【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(xué)院10級(jí)化工機(jī)械設(shè)備課程設(shè)計(jì) 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(jù)主導(dǎo)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(nèi)流動(dòng)，其行程稱為管程；另一種流體在管外流動(dòng)，其行程稱為殼程。管束的壁面即為傳熱面。其主要優(yōu)點(diǎn)是單位體積所具有的傳熱面積大，傳熱效果好，結(jié)構(gòu)堅(jiān)固，可選用的結(jié)構(gòu)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(nèi)安裝一定數(shù)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(cuò)流通過(guò)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(shí)，就可能由于熱應(yīng)力而引起設(shè)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(shè)備，在生產(chǎn)中占有重要地位。由于生產(chǎn)規(guī)模、物料的性質(zhì)、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(jù)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(guò)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(chǎng)合。間壁式換熱器的應(yīng)用廣泛，形式繁多。將在后面做重點(diǎn)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(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，傳熱效率高，適用于冷、熱流體允許直接接觸和混合的場(chǎng)合。常見的設(shè)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(dāng)蓄熱體與熱流體接觸時(shí)，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(dá)到換熱的目的。此類換熱器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可耐高溫，常用于高溫氣體熱量的回收或冷卻。其缺點(diǎn)是設(shè)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(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，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(biāo)準(zhǔn)換熱設(shè)備，在許多工業(yè)部門被大量采用。列管式換熱器的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)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(yīng)性強(qiáng)及處理能力大等。這使得它在各種換熱設(shè)備的競(jìng)相發(fā)展中得以繼續(xù)存在下來(lái)。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(nèi)。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(yīng)用相當(dāng)廣泛的單元設(shè)備之一。據(jù)統(tǒng)計(jì), 在現(xiàn)代化學(xué)工業(yè)中換熱器的投資大約占設(shè)備總投資的30% , 在煉油廠中占全部工藝設(shè)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(duì)國(guó)外換熱器市場(chǎng)的調(diào)查表明, 雖然各種板式換熱器的競(jìng)爭(zhēng)力在上升,但管殼式換熱器仍占主導(dǎo)地位約64% 。新型換熱元件與高效換熱器開發(fā)研究的結(jié)果表明, 列管式換熱器已進(jìn)入一個(gè)新的研究時(shí)期, 無(wú)論是換熱器傳熱管件, 還是殼程的折流結(jié)構(gòu)都比傳統(tǒng)的管殼式換熱器有了較大的改變, 其流體力學(xué)性能、換熱效率、抗振與防垢效果從理論研究到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面也均有了新的進(jìn)步。目前各國(guó)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(jié)構(gòu)和殼程結(jié)構(gòu)強(qiáng)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(shè)備，以實(shí)現(xiàn)不同溫度流體間的熱能傳遞，又稱熱交換器。換熱器是實(shí)現(xiàn)化工生產(chǎn)過(guò)程中熱量交換和傳遞不可缺少的設(shè)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(shí)踐中有時(shí)也會(huì)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(wú)本質(zhì)上的區(qū)別。 換熱設(shè)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(gè)方面。 其中，管殼式換熱器雖然在換熱效率、設(shè)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(shè)備，但它具有結(jié)構(gòu)堅(jiān)固、彈性大、可靠程度高、使用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，所以在各工程中仍得到普遍使用。 管殼式換熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，是為了保證換熱器的質(zhì)量和運(yùn)行壽命，必須考慮很多因素，如材料、壓力、溫度、壁溫差、結(jié)垢情況、流體性質(zhì)以及檢修與清理等等來(lái)選擇某一種合適的結(jié)構(gòu)形式。 對(duì)同一種形式的換熱器，由于各種條件不同，往往采用的結(jié)構(gòu)亦不相同。在工程設(shè)計(jì)中，除盡量選用定型系列產(chǎn)品外，也常按其特定的條件進(jìn)行設(shè)計(jì)，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(jīng)濟(jì)的便于生產(chǎn)制造的換熱器等等）。 為了滿足電廠對(duì)在較高壓力下運(yùn)行的大型換熱器（如冷凝器和供水加熱器）的需要，在20世紀(jì)初，提出了殼管式換熱器的基本設(shè)計(jì)。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的運(yùn)用，使設(shè)計(jì)變得相當(dāng)成熟和專業(yè)化。 當(dāng)今已廣泛地應(yīng)用于工業(yè)上的殼管式換熱器，在20世紀(jì)初也開始適應(yīng)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(guān)的有機(jī)流體的冷凝器這些設(shè)備需要在惡劣的野外條件下運(yùn)行，流體常常不干凈而且又要求高溫和高壓，因此，設(shè)備便于清洗和進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)修理是絕對(duì)需要的。 殼管式換熱器發(fā)展的早期階段，出現(xiàn)的最大量的嚴(yán)重問(wèn)題，不是在傳熱方面（這可以由實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)粗略的估算），而是各種部件，特別是管板材料的強(qiáng)度計(jì)算問(wèn)題，還有在制造技術(shù)和工程實(shí)施中的許多有關(guān)的其他問(wèn)題，如管和管板的連接，法蘭和接頭管的焊接等。 在20世紀(jì)20年代，殼管式換熱器的制造工藝得到相當(dāng)圓滿的發(fā)展，這主要是由于幾個(gè)主要制造商努力的結(jié)果。制造設(shè)備的傳熱面積可達(dá)500m2,即直徑約750mm、長(zhǎng)6m，用于急劇增長(zhǎng)的石油工業(yè)。在30年代，殼管式換熱器的設(shè)計(jì)者，根據(jù)直接經(jīng)驗(yàn)和在理想管束上的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立了很多正確的設(shè)計(jì)原則。水水和水氣換熱器的設(shè)計(jì)，大概與現(xiàn)今的設(shè)計(jì)差不多。因?yàn)槲酃笩嶙杵鸷艽蟮淖饔?，殼?cè)流動(dòng)的粘性流是一個(gè)困難的問(wèn)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(yīng)用穩(wěn)步增長(zhǎng)，以及對(duì)在各種流程條件下性能預(yù)計(jì)的精度要求越來(lái)越高，這造就40年代直至50年代研究活動(dòng)的激增。研究?jī)?nèi)容不僅包括殼側(cè)流動(dòng)，而且相當(dāng)重要的還有真實(shí)平均溫差的計(jì)算、結(jié)構(gòu)件特別是管板的強(qiáng)度計(jì)算。 多年來(lái)發(fā)展起來(lái)的殼管式換熱器，由于其結(jié)構(gòu)堅(jiān)固并能適應(yīng)很大的設(shè)計(jì)和使用條件的變化，已成為最廣泛使用的換熱器。 隨著現(xiàn)代新工藝、新技術(shù)、新材料的不斷發(fā)展和能源問(wèn)題的日益嚴(yán)重, 必然帶來(lái)更多的高性能、高參數(shù)換熱設(shè)備的需求。換熱器的性能對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量、能量利用率以及系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和可靠性起著重要的作用, 有時(shí)甚至是決定性的作用。目前在發(fā)達(dá)的工業(yè)國(guó)家熱回收率已達(dá)96% ,換熱設(shè)備在石油煉廠中約占全部工藝設(shè)備投資的35%～40%。其中管殼式換熱器仍然占絕對(duì)的優(yōu)勢(shì),約70%。其余30 %為各類高效緊湊式換新型熱管和蓄熱器等設(shè)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(shè)計(jì)和低壓力損失設(shè)計(jì)的方向發(fā)展。當(dāng)今換熱器的發(fā)展以CFD (Computational Fluid Dynamics) 、模型化技術(shù)、強(qiáng)化傳熱技術(shù)及新型換熱器開發(fā)等形成了一個(gè)高技術(shù)體系[1]。 該換熱器是當(dāng)前應(yīng)用最廣,理論研究和設(shè)計(jì)技術(shù)完善,運(yùn)用可靠性良好的一類換熱器。目前各國(guó)為改善該換熱器的傳熱性能開展了大量的研究。強(qiáng)化傳熱主要有3 種途徑提高傳熱系數(shù)、擴(kuò)大傳熱面積和增大傳熱溫差,研究主要集中在強(qiáng)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(cè)流動(dòng)存在著轉(zhuǎn)折和進(jìn)出口兩端渦流的影響區(qū), 影響了殼側(cè)的給熱系數(shù)。殼側(cè)的傳熱強(qiáng)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(shí)施強(qiáng)化傳熱, 歸結(jié)起來(lái)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(nèi)設(shè)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(qiáng)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(chǎn)) ?！?3),美、英、日、德等國(guó)均有商品化低翅管。德國(guó)Hde公司的螺旋槽管，管內(nèi)傳熱效率明顯優(yōu)于光管,在2300 Re 105 范圍內(nèi), ～, 當(dāng)200 Re 1500 時(shí), ～22倍。沈陽(yáng)市廣廈熱力設(shè)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(dá)8MPa 。該換熱器不僅強(qiáng)化了管內(nèi)外的給熱, 還由于溫差作用下?lián)Q熱管的可伸縮性,使表面結(jié)垢容易脫落, 因此具有較強(qiáng)的防垢和自動(dòng)除垢能力。其傳熱系數(shù)較光管式提高2～3 倍。 管內(nèi)插入物[4 ,5]是強(qiáng)化管內(nèi)單相流體傳熱行之有效的方法之一。目前管內(nèi)插入物種類很多, 如螺旋線、紐帶、錯(cuò)開紐帶、螺旋片和靜態(tài)混合器等。最近, 英國(guó)Cal Garin Ltd 公司開發(fā)的一種稱之為H