【文章內容簡介】 牽制，因而不會產生溫差應力。浮頭部分由浮頭管板、鉤圈與浮頭端蓋組成，為可拆連接，管束可以抽出，故管內外都能清洗，也便于檢修。由于結構復雜，其造價較高。 3） 填料函換熱器 如圖11（c）所示，浮頭部分伸在殼體之外，它與殼體之間的空隙用一填料函密封，使換熱器管束的一端可以自由伸縮。當管束和殼體間的溫差較大，管束腐蝕嚴重且需經常更換時，采用這種形式的換熱器比較合適。這種換熱器以制造、清洗和檢修都比較方便，造價也比浮頭式的低。 4） Ｕ形管換熱器 如圖11（d）所示，換熱器被彎成Ｕ形，管的兩端固定在同一塊管板上，省去了一塊管板和一個管箱（流道室）。Ｕ形管具有自由伸縮的特點，可以完全消除熱應力。管束可以從殼體中抽出，管外清洗方便，但管內清洗困難，所以宜讓不結垢的流體從管內流過。因彎管時，必須保證一定的曲率半徑，所以管束的中心部分存在較大的空隙，在相同直徑的殼體中排列的管子數(shù)較固定管板式少，價格比固定管板式高10％。 綜觀上述不同種類的換熱器，由于本設計題目為水異丁烷換熱器的設計，水和異丁烷均為潔凈流體，不易結垢，傳熱溫度和熱負荷都較小，且管殼程的壓力較低，所以結合設計條件和項目經費，選擇經濟實用的固定管板式換熱器，這種換熱器具有單位體積傳熱面積大，結構緊湊，堅固，傳熱效果好，而且能用多種材料制造，適用性較強，操作彈性大，結構簡單，造價低廉，且適用于高溫、高壓的大型裝置中。并且固定管板式換熱器能得到最小的殼體內徑，管程可分多程，殼程也可分成雙程，規(guī)格范圍廣，故在工程中廣泛應用。2 工藝結構的計算 設計任務和設計條件題目：水異丁烷換熱器的設計設計參數(shù)：熱負荷：Q=200KW； 介質流量：根據(jù)熱負荷計算；設計壓力（MPa）：管程 ，殼程 ；設計溫度（℃）：管程入口 25，管程出口 35； 殼程溫度 40，殼程入口 飽和氣，殼程出口 飽和液；介質：管程 水，殼程 異丁烷；允許壓降：≤100000Pa。 確定設計方案 1）選擇換熱器的類型異丁烷屬于無色氣體、無毒，對金屬無腐蝕性，微溶于水，與水無反應，能溶于乙醚。兩流體溫度變化情況：熱流體進口溫度40℃，出口溫度40℃，冷流體進口溫度25℃，其出口溫度為35℃，所以由于管壁溫與殼體壁溫的溫差較小，且殼程壓力較小，故選取固定管板式冷凝器。固定管板式換熱器具有單位體積傳熱面積大，結構緊湊，堅固，傳熱效果好，而且能用多種材料制造，適用性較強，操作彈性大，結構簡單，造價低廉，且適用于高溫、高壓的大型裝置中。并且固定管板式換熱器能得到最小的殼體內徑，管程可分多程，殼程也可分成雙程，規(guī)格范圍廣，故在工程中廣泛應用。 2）流程的安排和確定從兩流體的操作壓力看，應使異丁烷飽和氣體走管程，循環(huán)冷卻水走殼程。但由于循環(huán)冷卻水易結垢，若其流速太低，將會加快污垢增長速度，使換熱器的傳熱能力下降，所以從總體考慮，應使循環(huán)水走管程異丁烷飽和氣體走殼程。另外由于異丁烷飽和氣體屬于氣體，對金屬無腐蝕性，并且對于飽和蒸汽的冷凝換熱器，飽和蒸汽一般走殼程，以便于冷凝液的排出，所以水走管程，異丁烷走殼程非常合適。 確定物性溫度和物性數(shù)據(jù)定性溫度：對于一般氣體和水等低粘度流體，其定性溫度可卻流體進出口溫度的平均值。故殼程異丁烷的定性溫度為： ；管程水的定性溫度為：；查物性參數(shù)表可得：℃下的有關物性數(shù)據(jù)如下：1）異丁烷為飽和氣體時的物性參數(shù)密度 ；定壓比熱容 ；熱導率 ；粘度 ；2） 異丁烷為飽和液體時的物性參數(shù) 密度 ； 定壓比熱容 ； 熱導率 ； 粘度 ；℃下的有關物性數(shù)據(jù)如下： 密度 ； 定壓比熱容 ； 熱導率 ； 粘度 ； 估算傳熱面積熱負荷：Q=200KW。；由參考文獻[19]中公式：； Q：流體相變產生的傳熱速率，kw γ ：流體的氣化相變焓， kJ/kg ：流體的質量流量，kg/s所以： ；先按純逆流計算，依據(jù)文獻[11]式（440）得； 冷凝器操作情況如圖21所示： 按照文獻[11]表47，取，依據(jù)文獻[11]式（434）得； 工藝結構尺寸的計算 管徑和管內流速根據(jù)參考文獻[12]表32，由GB8163選用的普通碳素鋼鋼管，根據(jù)表33和34取管程流速。 計算管程數(shù)和傳熱管數(shù)依據(jù)文獻[12]式（39）確定單程傳熱管數(shù)（根）；按單程管計算，所需的傳熱管長度為；按單程管設計，傳熱管過長，宜采用多管程結構。根據(jù)GB1511999，現(xiàn)取傳熱管長度，則該換熱器的管程數(shù)為：（管程）；所以，傳熱管總根數(shù)為：（根）； 平均傳熱溫差和殼程數(shù)依據(jù)文獻[12]式（313a）和（313b）得：；； 按單殼程、四管程查溫差矯正系數(shù)圖得： ；平均傳熱溫差 ；當時，多管程換熱器內出現(xiàn)溫度逼近現(xiàn)象，在這種情況下，就需考慮采用多殼程結構的換熱器或多臺換熱器串聯(lián)來解決。由于平均傳熱溫差校正系數(shù)，則不需設置多殼程結構。同時，殼程流體流量較大，故取單殼程合適。 傳熱管的排列和分程方法換熱管在管板上的排列有正三角形排列、正方形排列和正方形錯列三種排列方式。各種排列方式都有其各自的特點：①正三角形排列：排列緊湊，管外流體湍流程度高；②正方形排列：易清洗，但給熱效果較差；③正方形錯列：可以提高給熱系數(shù)。所以，選擇正方形錯列排列，能夠有效提高給熱系數(shù)。管子排列方式如圖22所示：圖22 換熱管排列示意圖取管間距：；隔板中心側到離其最近一排管中心距離為：；則各程相鄰管的管心距為44mm。每程各有傳熱管22根，其前后管箱中隔板設置和介質的流通順序按照文獻[12]圖314選取。選取情況如圖23所示： 殼體內徑的計算采用多管程結構，殼體內徑可按照文獻[12]式（320）估算。正四邊形排列4程管子時，取管板利用率。則殼體內徑為：；按卷制殼體的進級檔100mm，經圓整可取D=500mm。采用弓形折流板，根據(jù)文獻[12],由折流板尺寸確定原則，取弓形折流板的圓缺高度為殼體內徑的20%，則切去的圓缺高度為：；考慮到制造過程中的管孔變形而影響換熱管的穿入。則取圓缺高度為：。折流板的最小間距：，則最小；折流板的最大間距：，故取；所以取折流板數(shù)NB ： （塊）；取折流板圓缺面水平裝配。由參考文獻[12]表43可得折流板厚度為5mm。拉桿數(shù)量與直徑按文獻[12]表（47）和（48）選取。本換熱器傳熱管外徑為25mm，其拉桿直徑為16mm，取拉桿數(shù)量為4個。殼程入口處，應設置防沖擋板，厚度取5mm。 接管1）管程流體進出口接管根據(jù)文獻[12]表33到35，可確定管內冷卻水流速為，則接管內徑為；圓整后可取接管內徑為100mm。2）殼程流體進出口接管根據(jù)文獻[12],可確定進口接管內氣體流速為，則接管內徑為：； 圓整后可取進口接管內徑為150mm。由于出口接管流出飽和液體，體積流量較入口的氣體體積流量小很多，考慮到制造安裝的統(tǒng)一性，則取殼程出口接管內徑與管程接管內徑相同，為100mm。 換熱器的熱流量核算 1)殼側系數(shù)殼側壁溫℃。冷凝平均溫度為：40℃。40℃時異丁烷的物理性質a） 飽和液體時，； ； ；b） 飽和氣體時，；根據(jù)參考文獻[13]，估算管束直徑：；由于正方形排列管子，四管程時：，；且；所以，；在平均蒸汽溫度下的蒸汽密度：；中排的管數(shù)為： ；水平換熱管的載荷，單位管周長的冷凝物速率為：；根據(jù)參考文獻[13]公式()：； 2）管內表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) 依據(jù)文獻[12]式（332）和（333）得；管程流體流通截面積；管程流體流速和雷諾數(shù)為：； ；普朗特數(shù)為：；由于管內流體被加熱，則； 3）污垢熱阻和管壁熱阻 依據(jù)文獻[12]表（310），可取管程冷卻水側的熱阻 ；殼程異丁烷側的熱阻 ；鋼的導熱系數(shù) ； 管壁熱阻 ； 4) 傳熱系數(shù) 依據(jù)文獻[12]表（321），可得 ；在初步計算時，假設的總傳熱系數(shù)為。通過核算，該換熱器在規(guī)定的流動條件下，所提供的傳熱系數(shù)為，所以假設合適。 5) 傳熱面積和面積裕度 依據(jù)文獻[12]式（335）可得所計算的傳熱面積Ac為； 該換熱器的實際傳熱面積A為； 該換熱器的面積裕度依據(jù)文獻[12]式（336）計算為 ； 所以，由于面積裕度在（15%～20%）之間，則該換熱器面積裕度合適，能夠完成生產任務。因管壁很薄，管壁熱阻小，故管壁溫度可按文獻[12]式（342）計算。由于該換熱器用循環(huán)水冷卻，冬季操作時，循環(huán)水的進口溫度將會降低。為確?？煽?，取循環(huán)冷卻水進口溫度為25℃，出口溫度為35℃計算傳熱管壁溫。另外，由于傳熱管內側污垢熱阻較大，會使傳熱管壁溫升高，降低了殼體和傳熱管壁溫之差。但在操作初期，污垢熱阻較小，殼體和傳熱管間壁溫差可能較大。計算中，應按最不利的操作條件考慮，因此，取兩側污垢熱阻為零計算傳熱管壁溫。于是，依據(jù)文獻[12]式（342）有：；式中液體的平均溫度tm和氣體的平均溫度分別按式（344）和（345）計算為：；；；；傳熱管平均壁溫；殼體壁溫，可近似取為殼程流體的平均溫度，即；殼體壁溫和傳熱管壁溫之差為；由于該溫差較小，且殼程壓力較小，故選用帶膨脹節(jié)的固定管板式換熱器較為適宜，而且經濟。 換熱器內流體的流動阻力 1) 管程流動阻力依據(jù)文獻[12]式（347）～（349）可得：； 式中，ΔPi為單程直管阻力；ΔPr為局部阻力；Ns為殼程數(shù)；ΔPt為管程總阻力；Fs為管程結垢校正系數(shù)。 ； ；由，傳熱管的相對粗糙度，查莫狄圖，流速；，所以：；；；由于，故管程流體阻力在允許范圍之內。 2) 殼程流動阻力 根參考文獻[13]，可得橫截面積：。