【文章內(nèi)容簡介】 流板在兩側直邊處同時加寬5~10mm后,短路現(xiàn)象仍然存在，加寬到一排至二排管距寬度后，殼程內(nèi)介質以理想的螺旋流通過殼體,短路現(xiàn)象幾乎沒有。這種交叉重迭搭接方式接續(xù)，可以對流經(jīng)管束的介質起到良好的引導作用,減少兩相鄰扇形板直邊交叉形成三角形空間的短路現(xiàn)象，確保換熱效率的提高。由于有同一排或二排換熱管穿過相鄰兩扇形板,強化了管束剛性，避免了象限間分離的趨勢，同時有重疊部分的螺旋折流板結構將起到良好的防振效果。撫順機械設備制造有限公司李久生等人提出 雙殼程螺旋折流板換熱器的產(chǎn)品方案，其出發(fā)點是大直徑換熱器上選用單殼程螺旋折流板結構將會受到25176。40176。螺旋傾角的限制。由于影響傳熱系數(shù)高低的主要是雷諾數(shù)Re，而介質的流速對Re起到了決定性的作用，大直徑必然形成較大的流通面積，因此在流量一定的情況下，要想得到適宜的流速，就要選擇較小的折流間距來保證一定的Re值。采用雙殼程相當于減小了殼體直徑，在保證一定流速的情況下使得折流間距變大，從而得到了較大的螺旋傾角，解決大直徑螺旋折流板換熱器螺旋傾角小、傳熱性能下降的弊病。他們認為，一般換熱器的雙殼程結構大多應用在雙管程換熱器上，就是利用1塊縱向隔板將殼側分成雙程，管束由管板、分程結構、內(nèi)螺旋折流板和外螺旋折流板所組成，其中分程結構是由1個分程筒體和1塊環(huán)形分隔板組成。管箱分程也是采用了1個與殼側相同直徑的分程筒體，其一端焊接在管箱的端蓋上，另一端用4個支撐板將筒體固定。管程介質首先從管箱接管流入分程筒體內(nèi)，再流經(jīng)筒體內(nèi)所包含的換熱管到另一端管板處，然后返回到筒外的換熱管，再流到管箱的分程筒體外從另一接管流出。殼程介質也是先從殼體接管流入，由于分隔板的阻隔，介質只能進入分程筒體至另一端管板處，再返回到筒外流至前端分隔板處，從另一接管流出,最終完成管殼程介質的換熱過程。隨著經(jīng)濟的發(fā)展，各種不同型式和種類的換熱器發(fā)展很快，新結構、新材料的換熱器不斷涌現(xiàn)。為了適應發(fā)展的需要，我國對某些種類的換熱器已經(jīng)建立了標準，形成了系列。完善的換熱器在設計或選型時應滿足以下基本要求：（1） 合理地實現(xiàn)所規(guī)定的工藝條件；（2） 結構安全可靠；（3） 便于制造、安裝、操作和維修；（4） 經(jīng)濟上合理。 （1） 檢索大量相關資料，對本課題有一個整體的理解和思路。 （2） 篩選搜集的資料，對本課題的國內(nèi)外研究動態(tài)有一個大致了解，自作一個設計大綱。書寫開題報告、文獻綜述和外文翻譯。（3） 根據(jù)課題進行工藝計算和結構設計 （4） 固定管板式換熱器的主要部件強度計算、設計以及附件結構的選擇。（5） 繪制設計圖、裝配總圖和部件圖。（6） 書寫畢業(yè)論文。 2 換熱器的簡介適用于不同介質、不同工況、不同溫度、不同壓力的換熱器，結構型式也不同，換熱器的具體分類如下： 換熱器按傳熱原理分類：（1）表面式換熱器：表面式換熱器是溫度不同的兩種流體在被壁面分開的空間里流動，通過壁面的導熱和流體在壁表面對流，兩種流體之間進行換熱。表面式換熱器有管殼式、套管式和其他型式的換熱器。 （2）蓄熱式換熱器：蓄熱式換熱器通過固體物質構成的蓄熱體，把熱量從高溫流體傳遞給低溫流體，熱介質先通過加熱固體物質達到一定溫度后，冷介質再通過固體物質被加熱，使之達到熱量傳遞的目的。蓄熱式換熱器有旋轉式、閥門切換式等。 （3）流體連接間接式換熱器：流體連接間接式換熱器，是把兩個表面式換熱器由在其中循環(huán)的熱載體連接起來的換熱器，熱載體在高溫流體換熱器和低溫流體之間循環(huán)，在高溫流體接受熱量，在低溫流體換熱器把熱量釋放給低溫流體。 （4）直接接觸式換熱器：直接接觸式換熱器是兩種流體直接接觸進行換熱的設備，例如，冷水塔、氣體冷凝器等。 換熱器按用途分類：（1）加熱器：加熱器是把流體加熱到必要的溫度，但加熱流體沒有發(fā)生相的變化。 （2）預熱器：預熱器預先加熱流體，為工序操作提供標準的工藝參數(shù)。 （3）過熱器：過熱器用于把流體（工藝氣或蒸汽）加熱到過熱狀態(tài)。 （4）蒸發(fā)器：蒸發(fā)器用于加熱流體，達到沸點以上溫度，使其流體蒸發(fā)，一般有相的變化。 按換熱器的結構分類可分為：浮頭式換熱器、固定管板式換熱器、U形管板換熱器、板式換熱器等。表11 不同類型的換熱器及其特性類　 型 特　 點 間 壁 式 管 殼 式 列管式 固定管板式 剛性結構 用于管殼溫差較小的情況（一般≤50℃），管間不能清洗 帶膨脹節(jié) 有一定的溫度補償能力，殼程只能承受低壓力 浮頭式 管內(nèi)外均能承受高壓，可用于高溫高壓場合 U型管式 管內(nèi)外均能承受高壓，管內(nèi)清洗及檢修困難 填料函式 外填料函 管間容易泄漏，不宜處理易揮發(fā)、易爆炸及壓力較高的介質 內(nèi)填料函 密封性能差，只能用于壓差較小的場合 釜式 殼體上部有個蒸發(fā)空間用于再沸、蒸煮 雙套管式 結構比較復雜，主要用于高溫高壓場合和固定床反應器中 套管式 能逆流操作，用于傳熱面較小的冷卻器、冷凝器或預熱器 螺旋管式 沉浸式 用于管內(nèi)流體的冷卻、冷凝或管外流體的加熱 噴淋式 只用于管內(nèi)流體的冷卻或冷凝 板面式 板式 拆洗方便，傳熱面能調整，主要用于粘性較大的液體間換熱 螺旋板式 可進行嚴格的逆流操作，有自潔的作用，可用作回收低溫熱能 平板式 結構緊湊，拆洗方便，通道較小、易堵，要求流體干凈 板殼式 板束類似于管束，可抽出清洗檢修，壓力不能太高 混合式 適用于允許換熱流體之間直接接觸 蓄熱式 換熱過程分階段交替進行，適用于從高溫爐氣中回收熱能的場合 列管式換熱器是目前化工及酒精生產(chǎn)上應用最廣的一種換熱器。它主要由殼體、管板、換熱管、封頭、折流擋板等組成。所需材質 ，可分別采用普通碳鋼、紫銅、或不銹鋼制作。在進行換熱時，一種流體由封頭的連結管處進入，在管流動，從封頭另一端的出口管流出，這稱之管程；另一種流體由殼體的接管進入，從殼體上的另一接管處流出，這稱為殼程列管式換熱器。 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。這種換熱器結構較簡單，操作可靠，可用各種結構材料（主要是金屬材料）制造，能在高溫、高壓下使用，是目前應用最廣的類型。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；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。圖示為最簡單的單殼程單管程換熱器,簡稱為11型換熱器。為提高管內(nèi)流體速度,可在兩端管箱內(nèi)設置隔板，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用。 折流板是提高換熱器工效的重要部件。傳統(tǒng)換熱器中最普遍應用的是弓形折流板，由于存在阻流與壓降大、有流動滯死區(qū)、易結垢、傳熱的平均溫差小、振動條件下易失效等缺陷，近年來逐漸被螺旋折流板所取代。理想的螺旋折流板應具有連續(xù)的螺旋曲面。由于加工困難，目前所采用的折柳板，一般由若干個1/4的扇形平面板替代曲面相間連接，形成近似的螺旋面。在折流時，流體處于近似螺旋流動狀態(tài)。相比于弓形折流板，在相同工況下，這樣的折流板（被稱為非連續(xù)型螺旋折流板）可減少壓降45%左右，而總傳熱系數(shù)可提高20%～30%，在相同熱負荷下，可大大減小換熱器尺寸?！　‰m然非連續(xù)螺旋折流板的加工技術比較成熟，在石化行業(yè)也已得到推廣應用，但仍存在諸多不足之處。例如，扇形板連接處成非光滑的銳角過渡，對軸向運動的流體存在反壓，流體通過時的突然轉向會造成能量損失，在螺旋角較大時能耗更嚴重；相鄰兩片扇形板空間對接時，必須附加角接板才能填補縫隙，既費工又廢料，又增大了流體的阻力。相比之下，具有理想螺旋曲面的連續(xù)型螺旋折流板有著更好的傳熱與流動特性，但在實際應用時必須首先解決其加工難題。東燕公司經(jīng)過多年潛心研究，終于成功制作出連續(xù)螺旋折流板換熱器。螺旋折流板換熱器基本原理及折流板形式：　螺旋折流板換熱器的提出基于這樣一種思想：通過改變殼側折流板的布置，使殼側流體呈連續(xù)的螺旋狀流動。因此，理想的折流板布置應該為連續(xù)的螺旋曲面。但是螺旋曲面加工困難，采用一系列的扇形平面板(稱之為螺旋折流板)替代曲面相間連接，在殼側形成近似螺旋面，使殼側流體產(chǎn)生近似連續(xù)螺旋狀流動。一般來說，出于加工方面的考慮，一個螺距取 2～4 塊折流板，相鄰折流板之間有連續(xù)搭接和交錯搭接兩方式，按流道又可分為單螺旋和雙螺旋兩種結構。螺旋折流板式換熱器較弓形折流板式換熱器有以下幾個特點： （1）介質在殼體內(nèi)連續(xù)平穩(wěn)螺旋流動，避免了橫向折流產(chǎn)生的嚴重壓力損失，因而具有壓降低的特點。 （2）弓形折流板比，在同樣的壓降下，可大幅度提高殼程介質的流速，從而提高Re，使介質傳熱能力增大。 （3）于殼程介質螺旋前進，因而在徑向截面上產(chǎn)生速度梯度，形成徑向湍流，使換熱管表面滯留底層減薄，有利于提高膜傳熱系數(shù)。 （4）橫向折流方式比，不存在死區(qū)，在提高換熱系數(shù)的同時，減少污垢沉積，熱阻穩(wěn)定，可使換熱器一直處于高效運行狀態(tài)。 （5）旋折流板對換熱管的約束要強于弓形折流板，減少了管束振動，延長設備的運行壽命。 （6）程做冷凝換熱時，螺旋折流板可以起到對冷凝后的液體引流作用，減少了冷凝液體對下排管覆蓋，從而提高換熱效果。 （7）種換熱器和普通換熱器的區(qū)別僅在于殼程折流板的結構，管束外觀形狀、管束和殼體的配合尺寸都不變，在檢修當中完全可以用螺旋折流板芯子替換弓形折流板式芯子，以提高換熱效果。 （8）在造價上面，前者較后者更大些，當選擇時不可避免的需要考慮成本問題。 換熱器在化學工業(yè)中的應用 在工業(yè)生產(chǎn)中，為了實現(xiàn)物料之間熱量傳遞過程的一種設備，統(tǒng)稱為換熱器。它是化工、煉油、動力、原子能和其它許多工業(yè)部門廣泛應用的一種通用工藝設備。對于迅速發(fā)展的化工、煉油等工業(yè)生產(chǎn)來說，換熱器尤為重要。通常在化工生產(chǎn)的建設中，換熱器約占總投資的10～20%。 在化工生產(chǎn)中，為了工藝流程的需要，往往進行著各種不同的換熱過程：如加熱、冷卻、蒸發(fā)和冷凝等。換熱器就是用來進行這些傳遞過程的設備，通過這種設備，以便使熱量從溫度較高的流體傳遞給溫度較低的流體，以滿足工藝上的需要。換熱器隨著使用目的的不同，可以把它分成為：熱交換器、加熱器、冷卻器、冷凝器、蒸發(fā)器和再沸器等。由于使用的條件不同，換熱設備又有各樣的形式和結構。另外，在化工生產(chǎn)中有時換熱器作為一個單獨的化工設備，有時則把它作為某一工藝設備中的組成部分，如氨合成塔中的下部熱交換器、精餾塔底部的再沸器和頂部的回流冷凝器或分凝器等。其它如回收排放出去的高溫氣體中的廢熱所用的廢熱鍋爐，有時在生產(chǎn)中也是不可缺少的?？傊瑩Q熱器在化工生產(chǎn)中的應用是十分廣泛的，任何化工生產(chǎn)工藝幾乎都離不開它。 在換熱設備中，應用最廣泛的是管殼式換熱器。目前這種換熱器被當作為一種傳統(tǒng)的標準換熱器，在許多工業(yè)部門中被大量地使用。尤其在化工生產(chǎn)中，無論是國內(nèi)還是國外，它在所有的換熱設備中，仍占主導地位。同時在近代的許多化工生產(chǎn)中，如裂解、合成及聚合等，大都要求在高溫和高壓下進行。如高壓聚乙烯要求操作壓力高達250MPa左右，新“德士古”制氫法要求操作溫度在750～1500范圍。這些條件下，要進行熱交換是很不容易的，尤其在有腐蝕存在的情況下，實現(xiàn)熱交換更是困難。而管殼式結構，它具有選材范圍廣，換熱表面清洗較方便，適應性強，處理能力大，能承受高溫和高壓等特點。因此，能不斷擴大它的使用范圍。由于現(xiàn)代化工廠的生產(chǎn)規(guī)模日益增大，換熱設備也相應向大型化方向發(fā)展，以降低動力消耗，減少占地面積和金屬消耗。管殼式結構的換熱器也能滿足這一要求。 近十余年來，另一種高效、緊湊式 的新型換熱設備之一，即板式換熱器，已發(fā)展成為一種重要的化工設備。雖然目前它還處于發(fā)展階段，但它在化工和石油化工生產(chǎn)中已推廣應用。它適用的介質相當廣泛，從水到高粘度的非牛頓型液體，從含有小直徑固體顆粒的物料到含有纖維的物料，均可處理。從生產(chǎn)工藝上說，它可以用作液體的加熱、冷卻、冷凝或蒸發(fā)，單體的氣提，溶液的濃縮、聚合、脫氣、混合和乳膠的干燥等。 近年來，由于鋁及鋁合金釬焊技術的發(fā)展和不斷完善，促使另一種高效、緊湊式的新型換熱器，即板翅式換熱器得到廣泛的應用。雖然首先采用這種形式的換熱器是為了滿足飛機上中間冷卻器的要求，但由于它具有體積小，質量輕，效率高和適應的溫度范圍廣等突出的優(yōu)點，從而在化工、石油化工和其它許多工業(yè)部門中，也得到了迅速地推廣應用?，F(xiàn)在，板翅式換熱器又成功地應用于天然氣加工過程中，如進料氣冷卻器、部分冷凝器、底部蒸發(fā)器和壓縮機的中間冷卻器等。其它在航空、車輛和船舶等方面亦已開始推廣應用。 目前螺旋板換熱器在化工生產(chǎn)中的應用也日趨廣泛。在磷酸生產(chǎn)流程中，由于使用了這種形式的換熱器，在清洗時可不停車，每次清洗只需切換磷酸和水的通道即可。螺旋板換熱器在國內(nèi)首先較普遍地用在小化肥生產(chǎn)中半水煤氣的預熱器和氨合成塔下部的換熱器，目前已逐步推廣應用的到其它化工生產(chǎn)工藝中。 在化工生產(chǎn)過程中，除了遇到高溫、高壓、高真空和深冷等一些操作條妥善地解決這個問題，而提出和使用了一些新型材料的換熱器。如玻璃、石墨和聚四氟乙烯等非金屬材料以及鈦、鉭和鋯等稀有金屬材料制作的換熱器，以達到耐熱，耐壓和防腐的效果。玻璃換熱器應用于生產(chǎn)中，目前還剛剛開始，并已推廣應用到制藥工業(yè)中。石墨換熱器已在許多國家中得到廣泛地應用，如用來處理鹽酸、硫酸等腐蝕性介質。此外，還可用于化肥、有機合成和農(nóng)藥等多種工業(yè)中。 在其它新型換熱器的應用中，值得提出的為熱管。它是一種新型的傳熱元件，在六十年代中才開始應用與宇宙航行，但目前它的發(fā)