【正文】 mm 管束能提高傳熱面積 30%～ 40% , 節(jié)約金屬 20% 以上。其在上海乙烯廠原油 2蠟油介質(zhì)換熱器中使用 , 其總傳熱系數(shù)與光滑管相比提高了 50%。 該換熱器是當(dāng)前應(yīng)用最廣 ,理論研究和設(shè)計技術(shù)完善 ,運用可靠性良好的一類換熱 器。 化工與材料學(xué)院 09級本科生化工機(jī)械設(shè)備課程設(shè)計 3 殼管式換熱器發(fā)展的早期階段，出現(xiàn)的最大量的嚴(yán)重問題，不是在傳熱方面（這可以由實踐經(jīng)驗粗略的估算），而是各種部件，特別是管板材料的強(qiáng)度計算問題，還有在制造技術(shù)和工程實 施中的許多有關(guān)的其他問題，如管和管板的連接，法蘭和接頭管的焊接等。 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)。 直接接觸式換熱器又稱混合式換熱器。一種流體在管內(nèi)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。在此類換熱器中，冷、熱流體相互接觸，相互混合傳遞熱量。因此，這種換熱器也稱為管殼式換熱器。 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，這主要是由于幾個主要制造商努力的結(jié)果。目前各國為改善該換熱器的傳熱性能開展了大量的研究。 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。 管子的排列方式有等邊三角形、正方形和同心圓排列等 , 對于殼程介質(zhì)不易結(jié)垢或可用化學(xué)方法清洗污垢的介質(zhì) , 采用三角形排列可使換熱器的外徑減小 15% 。為保證管程流體的均勻分布 , 充分發(fā)揮換熱管的換熱性能 , 管程進(jìn)、出口應(yīng)設(shè)置在換熱器管程的底部和頂部。此種換熱器的管束不受殼體的約束，殼體與管束之間不會因為膨脹量的不同而產(chǎn)生熱應(yīng)力。 U 形管換熱器具有良好的密封性能 , 并具有檢修、清洗方便的特點。故擬取變換氣流速為 20m/s。 標(biāo) 準(zhǔn) 管 子 的 長 度 常 用 的 有 1500mm ， 2021mm ， 2500mm ，3000m,4500,5000,6000m,7500mm,9000m 等。 表 52 管板的最小厚度 換熱器管子外徑 0d /mm ≤ 25 32 38 57 管板厚度 /mm 30d /4 22 25 32 綜上，管板的尺寸如下圖： 化工與材料學(xué)院 09級本科生化工機(jī)械設(shè)備課程設(shè)計 17 圖 51 管板 化工與材料學(xué)院 09級本科生化工機(jī)械設(shè)備課程設(shè)計 18 6 管子拉脫力的計算 計算數(shù)據(jù)按表 61 選取 表 61 項目 管子 殼體 操作壓力 /Mpa 材質(zhì) 20鋼 20R 線膨脹系數(shù) ?? ?? 彈性模量 ? ? 許用應(yīng)力 /Mpa 101 92 尺寸 ??? 7900?? 管子根數(shù) 497 管間距 /mm 32 管殼壁溫差 /℃ 50??t 管子與管板連接方式 開槽脹接 脹接長度 /mm ?l 50 許用拉脫力 /Mpa 在操作壓力下，每平方米脹接周邊所產(chǎn)生的力 pq ldpfqp0?? (61) 其中 22202 ??????? ?? daf ? ?mm2 (62) Mpap ? , 50?l mm Mpaq p ??? ?? 溫差應(yīng)力引起的每平方米脹接周邊所產(chǎn)生的拉脫力 tq 化工與材料學(xué)院 09級本科生化工機(jī)械設(shè)備課程設(shè)計 19 ldddqoitt 4 )( 220 ?? ? (63) 其中ststtAAttE???1)(?? (64) ????? ?? 中DA s ? ?mm2 (65) .687782497)2025()(4 22220 ??????? nddA it ? ? ?mm2 (66) M p at 9 9 3 5 7 7 8 21 66 ??????? ?? M p aq t )2025( 22 ??? ??? 由此可知 pq ， tq 作用方向相同，都使管子受壓，則管子的拉脫力： q= pq + tq =+= ﹤ (67) 因此拉脫力在許用范圍內(nèi)。 折流板厚度與殼體直徑和折流板間距有關(guān)，見表 81所列數(shù)據(jù)。 表 104 螺紋小徑與公稱直徑對照表 選用 Q235A，計算后，選取地腳螺栓為 90030?M ， n=8,相應(yīng)螺母 M30， 8 個，則其尺寸查表，得 螺栓公稱直徑 螺紋小徑 /mm 螺栓公稱直徑 螺紋小徑 /mm M24 M27 M30 M36 M42 M48 M56 化工與材料學(xué)院 09級本科生化工機(jī)械設(shè)備課程設(shè)計 。 支承板允許不支承的最大間距可參考表 81（右）所列數(shù)據(jù)。 化工與材料學(xué)院 09級本科生化工機(jī)械設(shè)備課程設(shè)計 22 8 折流板設(shè)計 設(shè)置折流板的目的是為了提高流速，增加湍動，改善傳熱，在臥式換熱器中還起支撐管束的作用。 管子數(shù) n LF nd 均??? (21) ? ?根均 160F L ??????ndn ? 其中安排拉桿需減少 6 根，故實際管數(shù) n=5036=497 根 管子排列方式，管間距的確定 采用正三角形排列，由《化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)》表 74 查得層數(shù)為 12 層，對角線上的管數(shù)為 25，查表 75取管間距 a=32mm. 換熱器殼體直徑的確定 lbaDi 2)1( ??? (22) 其中 壁邊緣的距離為最外層管子中心到殼l 取 dl 2? ， ? ?mm8682522)125(32 ???????iD ， 查表 25，圓整后取殼體內(nèi)徑 9?iD 00mm 化工與材料學(xué)院 09級本科生化工機(jī)械設(shè)備課程設(shè)計 12 換熱器殼體壁厚計算及校核 材料選用 20R 計算壁厚為：ctic pDp ?? ??? ][2 , (23) 式中 :pc 為計算壓力，取 pc =； ?iD 700mm。在高溫下一般材料的機(jī)械性能及耐腐蝕性能要下降。 所設(shè)計換熱器用于半水煤氣和變換氣的傳熱，粘度較小，不易結(jié)垢，不易腐蝕管道，所以選用浮頭式換熱器，浮頭便于拆卸、清洗，且半水煤氣走殼程也方便散熱，與冷卻介質(zhì)溫差較大，也避免產(chǎn)生溫差應(yīng)力產(chǎn)生管道變形。 圖 12 浮 頭式換熱器 特點：該種換熱器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、笨重，造價比固定管板式要高出約 20％，材料的消耗量較大，浮頭的端蓋在操作中無法檢查，所以安裝時要特別注意其密封，以免發(fā)生內(nèi)漏，且管束和殼體間隙較大，設(shè)計 時避免短路。為保證換熱器的使用性能 , 可在殼程入口加裝 防沖板 , 對介質(zhì)沖刷起到緩沖的作用 , 保護(hù)管束不受沖擊 。 對于小于 300mm 的換熱器 , 為使管束排列緊湊 , 可采用同心圓排列。當(dāng)換熱器冷、熱流體的溫度沿傳熱面變化時 , 兩種流體逆流平均溫差最大 , 順流平均溫差最小 , 在實際換熱器設(shè)計中 , 冷、熱流體多采用交錯流方式 , 其平均對數(shù)溫差介于逆流和順流之間。 殼層強(qiáng)化傳熱 傳統(tǒng)的管殼式換熱器 , 流體在殼側(cè)流動存在著轉(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)。在 30 年代，殼管式換熱器的設(shè)計者，根據(jù)直接經(jīng)驗和在理想管束上的實驗數(shù)據(jù)，建立了很多正確的設(shè)計原則。 設(shè)計的目的與意義 換熱器是將熱流體的部分熱量傳遞給冷流體的設(shè)備， 以實現(xiàn)不同溫度流體間的熱能傳遞， 又稱熱交換器。常見的設(shè)備有涼水塔、洗滌塔、文氏管及噴射冷凝器等。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。在工程設(shè)計中，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，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）。間壁式換熱器的應(yīng)用廣泛，形式繁多。列管式換熱器的特點是結(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。 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。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)計和低壓力損失設(shè)計的方向發(fā)展。最近 , 英國 Cal Garin Ltd 公司開發(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。當(dāng)殼程介質(zhì)易結(jié)垢時 , 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。 、殼程進(jìn)、出口的設(shè)計 管程進(jìn)、出口管的設(shè)計。比較適合溫差不大或溫差大而殼層壓力不高的場合。固定管板式換熱器結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、造價低 , 每根換熱管可以單獨清洗和更換 , 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。 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。小直徑的管子可以承受 更大的壓力，而且管壁較??；同時，對于相同的殼徑，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。一般浮頭式換熱器受力較小，其厚度只要滿足密封性即可。 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。 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。 綜上，得換熱器開孔補強(qiáng)結(jié)構(gòu)如下圖： 圖 91 換熱器開孔補強(qiáng)結(jié)構(gòu)