【正文】 器的類型 ?固定管板式換熱器 這類換熱器如圖 1— 1 所示。當(dāng)管束和殼體之間的溫差太大而產(chǎn)生不同的熱膨脹時，常會使管子與管板的接口脫開，從而發(fā)生介質(zhì)的泄露。由此可見，這種換熱 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。兩端管板只由一端與管體完全固定，另一端則可相對于殼體作某些移動，該端稱之為浮頭，如圖 12 所示。而且在清洗和檢修時，僅需要將管束從殼體中抽出即可，所以能適用于管殼壁間溫差較大，或易于腐蝕和易結(jié)垢的場合。至于殼程的壓力也受滑動接觸的密封限制。這樣，每根管子皆可只有伸縮，與殼體無關(guān)，解決了溫差補(bǔ)償問題，結(jié)構(gòu)也不復(fù)雜。 圖 13 U 形管換熱器 ?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，如圖 14 所示。但由于密封處易于泄露，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。 ?換熱管布置和排列間距 常用換熱管規(guī)格有 Ф19 2mm、 Ф25 2mm(1Cr18Ni9Ti)、 Ф25 （碳鋼 10）。 圖 15 換熱管排列方式 9 正三角形排列結(jié)構(gòu)緊湊；正方形排列便于機(jī)械清洗；同心圓排列用于小殼徑換熱器，外圓管布均勻，結(jié)構(gòu)更為緊湊。 對于多管程換熱器，常采用組合排列方式。 管間距（管中心的 間距 ） t 與外管徑 d。 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。此外海域一些非金屬材料，如石墨、陶瓷、聚四氟乙烯等亦有采用。既要滿足工藝條件的要求，又要經(jīng)濟(jì)。 ?管板 管板的作用是將受熱管束連接在一起，并將管程和殼程的流體分隔開來。脹接法是利用脹管器將管子擴(kuò)脹，產(chǎn)生顯 著的塑性變形，靠管子與管板間的擠壓力達(dá)到密封緊固的作用。 焊接法在高溫高壓條件下更能保證接頭的嚴(yán)密性。固定管板常采用不可拆連接。浮頭式、 U 型管式等為是殼體清洗方便，常將管板夾在殼體法蘭和頂蓋法蘭直接按構(gòu)成可拆連接。 ①封頭 當(dāng)殼體直徑較小式常采用封頭。 10 ②管箱 一般 殼徑較大的換熱器大多采用管箱結(jié)構(gòu)。 ③分程隔板 當(dāng)需要的換熱面積很大時，可采用多管程換熱器。這樣可提高介質(zhì)流速，增強(qiáng)傳熱。 在布置時應(yīng)盡量使管程流體與管程流體成逆流布置，以增強(qiáng)傳熱，同時應(yīng)嚴(yán)防分程隔板的泄露，以防止流體的短路。 殼程內(nèi)的結(jié)構(gòu)，主要 是 由折流板、支承板、縱向隔板、旁路擋板及緩沖板等元件組成。各元件在殼程的設(shè)置，按其不同的作用可分為兩類：一類 為了殼側(cè)介質(zhì)對傳熱管最有效的流動，來提高換熱器的傳 熱效果而設(shè)置的各種擋板，如折流板、縱向擋板、旁路擋板等；另一類 為了管束的 安裝及保護(hù)列管而設(shè)置的支承板、管束的導(dǎo)軌以及緩沖板等。直徑小于400mm 的殼體通常用鋼管制成，大于 400mm 的可用鋼板卷焊而成。如殼側(cè)傳熱 系數(shù)遠(yuǎn)小于管側(cè)，則可以縱向的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 D=t( ﹣ 1)﹢﹙ 2～ 3） d。 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)。 ?折流板 在殼程管束中，一般都裝有橫向折流板，用以引導(dǎo)流體橫向流過管束，增加流體流速，以增強(qiáng)傳熱；同時起支撐管束、防止管束振動和管子彎曲的作用。如圖 17 所示。它可防止進(jìn)口流體直接沖擊管束而造成管子的侵蝕和管束振動，還有使流體沿管束均勻分布的作用。 ?其他主要附件 ①旁通擋板 如果殼體和管束之間間隙過大，則流體不通過管束而通過這個間隙旁通，為了防止這種情形，往往采用旁通擋板。假管的表面形狀為兩端堵死的管子，安置于分程隔板槽背面兩管板之間但不穿過管板，可與折流板焊接以便固定。 ③拉桿和定距管 為了使折流板能牢靠地保持在一定位置上，通常采用拉桿和定距管。試設(shè)計一臺列管式換熱器，完 成該生產(chǎn)任務(wù)。若兩者溫差較大，就可能引起很大的內(nèi)應(yīng)力，使設(shè)備變形、管子彎曲、斷裂甚至從板上脫落。此外，有的流體易于結(jié)垢，有的腐蝕性較大，也要求換熱器便于清洗和修理。其類型參見前言所述。 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(yùn)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(jìn)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。 14 ⑥ 應(yīng)盡量避免采用貴金屬，以降低成本。 ? 流速的確定 當(dāng)流體不發(fā)生相變時，介質(zhì)的流速高，換熱強(qiáng)度大，從而可使換熱面積減少、結(jié)構(gòu)緊湊、成本降低，一般也可抑止污垢的產(chǎn)生。 表 21 換熱器常用流速的范圍 殼程流速，m/s ～ ～ ～ ＞ ～ ～ 2～ 15 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、二氧化碳、苯 甲醇、乙醇、汽油 丙酮 氫氣 安全流速， m/s ＜ 1 ＜ 2～ 3 ＜ 10 ≤8 ? 加熱劑、冷卻劑的選擇 常用冷卻劑有水，空氣，鹽水，氨蒸氣等。 介質(zhì) 流速 循環(huán)水 新鮮水 一般液體 易結(jié)液體 低粘液體 高粘液體 氣體 管程流速，m/s ～ ～ ～ 3 ＞ ～ ～ 5～ 30 15 ②水的出口溫度不宜太高，如出口溫度超過 50℃時，溶解于水中的無機(jī)鹽要析出在壁面上形成污垢。 [02] 表 23 常用冷卻劑和加熱劑 冷卻劑名稱 溫度范圍 加熱劑名 稱 溫度范圍 水（自來水，河水，井水） 空氣 冷凍鹽水 氨蒸汽 0 ～ 80℃ 30℃ 15～ 0℃用于低溫冷卻 15℃用于冷凍工業(yè) 飽和水蒸汽 煙道氣 180℃ 700 ～ 1000℃ ? 流體出口溫度的確定 工藝流體的進(jìn)出口溫度是由工藝條件決定，加熱劑或冷卻劑的進(jìn)口溫度也是確定的，但其出口的溫度是由設(shè)計者選定的。 ? 材質(zhì)的選擇 在進(jìn)行換熱器設(shè)計時，換熱器各種零、部件的材料，應(yīng)根據(jù)設(shè)備的操作壓力、操作溫度、流體的腐蝕性能以及對材料的制造工藝性能等的要求來選取。一般為了滿足設(shè)備的操作壓力和操作溫度，即從設(shè)備的強(qiáng)度或剛度的角度來考慮，是比較容易達(dá)到的，但材料的耐腐蝕性能，有時往往成為一個復(fù)雜的問題。至于材料的制造工藝性能，是與換熱器的具體結(jié)構(gòu)有著密切關(guān)系。 ① 碳鋼 價格低，強(qiáng)度較高，對堿性介質(zhì)的化學(xué)腐蝕比較穩(wěn)定，很容易被酸腐蝕，在無耐腐蝕性要求的環(huán)境中應(yīng)用是合理的：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 16 號碳鋼。 列 管式換熱器是各種工程領(lǐng)域中最普遍應(yīng)用的熱交換裝置 ,其優(yōu)化設(shè)計可實現(xiàn)滿足熱交換任務(wù)的結(jié)構(gòu)設(shè)計、經(jīng)濟(jì)性評估等多目標(biāo) .借助轉(zhuǎn)軸直接搜索可行方向法 (DSFD)的思想 ,計算了油 水換熱器的優(yōu)化設(shè)計模 型 ,通過比較并加以分析優(yōu)化結(jié)果與常規(guī)設(shè)計結(jié)果 ,證明了煤油冷卻器的設(shè)計既達(dá)到了結(jié)構(gòu)合理 ,經(jīng)濟(jì)性好的目的 ,也具有根據(jù)不同需要得到其最優(yōu)方案的靈活性 。但是實際生產(chǎn)條件千變?nèi)f化，當(dāng)系列化產(chǎn)品不能滿足需要時，仍應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)的具體要求而自行設(shè)計非系列標(biāo)準(zhǔn)的換熱器。 ②由熱平衡計算傳熱量的大小，并確定第二種換熱流體的用量。 ④計算流體的定性溫度，以確定流體的物性數(shù)據(jù)。 ⑥選取管徑和管內(nèi)流速。由于殼程對流傳熱系數(shù)與殼徑、管束等結(jié)構(gòu)有關(guān)，因此一般先假定一個殼程對流傳熱系數(shù)，以計算 K值，然后再做校核。考慮安全系數(shù)和初估性質(zhì)，因而常取實際傳熱面積式計算的 ～ 17 倍。 ⑩計算管數(shù) N。 ? 畫出排管圖，確定管徑 D 和管程擋板形式及數(shù)量等。 ? 校核有效平均溫差。 ? 計算流體流動阻力。 設(shè)計計算 確定設(shè)計方案 ? 選擇換熱器類型 兩流體溫度變化情況：熱流體進(jìn)口溫度 140℃，出口溫度 40℃；冷流體（循環(huán)水）進(jìn)口溫度 30℃，出口溫度 40℃。 ? 流動空間的確定 在 管殼式換熱器的計算中，首先需決定何種流體走管程，何種流體走殼程，這需遵循一些一般原則。 ② 在運(yùn)行溫度較高的換熱器中，應(yīng)盡量減少熱量損失，而對于一些制冷裝置，應(yīng)盡量減少其冷量損失。 ④ 應(yīng)減小管子和殼體因受熱不同而產(chǎn)生的熱應(yīng)力。 ⑤ 對于有毒的介質(zhì)或氣相介質(zhì)，必使其不泄漏，應(yīng)特別注意其密封，密封不僅要可靠，而且還應(yīng)要求方便及簡單。 以上這些原則有些是相互矛盾的，所以在具體設(shè)計時應(yīng)綜合考慮，決定哪一種流體走管程，哪一種流體走殼程。 ( 2 )體積小的流體因為管內(nèi)空間的流 動截面往往比管外空間的截面小，流體易于獲得必要的理想流速，而且也便于做成多程流動。 （ 4） 腐蝕性強(qiáng)的流體因為只有管子及管箱才需用耐腐蝕材料，而殼體及管外空間的所有零件均可用普通材料制造，所以造價可以降低。 ( 5 )與外界溫差大的流體因為可以減少熱量的逸散。 ( 2 )若兩流體給熱