【正文】 管殼式換熱器是一個量大而品種繁多的產(chǎn)品，由于國防工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，換熱器操作條件日趨苛刻，迫切需要新的耐磨損、耐腐蝕、高強度材料。鈦對海水、氯堿、醋酸等有較好的抗腐蝕能力，如再強化傳熱，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)。鋁鎂合金具有較高的抗腐蝕性和導(dǎo)熱性，價格比鈦材便宜，應(yīng)予注意。換熱器的大量使用有效的提高了能源的利用率，使企業(yè)成本降低，效益提高。而石化及鋼鐵作為支柱型產(chǎn)業(yè)，將繼續(xù)保持快速發(fā)展的勢頭，預(yù)計2010年鋼鐵工業(yè)總產(chǎn)值將超過5000億元，化工行業(yè)總產(chǎn)值將突破4000億元。未來，國內(nèi)市場需求將呈現(xiàn)以下特點：對產(chǎn)品質(zhì)量水平提出了更高的要求，如環(huán)保、節(jié)能型產(chǎn)品將是今后發(fā)展的重點；要求產(chǎn)品性價比提高；對產(chǎn)品的個性化、多樣化的需求趨勢強烈；逐漸注意品牌產(chǎn)品的選用；大工程項目青睞大企業(yè)或企業(yè)集團產(chǎn)品。由此可見，換熱器的合理設(shè)計和良好運行對企業(yè)節(jié)約資金、能源和空間都十分重要。 換熱器的國外發(fā)展概況對國外換熱器市場的調(diào)查表明，管殼式換熱器占64%。隨著動力、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?，F(xiàn)就幾種新型換熱器的特點簡介如下：自20世紀(jì)70年代世界爆發(fā)能源危機以來，對傳統(tǒng)換熱設(shè)備的強化傳熱研究逐漸興起，并主要集中在兩大方向上：一是開發(fā)新品種的換熱器，如板式、螺旋板式、振動盤式、板翅式等，這些換熱器的設(shè)計思想都是盡可能地提高換熱器的緊湊度和換熱效率；二是對傳統(tǒng)的管殼式換熱器采取強化傳熱措施，也就是用各種異型強化管取代原來的光管，如螺紋管、橫紋（槽）管、縮放管、翅片管，或者在管內(nèi)插入擾流物，如螺旋扭帶、靜態(tài)混合器等[6]。其實質(zhì)是采用高速的冷的或稍微加溫的含微粒的流體給翅片表面噴鍍粉末粒子?！　⒀芯康某崞男逝c計算數(shù)據(jù)進行比較，得出的結(jié)論是：氣動噴涂翅片的底面的接觸阻力對效率無實質(zhì)性影響。2） 非釬焊繞絲筋管螺旋管式換熱器　　在管子上纏繞金屬絲作為筋條翅片的螺旋管式換熱器，一般都是采用焊接方法將金屬絲固定在管子上。更重要的是，由于焊料迅速老化和破碎會造成機器和設(shè)備堵塞，隨之提前報損。采用此法能促進得到釬焊時的連續(xù)特性即將金屬絲可靠地固定在管子上，而管子的截面又不過分壓緊，故對于金屬絲僅用做隔斷時，可以認(rèn)為是較釬焊更受歡迎的方法。3） 螺旋折流板換熱器在管殼式換熱器中，殼程通常是一個薄弱環(huán)節(jié)。而這些死角又能造成殼程結(jié)垢加劇，對傳熱效率不利。其后果是，與活塞流相比，弓形折流板會降低凈傳熱。對普通折流板幾何形狀的改進，是發(fā)展殼程的第一步。這種設(shè)計的先進性已為流體動力學(xué)研究和傳熱試驗結(jié)果所證實，此設(shè)計已獲得專利權(quán)。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。在氣一水換熱的情況下，傳遞相同熱量時，該換熱器可減少30 %40 %的傳熱面積，節(jié)省材料20 %30 %。對于低雷諾數(shù)下Re 1 000 的傳熱，螺旋折流板效果更為突出[8]。研究表明，這種換熱器不但能防振，而且傳熱系數(shù)高。在后來出現(xiàn)了一種外導(dǎo)流筒折流桿換熱器，此種換熱器能最大限度地消除管殼式換熱器擋板的傳熱不活躍區(qū)，增加了單位體積設(shè)備的有效傳熱面積。 換熱器的分類 按用途分類換熱器按用途的不同可分為加熱器、冷卻器、冷凝器和蒸發(fā)器等。 工業(yè)上應(yīng)用的換熱器大多是兩種流體不能直接接觸的間壁式換熱器。 列管式換熱器以其高度的可靠性和廣泛的適應(yīng)性，在長期的操作過程中積累了豐富的經(jīng)驗，其設(shè)計資料比較完備，在許多國家都有了系列化標(biāo)準(zhǔn)。例如當(dāng)流體的流速較大和壓強較高時，若采用其他類型的換熱器就有一定的困難。列管式換熱器的種類很多，其結(jié)構(gòu)形式與所受的溫差應(yīng)力以及是否需要溫差補償裝置有著密切的聯(lián)系。與其他形式的換熱器相比，結(jié)構(gòu)簡單，制造成本較低。由于管子和管板與殼體的連接都是剛性的，當(dāng)管子和殼體的壁溫或材料的線膨脹系數(shù)相差較大時，在殼體和管子中將產(chǎn)生很大的溫差應(yīng)力，以至管子扭彎或從管板上松脫，甚至損壞整個換熱器。由于Ｕ形膨脹節(jié)的撓性與強度都比較好，所以使用得最為普遍。當(dāng)管子和殼體的壁溫差大于60℃，由于補償圈過厚，難以伸縮，失去溫差補償?shù)淖饔?，就?yīng)考慮其他結(jié)構(gòu)。當(dāng)管束與殼體受熱或受冷產(chǎn)生伸縮時，兩者互不牽制，因而不會產(chǎn)生溫差應(yīng)力。由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其造價較高。當(dāng)管束和殼體間的溫差較大，管束腐蝕嚴(yán)重且需經(jīng)常更換時，采用這種形式的換熱器比較合適。 4） Ｕ形管換熱器 如圖11（d）所示，換熱器被彎成Ｕ形，管的兩端固定在同一塊管板上，省去了一塊管板和一個管箱（流道室）。管束可以從殼體中抽出，管外清洗方便，但管內(nèi)清洗困難，所以宜讓不結(jié)垢的流體從管內(nèi)流過。 綜觀上述不同種類的換熱器，由于本設(shè)計題目為水異丁烷換熱器的設(shè)計，水和異丁烷均為潔凈流體，不易結(jié)垢，傳熱溫度和熱負(fù)荷都較小，且管殼程的壓力較低，所以結(jié)合設(shè)計條件和項目經(jīng)費，選擇經(jīng)濟實用的固定管板式換熱器，這種換熱器具有單位體積傳熱面積大，結(jié)構(gòu)緊湊，堅固，傳熱效果好，而且能用多種材料制造，適用性較強，操作彈性大，結(jié)構(gòu)簡單，造價低廉，且適用于高溫、高壓的大型裝置中。2 工藝結(jié)構(gòu)的計算 設(shè)計任務(wù)和設(shè)計條件題目：水異丁烷換熱器的設(shè)計設(shè)計參數(shù)：熱負(fù)荷：Q=200KW； 介質(zhì)流量：根據(jù)熱負(fù)荷計算；設(shè)計壓力（MPa）：管程 ，殼程 ；設(shè)計溫度（℃）：管程入口 25，管程出口 35； 殼程溫度 40，殼程入口 飽和氣，殼程出口 飽和液；介質(zhì)：管程 水，殼程 異丁烷；允許壓降：≤100000Pa。兩流體溫度變化情況：熱流體進口溫度40℃，出口溫度40℃，冷流體進口溫度25℃，其出口溫度為35℃，所以由于管壁溫與殼體壁溫的溫差較小，且殼程壓力較小，故選取固定管板式冷凝器。并且固定管板式換熱器能得到最小的殼體內(nèi)徑，管程可分多程，殼程也可分成雙程，規(guī)格范圍廣，故在工程中廣泛應(yīng)用。但由于循環(huán)冷卻水易結(jié)垢，若其流速太低，將會加快污垢增長速度，使換熱器的傳熱能力下降，所以從總體考慮，應(yīng)使循環(huán)水走管程異丁烷飽和氣體走殼程。 確定物性溫度和物性數(shù)據(jù)定性溫度：對于一般氣體和水等低粘度流體，其定性溫度可卻流體進出口溫度的平均值。；由參考文獻[19]中公式：； Q：流體相變產(chǎn)生的傳熱速率，kw γ ：流體的氣化相變焓， kJ/kg ：流體的質(zhì)量流量，kg/s所以： ；先按純逆流計算，依據(jù)文獻[11]式（440）得； 冷凝器操作情況如圖21所示： 按照文獻[11]表47，取，依據(jù)文獻[11]式（434）得； 工藝結(jié)構(gòu)尺寸的計算 管徑和管內(nèi)流速根據(jù)參考文獻[12]表32，由GB8163選用的普通碳素鋼鋼管，根據(jù)表33和34取管程流速。根據(jù)GB1511999，現(xiàn)取傳熱管長度，則該換熱器的管程數(shù)為：（管程）；所以，傳熱管總根數(shù)為：（根）； 平均傳熱溫差和殼程數(shù)依據(jù)文獻[12]式（313a）和（313b）得：；； 按單殼程、四管程查溫差矯正系數(shù)圖得： ；平均傳熱溫差 ；當(dāng)時，多管程換熱器內(nèi)出現(xiàn)溫度逼近現(xiàn)象，在這種情況下，就需考慮采用多殼程結(jié)構(gòu)的換熱器或多臺換熱器串聯(lián)來解決。同時，殼程流體流量較大，故取單殼程合適。各種排列方式都有其各自的特點：①正三角形排列：排列緊湊，管外流體湍流程度高；②正方形排列：易清洗，但給熱效果較差；③正方形錯列：可以提高給熱系數(shù)。管子排列方式如圖22所示：圖22 換熱管排列示意圖取管間距：；隔板中心側(cè)到離其最近一排管中心距離為：；則各程相鄰管的管心距為44mm。選取情況如圖23所示： 殼體內(nèi)徑的計算采用多管程結(jié)構(gòu)，殼體內(nèi)徑可按照文獻[12]式（320）估算。則殼體內(nèi)徑為：；按卷制殼體的進級檔100mm，經(jīng)圓整可取D=500mm。則取圓缺高度為：。由參考文獻[12]表43可得折流板厚度為5mm。本換熱器傳熱管外徑為25mm，其拉桿直徑為16mm，取拉桿數(shù)量為4個。 接管1）管程流體進出口接管根據(jù)文獻[12]表33到35，可確定管內(nèi)冷卻水流速為，則接管內(nèi)徑為；圓整后可取接管內(nèi)徑為100mm。由于出口接管流出飽和液體，體積流量較入口的氣體體積流量小很多，考慮到制造安裝的統(tǒng)一性，則取殼程出口接管內(nèi)徑與管程接管內(nèi)徑相同，為100mm。冷凝平均溫度為：40℃。通過核算，該換熱器在規(guī)定的流動條件下，所提供的傳熱系數(shù)為，所以假設(shè)合適。因管壁很薄，管壁熱阻小，故管壁溫度可按文獻[12]式（342）計算。為確?？煽?，取循環(huán)冷卻水進口溫度為25℃，出口溫度為35℃計算傳熱管壁溫。但在操作初期，污垢熱阻較小，殼體和傳熱管間壁溫差可能較大。于是，依據(jù)文獻[12]式（342）有：；式中液體的平均溫度tm和氣體的平均溫度分別按式（344）和（345）計算為：；；；；傳熱管平均壁溫；殼體壁溫，可近似取為殼程流體的平均溫度，即；殼體壁溫和傳熱管壁溫之差為；由于該溫差較小，且殼程壓力較小，故選用帶膨脹節(jié)的固定管板式換熱器較為適宜，而且經(jīng)濟。 ； ；由，傳熱管的相對粗糙度，查莫狄圖，流速；，所以：；；；由于，故管程流體阻力在允許范圍之內(nèi)。 質(zhì)量流