【正文】 和設(shè)備的緊湊性上不及板式換熱器，但它具有結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單、加工制造比較容易，結(jié)構(gòu)堅(jiān)固，性能可靠，適應(yīng)面廣等突出優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛用于化工生產(chǎn)中。列管式換熱器是最典型的管殼式換熱器，它在工業(yè)上的應(yīng)用有著悠久的歷史，而且至今仍在所有換熱器中占據(jù)主導(dǎo)地位。列管式換熱器設(shè)計(jì)資料個(gè)數(shù)據(jù)比較完善，目前在許多國(guó)家已有系列化標(biāo)準(zhǔn)。圖21 列管式換熱器列管式換熱器有以下幾種：1）固定管板式換熱器固定管板式換熱器的兩端管板和殼體制成一體，管子則固定與管板上，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)使殼側(cè)清洗困難，所以殼程宜用于不易結(jié)垢和清潔的流體。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)的泄漏。為此常在外殼上焊一膨脹節(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，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。特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)低廉，殼程清洗和檢修困難，殼程必須是潔凈不易結(jié)垢的物料。圖22 固定管板式換熱器2）U形管式換熱器U形管式換熱器僅有一個(gè)管板，管子兩端均固定于同一管板上。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)彎管后管壁的減薄，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，僅宜用于管殼壁溫度相差較大，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。 特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，質(zhì)量輕，適用于高溫和高壓的場(chǎng)合。管程清洗困難，管程流體必須是潔凈和不易結(jié)垢的物料。圖23 U型管式換熱器浮頭式換熱器 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)。兩端管板只有一端與殼體完全固定，另一端則可相對(duì)于殼體作某些移動(dòng)，該端稱之為浮頭。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)，僅需將管束從殼體中抽出即可，所以能使用于管殼壁間溫差較大，或易于腐蝕和易于結(jié)垢的場(chǎng)合。但該類換熱器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、笨重，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(wú)法檢查，所以在制造和安裝時(shí)要特別注意其密封，以免發(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)接觸面的密封限制。特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價(jià)高，便于清洗和檢修，完全消除溫差應(yīng)力，應(yīng)用普遍。圖24 浮頭式換熱器4）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。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。但由于填料密封處易于泄漏，故殼程壓力不能過(guò)高，也不宜用于易揮發(fā)、易燃、易爆、有毒的場(chǎng)合。圖25 填料函式換熱器 隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，各種不同型式和種類的換熱器發(fā)展很快，新結(jié)構(gòu)、新材料的換熱器不斷涌現(xiàn)。為了適應(yīng)發(fā)展的需要，我國(guó)對(duì)某些種類的換熱器已經(jīng)建立了標(biāo)準(zhǔn)，形成了系列。完善的換熱器在設(shè)計(jì)或選型時(shí)應(yīng)滿足以下基本要求： （1） 合理地實(shí)現(xiàn)所規(guī)定的工藝條件； （2） 結(jié)構(gòu)安全可靠； （3） 便于制造、安裝、操作和維修； （4） 經(jīng)濟(jì)上合理。浮頭式換熱器的一端管板與殼體固定，而另一端的管板可在殼體內(nèi)自由浮動(dòng)，殼體和管束對(duì)膨脹是自由的，故當(dāng)兩張介質(zhì)的溫差較大時(shí)，管束和殼體之間不產(chǎn)生溫差應(yīng)力。浮頭端設(shè)計(jì)成可拆結(jié)構(gòu)，使管束能容易的插入或抽出殼體。（也可設(shè)計(jì)成不可拆的）。這樣為檢修、清洗提供了方便。但該換熱器結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，而且浮動(dòng)端小蓋在操作時(shí)無(wú)法知道泄露情況。因此在安裝時(shí)要特別注意其密封。 浮頭換熱器的浮頭部分結(jié)構(gòu)，按不同的要求可設(shè)計(jì)成各種形式，除必須考慮管束能在設(shè)備內(nèi)自由移動(dòng)外，還必須考慮到浮頭部分的檢修、安裝和清洗的方便。 在設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮浮頭管板的外徑。該外徑應(yīng)小于殼體內(nèi)徑，一般推薦浮頭管板與殼體內(nèi)壁的間隙。這樣，當(dāng)浮頭出的鉤圈拆除后，即可將管束從殼體內(nèi)抽出。以便于進(jìn)行檢修、清洗。浮頭蓋在管束裝入后才能進(jìn)行裝配，所以在設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮保證浮頭蓋在裝配時(shí)的必要空間。 鉤圈對(duì)保證浮頭端的密封、防止介質(zhì)間的串漏起著重要作用。隨著幞頭式換熱器的設(shè)計(jì)、制造技術(shù)的發(fā)展，以及長(zhǎng)期以來(lái)使用經(jīng)驗(yàn)的積累，鉤圈的結(jié)構(gòu)形式也得到了不段的改進(jìn)和完善。 鉤圈一般都為對(duì)開式結(jié)構(gòu)，要求密封可靠，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊、便于制造和拆裝方便。 浮頭式換熱器以其高度的可靠性和廣泛的適應(yīng)性，在長(zhǎng)期使用過(guò)程中積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。盡管近年來(lái)受到不斷涌現(xiàn)的新型換熱器的挑戰(zhàn)，但反過(guò)來(lái)也不斷促進(jìn)了自身的發(fā)展。故迄今為止在各種換熱器中扔占主導(dǎo)地位。 管子構(gòu)成換熱器的傳熱面，管子尺寸和形狀對(duì)傳熱有很大影響。采用小直徑的管子時(shí)，換熱器單位體積的換熱面積大一些，設(shè)備比較緊湊，單位傳熱面積的金屬消耗量少，傳熱系數(shù)也較高。但制造麻煩，管子易結(jié)垢，不易清洗。大直徑管子用于粘性大或者污濁的流體，小直徑的管子用于較清潔的流體。 管子材料的選擇應(yīng)根據(jù)介質(zhì)的壓力、溫度及腐蝕性來(lái)確定。 換熱器的管子在管板上的排列不單考慮設(shè)備的緊湊性，還要考慮到流體的性質(zhì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及加工制造方面的情況。管子在管板上的標(biāo)準(zhǔn)排列形式有四種：正三角形和轉(zhuǎn)角正三角形排列，適用與殼程介質(zhì)清潔，且不需要進(jìn)行機(jī)械清洗的場(chǎng)合。正方形和轉(zhuǎn)角正方形排列，能夠使管間的小橋形成一條直線通道，便于用機(jī)械進(jìn)行清洗，一般用于管束可抽出管間清洗的場(chǎng)合。 另外對(duì)于多管程換熱器，常采用組合排列方法，其每一程中一般都采用三角形排列，而各程之間則常常采用正方形排列，這樣便于安排隔板位置。 當(dāng)換熱器直徑較大，管子較多時(shí)，都必須在管束周圍的弓形空間內(nèi)盡量配置換熱管。這不但可以有效地增大傳熱面積，也可以防止在殼程流體在弓形區(qū)域內(nèi)短路而給傳熱帶來(lái)不利影響。 管板上換熱管中心距的選擇既要考慮結(jié)構(gòu)的緊湊性，傳熱效果，又要考慮管板的強(qiáng)度和清洗管子外表面所需的空間。除此之外，還要考慮管子在管板上的固定方法。若間距太小，當(dāng)采用焊接連接時(shí)，相鄰兩根管的焊縫太近，焊縫質(zhì)量受熱影響不易得到保證；若采用脹接，擠壓力可能造成管板發(fā)生過(guò)大的變形，失去管子和管板間的結(jié)合力。 當(dāng)換熱器多需的換熱面積較大，而管子又不能做的太長(zhǎng)時(shí)，就得增大殼體直徑，以排列較多的管子。此時(shí)為了提高管程流速，增加傳熱效果，須將管束分程，使流體依次流過(guò)各程管束。 為了把換熱器做成多管程，可在一端或兩端的管箱中分別安置一定數(shù)量的隔板。 浮頭式換熱器的優(yōu)缺點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)： 　　（1）管束可以抽出，以方便清洗管、殼程； 　?。?）介質(zhì)間溫差不受限制； 　　（3）可在高溫、高壓下工作，一般溫度小于等于450度，； 　?。?）可用于結(jié)垢比較嚴(yán)重的場(chǎng)合； 　?。?）可用于管程易腐蝕場(chǎng)合。 　　缺點(diǎn)： 　?。?）小浮頭易發(fā)生內(nèi)漏； 　?。?）金屬材料耗量大，成本高20%； 　?。?）結(jié)構(gòu)復(fù)雜綜合上述情況，本次設(shè)計(jì)采用浮頭式換熱器。在管殼式換熱器的計(jì)算中，首先需決定何種流體走管程，何種流體走殼程，這需遵循一些一般原則。（1）應(yīng)盡量提高兩側(cè)傳熱系數(shù)較小的一個(gè)，使傳熱面兩側(cè)的傳熱系數(shù)接近。（2）在運(yùn)行溫度較高的換熱器中，應(yīng)盡量減少熱量損失，而對(duì)于一些制冷裝置，應(yīng)盡量減少其冷量損失。（3）管、殼程的決定應(yīng)做到便于清洗除垢和修理，以保證運(yùn)行的可靠性。（4）應(yīng)減小管子的殼體因受熱不同而產(chǎn)生的熱應(yīng)力。從這個(gè)角度來(lái)說(shuō)，順流式就優(yōu)于逆流式，因?yàn)轫樍魇竭M(jìn)出口端的溫度比較平均，不像逆流式那樣，熱、冷流體的高溫部分均集中于一端，低溫部分集中于另一端，易于因兩端脹縮不同而產(chǎn)生熱應(yīng)力。（5）對(duì)于有毒的介質(zhì)或氣相介質(zhì)，必使其不泄漏，應(yīng)特別注意其密封，密封不僅要可靠，而且還應(yīng)要求方便及簡(jiǎn)單。（6）應(yīng)盡量避免采用貴金屬，以降低成本。以上這些原則有些事相互矛盾的，所以在具體設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)綜合考慮，決定哪一種流體走管程，哪一種流體走殼程。宜于通入管內(nèi)空間的流體1）不清潔的流體 因?yàn)樵诠軆?nèi)空間得到較高的流速并不困難，而流速高，懸浮物不易沉積，且管內(nèi)空間也便于清洗。2）體積小的流體 因?yàn)楣軆?nèi)空間的流動(dòng)截面往往比管外空間的截面小，流體易于獲得必要的理想流速，而且也便于做成多程流動(dòng)。3）有壓力的流體 因?yàn)楣茏映袎耗芰?qiáng)，而且還簡(jiǎn)化了殼體密封的要求。4）腐蝕性強(qiáng)的流體 因?yàn)橹挥泄茏蛹肮傧洳判栌媚透g材料，而殼體及管外空間的所有零件均可用普通材料制造，所以造價(jià)可以降低。此外，在管內(nèi)空間裝設(shè)保護(hù)用的襯里或覆蓋層也比較方便，并容易檢查。5）與外界溫差大的流體 因?yàn)榭梢詼p少熱量的逸散。宜用于通入管間空間的流體1）當(dāng)兩流體溫度相差較大時(shí)，α值大的流體走管間這樣可以減少管壁與殼壁間的溫度差,因而也減小了管束與殼體間的相對(duì)伸長(zhǎng)，故溫差應(yīng)力可以降低。2）若兩流體給熱性能相差較大時(shí)，α值小的流體走管間此時(shí)可以用翅片管來(lái)平衡傳熱面兩側(cè)的給熱條件，使之相互接近。3）飽和蒸汽對(duì)流速和清理無(wú)甚要求，并易于排除冷凝液。4）粘度大的流體管間的流動(dòng)截面和方向都在不斷變化，在低雷諾數(shù)下，管外給熱系數(shù)比管內(nèi)的大。5）泄漏后危險(xiǎn)性大的流體可以減少泄漏機(jī)會(huì)，以保安全。此外，易析出結(jié)晶、沉渣、淤泥以及其他沉淀物的流體，最好通入比較更容易進(jìn)行機(jī)械清洗的空間。在管殼式換熱器中，一般易清洗的是管內(nèi)空間。但在U形管、浮頭式換熱器中易清洗的都是管外空間。所以，此次方案設(shè)計(jì)循環(huán)水走管程，苯走殼程。 當(dāng)流體不發(fā)生相變時(shí)，介質(zhì)的流速高，換熱強(qiáng)度大，從而可使換熱面積減少、結(jié)構(gòu)緊湊、成本降低，一般也可抑止污垢的產(chǎn)生。但流速大也會(huì)帶來(lái)一些不利的影響，諸如壓降增加，泵功率增大，且加劇了對(duì)傳熱面的沖刷。換熱器常用流速的范圍見表21和表22。表21 換熱器常用流速的范圍 介質(zhì)流速循環(huán)水新鮮水一般液體易結(jié)垢液體低粘度液體高粘度液體氣體管程流速，殼程流速，表22 列管式換熱器易燃、易爆液體和氣體允許的安全流速液體名稱乙醚、二硫化碳、苯甲醇、乙醇、汽油丙酮?dú)錃獍踩魉?，、冷卻劑的選擇用換熱器解決物料的加熱冷卻時(shí)，還要考慮加熱劑（熱源）和冷卻劑（冷源）的選用問題?？梢杂米骷訜釀┖屠鋮s劑的物料有很多，列管式換熱器常用的加熱劑有飽和水蒸氣、煙道氣和熱水等，常用的冷卻劑有水、空氣