，將殼程分為 2程和將管程分為 2程、4程、 6程和 8程等。管殼式換熱器的傳熱系數(shù)，在水 水換熱時(shí)為 1400～ 2850瓦每平方米每攝氏度〔 W/(m(℃ )〕 。用水冷卻氣體時(shí) ,為 10～ 280W/(m(℃ )；用水冷凝水蒸汽 ,為 570～4000W/(m(℃ )。 11 管殼式換熱器的發(fā)展 板式支承結(jié)構(gòu)的發(fā)展 傳統(tǒng)的管殼式換熱器采用單弓形折流板支承，由于殼程流體在轉(zhuǎn)折和進(jìn)出口兩端渦流的滯留區(qū)易產(chǎn)生傳熱死區(qū)，傳熱面積無(wú)法得到充分利用，并且當(dāng)流體橫向流過(guò)管束時(shí)，流體在管子后方形成的卡門旋渦產(chǎn)生周期性交變應(yīng)力，使管子發(fā)生流體誘導(dǎo)振動(dòng) 。為了使折流板的性能得到改進(jìn)，人們又提出了多弓形折流板、整圓形折流板、異形孔折流板、網(wǎng)狀板，偏心孔折流板。這些新型折流板支承結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)主要是為了使流體由橫向流動(dòng)變?yōu)榭v向流動(dòng)，從而盡可能消除死區(qū)，使得傳熱綜合性能得到提高，也使得管束的抗振性能得到增強(qiáng)。 桿式支 承結(jié)構(gòu)的發(fā)展 美國(guó)菲利浦石油公司于 2O世紀(jì) 7O年代，為了改進(jìn)板式換熱器中管子與折流板的切割破壞和流體誘導(dǎo)作用，開(kāi)發(fā)了殼程流體縱流折流桿式換熱器，即在管子中插入網(wǎng)桿，不僅解決了誘導(dǎo)振動(dòng)問(wèn)題，也使傳熱效率得到了提高。這種殼程流體縱流折流桿式換熱器 與傳統(tǒng)的板式換熱器相比，具有傳熱效率高、流體阻力小、有效消除流體誘導(dǎo)振動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)，且不易結(jié)垢、質(zhì)量輕、使用壽命長(zhǎng)、設(shè)備投資及操作費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn) 。 因此世界各同對(duì)該類型的換熱器進(jìn)行了深入的研究，出現(xiàn)了一種新的抗振結(jié)構(gòu)的直扁鋼條；后來(lái)又有一些單位把圓桿變成波形扁鋼；由于圓桿 在安裝上比較閑難，又有一些單位提出了把圓桿變?yōu)闄E圓截面的桿。 空心環(huán)支承結(jié)構(gòu) 空心環(huán)支承 (圖 4)是由華南理工大學(xué)化學(xué)工程研究所鄧先和等首先研究的，它是由直徑較小的鋼管截成短節(jié)，均勻分布在換熱管之間的同一截面上，呈線性接觸，在緊固裝置螺栓力的作用下，使管束對(duì)緊密固定。由于流體縱向沖刷管束，因此殼程具有流體阻力小、傳熱性能好及抗振能力強(qiáng)等特點(diǎn)。研究表明，當(dāng)支承同樣的強(qiáng)化管束 (即橫紋管束 )時(shí)，空心環(huán)支承結(jié)構(gòu)更能使粗糙管束獲得更好的強(qiáng)化效果，在同等殼程條件下給熱系數(shù)高 50％以上，并且殼程壓力更小?？招沫h(huán) 支承的繞流作用不如折流桿支承，而且管束固定工藝相對(duì)較復(fù)雜。 12 圖 管式自支承 管子自支承的共同特點(diǎn)是靠管子自身變形的突出部位相互支承，無(wú)需其它支承物。因此，管子排列緊湊，單位體積內(nèi)的換熱面積增大，管子間距小，可提高殼程流速，支承點(diǎn)干擾流體并分割流體邊界層，從而增強(qiáng)湍流度，使傳熱邊界層減薄。傳熱管的截面形狀的變化對(duì)管內(nèi)、外流體的傳熱都具有強(qiáng)化作用。管式自支承結(jié)構(gòu)主要有三種形式：刺孔膜片式，螺旋扁管式和變截面管式。 (1)刺孔膜片式 (圖 5a)。在每根換熱管兩側(cè)相距 180。開(kāi)溝槽， 溝槽中嵌焊沖有孔和毛刺的膜片。膜片上的毛刺具有擾流作用，增大了流體湍流程度；同時(shí)，使得流體通過(guò) ibfL實(shí)現(xiàn)了 }昆合。由于刺孔膜片嵌焊在管壁上，是管壁的延伸，增大了單位體積的有效傳熱面積。刺和孔不斷使換熱表面上的邊界層更新，使層流厚度減薄，提高傳熱系數(shù)，殼程流體完全縱向流動(dòng)，阻力主要是液體的粘性力，因此殼程壓力變得很低。 (2)螺旋扁管式 (圖 5b)。把圓管軋制或橢圓管扭曲成一定導(dǎo)程的螺旋扁管，靠相鄰的管長(zhǎng)軸處的點(diǎn)接觸支承管子。殼程流體大體上呈縱向流動(dòng)，同時(shí)伴隨有橫向螺旋運(yùn)動(dòng)。這種流速和流向的周期性改變加強(qiáng)了 流體的軸向混合和湍流度。同時(shí)，流體流經(jīng)相鄰管子的螺旋線接觸點(diǎn)后形成脫離管壁的尾流，增加了流體自身的湍流度，破壞了流體在管壁上的傳熱邊界層，從而強(qiáng)化了傳熱。 (3)變截面管式 (圖 5c)。變截面管是普通圓管壓制而成的，相隔一定間距管子被壓制成13 互成 60度 (三角形布管 )或 90度 (正方形布管 )的扁圓形截面。這種管通過(guò)變徑部分的點(diǎn)接觸支承管子，同時(shí)組成殼程的繞流元件。因此，管子排列緊湊，單位體積內(nèi)的換熱面積增大。由于管問(wèn)距小，使得殼程流速得以提高，從而增強(qiáng)湍流度，使得管壁上的傳熱邊界層減薄。同時(shí)，換熱管的截面形狀的變化 對(duì)管內(nèi)、外流體的傳熱都具有強(qiáng)化作用。 圖 總體來(lái)說(shuō)，管殼式換熱器的發(fā)展總體上是支承形式的發(fā)展，從板式支承到折流桿式支承，再到空心環(huán)支承，最后到管子的自支承當(dāng)然其間也有交錯(cuò)發(fā)展的情況。隨著支承形式的發(fā)展，管殼式換熱器的殼程給熱系數(shù)呈現(xiàn)不斷提高的趨勢(shì)，壓降呈現(xiàn)不斷下降的趨勢(shì)，換熱器的傳熱綜合性能得到很大的提高。從管殼式換熱器的發(fā)展可知，新的支承結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)，絕大多數(shù)是為了使流體的流動(dòng)方式盡可能變?yōu)榭v向流，這樣有利于管程和殼程的熱交換，從而提高傳熱系數(shù)，同時(shí)伴隨著壓降的降低，使得傳熱綜 合性能得到很大的提高。 管殼式換熱器特點(diǎn) 管殼式換熱器是換熱器的基本類型之一， 19世紀(jì) 80年代開(kāi)始就已應(yīng)用在工業(yè)上。這種換熱器結(jié)構(gòu)堅(jiān)固 ,處理能力大、選材范圍廣，適應(yīng)性強(qiáng)，易于制造 ,生產(chǎn)成本較低，清洗較方便，在高溫高壓下也能適用。但在傳熱效能、緊湊性和金屬消耗量方面不及板式換熱器、板翅式14 換熱器和板殼式換熱器等高效能換熱器先進(jìn)。 管殼式與其他換熱器的比較 這里我們主要研究管殼式與板式換熱器的不同點(diǎn)。 （ 1)流動(dòng)傳熱設(shè)計(jì)比較 管殼式換熱器的管子是換熱器的基本構(gòu)件，它為在管內(nèi)流過(guò)一種流體和穿越管外的 另一種流體之間提供傳熱面。根據(jù)兩側(cè)流體的性質(zhì)決定管子材料，將具有腐蝕性，水質(zhì)差的介質(zhì)放在管內(nèi)流動(dòng)，水質(zhì)較好的介質(zhì)放在管子外殼側(cè)，這樣管子只需采用耐海水腐蝕的銅官或鈦管，同時(shí)清洗污垢較為方便，管徑從傳熱流體力學(xué)角度考慮，在給定殼體內(nèi)使用小直徑管子，可以得到更大的表面密度，但大多數(shù)流體會(huì)在管子表面上沉積污垢層，尤其