【正文】 成績。根據(jù)國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展第十一個五年規(guī)劃綱要，“十一五”％的速度。這些行業(yè)的發(fā)展都將為換熱器行業(yè)提供更加廣闊的發(fā)展空間。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在一般石油化工企業(yè)中，換熱器的投資占全部投資的40﹪50﹪；在現(xiàn)代石油化工企業(yè)中約占30﹪40﹪；在熱電廠中，如果把鍋爐也作為換熱設(shè)備，換熱器的投資約占整個電廠總投資的70﹪；在制冷機(jī)中，蒸發(fā)器的質(zhì)量要占制冷機(jī)總質(zhì)量的30﹪40﹪，其動力消耗約占總值的20﹪30﹪。提高換熱器傳熱性能并減小其體積，在能源日趨短缺的今天更是具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益[5]。雖然各種板式換熱器的競爭力在上升，但管殼式換熱器仍將占主導(dǎo)地位。而換熱器在結(jié)構(gòu)方面也有不少新的發(fā)展?，F(xiàn)就幾種新型換熱器的特點(diǎn)簡介如下：1） 氣動噴涂翅片管換熱器　　俄羅斯提出了一種先進(jìn)方法，即氣動噴涂法，來提高翅片化表面的性能。用該方法不僅可噴涂金屬還能噴涂合金和陶瓷（金屬陶瓷混合物），從而得到各種不同性能的表面。為了證實(shí)這一點(diǎn)，又對基部管子與表面翅片的過渡區(qū)進(jìn)行了金相結(jié)構(gòu)分析。但這種方法對整個設(shè)備的質(zhì)量有一系列的影響，因?yàn)殁F焊法必將從換熱中“扣除”很大一部分管子和金屬絲的表面?！　《砹_斯推薦一種新方法制造繞絲筋管，即借助在管子上纏繞和拉緊金屬絲時產(chǎn)生的機(jī)械接觸來固定筋條。但若利用金屬絲作為筋條翅片以增加換熱面積時，只有當(dāng)非釬焊筋條的有效傳熱面不小于釬焊連接時，才應(yīng)更偏重于此方法。通常普通的弓形折流板能造成曲折的流道系統(tǒng)（z字形流道），這樣會導(dǎo)致較大的死角和相對高的返混。返混也能使平均溫差失真和縮小。由于弓形折流板管殼式換熱器很難滿足高熱效率的要求，故常為其他型式的換熱器所取代（如緊湊型板式換熱器）。為此，美國提出了一種新方案，即建議采用螺旋狀折流板。此種結(jié)構(gòu)克服了普通折流板的主要缺點(diǎn)。其基本原理為：將圓截面的特制板安裝在“擬螺旋折流系統(tǒng)”中，每塊折流板占換熱器殼程中橫剖面的四分之一，其傾角朝向換熱器的軸線，即與換熱器軸線保持一定傾斜度[7]。每個折流板與殼程流體的流動方向成一定的角度，使殼程流體做螺旋運(yùn)動，能減少管板與殼體之間易結(jié)垢的死角，從而提高了換熱效率。相對于弓形折流板，螺旋折流板消除了弓形折流板的返混現(xiàn)象、卡門渦街，從而提高有效傳熱溫差，防止流動誘導(dǎo)振動；在相同流速時，殼程流動壓降?。换静淮嬖谡饎优c傳熱死區(qū)，不易結(jié)垢。4）折流桿式換熱器20 世紀(jì)70 年代初，美國菲利浦公司為了解決天然氣流動振動問題，將管殼式換熱器中的折流板改成桿式支撐結(jié)構(gòu)，開發(fā)出折流桿換熱器?，F(xiàn)在此種換熱器廣泛應(yīng)用于單相沸騰和冷凝的各種工況。目前，所有的浮頭式換熱器均采用了外導(dǎo)流筒。、熱流體的傳熱方式分類 按冷熱兩種流體的傳熱方式可分為： ① 兩流體直接接觸式換熱器；② 蓄熱式換熱器；③ 間壁式換熱器。間壁式換熱器又可分為：① 夾套式換熱器；② 沉浸式蛇管換熱器；③ 噴淋式換熱器；④ 套管式換熱器；⑤ 螺旋板式換熱器；⑥ 板式換熱器；⑦ 板翅式換熱器；⑧ 熱管式換熱器；⑨ 列管式換熱器。近年來盡管列管式換熱器也受到新型換熱器的挑戰(zhàn)，但反過來也促進(jìn)了其自身的發(fā)展。所以列管式換熱器目前仍是化工、石油和石油化工中使用的主要類型的換熱器，在高溫、高壓條件下和大型換熱器中，仍占絕對優(yōu)勢。按溫差補(bǔ)償結(jié)構(gòu)來分，主要有以下四種： 1） 固定管板式換熱器 如圖11（a）所示，此種換熱器的特點(diǎn)是管束以焊接或脹接方式固定在兩塊管板上，管板分別焊接在外殼的兩端并在其上連接有頂蓋，頂蓋和殼體上裝有流體進(jìn)出口接管。管內(nèi)不易積累污垢，即使產(chǎn)生了污垢也便于清洗，但無法對管子的外表面進(jìn)行檢查和機(jī)械清洗，因而不適宜處理臟的或有腐蝕性的介質(zhì)。 當(dāng)管子和殼體的壁溫差大于50℃時，應(yīng)在殼體上設(shè)置溫差補(bǔ)償——膨脹節(jié)，依靠膨脹節(jié)的彈性變形可以減少溫差應(yīng)力，膨脹節(jié)的形式較多，常見的有Ｕ形、平板形和Ω形等幾種。當(dāng)要求較大的補(bǔ)償量時，宜采用多波形膨脹節(jié)。 2） 浮頭式換熱器 如圖11（b）所示，換熱器的一塊管板用法蘭與殼體連接，另一塊管板不與殼體連接，且能自由移動。浮頭部分由浮頭管板、鉤圈與浮頭端蓋組成，為可拆連接，管束可以抽出，故管內(nèi)外都能清洗，也便于檢修。 3） 填料函換熱器 如圖11（c）所示，浮頭部分伸在殼體之外，它與殼體之間的空隙用一填料函密封，使換熱器管束的一端可以自由伸縮。這種換熱器以制造、清洗和檢修都比較方便，造價也比浮頭式的低。Ｕ形管具有自由伸縮的特點(diǎn)，可以完全消除熱應(yīng)力。因彎管時，必須保證一定的曲率半徑，所以管束的中心部分存在較大的空隙，在相同直徑的殼體中排列的管子數(shù)較固定管板式少，價格比固定管板式高10％。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。 確定設(shè)計(jì)方案 1）選擇換熱器的類型異丁烷屬于無色氣體、無毒，對金屬無腐蝕性，微溶于水，與水無反應(yīng)，能溶于乙醚。固定管板式換熱器具有單位體積傳熱面積大，結(jié)構(gòu)緊湊，堅(jiān)固，傳熱效果好，而且能用多種材料制造，適用性較強(qiáng)，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）流程的安排和確定從兩流體的操作壓力看，應(yīng)使異丁烷飽和氣體走管程，循環(huán)冷卻水走殼程。另外由于異丁烷飽和氣體屬于氣體，對金屬無腐蝕性，并且對于飽和蒸汽的冷凝換熱器，飽和蒸汽一般走殼程，以便于冷凝液的排出，所以水走管程，異丁烷走殼程非常合適。故殼程異丁烷的定性溫度為： ；管程水的定性溫度為：；查物性參數(shù)表可得：℃下的有關(guān)物性數(shù)據(jù)如下：1）異丁烷為飽和氣體時的物性參數(shù)密度 ；定壓比熱容 ；熱導(dǎo)率 ；粘度 ；2） 異丁烷為飽和液體時的物性參數(shù) 密度 ； 定壓比熱容 ； 熱導(dǎo)率 ； 粘度 ；℃下的有關(guān)物性數(shù)據(jù)如下： 密度 ； 定壓比熱容 ； 熱導(dǎo)率 ； 粘度 ； 估算傳熱面積熱負(fù)荷：Q=200KW。 計(jì)算管程數(shù)和傳熱管數(shù)依據(jù)文獻(xiàn)[12]式（39）確定單程傳熱管數(shù)（根）；按單程管計(jì)算，所需的傳熱管長度為；按單程管設(shè)計(jì)，傳熱管過長，宜采用多管程結(jié)構(gòu)。由于平均傳熱溫差校正系數(shù)，則不需設(shè)置多殼程結(jié)構(gòu)。 傳熱管的排列和分程方法換熱管在管板上的排列有正三角形排列、正方形排列和正方形錯列三種排列方式。所以，選擇正方形錯列排列，能夠有效提高給熱系數(shù)。每程各有傳熱管22根，其前后管箱中隔板設(shè)置和介質(zhì)的流通順序按照文獻(xiàn)[12]圖314選取。正四邊形排列4程管子時，取管板利用率。采用弓形折流板，根據(jù)文獻(xiàn)[12],由折流板尺寸確定原則，取弓形折流板的圓缺高度為殼體內(nèi)徑的20%，則切去的圓缺高度為：；考慮到制造過程中的管孔變形而影響換熱管的穿入。折流板的最小間距：，則最??；折流板的最大間距：，故??；所以取折流板數(shù)NB ： （塊）；取折流板圓缺面水平裝配。拉桿數(shù)量與直徑按文獻(xiàn)[12]表（47）和（48）選取。殼程入口處，應(yīng)設(shè)置防沖擋板，厚度取5mm。2）殼程流體進(jìn)出口接管根據(jù)文獻(xiàn)[12],可確定進(jìn)口接管內(nèi)氣體流速為，則接管內(nèi)徑為：； 圓整后可取進(jìn)口接管內(nèi)徑為150mm。 換熱器的熱流量核算 1)殼側(cè)系數(shù)殼側(cè)壁溫℃。40℃時異丁烷的物理性質(zhì)a） 飽和液體時，； ； ；b） 飽和氣體時，；根據(jù)參考文獻(xiàn)[13]，估算管束直徑：；由于正方形排列管子，四管程時：，；且；所以，；在平均蒸汽溫度下的蒸汽密度：；中排的管數(shù)為： ；水平換熱管的載荷，單位管周長的冷凝物速率為：；根據(jù)參考文獻(xiàn)[13]公式()：； 2）管內(nèi)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) 依據(jù)文獻(xiàn)[12]式（332）和（333）得；管程流體流通截面積；管程流體流速和雷諾數(shù)為：； ；普朗特數(shù)為：；由于管內(nèi)流體被加熱，則； 3）污垢熱阻和管壁熱阻 依據(jù)文獻(xiàn)[12]表（310），可取管程冷卻水側(cè)的熱阻 ；殼程異丁烷側(cè)的熱阻 ；鋼的導(dǎo)熱系數(shù) ； 管壁熱阻 ； 4) 傳熱系數(shù) 依據(jù)文獻(xiàn)[12]表（321），可得 ；在初步計(jì)算時，假設(shè)的總傳熱系數(shù)為。 5) 傳熱面積和面積裕度 依據(jù)文獻(xiàn)[12]式（335）可得所計(jì)算的傳熱面積Ac為； 該換熱器的實(shí)際傳熱面積A為； 該換熱器的面積裕度依據(jù)文獻(xiàn)[12]式（336）計(jì)算為 ； 所以，由于面積裕度在（15%～20%）之間，則該換熱器面積裕度合適，能夠完成生產(chǎn)任務(wù)。由于該換熱器用循環(huán)水冷卻，冬季操作時，循環(huán)水的進(jìn)口溫度將會降低。另外，由于傳熱管內(nèi)側(cè)污垢熱阻較大，會使傳熱管壁溫升高，降低了殼體和傳熱管壁溫之差。計(jì)算中，應(yīng)按最不利的操作條件考慮，因此，取兩側(cè)污垢熱阻為零計(jì)算傳熱管壁溫。 換熱器內(nèi)流體的流動阻力 1) 管程流動阻力依據(jù)文獻(xiàn)[12]式（347）～（349）可得：； 式中，ΔPi為單程直管阻力；ΔPr為局部阻力；Ns為殼程數(shù)；ΔPt為管程總阻力；Fs為管程結(jié)垢校正系數(shù)。 2) 殼程流動阻力 根參考文獻(xiàn)[13]，可得橫截面積：。 。 飽和異丁烷蒸汽粘度為：。 由文獻(xiàn)[13]： 。由于殼程壓降2222Pa100000Pa，故殼程的流動阻力也在允許范圍內(nèi)。k）]粘度Pak）]普朗特數(shù)設(shè)備結(jié)構(gòu)參數(shù)形式固定管板式臺數(shù)1殼體內(nèi)徑mm500殼程數(shù)1管徑mm管心距mm32管長mm6000管子排列正錯管數(shù)目根88折流板數(shù)個20傳熱面積m242折流板間距mm300管程數(shù)4材質(zhì)碳鋼主要計(jì)算結(jié)果管程殼程流速m/s3表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)[W/（m2k/W）阻力Pa38062222熱流量kW200傳熱溫差K傳熱系數(shù)[W/（m2又因?yàn)樵摀Q熱器的壓力p=，屬于低壓，所以本設(shè)計(jì)的殼體材料選用Q345R，它是低合金鋼，具有良好的焊接性能，機(jī)械性能及成形性能和耐腐蝕性能，是中國壓力容器行業(yè)使用量最大的鋼板，質(zhì)量穩(wěn)定，符合本設(shè)計(jì)對材料的要求，具體的化學(xué)成分及性能和冷彎性能描述如下表31，表32；管程筒體和封頭均采用Q345R。