【正文】 ......................................... 35 化工與材料學(xué)院 09級(jí)本科生化工機(jī)械設(shè)備課程設(shè)計(jì) 1 1 前言 概述 換熱器的類型 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。 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。 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。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）。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。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。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。間壁式換熱器的應(yīng)用廣泛，形式繁多。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。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。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。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。常見(jiàn)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。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。 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。 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(kāi)始適應(yīng)石油工業(yè)提出的要求。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)。 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。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。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。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。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 化工與材料學(xué)院 09級(jí)本科生化工機(jī)械設(shè)備課程設(shè)計(jì) 4 ALLARDS 公司生產(chǎn) ) 。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。最近 , 英國(guó) Cal Garin Ltd 公司開(kāi)發(fā) 的一種稱之為 Hitran Matrix Elements 的花環(huán)式插入物 [6],它是一種金屬絲制翅片管子插入物 (Wire2Fin Tube Inserts) ,能增強(qiáng)湍流。 提高管殼式換熱器冷、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。 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 。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。當(dāng)殼程介質(zhì)易結(jié)垢時(shí) , 由于外螺紋管束沿軸向的脹縮作用使換熱管外壁的硬垢脫落 , 具有良好的自潔作用 , 能夠有效防止管束外壁的結(jié)垢 , 減小換熱器殼程熱阻 , 提高換熱器的傳熱能力。 對(duì)于需要機(jī)械清洗的管束 , 管子排列應(yīng)采用正方形 。因?yàn)闆Q定管程介質(zhì)的流態(tài)的雷諾數(shù) Rei 與管程介質(zhì)流速成正比 ,為提高換熱器管程換熱系數(shù) hi, 可采用管程分程的辦法提高管程換熱系數(shù)。 折流板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包括型式的確定 , 形狀的設(shè)計(jì) , 缺口高度設(shè)計(jì)和折流板間距設(shè)計(jì)。 、殼程進(jìn)、出口的設(shè)計(jì) 管程進(jìn)、出口管的設(shè)計(jì)。 對(duì)換熱器的使用壽命影響較大 , 特別是殼程換熱介質(zhì)流速較高或介質(zhì)中含有固體顆粒。 固定管板式： 固定管板式換熱器主要有外殼、管板、管束、封頭壓蓋等部件組成。殼程清洗困難，對(duì)于較臟或有腐蝕性的介質(zhì)不宜采用。比較適合溫差不大或溫差大而殼層壓力不高的場(chǎng)合。而且在清洗和檢修時(shí)，僅將管束從殼體中抽出即可。 圖 13 U型管式換熱器 這類換熱器的特點(diǎn)是：管束可以自由伸縮，不會(huì)因?yàn)楣軞ぶg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 化工與材料學(xué)院 09級(jí)本科生化工機(jī)械設(shè)備課程設(shè)計(jì) 8 較高，傳熱性能好；承 壓能力強(qiáng)；管束課從殼體內(nèi)抽出，便于檢修和清洗，造價(jià)便宜。 特點(diǎn)為它的管束也可以自由膨脹，所以管殼間不會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力，且管程與殼程都能清洗。固定管板式換熱器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊、造價(jià)低 , 每根換熱管可以單獨(dú)清洗和更換 , 在外形尺寸相同的條件下 , 與浮頭式和 U 形管式換熱器相比 , 換熱面積大。對(duì)于換熱器換熱介質(zhì)工作壓力高 , 管、殼程介質(zhì)密封要求嚴(yán)的場(chǎng)合 , 為確保換熱器管、殼程的密封 , 換熱器管束的設(shè)計(jì)一般采用 U 形管結(jié)構(gòu)的換熱器。 參考標(biāo)準(zhǔn)： 不潔凈和易結(jié)垢的流體宜走便于清洗管子，浮頭式換熱器殼程便于清洗。 被冷卻的流體宜走殼程，便于散熱，增強(qiáng)冷卻效果。 綜合考慮以上標(biāo)準(zhǔn)，確定 半水煤氣 應(yīng)走殼程，變換氣走管程。 材質(zhì)的選擇 管殼式換熱器的材料應(yīng)根據(jù)操作壓強(qiáng)、溫度及流體的腐蝕性等來(lái)選用。根據(jù)實(shí)際需要， 可以選擇使用不銹鋼材料。每程內(nèi)都采用正三角形排列，而在各程之間為了便于安裝隔板，采用正方形排列方式。小直徑的管子可以承受 更大的壓力，而且管壁較??；同時(shí)，對(duì)于相同的殼徑，可排列較多的管子，因此單位體積的傳熱面積更大，單位傳熱面積的金屬耗量更少。換熱器的換熱管長(zhǎng)度與公稱直徑之比一般為 4— 25,常用的為 6— 10 選用Φ 25 的無(wú)縫鋼管 ，材質(zhì)為 20號(hào)鋼，管長(zhǎng) 。 C） 將數(shù)值代入上述厚度計(jì)算公式，可以得知： mm ??? ??? 查 《化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)》 表 411 取 ?C mm ； 查 《化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)》 表 49 得 ?C mm ++= mm 查表 413圓整后取 ?n? mm 復(fù)驗(yàn) %6 ???n? mm ，最后取 ?C mm 該殼體采用 20鋼 7mm 厚的鋼板制造。 查《化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)》附表 14 得 法蘭尺寸如下表： 表 41 法蘭尺寸 公稱直徑DN/mm 法蘭尺寸 /mm 螺柱 D 1D 2D 3D 4D ? d 規(guī)格 數(shù)量 900 1060 1015 976 966 963 55 27 M24 28 所以，選用的 法蘭尺寸如下圖： 圖 41 容器法蘭 化工與材料學(xué)院 09級(jí)本科生化工機(jī)械設(shè)備課程設(shè)計(jì) 16 5 管板 管板除了與管子和殼體等連接外，還是換熱器中的一個(gè)重要的受壓器件。一般浮頭式換熱器受力較小，其厚度只要滿足密封性即可。 化工與材料學(xué)院 09級(jí)本科生化工機(jī)械設(shè)備課程設(shè)計(jì) 20 7 計(jì)算是否安裝膨脹節(jié) 管殼壁溫差所產(chǎn)生的軸向力為： 106661 7 7 8 9 9 3 7 7 8 9 9 3 5 )(????? ?????????tstsst AAAAttEF ?（ N） (71) 壓力作用于殼體上的軸向力： tS sAAQAF ??2 (72) 其中 ])2()[(4 20202 ttsi pdnpndDQ ?? ???? (73) = ])()25497900[(4 222 ????????? ? ? 10 6?? NF 662 ??? ??? 壓力作用于管子上的軸向力為： NAAQAFtSt 663 935 ??? ????? 則 MpaA FF ss 6621 ???????? (74) MpaAFFtt 6631 ??????????? 根據(jù) GB１５１ —— １９９９《管殼式換熱器》 化工與材料學(xué)院 09級(jí)本科生化工機(jī)械設(shè)備課程設(shè)計(jì) 21 M p aM p a tts ][ ?????? ???M p aM p a tst ][ ??????? ??? q﹤ ［ｑ］＝ ，條件成立， 故本換熱器不必要設(shè)置膨脹節(jié)。的缺口，見(jiàn)圖 82（ b）。 從傳熱的觀點(diǎn)考慮，有些換熱器（如冷凝器）不需要設(shè)置折流板。 允許的最小折流板間距為殼體內(nèi)徑的 20%或 50mm，取其中較大值。 表 81 折流板厚度 / mm 殼體公稱內(nèi)徑 /mm 相鄰兩折流板間距 /mm ≤ 300 300～ 450 450～ 600 600～ 750 ＞ 750 200～ 250 3 5 6 10 10 400～ 700 5 6 10 10 12 700～1000 6 8 10 12 16 ＞ 1000 6 10 12 16 16 化工與材料學(xué)院 09級(jí)本科生化工機(jī)械設(shè)備課程設(shè)計(jì) 24 支承板厚度一般不應(yīng)小于表 81(左 )中所列數(shù)據(jù)。 綜上，得換熱器開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)如下圖： 圖 91 換熱器開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu) 化工與材料學(xué)院 09級(jí)本科生化工機(jī)械設(shè)備課程設(shè)計(jì) 27 10 支座 裙座設(shè)計(jì) 采用圓筒形裙式支座，裙座與塔體的連接采用焊接，由于對(duì)接焊縫的焊縫受壓 ，可承受較大的軸向力，故采用對(duì)接形式。 圖 101 裙座殼與殼體的對(duì)接型式。 地腳螺栓承受的最大拉應(yīng)力為 )(,m a x 0000000m i n00 MP aA FgmZ MMA gmZ MMbvbwEbbewb ?????????? ?? ????? 如果 0?b? ，則設(shè)備自身足夠穩(wěn)定，但為了固定塔設(shè)備的位置，應(yīng)設(shè)置一定數(shù)量的地腳螺栓