【正文】 換熱器比較適合用于溫差不大或溫差較大但殼程壓力不高的場合。圖22 固定管板式換熱器2）U形管式換熱器U形管式換熱器僅有一個管板，管子兩端均固定于同一管板上。但管內(nèi)清洗不便，管束中間部分的管子難以更換，又因最內(nèi)層管子彎曲半徑不能太小，在管板中心部分布管不緊湊，所以管子數(shù)不能太多，且管束中心部分存在間隙，使殼程流體易于短路而影響殼程換熱。這就影響了它的使用場合，僅宜用于管殼壁溫度相差較大，或殼程介質(zhì)易結(jié)垢而管程介質(zhì)不易結(jié)垢，高溫、高壓、腐蝕性強的情形。管程清洗困難，管程流體必須是潔凈和不易結(jié)垢的物料。兩端管板只有一端與殼體完全固定，另一端則可相對于殼體作某些移動，該端稱之為浮頭。而且在清洗和檢修時，僅需將管束從殼體中抽出即可，所以能使用于管殼壁間溫差較大，或易于腐蝕和易于結(jié)垢的場合。至于殼程的壓力也受滑動接觸面的密封限制。圖24 浮頭式換熱器4）填料函式換熱器此類換熱器的管板也僅有一端與殼體固定，另一端采用填料函密封。但由于填料密封處易于泄漏，故殼程壓力不能過高，也不宜用于易揮發(fā)、易燃、易爆、有毒的場合。為了適應(yīng)發(fā)展的需要，我國對某些種類的換熱器已經(jīng)建立了標(biāo)準(zhǔn)，形成了系列。浮頭式換熱器的一端管板與殼體固定，而另一端的管板可在殼體內(nèi)自由浮動，殼體和管束對膨脹是自由的，故當(dāng)兩張介質(zhì)的溫差較大時，管束和殼體之間不產(chǎn)生溫差應(yīng)力。（也可設(shè)計成不可拆的）。但該換熱器結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，而且浮動端小蓋在操作時無法知道泄露情況。 浮頭換熱器的浮頭部分結(jié)構(gòu)，按不同的要求可設(shè)計成各種形式，除必須考慮管束能在設(shè)備內(nèi)自由移動外，還必須考慮到浮頭部分的檢修、安裝和清洗的方便。該外徑應(yīng)小于殼體內(nèi)徑，一般推薦浮頭管板與殼體內(nèi)壁的間隙。以便于進行檢修、清洗。 鉤圈對保證浮頭端的密封、防止介質(zhì)間的串漏起著重要作用。 鉤圈一般都為對開式結(jié)構(gòu)，要求密封可靠，結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、便于制造和拆裝方便。盡管近年來受到不斷涌現(xiàn)的新型換熱器的挑戰(zhàn)，但反過來也不斷促進了自身的發(fā)展。 管子構(gòu)成換熱器的傳熱面，管子尺寸和形狀對傳熱有很大影響。但制造麻煩，管子易結(jié)垢，不易清洗。 管子材料的選擇應(yīng)根據(jù)介質(zhì)的壓力、溫度及腐蝕性來確定。管子在管板上的標(biāo)準(zhǔn)排列形式有四種：正三角形和轉(zhuǎn)角正三角形排列，適用與殼程介質(zhì)清潔，且不需要進行機械清洗的場合。 另外對于多管程換熱器，常采用組合排列方法，其每一程中一般都采用三角形排列，而各程之間則常常采用正方形排列，這樣便于安排隔板位置。這不但可以有效地增大傳熱面積，也可以防止在殼程流體在弓形區(qū)域內(nèi)短路而給傳熱帶來不利影響。除此之外，還要考慮管子在管板上的固定方法。 當(dāng)換熱器多需的換熱面積較大，而管子又不能做的太長時，就得增大殼體直徑，以排列較多的管子。 為了把換熱器做成多管程，可在一端或兩端的管箱中分別安置一定數(shù)量的隔板。 　　缺點： 　?。?）小浮頭易發(fā)生內(nèi)漏； 　?。?）金屬材料耗量大，成本高20%； 　　（3）結(jié)構(gòu)復(fù)雜綜合上述情況，本次設(shè)計采用浮頭式換熱器。（1）應(yīng)盡量提高兩側(cè)傳熱系數(shù)較小的一個，使傳熱面兩側(cè)的傳熱系數(shù)接近。（3）管、殼程的決定應(yīng)做到便于清洗除垢和修理，以保證運行的可靠性。從這個角度來說，順流式就優(yōu)于逆流式，因為順流式進出口端的溫度比較平均，不像逆流式那樣，熱、冷流體的高溫部分均集中于一端，低溫部分集中于另一端，易于因兩端脹縮不同而產(chǎn)生熱應(yīng)力。（6）應(yīng)盡量避免采用貴金屬，以降低成本。宜于通入管內(nèi)空間的流體1）不清潔的流體 因為在管內(nèi)空間得到較高的流速并不困難，而流速高，懸浮物不易沉積，且管內(nèi)空間也便于清洗。3）有壓力的流體 因為管子承壓能力強，而且還簡化了殼體密封的要求。此外，在管內(nèi)空間裝設(shè)保護用的襯里或覆蓋層也比較方便，并容易檢查。宜用于通入管間空間的流體1）當(dāng)兩流體溫度相差較大時，α值大的流體走管間這樣可以減少管壁與殼壁間的溫度差,因而也減小了管束與殼體間的相對伸長，故溫差應(yīng)力可以降低。3）飽和蒸汽對流速和清理無甚要求，并易于排除冷凝液。5）泄漏后危險性大的流體可以減少泄漏機會，以保安全。在管殼式換熱器中，一般易清洗的是管內(nèi)空間。所以，此次方案設(shè)計循環(huán)水走管程，苯走殼程。但流速大也會帶來一些不利的影響，諸如壓降增加，泵功率增大，且加劇了對傳熱面的沖刷。表21 換熱器常用流速的范圍 介質(zhì)流速循環(huán)水新鮮水一般液體易結(jié)垢液體低粘度液體高粘度液體氣體管程流速，殼程流速，表22 列管式換熱器易燃、易爆液體和氣體允許的安全流速液體名稱乙醚、二硫化碳、苯甲醇、乙醇、汽油丙酮氫氣安全流速，、冷卻劑的選擇用換熱器解決物料的加熱冷卻時，還要考慮加熱劑（熱源）和冷卻劑（冷源）的選用問題。在選擇加熱劑和冷卻劑的時候主要考慮來源方便，有足夠溫差，價格低廉，使用安全等因素。但飽和水蒸氣溫度超過180，必須用很高壓強，但溫度升高不大，而且設(shè)備強度也相應(yīng)增高，一般只用于加熱溫度在180以下的情況。用煙道氣加熱的缺點是比熱容低，控制困難及傳熱膜系數(shù)低。 常用的冷卻劑水和空氣是最常用的冷卻劑，它們可以直接取自大自然，不必特別加工。水和空氣作為冷卻劑受到當(dāng)?shù)貧鉁氐南拗?，一般冷卻溫度為10~25，如果要冷卻到較低的溫度，則需應(yīng)用低溫冷卻劑，常用的低溫冷卻劑有冷凍鹽水（，及其溶液）。工藝流體的進出口溫度是由工藝條件決定，加熱劑或冷卻劑的進口溫度也是確定的，但其出口的溫度是由設(shè)計者選定的。此次設(shè)計中，流體進出口的溫度已給出。當(dāng)然，最后還要考慮材料的經(jīng)濟合理性。在這方面考慮不周，選材不妥，不僅會影響換熱器的使用壽命，而且也大大提高設(shè)備的成本。一般換熱器常用的材料，有碳鋼和不銹鋼。如一般換熱器用的普通無縫鋼管，其常用的材料為10號和20號碳鋼。本次設(shè)計采用碳鋼材料的換熱器即可。換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計計算包括，管子在管板上的固定，是否需要溫差補償及補償裝置的設(shè)計，管板的強度，管板與殼體的連接結(jié)構(gòu)，折流板與隔板的固定，端蓋與法蘭的設(shè)計，各部件的公差及技術(shù)條件等。在換熱器的一端或兩端的管箱中安置一定數(shù)量的隔板，一般每程中管數(shù)大致相等。管束分程的方案如表41。但程數(shù)不宜太多，否則隔板本身占去相當(dāng)大的布管面積，且在殼程中形成旁路，影響傳熱。F型與G型均為雙程，它們的不同之處在于殼側(cè)流體進出口位置不同。H型與G型相似，只是進出口接管與縱向隔板均多一倍，故稱之為雙分流殼體?？紤]到制造上的困難，一般的換熱器殼程數(shù)很少超過2。常用換熱管規(guī)格有、（1Cr18Ni9Ti）、(碳鋼 10)。管子的排列應(yīng)在整個換熱器截面上均勻而緊湊地分布，還要考慮流體的性質(zhì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計以及制造等方面的問題。當(dāng)殼程流體是不污性質(zhì)介質(zhì)時，采用等邊三角形排列法。當(dāng)殼程流體需要用機械清洗時，采用正方形排列法。同心圓排列用于小殼徑換熱器，外圓管布管均勻，結(jié)構(gòu)更為緊湊。按此法在管板上布置的管比按三角形排列的還多我國換熱器系列中，固定管板式多采用正三角形排列；浮頭式則以正方形錯列排列居多，也有正三角形排列。例如在多管程換熱器中，每一程中都采用三角形排列法，而在各程之間，為了便于安排隔板，則采用正方形排列法。附加管子的配置法可參考表32對于多管程換熱器，分程的縱向隔板占據(jù)了管板上一部分面積，實際排列管比表32中所示要少，設(shè)計師必須有作圖法決定。管板上兩管子中心的距離稱為管心距，管心距的決定要考慮管板的強度和清洗管子外表時所需的空隙，它與管子在管板上的固定方法有關(guān)。根據(jù)生產(chǎn)實踐經(jīng)驗，最小管心距一般采用：焊接法，為管子外徑；脹接法。對于直徑小的管子，的數(shù)值應(yīng)大些。管板，折流板（或支承板）管孔直徑及中心距允許偏差已有標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，列于表33。177。177。177。177。177。177。其值見表34表34 軸線偏轉(zhuǎn)角度管子外徑19253857管心距25324870偏轉(zhuǎn)角 8176。 7176。如果管心距不同于上表數(shù)值時，偏轉(zhuǎn)角應(yīng)按下列公式計算：此時，如管板上帶有排液孔或排氣孔，應(yīng)注意其位置。管子材料常用的為碳鋼、低合金鋼、不銹鋼、銅、銅鎳合金、鋁合金等。此外還有一些非金屬材料，如石墨、陶瓷、聚四氯乙烯等亦有采用。既要滿足工藝條件的要求，又要經(jīng)濟。本設(shè)計采用碳鋼型材。管板形式有平管板、橢圓形管板和雙管板。當(dāng)流體有腐蝕性時，管板應(yīng)采用耐腐蝕材料，工程上多采用軋制成的復(fù)合不銹鋼板，或在碳鋼表面堆焊一層厚度不小于5mm的覆蓋層。薄管板的突出優(yōu)點是節(jié)約管板材料，高壓時可節(jié)約90%，且加工也方便。在管殼式換熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計中，管子與管板的連接是否緊密十分重要。在固定管板式換熱器的連接處還應(yīng)考慮能承受一定的軸向力，以避免溫度變化較大時，產(chǎn)生的熱應(yīng)力是管子從管板脫出。脹接法結(jié)構(gòu)簡單，管子的更換及修補方便，多用于壓力低于和溫度低于的場合。對于高溫高壓以及易燃易爆的流體，多采用焊接法。其缺點是焊接造成的殘余熱應(yīng)力與應(yīng)力集中，在設(shè)備運行時可能引起應(yīng)力腐蝕和疲勞破壞。建議用先脹后焊法消除此間隙。目前已得到較廣泛的應(yīng)用。管板受力情況較浮躁，影響管板應(yīng)力大小有如下因素：1）與圓平板類似，管板直徑、厚度，壓力大小，使用溫度等對管板應(yīng)力有顯著影響。管板與許多換熱管剛性地固定在一起，因此，管束起著支承的作用，阻礙著管板的變形。其中固定式換熱器管板的這種支承作用最為明顯。由于管孔的存在，削弱了管板的強度和剛度，同時在管孔邊緣產(chǎn)生高峰應(yīng)力。通常采用管板強度與剛度削弱系數(shù)來估計他的影響。類似于圓平板，管板邊界條件不同，管板應(yīng)力狀態(tài)是不一樣的。通常以介于簡支和夾持之間為多。5）管壁和殼壁的溫差所引起的熱應(yīng)力。如采用非剛性非固定性板式結(jié)構(gòu)換熱器，這種影響會減少或消除。7）其他，當(dāng)管板厚度較大，管板上下兩平面存在溫差，則產(chǎn)生附加熱應(yīng)力。當(dāng)管板在制造、脹接或焊接管子時，也會產(chǎn)生一些附加應(yīng)力。當(dāng)管子與管板采用脹接時，應(yīng)考慮脹管時對管板的剛性要求，管板的最小厚度（不包括腐蝕余量），按表35規(guī)定，包括厚度附加量在內(nèi)建議不小于。介質(zhì)流經(jīng)傳熱管外面的通道部分稱為殼程。由于各種換熱器的工藝性能、使用的場合不同，殼程內(nèi)對各種元件的設(shè)置形式亦不同，以此來滿足設(shè)計的要求。殼體是一個圓筒形的容器，殼壁上焊有接管，供殼程流體進入和排出之用。殼體材料根據(jù)工作溫度選擇，有防腐要求時，大多考慮使用復(fù)合金屬板。如殼側(cè)傳熱膜系數(shù)遠(yuǎn)小于管側(cè)，則可用縱向擋板分隔成雙殼程型式。為降低殼程壓降，可采用分流或錯流等型式。計算式如下：單管程式中 管心距，mm 換熱管外徑，mm 橫過管束中心線的管數(shù)，該值與管子排列方式有關(guān)。正三角形排列：2管程 4管程 正方形排列：2管程