【正文】 單，操作可靠，可用各種結(jié)構(gòu)材料（主要是金屬材料）制造，能在高溫、高壓下使用，是目前應(yīng)用最廣的類型。殼體多為圓筒形，內(nèi)部裝有管束，管束兩端固定在管板上。為提高管外流體的傳熱分系數(shù)，通常在殼體內(nèi)安裝若干擋板。換熱管在管板上可按等邊三角形或正方形排列。圖示為最簡(jiǎn)單的單殼程單管程換熱器,簡(jiǎn)稱為11型換熱器。這樣流體每次只通過部分管子，因而在管束中往返多次，這稱為多管程。多管程與多殼程可配合應(yīng)用。傳統(tǒng)換熱器中最普遍應(yīng)用的是弓形折流板，由于存在阻流與壓降大、有流動(dòng)滯死區(qū)、易結(jié)垢、傳熱的平均溫差小、振動(dòng)條件下易失效等缺陷，近年來逐漸被螺旋折流板所取代。由于加工困難，目前所采用的折柳板，一般由若干個(gè)1/4的扇形平面板替代曲面相間連接，形成近似的螺旋面。相比于弓形折流板，在相同工況下，這樣的折流板（被稱為非連續(xù)型螺旋折流板）可減少壓降45%左右，而總傳熱系數(shù)可提高20%～30%，在相同熱負(fù)荷下，可大大減小換熱器尺寸。例如，扇形板連接處成非光滑的銳角過渡，對(duì)軸向運(yùn)動(dòng)的流體存在反壓，流體通過時(shí)的突然轉(zhuǎn)向會(huì)造成能量損失，在螺旋角較大時(shí)能耗更嚴(yán)重；相鄰兩片扇形板空間對(duì)接時(shí)，必須附加角接板才能填補(bǔ)縫隙，既費(fèi)工又廢料，又增大了流體的阻力。東燕公司經(jīng)過多年潛心研究，終于成功制作出連續(xù)螺旋折流板換熱器。因此，理想的折流板布置應(yīng)該為連續(xù)的螺旋曲面。一般來說，出于加工方面的考慮，一個(gè)螺距取 2～4 塊折流板，相鄰折流板之間有連續(xù)搭接和交錯(cuò)搭接兩方式，按流道又可分為單螺旋和雙螺旋兩種結(jié)構(gòu)。 （2）弓形折流板比，在同樣的壓降下，可大幅度提高殼程介質(zhì)的流速，從而提高Re，使介質(zhì)傳熱能力增大。 （4）橫向折流方式比，不存在死區(qū)，在提高換熱系數(shù)的同時(shí)，減少污垢沉積，熱阻穩(wěn)定，可使換熱器一直處于高效運(yùn)行狀態(tài)。 （6）程做冷凝換熱時(shí)，螺旋折流板可以起到對(duì)冷凝后的液體引流作用，減少了冷凝液體對(duì)下排管覆蓋，從而提高換熱效果。 （8）在造價(jià)上面，前者較后者更大些，當(dāng)選擇時(shí)不可避免的需要考慮成本問題。它是化工、煉油、動(dòng)力、原子能和其它許多工業(yè)部門廣泛應(yīng)用的一種通用工藝設(shè)備。通常在化工生產(chǎn)的建設(shè)中，換熱器約占總投資的10～20%。換熱器就是用來進(jìn)行這些傳遞過程的設(shè)備，通過這種設(shè)備，以便使熱量從溫度較高的流體傳遞給溫度較低的流體，以滿足工藝上的需要。由于使用的條件不同，換熱設(shè)備又有各樣的形式和結(jié)構(gòu)。其它如回收排放出去的高溫氣體中的廢熱所用的廢熱鍋爐，有時(shí)在生產(chǎn)中也是不可缺少的。 在換熱設(shè)備中，應(yīng)用最廣泛的是管殼式換熱器。尤其在化工生產(chǎn)中，無論是國(guó)內(nèi)還是國(guó)外，它在所有的換熱設(shè)備中，仍占主導(dǎo)地位。如高壓聚乙烯要求操作壓力高達(dá)250MPa左右，新“德士古”制氫法要求操作溫度在750～1500范圍。而管殼式結(jié)構(gòu)，它具有選材范圍廣，換熱表面清洗較方便，適應(yīng)性強(qiáng)，處理能力大，能承受高溫和高壓等特點(diǎn)。由于現(xiàn)代化工廠的生產(chǎn)規(guī)模日益增大，換熱設(shè)備也相應(yīng)向大型化方向發(fā)展，以降低動(dòng)力消耗，減少占地面積和金屬消耗。 近十余年來，另一種高效、緊湊式 的新型換熱設(shè)備之一，即板式換熱器，已發(fā)展成為一種重要的化工設(shè)備。它適用的介質(zhì)相當(dāng)廣泛，從水到高粘度的非牛頓型液體，從含有小直徑固體顆粒的物料到含有纖維的物料，均可處理。 近年來，由于鋁及鋁合金釬焊技術(shù)的發(fā)展和不斷完善，促使另一種高效、緊湊式的新型換熱器，即板翅式換熱器得到廣泛的應(yīng)用?，F(xiàn)在，板翅式換熱器又成功地應(yīng)用于天然氣加工過程中，如進(jìn)料氣冷卻器、部分冷凝器、底部蒸發(fā)器和壓縮機(jī)的中間冷卻器等。 目前螺旋板換熱器在化工生產(chǎn)中的應(yīng)用也日趨廣泛。螺旋板換熱器在國(guó)內(nèi)首先較普遍地用在小化肥生產(chǎn)中半水煤氣的預(yù)熱器和氨合成塔下部的換熱器，目前已逐步推廣應(yīng)用的到其它化工生產(chǎn)工藝中。如玻璃、石墨和聚四氟乙烯等非金屬材料以及鈦、鉭和鋯等稀有金屬材料制作的換熱器，以達(dá)到耐熱，耐壓和防腐的效果。石墨換熱器已在許多國(guó)家中得到廣泛地應(yīng)用，如用來處理鹽酸、硫酸等腐蝕性介質(zhì)。 在其它新型換熱器的應(yīng)用中，值得提出的為熱管。它能利用小的表面積傳遞大的熱量，因此它能充分體現(xiàn)換熱器的一種優(yōu)良的設(shè)計(jì)。 3 螺旋折流板式換熱器的工藝計(jì)算 所給初始參數(shù)見表31所示：表31 初始參數(shù)表介 質(zhì)丁二烯水壓力（絕） pt = p2=入口溫度Ti=℃ti= 34℃出口溫度 To=℃to=38℃序號(hào)質(zhì)量流量Kg/h質(zhì)量流量 Kg/h1 Wt=17000Kg/h? 兩流體溫度變化情況：℃，℃，冷流體的進(jìn)口溫度為34℃，出口溫度為38℃，由于管殼流體之間的溫差不大，所以用結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單的固定管板式換熱器，而且不需要加膨脹節(jié)。 殼程丁二烯的定性溫度為 管程水等信兒定性溫度為 根據(jù)定性溫度，通過參考書《化工原理》、《熱工基礎(chǔ)》等查的殼程和管程流體的有關(guān)物性數(shù)據(jù)： ℃下的有關(guān)物性數(shù)據(jù)如下： 密度： 定壓比熱容： 導(dǎo)熱系數(shù)： 粘度： 水在36℃下的有關(guān)物性數(shù)據(jù)如下： 密度： 定壓比熱容： 導(dǎo)熱系數(shù)： 粘度：：丁二烯在該工作壓力下，℃是沸點(diǎn)，當(dāng)溫度下降時(shí)，原本為液態(tài)的丁二烯會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)，所以這里存在一個(gè)氣化潛熱的問題，這里的熱流量要分為兩個(gè)部分一個(gè)是氣化潛熱，另一個(gè)是溫度下降所放出的熱量. 那么總的熱流量先求逆流時(shí)平均溫度差 丁二烯 → 水 38 ← 34 那么平均傳熱溫差管程傳熱系數(shù)：雷洛數(shù)： 關(guān)聯(lián)式： （水被加熱，）殼程傳熱系數(shù)：假設(shè)殼程的傳熱系數(shù)污垢熱阻：又知道管壁的導(dǎo)熱系數(shù)那么總傳熱系數(shù)： 考慮15%的面積裕度 選用傳熱管（碳鋼），取管內(nèi)流速 如下表格所示為不同換熱器布管限定圓的規(guī)定（查GB1511999）： 表中是指換熱器最外換熱管表面與殼體內(nèi)壁的最短距離那么換熱器的不管限定圓的直徑依據(jù)傳熱管內(nèi)徑和流速確定單程傳熱管數(shù)按單程管計(jì)算，所需的傳熱管長(zhǎng)度為按單程設(shè)計(jì)，傳熱管過長(zhǎng)，宜采用多程管結(jié)構(gòu)，現(xiàn)取傳熱管長(zhǎng)，則該換熱管管程數(shù)為 那么傳熱管的總管數(shù) 平均傳熱溫差校正系數(shù) 按單殼程、六管程結(jié)構(gòu)，溫差校正系數(shù)查的下表得圖31 溫差校正系數(shù)圖可得溫差校正系數(shù)平均傳熱溫差采用組合排列法，即每程內(nèi)列管都是按照正三角形排列，隔板兩側(cè)采用正方形，取管心距，則 橫過管束中心線的管數(shù) 采用多管程結(jié)構(gòu)，取管板利用率，則殼體內(nèi)徑為 圓整可取折流板是1/4圓弧，如下圖所示 圖32（a） 螺旋折流板的輪廓圖下面對(duì)折流板進(jìn)行分析，下圖是折流板的在換熱器中軸向的投影：圖32（b） 螺旋折流板的投影圖圖33 螺旋折流板的簡(jiǎn)略空間圖從上面兩個(gè)圖中可以計(jì)算出扇形折流板的邊長(zhǎng)以及弧度邊長(zhǎng),折流板投影上的半徑為R，R=AB=BC在直角中，那么，折流板邊長(zhǎng)為這里設(shè)定，螺旋折流板的安裝高度取15度，即，由于殼體內(nèi)徑為2600mm，可以取R=1295mm。圖34 螺旋折流板的實(shí)物圖（1） 殼程流體進(jìn)出口接管：取接管內(nèi)的丁二烯流速為，則接管內(nèi)徑為取標(biāo)準(zhǔn)管徑為89mm（2） 管程流體進(jìn)出口接管，取接管內(nèi)循環(huán)水流速，則接管內(nèi)徑為取標(biāo)準(zhǔn)管徑為300mm。已知由相對(duì)粗糙度為，查莫狄圖得，如下圖圖35 莫狄圖由圖可知：摩擦系數(shù)又知，則管程流動(dòng)阻力在允許范圍之內(nèi)。換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計(jì)算結(jié)果見表格31表32 換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計(jì)算結(jié)果換熱器型式：固定管板式（不帶膨脹節(jié)）換熱面積（）：工藝參數(shù)名稱管程殼程物料名稱水丁二烯操作壓力，MPa操作溫度，℃(進(jìn)/出)38/34流量，kg/h39170617000流體密度,1000676流速，m/s傳熱量，kJ/h總傳熱系數(shù)，對(duì)流傳熱系數(shù)，2894污垢系數(shù)，0．0003440．000172阻力降，Pa6656259程數(shù)16推薦使用材料碳鋼碳鋼管子規(guī)格φ25；管數(shù)：4158；管長(zhǎng)：9000mm管間距：32mm。有時(shí)在熱力設(shè)計(jì)計(jì)算中也以部分確定了結(jié)構(gòu)尺寸，此時(shí)結(jié)構(gòu)計(jì)算除應(yīng)進(jìn)一步確定那些尚未確定的尺寸外，還應(yīng)對(duì)那些以確定的尺寸作某種校核。對(duì)同一種型式的換熱器，由于各種條件不同，往往采用的結(jié)構(gòu)亦不同。 筒體 管殼式換熱器的殼體一般是用管材或者是板材卷制而成，如何選定要看選擇換熱器的直徑的大小，通常情況下，公稱直徑DN400mm時(shí)，一般采用管材作為殼體或管箱殼體，相反當(dāng)公稱直徑DN400mm時(shí)，通常使用板材卷制而成。 結(jié)論：初定筒體公稱直徑DN2600mm。 表41 圓筒的最小厚度公稱直徑400~700700~1000700~10001000~15001500~20002000~26000浮頭式、U形管式81012101416固定管板式6810121214結(jié)論：筒體的最小厚度為14mm。 封頭與管箱選擇使用橢圓形封頭，尺寸和厚度按照J(rèn)B/T473795選取。結(jié)論：滿足標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的要求。滿足校核要求。在殼體和大多數(shù)官箱的底部裝有排液管，上部設(shè)有排氣管，殼側(cè)也常設(shè)有安全閥接口以及其他諸如溫度計(jì)、壓力表、液位計(jì)和取樣管接口。由于在殼體、管箱殼體上面開孔，必然會(huì)對(duì)殼體局部位置的強(qiáng)度造成削弱。圖44 換熱器排液管、排氣管管程流體進(jìn)出口接管：取接管內(nèi)水流速，則接管內(nèi)徑為，查GB173951998得可取外徑允許不另行補(bǔ)強(qiáng)的最大接管外徑為接管的壁厚計(jì)算（Ф=）已知厚度負(fù)偏差腐蝕余量那么由于外徑的最小厚度大于6mm，所以在這里我取查GB173951998無縫鋼管尺寸、外形、重量及允許偏差，可取接管外徑為， 殼程流體進(jìn)出口接管:由下表，取接管內(nèi)丁二烯流速為，則接管內(nèi)徑為由GB1501998知此此接管不需要另行補(bǔ)強(qiáng)，接管最小壁厚滿足下表要求圖45 不同內(nèi)徑接管的最小壁厚由表可以選定接管公稱外徑為89mm，那么他的最小壁厚為6mm。 由上面計(jì)算可以知道，僅僅在管程需要有補(bǔ)強(qiáng)。本開孔外徑等于273mm，故需另行考慮其補(bǔ)強(qiáng)。（2）開孔所需補(bǔ)強(qiáng)面積 ?封頭計(jì)算厚度 由于在橢圓形封頭中心區(qū)域開孔，所以封頭計(jì)算厚度按下式確定式中(查《過程設(shè)備設(shè)計(jì)》表45)?開孔所需補(bǔ)強(qiáng)面積先計(jì)算強(qiáng)度削弱系數(shù)注：接管使用10號(hào)鋼開孔所需補(bǔ)強(qiáng)面積按下式計(jì)算（3） 有效補(bǔ)強(qiáng)范圍 ?有效寬度B }取大值故B=538mm ?有效高度外側(cè)有效高度 }取小值故內(nèi)側(cè)有效高度}取小值故 （4）有效補(bǔ)強(qiáng)面積?封頭多余金屬面積封頭多余金屬面積 ?接管多余金屬面積接管計(jì)算厚度 接管多余金屬面積按式計(jì)算 ?接管區(qū)焊縫面積（） ④有效補(bǔ)強(qiáng)面積 ⑤所需另行補(bǔ)強(qiáng)面積 那么開孔后不需要另行補(bǔ)強(qiáng)法蘭的結(jié)構(gòu)形式和密封面形式，應(yīng)根據(jù)使用介質(zhì)、設(shè)計(jì)壓力、公稱直徑等因素來確定。1)管程接管法蘭 系列選取，法蘭外徑D=405mm螺栓孔中心圓直徑K=355mm螺栓孔徑L=23mm、螺栓數(shù)量n=1規(guī)格為M24密封圈d=370mm、X=368mm、Y=364mm、法蘭高度H=78mm、厚度C=28mm法蘭頸N=342mm、S=、R=10mm2)殼程接管法蘭 系列選取，（系列I），參數(shù)如下法蘭外徑D=200mm螺栓孔中心圓直徑K=160mm螺栓孔徑L=18mm、螺栓數(shù)量n=規(guī)格為M16密封圈d=132mm、X=120mm、Y=121mm、法蘭高度H=50mm、厚度C=20mm法蘭頸N=110mm、S=、R=6mm3)接管法蘭墊片采用鍍鋅薄鋼板包石棉橡膠板HG2060797，δ=3mm。查閱《換熱器設(shè)計(jì)手冊(cè) 錢頌文》P142表166和表167可知：丁二烯進(jìn)出口接管外伸長(zhǎng)度為250mm；冷卻水進(jìn)出口接管外伸長(zhǎng)度為150mm；排氣口,排液口接管外伸長(zhǎng)度為150mm。圖46 殼程接管位置圓筒殼體接管1）殼體接管位置的最小尺寸L1（如圖46所示）無補(bǔ)強(qiáng)圈接管時(shí)： 換熱器設(shè)計(jì)手冊(cè) 公式163 取（為殼體厚度，mm）且30mmb為管板法蘭厚度，mm為接管直徑，mm 計(jì)算得：∴取=200mm 管箱接管圖47 管箱接管 管箱接管位置的最小尺寸（換熱器設(shè)計(jì)手冊(cè)圖163） 有補(bǔ)強(qiáng)圈接管時(shí)： (換熱器設(shè)計(jì)手冊(cè) 公式165)為接管直徑，mmC補(bǔ)強(qiáng)圈外邊緣