【正文】 conditions, to meet the needs of technology (supported by most reasonable under suitable conditions the most effective and most economic manufacture of heat exchangers, and so on).Key words：Course design of shellandtube heat exchanger Shellandtube heat exchanger use Structure design of shellandtube heat exchanger 化工與材料學院10級化工機械設備課程設計 1 前言 管殼式換熱器是最典型的間壁式換熱器，歷史悠久，占據主導作用，主要有殼體、管束、管板、折流擋板和封頭等組成。一種流體在管內流動，其行程稱為管程；另一種流體在管外流動，其行程稱為殼程。管束的壁面即為傳熱面。其主要優(yōu)點是單位體積所具有的傳熱面積大，傳熱效果好，結構堅固，可選用的結構材料范圍寬廣，操作彈性大，因此在高溫、高壓和大型裝置上多采用列管式換熱器。為提高殼程流體流速，往往在殼體內安裝一定數目與管束相互垂直的折流擋板。折流擋板不僅可防止流體短路、增加流體流速，還迫使流體按規(guī)定路徑多次錯流通過管束，使湍流程度大為增加。 列管式換熱器中，由于兩流體的溫度不同，使管束和殼體的溫度也不相同，因此它們的熱膨脹程度也有差別。若兩流體溫差較大（50℃以上）時，就可能由于熱應力而引起設備的變形，甚至彎曲或破裂，因此必須考慮這種熱膨脹的影響。 換熱器是化工、石油、食品及其他許多工業(yè)部門的通用設備，在生產中占有重要地位。由于生產規(guī)模、物料的性質、傳熱的要求等各不相同，故換熱器的類型也是多種多樣。 按用途它可分為加熱器、冷卻器、冷凝器、蒸發(fā)器和再沸器等。根據冷、熱流體熱量交換的原理和方式可分為三大類：混合式、蓄熱式、間壁式。 間壁式換熱器又稱表面式換熱器或間接式換熱器。在這類換熱器中，冷、熱流體被固體壁面隔開，互不接觸，熱量從熱流體穿過壁面?zhèn)鹘o冷流體。該類換熱器適用于冷、熱流體不允許直接接觸的場合。間壁式換熱器的應用廣泛，形式繁多。將在后面做重點介紹。 直接接觸式換熱器又稱混合式換熱器。在此類換熱器中，冷、熱流體相互接觸，相互混合傳遞熱量。該類換熱器結構簡單，傳熱效率高，適用于冷、熱流體允許直接接觸和混合的場合。常見的設備有涼水塔、洗滌塔、文氏管及噴射冷凝器等。蓄熱式換熱器又稱回流式換熱器或蓄熱器。此類換熱器是借助于熱容量較大的固體蓄熱體，將熱量由熱流體傳給冷流體。當蓄熱體與熱流體接觸時，從熱流體處接受熱量，蓄熱體溫度升高后，再與冷流體接觸，將熱量傳給冷流體，蓄熱體溫度下降，從而達到換熱的目的。此類換熱器結構簡單，可耐高溫，常用于高溫氣體熱量的回收或冷卻。其缺點是設備的體積龐大，且不能完全避免兩種流體的混合。工業(yè)上最常見的換熱器是間壁式換熱器。根據結構特點，間壁式換熱器可以分為管殼式換熱器和緊湊式換熱器。緊湊式換熱器主要包括螺旋板式換熱器、板式換熱器等。管殼式換熱器包括了廣泛使用的列管式換熱器以及夾套式、套管式、蛇管式等類型的換熱器。其中，列管式換熱器被作為一種傳統(tǒng)的標準換熱設備，在許多工業(yè)部門被大量采用。列管式換熱器的特點是結構牢固，能承受高溫高壓，換熱表面清洗方便，制造工藝成熟，選材范圍廣泛，適應性強及處理能力大等。這使得它在各種換熱設備的競相發(fā)展中得以繼續(xù)存在下來。使用最為廣泛的列管式換熱器把管子按一定方式固定在管板上，而管板則安裝在殼體內。因此，這種換熱器也稱為管殼式換熱器。常見的列管換熱器主要有固定管板式、帶膨脹節(jié)的固定管板式、浮頭式和U形管式等幾種類型。熱器是化工、石油、能源等各工業(yè)中應用相當廣泛的單元設備之一。據統(tǒng)計, 在現代化學工業(yè)中換熱器的投資大約占設備總投資的30% , 在煉油廠中占全部工藝設備的40% 左右, 海水淡化工藝裝置則幾乎全部是由換熱器組成的。對國外換熱器市場的調查表明, 雖然各種板式換熱器的競爭力在上升,但管殼式換熱器仍占主導地位約64% 。新型換熱元件與高效換熱器開發(fā)研究的結果表明, 列管式換熱器已進入一個新的研究時期, 無論是換熱器傳熱管件, 還是殼程的折流結構都比傳統(tǒng)的管殼式換熱器有了較大的改變, 其流體力學性能、換熱效率、抗振與防垢效果從理論研究到結構設計等方面也均有了新的進步。目前各國為改善該換熱器的傳熱性能開展了大量的研究, 主要包括管程結構和殼程結構強化傳熱的發(fā)展。 換熱器是將熱流體的部分熱量傳遞給冷流體的設備，以實現不同溫度流體間的熱能傳遞，又稱熱交換器。換熱器是實現化工生產過程中熱量交換和傳遞不可缺少的設備。 在換熱器中，至少有兩種溫度不同的流體，一種流體溫度較高，放出熱量；另一種流體則溫度較低，吸收熱量。在工程實踐中有時也會存在兩種以上的流體參加換熱，但它的基本原理與前一種情形并無本質上的區(qū)別。 換熱設備在煉油、石油化工以及在其他工業(yè)中使用廣泛，它適用于冷卻、冷凝、加熱、蒸發(fā)和廢熱回收等各個方面。 其中，管殼式換熱器雖然在換熱效率、設備的體積和金屬材料的消耗量等方面不如其他新型的換熱設備，但它具有結構堅固、彈性大、可靠程度高、使用范圍廣等優(yōu)點，所以在各工程中仍得到普遍使用。 管殼式換熱器的結構設計，是為了保證換熱器的質量和運行壽命，必須考慮很多因素，如材料、壓力、溫度、壁溫差、結垢情況、流體性質以及檢修與清理等等來選擇某一種合適的結構形式。 對同一種形式的換熱器，由于各種條件不同，往往采用的結構亦不相同。在工程設計中，除盡量選用定型系列產品外，也常按其特定的條件進行設計，以滿足工藝上的需要（得到適合工況下最合理最有效也最經濟的便于生產制造的換熱器等等）。 為了滿足電廠對在較高壓力下運行的大型換熱器（如冷凝器和供水加熱器）的需要，在20世紀初，提出了殼管式換熱器的基本設計。經過長期的運用，使設計變得相當成熟和專業(yè)化。 當今已廣泛地應用于工業(yè)上的殼管式換熱器，在20世紀初也開始適應石油工業(yè)提出的要求。油加熱器和冷卻器、再沸器以及各種原油餾分和有關的有機流體的冷凝器這些設備需要在惡劣的野外條件下運行，流體常常不干凈而且又要求高溫和高壓，因此，設備便于清洗和進行現場修理是絕對需要的。 殼管式換熱器發(fā)展的早期階段，出現的最大量的嚴重問題，不是在傳熱方面（這可以由實踐經驗粗略的估算），而是各種部件，特別是管板材料的強度計算問題，還有在制造技術和工程實施中的許多有關的其他問題，如管和管板的連接，法蘭和接頭管的焊接等。 在20世紀20年代，殼管式換熱器的制造工藝得到相當圓滿的發(fā)展，這主要是由于幾個主要制造商努力的結果。制造設備的傳熱面積可達500m2,即直徑約750mm、長6m，用于急劇增長的石油工業(yè)。在30年代，殼管式換熱器的設計者，根據直接經驗和在理想管束上的實驗數據，建立了很多正確的設計原則。水水和水氣換熱器的設計，大概與現今的設計差不多。因為污垢熱阻起很大的作用，殼側流動的粘性流是一個困難的問題，而且，60年代以前的他們的了解很少。隨著殼管式換熱器的應用穩(wěn)步增長，以及對在各種流程條件下性能預計的精度要求越來越高，這造就40年代直至50年代研究活動的激增。研究內容不僅包括殼側流動，而且相當重要的還有真實平均溫差的計算、結構件特別是管板的強度計算。 多年來發(fā)展起來的殼管式換熱器，由于其結構堅固并能適應很大的設計和使用條件的變化，已成為最廣泛使用的換熱器。 隨著現代新工藝、新技術、新材料的不斷發(fā)展和能源問題的日益嚴重, 必然帶來更多的高性能、高參數換熱設備的需求。換熱器的性能對產品質量、能量利用率以及系統(tǒng)的經濟性和可靠性起著重要的作用, 有時甚至是決定性的作用。目前在發(fā)達的工業(yè)國家熱回收率已達96% ,換熱設備在石油煉廠中約占全部工藝設備投資的35%～40%。其中管殼式換熱器仍然占絕對的優(yōu)勢,約70%。其余30 %為各類高效緊湊式換新型熱管和蓄熱器等設備,其中板式、板翅式、熱管及各類高效傳熱元件的發(fā)展十分迅速。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,并向低溫差設計和低壓力損失設計的方向發(fā)展。當今換熱器的發(fā)展以CFD (Computational Fluid Dynamics) 、模型化技術、強化傳熱技術及新型換熱器開發(fā)等形成了一個高技術體系[1]。 該換熱器是當前應用最廣,理論研究和設計技術完善,運用可靠性良好的一類換熱器。目前各國為改善該換熱器的傳熱性能開展了大量的研究。強化傳熱主要有3 種途徑提高傳熱系數、擴大傳熱面積和增大傳熱溫差,研究主要集中在強化管程和殼程傳熱面方面。 傳統(tǒng)的管殼式換熱器, 流體在殼側流動存在著轉折和進出口兩端渦流的影響區(qū), 影響了殼側的給熱系數。殼側的傳熱強化研究包括管型與管間支撐物的研究。 人們想盡各種辦法實施強化傳熱, 歸結起來不外乎2 條途徑, 即改變傳熱面的形狀和在傳熱面上或傳熱流路徑內設置各種形狀的插入物。改變傳熱面形狀的方法有多種, 用于強化管程傳熱的有: 橫紋管、螺旋槽管、螺紋管(低翅管)和縮放管以及螺旋扁管(瑞典ALLARDS 公司生產) ?！?3),美、英、日、德等國均有商品化低翅管。德國Hde公司的螺旋槽管，管內傳熱效率明顯優(yōu)于光管,在2300 Re 105 范圍內, ～, 當200 Re 1500 時, ～22倍。沈陽市廣廈熱力設備開發(fā)制造公司開發(fā)的超薄壁(δ= 015mm) 不銹鋼波紋管換熱器[3 ] ,其承壓能力可達8MPa 。該換熱器不僅強化了管內外的給熱, 還由于溫差作用下換熱管的可伸縮性,使表面結垢容易脫落, 因此具有較強的防垢和自動除垢能力。其傳熱系數較光管式提高2～3 倍。 管內插入物[4 ,5]是強化管內單相流體傳熱行之有效的方法之一。目前管內插入物種類很多, 如螺旋線、紐帶、錯開紐帶、螺旋片和靜態(tài)混合器等。最近, 英國Cal Garin Ltd 公司開發(fā)的一種稱之為H