【文章內(nèi)容簡介】 變?yōu)槎喑虝r平均溫度差會下降。所以以上這些在選擇流速時應(yīng)也贏予考慮。表41是換熱器內(nèi)常用流速范圍。表41 管殼式換熱器內(nèi)常用流速范圍介質(zhì) 流速管程流速（m/s)管程流速（m/s)循環(huán)水新鮮水低粘度油高粘度油氣體 對于波紋管換熱器，因為管波紋周期性的變化所以形成了特殊通道，這樣不但會使波紋管管束的表面積在單位面積內(nèi)比原有的光管式換熱管束增大。另外這樣的結(jié)構(gòu)還會使流體的流速和方向不斷地改變，因此改變了介質(zhì)邊界層的流動狀態(tài)，這樣在較低流速下就即可達(dá)到紊流狀態(tài)[5]。管程所需流通截面積At每程所需的管子數(shù)根 考慮到布管及面積富裕度，設(shè)計采用的管子數(shù)n實際取196根每根管子所需的長度L設(shè)計采用的管長l取為5m,則所需的管程數(shù)取整后取為2，即為12型殼管式換熱器總的換熱管子數(shù)nt每根波紋管的最大波距數(shù),考慮到波紋管接頭處采用焊接，實際每根管的波距數(shù)nz取整后為188個每根波紋管的波紋有效換熱長度 管程的有效換熱面積Fz =＞估取的傳熱面積Ft 管程布管方式的選取設(shè)計管子在管板上的排列方式，要遵循下面原則[4]：(1)要保證管子有必要的剛度，而且管子和管板的連接要堅固和緊密；(2)設(shè)備要盡量緊湊，以便減小管子和殼體的直徑，并使管外空間的流通截面積減小，以便提高管外流體的速度；(3)要使制造、安裝和修理、維護(hù)簡便[4]。能否滿足要求，管子的管間距和排列方式的正確選擇是關(guān)鍵。查資料可知管子主要的排列方式有三種：同心圓排列法、等邊三角形排列法還有正方形排列法，如圖42所示。 圖42 管子在管板上的排列（a）等邊三角形法；（b）同心圓法；（c）正三角形法分析以上三種排列方式:(1)對于等邊三角形排列方式，流體的流動方向和三角形的一條邊垂直，并且在最內(nèi)層的六邊形邊長和管間距S相等。在管板周邊和六邊形的邊之間的這六個弓形部分一般不排列管子，如果在層數(shù)a6層的情況下，弓形部分也要排列管子，所以在最外層的管子的中心不應(yīng)超出最大的六邊形的外接圓周[23]。 (2)對于管子按同心圓排列的方式，兩層圓周之間的距離等于管間距，圓周上管子的間距也等于管間距，而圓弧間距和直線間距是稍有些差別的，所以如果在圓周上布置管子要取整數(shù)。若選取這樣的排列方式，在各層圓周上的管間距是不相等的，這樣當(dāng)管板上的劃線、裝配和制造的時候都會比較困難。但是這樣的排列方式的優(yōu)點是排列時比較緊湊，并且在靠近殼體處布管會比較均勻，所以這種方式的布管數(shù)在小直徑熱交換器中使用的比等邊三角形要多。但是如果層數(shù)大于6層，六邊形的弓形部分可以排管子，所以等邊三角形的排列方式會顯得更加有利，而且層數(shù)越多時就會越有利。 (3)正方形的排列方式，當(dāng)管板面積一定時其上可以排列的管子數(shù)最少，它的優(yōu)點是易于清掃，所以在比容易生成污垢并且需要將管束抽出來清掃的情況下將會得到一定的應(yīng)用，在填料函式和浮頭式熱交換器中，這種排列方式采用較多。故由以上分析可以看出，在上面說到的緊湊、簡單和工藝方面等要求來看，都能滿足的是等邊三角形排列法，并且也是最合理的。在設(shè)計多管程換熱器的時候，每一程都要采用等邊三角形排列，然而在各程相鄰管排間，為了分程隔板的方便安裝，要采用正方形排列，這樣的排列方法被稱為組合排列法。因此分程隔板占據(jù)了一定的管板面積，所以實際的排管一定要由作圖確定。前邊已分析計算過，設(shè)計換熱器時為兩管程，所以排管采組合排列法進(jìn)行。在管板上管間距是指兩根管子中心線間的距離，他的大小主要與清洗管子外表面積所需間隙和管板強(qiáng)度、管子在管板上的固定方法等因素有關(guān)。所以要采用焊接時，可能會因為焊縫太近，管間距太小，不能夠保證焊縫的質(zhì)量。并且在采用脹接法的時候，管間距過小會引發(fā)管板在脹接時因為擠壓力的作用會產(chǎn)生變形，因而會失去管子與管子間所需的連接力。鋼制管殼式的換熱器，最小的管間距符合的數(shù)值如表42所示。多管程分程隔板處管間距，最小取值應(yīng)該為管間距加隔板槽密封面的寬度的值，它的取值也列在表中。表42 管間距換熱管外徑1014192532384557最小管間距131419253240485772分程隔板槽處管間距l(xiāng)e2532384452606880根據(jù)表42數(shù)據(jù)，及設(shè)計中所選用的波紋管的結(jié)構(gòu)尺寸取管間距S和分程隔板槽處管間距l(xiāng)e，計算平行流向和垂直流向的管間距管間距S取分程隔板槽處管間距l(xiāng)e取平行于流向的管間距Sp垂直于流向的管間距Sn 作圖布管，圖43所示。布管圖中包含有拉桿。拉桿以及其配套的定距管是用作安裝固定折流板的。其中的拉桿其實就是一根兩端皆帶有螺紋的長桿，它的一端擰入了管板，而折流板就穿在拉桿上，所以各折流板之間就以套在拉桿上的定距管去保持板間距，然后最后的一塊折流板則用螺母擰在了拉桿上給予緊固。表4表44[5]中列出了拉桿的數(shù)量及直徑。拉桿的直徑和數(shù)量可以變動，如果能保證等于或大于如表中所列的拉桿總截面積，但是直徑不能小于10mm，數(shù)量也不能少于4根。而且拉桿也要盡量得均布在外邊緣。但是對于大直徑的換熱器來講，在布管區(qū)域內(nèi)或著是在靠近折流板缺口的地方也應(yīng)布置適當(dāng)數(shù)量的拉桿。綜合上述分析，然后結(jié)合布管圖，選擇直徑為16mm的拉桿，數(shù)量為12 根。表43 拉桿直徑換熱管外徑1014192532384557拉桿直徑1012121616161616表44 拉桿最少數(shù)量公稱直徑DN拉桿直 mm徑mm＜400≥400～＜700≥700～＜900≥900～＜1300≥1300～＜1500≥1500～＜1800≥1800～＜200010121646101216182444810121418446681012 通過布管作圖可知，一程換的熱管子數(shù)n為196根，而一程的拉桿數(shù)nl為6。所以管板上管孔數(shù)為404個。圖43 布管簡圖(1)接管的內(nèi)徑選取用來確定接管直徑的基本公式還是用得連續(xù)性方程,經(jīng)過簡化后計算公式為：，然后對計算出的管徑來進(jìn)行圓整，然后取接近標(biāo)準(zhǔn)管徑的數(shù)值。 (a) 接管上要設(shè)置壓力表接口、溫度計接口及液面計接口； (b) 在面對不能利用接管（或接口）來進(jìn)行排液和放氣的換熱器，要在殼程和管程的最高點上設(shè)置放氣口，然后最低點上設(shè)置排液口，并且保證最小的公稱直徑為20mm。對管箱接管內(nèi)徑的估算如下： 然后取接近標(biāo)準(zhǔn)的管徑，D2=550mm，壁厚取為15mm。(2)接管外伸長度的選取接管外伸長度又稱接管伸出長度，表示接管法蘭面到殼體（管箱殼體）外壁的長度。可以按下式計算： 式中: —接管外伸長度，mm； —接管法蘭厚度，mm； —接管法蘭的螺母厚度，mm； —保溫層厚度，mm。 設(shè)計中取管箱接管外伸長度為500mm。管箱的進(jìn)口和出口的接管要盡量靠近管箱法蘭，這樣就可以縮短管箱的殼體長度，即可減輕設(shè)備的重量。但是管箱接管距管箱法蘭的距離又不能太近，所以受結(jié)構(gòu)尺寸的限制。圖44 管箱接管位置管箱接管的最小位置以及計算公式如下：帶補(bǔ)強(qiáng)圈接管：無補(bǔ)強(qiáng)圈接管：式中：—管板厚度，mm； —殼程/管箱接管位置最小尺寸，mm/mm； —補(bǔ)強(qiáng)圈外邊緣（無補(bǔ)強(qiáng)圈時，管外側(cè)）至管板（或法蘭）與殼體連接焊縫之間的距離，mm； —補(bǔ)強(qiáng)圈外徑，mm； —接管外徑，mm在設(shè)計管箱接管時需要設(shè)計補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)，所以經(jīng)過上式的估算后取管箱定位的尺寸為。其中取了補(bǔ)強(qiáng)圈外徑為。因為熱交換器的管束外緣直徑要受圓筒內(nèi)徑的限制，所以在設(shè)計的時候要把管束置于布管所限定得圓之內(nèi)。通過布管圖可以量取得：最大的布管圓直徑D1殼體內(nèi)徑估計為:式中：b3—代表換熱器管束的最外層換熱管表面到殼體內(nèi)壁的最短距離，其中b3=，所以b3==42=殼體內(nèi)徑計算得：考慮了殼程內(nèi)的安裝防沖結(jié)構(gòu)，以及殼體外徑要按照規(guī)定的剛制壓力容器標(biāo)準(zhǔn)（GB15089），取得了標(biāo)準(zhǔn)直徑為1400mm,即Ds取為1400mm。在鋼制壓力容器標(biāo)準(zhǔn)GB15089中，當(dāng)規(guī)定的公稱直徑小于或等于400mm的熱交換器，要采用無縫鋼管制作圓筒，在公稱直徑超過400mm的熱交換器中要用卷制圓筒，所以，以400mm為基礎(chǔ)，以100mm為進(jìn)級檔，當(dāng)必要時可允許以50mm為進(jìn)級檔。所以設(shè)計中采用的殼體材料為Q235B鋼[15]。5設(shè)計殼程的主要結(jié)構(gòu) 設(shè)計折流板根據(jù)工藝的過程及要求來確定折流板結(jié)構(gòu)設(shè)計，提高殼程的傳熱膜系數(shù)，增加殼程流體的流速是設(shè)置折流板的主要目的，因而可以提高總傳熱系數(shù)。然而，設(shè)置的折流板對于臥式換熱器的換熱管會具有一定的支撐作用，所以在換熱管過長，管子承受的壓應(yīng)力過大的情況下，當(dāng)滿足換熱器殼程允許壓降時，若增加折流板的數(shù)量，折流板間距減小，對焊接換熱管的手里狀況與防止流體流動誘發(fā)震動的狀況有一定的作用。并且，設(shè)置折流板對換熱管的安裝也有利。本設(shè)計折流板采用的型式為單弓型。影響傳熱效果與壓降的兩個重要因素分別是：弓形折流板的缺口，板間距的大小。缺口大小主要是按切去的弓形弦高所占?xì)んw內(nèi)徑的百分比確定的。通常缺口弦高為熱交換器公稱直徑的20%～25%，其中以25%用的最多。在用于殼程蒸發(fā)時，一般取45%，若用于冷凝器時一般取25%～45%。本設(shè)計的圓缺高度取為公稱直徑的25%[15]。單弓型折流板缺口處要求見圖51：圖51 單弓型折流板缺口圖 因為波紋管換熱管的管壁較薄，因此折流板厚度與光管不同。適當(dāng)增加折流板的厚度可以加強(qiáng)支撐作用和防止短路。對光管而言，不管折流板有多薄，總是可以保證換熱管和折流板管孔的可靠接觸?？蓪Σy管，當(dāng)折流板的厚度薄到小于波距的時候，如圖52可看出可能會出現(xiàn)兩種情況：波紋管剛度剛尚能滿足要求，此處懸空；剛度較差，波谷與折流板管孔接觸，出現(xiàn)管孔另一側(cè)漏流短路，影響換熱效果，而且在換熱器檢修換管時，由于該處 咬合，無法將換熱管抽出。目前按波紋管波距選用折流板厚度，取不小于波距，最薄也應(yīng)大于波谷寬度，以保證折流板的管孔不漏流而使介質(zhì)短路，且兩側(cè)均應(yīng)倒出45176。倒角，使穿管時不劃傷波紋管外表面[24]。如圖52圖53 厚壁折流板與管子的連接圖52薄壁折流板與管子的連接作圖：圖54 折流板折流板的名義直徑Db折流板缺口高度h折流板缺口圓心角θ 折流板厚度S 與折流板相關(guān)的其他參數(shù)：折流板上管孔數(shù) 穿過折流板的拉桿數(shù) 折流板缺口處管子數(shù) 折流板上管孔直徑dH取為 在折流板底部設(shè)一個α=90176。，高度為15～20mm的凹口，供停車時排除器內(nèi)殘留液用，本設(shè)計中凹口高度選18mm。帶缺口的折流板交叉排布。 當(dāng)相鄰的兩折流板之間的距離小時，不但可以保證流體會橫掠管束，因而換熱系數(shù)會提高，而且與此同時可以提高震動的固有頻率，然后降低震動的傾向。但是若距離過小，流動阻力又會增加，并且難于檢修與清洗；當(dāng)間距過大時，就很難保證流體會橫掠管束，從而換熱系數(shù)會下降。在保證設(shè)計的合理性的前提下，弓形折流板的間距選取時一般不應(yīng)小于圓筒內(nèi)徑的1/5，并且不應(yīng)小于10mm。最大的間距則不應(yīng)超過規(guī)定的距離，并且不能超過圓筒的內(nèi)徑。兩塊管板和折流板之間的間距通常要大于中間的一些折流板之間的距離，目的是為殼程進(jìn)出口提供額外的空間。中間的折流板，除了有特殊的要求外，通常在管子有效長度上做等距離的布置[24]。折流板間距l(xiāng)s,在(～)Ds=240～1200mm之間選取，考慮到折流板厚度及管長，設(shè)計取為273mm折流板數(shù)目Nb 設(shè)計取為14塊則距靠近蒸汽入口的管板間距為距靠近凝結(jié)液出口的管板間距為中間折流板間距為單弓型介質(zhì)流動示意圖如下：圖55 殼程單弓形介質(zhì)流動示意圖 殼程進(jìn)出口接管的設(shè)計在換熱器的殼體與管箱上通常情況下均裝有接管或著接口以及進(jìn)出口管。在殼體與大多數(shù)的管箱的底部均裝有排液管，并且在上部還設(shè)有排氣管，一般殼側(cè)也經(jīng)常設(shè)有安全閥接口和其他諸如壓力表、溫度計、液位計與取樣管接口等。然而對立式的管殼式換熱器，必要情況下還要設(shè)置溢流管。因為如果要在殼體、管箱殼體上開孔，肯定就會對殼體得局部位置的強(qiáng)度造成削弱影響。所以，對殼體和管箱殼體上的接管設(shè)置時，除了要考慮到其對傳熱與壓降的影響，還要考慮到殼體的強(qiáng)度以及外觀、安裝等諸多因素[15]。(1)接管內(nèi)徑因為殼程的進(jìn)口接管接入的是蒸汽，而出口的是凝結(jié)水，因此介質(zhì)的密度不相同必須要分開計算。蒸汽進(jìn)口接管內(nèi)徑D11由式 估算管徑，式中：—蒸汽密度，,ωz—蒸汽流速，取為60m/s由算得D11為，按接近標(biāo)準(zhǔn)鋼管取400mm，壁厚取為10mm凝結(jié)液出口管徑D12，由式估算管徑，式中：—蒸汽密度，按出口凝結(jié)液出口溫度查取，, —蒸汽流速，取為2m/s由算得D12為，按接近標(biāo)準(zhǔn)鋼管取為125mm,壁厚取為8mm (2)接管外伸長度的計算按下式：估算估算后設(shè)計取蒸汽進(jìn)口接管外伸長度為