【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 備，有時(shí)則把它作為某一工藝設(shè)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(shí)在生產(chǎn)中也是不可缺少的。總之，換熱器在化工生產(chǎn)中的應(yīng)用是十分廣泛的，任何化工生產(chǎn)工藝幾乎都離不開(kāi)它。 在換熱設(shè)備中，應(yīng)用最廣泛的是管殼式換熱器。目前這種換熱器被當(dāng)作為一種傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)換熱器，在許多工業(yè)部門(mén)中被大量地使用。尤其在化工生產(chǎn)中，無(wú)論是國(guó)內(nèi)還是國(guó)外，它在所有的換熱設(shè)備中，仍占主導(dǎo)地位。同時(shí)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(jìn)行。如高壓聚乙烯要求操作壓力高達(dá)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(jìn)行熱交換是很不容易的，尤其在有腐蝕存在的情況下，實(shí)現(xiàn)熱交換更是困難。而管殼式結(jié)構(gòu)，它具有選材范圍廣，換熱表面清洗較方便，適應(yīng)性強(qiáng)，處理能力大，能承受高溫和高壓等特點(diǎn)。因此，能不斷擴(kuò)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(shè)備也相應(yīng)向大型化方向發(fā)展，以降低動(dòng)力消耗，減少占地面積和金屬消耗。管殼式結(jié)構(gòu)的換熱器也能滿足這一要求。 近十余年來(lái)，另一種高效、緊湊式 的新型換熱設(shè)備之一，即板式換熱器，已發(fā)展成為一種重要的化工設(shè)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(yīng)用。它適用的介質(zhì)相當(dāng)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(shuō)，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(lái)，由于鋁及鋁合金釬焊技術(shù)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(yīng)用。雖然首先采用這種形式的換熱器是為了滿足飛機(jī)上中間冷卻器的要求，但由于它具有體積小，質(zhì)量輕，效率高和適應(yīng)的溫度范圍廣等突出的優(yōu)點(diǎn)，從而在化工、石油化工和其它許多工業(yè)部門(mén)中，也得到了迅速地推廣應(yīng)用?，F(xiàn)在，板翅式換熱器又成功地應(yīng)用于天然氣加工過(guò)程中，如進(jìn)料氣冷卻器、部分冷凝器、底部蒸發(fā)器和壓縮機(jī)的中間冷卻器等。其它在航空、車輛和船舶等方面亦已開(kāi)始推廣應(yīng)用。 目前螺旋板換熱器在化工生產(chǎn)中的應(yīng)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(shí)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(guó)內(nèi)首先較普遍地用在小化肥生產(chǎn)中半水煤氣的預(yù)熱器和氨合成塔下部的換熱器，目前已逐步推廣應(yīng)用的到其它化工生產(chǎn)工藝中。 在化工生產(chǎn)過(guò)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(gè)問(wèn)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(dá)到耐熱，耐壓和防腐的效果。玻璃換熱器應(yīng)用于生產(chǎn)中，目前還剛剛開(kāi)始，并已推廣應(yīng)用到制藥工業(yè)中。石墨換熱器已在許多國(guó)家中得到廣泛地應(yīng)用，如用來(lái)處理鹽酸、硫酸等腐蝕性介質(zhì)。此外，還可用于化肥、有機(jī)合成和農(nóng)藥等多種工業(yè)中。 在其它新型換熱器的應(yīng)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(kāi)始應(yīng)用與宇宙航行，但目前它的發(fā)展已日趨完善，且逐步推廣應(yīng)用于其它工業(yè)部門(mén)。它能利用小的表面積傳遞大的熱量，因此它能充分體現(xiàn)換熱器的一種優(yōu)良的設(shè)計(jì)。在化工生產(chǎn)中所使用的換熱器種類和形式很多的，但完善的換熱設(shè)備至少應(yīng)滿足下列幾種因素：1. 保證達(dá)到工藝所規(guī)定的換熱條件；2. 強(qiáng)度足夠及結(jié)構(gòu)可靠；3. 便于制造、安裝和檢修；4. 經(jīng)濟(jì)上要合理。 3 螺旋折流板式換熱器的工藝計(jì)算 所給初始參數(shù)見(jiàn)表31所示：表31 初始參數(shù)表介 質(zhì)丁二烯水壓力（絕） pt = p2=入口溫度Ti=℃ti= 34℃出口溫度 To=℃to=38℃序號(hào)質(zhì)量流量Kg/h質(zhì)量流量 Kg/h1 Wt=17000Kg/h? 兩流體溫度變化情況：℃，℃，冷流體的進(jìn)口溫度為34℃，出口溫度為38℃，由于管殼流體之間的溫差不大，所以用結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單的固定管板式換熱器，而且不需要加膨脹節(jié)。 由于循環(huán)冷卻水較易結(jié)垢，而且工作壓力較高，為了便于水垢清洗以及列管的承受壓力較強(qiáng)，所以應(yīng)該使得冷卻水走管程，相應(yīng)的丁二烯走殼程，可以選用的碳鋼管，管內(nèi)流速取 定性溫度：可取流體進(jìn)出口溫度的平均值。 殼程丁二烯的定性溫度為 管程水等信兒定性溫度為 根據(jù)定性溫度，通過(guò)參考書(shū)《化工原理》、《熱工基礎(chǔ)》等查的殼程和管程流體的有關(guān)物性數(shù)據(jù)： ℃下的有關(guān)物性數(shù)據(jù)如下： 密度： 定壓比熱容： 導(dǎo)熱系數(shù)： 粘度： 水在36℃下的有關(guān)物性數(shù)據(jù)如下： 密度： 定壓比熱容： 導(dǎo)熱系數(shù)： 粘度：：丁二烯在該工作壓力下，℃是沸點(diǎn)，當(dāng)溫度下降時(shí)，原本為液態(tài)的丁二烯會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)，所以這里存在一個(gè)氣化潛熱的問(wèn)題，這里的熱流量要分為兩個(gè)部分一個(gè)是氣化潛熱，另一個(gè)是溫度下降所放出的熱量. 那么總的熱流量先求逆流時(shí)平均溫度差 丁二烯 → 水 38 ← 34 那么平均傳熱溫差管程傳熱系數(shù)：雷洛數(shù)： 關(guān)聯(lián)式： （水被加熱，）殼程傳熱系數(shù)：假設(shè)殼程的傳熱系數(shù)污垢熱阻：又知道管壁的導(dǎo)熱系數(shù)那么總傳熱系數(shù)： 考慮15%的面積裕度 選用傳熱管（碳鋼），取管內(nèi)流速 如下表格所示為不同換熱器布管限定圓的規(guī)定（查GB1511999）： 表中是指換熱器最外換熱管表面與殼體內(nèi)壁的最短距離那么換熱器的不管限定圓的直徑依據(jù)傳熱管內(nèi)徑和流速確定單程傳熱管數(shù)按單程管計(jì)算，所需的傳熱管長(zhǎng)度為按單程設(shè)計(jì)，傳熱管過(guò)長(zhǎng)，宜采用多程管結(jié)構(gòu)，現(xiàn)取傳熱管長(zhǎng)，則該換熱管管程數(shù)為 那么傳熱管的總管數(shù) 平均傳熱溫差校正系數(shù) 按單殼程、六管程結(jié)構(gòu)，溫差校正系數(shù)查的下表得圖31 溫差校正系數(shù)圖可得溫差校正系數(shù)平均傳熱溫差采用組合排列法，即每程內(nèi)列管都是按照正三角形排列，隔板兩側(cè)采用正方形，取管心距，則 橫過(guò)管束中心線的管數(shù) 采用多管程結(jié)構(gòu)，取管板利用率，則殼體內(nèi)徑為 圓整可取折流板是1/4圓弧，如下圖所示 圖32（a） 螺旋折流板的輪廓圖下面對(duì)折流板進(jìn)行分析，下圖是折流板的在換熱器中軸向的投影：圖32（b） 螺旋折流板的投影圖圖33 螺旋折流板的簡(jiǎn)略空間圖從上面兩個(gè)圖中可以計(jì)算出扇形折流板的邊長(zhǎng)以及弧度邊長(zhǎng),折流板投影上的半徑為R，R=AB=BC在直角中，那么，折流板邊長(zhǎng)為這里設(shè)定，螺旋折流板的安裝高度取15度，即，由于殼體內(nèi)徑為2600mm，可以取R=1295mm。那么邊長(zhǎng) 計(jì)算夾角：在直角中 在故有： 則 安裝距離 那么折流板的板數(shù) 即所需要的折流板的數(shù)量為24個(gè)。圖34 螺旋折流板的實(shí)物圖（1） 殼程流體進(jìn)出口接管：取接管內(nèi)的丁二烯流速為，則接管內(nèi)徑為取標(biāo)準(zhǔn)管徑為89mm（2） 管程流體進(jìn)出口接管，取接管內(nèi)循環(huán)水流速，則接管內(nèi)徑為取標(biāo)準(zhǔn)管徑為300mm。對(duì)螺旋式折流板，可以采用克恩公式當(dāng)量直徑，已知列管排列為正三角形排列，所以殼程流通截面積殼程流體流速及其雷洛數(shù)分別為.普蘭特準(zhǔn)數(shù)粘度校正殼程對(duì)流傳熱系數(shù)管程流通截面積管程流體流速普蘭特準(zhǔn)數(shù)那么管程對(duì)流傳熱系數(shù)該換熱器的實(shí)際傳熱面積該換熱器的面積裕度為傳熱面積裕度合適，該換熱器能夠完成生產(chǎn)任務(wù)。已知由相對(duì)粗糙度為，查莫狄圖得，如下圖圖35 莫狄圖由圖可知：摩擦系數(shù)又知，則管程流動(dòng)阻力在允許范圍之內(nèi)。已知流體流經(jīng)管束的阻力（殼程流體的摩擦系數(shù)）又知，則流體流過(guò)折流板缺口的阻力已知，則總阻力殼程流動(dòng)阻力較為合適。換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表格31表32 換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計(jì)算結(jié)果換熱器型式：固定管板式（不帶膨脹節(jié)）換熱面積（）：工藝參數(shù)名稱管程殼程物料名稱水丁二烯操作壓力，MPa操作溫度，℃(進(jìn)/出)38/34流量，kg/h39170617000流體密度,1000676流速，m/s傳熱量，kJ/h總傳熱系數(shù)，對(duì)流傳熱系數(shù)，2894污垢系數(shù)，0．0003440．000172阻力降，Pa6656259程數(shù)16推薦使用材料碳鋼碳鋼管子規(guī)格φ25；管數(shù)：4158；管長(zhǎng)：9000mm管間距：32mm。排列方式：正三角形折流板形式：螺旋折流板，扇形折流板，間距B=殼體內(nèi)徑：2600mm4 螺旋折流板式換熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 在換熱器的設(shè)計(jì)中，當(dāng)完成了換熱器的熱力計(jì)算后，就可以進(jìn)行換熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。有時(shí)在熱力設(shè)計(jì)計(jì)算中也以部分確定了結(jié)構(gòu)尺寸，此時(shí)結(jié)構(gòu)計(jì)算除應(yīng)進(jìn)一步確定那些尚未確定的尺寸外，還應(yīng)對(duì)那些以確定的尺寸作某種校核。管殼式換熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，必須考慮許多因素，如材料、壓力、溫度、壁溫查、結(jié)垢情況、流體的性質(zhì)以及檢修與清理等來(lái)選擇一些合適的結(jié)垢型式。對(duì)同一種型式的換熱器，由于各種條件不同，往往采用的結(jié)構(gòu)亦不同。在工程設(shè)計(jì)中，除盡量選用定型系列產(chǎn)品外，也常按其特定的條件進(jìn)行設(shè)計(jì)，以滿足工藝上的需要。 筒體 管殼式換熱器的殼體一般是用管材或者是板材卷制而成，如何選定要看選擇換熱器的直徑的大小，通常情況下，公稱直徑DN400mm時(shí)，一般采用管材作為殼體或管箱殼體，相反當(dāng)公稱直徑DN400mm時(shí)，通常使用板材卷制而成。 卷制圓筒的公稱直徑以400mm為基數(shù)，以 100mm為進(jìn)級(jí)檔；公稱直徑DN 2600mm的圓筒，可用板材卷制制作。 結(jié)論：初定筒體公稱直徑DN2600mm。筒體的厚度應(yīng)按 GB 1501998 第5章計(jì)算，但碳素鋼和低合金鋼圓筒的最小厚度應(yīng)不小于表2的規(guī)定，高合金鋼圓筒的最小厚度應(yīng)不小于表2規(guī)定。 表41 圓筒的最小厚度公稱直徑400~700700~1000700~10001000~15001500~20002000~26000浮頭式、U形管式81012101416固定管板式6810121214結(jié)論：筒體的最小厚度為14mm。（表中數(shù)據(jù)包括厚度附加量=1mm）最終查的《換熱器設(shè)計(jì)手冊(cè) 錢頌文》得到筒體的厚度為16mm。 封頭與管箱選擇使用橢圓形封頭，尺寸和厚度按照J(rèn)B/T473795選取。圖41橢圓形封頭的尺寸和厚度表格由上圖可以知道，其公稱直徑，曲面高度，直邊高度，名義厚度，內(nèi)表面積，容積，質(zhì)量圖42 兩種不同類型的橢圓形封頭封頭選標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭、材料選查表41 設(shè)計(jì)壓力計(jì)算厚度： 設(shè)計(jì)厚度： （） 負(fù)偏差取 取 封頭有效厚度 容器標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：對(duì)標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭其有效厚度不應(yīng)小于，其他橢圓封頭的有效厚度不應(yīng)小于。結(jié)論：滿足標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的要求。又因?yàn)楫?dāng)直徑為2600mm時(shí)，封頭厚度不能低于16mm，所以取設(shè)計(jì)厚度。滿足校核要求。查閱《換熱器設(shè)計(jì)手冊(cè) 錢頌文》表163得 圖43 直徑為2600mm的管箱在不同公稱壓力下的厚度選擇官箱的材料為因此取官箱的厚度為16mm. 在換熱器的殼體和官箱上一般均裝有接管或接口以及進(jìn)出管。在殼體和大多數(shù)官箱的底部裝有排液管，上部設(shè)有排氣管，殼側(cè)也常設(shè)有安全閥接口以及其他諸如溫度計(jì)、壓力表、液位計(jì)和取樣管接口。對(duì)于立式管殼式換熱器，必要時(shí)還需設(shè)置溢流口。由于在殼體、管箱殼體上面開(kāi)孔，必然會(huì)對(duì)殼體局部位置的強(qiáng)度造成削弱。因此，殼體、管箱殼體上的接管設(shè)置，除考慮其對(duì)傳熱和壓降的影響外，還應(yīng)考慮殼體的強(qiáng)度以及安裝、外觀等因素。圖44 換熱器排液管、排氣管管程流體進(jìn)出口接管：取接管內(nèi)水流速，則接管內(nèi)徑為，查GB173951998得可取外徑允許不另行補(bǔ)強(qiáng)的最大接管外徑為接管的壁厚計(jì)算（Ф=）已知厚度負(fù)偏差腐蝕余量那么由于外徑的最小厚度大于6mm，所以在這里我取查GB173951998無(wú)縫鋼管尺寸、外形、重量及允許偏差，可取接管外徑為， 殼程流體進(jìn)出口接管:由下表，取接管內(nèi)丁二烯流速為，則接管內(nèi)徑為由GB1501998知此此接管不需要另行補(bǔ)強(qiáng)，接管最小壁厚滿足