【文章內(nèi)容簡介】 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 換熱器的選擇 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 。該外徑應(yīng)小于殼體內(nèi)徑 ，一般推薦0DiD浮頭管板與殼體內(nèi)壁的間隙 。這樣，當(dāng)浮頭出的鉤圈拆除后，即可將mb5~31?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： 　?。?）管束可以抽出，以方便清洗管、殼程； 　?。?）介質(zhì)間溫差不受限制； 　?。?）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； 　?。?）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%； 　?。?）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。吉林化工學(xué)院油氣儲運課程設(shè)計11（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。（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。吉林化工學(xué)院油氣儲運課程設(shè)計125）泄漏后危險性大的流體可以減少泄漏機(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 增加，泵功率增大，且加劇了對傳熱面的沖刷。P?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/~~.1?~~殼程流速， /.5..25..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，常用的冷卻劑有水、空氣和氨等。在選擇加熱劑和冷卻劑的時候主要考慮來源方便，有足夠溫差，價格低廉，使用安全等因素。 常用的加熱劑（1）飽和水蒸氣飽和水蒸氣是一種應(yīng)用最為廣泛的加熱劑，由于飽和水蒸氣冷凝時傳熱膜系數(shù)很高，可以改變蒸氣壓強(qiáng)以準(zhǔn)確地調(diào)節(jié)吉林化工學(xué)院油氣儲運課程設(shè)計13加熱溫度，而且常用低廉的蒸汽機(jī)及渦輪機(jī)排放廢氣。但飽和水蒸氣溫度超過 180，必須用很高壓強(qiáng)，但溫度升高不大，而且設(shè)備強(qiáng)度也相應(yīng)增高，一般只用于C?加熱溫度在 180 以下的情況。?（2）煙道氣燃料燃燒所得到的煙道氣具有很高溫度，可達(dá) 700~1000 ，適用于需要達(dá)到C?高溫度加熱。用煙道氣加熱的缺點是比熱容低，控制困難及傳熱膜系數(shù)低。除了以上兩種常用的加熱劑外，還可以結(jié)合工廠的具體情況，采用熱空氣等氣體作為加熱劑，或用熱水作為加熱劑。 常用的冷卻劑水和空氣是最常用的冷卻劑，它們可以直接取自大自然，不必特別加工。與空氣相比較，誰的比熱容高，傳熱膜系數(shù)也很高，但空氣的獲取和使用比水方便，應(yīng)因地制宜加以選用。水和空氣作為冷卻劑受到當(dāng)?shù)貧鉁氐南拗疲话憷鋮s溫度為10~25 ，如果要冷卻到較低的溫度，則需應(yīng)用低溫冷卻劑，常用的低溫冷卻劑有C?冷凍鹽水（ ， 及其溶液） 。2alNl此次設(shè)計需使用冷卻劑，實驗設(shè)計時已給出選，用循環(huán)水作為冷卻劑。 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優(yōu)化問題。此次設(shè)計中，流體進(jìn)出口的溫度已給出。 材質(zhì)的選擇在進(jìn)行換熱器設(shè)計時，換熱器各種零件、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材料的制造工藝性能等的要求來選取。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)度或剛度的角度來考慮，是比較容易達(dá)到的，但材料的耐腐蝕性能，有時往往成為一個復(fù)雜的問題。在這方面考慮不周，選材不妥，不僅會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。碳鋼價格低，強(qiáng)度較高，對堿性介質(zhì)的化學(xué)腐蝕比較穩(wěn)定，很容易被酸腐蝕，在無吉林化工學(xué)院油氣儲運課程設(shè)計14耐腐蝕性