【正文】 管箱封頭的計算 設(shè)計條件 計算壓力： MPa? 內(nèi)徑 iD前 =700mm 800mmiD ?后 設(shè)計溫度： 200C176。我們在了解 管殼式換熱器各方面性質(zhì)后，也應(yīng)該注意到設(shè)計過程中可能出現(xiàn)的問題，在實際應(yīng)用過程中，還應(yīng)該結(jié)合工程實際情況，輔之以工程經(jīng)驗才能設(shè)計出更合理的換熱器，使設(shè)計的產(chǎn)品向安全、經(jīng)濟的方向發(fā)展。流程結(jié)果可從 ASPEN PLUS中瀏覽，詳細結(jié)果可以從 ASPEN B— JAC中瀏覽。與 ASPENPLUS集成使得用戶能夠確定換熱器瓶頸，預(yù)測當工藝條件發(fā)生變化的換熱器的性能，降低維護費用。 ASPEN TEAMS做一個完整的機械設(shè)計包括綜合應(yīng)力分析及外部負載計算，它包括詳細的代碼依從計算，詳細材料及人工成本估算、比例放大制造圖。程序可進行詳細的成本計算。 ASPEN HETR AN 和 ASPEN AER0TR AN有三種應(yīng)用方式：①設(shè)計方式，程序搜索滿足熱負荷規(guī)定及操作約束的最佳換熱器；②核 算方式，它用于核算在指定操作條件下?lián)Q熱器是如何表現(xiàn)的；③模擬方式，它確定在使用了所有傳熱面積情況下，冷熱側(cè)流體出口狀況。ASPEN HETRAN和 ASPEN TEAMS能夠模擬所有主要的 TEMA管殼式換熱器的加熱、冷凝及蒸發(fā)過23 程。設(shè)計計算結(jié)果和圖形可以直接給制造者用來換熱器的制造。程序提供詳細的投資成本估算，包括材料及建筑成本。 ASPEN PLUS B— JAC ASPEN B— JAC是 ASPEN工程軟件包的一部分，該軟件包是一套用于工藝過程設(shè)計、模擬及分析的綜合工具，它由三個程序組成的集成軟件： ASPEN HETRAN、 ASPEN AEROTRAN和 ASPEN TEAMS。 同樣， HTRI程序也有設(shè)計、校核、模擬三種計算模式，使用條件和方法與 HTFS程序基本相同。 HTRI HTRI是美國熱傳遞研究公司推出換熱器計算程序，可以進行管殼式換熱器、板式換熱器、套管式換熱器、加熱爐、空冷器、螺旋板式換熱器等不同形式換熱的計算。如有明顯的振動則需調(diào)整換熱器的某些幾何參數(shù)甚至改變其結(jié)構(gòu)形式，經(jīng)過反復(fù)的性能核算和振動計算，直至傳熱性能和振動這一機械性能同時滿足要求，換熱器的工藝設(shè)計才算完成。 經(jīng)核算表明能完全滿足工藝要求并具有良好 傳熱性能的換熱器并不能保證操作中的安22 全性，因為在換熱器中流體流動可能會引起管子的振動，進而引起換熱器的機械故障。 根據(jù)具體情況來選擇不同級別的換熱器。 HTFS程序中殼體形式為 TEMA標準的 E、 I、 J、 G和 K型；管子有光管和翅片管兩種類型，管程數(shù)為 1～ 16；折流板有單弓形、雙弓形、無折流板和折流桿等多種形式。 該程序有三種計算模式：設(shè)計型 (DESIGN)、校核型 (CHECK)和模擬型 (SIMULATION). ①設(shè)計型，在一定限制條件下按面積最小進行設(shè)計 . ②校核型，核算已知換熱器是否能滿足換熱要求，計算結(jié)果為實際面積／所需面積。 HTFS (1)軟件介紹 HTFS是英國傳熱及流體流動學會推出的兩相流管殼式換熱器計算程序。 換熱器設(shè)計軟件簡介 21 在初步選定換熱器形式后，就要確定換熱器的幾何參數(shù)。此密封結(jié)構(gòu)是借助彈性材料的過盈量將其壓緊總之設(shè)計合理的密封結(jié)構(gòu)和墊片形狀 ,可減少縫隙腐蝕。這類墊片槽一般采用 “ 粘貼型 ” 密封結(jié)構(gòu)。目前 ,密封墊片廣泛采用彈性橡膠材料 ,對其力學性能和抗腐蝕性能有一定的要求 ,永久壓縮變形量控制在 20%,并熱時效。由于在板片和密封壓緊板的邊緣 ,墊片溝槽和墊片之間存在縫隙 ,造成缺氧形成陽極而發(fā)生腐蝕破壞。 (6)板片換熱器的密封墊片也是關(guān)鍵的零部件。水平直波紋的支點較稀疏。 (5)增加板片觸點的接觸率 ,減少磨振對觸點的破壞。s 1時 ,流體達不到湍流狀態(tài)且會形成較大的死角區(qū)。s 1(主流線上的流速要比平均值高 4~5倍 )。 (3)板片與墊片的粘結(jié)劑 ,不要采用過期的和含有 Cl的粘結(jié)劑 ,防止析出 Cl而引發(fā)腐蝕。 20 (2)為減輕對板片表面的劃傷 ,要對模具表面進行拋光。所有斷面要圓弧過渡 ,欽板圓角一般在 R2~。 熱器的防腐蝕措施 板式換熱器的防腐蝕措施除可以采用以上方法外 ,還可采用以下措施 : (1)設(shè)計板片的成形模時 ,應(yīng)采用殘余應(yīng)力小的結(jié)構(gòu)。因為蒸汽的冷凝液中溶解有 O2和 CO2,具有較強的腐蝕性。大型換熱器常采用外加電流陰極保護 ,小型海水換熱器則多用犧牲陽極的陰極保護。在人造絲生產(chǎn)中使用了陽極保護來防止鈦制換熱器的腐蝕。陽極保護即通過外加電流使金屬電位向正向移動 ,促使金屬鈍化以進入鈍化區(qū) ,可以大大降低腐蝕速度。 （ 4）電化學保護 電化學保護分為陽極保護和陰極保護。鉻酸鹽 鋅 聚磷酸鹽處理冷卻水 ,常用于低碳鋼、不銹鋼、海軍銅和銅鎳合金換熱器 ,但不能用于鋁合金制換熱器。通常將阻垢分散劑、殺菌滅藻劑與緩蝕劑合用 ,稱為水質(zhì)穩(wěn)定劑。為避免管端磨損沖 蝕 ,可用尼龍襯套防護。 保溫層破損后 ,應(yīng)盡早使用防止水分的施工方法修復(fù) ,以免殼體外積附水分 ,腐蝕殼體。脹管時 ,對其周圍的管子也要進行再次脹管 ,以免形成間隙。停工時可采用噴射洗滌、機械清洗和化學清洗的方法。采用定期清洗的方法降低污垢腐蝕。這樣的開停車工序 ,可以將拉應(yīng)力降至最小 ,避免產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕。停車時 ,應(yīng)先將熱流體流速逐漸減小至零 ,然后快速停止冷流體流動 ,這樣可使冷卻過程中的不等量收縮減至最小。s 1,并使長度方向的溫度梯度不大于 ℃ 換熱管若采用奧氏體不銹鋼管 ,如果在 450~850℃ 保溫一定時間 ,將造成敏化 ,使不銹鋼具有晶間腐蝕的傾向 ,這可能與晶間的 “ 貧鉻 ” 有關(guān)?？p隙腐蝕與孔蝕的機理相似 ,一般出現(xiàn)孔蝕的地方也常有縫隙腐蝕發(fā)生。在換熱器中 ,污垢的附著部位也會產(chǎn)生縫隙腐蝕 。換熱器入口管端 ,就存在沖刷腐蝕 ,發(fā)生在管殼式換熱器管程流體入口部分 ,距傳熱管管端 3~4倍管徑長度處。如果換熱器中的介質(zhì)是電解質(zhì)溶液 ,氫以原子狀態(tài)在金屬表面析出 ,向金屬內(nèi)部滲透 ,就會有氫破壞的可能 ,既可能產(chǎn)生氫鼓泡 ,又有可能導(dǎo)致氫脆。只有當拉應(yīng)力超過該體系的臨界壓力 ,才會產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕破裂。一旦具備發(fā)生應(yīng)力腐蝕的溫度、介質(zhì)條件 ,換熱器就會發(fā)生應(yīng)力腐蝕破壞。介質(zhì)的流動條件和管子的表面狀況也影響孔蝕的產(chǎn)生 ,介質(zhì)流速高可以消除局部地方高濃度的 Cl從而降低腐蝕的傾向 ,管子表面光潔可 增強其耐孔蝕的能力。由表 1可見換熱器中最嚴17 重的腐蝕隱患之一是孔蝕 ,在換熱管內(nèi)外常會產(chǎn)生由于污垢附著而引起的孔蝕。在國外，應(yīng)用河水作冷卻水時，清洗頻率很高，平均每年 。板式換熱器一般每年要清洗 1次，并且無論是否實際需要都要做。 板式換熱器具有體積小，重量輕的特點，檢修方便，不需設(shè)檢修起吊設(shè)施，故安裝占地較少。管殼式換熱器的設(shè)計壽命一般為 30年，大修周期 4年，當換熱器發(fā)生泄漏時， (可能 是管子與管板間的泄漏或是管子破裂引起的泄漏 )可以采用堵管的辦法在短時間內(nèi)恢復(fù)工作性能，管殼式換熱器允許有 7％的堵管裕量。 板式換熱器，由于 2種介質(zhì)流道基本相同且傳熱效率高，因此板式換熱器可大大降低冷卻水量，一般冷卻水量和被冷卻水量之比為 ～ :1，這樣可以降低管道閥門和泵的安裝運行費用。由于它的結(jié)構(gòu)特 點可以經(jīng)濟地做到低至 l℃的端差。管殼式換熱器傳熱末端差難以16 達到 5℃以下。 (5)對數(shù) 平均溫差△ t1m 冷、熱流體在板式換熱器的板間流動，是平行的流動，且一般可以設(shè)計成逆流的方式，因此溫差修正系數(shù)高于管殼式換熱器以錯流為主的流動方式的溫差修正系數(shù)，其結(jié)果是板式換熱器的對數(shù)平均溫差大于管殼式換熱器。乳品、飲料行業(yè)中，利用板式換熱器這一優(yōu)點，可用同一臺板式換熱器來實現(xiàn)加熱、殺菌、熱回收等幾種操作。 (4)多種介質(zhì)換熱 管殼式換熱器不能進行多種介質(zhì)操作。此外，污垢熱阻也較小。板式換熱器中，冷卻水側(cè)與被冷卻水側(cè)流動均勻湍流，兩種流體逆向流動，由于波紋的作用引起湍流，從而產(chǎn)生高傳熱率，并抑制了污垢在傳熱面上形成。人字形波紋板湍流度較高，高湍流還能充分發(fā)揮清洗作用，可以特別有效的將沉積污垢減至最小，但是波紋板的接觸點較多，當液體水質(zhì)差，含有懸浮的固體顆粒、雜物和水草等時，由于板間隙很窄，所以要盡可能地保證將所有 2 mm以上顆粒在進人換熱器以前，都要過濾掉 ,假如濾網(wǎng)不能有效地發(fā)揮作用，就15 容易發(fā)生堵塞。沿流動方向橫截面積是恒定的，但是由于流動方向不斷變化致使流道形狀改變，而引起湍流。 板式換熱器的兩種熱交換介質(zhì)分別在波紋板的兩側(cè)對流，波紋采用人字形波紋，這樣既增強了剛度以防止板片受壓變形，同時也增強了流體的湍流程度，并加大了傳熱面積。對給定的流體，污垢形成主要受管壁溫度和流速的影響，為得到合理的維修周期，管內(nèi)側(cè)水的流 速應(yīng)在 2m/s左右。 （ 1)流動傳熱設(shè)計比較 管殼式換熱器的管子是換熱器的基本構(gòu)件，它為在管內(nèi)流過一種流體和穿越管外的 另一種流體之間提供傳熱面。但在傳熱效能、緊湊性和金屬消耗量方面不及板式換熱器、板翅式14 換熱器和板殼式換熱器等高效能換熱器先進。 管殼式換熱器特點 管殼式換熱器是換熱器的基本類型之一， 19世紀 80年代開始就已應(yīng)用在工業(yè)上。隨著支承形式的發(fā)展，管殼式換熱器的殼程給熱系數(shù)呈現(xiàn)不斷提高的趨勢，壓降呈現(xiàn)不斷下降的趨勢，換熱器的傳熱綜合性能得到很大的提高。同時，換熱管的截面形狀的變化 對管內(nèi)、外流體的傳熱都具有強化作用。因此，管子排列緊湊，單位體積內(nèi)的換熱面積增大。變截面管是普通圓管壓制而成的，相隔一定間距管子被壓制成13 互成 60度 (三角形布管 )或 90度 (正方形布管 )的扁圓形截面。同時，流體流經(jīng)相鄰管子的螺旋線接觸點后形成脫離管壁的尾流，增加了流體自身的湍流度，破壞了流體在管壁上的傳熱邊界層，從而強化了傳熱。殼程流體大體上呈縱向流動，同時伴隨有橫向螺旋運動。 (2)螺旋扁管式 (圖 5b)。由于刺孔膜片嵌焊在管壁上，是管壁的延伸，增大了單位體積的有效傳熱面積。開溝槽， 溝槽中嵌焊沖有孔和毛刺的膜片。 (1)刺孔膜片式 (圖 5a)。傳熱管的截面形狀的變化對管內(nèi)、外流體的傳熱都具有強化作用。 12 圖 管式自支承 管子自支承的共同特點是靠管子自身變形的突出部位相互支承，無需其它支承物。研究表明，當支承同樣的強化管束 (即橫紋管束 )時，空心環(huán)支承結(jié)構(gòu)更能使粗糙管束獲得更好的強化效果，在同等殼程條件下給熱系數(shù)高 50％以上，并且殼程壓力更小。 空心環(huán)支承結(jié)構(gòu) 空心環(huán)支承 (圖 4)是由華南理工大學化學工程研究所鄧先和等首先研究的，它是由直徑較小的鋼管截成短節(jié)，均勻分布在換熱管之間的同一截面上，呈線性接觸，在緊固裝置螺栓力的作用下，使管束對緊密固定。這種殼程流體縱流折流桿式換熱器 與傳統(tǒng)的板式換熱器相比，具有傳熱效率高、流體阻力小、有效消除流體誘導(dǎo)振動的優(yōu)點，且不易結(jié)垢、質(zhì)量輕、使用壽命長、設(shè)備投資及操作費用低等優(yōu)點 。這些新型折流板支承結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)主要是為了使流體由橫向流動變?yōu)榭v向流動，從而盡可能消除死區(qū)，使得傳熱綜合性能得到提高，也使得管束的抗振性能得到增強。 11 管殼式換熱器的發(fā)展 板式支承結(jié)構(gòu)的發(fā)展 傳統(tǒng)的管殼式換熱器采用單弓形折流板支承，由于殼程流體在轉(zhuǎn)折和進出口兩端渦流的滯留區(qū)易產(chǎn)生傳熱死區(qū)，傳熱面積無法得到充分利用，并且當流體橫向流過管束時，流體在管子后方形成的卡門旋渦產(chǎn)生周期性交變應(yīng)力，使管子發(fā)生流體誘導(dǎo)振動 。管殼式換熱器的傳熱系數(shù)，在水 水換熱時為 1400～ 2850瓦每平方米每攝氏度〔 W/(m(℃ )〕 。折流板的形狀有弓形、圓形和矩形等。管子端部與管板的連接有焊接和脹接兩種。按三角形布置時，在相同直徑的殼體內(nèi)可排列較多的管子，以增加傳熱面積，但管間難以用機械方法清洗，流體阻力也較大。為提高換熱器的傳熱效能，也可采用螺紋管、翅片管等。通常殼體為圓筒形 。管子和管箱以內(nèi)的區(qū)域稱為管程 ,通過管程的流體稱為管程流體 (B流體 )。如果 A流體的溫度高于 B流體 ,熱量便通過管壁由 A流體傳遞給 B流體；反之，則通過管壁由 B流體傳遞給 A流體。 A流體從接管 1流入殼體內(nèi)，通過管間從接管 2流出。強化傳熱的常用措施有：采用高效能傳熱面、靜電場強化傳熱、粗糙壁面、攪拌等。 。 確定管程和殼程介質(zhì)。當換熱器冷、熱流體的溫度沿傳熱面變化時，兩種流體逆流平均溫差最大，順流平均溫差最小，在實際換熱器設(shè)計中，冷、熱流體多采用交錯流方式，其平均對數(shù)溫差介于逆流和順流之間。 、熱介質(zhì)的平均對數(shù)溫差。 經(jīng)過結(jié)果分析后，一切參數(shù)均能滿足工藝要求，換熱器的工藝設(shè)計才能完成。 振動 9 振動對于操作的安全性十分重要，因此對振動的分析也必不可少。 流體流速 一般流體流速都有合理的范圍，特別是對于甲類 和乙類流體還有安全流速，因此要分析流速是否合理，操作安全性是否可靠。如是管側(cè)熱阻或殼側(cè)熱阻起決定作用，應(yīng)該采取措施有效地增強湍動效果以提高傳熱系數(shù)，如是污垢熱阻起決定作用，應(yīng)該采取措施使換熱器有效除垢以提高傳熱系數(shù)。 管殼式換熱器相關(guān)分析 傳熱系數(shù) 在管側(cè)熱阻、殼側(cè)熱阻、污垢熱阻和管壁熱阻中分析導(dǎo)致熱阻的主要原因。常用的折流板有單弓形、雙弓形、三重弓形等。薄管板有著節(jié)省材料的優(yōu)點，是用于中、低壓換熱器中；橢圓形管板與換熱器的殼焊接在一起，受力條件較好，適用于高壓、大直徑的換熱器。 圖