【正文】 ..................... 32 選擇補強圈補強 ......................................... 33 外頭蓋法蘭厚度計算 ......................................... 33 設(shè)計條件 ............................................... 33 厚度計算 ............................................... 34 管板 的厚度計算 ............................................. 38 設(shè)計條件 ............................................... 38 計算各參數(shù) ............................................. 39 厚度計算 ............................................... 41 校核換熱管軸向力 ....................................... 42 3 致 謝 .................................................. 45 4 參考文獻 ................................................ 46 1 前 言 換熱器是一種實現(xiàn)物料之間熱量傳遞的節(jié)能設(shè)備，在石油、化工、冶金、電力、輕工、食品等行業(yè)應(yīng)用普遍。尤其是換熱器在化工生產(chǎn)裝置中應(yīng)用十分廣泛，是化工操作單元中的重要組成部分。目前在大型化工生產(chǎn)裝置中，各種換熱設(shè)備的數(shù)量占工藝設(shè)備數(shù)量的 30％以上。 換熱器種類繁多，形 式各異，如管殼式、釜式、板式、板翅式、螺旋板式、空冷器、套管式、蛇管式、升降膜式等。 管殼式換熱器的分類 根據(jù)管殼式換熱器的結(jié)構(gòu)特點，可分為固定管板式、浮頭式、 U形管式、填料函式及釜式重沸器等五類，每種結(jié)構(gòu)形式各自發(fā)揮不同的作用。其主要缺點是當殼體與管子的壁溫或材料的線膨脹系數(shù)相差較大時，在殼體與管中將產(chǎn)生很大的溫差應(yīng)力。維修時可拆卸浮頭，抽出管束進行檢修或更換，適用于管、殼程溫差大但工作壓力不超過 10 MPa的工況，缺點是需要抽出管束。 U形管式換熱器管束可自由伸縮，只有一塊管板，密封面少，管束與殼體分離，消除了溫差應(yīng)力，可抽芯檢修更換。殼程需抽芯清洗，要求管內(nèi)介質(zhì)干凈或雖會結(jié)垢但通過化學清洗能清除。 管殼式換熱器的結(jié)構(gòu) 7 圖 管束 在管殼式換熱器中最簡單的是單管程的換熱器，如需增加傳熱面，一般采用增加管數(shù)的方法，管數(shù)增加后可將管束分程，以防止管數(shù)增加后引起管內(nèi)流速以及傳熱系數(shù)的降低，從制造、安裝、操作的角度考慮，一般采用偶數(shù)管程且程數(shù)不宜太多。 E型是最普通的一種，殼程是單程的，管程可為單程也可為多程； F型為二殼程的換熱器，是在殼體中裝入了一塊平行于管子軸線方向的縱向隔板； G型也為二殼程的換熱器，縱向隔板從管板的一段移開使殼程流體得以分流； H型與 G型相似，但進出口接管與縱向隔板均多一倍。 管板 管板是換熱器的重要部件之一，用來排布換熱管并起著分隔管程、殼程空間的作用。 折流板與折流桿 折流板體有助于提高殼程的流速，增強湍動，改善傳熱，在臥式換熱器中起支承管束的作用。折流桿是一種新型支承管子的結(jié)構(gòu)，其優(yōu)點：在傳熱量相同的情況下，其壓力降比弓形折流板的換熱器降低 50％ 以上，沒有傳熱死區(qū)，結(jié)垢速率慢，防止了 橫向流誘發(fā)的振動。一般管殼式換熱器的管壁熱阻在總熱阻中只占很小的比例，對傳熱系數(shù)影響不大。 平均溫差 平均溫差是對數(shù)平均溫差，但當多管程或多殼程時，需要修正平均溫差。 流體壓降 其實流體壓降與流速有密切關(guān)聯(lián)，要分析壓降是否合理，是否滿足工藝要求。 其他 換熱器的長徑比、介質(zhì)走向、防沖板的設(shè)置、折流板間距、換熱器清洗等問題也要在設(shè)計中加以注意。 提高管殼式換熱器傳熱能力的措施 管殼式換熱器的傳熱能力是由殼程換熱系數(shù)、管程換熱系數(shù) 和換熱器冷、熱介質(zhì)的對數(shù)平均溫差決定的，因此，提高管殼式換熱器傳熱能力的措施包括以下幾點。冷、熱介質(zhì)平均對數(shù)溫差除直接受冷、熱介質(zhì)進出口溫度影響外，還受到冷、熱介質(zhì)的流動方向和換熱流程的影響。因此，應(yīng)盡量增加換熱器冷、熱流體的逆流比例，提高冷、熱流體的對數(shù)平均溫差，提高換熱器的傳熱能力。在換熱器設(shè)計中，對于殼程安裝折流板的換熱器來說，Re100時，殼程介質(zhì)即達湍流，因此，對于流量小或粘度大的介質(zhì)優(yōu)先考慮作為殼程換熱介質(zhì)；由于管程清洗相對于殼程清洗要容易，因此對于易結(jié)垢、有沉淀及雜物的介質(zhì)宜走管程；從經(jīng)濟性考慮，對于高溫、高壓或腐蝕性強的介質(zhì)，作為管程換熱介質(zhì)更加合理；對于剛性結(jié)構(gòu)的換熱器，若冷、熱介質(zhì)溫差大，因壁面溫度與換熱系數(shù)大的介質(zhì)溫度接近，為減小管束與殼體的膨脹差，換熱系數(shù)大的介質(zhì)走殼程更加合理，而冷、熱介質(zhì)溫差小，兩介質(zhì)換熱系數(shù)相差大，換熱系數(shù)大的介質(zhì)走管程更 加合理。在換熱器設(shè)計中，通常采用強化傳熱的措施來提高換熱器的傳熱能力。 10 管殼式換熱器工作原理 圖 3為固定管板式換熱器的構(gòu)造。 B流體從接管 3流入 ,通過管內(nèi)從接管 4流出。殼體以內(nèi)、管子和管箱以外的區(qū)域稱為殼程，通過殼程的流體稱為殼程流體 (A流體 )。管殼式換熱器主要由管箱、管板、管子、殼體和折流板等構(gòu)成。管子為直管或 U形管。管子的布置正如上面所提到的有等邊三角形、正方形、正方形斜轉(zhuǎn) 45度和同心圓形等多種形式，前 3種最為常見。管板和管子的總體稱為管束。在管束中橫向設(shè)置 一些折流板，引導(dǎo)殼程流體多次改變流動方向，有效地沖刷管子，以提高傳熱效能，同時對管子起支承作用。為減小殼程和管程流體的流通截面、加快流速，以提高傳熱效能，可在管箱和殼體內(nèi)縱向設(shè)置分程隔板，將殼程分為 2程和將管程分為 2程、4程、 6程和 8程等。用水冷卻氣體時 ,為 10～ 280W/(m(℃ )；用水冷凝水蒸汽 ,為 570～4000W/(m(℃ )。為了使折流板的性能得到改進，人們又提出了多弓形折流板、整圓形折流板、異形孔折流板、網(wǎng)狀板，偏心孔折流板。 桿式支 承結(jié)構(gòu)的發(fā)展 美國菲利浦石油公司于 2O世紀 7O年代，為了改進板式換熱器中管子與折流板的切割破壞和流體誘導(dǎo)作用，開發(fā)了殼程流體縱流折流桿式換熱器，即在管子中插入網(wǎng)桿，不僅解決了誘導(dǎo)振動問題，也使傳熱效率得到了提高。 因此世界各同對該類型的換熱器進行了深入的研究，出現(xiàn)了一種新的抗振結(jié)構(gòu)的直扁鋼條；后來又有一些單位把圓桿變成波形扁鋼；由于圓桿 在安裝上比較閑難，又有一些單位提出了把圓桿變?yōu)闄E圓截面的桿。由于流體縱向沖刷管束，因此殼程具有流體阻力小、傳熱性能好及抗振能力強等特點?？招沫h(huán) 支承的繞流作用不如折流桿支承，而且管束固定工藝相對較復(fù)雜。因此，管子排列緊湊，單位體積內(nèi)的換熱面積增大，管子間距小，可提高殼程流速，支承點干擾流體并分割流體邊界層，從而增強湍流度，使傳熱邊界層減薄。管式自支承結(jié)構(gòu)主要有三種形式：刺孔膜片式，螺旋扁管式和變截面管式。在每根換熱管兩側(cè)相距 180。膜片上的毛刺具有擾流作用，增大了流體湍流程度；同時，使得流體通過 ibfL實現(xiàn)了 }昆合。刺和孔不斷使換熱表面上的邊界層更新，使層流厚度減薄，提高傳熱系數(shù)，殼程流體完全縱向流動，阻力主要是液體的粘性力，因此殼程壓力變得很低。把圓管軋制或橢圓管扭曲成一定導(dǎo)程的螺旋扁管，靠相鄰的管長軸處的點接觸支承管子。這種流速和流向的周期性改變加強了 流體的軸向混合和湍流度。 (3)變截面管式 (圖 5c)。這種管通過變徑部分的點接觸支承管子，同時組成殼程的繞流元件。由于管問距小，使得殼程流速得以提高，從而增強湍流度，使得管壁上的傳熱邊界層減薄。 圖 總體來說，管殼式換熱器的發(fā)展總體上是支承形式的發(fā)展，從板式支承到折流桿式支承，再到空心環(huán)支承，最后到管子的自支承當然其間也有交錯發(fā)展的情況。從管殼式換熱器的發(fā)展可知，新的支承結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)，絕大多數(shù)是為了使流體的流動方式盡可能變?yōu)榭v向流，這樣有利于管程和殼程的熱交換，從而提高傳熱系數(shù)，同時伴隨著壓降的降低，使得傳熱綜 合性能得到很大的提高。這種換熱器結(jié)構(gòu)堅固 ,處理能力大、選材范圍廣，適應(yīng)性強，易于制造 ,生產(chǎn)成本較低，清洗較方便，在高溫高壓下也能適用。 管殼式與其他換熱器的比較 這里我們主要研究管殼式與板式換熱器的不同點。根據(jù)兩側(cè)流體的性質(zhì)決定管子材料，將具有腐蝕性，水質(zhì)差的介質(zhì)放在管內(nèi)流動，水質(zhì)較好的介質(zhì)放在管子外殼側(cè)，這樣管子只需采用耐海水腐蝕的銅官或鈦管，同時清洗污垢較為方便，管徑從傳熱流體力學角度考慮，在給定殼體內(nèi)使用小直徑管子，可以得到更大的表面密度，但大多數(shù)流體會在管子表面上沉積污垢層，尤其管內(nèi)水質(zhì)較差，可能會在管壁上形成沉積物，將傳熱惡化并使定期的清洗工作成為必要，管子清洗限制管徑最小約為 Φ 17mm。對管殼式換熱器，應(yīng)根據(jù)水質(zhì)含雜量情況需設(shè)置膠球清洗裝置進行定期清洗。這些傳熱板的波紋斜交，即在相鄰的傳熱板上具有傾斜角相同而方向不同的波紋。板片是傳熱元件，一般由 ～ ，傳熱板的波紋深度為 3～ 5mm，湍流區(qū)流速約為 0． 3～ ，相鄰板間要有許多接觸點，以承受正常的工作壓力，相鄰的板有相反方向的人字形溝槽，兩種溝槽的交叉點就形成接觸點，這樣還可消除振動，并且在促進湍流和熱交換的同時，消除了由于疲勞裂縫引起的內(nèi)部泄漏。 (2)傳熱系數(shù)的比 較 管殼式換熱器中，一種流體橫向掠過管子通過管壁與管內(nèi)流動的另一種流體彼此垂直交叉流動，其傳熱系數(shù) k值一般為 1000～ 3000 w／ (m2． k)。其傳熱系數(shù)一般為 3500～ 5600 w／ (m2． k)，故傳熱系數(shù)高，而阻力損失并不大。 (3)占地面積比較 用于同一工況的板式換熱器的占地面積，約為管殼式換熱器的五分之一左右，這是因為板式換熱器的總傳熱系數(shù)高 ，減少了換熱面積，并且板式換熱器本身結(jié)構(gòu)緊湊，單位體積內(nèi)的換熱面積，約為管殼式換熱器的 2倍，又不需附加的檢修場地。 在一臺板式換熱器中，只要設(shè)置中間隔板，就可以進行多種介質(zhì)的換熱，這一特點是管殼式換熱器難以達到的。另外，可根據(jù)需要用調(diào)節(jié)板片數(shù)目的辦法來增減傳熱面積，或利用板片排列方式不同來調(diào)節(jié)流道長短的辦法，來適應(yīng)冷熱流體流量和溫度變化的要求。 (6)末端溫差的比較 末端溫差是指一流體人口溫度與另一流體出口溫度之差。 板式換熱器的流道是相互平行的，一程內(nèi)的流體 (程內(nèi)有多個流道 )雖然流量分配并不十分均勻，但程與程之間不會有短路、旁路等現(xiàn)象，流體在流道內(nèi)的運動不會有任何影響末端溫差的現(xiàn)象。 (7)水量比較 管殼式換熱器一般冷卻水量和被冷卻水量之比為 ～ :1。 (8)安裝檢修的比較 管殼式換熱器是由管束組成，自身重量體積都較大，在檢修抽管時需要留出管束一樣長的距離，故占地較多，還需配備必要的起吊檢修設(shè)施。對于管內(nèi)的清洗可以根據(jù)需要采用膠球清洗裝置進行定期的機械清洗。板式換熱器的人工維護包括將整機折開，用噴水槍和刷子清洗板和墊片，檢查板片和墊片，如有必要，更換板片和墊片。當應(yīng)用河水、海水等水質(zhì)較差的冷卻水時，由于泥沙和污物的存在，以及微生物的快速生長有 引起表面污染和堵塞的危險。 腐蝕與防護 換熱器腐蝕的原因 管殼式換熱器和板式換熱器腐蝕的類型基本相同 ,如表 1所列。孔蝕產(chǎn)生的原因多與鹵素有關(guān) ,特別是 Cl和含 Cl的離子 ,其中以 CuFe、 Hg等金屬的氯化物危害最為嚴重。 對于采用脹接形式的接頭 ,由于脹接過程中存在殘余應(yīng)力 ， 在已脹和未脹 管 段間的過渡區(qū) ,管子內(nèi)外壁都存在拉應(yīng)力 ,對應(yīng)力腐蝕非常敏感。應(yīng)力腐蝕破裂是由于腐蝕和拉應(yīng)力的共同作用而造成的材料斷裂。腐蝕介 質(zhì)和循環(huán)應(yīng)力的共同作用也能形成腐蝕疲勞。 含固體懸浮物的液體容易產(chǎn)生沖刷腐蝕 ,被沖刷腐蝕的部位 ,常有典型的溝狀、洼狀或波紋狀等外觀特征。 18 我國換熱器的接頭多采用焊接形式 ,管子與管板之間存在間隙 ,殼程介質(zhì)進入到間隙死角中 ,就會形成縫隙腐蝕?？p隙腐蝕與介質(zhì)在這些部位的滯流有關(guān)?？p隙腐蝕和孔蝕都有一個孕育期 ,一旦過了孕育期 ,速度就會逐步增加。 管殼式換熱器的防腐蝕措施 （ 1） 操作工藝控制 換熱器開車時 ,應(yīng)首先用噴管將容器內(nèi)的氣體和冷凝水完全排出 ,而后將冷流體充滿容器 ,關(guān)閉入口 ,然后緩慢注入熱流體 ,注意不要使加熱速度超過 ℃ m 1,總之 ,應(yīng)盡量使導(dǎo)入流體而形成的管子與殼體之間的熱膨脹差為最小。停機后 ,用干燥的壓縮空氣將換熱器中的所有流體排出。 在換熱器運行中 ,應(yīng)嚴格控制操作條件 ,避免驟冷驟熱導(dǎo)致溫差應(yīng)力 ,產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕。在運行中 ,可在規(guī)定的時間內(nèi) ,用瞬時增加流速的操作 ,或者采用逆流清洗的操作 ,也可用 化學清洗的方法 。 （ 2）維修工藝控制 在試壓或操作中發(fā)現(xiàn)接頭泄漏時 ,對接頭脹管修復(fù)要慎重。管子泄漏時采取堵管方法也應(yīng)慎重 ,在可以更換管子時盡量換管 ,以免造成很大的溫差應(yīng)力 ,導(dǎo)致應(yīng)力腐蝕。用化學清洗清除換熱器污垢時 ,清洗后需將殘留液排出 ,因為殘留液會腐蝕換熱器 ,換熱器長19 期不用時也要在換熱器清洗后 ,將殘留液完全排出。 （ 3）水處理工藝控制 在循環(huán)冷卻淡水中 ,可添加緩蝕劑以降低腐蝕。 CrO24是一種陽極抑制劑 ,與適當?shù)年帢O抑制劑合用時