【正文】 ， 其中板式、螺 旋板式、板翅式以及各類高效傳熱元件的發(fā)展十分迅速。換熱器因而面臨著新的挑戰(zhàn)。換熱器的性能對產(chǎn)品質(zhì)量、能量利用率以及系統(tǒng)運行的經(jīng)濟性和可靠性起著重要的作用 ， 有時甚至是決定性的作用。在繼續(xù)提高設(shè)備熱效率的同時 ， 促進換熱設(shè)備的結(jié)構(gòu)緊湊性 ， 產(chǎn)品系列化、標準化和專業(yè)化 ， 并朝大型化的方向研究發(fā)展。特別是七十年代初發(fā)生能源危機以來，各國都紛紛尋找新的能 源及節(jié)約能源的途徑，而換熱器是節(jié)約能源的有效設(shè)備。 （ 1） ．研究工作的動向 目前世界上每年發(fā)表有關(guān)傳熱及換熱設(shè)備方面的文獻約在六千篇以上。例如美國帕斯卡古拉煉油廠常減壓裝置的原油換熱系統(tǒng)，由于采用了換熱系統(tǒng)的最佳化設(shè)計及其他改進措施，平均傳熱系數(shù)達到 445 千卡／m2有些程序從工藝設(shè)計 開 始，直到繪出圖紙。如英國HTFS 開發(fā)的 TASC 等程序； 1975 年 英國國家工程實驗室 (NEL)和劍橋計算機輔機設(shè)備中心合作，按美國管殼式換熱器制造商協(xié)會 (TEMA)標準，編制管完式換熱器機械設(shè)計程序 STEM。 （ 3） 。另外還采用了 薄 管板或 撓性管板結(jié)構(gòu)以減小熱應(yīng)力；使用小管子 密排列，改善了管子與管板的連接。由于大型化而加 劇 了核電站換熱器 的振動破壞， 因 此人們對管殼式換熱器振動研究 的 興趣與日俱 增 。使用納果表明，這種結(jié)構(gòu)有效地克服了管束的振動，延長了管子為 壽 命， 而且結(jié)構(gòu)緊湊，符 合小 管 徑、密 排 列的原則，提 高了 工藝性能，使完程壓降降低丁 二分之一，且不易淤塞臟物，清洗 方便。有的國家已成批生產(chǎn)翅片管換熱器，并已標誰化、系列化。小時 t。 （ 6） ．采用新材料 由于工藝條件日趨苛刻，迫切需要一些新的材料。非金屬材料方面最具有代表性的是聚四氟乙烯塑料，自美國杜邦公司于六十年代中期研究成功這種塑料換熱器以來，由于它優(yōu)越的抗腐蝕抗污垢性能，國外推廣使用很快，到了七十年代，凡是適用這種換熱器的場合，幾乎達到了普及的地步。廣泛采用渦流測試技術(shù)來加強運行中的檢漏，使快要損壞的管子能及早得到更換或堵漏，避免非計劃停工損失。 （ 8）．熱管換熱器的使用 熱管是利用小的表面積傳遞大的熱量，體現(xiàn)了一種優(yōu)良的設(shè)計方法。美國杜邦化學公司在一套化工裝置上采用一套由埃索舍默克斯（ Isothermics）公司制造的鋁質(zhì)熱管空氣預(yù)熱器，其造價僅為普通空氣預(yù)熱器的25%，而安裝費用相同，故獲得了顯著的經(jīng)濟效果叻。 換熱器及 傳熱研究的 主攻方向 當前換熱器發(fā)展的基本動向是繼續(xù)提高設(shè)備的熱效率，促進設(shè)備結(jié)構(gòu)的緊湊性，加強生產(chǎn)制造的標準化、系列化和專業(yè)化，并在廣泛的范圍內(nèi)繼續(xù)向大型化的方向發(fā)展。要求集中力量研究各種形式的能量轉(zhuǎn)換技術(shù)，有效地利用能源。由于世界上能源日益緊張，許多國家在使用新技術(shù)的基礎(chǔ)上，開發(fā)利用太陽能。地熱換熱器的熱介質(zhì)大部分是地熱水，少部分是蒸氣。從換熱器的整體結(jié)構(gòu)、各類管板的結(jié)構(gòu)設(shè)計、熱膨脹補償方法直到高溫側(cè)熱通量的控制，都有許多課題極待解決； 100 ~200t 的低溫余 熱回收，對一般企業(yè)有普遍意義。板式換熱器需要改進密封結(jié)構(gòu)，指強板片的剛度，研究新的墊片材料以提高操作溫度和操作壓力是今后發(fā)展的重點。強化傳熱管同時也是利用低溫位熱量的關(guān)鍵部件。 傳熱和換熱器測試技術(shù)的研究，可以使試驗分析工作進行得更精確、更迅速。隨著制造工藝的發(fā)展 ， 逐步形成一種管殼式換熱器 ， 它不僅單位體積具有較大的傳熱面積 ， 而且傳熱效果也較好 ， 長期以來在工業(yè)生產(chǎn)中成為一種典型的換熱器。 70 年代的世界能源危機 ， 有力促進了換熱強化技術(shù)的發(fā)展。所謂提高換熱器性能 ， 就是提高其傳熱性能。 1. 管外凝結(jié)換熱的強化 （ 1） 冷卻表面的特殊處理 對冷卻表面的特殊處理 ， 主要是為了在冷卻表面上產(chǎn)生珠狀凝結(jié)。實驗證明 ， 當粗糙高度為 時 ， 水蒸氣的凝結(jié)換熱系數(shù)可提高 90%。 應(yīng)用螺旋槽管和管外加螺旋線圈。按光面計算則換熱系數(shù)可高 1~2 倍。都是高效換熱元件。當然現(xiàn)在各式換熱器的設(shè)計各有新穎之處 ， 結(jié)構(gòu)上各具特色。換熱器的作用可以是以熱量交換為目的。換熱器的熱損失要少 ， 換熱效率要高 。要便于制造、安裝和檢修 。換熱器臺數(shù)的選擇和單臺能力的確定應(yīng)適應(yīng)熱負荷的分期增長 ， 并考慮供熱的可靠性。 國外換熱器發(fā)展前景 在國外二十世紀 20 年代出現(xiàn)板式換熱器 ， 并應(yīng)用于食品工業(yè)。 30 年代末 ， 瑞典又制造出第一臺板殼式換熱器 ， 用于紙漿工廠。 70 年代中期 ， 為了進一步減小換熱器的體積 ， 減輕重量和金屬消耗 ， 減少換熱器消耗的功率 ， 并使換熱器能 夠在較低溫差下工作 ， 人們更是采用各種科學的辦法來增強換熱器內(nèi)的傳熱。而換熱器在結(jié)構(gòu)方面也有不少新的發(fā)展。 通常在實踐中翅片底面的接觸阻力是限制管子加裝翅片的因素之一。 將研究的翅片的效率與計算數(shù)據(jù)進行比較 ， 得出的結(jié)論是：氣動噴涂翅片的底面的接觸阻力對效率無實質(zhì)性影響。 因而氣動噴涂法不但可用于成型 ， 還可用來將按普通方法制造的翅片固定在換熱器管子的表面上 ， 也可用來對普通翅片的底面進行補充加固。而這些死角又能造成殼程結(jié)垢加劇 ， 對傳熱效率不利。 對普通折流板幾何形狀的改進 ， 是發(fā)展殼程的第一步。此種結(jié)構(gòu) 克服了普通折流板的主要缺點。 螺旋折流板結(jié)構(gòu)可滿足相對寬的工藝條件。螺旋扁管的制造過程包括了 “ 壓扁 ” 與 “ 熱扭 ” 兩個工序。組裝換熱器時也可采用螺旋扁管與光管混合方式。估計在化工、石油化工行業(yè)中具有廣闊的應(yīng)用前景。 俄羅斯推薦一種新方法制造繞絲筋管 ， 即借助在管子上纏繞和拉緊金屬絲 時產(chǎn)生的機械接觸來固定筋條。所以關(guān)鍵是要選取最佳的接觸寬度 ， 也就是繞絲時管子變形留下的痕跡的寬度。 熟練掌握各方面的知識。浮頭式換熱器由于管束的膨脹不受殼體的約束 ， 因此不會因管束之間的差脹而產(chǎn)生溫差熱應(yīng)力 ， 另外浮頭式換熱器的優(yōu)點還在于拆卸 方便 ， 易清洗。然后按照設(shè)計的要求以及一系列國際標準進行結(jié)構(gòu)設(shè)計 ， 之后對有些部件 結(jié)構(gòu)通過計算進行強度 優(yōu)化 ， 最后提出一些制造與安裝方面的問題。 因此出現(xiàn)了TEMA、 API660、 JISB8249 等一批管殼式換熱器標準 ， ISO 目前也正在與 API 聯(lián)手并會同有關(guān)國家編 ISO 管殼式換熱器標準。殼體一般為圓筒 形 ， 也可為方形。 針對固定管板式與 U 型管式的缺陷 ， 浮頭式作了結(jié)構(gòu)上的改進 ， 兩端管板只有一端與外殼固定死 ， 另一端可相對殼體滑移 ， 稱為浮頭。 按照設(shè)計要求 ， 在結(jié)構(gòu)的選取上 ， 為了增大溫差校正系數(shù) ， 采用了 24 型 ， 即殼側(cè)兩程管側(cè)四程。由于時間和資料有限 ， 本人的認識也不夠全面 ， 在設(shè)計過程中可能還存在許多問題 ， 望老師們給予批評 和指正。由于換熱器尺寸不大 ， 可以用一臺 ， 未考慮采用多臺組合使用。 圖 1 丁字形隔板 管子和傳熱面積 換熱管除要求具有足夠的強度外 ， 當采用脹管法固定時 ， 還要求管子有良好的塑性 ， 避免因脹接而產(chǎn)生裂縫。其傳熱面積為： 20 mLNdF t ?????? ?? 管子排列方式 管子在管板上的排列方式 ， 應(yīng)力求均布、緊湊并考慮清掃和整體結(jié)構(gòu)的要求。適用于不生污垢或可用化學清洗污垢以及允許壓降較高的工況； 轉(zhuǎn)角三角形。 綜合比較以上幾種布管方式 ， 可采用組合排列形式 ， 中間 正方形 ， 其余 三角形 。 殼體內(nèi)徑 Ds=600mm 殼體壁厚： cppDt S ??? ??? ][2 （ 50） t][? 為殼 體工作溫度下的許用應(yīng)力 ， 已知殼程設(shè)計溫度為 220℃ ， 則 tw220℃。十字形的走廊是為了裝設(shè)分程隔板 ， 故有殼程流體的泄漏和旁 流的問題 ， 共有239 個管孔 ， 其中 6 個孔為安裝拉桿用。用于小殼徑換熱器時比正三角形排列還緊湊 ， 靠近殼體的地方布管均勻。 其一邊與流向垂直 ， 是最常用的形式。由于水、油 腐蝕性不大 ， 故可采用碳鋼 ， 現(xiàn)選擇 20 號鋼的無縫鋼管。殼體分程采用縱向隔板。 管程換熱計算及流量計算 試選傳熱系數(shù)： k0=240 W/m2℃ （ 查表 ） 傳熱面積：由 ?? tNldF00? （ 8） 得 F0= m2 逆流平均溫差： CtttttN ??????????? 1920ln 1920)l n ( 小大 小大 （ 9） 參數(shù)： 19144175 1441632122 ???????? ????? tt ttP （ 10） 20214163 1551752211 ????????? ????? tt ttR （ 11） 溫差校正系數(shù)：按 2 殼程 4 管程查表得 ?? 有效平均溫差： Ctt Nm ???????? ? （ 12） 設(shè)計傳熱量： WtkFQ m 4 6 3 8 2 5 . 6 7 4 1 2021 ???????? （ 13） 浮頭式換熱器的設(shè)計 第 4 頁 (共 30 頁 ) 換熱效率：取 η = 油流量： hkgttCp QG / )( 111 01 ???? ??????? ? （ 14） 水流量： 02 2 2 2 3 6 0 0 7 8 6 2 4 4 3 4 4 8 4 /( ) 4 .3 2 1 9 1 0 0 0QG k g hC p t t ?? ? ??? ?? ? ? （ 15） 管程流通截面 （ 按 4 管程 ） ： 2222 )4400(4)4( mdNa it ???? ?? （ 16） 管程流速： 22 22 34484 0 . 7 8 9 /3 6 0 0 9 1 3 0 . 0 1 3 3 3 6 0 0Gw m sa?? ? ?? ? ? （ 17） 管程雷諾數(shù)： 5547810168 62222 ?? ???? ??? idw （ 18） 管程換熱系數(shù)： CmWdth i??????????/)()(3605)100/()(3605222 ? （ 19） 殼程換熱計算 折流板的設(shè)計：縱向折流板中間分程 ， 橫向安置弓形折流板 弓形折流板弓高： mDh s ???? （ 20） 折流板間距： mDB s ??? （ 21） 殼程流通截面： 201 ) ()1(21 msdBDa s ???????? （ 22） 殼程流速： 熱力計算 第 5 頁 (共 30 頁 ) smaGw / )360058231()3600( 1111 ???? ? （ 23） 殼程量流速 smkgwW 2111 / ???? ? （ 24） 殼程當量直徑： mdN dNDd t tse 220202 ?? ????? （ 25） 殼程雷諾數(shù)： 43053 411 ????? ?? ef dW （ 26） 切去弓形面積所占比例：查圖得 ?Tf aa （ 27） 殼程傳熱因子：查圖得 96?sj 管外壁溫度： ?1Wt假定后再復(fù)核 ， 設(shè) ?1Wt=160℃ 壁溫下的粘度： sPaW ??? ?? （ 28） 粘度修正系數(shù)： )()( 1???W??? （ 29） 殼程換熱系數(shù)： CmWjdkh s ????????? 231131011 / ? （ 30） 傳熱系數(shù) 水側(cè)污垢熱阻： 51 17 .2 10r ??? m2℃ /W 油側(cè)污垢熱阻： 52 52 .0 10r ??? m2℃ /W 管壁熱阻： r 忽略 總傳熱熱阻： 浮頭式換熱器的設(shè)計 第 6 頁 (共 30 頁 ) 0012122111 1 /iiddr r rh d h dm C W? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ??? （ 31） 傳熱系數(shù)： ??? ?rk j （ 32） 傳熱系數(shù)的比值： 4 0/ 0 6/ 0 ??kk j （ 33） 合適 管外壁熱流密度： 786244001 ????? ?? ldN Qq t=4118W/m2℃ （ 34） 管外壁溫度： )1(11111 rhqttW ???? 11 7 5 4 1 1 8 ( 0 .0 0 0 1 7 2 )5 8 3 .5? ? ? ?=℃ （ 35） 誤差校核： ????11 WWW ttt==℃ （ 36） 誤差不太大 ， 不再重算。然后按照設(shè)計的要求以及一系列國際標準進行結(jié)構(gòu)設(shè)計 ， 在結(jié)構(gòu)設(shè)計時 ， 要 考慮許多因素 ， 例如傳熱條件、材料、介質(zhì)壓力、溫度、流體性質(zhì)以及 便于拆卸 等等 。浮頭式換熱器的優(yōu)點還在于方便拆卸 ，清洗方便 ， 對于管子和殼體間溫差大、殼程介質(zhì)腐蝕性強、易結(jié)垢的情況很能適應(yīng)。分程隔板可將管程及殼程介質(zhì)分成多程 ， 以滿足工藝需要 。換熱管束包括換熱管、管板、折流板、支持板、拉桿、定距管等。 [關(guān)鍵詞 ]： 換熱器 ； 浮頭 ； 管殼 熱力計算