【文章內(nèi)容簡介】 了新型換熱器的挑戰(zhàn) ,但由于管殼式熱交換器具有結(jié)構(gòu)簡單、牢固、操作彈性大、應(yīng)用材料廣等優(yōu)點 ,管殼式換熱器目前仍是化工、石油和石化行業(yè)中使用的主要類型換熱器 ,尤其在高溫、高壓和大型換熱設(shè)備中仍占有絕對優(yōu)勢。 本設(shè)計要用到的 熱交換器 是 固定管板 式換熱器 ，它是 管殼式換熱器 最為廣泛使用的。 管殼式換熱器又稱列管式換熱器。是以封閉在殼體中管束的壁面作為傳熱面的間壁式換熱器。這種換熱器結(jié)構(gòu)較簡單，操作可靠，可用各種結(jié)構(gòu)材料（ 主要是金屬材料）制造，能在高溫、高壓下使用，是目前應(yīng)用最廣的類型。 現(xiàn)簡述一下 管殼式換熱器 的結(jié)構(gòu)和類型。 結(jié)構(gòu) 由殼體、傳熱管束、管板、折流板（擋板）和管箱等部件組成。殼體多為圓筒形，內(nèi)部裝有管束，管束兩端固定在管板上。進行換熱的冷熱兩種流體，一種在管內(nèi)流動，稱為管程流體；另一種在管外流動，稱為殼程流體。為提高管外流體的傳熱分系數(shù)，通常在殼體內(nèi)安裝若干擋板。擋板可提高殼程流體速度，迫使流體按規(guī)定路程多次 橫向通過管束，增強流體湍流程度。換熱管在管板上可按等邊三角形或正方形排列。等 邊三角 形排列較緊湊，管外流體湍動程度高，傳熱分系數(shù)大；正方形排列則管外清洗方便，適用于易結(jié)垢的流體 。 流體每通過管束一次稱為一個管程；每通過殼體一次稱為一個殼程。為提高管內(nèi)流體速度 ,可在兩端管箱內(nèi)設(shè)置隔板，將全部管子均分成若干組。這樣流體每次只通過部分管子，因而在管束中往返多次，這稱為多管程。同樣，為提高管外流速，也可在殼體內(nèi)安裝縱向擋板，迫使流體多次通過殼體空間，稱為多殼程。多管程與多殼程可配合應(yīng)用。 類型 由于管內(nèi)外流體的溫度不同，因之換熱器的殼體與管束的溫度也不同。如果兩溫度相差很大，換熱器內(nèi)將產(chǎn) 生很大熱應(yīng)力，導(dǎo)致管子彎曲、斷裂，或從管板上拉脫。因此，當(dāng)管束與殼體溫度差超過 50℃ 時，需采取適當(dāng)補償措施，以消除或減少熱應(yīng)力。根據(jù)所采用的補償措施，管殼式換熱器可分為以下幾種主要類型： ① 固定管板式換熱器 管束兩端的管 板與殼體聯(lián)成一體，結(jié)構(gòu)簡單 ,但只適用于 冷熱流體溫度差不大 ,且殼程不需機械清洗 時的換熱操作。當(dāng)溫度差稍大而殼程壓力 又不太高時，可在殼體上安裝有彈性的補償 圈，以減小熱應(yīng)力。 其結(jié)構(gòu)如 圖 11 所示： ② U 型管換熱器 每根換熱管皆彎成 U 形， 兩端分別固定在同一管板上下兩區(qū)，借 助 于管箱內(nèi)的隔板分成進出口兩室。此種換 熱器完全消除了熱應(yīng)力，結(jié)構(gòu)比浮頭式簡 單，但管程不易清洗。 其結(jié)構(gòu)如 圖 12 所示： ③ 浮頭式換熱器 浮頭式換熱器的特點是有 一端管板不與外殼連為一體，可以沿軸向 自由浮動。這種結(jié)構(gòu)不但完全消除了熱應(yīng) 圖 11 固定管板式換熱器 圖 12 U 型管換熱器 力的影響，且由于固定端的管板以法蘭與 殼體連接，整個管束可以從殼體中抽出， 因此便于清洗和檢修。故浮頭式換熱器應(yīng) 用較為普遍，但它的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，造價較高。其結(jié)構(gòu)如 圖 13 所示： 第二章 工藝流程及設(shè)計方案 一、設(shè)計相關(guān)工藝流程 工業(yè)上采用的雙酶法一 水α 口服葡萄糖液化常用以下工藝流程圖來進行大批生產(chǎn)，該過程主要是將處理好的淀粉漿先通過離心泵輸送到液化罐液化，經(jīng)過了五個液化罐工序，得到了 1050C 的液化液。然后通過蒸汽分離器后輸入另一液化罐，再次用離心泵將已冷卻為 900C 的液化液通過換熱器冷卻為 600C，以達到糖化所需要溫度，達到了生產(chǎn)目的。 圖 14 雙酶法一水α 口服葡萄糖液化工藝流程示意圖 可見在生產(chǎn)過程中，需要進行冷卻這一單元操作，這一操作就與 換熱器緊密相連。其實，化工生產(chǎn)過程中，其操作環(huán)境大都是在高于或者低 于正常環(huán)境溫度下發(fā)生的。無論是在能源、宇航、化工、動力、冶金、機械、建筑等工業(yè)，還是在農(nóng)業(yè)、環(huán)境保護等其他部門中都涉及到許多有關(guān)傳熱問題。所以，換熱器的設(shè)計與選型是工程上一大重點問題。本設(shè)計是通過 雙酶法一水α 口服葡萄糖液化工藝流程，主要針對傳熱操作中 冷卻換熱器的設(shè)計。 二、設(shè)計方案 淀粉漿 涉 及 冷 卻換熱器的設(shè)計 圖 13 浮頭式換熱器 C0105 C095 600C 設(shè)計任務(wù) 設(shè)計任務(wù)要求設(shè)計 雙酶法一水 α 口服葡萄糖液化液冷卻用換熱器 ，指定年生產(chǎn)量 111100 噸，年開工時間為 8000 小時，用循環(huán)冷卻水將其從 95℃進一步冷卻至 60℃之后，進入糖化罐糖化，管程殼程壓降不大于 30Kpa ，循 環(huán)水的入口溫度為 34℃，出口溫度為 42℃ ，試設(shè)計一臺列管式換熱器，完成該生產(chǎn)任務(wù)。 2．設(shè)計方案的確定 （ 1）、選擇換熱器的類型 ① 在換熱器中，哪一種流體流經(jīng)管程，哪一種流經(jīng)殼程，下列幾點可作為選擇的一般原則： a) 不潔凈或易結(jié)垢的液體宜在管程，因管內(nèi)清洗方便。 b) 腐蝕性流體宜在管程，以免管束和殼體同時受到腐蝕。 c) 壓力高的流體宜在管內(nèi)，以免殼體承受壓力。 d) 飽和蒸汽宜走殼程，因飽和蒸汽比較清潔，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)與流速無關(guān)，而且冷凝液容易排出。 e) 流量小而粘度大（ ）的流體一般以殼程為宜，因在殼程 Re100 即可達到湍流。但這不是絕對的，如流動阻力損失允許，將這類流體通入管內(nèi)并采用多管程結(jié)構(gòu)，亦可得到較高的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。 f) 若兩流體溫差較大，對于剛性結(jié)構(gòu)的換熱器，宜將表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)大的流體通入殼程，以減小熱 應(yīng)力。 g) 需要被冷卻物料一般選殼程，便于散熱。 ②兩流體溫的變化情況：液化液（熱流體）進口溫度 95℃ 出口溫度 60℃；冷流體進口溫度 34℃，出口溫度為 42℃，該換熱器用冷卻水冷卻，冬季操作時，其進口溫度會降低，考慮到這一因素，估計該換熱器的管壁溫度和殼體溫度之差較大，因此初步確定選用最為廣泛使用的浮頭式換熱器。 （ 2）、管程安排確定 由于循環(huán)冷卻水較易結(jié)垢，若其流速太低，將會加快污垢增長速度，使換熱器的熱流量下降，水適合走管程；并且待冷卻的液化液流體黏度比較大，適合走殼程。故綜上分析流程選擇冷 卻水走交換器的管程，液化液走其殼程。 （ 3）冷熱流體物性數(shù)據(jù)的確定 定性溫度：對于一般氣體和水等低黏度流體，其定性溫度可取流體進出口溫度的平均值。故殼程液化液的定性溫度為： T=26095? =℃ 管程流體的定性溫度為： t= 382 4234 ?? ℃ 而殼程和管程流體的有關(guān)物理性質(zhì)數(shù)據(jù)設(shè)計條件已經(jīng)給出，為方便設(shè)計，現(xiàn)將在定性溫度下流體物性列于附表 1— 1 中： 流體 流程安 排 定性溫度（℃） 密度（ kg/m3） 比熱容KJ/(kg.℃) 黏度 （ ） 導(dǎo)熱系數(shù)KJ/(m.℃ ) 液化液 殼程 1076 103 冷卻水 管程 38 103 附表 1— 1 殼程和管程流體的有關(guān)物理性質(zhì)數(shù)據(jù) （ 4）、設(shè)計方案思路 第三章 設(shè)備計算及 設(shè)計 一、傳熱面積的估算 計算熱負荷和冷卻水的流量 按照設(shè)計任務(wù)， 液化液處理量： 100000 噸 /年 ＋ 班號 10000 噸 /年 ＋ 學(xué)號 100 噸 /年，而本人學(xué)號為 11號，故設(shè)計的處理量為 ： 年噸 /1 1 1 1 0 01 0 0111 0 0 0 011 0 0 0 0 0 ??????W 而年開工時間為 8000 小時，所以實際 設(shè)計的處理量為 ： hkgh kg /138888000 10111100 W 3h ??? 根據(jù) 0S 選用換熱器型號 選取一合適 K 計算實際的sosiic RRK , 0 ?? mcc tKQA ??需 由傳熱任務(wù)確定換熱器型式、流程并計算 Q、mt? 確定傳熱面積 20 mtKQS ?? 面積裕度需需實ccp A AAH ?? 15~20% 選用結(jié)果 計算管、殼程壓強降 否 是 N Y K 不符 K 符 熱負荷量 WTTCWQ phh 2430403600 )6095()( 321 ???????? 所需冷卻水的流量： hkgttc Qw pcc /26202)3442( 3600243040)( 312 ＝??? ???? 平均 傳熱溫差 先按逆流來計算，由逆流時的平均溫差公式： Ctttttm ?34604295ln