【正文】 ................................................ 46 1 前 言 換熱器是一種實(shí)現(xiàn)物料之間熱量傳遞的節(jié)能設(shè)備，在石油、化工、冶金、電力、輕工、食品等行業(yè)應(yīng)用普遍。目前在大型化工生產(chǎn)裝置中，各種換熱設(shè)備的數(shù)量占工藝設(shè)備數(shù)量的 30％以上。 管殼式換熱器的分類 根據(jù)管殼式換熱器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可分為固定管板式、浮頭式、 U形管式、填料函式及釜式重沸器等五類，每種結(jié)構(gòu)形式各自發(fā)揮不同的作用。維修時(shí)可拆卸浮頭，抽出管束進(jìn)行檢修或更換，適用于管、殼程溫差大但工作壓力不超過 10 MPa的工況，缺點(diǎn)是需要抽出管束。殼程需抽芯清洗，要求管內(nèi)介質(zhì)干凈或雖會(huì)結(jié)垢但通過化學(xué)清洗能清除。 E型是最普通的一種，殼程是單程的，管程可為單程也可為多程； F型為二殼程的換熱器，是在殼體中裝入了一塊平行于管子軸線方向的縱向隔板； G型也為二殼程的換熱器，縱向隔板從管板的一段移開使殼程流體得以分流； H型與 G型相似，但進(jìn)出口接管與縱向隔板均多一倍。 折流板與折流桿 折流板體有助于提高殼程的流速，增強(qiáng)湍動(dòng)，改善傳熱，在臥式換熱器中起支承管束的作用。一般管殼式換熱器的管壁熱阻在總熱阻中只占很小的比例，對傳熱系數(shù)影響不大。 流體壓降 其實(shí)流體壓降與流速有密切關(guān)聯(lián)，要分析壓降是否合理，是否滿足工藝要求。 提高管殼式換熱器傳熱能力的措施 管殼式換熱器的傳熱能力是由殼程換熱系數(shù)、管程換熱系數(shù) 和換熱器冷、熱介質(zhì)的對數(shù)平均溫差決定的，因此，提高管殼式換熱器傳熱能力的措施包括以下幾點(diǎn)。因此，應(yīng)盡量增加換熱器冷、熱流體的逆流比例，提高冷、熱流體的對數(shù)平均溫差，提高換熱器的傳熱能力。在換熱器設(shè)計(jì)中，通常采用強(qiáng)化傳熱的措施來提高換熱器的傳熱能力。 B流體從接管 3流入 ,通過管內(nèi)從接管 4流出。管殼式換熱器主要由管箱、管板、管子、殼體和折流板等構(gòu)成。管子的布置正如上面所提到的有等邊三角形、正方形、正方形斜轉(zhuǎn) 45度和同心圓形等多種形式，前 3種最為常見。在管束中橫向設(shè)置 一些折流板，引導(dǎo)殼程流體多次改變流動(dòng)方向，有效地沖刷管子，以提高傳熱效能，同時(shí)對管子起支承作用。用水冷卻氣體時(shí) ,為 10～ 280W/(m(℃ )；用水冷凝水蒸汽 ,為 570～4000W/(m(℃ )。 桿式支 承結(jié)構(gòu)的發(fā)展 美國菲利浦石油公司于 2O世紀(jì) 7O年代，為了改進(jìn)板式換熱器中管子與折流板的切割破壞和流體誘導(dǎo)作用，開發(fā)了殼程流體縱流折流桿式換熱器，即在管子中插入網(wǎng)桿，不僅解決了誘導(dǎo)振動(dòng)問題，也使傳熱效率得到了提高。由于流體縱向沖刷管束，因此殼程具有流體阻力小、傳熱性能好及抗振能力強(qiáng)等特點(diǎn)。因此，管子排列緊湊，單位體積內(nèi)的換熱面積增大，管子間距小，可提高殼程流速，支承點(diǎn)干擾流體并分割流體邊界層，從而增強(qiáng)湍流度，使傳熱邊界層減薄。在每根換熱管兩側(cè)相距 180。刺和孔不斷使換熱表面上的邊界層更新，使層流厚度減薄，提高傳熱系數(shù)，殼程流體完全縱向流動(dòng)，阻力主要是液體的粘性力，因此殼程壓力變得很低。這種流速和流向的周期性改變加強(qiáng)了 流體的軸向混合和湍流度。這種管通過變徑部分的點(diǎn)接觸支承管子，同時(shí)組成殼程的繞流元件。 圖 總體來說，管殼式換熱器的發(fā)展總體上是支承形式的發(fā)展，從板式支承到折流桿式支承，再到空心環(huán)支承，最后到管子的自支承當(dāng)然其間也有交錯(cuò)發(fā)展的情況。這種換熱器結(jié)構(gòu)堅(jiān)固 ,處理能力大、選材范圍廣，適應(yīng)性強(qiáng)，易于制造 ,生產(chǎn)成本較低，清洗較方便，在高溫高壓下也能適用。根據(jù)兩側(cè)流體的性質(zhì)決定管子材料，將具有腐蝕性，水質(zhì)差的介質(zhì)放在管內(nèi)流動(dòng)，水質(zhì)較好的介質(zhì)放在管子外殼側(cè)，這樣管子只需采用耐海水腐蝕的銅官或鈦管，同時(shí)清洗污垢較為方便，管徑從傳熱流體力學(xué)角度考慮，在給定殼體內(nèi)使用小直徑管子，可以得到更大的表面密度，但大多數(shù)流體會(huì)在管子表面上沉積污垢層，尤其管內(nèi)水質(zhì)較差，可能會(huì)在管壁上形成沉積物，將傳熱惡化并使定期的清洗工作成為必要，管子清洗限制管徑最小約為 Φ 17mm。這些傳熱板的波紋斜交，即在相鄰的傳熱板上具有傾斜角相同而方向不同的波紋。 (2)傳熱系數(shù)的比 較 管殼式換熱器中，一種流體橫向掠過管子通過管壁與管內(nèi)流動(dòng)的另一種流體彼此垂直交叉流動(dòng)，其傳熱系數(shù) k值一般為 1000～ 3000 w／ (m2． k)。 (3)占地面積比較 用于同一工況的板式換熱器的占地面積，約為管殼式換熱器的五分之一左右，這是因?yàn)榘迨綋Q熱器的總傳熱系數(shù)高 ，減少了換熱面積，并且板式換熱器本身結(jié)構(gòu)緊湊，單位體積內(nèi)的換熱面積，約為管殼式換熱器的 2倍，又不需附加的檢修場地。另外，可根據(jù)需要用調(diào)節(jié)板片數(shù)目的辦法來增減傳熱面積，或利用板片排列方式不同來調(diào)節(jié)流道長短的辦法，來適應(yīng)冷熱流體流量和溫度變化的要求。 板式換熱器的流道是相互平行的，一程內(nèi)的流體 (程內(nèi)有多個(gè)流道 )雖然流量分配并不十分均勻，但程與程之間不會(huì)有短路、旁路等現(xiàn)象，流體在流道內(nèi)的運(yùn)動(dòng)不會(huì)有任何影響末端溫差的現(xiàn)象。 (8)安裝檢修的比較 管殼式換熱器是由管束組成，自身重量體積都較大，在檢修抽管時(shí)需要留出管束一樣長的距離，故占地較多，還需配備必要的起吊檢修設(shè)施。板式換熱器的人工維護(hù)包括將整機(jī)折開，用噴水槍和刷子清洗板和墊片，檢查板片和墊片，如有必要，更換板片和墊片。 腐蝕與防護(hù) 換熱器腐蝕的原因 管殼式換熱器和板式換熱器腐蝕的類型基本相同 ,如表 1所列。 對于采用脹接形式的接頭 ,由于脹接過程中存在殘余應(yīng)力 ， 在已脹和未脹 管 段間的過渡區(qū) ,管子內(nèi)外壁都存在拉應(yīng)力 ,對應(yīng)力腐蝕非常敏感。腐蝕介 質(zhì)和循環(huán)應(yīng)力的共同作用也能形成腐蝕疲勞。 18 我國換熱器的接頭多采用焊接形式 ,管子與管板之間存在間隙 ,殼程介質(zhì)進(jìn)入到間隙死角中 ,就會(huì)形成縫隙腐蝕?？p隙腐蝕和孔蝕都有一個(gè)孕育期 ,一旦過了孕育期 ,速度就會(huì)逐步增加。m 1,總之 ,應(yīng)盡量使導(dǎo)入流體而形成的管子與殼體之間的熱膨脹差為最小。 在換熱器運(yùn)行中 ,應(yīng)嚴(yán)格控制操作條件 ,避免驟冷驟熱導(dǎo)致溫差應(yīng)力 ,產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕。 （ 2）維修工藝控制 在試壓或操作中發(fā)現(xiàn)接頭泄漏時(shí) ,對接頭脹管修復(fù)要慎重。用化學(xué)清洗清除換熱器污垢時(shí) ,清洗后需將殘留液排出 ,因?yàn)闅埩粢簳?huì)腐蝕換熱器 ,換熱器長19 期不用時(shí)也要在換熱器清洗后 ,將殘留液完全排出。 CrO24是一種陽極抑制劑 ,與適當(dāng)?shù)年帢O抑制劑合用時(shí) ,可得到滿意的防腐蝕效果 ,因此 ,常在水系統(tǒng)中使用。陽極保護(hù)多用于換熱 器中工藝物料一側(cè)。陰極保護(hù)常與保護(hù)性涂層聯(lián)合使用 ,如使用淡水的冷卻器采用富鋅涂料 ,與陽極保護(hù)聯(lián)合使用 ,簡化了輔助陽極的布置 ,降低所需的電流 ,取得了很好的效果 ,被認(rèn)為是最經(jīng)濟(jì)的防腐蝕方法。安裝制造時(shí)管排應(yīng)略微傾斜 ,以便冷凝液及時(shí)排出。為減小內(nèi)部殘余應(yīng)力 ,應(yīng)采用整體切邊或高頻振蕩等措施。 (4)選擇正確合理的板片結(jié)構(gòu)和正常流速 ,一般板間平均流速為 ~正確合理選用流速 ,也可減輕入口處的板片腐蝕。日阪制作的 EX型板片 ,為了增加支點(diǎn) ,研制出格子狀的水平平直波紋板片。所以墊片槽和墊片形狀的設(shè)計(jì)要合理 ,密封墊片的截面必須與板片溝槽截面吻合。 目前還發(fā)展了易裝卸的 “ 按扣 ” 和 “ 搭扣 ” 密封結(jié)構(gòu) ,可直接扣在板片上 ,定位正確、牢固 ,無需粘結(jié)劑。目前國內(nèi)使用的換熱器計(jì)算軟件主要是 HRFS(Heat Transfer and Huid How Service)和 HTRI(Heat Transfer Research，Inc． )，也可以應(yīng)用 ASPEN PLUS中的 B— JAC對換熱器進(jìn)行設(shè)計(jì)、核算和模擬，此外還有如換熱器設(shè)計(jì)大師等。 ③模擬型，模擬已知換熱器，在給定的兩側(cè)流體的人口條件下，模擬物料的出口條件。 （ 2）應(yīng)用 在進(jìn)行換熱器設(shè)計(jì)時(shí)，一般先用設(shè)計(jì)型初步計(jì)算出合適的換熱器形式和規(guī)格，然后經(jīng)過圓整，選擇具體的換熱器的幾何尺寸，用校核型進(jìn)行核算，計(jì)算結(jié)果中實(shí)際面積 /所需面積一般為 1． 1～ 1． 2。 HTFS程序中有常用組分的物性數(shù)據(jù)庫，在計(jì)算時(shí)可根據(jù)物料組成的不同利用數(shù)據(jù)庫中的物性數(shù)據(jù)，如數(shù)據(jù)庫不足或數(shù)據(jù)不夠準(zhǔn)確，用戶也可自己輸入物料的物性數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。 HTRI的物性數(shù)據(jù)庫比較豐富，它有一百余種常用單組分和混合物的物性數(shù)據(jù)，同時(shí)也能使用用戶自定義物性數(shù)據(jù)。換熱器部件的設(shè)計(jì)與國際設(shè)計(jì) 代碼是一致的。 ASPEN AEROTRAN能夠模擬矩形管束換熱器包括強(qiáng)制式或吸入式空冷器以及加熱爐及煙氣節(jié)能器的對流段。用戶可以交互式分析優(yōu)化路徑和評價(jià)可選的設(shè)計(jì)方案。換熱器的性能是根據(jù)在 ASPEN B— JAC的輸人文件中指定的詳細(xì)的換熱器幾何尺寸以及用船 N PLUS提供的物流及物性數(shù)據(jù)來計(jì)算的。 24 2 設(shè)計(jì)部分 浮頭式換熱器筒體的計(jì)算： 計(jì)算條件 計(jì)算壓力： Pc= 設(shè)計(jì)溫度： 200C176。球冠型封頭的外壁與法蘭內(nèi)壁交點(diǎn)距離法蘭表面的距離l=16mm。 換熱面積 =換熱管外徑 6000 n n=461 根 開孔補(bǔ)強(qiáng)的計(jì)算 筒體開孔所需的補(bǔ)強(qiáng)面積要求 27982449 1087007 5292268 282809126080812p D D t t G G r rM F L F L F L F LN m m? ? ? ? ? ? ?? ? ? ???2 0 5 5 2 5 2 5 . 7 5 5 2 9 2 2 6 8a G GM F L N m m? ? ? ? ? ?222 2 c o sf nrL l m m? ? ?? ? ? ?31 2 (1 )et rA d f? ??? ? ? ? — 圓筒開孔處的計(jì)算厚度 ? =6mm 開孔直徑： d=273mm 接管材料： Q345R 鋼 2[ ] 123[ ] 170[ ] / [ ] 123 / 170 273 6 2 6 ( 1 ) 1649tnntr n nm pam pafA m m??????? ? ?? ? ? ? ? ? ? 補(bǔ)強(qiáng)有效寬度 m a x ( 2 , 2 2 )2 2 2 7 3 5 4 6n n tB d dB d m m??? ? ?? ? ? ? 有效高度： 1 2 7 3 9 5 0th d m m?? ? ? ? 2 0h? 補(bǔ)強(qiáng)截面積： 1 2 3eA A A A? ? ? 在有效補(bǔ)強(qiáng)范圍內(nèi)作為補(bǔ)強(qiáng)的截面積 12( ) ( ) 2 ( ) ( 1 )( 546 273 ) ( 10 6) 2 ( 10 6) ( 1 2)1077e e t e rA B d fmm? ? ? ? ?? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ?? 接管計(jì)算厚度： 2 .4 5 2 7 3 3 .22 [ ] 2 1 2 3 0 .8 5 2 .4 5cftncPd mmP? ?? ?? ? ?? ? ? ? 接管有效厚度： 9n mm? ? 2 1 2 222321 2 32 ( ) 2 ( )2 50 ( 6. 7 3. 2) 0. 72 0 25 22 9 9 0. 5 811410e t t r e t reA h f h C fmmA mmA A A A mm? ? ?? ? ? ?? ? ? ? ? ?? ? ? ? ?? ? ? ? 32 選擇補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng) 參照 JB/T4736 選取補(bǔ)強(qiáng)圈 補(bǔ)強(qiáng)圈外徑 :D=480mm 內(nèi)徑 :d=273+5=278mm 厚度 8mm b=Dd=480278=202mm 22 2 2 0 2 8 3 2 3 2A s b m m? ? ? ? ?實(shí) 滿足補(bǔ)強(qiáng)要求 管箱采用整體加厚補(bǔ)強(qiáng) 外頭蓋法蘭厚度計(jì)算 設(shè)計(jì)條件 設(shè)計(jì)壓力 : cP = 設(shè)計(jì)溫度 : 200C176。 ( ) 5 8 5 0nA n s s s m m? ? ? 管板布管區(qū)面積 2 2 2td 4 6 1 2 5 5 8 5 0 2 9 3 9 7 5A n s A m m? ? ? ? ? ? 管板布管 區(qū)當(dāng)量直徑 墊片外徑 : 692GOD mm? 墊片內(nèi)徑 : 668GiD mm? 墊片密封寬度 : 因?yàn)?0 ? 所以有效寬度 b=6mm t1 4 4 2 9 3 9 7 5 6123 . 1 4AD m m? ?? ? ?0 64GO GiDDb mm???38 墊片壓緊力作用中心圓直徑 2 6 9 2 2 6 6 8 0G G OD D b m m? ? ? ? ? ? 假設(shè)管板名義厚度 61n mm? ? 管板材料在管板設(shè)計(jì)溫度下許用應(yīng)力 [ ] 1 5 3[ ] 1 4 139。 ttE n dK LD? ? ??? 1 8 6 0 0 0 4 6 1 3 .1 4 (1 9 2 ) 26 0 0 0 6 8 0? ? ? ?? ? 1907? 管板剛度消弱系數(shù) ?? 管板材料在管板設(shè)計(jì)溫度下彈性模量 39。 18 60 00tPKK E?? ? ?? 系數(shù) ~ 2 . 4 5 0 . 0 2 6 71 . 5 [ ] 1 . 5 0 . 4 1 5 3a tpPP ??? ? ???39 1111~3322(