【文章內(nèi)容簡介】 方法的不同，管殼式換熱器可分為固定管板式、浮頭式、 U型管式、填料函式、滑動管板式等類型。 管殼式換熱器是在石油化工行業(yè)中應(yīng)用最廣泛的換熱器?？v然各種板式換熱器的競爭力不斷上升，管殼式換熱器依然在換熱器市場中占主導(dǎo)地位。目前各國為提高這類換熱器性能進(jìn) 行的研究主要是強(qiáng)化傳熱、研發(fā)適應(yīng)各類腐蝕性介質(zhì)的新材料以及在結(jié)構(gòu)上向著高溫、高壓、大型化方向發(fā)展。 管殼式換熱器作為種傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)換熱設(shè)備，它雖然在換熱效率、設(shè)備的 體積， 金屬材料的消耗量等力而小如其他新型換熱設(shè)備，但它具有結(jié) 構(gòu)堅固、操作彈性大 、可靠程度 高 、使用范圍廣等優(yōu)點，所以在化 工 、 石油化工、煉油、 動力、核能和其他 行業(yè) 裝置中得到普遍采用，特別是在 高 溫、 高壓和大型換熱器中的應(yīng)用占據(jù)絕對優(yōu)勢。榆林學(xué)院畢業(yè)論文 2 2 工藝條件的選擇 管殼式 換熱器類型的選擇 常見的 管殼式 換熱器類型很多，目前在工業(yè)中廣泛使用的主要有以下 四種： （ 1）固定管板式換熱器 這類換熱器的主要特點是它的結(jié)構(gòu)簡單，在相同的殼體直徑內(nèi)，排管最多，而且緊湊排列，因此殼程檢修和清洗困難，所以殼程中走的必須是易清洗，不易產(chǎn)生垢層和腐蝕的介質(zhì)。當(dāng)管束和殼體之間溫差較大時會產(chǎn)生熱膨脹，導(dǎo)致管子和管板之間脫開，從而發(fā)生介質(zhì)泄露。為此常在外殼上焊膨脹節(jié)， 但它僅能減小而不能完全消除由于溫差而產(chǎn)生的熱應(yīng)力且在多程換熱器中，這種方法不能照顧到管子的相對移動 。所以這種換熱器比較適合用于溫差不大或溫差較大但殼程壓力不高的場合[1]。 （ 2）浮頭式換熱器 該類換熱器的管束 膨脹不受殼體的約束，所以殼體與管束間不會由于膨脹量而產(chǎn)生熱應(yīng)力，而且清洗容易，所以它通常適用于管殼壁間溫差較大，或易于腐蝕或結(jié)垢的場合。 該類換熱器結(jié)構(gòu)復(fù)雜且笨重，造價比固定管板式高 20%左右，材料消耗量大，而且浮頭的端蓋在操作在無法檢查。所以在制造和安裝時要特別注意其密封，以免發(fā)生泄漏，管束和殼體的間隙較大，在設(shè)計是要避免短路。至于 殼程的壓力也受滑動接觸面的密封限制。 （ 3） U 型管式換熱器 該類換熱器的管束可以自由伸縮，不會因管殼之間的溫差而產(chǎn)生熱應(yīng)力，熱補償性能好；管程為雙管程，流程較長，流速高，傳熱性 能好，且結(jié)構(gòu)簡單便于檢修，但管內(nèi)清洗不便。又因其管束中間部分存在空隙，使殼程流體易于短路而影響換熱。此外，為了彌補彎管后管壁的減薄，直管部分必須用管壁較厚的管子。所以該類換熱器僅適用于管殼壁溫相差大，或殼程介質(zhì)易結(jié)垢而管程介質(zhì)不易結(jié)垢、高溫、高壓的場合。 （ 4）填料函式換熱器 這類換熱器的結(jié)構(gòu)特點是浮頭與管殼間被填料函密封的同時，允許管束自由伸長，這種結(jié)構(gòu)特別適用于介質(zhì)腐蝕性較嚴(yán)重，溫差較大且要經(jīng)常更換管束的冷卻器。因為它有浮頭式的優(yōu)點，又克服了固定管板式的不足，結(jié)構(gòu)比浮頭式的簡單，制作比浮頭式方便，清洗 檢修比浮頭式容易，泄漏時能及時發(fā)現(xiàn)。但這種換熱器的填料密封性能較差，故在操作溫度壓力較高的工況及大直徑殼體下很少使用。殼程內(nèi)介質(zhì)具有易揮發(fā)、易燃、易爆及劇毒性質(zhì)時也不宜使用。 本次設(shè)計兩流體溫度變化情況：熱流體進(jìn)口溫度 205，出口溫度 175；冷流體（甲醇 ）進(jìn)口溫度 40，出口溫度 60。 該換熱器使用 甲醇 冷卻， 換熱器操作時壓力 ，考慮到這一因素，估計換熱器的 操作壓力 ，因此初步選定 U型管式換熱器。 管殼式換熱器的設(shè)計 3 流體流徑管程和殼程的選擇 在 非相變流體傳熱的 列管式換熱器中，流體流徑管程和殼程的選擇主要從以下幾方面考慮 [4]： （ 1） 不易結(jié)垢的或不潔凈的物料應(yīng)當(dāng)流經(jīng)易于清洗的一側(cè)。 （ 2） 溫度很高（或很低）的物料宜走管內(nèi)宜減少熱量（或冷量）的損失，也可減少對特種金屬的需求，降低換熱器成本；但要求被冷卻的流體宜走殼程，便于散熱。 （ 3） 有腐蝕的流體應(yīng)在管內(nèi)流過，以避免管束和殼體同時受到腐蝕。 （ 4） 壓力高的流體流經(jīng) 管內(nèi)，因為管直徑小，承受高壓能力好，同時避免高壓外殼和高壓密封，也降低了成本 [9]。 （ 5） 飽和蒸汽一般通入殼程， 因 飽和蒸汽 比較清潔，傳熱系數(shù)與流速關(guān)系較小且 又便排除潔凈冷凝液 。 （ 6） 被冷卻物料一般走殼程便 于散熱。 上述原則可能相互對立，在實際的使用中要根據(jù)對實際情況的具體分析來選擇流體的流徑。 例如，首先從流體的壓力，腐蝕性以及清洗等方面考慮，然后再對壓力降和傳熱系數(shù)等方面要求進(jìn)行校核，以便作出恰當(dāng)?shù)倪x擇。 流體流速的選擇 當(dāng)流體不發(fā)生相變時，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)緊湊成本較低，一般也可抑制污垢的產(chǎn)生。但流速過大也會帶來一些不利的影響。 如流速過大會使通過換熱 器的壓力將增大，輸送流體的動力消耗增加。從而提高了操作費用。因此 ，要選取比較適宜的流速，需經(jīng)過全面分析比較才能確定 。 換熱器常用流速的范圍見表 21[1]和表 22[1]。 表 換熱器常用流速的范圍 介質(zhì) 流速 循環(huán)水 新鮮水 一般 液體 易結(jié)垢液體 低粘 度油 高粘 度油 氣體 管程流速 m/s ～ ～ ～ 3 ～ ～ 5～ 30 殼程流速 m/s ～ ～ ～ ～ ～ 2～ 15 表 管 殼 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、二氧化硫、 苯 甲醇、乙醚 、汽油 丙酮 空氣 安全流速 m/s 1 2～ 3 10 ≤8 榆林學(xué)院畢業(yè)論文 4 加熱劑和冷卻劑的選擇 可以用作加熱劑和冷卻劑的物料很多，列管式換熱器常用的加熱劑有飽和水蒸氣、煙道氣和熱水等，常用的冷卻劑有水、空氣和氨等。在選擇加熱劑和冷卻劑時主要考慮來源方便，有足夠溫差，價格低廉，使用安全等因素。 本次設(shè)計是熱量的一種回收利用，加熱介質(zhì) 碳酸丙烯酯， 冷卻劑甲醇。 適宜出口溫度的選擇 換熱器的設(shè)計中，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，但其出口溫度由設(shè)計者選定。該溫度 直接影響加熱劑或冷卻劑的耗量和換熱器的大小，所以此溫度有一個優(yōu)化問題。 設(shè)備材質(zhì)與規(guī)格的選擇 換熱管的材料要根據(jù)操作壓力，溫度強(qiáng)化傳熱也可采用異型管，翅片管，螺紋管等。一般換熱器常用的材料有碳鋼和不銹鋼兩種。 （ 1） 碳鋼 價格低，強(qiáng)度較高，對堿性介質(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。 （ 2） 不銹鋼 這類材料有穩(wěn)定的奧氏體組織，具有良好的耐蝕性和冷加工性能。 本次設(shè)計中物料 碳酸丙烯酯為產(chǎn)品， 甲醇為原料 ，故該 U型管 式換熱器的管程與殼程均選用 不銹鋼 材料。 換熱器的管 子構(gòu)成換熱器的傳熱面，管子的大小和形狀對傳熱有較大影響 [8]。針對管子中所流物體情況采用大或小直徑管子，若用小直徑管子時換熱器單位體積的傳熱面積大，設(shè)備較緊湊，單位傳熱面積的金屬消耗量少，傳熱系數(shù)也稍高，但制造麻煩，且易積污，不易清洗，應(yīng)用于清潔的流體。大管子則用于粘性大或污濁的流體 。 常用換熱管規(guī)格有 φ19 ? 2mm、 φ25 ? （ 不銹鋼 ） 。 小的管徑可以承受更大的壓力；且管壁較?。煌瑫r，對于相同的 殼徑，可以排列較多的管子，因此，單位體積的傳熱面積更大，單位傳熱面積的金屬耗量更少。 結(jié)合 合設(shè)計任務(wù)與操作條件分析，我們選用φ25? （ 不銹 鋼 ） 作為換熱器的傳熱管。管殼式換熱器的設(shè)計 5 3 管 殼 式換熱器的化工計算 確定物性數(shù)據(jù) 定性溫度：可取流體進(jìn)出口溫度的平均值。 甲醇 的定性溫度為 502 6040 ???T℃ 丙碳 流體的定性溫度為 1902 205175 ???t℃ 根據(jù)定性溫度，分別查取殼程和管程流體的有關(guān)物性數(shù)據(jù) [6]。 甲醇 在 50℃ 下的有關(guān)物性數(shù)據(jù)如下 : 密度 ?０ =791kg/m3 定壓比熱容 0pc =(kg.℃ ) 導(dǎo)熱系數(shù) 0? =(m.℃ ) 粘度 0? = 碳酸丙烯酯 在 190℃ 下的物性數(shù)據(jù)： 密度 i? = kg/m3 定壓比熱容 pic =1． 904kJ/(kg.℃ ) 導(dǎo)熱系數(shù) i? = W/(m.℃ ) 粘度 i? = 估算傳熱面積 熱流量 ? ? KWhkJtcmQ ipiii 90 ??????? () 榆林學(xué)院畢業(yè)論文 6 平均傳熱溫差 [6] ? ? ? ? Ctttttom6017540205ln6017540205ln2121?????????????? () 冷卻介質(zhì)甲醇的 用量 ? ?hkgtcQwpii1 3 8 0 8)4060(4 9 6 8 9 0 0 00?????? () 初算傳熱面積 結(jié)合殼程流體的壓力，先 取較小的 K 值。首先假設(shè) K=230 W/(m2℃ )。則估算的傳熱面積為 )m( 823 068 90 0 0 2????? mitKQS估 () 表 管殼式換熱器中傳熱系數(shù) K值范圍推介值 高溫流體 低溫流體 傳熱系數(shù)范