【文章內(nèi)容簡介】 的一類換熱器。 雖然直接接觸式和蓄熱式換熱設(shè)備具有結(jié)構(gòu)簡單、制造容易等特點，但由于在換熱過程中，有高溫流體和低溫流體相互混合或部分混合，使其在應(yīng)用上受到限制。因此工業(yè)上所用換熱設(shè)備以間 壁式換熱器居多。 吉林化工學(xué)院油氣儲運課程設(shè)計 6 間壁式換熱器的類型也是多種多樣，從其結(jié)構(gòu)上大致可以分為： 一、管式換熱器 管殼式換熱器 （ 1）固定管板式換熱器 （ 2）浮頭式換熱器 B （ 3） U 型管式換熱器 套管式換熱器 蛇管換熱器 （ 1）沉浸式蛇管換熱器 （ 2）噴淋式蛇管換熱器 翅片管換熱器 二、板式換熱器 夾套換熱器 39。 平板式換熱器 螺旋板式換熱器 板翅式換熱器 傘板換熱器 螺旋板式換熱器 三、熱管換熱器 不同的換熱器各有自己的優(yōu)缺點和使用條件。一般來說，板式換熱器單 位體積的傳熱面積較大、設(shè)備緊湊 )/1500~250( 32 mm ，低耗材 )/15( 3mkg ，傳熱系數(shù)大，熱損失小。但承壓能力較低，工作介質(zhì)的處理量較小，且制造加工較復(fù)雜，成本較高。而管式換熱器雖然在傳熱性能和設(shè)備的緊湊性上不及板式換熱器，但它具有結(jié)構(gòu)較簡單、加工制造比較容易，結(jié)構(gòu)堅固，性能可靠，適應(yīng)面廣等突出優(yōu)點，因此被廣泛用于化工生產(chǎn)中。 列管式換熱器是最典型的管殼式換熱器，它在工業(yè)上的應(yīng)用有著悠久的歷史，而且至今仍在所有換熱器中 )/1500~250( 32 mm 占據(jù)主導(dǎo)地位。列管式換熱器設(shè)計資料個數(shù)據(jù)比較完善，目前在許多國家已有系列化標(biāo)準(zhǔn)。 圖 21 列管式換熱器 列管式換熱器有以下幾種： 1）固定管板式換熱器 固定管板式換熱器的兩端管板和殼體制成一體，管子則固定與管板上，它的結(jié)吉林化工學(xué)院油氣儲運課程設(shè)計 7 構(gòu)簡單；在相同的殼體直徑內(nèi)，排管最多，比較緊湊；由于這種結(jié)構(gòu)使殼側(cè)清洗困難，所以殼程宜用于不易結(jié)垢和清潔的流體。當(dāng)管束和殼體之間的溫差太大而產(chǎn)生不同的熱膨脹時，常會使管子與管板的接口脫開，從而發(fā)生介質(zhì)的泄漏。為此常在外殼上焊一膨脹節(jié)，但它僅能減小而不能完全消除由 于溫差而產(chǎn)生的熱應(yīng)力，且在多程換熱器中，這種方法不能照顧到管子的相對移動。 由此可見，這種換熱器比較適合用于溫差不大或溫差較大但殼程壓力不高的場合。 特點：結(jié)構(gòu)簡單，造價低廉，殼程清洗和檢修困難，殼程必須是潔凈不易結(jié)垢的物料。 圖 22 固定管板式換熱器 2） U 形管式換熱器 U 形管式換熱器僅有一個管板，管子兩端均固定于同一管板上。這類換熱器的特點是：管束可以自由伸縮，不會因管殼之間的溫差而產(chǎn)生熱應(yīng)力，熱補(bǔ)償性能好；管程為雙管程，流程較長，流速較高，傳熱性能較好；承壓能力強(qiáng)；管束可以從殼體內(nèi)抽 出，便于檢修和清洗，且結(jié)構(gòu)簡單，造價便宜。但管內(nèi)清洗不便，管束中間部分的管子難以更換，又因最內(nèi)層管子彎曲半徑不能太小，在管板中心部分布管不緊湊，所以管子數(shù)不能太多，且管束中心部分存在間隙，使殼程流體易于短路而影響殼程換熱。此外，為了彌補(bǔ)彎管后管壁的減薄，直管部分必須用壁較厚的管子。這就影響了它的使用場合，僅宜用于管殼壁溫度相差較大，或殼程介質(zhì)易結(jié)垢而管程介質(zhì)不易結(jié)垢，高溫、高壓、腐蝕性強(qiáng)的情形。 特點：結(jié)構(gòu)簡單，質(zhì)量輕，適用于高溫和高壓的場合。管程清洗困難，管程流體必須是潔凈和不易結(jié)垢的物料。 圖 23 U 型管式換熱器 吉林化工學(xué)院油氣儲運課程設(shè)計 8 浮頭式換熱器 浮頭式換熱器針對固定管板式的缺陷做了結(jié)構(gòu)上的改進(jìn)。兩端管板只有一端與殼體完全固定，另一端則可相對于殼體作某些移動，該端稱之為浮頭。此類換熱器的管束膨脹不受殼體的約束，所以殼體與管束之間不會由膨脹量的不同而產(chǎn)生熱應(yīng)力。而且在清洗和檢修時，僅需將管束從殼體中抽出即可，所以能使用于管殼壁間溫差較大，或易于腐蝕和易于結(jié)垢的場合。但該類換熱器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、笨重，造價約比固定管板式高 20%左右，材料消耗量大，而且由于浮頭的端蓋在操作中無法檢查，所以在制造和安裝時要特別注 意其密封，以免發(fā)生內(nèi)漏，管束和殼體的間隙較大，在設(shè)計時要避免短路。至于殼程的壓力也受滑動接觸面的密封限制。 特點：結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價高，便于清洗和檢修，完全消除溫差應(yīng)力，應(yīng)用普遍。 圖 24 浮頭式換熱器 4）填料函式換熱器 此類換熱器的管板也僅有一端與殼體固定，另一端采用填料函密封。它的管束也可自由膨脹，所以管殼之間不會產(chǎn)生熱應(yīng)力，且管程和殼程都能清洗，結(jié)構(gòu)較浮頭式簡單，造價較低，加工制造方便，材料消耗較少。但由于填料密封處易于泄漏，故殼程壓力不能過高，也不宜用于易揮發(fā)、易燃、易爆、有毒的場合 。 圖 25 填料函式換熱器 隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，各種不同型式和種類的換熱器發(fā)展很快，新結(jié)構(gòu)、吉林化工學(xué)院油氣儲運課程設(shè)計 9 新材料的換熱器不斷涌現(xiàn)。為了適應(yīng)發(fā)展的需要，我國對某些種類的換熱器已經(jīng)建立了標(biāo)準(zhǔn)，形成了系列。完善的換熱器在設(shè)計或選型時應(yīng)滿足以下基本要求： （ 1） 合理地實現(xiàn)所規(guī)定的工藝條件； （ 2） 結(jié)構(gòu)安全可靠； （ 3） 便于制造、安裝、操作和維修； （ 4） 經(jīng)濟(jì)上合理。 浮頭式換熱器的一端管板與殼體固定，而另一端的管板可在殼體內(nèi)自由浮動，殼體和管束對膨脹是自由的，故當(dāng)兩 張介質(zhì)的溫差較大時，管束和殼體之間不產(chǎn)生溫差應(yīng)力。浮頭端設(shè)計成可拆結(jié)構(gòu)，使管束能容易的插入或抽出殼體。（也可設(shè)計成不可拆的）。這樣為檢修、清洗提供了方便。但該換熱器結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，而且浮動端小蓋在操作時無法知道泄露情況。因此在安裝時要特別注意其密封。 浮頭換熱器的浮頭部分結(jié)構(gòu)，按不同的要求可設(shè)計成各種形式，除必須考慮管束能在設(shè)備內(nèi)自由移動外，還必須考慮到浮頭部分的檢修、安裝和清洗的方便。 在設(shè)計時必須考慮浮頭管板的外徑 0D 。該外徑應(yīng)小于殼體內(nèi)徑 iD ，一般推薦浮頭管板與殼體內(nèi)壁的間隙 mmb 5~31 ? 。這樣，當(dāng)浮頭出的鉤圈拆除后，即可將管束從殼體內(nèi)抽出。以便于進(jìn)行檢修、清洗。浮頭蓋在管束裝入后才能進(jìn)行裝配，所以在設(shè)計中應(yīng)考慮保證浮頭蓋在裝配時的必要空間。 鉤圈對保證浮頭端的密封、防止介質(zhì)間的串漏起著重要作用。隨著幞頭式換熱器的設(shè)計、制造技術(shù)的發(fā)展，以及長期以來使用經(jīng)驗的積累，鉤圈的結(jié)構(gòu)形式也得到了不段的改進(jìn)和完善。 鉤圈一般都為對開式結(jié)構(gòu)，要求密封可靠，結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、便于制造和拆裝方便。 浮頭 式換熱器以其高度的可靠性和廣泛的適應(yīng)性，在長期使用過程中積累了豐富的經(jīng)驗。盡管近年來受到不斷涌現(xiàn)的新型換熱器的挑戰(zhàn)，但反過來也不斷促進(jìn)了自身的發(fā)展。故迄今為止在各種換熱器中扔占主導(dǎo)地位。 管子 構(gòu)成換熱器的傳熱面，管子尺寸和形狀對傳熱有很大影響。采用小直徑的管子時，換熱器單位體積的換熱面積大一些，設(shè)備比較緊湊，單位傳熱面積的金屬消耗量少，傳熱系數(shù)也較高。但制造麻煩，管子易結(jié)垢， 不易清洗。大直徑管子用于粘性大或者污濁的流體，小直徑的管子用于較清潔的流體。 管子材料的選擇應(yīng)根據(jù)介質(zhì)的壓力、溫度及腐蝕性來確定。 換熱器的管子在管板上的排列不單考慮設(shè)備的緊湊性，還要考慮到流體的性質(zhì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計以及加工制造方面的情況。管子在管板上的標(biāo)準(zhǔn)排列形式有四種：正三角形和轉(zhuǎn)角正三角形排列，適用與殼程介質(zhì)清潔，且不需要進(jìn)行機(jī)械清洗的場合。正方形和轉(zhuǎn)角正方形排列，能夠使管間的小橋形成一條直線通道，便于用機(jī)械進(jìn)行清吉林化工學(xué)院油氣儲運課程設(shè)計 10 洗，一般用于管束可抽出管間清洗的場合。 另外對于多管程換熱器，常采用組合排列方法，其每一 程中一般都采用三角形排列，而各程之間則常常采用正方形排列，這樣便于安排隔板位置。 當(dāng)換熱器直徑較大，管子較多時，都必須在管束周圍的弓形空間內(nèi)盡量配置換熱管。這不但可以有效地增大傳熱面積，也可以防止在殼程流體在弓形區(qū)域內(nèi)短路而給傳熱帶來不利影響。 管板上換熱管中心距的選擇既要考慮結(jié)構(gòu)的緊湊性，傳熱效果，又要考慮管板的強(qiáng)度和清洗管子外表面所需的空間。除此之外，還要考慮管子在管板上的固定方法。若間距太小，當(dāng)采用焊接連接時，相鄰兩根管的焊縫太近，焊縫質(zhì)量受熱影響不易得到保證；若采用脹接，擠壓力可能造成管板發(fā)生過 大的變形，失去管子和管板間的結(jié)合力。一般采用的換熱管的中心距不小于管子外徑的 倍。 當(dāng)換熱器多需的換熱面積較大，而管子又不能做的太長時，就得增大殼體直徑，以排列較多的管子。此時為了提高管程流速，增加傳熱效果，須將管束分程，使流體依次流過各程管束。 為了把換熱器做成多管程，可在一端或兩端的管箱中分別安置一定數(shù)量的隔板。 浮頭式換熱器的優(yōu)缺點： 優(yōu)點： （ 1）管束可以抽出，以方便清洗管、殼程； （ 2）介質(zhì)間溫差不受限制； （ 3）可在高溫、高壓下工作，一般溫度小于等于 450 度，壓力小 于等于 兆帕； （ 4）可用于結(jié)垢比較嚴(yán)重的場合； （ 5）可用于管程易腐蝕場合。 缺點： （ 1）小浮頭易發(fā)生內(nèi)漏； （ 2）金屬材料耗量大，成本高 20%； （ 3）結(jié)構(gòu)復(fù)雜 綜合上述情況，本次設(shè)計采用浮頭式換熱器。 流動空間的選擇 在管殼式換熱器的計算中，首先需決定何種流體走管程，何種流體走殼程，這需遵循一些一般原則。 （ 1）應(yīng)盡量提高兩側(cè)傳熱系數(shù)較小的一個，使傳熱面兩側(cè)的傳熱系數(shù)接近。 （ 2）在運行溫度較高的換熱器中，應(yīng)盡量減少熱量損失，而對于一些制冷裝置，應(yīng)盡量減 少其冷量損失。 （ 3）管、殼程的決定應(yīng)做到便于清洗除垢和修理，以保證運行的可靠性。 吉林化工學(xué)院油氣儲運課程設(shè)計 11 （ 4）應(yīng)減小管子的殼體因受熱不同而產(chǎn)生的熱應(yīng)力。從這個角度來說，順流式就優(yōu)于逆流式，因為順流式進(jìn)出口端的溫度比較平均，不像逆流式那樣，熱、冷流體的高溫部分均集中于一端，低溫部分集中于另一端，易于因兩端脹縮不同而產(chǎn)生熱應(yīng)力。 （ 5）對于有毒的介質(zhì)或氣相介質(zhì)，必使其不泄漏，應(yīng)特別注意其密封，密封不僅要可靠，而且還應(yīng)要求方便及簡單。 （ 6）應(yīng)盡量避免采用貴金屬，以降低成本。 以上這些原則有些事相互矛盾的，所以在具體設(shè)計時應(yīng)綜合考慮 ，決定哪一種流體走管程，哪一種流體走殼程。 宜于通入管內(nèi)空間的流體 1）不清潔的流體 因為在管內(nèi)空間得到較高的流速并不困難，而流速高，懸浮物不易沉積，且管內(nèi)空間也便于清洗。 2）體積小的流體 因為管內(nèi)空間的流動截面往往比管外空間的截面小，流體易于獲得必要的理想流速，而且也便于做成多程流動。 3）有壓力的流體 因為管子承壓能力強(qiáng)，而且還簡化了殼體密封的要求。 4）腐蝕性強(qiáng)的流體 因為只有管子及官箱才需用耐腐蝕材料，而殼體及管外空間的所有零件均可用普通材料制造，所以造價可以降低。此外，在管內(nèi)空 間裝設(shè)保護(hù)用的襯里或覆蓋層也比較方便，并容易檢查。 5）與外界溫差大的流體 因為可以減少熱量的逸散。 宜用于通入管間空間的流體 1）當(dāng)兩流體溫度相差較大時， α值大的流體走管間 這樣可以減少管壁與殼壁間的溫度差 ,因而也減小了管束與殼體間的相對伸長，故溫差應(yīng)力可以降低。 2）若兩流體給熱性能相差較大時， α值小的流體走管間 此時可以用翅片管來平衡傳熱面兩側(cè)的給熱條件，使之相互接近。 3）飽和蒸汽 對流速和清理無甚要求，并易于排除冷凝液。 4）粘度大的流體 管間的流動截面和方向都在不斷變化，在低雷諾數(shù)下，管 外給熱系數(shù)比管內(nèi)的大。 5）泄漏后危險性大的流體 吉林化工學(xué)院油氣儲運課程設(shè)計 12 可以減少泄漏機(jī)會，以保安全。 此外，易析出結(jié)晶、沉渣、淤泥以及其他沉淀物的流體，最好通入比較更容易進(jìn)行機(jī)械清洗的空間。在管殼式換熱器中，一般易清洗的是管內(nèi)空間。但在 U 形管、浮頭式換熱器中易清洗的都是管外空間。 所以，此次方案設(shè)計循環(huán)水走管程，柴油走殼程。 流速的確定 當(dāng)流體不發(fā)生相變時，介質(zhì)的流速高，換熱強(qiáng)度大，從而可使換熱面積減少、結(jié)構(gòu)緊湊、成本降低，一般也可抑止污垢的產(chǎn)生。但流速大也會帶來一些不利的影響，諸如壓降 P? 增加，泵功率增大，且加劇了對傳熱面的沖刷。 換熱器常用流速的范圍見表 21 和表 22。 表 21 換熱器常用流速的范圍 介質(zhì) 流速 循環(huán)水 新鮮水 一般液體 易結(jié)垢液體 低粘度液體 高粘度液體 氣體 管程流速，sm/ ~ ~ ~ ? ~ ~ 30~5 殼程流速，sm/ ~ ~ ~ ? ~ ~ 15~2 表 22 列管式換熱器易燃、易爆液體和氣體允許的安全流速 液體名稱 乙醚、二硫化碳、苯 甲醇、乙醇、汽油 丙酮 氫氣 安全流速， sm/ 1? 3~2? 10? 8? 加熱劑、冷卻劑的選擇 用換熱器解決物料的加熱冷卻時，還要考慮加熱劑（熱源）和冷卻劑（冷源）的選用問題。 可以用作加熱劑和冷卻劑的物料 有很多，列管式換熱器常用的加熱劑有飽和水蒸氣、煙道氣和熱水等，常用的冷卻