【正文】 浮頭式換熱器和 U型管式換熱器。如果水垢不能被及時(shí)地清除，就會(huì)面臨設(shè)備維修、停機(jī)或者報(bào)廢更換的危險(xiǎn)。 本文 首先要根據(jù)前人的經(jīng)驗(yàn)選擇選擇合適的列管式換熱器，再對(duì)換熱器進(jìn)行設(shè)計(jì)。對(duì)于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和強(qiáng)度校核，可以根據(jù)換熱器結(jié)構(gòu)手冊(cè)和換熱器設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn) GB1511999 進(jìn)行計(jì)算和校核。 隨著科技 的不斷發(fā)展，各種新技術(shù)在列管式換熱器上的應(yīng)用，列管式換熱器在我們化工生產(chǎn)中的地位也越來越重要，因而列管式換熱器的推廣應(yīng)用前景十分可觀。換熱器在化工、石油、制冷、動(dòng)力、食品等部門中均有廣泛的應(yīng)用 。近二十年來，換熱設(shè)備在能量?jī)?chǔ)存、轉(zhuǎn)化、回收，以及新能源利用和污染治理中得到了廣泛的應(yīng)用。此外，換熱設(shè)備也是回收余熱、廢熱特別是低品位熱能的有效裝置。在換熱設(shè)備中，應(yīng)用最為廣泛的是管殼式換熱器。 換熱器的分類 根據(jù)換熱的目的和工藝要求不同，換熱器的結(jié)構(gòu)型式必然是五花八門，其分類也是多種多樣。 ：加熱器、冷卻器、再沸器、冷凝器 ， 蒸發(fā) 器、涼水塔、廢熱鍋爐等。 ：?jiǎn)纬绦蛽Q熱器和多程型換熱器。 換熱器的選型 傳熱設(shè)備選型時(shí)需要考慮的因素是多方面的，主要有： ； 體的性質(zhì)： 、壓力及允許的壓降范圍； 、維修的要求； 、尺寸、重量； 、使用安全性和壽命等。如用于硝酸的加熱器，流體的強(qiáng)腐蝕性決定了設(shè)備的結(jié)構(gòu)材料，限制了可能采用的結(jié)構(gòu)范圍。流體的清凈程度和易否結(jié)構(gòu)，有時(shí)在選型上也起決定性的作用，如對(duì)于需要的經(jīng)常清洗換熱面的物料，就不能選用高效的板翅式或其他不可拆卸的結(jié) 構(gòu)。 在換熱器選型時(shí)，還應(yīng)考慮材料的價(jià)格、制造成本、動(dòng)力消耗費(fèi)和使用壽命等因素，劉松：反應(yīng)釜冷卻器設(shè)計(jì) 3 力求使換熱器在整個(gè)使用壽命內(nèi)最經(jīng)濟(jì)地運(yùn)行。 列管式換熱器是把換熱管束與管板連接后，再用筒體與管箱包起來，形成兩個(gè)獨(dú)立的空間：管內(nèi)的通道及相連通的管箱，稱為管程空間（簡(jiǎn)稱管程 ） ；換熱管束外的通 道及相貫通的部分，稱為殼程空間（簡(jiǎn)稱殼程）。近年來，盡管受到了其他新型換熱器的挑戰(zhàn)，但反過來也促進(jìn)了其自身的發(fā)展。 列管式換熱器根據(jù)它的結(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。 這類換熱器的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單、緊湊、造價(jià)便宜，但管外不能機(jī)械清洗。通常在管外設(shè)置一系列垂直于管束的擋板。因此，當(dāng)管壁與殼壁溫差較大時(shí)，由于兩者的熱膨脹性不同，產(chǎn)生了很大的溫差應(yīng)力，以致管子扭彎或使管子從管板上松脫，甚至毀壞了換熱器。但補(bǔ)償裝置（波形膨脹節(jié)）只能用于殼壁與管壁溫差低于 6070℃ 和殼程流體壓力不高的情況。 (2)浮頭式換熱器 浮頭式 換熱器的一塊管板用法蘭與外殼相連接，另一塊管板不與外殼連接，以使管子受熱或冷卻時(shí)可以自由伸縮，但在這塊管板上連接一個(gè)頂蓋，稱為“浮頭”，所以這種換熱器叫做浮頭式換熱器。其缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價(jià)高，且浮頭管板和浮頭蓋連接處發(fā)生 泄漏時(shí)不易檢查。 (3)U形管式換熱器 U 形管換熱器每根管子都彎成 U形，兩端固定在同一塊管板上，每根管子皆可自由伸縮，從而解決熱補(bǔ)償問題。其缺點(diǎn)是管子內(nèi)壁清洗困難，管子更換困難，管板上排列的管子少。 (4)填料函式換熱器 這類換熱器管束一端可以自由伸縮，結(jié)構(gòu)比浮頭式簡(jiǎn)單，造價(jià)也比浮頭式低。 (5)釜式重沸器 這種換熱器是管束可以分為浮頭式、 U 形管式和固定管板式結(jié)構(gòu)，所以它具有浮頭式、 U 形管式換熱器的特性。產(chǎn)氣量大、蒸汽品質(zhì)要求高者蒸發(fā)空間大，否則可以小些。 換熱器的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì) 國內(nèi)研究現(xiàn)狀 列管式 換熱器是一個(gè)品種繁多的產(chǎn)品， 目前 我國在列管式換熱器的研究主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面： (1)新的耐磨，耐腐蝕和高強(qiáng)度材料： 換熱器 的 操作條件日趨苛刻，迫切需要新的耐磨損、耐腐蝕、高強(qiáng)度材料。鈦對(duì)海水、氯堿、醋酸等有較好的抗腐蝕能力，如再強(qiáng)化傳熱，效果將更好，目前一些制造單位已較好的掌握了鈦材的加工制造技術(shù)。目前 對(duì)高效列管式換熱器的研究主要集中在強(qiáng)化管程和殼程兩個(gè)方面，且以實(shí)驗(yàn)的研究方法為主。 國外研究現(xiàn)狀 對(duì)國外換熱器市場(chǎng)的調(diào)查表明， 列管 式換熱器占 64%。隨著動(dòng)力、石油化工工業(yè)的發(fā)展，其設(shè)備也繼續(xù)向著高溫、高壓、大型化方向發(fā)展。螺旋折流板換熱 器是最新發(fā)展起來的一種管殼式換熱器是由美國 ABB 公司提出的。相鄰折流板的周邊相接與外圓處成連續(xù)螺旋狀。在氣水換熱的情況下傳遞相同熱量時(shí)該換熱器可減少 30%40%的傳熱面積節(jié)省材料20%30%。在相同流速時(shí)殼程流動(dòng)壓降小 。對(duì)于低雷諾數(shù)下 (Re 1000)的傳熱螺旋折流板效果更為突出。目前出現(xiàn)的最新技術(shù)動(dòng)向有： (1)計(jì)算流體力學(xué)：計(jì)算流體力學(xué) (CFD)是指運(yùn)用計(jì)算機(jī)的軟硬件技術(shù)，建立流體的流動(dòng)和熱傳遞模型，并進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬和仿真，從而對(duì)流體的流動(dòng)區(qū)域和熱傳遞的分布進(jìn)行更詳細(xì)的預(yù)測(cè)。 (2)專家系統(tǒng)：專家系統(tǒng)在換熱器的設(shè)計(jì)和選型中應(yīng)用較快。目前，商品化的專家系統(tǒng)還很少 ,許多廠家開發(fā)的專家系統(tǒng)僅在內(nèi)部使用。通過數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，不同類型的設(shè)計(jì)應(yīng)用軟件可以有機(jī)地形成一個(gè)整體，設(shè)計(jì)者只需通過數(shù)據(jù)庫操作系統(tǒng)向應(yīng)用軟件中輸入相 關(guān)參數(shù)，便可得到更多的關(guān)于設(shè)計(jì)任務(wù)的數(shù)據(jù)，并且這些數(shù)據(jù)可以反饋到數(shù)據(jù)庫中。 安徽工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 第 2 章 換熱器的工藝 設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)有關(guān)參數(shù) 表 21 設(shè)計(jì)有關(guān)參數(shù) 物 料 溫 度 C? 質(zhì)量流量kgh 操作壓力 MPa 比熱KJ kg C?? 密度3kgm 導(dǎo) 熱 系 數(shù)Wm C?? 粘度 310 Pa s??? 入口 出口 有機(jī)液 65 60 40000 水 25 設(shè)計(jì)方案 對(duì)于列管式換熱器，確定其設(shè)計(jì)方案應(yīng)從 七個(gè)方面著手： ； b.選擇流體流動(dòng)空間； ； 冷卻劑； ；； [1]。 兩流體的定性溫度如下 : 有機(jī)液的定性溫度 65 60 62 .5 C2mT ?? ? ? 冷卻水的定性溫 度 25 C2mt ?? ? ? 兩流體的溫差 6 2 . 5 2 9 . 2 5 3 3 . 2 5 CmmTt? ? ? ? ? 固定管板式換熱器適用于殼側(cè)介質(zhì)清潔且不易結(jié)垢并能進(jìn)行清洗，管、殼程兩側(cè)溫差不大或溫差較大但殼側(cè)壓力不高的場(chǎng)合，因此可以選擇固定管板式換熱器。 (2)選定流體流動(dòng)空間 安排哪一種流體流經(jīng)換熱器的管程，哪一種流體走殼程，是選用列管式換熱器時(shí)需要確定的，以下各項(xiàng)需要在安排流動(dòng)空間時(shí)加以考慮： ，因?yàn)楣軆?nèi)清洗比較方便； 性的流體宜走管程，以免殼體和管子同時(shí)受腐蝕； ，以免殼體受壓，可節(jié)省課程金屬消耗； ，以便于及時(shí)排出冷凝液，且蒸氣較清潔，它對(duì)清洗無要求； ，使泄漏機(jī)會(huì)較少； 宜走殼程，這便于外殼向周圍的散熱，增強(qiáng)冷卻效果； 。 由于冷卻水易結(jié)垢，且冷卻水的操作壓力大于有機(jī)液的操作壓力，而且是有機(jī)液被冷卻，所以選擇冷卻水走管程，有機(jī)液走殼程。 1 65CT?? 2 60 CT ?? 1 25Ct ?? 2 Ct ?? 熱負(fù)荷 : 31 1 1 2 4 0 0 0 0 3 . 5 3 4 1 0 ( 6 5 6 0 )( ) 1 9 6 3 3 3 . 3 3 W3600mpQ q C T T ? ? ? ?? ? ? ? (21) 忽略熱損失，則水的用量為 ： 2 32 2 1 1 9 6 3 3 3 . 3 3 1 9 8 9 3 . 0 4 8 k g h( ) 4 . 1 8 0 1 0 ( 3 3 . 5 2 5 )m p Qq C t t? ? ?? ? ? ? (22) 計(jì)算逆流平均溫度差 有機(jī)液溫度： 65 C? →60 C? 冷卻水溫度： C? ←25 C? 因此 1 6 0 2 5 3 5 Ct? ? ? ? ? 2 6 5 3 3 .5 3 1 .5 Ct? ? ? ? ? 逆流 溫差 121235 31 .5 33 .2 2 Cl n( ) l n( 35 31 .5 )m ttt tt? ? ? ??? ? ? ? ??? (23) 估算傳熱面積 （ 1）初選總傳熱系數(shù) K 查 參考文獻(xiàn) [1]，參照總傳熱系數(shù)的大致范圍，同時(shí)考慮到殼程冷卻水的壓力較高，故可選較大的傳熱系數(shù)，現(xiàn)假設(shè) 2560 W m CK ? ??。 56 0 33 .2 2mQA Kt? ? ? ??? (24) 考慮 15%的面積裕度， 21 .1 5 1 2 .1 3 6 8 mSA??? 工藝結(jié)構(gòu)尺寸 管徑和管內(nèi)流速 選用 19mm 2mm? ? 的 較高級(jí)冷拔碳鋼管，管內(nèi)流速參照表 22 取 39。 安徽工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 表 22 換熱器常用的流速范圍 介質(zhì) 流程 循環(huán)水 新鮮水 一般液體 易結(jié)垢液體 低黏度油 高黏度油 氣體 管程流速/(m/s) ~ ~ ~ ＞ ~ ~ 5~30 殼程流 速/(m/s) ~ ~ ~ ＞ ~ ~ 2~15 管程數(shù)和傳熱管數(shù) 根據(jù)換熱管內(nèi)徑和流速確定單程換熱管數(shù) sn 1844 5 0 8 22 ???? ??? iis udVn根 (25) 按單管程計(jì)算所需換熱管的長(zhǎng)度 L 11 .3 m3. 14 3. 14 18 0. 01 9soSL nd? ? ??? (26) 由于按單管程設(shè)計(jì)，換 熱管過長(zhǎng)，根據(jù)本設(shè)計(jì)實(shí)際情況，取換熱管長(zhǎng) 3ml? ,則該換熱器的管程數(shù)為 43 ??? lLN P 管程 (27) 換熱管的總根數(shù) 72418 ???TN 根 平均傳熱溫差校正及殼程數(shù) 12 ??????? tT ttP (28) 606512 21 ??????? tt TTR (210) 根據(jù) 參考文獻(xiàn) [3]圖 F2 查得： 1?? 平均傳熱溫差 3 3 .2 2 Cmmtt? ?? ? ? ? ? 由于溫差校正系數(shù) 1 ??? ，同時(shí)殼程流體流量較大，故取單殼程較合適。根據(jù)表 23，取管心距 25mmt? 表 23 常用換熱管的管心距 換熱管外徑 (mm) 19 25 32 38 換熱管中心距 (mm) 25 32 40 48 分程隔板處換熱管中心距 (mm) 38 44 52 60 同時(shí)根據(jù)上表，分程隔板兩側(cè)相鄰管排之間的管心距 38mmat ? 換熱管的排管原則 [3]： (1)換熱管的排列應(yīng)使整個(gè)管束完全對(duì)稱； (2)在符合 和 節(jié)規(guī)定的范圍內(nèi)，全部 布 滿換熱管； (3)拉桿應(yīng)盡量均勻布置在管束的外邊緣。拉桿中心至折流板缺邊的距離應(yīng)盡量控制在換熱管中心距劉松：反應(yīng)釜冷卻器設(shè)計(jì) 9 的 (～ ) 3 范圍內(nèi) ； 殼體內(nèi)徑 采用四管程結(jié)構(gòu)，根據(jù)參考文獻(xiàn) [16]，管板利用率 ~?? ，取 ?? ，則殼體內(nèi)徑 1 . 0 5 1 . 0 5 2 5 7 2 0 . 7 2 6 6 . 2 2m mTD t N ?? ? ? ? ? (211) 圓整取 300mmD? 。在臥式換熱器中，折流板還起支承管束的作用 。本冷卻器采用弓形折流板，根據(jù) 參考文獻(xiàn) [3]，取弓形折流板圓缺高度為殼體內(nèi)徑的 30%，則切去的圓缺高度為 ???h ,取 90mmh? 。 最大板間距，應(yīng)保證換熱管的無支承長(zhǎng)度不 超過表 24 規(guī)定，用作折流時(shí)，其值尚應(yīng)不大于殼體內(nèi)徑。 為了防止積液，應(yīng)在折流板上開通液口，如圖 21 所示 ，折流板圓缺水平安裝。殼程入口應(yīng)設(shè)置防沖擋板。 （ 2） 管程流體進(jìn)出口接管 取接管內(nèi)循環(huán)水的流速為 ，則管程接管內(nèi)徑為 4 4 1 9 8 9 3 . 0 4 8 ( 3 6 0 0 9 9 6 . 3 ) 6 8 . 6m m3 . 1 4 3 . 1 4 1 . 5Vd u ??? ? ?? (214) 查參考文獻(xiàn) [2]附錄 7，取標(biāo)準(zhǔn)管徑為 89mm 4mm? ? 。 （ 1） 殼程對(duì)流給熱系數(shù) 對(duì)于 圓缺形折流板，可采用克恩（ Kern） 公式 ????????????????????????? woo opoo ooeeoo Cudd ??? ?? ??? 根據(jù)參考文獻(xiàn) [1]，流體被加熱時(shí)， ?????????wo?? ，流體被冷卻時(shí)， ????????? wo?? 。 當(dāng)量直徑由正三角形排列得 劉松：反應(yīng)釜冷卻器設(shè)計(jì) 11 2 2 2 2334 4 0 . 0 2 5 0 . 0 1 92 4 2 4 0 . 0 1 7 3 m m3 . 1 4 0 . 0 1 9oeotdd d???? ? ?