【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 性、單位傳熱面的金屬消耗量等方面尚有待改善。 由于管內(nèi)外流體的溫度不同，因之換熱器的殼體與管束的溫度也不同。如果兩流體溫度相差較大，換熱器內(nèi)將產(chǎn)生很大的熱應(yīng)力，導(dǎo)致管子彎曲、斷裂或從管板上拉脫。因此，當(dāng)管束與殼體溫度差超過(guò) 50℃時(shí)，需采取適當(dāng)補(bǔ)償措施，以消除或減少熱應(yīng)力。根據(jù)所采用的補(bǔ)償措施，管殼式換熱器可以分為以下幾種主要類型： 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 固定管板式換熱器：其結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。換熱器的管端以焊接或脹接的方法固定在兩塊管板上，而管板則以焊接的方法與殼體相連。與其它型式的管殼式換熱器相比，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，當(dāng)殼體直徑相同時(shí)，可安排更多的管子，也便于分程，同時(shí)制造成本較低。由于不存在彎管部分，管內(nèi)不易積聚污垢，即使產(chǎn)生污垢也便于清洗。如果管子發(fā)生泄漏或損壞，也便于進(jìn)行堵管或換管，但無(wú)法在管子的外表面進(jìn)行機(jī)械清洗，且難以檢查，不適宜處理臟的或有腐蝕性的介質(zhì)。更主要的缺點(diǎn)是當(dāng)殼體與管子的壁溫或材料的線膨脹系數(shù)相差較大時(shí)，在殼體與管中將產(chǎn)生較大的溫差應(yīng)力，因此為了減少溫差應(yīng)力，通常需在殼體上 設(shè)置膨脹節(jié)，利用膨脹節(jié)在外力作用下產(chǎn)生較大變形的能力來(lái)降低管束與殼體中的溫差應(yīng)力。 浮頭式換熱器：其結(jié)構(gòu)如圖 2 所示。管子一端固定在一塊固定管板上，管板夾持在殼體法蘭與管箱法蘭之間，用螺栓連接；管子另一端固定在浮頭管板上，浮頭管板夾持在用螺柱連接的浮頭蓋與鉤圈之間，形成可在殼體內(nèi)自由移動(dòng)的浮頭，故當(dāng)管束與殼體受熱伸長(zhǎng)時(shí)，兩者互不牽制，因而不會(huì)產(chǎn)生溫差應(yīng)力。浮頭部分是由浮頭管板，鉤圈與浮頭端蓋組成的可拆聯(lián)接，因此可以容易抽出管束，故管內(nèi)管外都能進(jìn)行清洗，也便于檢修。由上述特點(diǎn)可知，浮頭式換熱器多用于溫度波動(dòng)和溫 差大的場(chǎng)合，盡管與固定管板式換熱器相比其結(jié)構(gòu)更復(fù)雜、造價(jià)更高。 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 U型管式換熱器：其結(jié)構(gòu)可參見圖 3。一束管子被彎制成不同曲率半徑的 U型管，其兩端固定在同一塊管板上，組成管束，從而省去了一塊管板與一個(gè)管箱。因?yàn)楣苁c殼體是分離的，在受熱膨脹時(shí)，彼此間不受約束，故消除了溫差應(yīng)力。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)便宜，管束可以在殼體中抽出，管外清洗方便，但管內(nèi)清洗困難，故最好讓不易結(jié)垢的物料從管內(nèi)通過(guò)。由于彎管的外側(cè)管壁較薄以及管束的中央部分存在較大的空隙，故 U 型管換熱器具有承壓能力差、傳熱能力不佳的缺點(diǎn)。 雙重管式換熱器： 將一組管子插入另一組相應(yīng)的管子中而構(gòu)成的換熱器，其結(jié)構(gòu)可以參看圖 4。管程流體（ B 流體）從管箱進(jìn)口管流入，通過(guò)內(nèi)插管到達(dá)外套管的底部，然后返回，通過(guò)內(nèi)插管和外套管之間的環(huán)形空間，最后從管箱出口管流出。其特點(diǎn)是內(nèi)插管與外套管之間沒有約束，可自由伸縮。因此，它適用于溫差很大的兩流體換熱，但管程流體的阻力較大，設(shè)備造價(jià)較高。 填料函式換熱器：圖 5 為填料函式換熱器的結(jié)構(gòu)。管束一端與殼體之間用填料密封，管束的另一端管板與浮頭式換熱器同樣夾持在管箱法蘭和殼體法蘭之間，用螺栓連接。拆下管箱、填料壓蓋等有關(guān)零件后，可將管束抽 出殼體外，便于清洗管間。管束可自由伸縮，具有與浮頭式換熱器相同的優(yōu)點(diǎn)。由于減少了殼體大蓋，它的結(jié)構(gòu)較浮頭式換熱器簡(jiǎn)單，造價(jià)也較低，但填料處容易泄漏，工作壓力與溫度受一定限制，直徑也不宜過(guò)大。 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 管殼式換熱器特殊結(jié)構(gòu) 包括有雙殼程結(jié)構(gòu)、螺旋折流板、雙管板等特殊結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)將使換熱器擁有更高的工作效率。 （ 1） 雙殼程結(jié)構(gòu)：在換熱器管束中間設(shè)置縱向隔板，隔板與殼體內(nèi)壁用密封片阻擋物流內(nèi)漏，形成雙殼程結(jié)構(gòu)。適用場(chǎng)合：①管程流量大殼程流量小時(shí)，采用此結(jié)構(gòu)流速可提高一倍，給熱系數(shù)提高 1～ 倍；②冷熱流體溫度交叉 時(shí)，但殼程換熱器需要兩臺(tái)以上才能實(shí)現(xiàn)傳熱，用一臺(tái)雙殼程換熱器不僅可以實(shí)現(xiàn)傳熱，而且可以得到較大的傳熱溫差。 （ 2） 螺旋折流板式換熱器：螺旋折流板可以防止死區(qū)和返混，壓降較小。物流通過(guò)這種結(jié)構(gòu)換熱器時(shí)存在明顯的徑向變化，故不適用于有高熱效率要求的場(chǎng)合。 （ 3） 雙管板結(jié)構(gòu)：在普通結(jié)構(gòu)的管板處增加一個(gè)管板，形成的雙管板結(jié)構(gòu)用于收集泄漏介質(zhì)，防止兩程介質(zhì)混合。 換熱管簡(jiǎn)介 換熱管 是管殼式換熱器的傳熱元件，采用高效傳熱元件是改進(jìn)換熱器傳熱性能最直接有效的方法。國(guó)內(nèi)已使用的新效的換熱管有以下幾種： 螺紋管：又稱低翅 片管，用 光管軋制而成，適用于管外熱阻為管內(nèi)熱阻 倍以上的單相流及渣油、蠟油等粘度大、腐蝕易結(jié)垢物料的換熱。 （ 1） T 形翅片管：用于管外沸騰時(shí)，可有效降低物料泡核點(diǎn)，沸騰給熱系數(shù)提高 ～ 倍，是蒸發(fā)器、重沸器的理想用管。 表面多孔管：該管為光管表面形成一層多孔性金屬敷層，該敷層上密布的小孔能形成許多汽化中心，強(qiáng)化沸騰傳熱。 （ 2） 螺旋槽紋管：可強(qiáng)化管內(nèi)物流間的傳熱，物料在管內(nèi)靠近管壁部分流體順槽旋流，另一部分流體呈軸向渦流，前一種流動(dòng)有利于減薄邊界層，后一種流動(dòng)分離邊界層并增強(qiáng)流體擾動(dòng)，傳熱系數(shù)提高 ～ 倍， 但阻力降增加 ～ 倍。 （ 3） 波紋管：為擠壓成型的不銹鋼薄壁波紋管，管內(nèi)、管外都有強(qiáng)化傳熱的作用，但波紋管換熱器承壓能力不高，管心距大而排管少，殼程短而不易控制。 管殼式換熱器的應(yīng)用已經(jīng)有悠久的歷史，而且管殼式換熱器被當(dāng)作一中傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)的換熱設(shè)備在很多工業(yè)部門中大量使用。尤其在化工、石油、能源 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 設(shè)備等部門所使用的換熱設(shè)備中，管殼式換熱器仍處于主導(dǎo)地位，因此本次畢業(yè)設(shè)計(jì)特針對(duì)這類換熱器中的浮頭式換熱器的工藝設(shè)計(jì)以及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行介紹。 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 第二章 工藝計(jì)算 在換熱器設(shè)計(jì)中，首先應(yīng)根據(jù)工藝要求選擇適用的 類型，然后計(jì)算換熱所需要的傳熱面積。工藝設(shè)計(jì)中包括了熱力設(shè)計(jì)以及流動(dòng)設(shè)計(jì)，其具體運(yùn)算如下所述： 設(shè)計(jì)條件 兩流體溫度變化情況：熱流體進(jìn)口溫度 82℃，出口溫度 76℃；冷流體（自來(lái)水）進(jìn)口溫度 51℃，出口溫度 71℃。該換熱器用循環(huán)冷卻水冷凝，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)改換熱器的管壁溫和殼體壁溫之差不大，因此初步確定選用固定管板式換熱器。 因兩流體中苯發(fā)生相變 ,水的對(duì)流傳熱系數(shù)一般較大且易結(jié)垢 ,故應(yīng)使循環(huán)水走管程，苯品走殼程。選用 Φ20x2的碳鋼管，管內(nèi) 流速取 ui=。 定性溫度：可取流體進(jìn)口溫度的平均值。 殼程苯的定性溫度為 T=(82+80)/2=81（℃） T’=(80+76)=78（℃） 管程流體的定性溫度為 t=（ 51+71） /2=61（℃） 苯在 79℃下的有關(guān)物性數(shù)據(jù)如下： 密度 ρ =’=879kg/ m3 定壓比熱容 cp =（ kg.℃ ） cp ’=（ kg.℃ ） 導(dǎo)熱系數(shù) λ =（ m. ℃ ） λ ’=（ m. ℃ ） 粘度 μ o= 汽化熱 △ H=394kj／ kg 流量 )/(35000 hkgm ? 循環(huán)冷卻水在 61℃下的物性數(shù)據(jù)： 密度 ρ i =983kg/m3 定壓比熱容 cpi =(kg.℃ ) 導(dǎo)熱系數(shù) λ i=(m.℃ ) 粘度 μ i= 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 換熱器傳熱面積與換熱器規(guī)格： 流動(dòng)空間的確定 選擇被冷卻的 苯 品走殼程 ， 冷卻介質(zhì)水 走管程。這是因?yàn)椋罕焕鋮s的流體走殼程可便于散熱，而傳熱系數(shù)大的流體應(yīng)走管程，這樣可降低管壁的溫差，減少熱應(yīng)力，同時(shí)對(duì)于浮頭式換熱器，一般是將易結(jié)垢流體流經(jīng)管程。 初算換熱器傳熱面積 39。A 傳熱計(jì)算（熱負(fù)荷計(jì)算） 熱負(fù)荷： Qc=mo△ H+mocpto+mocpt1 =3500 394 ﹢ 3500 (8280) ﹢ 3500 (8076)=? 106kj/h= 冷卻水用量： 1407000 1 5 2 2 0 k g /hti 4 . 6 2 2Qoc p i? ???= （ ）△ （ 7151 ） 有效平均溫差 39。mt 的計(jì)算 選取逆流流向，這是因?yàn)槟媪鞅炔⒘鞯膫鳠嵝矢摺? 采用平均溫度差。 t 1 t 2 t m = = = t 1 l n l nt 2 △ △ （ 82 80 ） （ 71 51 ）△ （ ℃ ）△ 82 80△ 71 51 t 1 t 2 t 39。m = = = 4t 1 l n l nt 2 △ △ （ 80 76 ） （ 71 51 ）△ （ ℃ ）△ 80 76△ 71 51 )( 0, Cmttmtm ???????? 總 按經(jīng)驗(yàn)值初選總傳熱系數(shù) K估 查表選得 K估 =300W/（㎡﹒℃）； 初算出所需的傳熱面積 39。A 390780 2A 39。= 7 3 .3 4 mtm 3 0 0 1 7 .7 6QK ??? （ ）△ 總 ； 考慮到所用傳熱計(jì)算式的準(zhǔn)確程度及其他未可預(yù)料的因素，應(yīng)使所選用的換熱器具有換熱面積 0A 留有裕度 10%25%，故有 39。21. 1 1. 1 * 73 .3 4 80A A m? ? ?，根據(jù) A 查選型手冊(cè)，可選換熱器的型式為： B ES 85 6/25 4 Ⅱ，且為達(dá)到所需換熱面積，應(yīng)采用三臺(tái)同類換熱器串聯(lián)。 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 所選浮頭式換熱器的規(guī)格參數(shù)以及其工藝計(jì)算常用參數(shù)可參考表 23與表24（附第二章后）。 傳熱管數(shù)及管程的確定 選用 Φ20x2 的傳熱管（碳鋼） l=(m),取管內(nèi)流速 ui= 依據(jù)傳熱管內(nèi)徑和流速確定單程傳熱管數(shù) s 22i152 20 / ( 983 360 0)n 72( ) 85 16 4Vdu??? ? ??? 根 按單程管計(jì)算，所需的傳熱管長(zhǎng)度為 os80 1 7 . 6 9 ( m )d n 3 . 1 4 0 . 0 2 7 2SL ?? ? ??? p 1 7 .6 9 4 ( )l 4 .5LN ??? 管 程 傳熱管總根數(shù) N=72x4=288 (根 ) 管心距的計(jì)算 采用組合排列法，即每程內(nèi)均按正方形排列，隔板兩側(cè)采用正方形排列。取管心距 t=，則 T=?20=25（ mm） 橫過(guò)管束中心線的管數(shù) nc= 288 = 取 19（根） 換熱器型號(hào)、參數(shù)的確定 將選型計(jì)算所得換熱器管管子數(shù)與布管總數(shù)相比較，如果換熱器管管子數(shù)大于布管總數(shù)，則需更換公稱直徑 DN,然后重新計(jì)算布管總數(shù)；如果換熱管管子數(shù)小于布管總數(shù)，則可最終確定換熱器型號(hào)，并將換熱器的型號(hào)參數(shù)輸出。換熱器型號(hào)參數(shù)有：公稱直徑 DN、 公稱壓力 PN、 換熱管長(zhǎng)度 LN、 換熱器管程N(yùn)P、 換熱器外徑 d、 公稱換熱面積 A、 管箱型式（ A/B） 、 殼體型式等。 殼體內(nèi)徑計(jì)算 采用多管程結(jié)構(gòu)，取管板利用率η =，則殼體內(nèi)徑為 D= /N? =?25 286/ =556（ mm）取 600mm 圓整可取 D=600mm 式中： T— 管心距 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 N— 傳熱管總根數(shù) η — 管板利用率 圓缺高度計(jì)算： 采用弓形折流板圓缺高度為殼體內(nèi)徑的 25﹪，則切去的圓缺高度為h=?600=150mm 取折流板間距 B=,則 B=? 600=300mm，可取 B 為 300mm 折流板的計(jì)算 折流板 一般都比較薄，為了盡量避免加工偏差，便于管束裝配，全部折流板應(yīng)疊在一起同時(shí)進(jìn)行鉆孔為好，待鉆孔工序完成后再按對(duì)稱方向根據(jù)需要的形狀進(jìn)行邊緣加工。 弓形折流板 大部分換熱器采用弓形折流板，其缺口高 h 數(shù)值，一般為— 倍的圓筒內(nèi)直徑。折流板的缺口一般在排管中心以下或切于兩排管孔的小橋中間。 折流板數(shù) 45001 1 1 4300BN ? ? ? ? ?傳 熱 管 長(zhǎng) （ 塊 ）折 流 板 間 距 對(duì)于折流板的間距，沒有嚴(yán)格規(guī)定一般按 工藝要求而定。一般采用等距分布。折流板的最小間距，一般不小于殼體內(nèi)直徑的五分之一，且不小于 50mm，特殊情況可取小間距。折流板的最大間距與管徑及殼體直徑有關(guān)。 換熱器核算 管程流體進(jìn)出口接管的直徑：