【文章內(nèi)容簡介】 提高管程換熱系數(shù)。 殼程分程設(shè)計。為了提高換熱器傳熱能力 , 且不使換熱管太長 , 殼程利用橫向折流板或縱向折流板分程。殼程分程可增加對殼程換熱介質(zhì)的擾動 , 使殼程換熱介質(zhì)流速增加 , 流程加大 ,換熱介質(zhì)橫向沖刷擾動加大 , 提高換熱器傳熱能力。 折流板的結(jié)構(gòu)設(shè)計包括型式的確定 , 形狀的設(shè)計 , 缺口高度設(shè)計和折流板間距設(shè)計。換熱器殼程折流板可分為橫向折流板和縱向折流板 , 由于殼程加裝縱向折流板在制造工藝上較困難 , 而且造成殼程壓降增加 , 因此一般采用殼程加裝橫向折流板。殼程加裝橫向折流板后 , 殼程換熱介質(zhì)雷諾數(shù) Re0≥ 100 時 , 殼程介質(zhì)即達(dá)湍流 , 能有效提高換熱器的傳熱能力 , 橫向折流板常采用弓形和盤 環(huán)形 , 弓形折流板加工、制造和組裝較方便 , 使 化工與材料學(xué)院 09級本科生化工機械設(shè)備課程設(shè)計 6 用最普遍 , 盤 環(huán)形折流板主要用于小型換熱器中。在換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計中 , 合理設(shè)計折流板間距是保證殼 程換熱介質(zhì)的壓力降滿足設(shè)計要求的關(guān)鍵。 、殼程進(jìn)、出口的設(shè)計 管程進(jìn)、出口管的設(shè)計。管程進(jìn)、出口管徑在考慮管程壓降允許的條件下 , 通過計算確定管徑 , 其計算公式為ρω 23 300( ρ 為管程介質(zhì)密度 , kg/m3。 ω 為管程介質(zhì)進(jìn)、出口流速 , m/s) 。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。 對換熱器的使用壽命影響較大 , 特別是殼程換熱介質(zhì)流速較高或介質(zhì)中含有固體顆粒。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 。 為避免殼程入口流速過高 , 殼程介質(zhì)流速有一定的限制 : ρω 22 200。 選材方法 管殼式換熱器的選型 管殼式換熱器 有三種類型，分別為固定管板式換熱器、浮頭式換熱器、 U形管式換熱器和填料函式換熱器。 固定管板式： 固定管板式換熱器主要有外殼、管板、管束、封頭壓蓋等部件組成。固定管板式換熱器的結(jié)構(gòu)特點是在殼體中設(shè)置有管束，管束兩端用焊接或脹接的方法將管子固定在管板上，兩端管板直接和殼體焊接在一起，殼程的進(jìn)出口管直接焊 在殼體上，管板外圓周和封頭法蘭用螺栓緊固，管程的進(jìn)出口管直接和封頭焊在一起，管束內(nèi)根據(jù)換熱管的長度設(shè)置了若干塊折流板。這種換熱器管程可以用隔板分成任何程數(shù)。 圖 11 固定管板式換熱器 固定管板式換熱器結(jié)構(gòu)簡單，制造成本低，管程清洗方便，管程可以分成多程，殼程也可以分成雙程，規(guī)格范圍廣，故在工程上廣泛應(yīng)用。殼程清洗困難，對于較臟或有腐蝕性的介質(zhì)不宜采用。當(dāng)膨脹之差較大時，可在殼體上設(shè)置膨脹節(jié)，以減少因 化工與材料學(xué)院 09級本科生化工機械設(shè)備課程設(shè)計 7 管、殼程溫差而產(chǎn)生的熱應(yīng)力。 固定管板式換熱器的特點是：旁路滲流較?。辉靸r低；無內(nèi)漏。 在相同的殼體直徑內(nèi) ，排管較多，比較緊湊；殼側(cè)層清洗困難，加上膨脹節(jié)的方法不能照到管子的相對移動。比較適合溫差不大或溫差大而殼層壓力不高的場合。 固定管板式換熱器的缺點是，殼體和管壁的溫差較大，易產(chǎn)生溫差力，殼程無法清洗，管子腐蝕后連同殼體報廢，設(shè)備壽命較低，不適用于殼程易結(jié)垢場合。 浮 頭 式換熱器： 其兩端管板只有一端與殼體完全固定，另一端課相對于殼體作某些移動，該端稱之為浮頭。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。而且在清洗和檢修時，僅將管束從殼體中抽出即可。 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。該種換熱器比較適合管殼壁間溫差較大，或易于腐蝕和易于結(jié)垢的場合。 U型管式換熱器 僅有一個管板，管子兩端均固定于同一管板上。 圖 13 U型管式換熱器 這類換熱器的特點是：管束可以自由伸縮，不會因為管殼之間的溫差而產(chǎn)生熱應(yīng)力，熱補償性能好；管程為雙管程，流程較長，流速 化工與材料學(xué)院 09級本科生化工機械設(shè)備課程設(shè)計 8 較高，傳熱性能好；承 壓能力強；管束課從殼體內(nèi)抽出，便于檢修和清洗，造價便宜。但是管內(nèi)清洗不變，管束中間分布的管子難以更換，管板中心部分布管不緊湊，管子數(shù)目不能太多。僅適用于管殼壁溫相差較大，或殼程截止易于結(jié)垢而管程介質(zhì)不易結(jié)垢，高溫高壓腐蝕性強的情形。 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。 特點為它的管束也可以自由膨脹，所以管殼間不會產(chǎn)生熱應(yīng)力，且管程與殼程都能清洗。造價較低、加工制造簡便，材料消耗較少。填料密封處于泄露，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。 綜上可知，換熱器的使用場合、使用目的、換熱介質(zhì)物性等因素的不同 , 決定了管殼式換熱器的結(jié)構(gòu)型式。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。由于固定管板式換熱器的殼程清洗困難和適應(yīng)熱膨脹能力差 , 決定了固定管板式換熱器適用于換熱介質(zhì)清潔 , 殼程壓力不高 , 換熱介質(zhì)溫差不大的場合。浮頭式換熱器由于管束的熱膨脹不受殼體的約束 , 而且可拆卸抽出管束 ,檢修更換換熱管、清理管束和殼程污垢方便 , 因此 , 浮頭 式換熱器應(yīng)用最廣泛 , 在油田儲運集輸系統(tǒng)中 , 60% ～ 70% 的換熱器為浮頭式換熱器。 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。對于換熱器換熱介質(zhì)工作壓力高 , 管、殼程介質(zhì)密封要求嚴(yán)的場合 , 為確保換熱器管、殼程的密封 , 換熱器管束的設(shè)計一般采用 U 形管結(jié)構(gòu)的換熱器。 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。綜上所述，換熱 器選擇浮頭式，半水煤氣走殼程。 流徑的選擇 在具體設(shè)計時考慮到盡量提高兩側(cè)傳熱系數(shù)較小的一個，使傳熱面兩側(cè)傳熱系數(shù)接近；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；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。 參考標(biāo)準(zhǔn)： 不潔凈和易結(jié)垢的流體宜走便于清洗管子，浮頭式換熱器殼程便于清洗。 腐蝕性的流體宜走管內(nèi)，以免殼體和管子同時受腐蝕，而且管子也便于清洗和檢修。 壓強高的流體宜走管內(nèi)，以免殼體受壓，其中冷卻介質(zhì)循環(huán)水操作壓力 高，宜走管程。 飽和蒸氣宜走管間，以便于及時排除冷凝液，且蒸氣較潔凈，冷凝傳熱系數(shù)與流速關(guān)系不大。 被冷卻的流體宜走殼程，便于散熱，增強冷卻效果。 化工與材料學(xué)院 09級本科生化工機械設(shè)備課程設(shè)計 9 需要提高流速以增大其對流傳熱系數(shù)的流體宜走管內(nèi)，因管程流通面積常小于殼程，且可采用多管程以增大流速。 粘度大的液體或流量較小的流體，宜走殼程，因流體在有折流擋板的殼程流動時，由于流速和流向的不斷改變，在低 Re(Re100)下即可達(dá)到湍流，以提高對流傳熱系數(shù)。 若兩流體的溫度差較大，傳熱膜系數(shù)較大的流體宜走殼程，因為壁溫接近傳熱膜系數(shù)較大 的流體溫度，以減小管壁和殼壁的溫度差。 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。 流速的選擇 表 11 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 低粘度油 高粘度油 氣體 管程流速， m/s ~ ~ ~3 ~ ~ 5~30 殼程流速， m/s ~ ~ ~ ~ ~ 2~15 由 于增加流體在換熱器中的流速，將加大對流傳熱系數(shù)，減少污垢在管子表面上沉積的可能性，即降低了污垢熱阻，使總傳熱系數(shù)增大，從而可減小換熱器的傳熱面積。但是流速增加，又使流體阻力增大，動力消耗就增多。故擬取變換氣流速為 20m/s。 材質(zhì)的選擇 管殼式換熱器的材料應(yīng)根據(jù)操作壓強、溫度及流體的腐蝕性等來選用。在高溫下一般材料的機械性能及耐腐蝕性能要下降。同時具有耐熱性、高強度及耐腐蝕性的材料是很少的。目前 常用的金屬材料有碳鋼、不銹鋼、低合金鋼、銅和鋁等；非金屬材料有石墨、聚四氟乙烯和玻璃等。根據(jù)實際需要， 可以選擇使用不銹鋼材料。 管程結(jié)構(gòu) 換熱管管板上的排列方式有正方形直列、正方形錯列、三角形直列、三角形錯列和同心圓排列，如下圖所示。 化工與材料學(xué)院 09級本科生化工機械設(shè)備課程設(shè)計 10 (a) 正方形直列 （ b）正方形錯列 (c) 三角形直列 （ d）三角形錯列 （ e）同心圓排列 圖 14 換熱管管板上的排列方式 正三角形排列結(jié)構(gòu)緊湊；正方形排列便于機械清洗。對于多管程換熱器，常采用組合排列方式。每程內(nèi)都采用正三角形排列，而在各程之間為了便于安裝隔板，采用正方形排列方式。 管板的作用是將受熱管束連接在一起，并將管程和殼程的流體分隔開來。管板與管子的連接可脹接或焊接。 化工與材料學(xué)院 09級本科生化工機械設(shè)備課程設(shè)計 11 2 殼體直徑的確定與殼體壁厚的計算 管徑 換熱器中最常用的管徑有φ 19mm 2mm 和φ 25mm 。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。所以，在管程結(jié)垢不很嚴(yán)重以及允許壓力降較高的情況下，采用φ 19mm 2mm 直徑的管子更為合理。如果管程走的是易結(jié)垢的流體，則應(yīng)常用較大直徑的管子。 標(biāo) 準(zhǔn) 管 子 的 長 度 常 用 的 有 1500mm ， 2021mm ， 2500mm ，3000m,4500,5000,6000m,7500mm,9000m 等。換熱器的換熱管長度與公稱直徑之比一般為 4— 25,常用的為 6— 10 選用Φ 25 的無縫鋼管 ，材質(zhì)為 20號鋼，管長 。 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級本科生化工機械設(shè)備課程設(shè)計