【正文】 管箱的作用是把從管道輸送來的管程流體均勻分布到各換熱管和把管內(nèi)流 體匯集在一起送出換熱器。 （ 4） 最大允許工作壓力及應(yīng)力計(jì)算 最大允許工作壓力 ??wP eiTew DP ? ??? ?? ][2][= 4400 ???? = 設(shè)計(jì)溫度下計(jì)算的應(yīng)力 t? eie2 )( ??? DPTT ?? = ? ?42 ? ?? = ? ? tt M Pa ??? ???? 4 7 0 ，筒體名義厚度合格。 因?yàn)?min??? ，取 mm3min ???? ，則 筒體名義厚度 mmCn 5232 ????? ?? ，考慮鋼板常用規(guī)格厚度 GB 1511999《管殼式換熱器》中有最小厚度要求，取筒體名義厚度 mmn 6?? 。 （ 2） 確定筒體厚度 由 GB 1502020《壓力容器》標(biāo)準(zhǔn)中，當(dāng) ? ??? tcP ? 時(shí)，可用 23 ? ? ct ic PDP ?? ??? 2 計(jì)算。 假設(shè)厚度為 mm16~6 ，設(shè)計(jì)溫度取為 C?65 ，查 GB 1502020《壓力容器》知 Q345R 的許用應(yīng)力 ? ? MPat 170?? 。 Q345R 是低碳低合金鋼，具有優(yōu)良的綜合力學(xué)性能和制造工藝性能，其強(qiáng)度、韌性、耐腐蝕性、低溫和高溫性能均優(yōu)于相同含碳量的碳素鋼，同時(shí)采用低合金鋼可以減少容器的厚度，減輕重量，節(jié)約鋼材。最后，還要考慮材料的經(jīng)濟(jì)合理性。介質(zhì)為正戊烷和地下水，考慮輕微腐蝕。 綜上所知，管程和殼程壓強(qiáng)降均能滿足題設(shè)要求。 ① 對(duì)于 ??1P 的計(jì)算 21 201 uNnFfP hBco ?）（ ???? (39) 其中： F —— 管子排列方式對(duì)壓力降的校正系數(shù)：換熱器列管呈三角形排 列，取 ?F ； of —— 殼程流體的摩擦系數(shù)， ）（ ??? ?of ； —— 橫過管束中心線的管束，為 7 根； B—— 折流板間距，為 120mm； D—— 殼體直徑，為 400mm； BN —— 折流板數(shù)目，為 71 塊； ou —— 按殼程流通截面積 )]([ ocoO dnDhSS ?? 計(jì)算的流速， sm/ 。 換熱器內(nèi)流體的流動(dòng)阻力 取設(shè)計(jì)壓力為 （ 1） 管程流動(dòng)阻力其中： 1P? 直管中因摩擦阻力引起的壓力降， spti NNFPPP )( 21? ????? （ 37） 其中： 1P? —— 直管中因摩擦阻力引起的壓力降，221 iic udlP ?? ????； 2P? —— 回彎管 中摩擦 阻力引起 的壓力 降，可由 經(jīng)驗(yàn)公 式 2322 iuP ???估算； 19 tF —— 結(jié)垢校正系數(shù)，Φ 25 的換熱管取 ； pN—— 管程數(shù)，為 4； sN—— 串聯(lián)的殼程數(shù)，取 1?！妫?， 0a =（ m2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。 （ 4）計(jì)算傳熱面積 S mtKQS ?? =()= 實(shí)際傳熱面積： lNdSP 0?? =932= 面積裕度： %100??? S SSH P =()/=% 傳熱面積裕度在 %20~%15 之間，該換熱器能夠完成任務(wù)?！妫? （ 3）計(jì)算總傳熱系數(shù) oK )1(1moiioiosisoo ddddddRRK???? ????? （ 35） 17 其中： io??, —— 殼程、管程對(duì)流傳熱系數(shù)， ）（ CmW ??2/ ； mio ddd , —— 換熱管外徑、內(nèi)徑和內(nèi)外徑平均值 ,mm ， md 為 ； sosiRR, —— 管內(nèi)側(cè)、外側(cè)污垢熱阻， W/2 Cm ?? ，均取為 WCm / 24 ??? ； ? —— 換熱管壁厚，為 ； ? —— 碳鋼導(dǎo)熱系數(shù)，取 ）（ CmW ??/45 ?！妫? （ 2）殼程對(duì)流傳熱系數(shù) o? 流體通過 管間的流通截面積為： ?????? ?? tdBDA oo 1 （ 33） 其中： B —— 折流板間距，為 120mm； 16 D—— 殼體公稱直徑，為 400mm； od — — 管子外徑，為 25mm； t —— 管子中心距，為 32mm。最低處留排出液口，避免了液體在殼體上部集聚和停滯，其結(jié)構(gòu)如圖 33 所示。因此，本設(shè)計(jì)采用單弓形折流 板。盤環(huán)形折流板制造不方便，流體在管束中為軸向流動(dòng)，效率較低。 管殼式換熱器常用的折流板的形式有弓形和盤環(huán)形。 表 36 分程隔板槽兩側(cè)相鄰管心距 nS 換熱管外徑 od 10 12 14 16 19 20 22 25 分程隔板槽兩側(cè)相鄰管心距 nS 28 30 32 35 38 40 42 44 換熱管外徑 od 30 32 35 38 45 50 55 57 分程隔板槽兩側(cè)相鄰管心距 nS 50 52 56 60 68 76 78 80 通過管束中心線的管數(shù)： nnc ? = 32 =（根）取整為 7根 （ 4）殼體內(nèi)徑的確定 采用多管程結(jié)構(gòu)，殼體內(nèi)徑可按公式計(jì)算，如下 ?TNtD ? ? — 管板利用率。 取管心距 odt ? ，則： t=25=， 根據(jù)《化工設(shè)備課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)》 P103，如表 35，取 t=32mm。 管板上兩換熱管中心距離成為管心距。 圖 32管子在管板上的排列 布管限定圓：在設(shè)計(jì)時(shí)要將管束限制在限定圓內(nèi)。 采用組合排列法，即每程內(nèi)均按正三角形排列，隔板兩側(cè)采用正方形排列。 圖 31 排列方式 正三角形排列對(duì)殼程空 間的利用率優(yōu)于正方形排列，相同的殼體內(nèi)徑可排列更多的管子，但對(duì)殼程機(jī)械清洗的便利性不如后者，僅適用于殼程不需要清洗的固定管板式換熱器。錯(cuò)列時(shí)殼程流體對(duì)換熱管外壁的沖刷程度優(yōu)于直列。同心圓排布多用在小直徑換熱管中，優(yōu)點(diǎn)是管子與換熱器殼壁間的距離較均勻，但管排數(shù)超過 6排時(shí)空間利用率不及后兩種，故工業(yè)換熱器中換熱管的主要排列方式為正三角形及正方形排 列。 （ 4）換熱管排列和分程方法 11 在管殼式換熱器中，換熱管的空間排列方式常見的有同心圓、正三角形及正方形三種。 依據(jù)換熱管內(nèi)徑和流速確定單程傳熱管數(shù) sn ： 由iis udnV ??? 24?有， iis udVn 24?? 地下水流量 mc=8000kg/h=， 則 V=m/? =103m3/s， 2 ??? ?sn103=（根），取整數(shù) 8根。在換熱管長度和數(shù)量一定 10 時(shí)，為了提高管內(nèi)流速和傳熱效率，常采用管束分程的辦法，使介質(zhì)在管束內(nèi)的流通面積減少，流程加長和流速提高。根據(jù)《化工原理》 P174 有，管殼式換熱器常用流速的范圍如表 33 和不同黏度液體在列管換熱器中的流速（在鋼管中）如表 34，取管內(nèi)流速 iu =。 ② 管內(nèi)流速 流體在殼程或管程中的流速增大，不僅對(duì)流傳熱系數(shù)增大，也可減少雜質(zhì)沉積或結(jié)垢，但流體阻力也相應(yīng)增大。 我國目前適用的管殼式換熱器系列標(biāo)準(zhǔn)中僅有換熱管規(guī)格為： mmmm 219 ?? 、 mmmm ?? 。在逆流（即冷、熱兩流體在傳熱面兩側(cè)流向相反）操作時(shí)，熱流體和冷 流體用可以比并流操作時(shí)少，所以工程上多采用逆流操作，在本設(shè)計(jì)中先按逆流計(jì)算，再校正。本設(shè)計(jì)就屬于變溫傳熱中兩側(cè)變溫傳熱的情況。若間壁的一側(cè)或兩側(cè)流體沿傳熱面的不同位置溫度不同，即流體從進(jìn)口到出口，溫度有了變化，或是升高或是降低，這種情況的傳熱稱為變溫傳熱。 S h? 105 c? 80105 導(dǎo)熱系數(shù) mW/ （ 2） 選擇流徑 正戊烷蒸汽相對(duì)比較潔凈，選擇正戊烷蒸汽走殼程，地下水走管程，既有利于地下水水冷卻效率高，也可借助外界溫度加速地下水冷卻。但溫度很高的流 體，其熱能可以利用，宜選管程，以減少熱損失。 ⑥ 蒸氣冷凝宜走殼程，以利于排出冷凝液。 ④ 為增大對(duì)流傳熱系數(shù)，需要提高流速的流體宜走管程，因管程流通截面積一 般比殼程小，且做 成多管程也較容易。 ② 腐蝕性流體宜走管程，以免殼體和管束同時(shí)被腐蝕?！妫? 正戊烷 596 105 地下水 25 105 25℃ : hm =30000 1000/330/24= ℃時(shí)正戊烷的蒸發(fā)潛熱 r=熱負(fù)荷為： Qh= hm r== ： T2=Q/(M2C)+T1=+25=℃ tm=（ 25+） /2 = ℃ 兩流體的溫差 Tmtm=50℃，選用固定管板式換熱器 ： T m=（ +） /In{（ ） /（ ） }=℃ 3 換熱器的工藝設(shè)計(jì) 工藝計(jì)算 流徑選擇 （ 1） 選擇原則 7 ① 不清潔或易結(jié)垢的流體宜走容易清洗的一側(cè)。 s KJ/（ kg 此換熱器與浮頭式、 U形管式換熱器一樣，清洗維修方便，可處理不清潔、易結(jié)垢的介質(zhì)，并能承受高溫、高壓。在結(jié)構(gòu)上與其他換熱器不同之處在于殼體上部設(shè)置一個(gè)蒸發(fā)空間，蒸發(fā)空間的大小由產(chǎn)氣量和所要求的蒸氣品質(zhì)所決定。填料函式換熱器現(xiàn)在已很少采用。其結(jié)構(gòu)較浮頭式換熱器簡單，加工制造方便，節(jié)省材料，造價(jià)比較低廉，且管束從殼體內(nèi)可以抽出，管內(nèi)、管間都能進(jìn)行清洗，維修方便。 圖 23 U 形管式換熱器 （ 4） 填料 函式換熱器 填料函式換熱器的結(jié)構(gòu)如圖 2 25所示，這種換熱器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與浮頭式換熱器相類似，浮頭部分露在殼體以外，在浮頭與殼體的滑動(dòng)接觸面處采用填料函式密封結(jié)構(gòu)。 結(jié)構(gòu)比較簡單、價(jià)格便宜，承壓能力強(qiáng)，適用于管、殼壁溫差較大或殼程介質(zhì)易結(jié)垢需要清洗，又不適宜采用浮頭式和固定管板 式的場合。 由于受彎管曲 率半徑的限制，其換熱管排布較少，管束最內(nèi)層管間距較大，管板的利用率較低，殼程流體易形成短路，對(duì)傳熱不利。 圖 22 浮頭式換熱器 （ 3） U 形管式換熱器 U形管式換熱器的典型結(jié)構(gòu)如圖 23所示，這種換熱器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是，只有 4 一塊管板，管束由多根 U 形管組成，管的兩端固定在同一塊管板上，管子可以自由伸縮。 浮頭式換熱器 的特點(diǎn)是管間和管內(nèi)清洗方便，不會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力；但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價(jià)比固定管板式換熱器高，設(shè)備笨重，材料消耗量大，且浮頭端小蓋在操作中無法檢查，制造時(shí)對(duì)密封要求較高。浮頭有浮動(dòng)管板、鉤圈和浮頭端蓋組成，是可拆連接，管束可從殼體內(nèi)抽出。為減少熱應(yīng)力，通常在固定管板式換熱器中設(shè)置柔性元件（如膨脹節(jié)、撓性管板等），來吸收熱膨脹差。其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、能承受較高的壓力，造價(jià)低，管程清洗方便， 3 管子損壞時(shí)易于堵管或更換；缺點(diǎn)是當(dāng)管束與殼體的壁溫或材料的線膨脹系數(shù)相差較大時(shí)， 殼體和管束中將產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力。 2 管殼式換熱器的分類及選型 分類 根據(jù)管殼式換熱器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可分為固定管板式、浮頭式、 U 形管式、填料函式和釜式重沸器五類?，F(xiàn)在換熱器的研究及發(fā)展方向有：物性模擬研究；分析設(shè)計(jì)研究；大型化及能耗研究；強(qiáng)化技術(shù)研究；新材料的研究；控制結(jié)垢與腐蝕的研究等。通常用水或空氣為冷卻劑以除 去熱量，廣泛用于化工，在精餾操作中和釜式再沸器一起使用，回流冷凝器主要用于提供液相回流，直接影響到精餾塔的穩(wěn)定操作工況與餾出液的產(chǎn)品分率。 另外，撰