【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 數(shù)，該值與管子排列方式有關(guān)。 正三角形排列： = N 正方形排列： N? 多管程 D= /tN?? 式中 N— 排列管子數(shù) η — 管板利用率 正三角形排列： 2 管程 η =～ ﹥ 4 管程 η =～ 正方形排列： 2 管程 η =～ ﹥ 4 管程 η =～ 殼體內(nèi)徑 D 的計(jì)算值最終應(yīng)圓整到標(biāo)準(zhǔn)值。 ?折流板 在殼程管束中，一般都裝有橫向折流板，用以引導(dǎo)流體橫向流過管束，增加流體流速，以增強(qiáng)傳熱；同時(shí)起支撐管束、防止管束振動(dòng)和管子彎曲 的作用。折流板的型式由圓缺型、環(huán)盤型和孔流型等。如圖 17 所示。 （ a）水平圓缺 (b)垂直圓缺 (c)環(huán)盤型 (a) (b) (c) 圖 17 折流板型式 遼寧石油化工大學(xué)職業(yè)技術(shù)學(xué)院化工畢業(yè)設(shè)計(jì) 12 ?緩沖板 在殼程進(jìn)口接管處常裝有防沖擋板，或稱緩沖板。它可防止進(jìn)口流體直接沖擊管束而造成管子的侵蝕和管束振動(dòng)，還有使流體沿管束均勻分布的作用。也有在管束兩端放置導(dǎo)流筒，不僅起 到 防沖板的作用，還可改善兩端流體的分布，提高傳熱效率。 ?其他主要附件 ①旁通擋板 如果殼體和管束之間間隙過大，則流體不通過管束而通過這個(gè)間隙旁通，為了防止這種情形，往往采用旁通 擋板。 ②假管 為減少管程分程 引起的中間穿流的影響，可設(shè)置假管。假管的表面形狀為兩端堵死的管子，安置于分程隔板槽背面兩管板之間但不穿過管板，可與折流板焊接以便固定。假管通常是每隔 3～ 4 排換熱管安置一根。 ③拉桿和定距管 為了使折流板能牢靠地保持在一定位置上，通常采用拉桿和定距管。 遼寧石油化工大學(xué)職業(yè)技術(shù)學(xué)院化工畢業(yè)設(shè)計(jì) 13 2 設(shè)計(jì)部分 設(shè)計(jì)任務(wù) 某生產(chǎn)過程中，需將 6000 kg/h 的煤油從 140℃冷卻至 40℃，壓力為 ；冷卻介質(zhì)采用循環(huán)水，循環(huán)冷卻水的壓力為 ，循環(huán)水入口溫度 30℃，出口溫度為 40℃。試設(shè)計(jì)一臺(tái)列管式換熱器，完成該生產(chǎn)任務(wù)。 設(shè)計(jì)方案的確定 ?換熱器類型的選擇 在列管式換熱器內(nèi)，由于管內(nèi)、外流體溫度不同，殼體和管束的溫度及其熱膨脹的程度也不同。若兩者溫差較大，就可能引起很大的內(nèi)應(yīng)力，使設(shè)備變形、管子彎曲、斷裂甚至從板上脫落。因此，必須采取適當(dāng)?shù)拇胧?，以消除或減少熱應(yīng)力的影響。此外，有的流體易于結(jié)垢，有的腐蝕性較大，也要求換熱器便于清洗和修理。目前，已有幾種不同型式的換熱器系列化生產(chǎn)，以滿足不同的工藝需要。其類型參見前言所述。 ? 流動(dòng)空間的選擇 在管殼式換熱器的計(jì)算中， 首先需 要 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(gè)，使傳熱面兩側(cè)的傳熱系數(shù)接近。 ② 在運(yùn)行溫度較高的換熱器中，應(yīng)盡量減少熱量損失，而對(duì)于一些制冷裝置，應(yīng)盡量減少其冷量損失。 ③ 管、殼程的決定應(yīng)做到便于清洗除垢和修理，以保證運(yùn)行的可靠性。 ④ 應(yīng)減小管子和殼體因受熱不同而產(chǎn)生的熱應(yīng)力。從這個(gè)角度來說，順流式就優(yōu)于逆流式，因?yàn)轫樍魇竭M(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(duì)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(jiǎn)單。 遼寧石油化工大學(xué)職業(yè)技術(shù)學(xué)院化工畢業(yè)設(shè)計(jì) 14 ⑥ 應(yīng)盡量避免采用貴金屬，以降低成本。 以上這些原則有些是相互矛盾的，所以在具體設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)綜合考慮，決定哪一種流體走管程，哪一種流體走殼程。 ? 流速的確定 當(dāng)流體不發(fā)生相變時(shí)，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(huì)帶來一些不利的影響，諸如壓降△ P增加，泵功率增大 ，且加劇了對(duì)傳熱面的沖刷。 表 21 換熱器常用流速的范圍 殼程流速，m/s ～ ～ ～ ＞ ～ ～ 2～ 15 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、二氧化碳、苯 甲醇、乙醇、汽油 丙酮 氫氣 安全流速， m/s ＜ 1 ＜ 2～ 3 ＜ 10 ≤8 ? 加熱劑、冷卻劑的選擇 常用冷卻劑有水，空氣，鹽水，氨蒸氣等。一般來說，除低溫及冷凍外，冷卻劑應(yīng)優(yōu)先選用水，水的初溫應(yīng)當(dāng)由當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件決定；此外，應(yīng)注意： ①水與被冷卻流體冷端之間一般需有 5 ～ 35℃的溫度差。 介質(zhì) 流速 循環(huán)水 新鮮水 一般液體 易結(jié)液體 低粘液體 高粘液體 氣體 管程流速，m/s ～ ～ ～ 3 ＞ ～ ～ 5～ 30 遼寧石油化工大學(xué)職業(yè)技術(shù)學(xué)院化工畢業(yè)設(shè)計(jì) 15 ②水的出口溫度不宜太高，如出口溫度超過 50℃時(shí)，溶解于水中的無機(jī)鹽要析出在壁面上形成污垢。因此，用未經(jīng)處理過的河水作冷卻劑時(shí)，其出口溫度一般不應(yīng)超過 50℃，否則會(huì)加快污垢的生成，大大增加傳熱阻力。 [02] 表 23 常用冷卻劑和加熱 劑 冷卻劑名稱 溫度范圍 加熱劑名稱 溫度范圍 水（自來水，河水，井水） 空氣 冷凍鹽水 氨蒸汽 0 ～ 80℃ 30℃ 15～ 0℃用于低溫冷卻 15℃用于冷凍工業(yè) 飽和水蒸汽 煙道氣 180℃ 700 ～ 1000℃ ? 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(jì)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(gè)優(yōu)化問題。 ? 材質(zhì)的選擇 在進(jìn)行換熱器設(shè)計(jì)時(shí)，換熱器各種零、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(duì)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(shí)往往成為一個(gè)復(fù)雜的問題。在這方面考慮不周，選材不妥，不僅會(huì)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。 ① 碳鋼 價(jià)格低，強(qiáng)度較高，對(duì)堿性介質(zhì)的化學(xué)腐蝕比較穩(wěn)定，很容易被酸腐蝕，在無耐腐蝕性要求的環(huán)境中應(yīng)用是合理的：如一般換熱器用的普通無縫鋼管，其常用的材料為 10 號(hào)和 20 遼寧石油化工大學(xué)職業(yè)技術(shù)學(xué)院化工畢業(yè)設(shè)計(jì) 16 號(hào)碳鋼。 ② 不銹鋼 奧氏體系不銹鋼以 ICr18Ni9 為代表，它是標(biāo)準(zhǔn)的 18 ~8 奧氏體不銹鋼，有穩(wěn)定的奧氏體組織，具有良好的耐腐蝕性和冷加工性能。 列 管式換熱器是各種工程領(lǐng)域中最普遍應(yīng)用的熱交換裝置 ,其優(yōu)化設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)滿足熱交換任務(wù)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、經(jīng)濟(jì)性評(píng)估等多目標(biāo) .借助轉(zhuǎn)軸直接搜索可行方向法 (DSFD)的思想 ,計(jì)算了油 水換熱器的優(yōu)化設(shè)計(jì)模 型 ,通過比較并加以分析優(yōu)化結(jié)果與常規(guī)設(shè)計(jì)結(jié)果 ,證明了煤油冷卻器的設(shè)計(jì)既達(dá)到了結(jié)構(gòu)合理 ,經(jīng)濟(jì)性好的目的 ,也具有根據(jù)不同需要得到其最優(yōu)方案的靈活性 。 設(shè)計(jì)步驟 目前，我國(guó)已制定了管式換熱器系列標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)中應(yīng)盡可能選用系列化的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，這樣可簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)加工。但是實(shí)際生產(chǎn)條件千變?nèi)f化，當(dāng)系列化產(chǎn)品不能滿足需要時(shí)，仍應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)的具體要求而自行設(shè)計(jì)非系列標(biāo)準(zhǔn)的換熱器。 非系列標(biāo)準(zhǔn)換熱器的一般步驟 ①了解換熱流體的物理化學(xué)性質(zhì)和腐蝕性。 ②由熱平衡計(jì)算傳熱量的大小，并確定第二種換熱流體的用量。 ③決定 流體通入的空間。 ④計(jì)算流體的定性溫度，以確定流體的物性數(shù)據(jù)。 ⑤初算流體的定性溫度，以確定流體的物性數(shù)據(jù)。 ⑥選取管徑和管內(nèi)流速。 ⑦計(jì)算傳熱系數(shù) K 值，包括管程對(duì)流傳熱系數(shù)和殼程對(duì)流傳熱系數(shù)的計(jì)算。由于殼程對(duì)流傳熱系數(shù)與殼徑、管束等結(jié)構(gòu)有關(guān)，因此一般先假定一個(gè)殼程對(duì)流傳熱系數(shù)，以計(jì)算 K值，然后再做校核。 ⑧ 初估傳熱面積。考慮安全系數(shù)和初估性質(zhì)，因而常取實(shí)際傳熱面積式計(jì)算的 ～ 遼寧石油化工大學(xué)職業(yè)技術(shù)學(xué)院化工畢業(yè)設(shè)計(jì) 17 倍。 ⑨選擇管長(zhǎng) L。 ⑩計(jì)算管數(shù) N。 ? 校核管內(nèi)流速，確定管程數(shù)。 ? 畫出排管圖，確定管徑 D 和管程擋板形式及數(shù)量等。 ? 校核管程對(duì)流傳熱面積。 ? 校核有效平均溫差。 ? 校核傳熱面積，應(yīng)有一定安全系數(shù)，否則需重新設(shè)計(jì)。 ? 計(jì)算流體流動(dòng)阻力。如果阻力超過允許范圍，需調(diào)整計(jì)算，直至滿意為止。 設(shè)計(jì)計(jì)算 確定設(shè)計(jì)方案 ? 選擇換熱器類型 兩流體溫度變化情況：熱流體進(jìn)口溫度 140℃，出口溫度 40℃；冷流體（循環(huán)水）進(jìn)口溫度 30℃，出口溫度 40℃。該換熱器用循環(huán)冷卻水冷卻，冬季操作時(shí)進(jìn)口溫度會(huì)降低，考慮到這一因素，估計(jì)該換熱器的的管壁溫和殼體溫差較大，因此初步確定選用帶膨脹節(jié)的固定管板式換熱器。 ? 流動(dòng)空間的確定 在 管殼式換熱器的計(jì)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(gè)，使傳熱面兩側(cè)的傳熱系數(shù)接近。 ②