【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 應(yīng)嚴(yán)防分程隔板的泄露，以防止流體的短路。 殼程結(jié)構(gòu) 介質(zhì)流經(jīng)傳熱管外面的通道部分成為殼程。 殼程內(nèi)的結(jié)構(gòu)，主要是由折流板、支承板、縱向隔板、旁路擋板及緩沖板等元件組成。由于各種換熱器的工藝性能、使用的場(chǎng)合不同，殼程內(nèi)對(duì)各種元件的設(shè)置型式 亦不同，以此來(lái)滿足設(shè)計(jì)的要求。各元件在殼程的設(shè)置，按其不同的作用可分為兩類：一類為了殼側(cè)介質(zhì)對(duì)傳熱管最有效的流動(dòng)，來(lái)提高換熱器的傳熱效果而設(shè)置的各種擋板，如折流板、縱向擋板、旁路擋板等；另一類為了管束的安裝及保護(hù)列管而設(shè)置的支承板、管束的導(dǎo)軌以及緩沖板等。 ?殼體 殼體是一個(gè)圓筒形的容器，殼壁上焊有接管，供殼程流體進(jìn)入和排出之用。直徑小于 400mm 的殼體通常用鋼管制成，大于 400mm 的可用鋼板卷焊而成。 介質(zhì)在殼程的流動(dòng)方式有多種形式，單殼程型式應(yīng)用最為普遍。如殼側(cè)傳熱系數(shù)遠(yuǎn)小于管側(cè)，則可以縱向的擋板分隔成 雙殼程型式。用兩個(gè)換熱器串聯(lián)也可達(dá)到同樣的效果。為降低殼程壓降，可采用分流或錯(cuò)流等型式。 殼體內(nèi)徑 D取決于傳熱管數(shù) N、排列方式和管心距 t。計(jì)算式如下： 單管程： D=t( ﹣ 1)﹢﹙ 2～ 3） d。 ………………………………（ 11） 式中 t管心距， mm； d。 換熱管外徑， mm； —— 橫過(guò)管束中心線的管數(shù)，該值與管子排列方式有關(guān)。 正三角形排列： = N ………………………………（ 12） 正方形排列： N? ………………………………（ 13） 多管程： D /tN ?? ……………………………………（ 14） 式中 N— 排列管子數(shù) ? — 管板利用率。 13 正三角形排列： 2 管程 ? =～ ﹥ 4管程 ? =～ 正方形排列： 2管程 ? =～ ﹥ 4 管程 ? =～ 殼體內(nèi)徑 D的計(jì)算值最終應(yīng)圓整到標(biāo)準(zhǔn)值。 ?折流板 在殼程管束中 ，一般都裝有橫向折流板，用以引導(dǎo)流體橫向流過(guò)管束，增加流體流速，以增強(qiáng)傳熱；同時(shí)起支撐管束、防止管束振動(dòng)和管子彎曲的作用。 折流板的型式由圓缺型、環(huán)盤型和孔流型等。 如圖 2所示。（ a）水平圓缺 (b) 垂直圓缺 (c) 環(huán)盤型 圖 2折流板型式 ?緩沖板 在殼程進(jìn)口接管處常裝有防沖擋板，或稱緩沖板。它可防止進(jìn)口流體直接沖擊管束而造成管子的侵蝕和管束振動(dòng)，還有使流體沿管束均勻分布的作用。也有在管束兩端放置導(dǎo)流筒，不僅起到防沖板的作用，還可改善兩端流體的分布，提高傳熱效率。 14 ?其他主要附件 ①旁通擋板 如果 殼體和管束之間間隙過(guò)大，則流體不通過(guò)管束而通過(guò)這個(gè)間隙旁通，為了防止這種情形，往往采用旁通擋板。 ②假管 為減少管程分程引起的中間穿流的影響，可設(shè)置假管。假管的表面形狀為兩端堵死的管子，安置于分程隔板槽背面兩管板之間但不穿過(guò)管板，可與折流板焊接以便固定。假管通常是每隔 3～ 4排換熱管安置一根。 ③拉桿和定距管 為了使折流板能牢靠地保持在一定位置上，通常采用拉桿和定距管。 15 第 2章 設(shè)計(jì) 方案確定 設(shè)計(jì)任務(wù)及操作條件 （ 5） 處理能力 ?104t/a 煤油 （ 6） 設(shè)備形式 列管式換熱器 （ 7） 操作條件 ⑤ 煤油：入口溫度 140℃，出口溫度 40℃。 ⑥ 冷卻介質(zhì)：循環(huán)水，入口溫度 30℃，出口溫度 40℃。 ⑦ 允許壓降：不大于 105Pa。 ⑧ 煤油定性溫度下的物性數(shù)據(jù)： 密度 ： ρ c＝ 825kg/m3 黏 度 ： μ c＝ ﹒ s 定壓比熱容 ： Cpc＝ (kg﹒℃ ） 熱導(dǎo) 系數(shù)： λ c＝ (m﹒℃ ) ⑤每年按 330 天計(jì)，每天 24 小時(shí)連續(xù)運(yùn)行。 （ 8） 建廠地址 天津地區(qū) 設(shè)計(jì)要求： 選擇適宜的列管式換熱器并進(jìn)行核算。 設(shè)計(jì)方案 的確定 ?換熱器類型的選擇 在列管式換熱器內(nèi)，由于管內(nèi)、外流體溫度不同，殼體和管束的溫度及其熱膨脹的程度也不同。若兩者溫差較大，就可能引起很大的內(nèi)應(yīng)力，使設(shè)備變形、管子彎曲、斷裂甚至從板上脫落。因此，必須采取適當(dāng)?shù)拇胧?，以消除或減少熱應(yīng)力的影響。此外，有的流體易于結(jié)垢，有的腐蝕性較大，也要求換熱器便于清洗和修理。目前，已有幾種不同型式的換熱器系列化生產(chǎn)，以滿足不同的工藝需要。其類型參見前言所述。 ?流動(dòng)空間的選擇 在管殼式換熱器的計(jì)算中，首先需要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。 16 ① 應(yīng)盡量提高兩側(cè)傳熱系數(shù)較小的一個(gè)，使傳熱面兩側(cè)的傳熱系數(shù)接近。 ② 在運(yùn)行溫度較高的換熱器中，應(yīng)盡量減少熱量損失，而對(duì)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(yùn)行的可靠性。 ④ 應(yīng)減小管子和殼體因受熱不同而產(chǎn)生的熱應(yīng)力。從這個(gè)角度來(lái)說(shuō)，順流式就優(yōu)于逆流式，因?yàn)轫樍魇竭M(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(duì)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(jiǎn)單。 ⑥ 應(yīng)盡量避免采用貴金屬，以降低成本。 以上這些原則有些是相互矛盾的，所以在具體設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)綜合考慮，決定哪一種流體走管程，哪一種流體走殼程。 ?流速的確定 當(dāng)流體不發(fā)生相變時(shí)，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(huì)帶來(lái)一些不利的影響，諸如壓降△ P增加，泵功率增大，且加劇了對(duì)傳熱面的沖刷。 ?加熱劑、冷卻劑的選擇 常用冷卻劑有水，空 氣，鹽水，氨蒸氣等。一般來(lái)說(shuō)，除低溫及冷凍外，冷卻劑應(yīng)優(yōu)先選用水，水的初溫應(yīng)當(dāng)由當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件決定；此外，應(yīng)注意： ①水與被冷卻流體冷端之間一般需有 5 ～ 35℃的溫度差。 ②水的出口溫度不宜太高，如出口溫度超過(guò) 50℃時(shí)，溶解于水中的無(wú)機(jī)鹽要析出在壁面上形成污垢。因此，用未經(jīng)處理過(guò)的河水作冷卻劑時(shí)，其出口溫度一般不應(yīng)超過(guò) 50℃，否則會(huì)加快污垢的生成，大大增加傳熱阻力。 [02] 17 表 1 常用冷卻劑和加熱劑 冷卻劑名稱 溫度范圍 加熱劑名稱 溫度范圍 水（自來(lái)水，河水，井水） 空氣 冷凍鹽水 氨蒸 汽 0 ～ 80℃ , 30℃ 15～ 0℃ 用于低溫冷卻 15℃ 用于冷凍工業(yè) 飽和水蒸汽 煙道氣 180℃ 700 ～ 1000℃ ?流體出口溫度的確定 工藝流體的進(jìn)出口溫度是由工藝條件決定，加熱劑或冷卻劑的進(jìn)口溫度也是確定的，但其出口的溫度是由設(shè)計(jì)者選定的。該溫度直接影響加熱劑或冷卻劑的耗量和換熱器的大小，所以此溫度的確定有一個(gè)優(yōu)化問(wèn)題。 ?材質(zhì)的選擇 在進(jìn)行換熱器設(shè)計(jì)時(shí)，換熱器各種零、部件的材料，應(yīng)根據(jù)設(shè)備的操作壓力、操作溫度、流體的腐蝕性能以及對(duì)材料的制造工藝性能等的要求來(lái)選取。當(dāng)然 ，最后還要考慮材料的經(jīng)濟(jì)合理性。一般為了滿足設(shè)備的操作壓力和操作溫度，即從設(shè)備的強(qiáng)度或剛度的角度來(lái)考慮，是比較容易達(dá)到的，但材料的耐腐蝕性能，有時(shí)往往成為一個(gè)復(fù)雜的問(wèn)題。在這方面考慮不周，選材不妥，不僅會(huì)影響換熱器的使用壽命，而且也大大提高設(shè)備的成本。至于材料的制造工藝性能，是與換熱器的具體結(jié)構(gòu)有著密切關(guān)系。 一般換熱器常用的材料，有碳鋼和不銹鋼。 ①碳鋼 價(jià)格低，強(qiáng)度較高，對(duì)堿性介質(zhì)的化學(xué)腐蝕比較穩(wěn)定，很容易被酸腐蝕，在無(wú)耐腐蝕性要求的環(huán)境中應(yīng)用是合理的：如一般換熱器用的普通無(wú)縫鋼管，其常用的材料為 10 號(hào)和 20 號(hào)碳鋼。 ②不銹鋼 奧氏體系不銹鋼以 ICr18Ni9 為代表，它是標(biāo)準(zhǔn)的 18 ~8 奧氏體不銹鋼，有穩(wěn)定的奧氏體組織，具有良好的耐腐蝕性和冷加工性能。 18 列 管式換熱器是各種工程領(lǐng)域中最普遍應(yīng)用的熱交換裝置 ,其優(yōu)化設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)滿足熱交換任務(wù)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、經(jīng)濟(jì)性評(píng)估等多目標(biāo) .借助轉(zhuǎn)軸直接搜索可行方向法 (DSFD)的思想 ,計(jì)算了油 水換熱器的優(yōu)化設(shè)計(jì)模型 ,通過(guò)比較并加以分析優(yōu)化結(jié)果與常規(guī)設(shè)計(jì)結(jié)果 ,證明了煤油冷卻器的設(shè)計(jì)既達(dá)到了結(jié)構(gòu)合理 ,經(jīng)濟(jì)性好的目的 ,也具有根據(jù)不同需要得到其最優(yōu)方案的 靈活性 。 設(shè)計(jì)步驟 目前，我國(guó)已制定了管式換熱器系列標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)中應(yīng)盡可能選用系列化的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，這樣可簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)加工。但是實(shí)際生產(chǎn)條件千變?nèi)f化，當(dāng)系列化產(chǎn)品不能滿足需要時(shí)，仍應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)的具體要求而自行設(shè)計(jì)非系列標(biāo)準(zhǔn)的換熱器。 非系列標(biāo)準(zhǔn)換熱器的一般步驟 ①了解換熱流體的物理化學(xué)性質(zhì)和腐蝕性。 ②由熱平衡計(jì)算傳熱量的大小，并確定第二種換熱流體的用量。 ③決定流體通入的空間。 ④計(jì)算流體的定性溫度，以確定流體的物性數(shù)據(jù)。 ⑤初算流體的定性溫度，以確定流體的物性數(shù)據(jù)。 ⑥選取管徑和管內(nèi)流速。 ⑦ 計(jì)算傳熱系數(shù) K 值，包括管程對(duì)流傳熱系數(shù)和殼程對(duì)流傳熱系數(shù)的計(jì)算。由于殼程對(duì)流傳熱系數(shù)與殼徑、管束等結(jié)構(gòu)有關(guān)，因此一般先假定一個(gè)殼程對(duì)流傳熱系數(shù)，以計(jì)算 K值，然后再做校核。 ⑧初估傳熱面積?？紤]安全系數(shù)和初估性質(zhì)，因而常取實(shí)際傳熱面積式計(jì)算的 ～ 倍。 ⑨選擇管長(zhǎng) L。 ⑩計(jì)算管數(shù) N。 ○11校核管內(nèi)流速，確定管程數(shù)。 ○12畫出排管圖，確定管徑 D 和管程擋板形式及數(shù)量等。 ○13校核管程對(duì)流傳熱面積。 19 ○14校核有效平均溫差。 ○15校核傳熱面積，應(yīng)有一定安全系數(shù)，否則需重新設(shè)計(jì)。 ○16計(jì)算流體流動(dòng)阻力。如果阻力超過(guò)允許范圍，需調(diào)整計(jì)算，直至滿意為止。 20 第 3 章 設(shè)計(jì)計(jì)算 確定設(shè)計(jì)方案 ? 選擇換熱器類型 兩流體溫度變化情況：熱流體進(jìn)口溫度 140℃，出口溫度 40℃；冷流體（循環(huán)水）進(jìn)口溫度 30℃，出口溫度 40℃。該換熱器用循環(huán)冷卻水冷卻，天津處在我