【正文】 構(gòu)分類類型特點(diǎn)間壁式壁間式管殼式列管式固定管式剛性結(jié)構(gòu)用于管殼溫差較小的情況（一般≤50℃），管間不能清洗帶膨脹節(jié)有一定的溫度補(bǔ)償能力，殼程只能承受低壓力浮頭式管內(nèi)外均能承受高壓，可用于高溫高壓場(chǎng)合U型管式管內(nèi)外均能承受高壓，管內(nèi)清洗及檢修困難填料函式外填料函管間容易泄露，不宜處理易揮發(fā)、易爆炸及壓力較高的介質(zhì)內(nèi)填料函密封性能差，只能用于壓差較小的場(chǎng)合釜式殼體上部有個(gè)蒸發(fā)空間用于再沸、蒸煮雙套管式結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，主要用于高溫高壓場(chǎng)合和固定床反應(yīng)器中套管式能逆流操作，用于傳熱面積較小的冷卻器、冷凝器或預(yù)熱器螺旋管式沉浸式用于管內(nèi)流體的冷卻、冷凝或管外流體的加熱噴淋式只用于管內(nèi)流體的冷卻或冷凝板面式板式拆洗方便，傳熱面能調(diào)整，主要用于粘性較大的液體間換熱螺旋板式可進(jìn)行嚴(yán)格的逆流操作，有自潔的作用，可用做回收低溫?zé)崮軅惆迨浇Y(jié)構(gòu)緊湊，拆洗方便，通道較小、易堵，要求流體干凈板殼式板束類似于管束，可抽出清洗檢修，壓力不能太高混合式適用于允許換熱流體之間直接接觸蓄熱式換熱過程分階段交替進(jìn)行，適用于從高溫爐氣中回收熱能的場(chǎng)合 固定管板式 因設(shè)計(jì)需要，下面簡(jiǎn)單介紹一下固定管板式換熱器。但是由于殼程不易檢修和清洗，因此殼方流體應(yīng)是較為潔凈且不易結(jié)垢的物料。有具有補(bǔ)償圈（或稱膨脹節(jié)）的固定板式換熱器，即在外殼的適當(dāng)部位焊上一個(gè)補(bǔ)償圈，當(dāng)外殼和管束的熱膨脹程度不同時(shí)，補(bǔ)償圈發(fā)生彈性變形（拉伸或壓縮），以適應(yīng)外殼和管束的不同的熱膨脹程度。圖21 固定管板式換熱器的示意圖1擋板 2補(bǔ)償圈 3放氣嘴 設(shè)計(jì)背景 在化工、石油、動(dòng)力、制冷、食品等行業(yè)中廣泛地使用各種換熱器，且他們是上述這些行業(yè)的通用設(shè)備，并占有十分重要的地位。隨著我國(guó)工業(yè)的不斷發(fā)展，對(duì)能源利用、開發(fā)和節(jié)約的要求不斷提高，因而對(duì)換熱器的要求也日益加強(qiáng)。一些新型的換熱器相繼問世。 設(shè)計(jì)要求 完善的換熱器在設(shè)計(jì)和選型時(shí)應(yīng)滿足以下各項(xiàng)基本要求： （1）合理地實(shí)現(xiàn)所規(guī)定的工藝條件：可以從：①增大傳熱系數(shù)②提高平均溫差③妥善布置傳熱面等三個(gè)方面具體著手。 （3）有利于安裝操作與維修 直立設(shè)備的安裝費(fèi)往往低于水平或傾斜的設(shè)備。 （4）經(jīng)濟(jì)合理 評(píng)價(jià)換熱器的最終指標(biāo)是：在一定時(shí)間內(nèi)（通常1年內(nèi)的）固定費(fèi)用（設(shè)備的購(gòu)置費(fèi)、安裝費(fèi)等）與操作費(fèi)（動(dòng)力費(fèi)、清洗費(fèi)、維修費(fèi)）等的總和為最小。3 熱量設(shè)計(jì) 初選換熱器的類型兩流體的溫度變化情況如下：（1）煤油：入口溫度140℃，出口溫度40℃；（2）冷卻介質(zhì)：自來水，入口溫度30℃，出口溫度40℃；該換熱器用循環(huán)冷卻自來水進(jìn)行冷卻，冬季操作時(shí)，其進(jìn)口溫度會(huì)降低，考略到這一因素，估計(jì)所需換熱器的管壁溫度和殼體溫度之差較大，需考慮熱膨脹的影響，相應(yīng)地進(jìn)行熱膨脹的補(bǔ)償，故而初步確定選用帶有膨脹節(jié)的管板式換熱器。與煤油相比，水的對(duì)流傳熱系數(shù)一般較大。 流體種類流速/（m/s）管程殼程一般液體~3~易結(jié)垢液體1氣體5~303~15（以普通鋼壁為例）液體粘度/mPa．s＞15001500～500500～100100～3535～1＜1最大流速/（m/s）由上表，我們初步選用Φ25，管內(nèi)流速取ui=。殼程流體（煤油）的定性溫度為：T= =90℃ 管程流體（水）的定性溫度為：t=℃。逆流時(shí)，我們有煤油：140℃→40℃水： 40℃←30℃從而，=℃ 而此時(shí)，我們有：式中 T1，T2——熱流體（煤油）的進(jìn)出口溫度，K或℃；t1，t2——冷流體（自來水）的進(jìn)出口溫度，K或℃；由圖419（參見天津大學(xué)出版社的《化工原理（上冊(cè)修訂版）》233頁）可查得：=﹥，所以，修正后的傳熱溫度差為：= ==32℃ 冷卻水用量 由以上的計(jì)算結(jié)果以及已知條件，很容易算得：Wc=== kg/h 總傳熱系數(shù)K總傳熱系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)值見表34，有關(guān)手冊(cè)中也列有其他情況下的總傳熱系數(shù)經(jīng)驗(yàn)值，可供設(shè)計(jì)時(shí)參考。表34 總傳熱系數(shù)的選擇管程殼程總傳熱系數(shù)/[W/（m3s中有機(jī)物μ=～1mPas水（流速為1m/s）水水溶液μ＜2mPas有機(jī)物μ＜s有機(jī)物μ＞1mPas中有機(jī)物μ=～1mPas輕有機(jī)物μ＜s輕有機(jī)物μ＜s重有機(jī)物μ＞1mPa℃）水水水SO2冷凝NH3冷凝氟里昂冷凝814～1163698～930756（1）.管程傳熱系數(shù)： =2753 W/m2?℃（2）.殼程傳熱系數(shù)：假設(shè)殼程的傳熱系數(shù)是： =500 W/m2?℃污垢熱阻： Rsi=℃/WRso= m2℃/W管壁的導(dǎo)熱系數(shù)： =45 m2℃/W管壁厚度： b=內(nèi)外平均厚度： dm=在下面的公式中，代入以上數(shù)據(jù)，可得=1247。小直徑的管子可以承受更大的壓力，而且管壁較?。煌瑫r(shí)，對(duì)于相同的殼徑，可排列較多的管子，因此單位體積的傳熱面積更大，單位傳熱面積的金屬耗量更少。如果管程走的是易結(jié)垢的流體，則應(yīng)常用較大直徑的管子。當(dāng)選用其他尺寸的管長(zhǎng)時(shí)，應(yīng)根據(jù)管長(zhǎng)的規(guī)格，合理裁用，避免材料的浪費(fèi)。 管程數(shù)和傳熱管數(shù)根據(jù)傳熱管的內(nèi)徑和流速，可以確定單程傳熱系數(shù)： 按單程計(jì)算，所需傳熱管的長(zhǎng)度是： 若按單程管計(jì)算，傳熱管過長(zhǎng)，宜采用多管程結(jié)構(gòu)，可見取傳熱管長(zhǎng)l=6m，則該傳熱管程數(shù)為： 則傳熱管的總根數(shù)為：N=Npns=2120=240（根） 平均傳熱溫差校正及殼程數(shù)由前面的計(jì)算已求得，按單殼程、多管程計(jì)算，逆流時(shí)：=℃而此時(shí)，我們有：P=R=由（參見天津大學(xué)出版社的《化工原理（上冊(cè)修訂版）》233頁）可查得：=﹥，所以，修正后的傳熱溫度差為：= ==32℃ 于是，校正后的平均傳熱溫差是32℃，殼程數(shù)為單程，管程數(shù)為2。殼徑的計(jì)算值應(yīng)圓整到最接近部頒標(biāo)準(zhǔn)尺寸，所以，代入數(shù)據(jù)我們有：D=3218+2（~）25 =626~651 mm取D=600mm 換熱管的選型匯總 根據(jù)以上的計(jì)算可以得到如下的計(jì)算結(jié)果：DN，mm600管程數(shù)2殼程數(shù)1管子規(guī)格φ25管子根數(shù)240中心排管數(shù)19管程流通面積，m2換熱面積，m2100換熱器長(zhǎng)度，mm6000 通過查表，可以發(fā)現(xiàn)下面的結(jié)構(gòu)尺寸的換熱器和所需的比較接近，故而選擇該種換熱器：DN，mm600管程數(shù)2殼程數(shù)1管子規(guī)格φ25管子根數(shù)232中心排管數(shù)16管程流通面積，m2換熱面積，m2換熱器長(zhǎng)度，mm6000 折流板設(shè)置折流板的目的是為了提高流速，增加湍動(dòng)，改善傳熱，在臥式換熱器中還起支撐管束的作用。圖41 弓形折流板單弓形折流板用得最多，弓形缺口的高度h為殼體公稱直徑Dg的15%～45%，最好是20%，見圖42（a）；在臥式冷凝器中，折流板底部開一90176。高度為15～20mm，供停工排除殘液用；在某些冷凝器中需要保留一部分過冷凝液使凝液泵具有正的吸入壓頭，這時(shí)可采用帶堰的折流板，見圖42（c）。為了消除這種弊病，宜采用雙弓形折流板或三弓形折流板。但為了增加換熱器的剛度，防止管子振動(dòng)，實(shí)際仍然需要設(shè)置一定數(shù)量的支承板，其形狀與尺寸均按折流板一樣來處理。由于換熱器是功用不同，以及殼程介質(zhì)的流量、粘度等不同，折流板間距也不同，其系列為：100mm，150mm，200mm，300mm，450mm，600mm，800mm，1000mm。允許的最大折流板間距與管徑和殼體直徑有關(guān)，當(dāng)換熱器內(nèi)流體無相變時(shí)，其最大折流板間距不得大于殼體內(nèi)徑，否則流體流向就會(huì)與管子平行而不是垂直于管子，從而使傳熱膜系數(shù)降低。折流板厚度與殼體直徑和折流板間距有關(guān)，見表41 所列數(shù)據(jù)。 支承板允許不支承的最大間距可參考表42（右）所列數(shù)據(jù)。折流板數(shù) 折流板圓缺面水平裝配。查表得，PN。查表得，查表得，PN。所以，殼程和管程接管的最小位置的計(jì)算就顯得很必要了。而且，C≥4S 且C≥32，S為殼體厚度。（2） 管程接管位置的最小尺寸 所設(shè)計(jì)的為帶補(bǔ)強(qiáng)圈的管程接管，則管程接管位置的最小尺寸L2可用如下公式計(jì)算：L2≥式中 ——補(bǔ)強(qiáng)圈的外圈直徑，mm； b——管板厚度，mm； C——補(bǔ)強(qiáng)圈外緣至管板與殼體焊縫之間的距離，mm。 經(jīng)計(jì)算易得，管程接管位置的最小尺寸為：140 mm。 管板結(jié)構(gòu)尺寸 查（《化工單元設(shè)備設(shè)計(jì)》P2527）得固定管板式換熱器的管板的主要尺寸如下表表44固定管板式換熱器的管板主要尺寸：公稱直徑Dbcd螺栓孔數(shù)60073069059864536102328 管板與殼體的連接在固定管板式換熱器中，管板與殼體的連接均采用焊接的方法。 管板厚度管板在換熱器的制造成本中占有相當(dāng)大的比重，管板設(shè)計(jì)與管板上的孔數(shù)、孔徑、孔間距、開孔方式以及管子的連接方式有關(guān)，其計(jì)算過程較為復(fù)雜，而且從不同角度出發(fā)計(jì)算出的管板厚度往往相差很大。對(duì)于脹接的管板，考慮脹接剛度的要求。表45 管板的最小厚度換熱器管子外徑/mm≤25323857管板厚度/mm3/4222532換熱管的外徑為25mm，因而管板厚