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1苯精餾塔塔頂冷卻器設(shè)計(jì)方案2第 1 章 緒 論1.1 換熱器技術(shù)概況換熱器（英語(yǔ)翻譯：heat exchanger） ，是將熱流體的部分熱量傳遞給冷流體的設(shè)備，又稱(chēng)熱交換器。在換熱器中至少要有兩種溫度不同的流體,一種流體溫度較高,放出熱量;另一種流體則溫度較低,吸收熱量。換熱器是化學(xué)、石油化學(xué)及石油煉制工業(yè)中以及其他一些行業(yè)中廣泛使用的熱量交換設(shè)備，他不僅可以單獨(dú)作為加熱器、冷卻器等使用，而且是一些化工單元操作的重要附屬設(shè)備，因此在此化工生產(chǎn)中占有重要的地位。1.2 換熱器的發(fā)展 二十世紀(jì) 20 年代出現(xiàn)板式換熱器，并應(yīng)用于食品工業(yè)。以板代管制成的換熱器，結(jié)構(gòu)緊湊，傳熱效果好，因此陸續(xù)發(fā)展為多種形式。二十世紀(jì) 30 年代初，瑞典首次制成螺旋板換熱器。接著英國(guó)用釬焊法制造出一種由銅及其合金材料制成的板翅式換熱器，用于飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的散熱。二十世紀(jì) 30 年代末，瑞典又制造出第一臺(tái)板殼式換熱器，用于紙漿工廠。在此期間，為了解決強(qiáng)腐蝕性介質(zhì)的換熱問(wèn)題，人們對(duì)新型材料制成的換熱器開(kāi)始注意。 二十世紀(jì) 60 年代左右，由于空間技術(shù)和尖端科學(xué)的迅速發(fā)展，迫切需要各種高效能緊湊型的換熱器，再加上沖壓、釬焊和密封等技術(shù)的發(fā)展，換熱器制造工藝得到進(jìn)一步完善，從而推動(dòng)了緊湊型板面式換熱器的蓬勃發(fā)展和廣泛應(yīng)用。自二十世紀(jì) 60 年代開(kāi)始，為了適應(yīng)高溫和高壓條件下的換熱和節(jié)能的需要，典型的管殼式換熱器也得到了進(jìn)一步的發(fā)展。二十世紀(jì) 70 年代中期，為了強(qiáng)化傳熱，在研究和發(fā)展熱管的基礎(chǔ)上又創(chuàng)制出熱管式換熱器。長(zhǎng)期以來(lái)，非接觸式換熱器一直是管殼式（列管式）換熱器一國(guó)獨(dú)大的局面。然而近幾十年來(lái)，這種平衡有所改變。 這種改變是由于各種板式類(lèi)換熱器的逐步開(kāi)發(fā)和應(yīng)用所帶來(lái)的。板式類(lèi)換熱器能夠被深入研究和開(kāi)發(fā)，固然是有其歷史必然的?；仡檽Q熱器發(fā)展歷程，雖然板式換熱設(shè)備的充分開(kāi)發(fā)只是近些年的事情，但是其理論和技術(shù)的出現(xiàn)卻要早的多。但是人們最初舍棄了這種換熱性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)占優(yōu)的換熱器形式，而是選擇并大量應(yīng)用了管殼式換熱器。當(dāng)初人們之所以做出這種選擇，原因很簡(jiǎn)單，只是出于強(qiáng)度考慮。 板式類(lèi)換熱器的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于管殼類(lèi)換熱器，所以不能夠應(yīng)用于高壓或大多的中壓場(chǎng)合。板式類(lèi)換熱器的這個(gè)缺點(diǎn)是由其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)所決定的，所以在其自身范圍內(nèi)無(wú)法改3變和突破，而它也就嚴(yán)重地制約了這種高換熱性能換熱器的應(yīng)用和發(fā)展。 形成了在最初的相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)期里，板式類(lèi)換熱器沒(méi)有受到人們喜愛(ài)的局面，其技術(shù)進(jìn)展自然也相當(dāng)可憐。即便是在其有了長(zhǎng)足發(fā)展和應(yīng)用的今天，仍然是由于其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度低的原因——這個(gè)自身無(wú)法逾越的痼疾，它的應(yīng)用領(lǐng)域也仍舊局限在一定范圍內(nèi)。那么，既然是結(jié)構(gòu)強(qiáng)度沒(méi)有得到根本性的改變，近些年板式類(lèi)換熱器又是怎樣被重視起來(lái)的呢？這種變化是與世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展環(huán)境，尤其是能源發(fā)展環(huán)境的變化息息相關(guān)的。 世界能源的日益緊張與危機(jī)，使得“節(jié)能” 與“高效” 逐漸受到重視，加之“節(jié)能— —減排——環(huán)保 ”的概念日益深入人心，各國(guó)政府和機(jī)構(gòu)都逐年加大了這方面投入的人力和物力，同時(shí)也取得了許多可喜的成果。很顯然，板式類(lèi)換熱器這種高效的換熱方式，也就順理成章地受到重視，并進(jìn)行了再次開(kāi)發(fā)，且在其強(qiáng)度范圍所能允許的范圍內(nèi)大量應(yīng)用遍地開(kāi)花。其技術(shù)發(fā)展也達(dá)到了前所未有的時(shí)刻。制造規(guī)格越來(lái)越大，結(jié)構(gòu)形式越來(lái)越多。并出現(xiàn)了不可拆的焊合一體式板式換熱器，盡管不能方便地拆洗，強(qiáng)度卻有所增加。管殼類(lèi)換熱器由于始終受到普遍應(yīng)用和重視，其理論研究的深度和設(shè)備改進(jìn)的步伐都是板式類(lèi)換熱器所不能比擬的。在新的節(jié)能及環(huán)保浪潮中，其技術(shù)和發(fā)展速度又有所提高。許多新型高效換熱器不短涌現(xiàn)，如折流桿換熱器、新結(jié)構(gòu)高效換熱器、高效重沸器、高效冷凝器、雙殼程換熱器、螺紋管換熱器、螺紋鎖緊環(huán)換熱器、Ω 環(huán)高壓換熱器、以及非金屬換熱器、稀有金屬換熱器等都是其代表杰作，這些新型高效換熱器的出現(xiàn)已經(jīng)并正在為飛速發(fā)展的經(jīng)濟(jì)和節(jié)約能源作出了不可估量的貢獻(xiàn)?？v觀換熱設(shè)備的發(fā)展及演變歷史，不難看出，在板式類(lèi)換熱器廣泛發(fā)展，管殼類(lèi)換熱器不再一國(guó)獨(dú)大的今天，以下四個(gè)特點(diǎn)始終沒(méi)有改變：1.結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高的管殼類(lèi)換熱器仍居于主導(dǎo)地位。2.管殼類(lèi)換熱器換熱性能仍遠(yuǎn)低于板式類(lèi)換熱器。3.板式類(lèi)換熱器的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度仍遠(yuǎn)低于管殼類(lèi)換熱器。4.沒(méi)有換熱性能強(qiáng)同時(shí)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高的理想型換熱器。1.3 換熱器在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用1.3.1 換熱器的工業(yè)應(yīng)用在化工、石油、動(dòng)力、制冷、食品等行業(yè)中廣泛使用各種換熱器，且它們是上述這些行業(yè)的通用設(shè)備，并占有十分重要的地位。通常在化工廠的建設(shè)中換熱器投資比例為 11%，在煉油廠中高達(dá) 40%。隨著化學(xué)工業(yè)的迅速發(fā)展及能源價(jià)格的提高，換熱器的投資比例將進(jìn)一步加大。在化工廠，換熱器的費(fèi)用約占總費(fèi)用的 10％～20％，在煉油廠約占總費(fèi)用的435％～40％。隨著我國(guó)工業(yè)的不斷發(fā)展，對(duì)能源利用、開(kāi)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)。換熱器的設(shè)計(jì)、制造、結(jié)構(gòu)改進(jìn)及傳熱機(jī)理的研究十分活躍，一些新型高效換熱器相繼問(wèn)世。1.3.2 新型換熱器 1、氣動(dòng)噴涂翅片管換熱器俄羅斯提出了一種先進(jìn)方法，即氣動(dòng)噴涂法，來(lái)提高翅片化表面的性能。其實(shí)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。用該方法不僅可噴涂金屬還能?chē)娡亢辖鸷吞沾?金屬陶瓷混合物)，從而得到各種不同性能的表面。通常在實(shí)踐中翅片底面的接觸阻力是限制管子加裝翅片的因素之一。為了評(píng)估翅片管換熱器元件進(jìn)行了試驗(yàn)研究。試驗(yàn)是采用在翅片表面噴涂 ac－鋁，并添加了 24a 白色電爐氧化鋁。將試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)加以整理，便可評(píng)估翅片底面的接觸阻力。 將研究的翅片的效率與計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，得出的結(jié)論是：氣動(dòng)噴涂翅片的底面的接觸阻力對(duì)效率無(wú)實(shí)質(zhì)性影響。為了證實(shí)這一點(diǎn)，又對(duì)基部(管子)與表面(翅片)的過(guò)渡區(qū)進(jìn)行了金相結(jié)構(gòu)分析。對(duì)過(guò)渡區(qū)試片的分析表明，連接邊界的整個(gè)長(zhǎng)度上無(wú)不嚴(yán)密性的微裂紋。所以，氣動(dòng)噴涂法促進(jìn)表面與基本相互作用的分支邊界的形成，能促進(jìn)粉末粒子向基體的滲透，這就說(shuō)明了附著強(qiáng)度高，有物理接觸和金屬鏈形成。因而氣動(dòng)噴涂法不但可用于成型，還可用來(lái)將按普通方法制造的翅片固定在換熱器管子的表面上，也可用來(lái)對(duì)普通翅片的底面進(jìn)行補(bǔ)充加固?？梢灶A(yù)計(jì)，氣動(dòng)噴涂法在緊湊高效換熱器的生產(chǎn)中，將會(huì)得到廣泛應(yīng)用。 2、螺旋折流板換熱器在管殼式換熱器中，殼程通常是一個(gè)薄弱環(huán)節(jié)。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(huì)導(dǎo)致較大的死角和相對(duì)高的返混。而這些死角又能造成殼程結(jié)垢加劇，對(duì)傳熱效率不利。返混也能使平均溫差失真和縮小。其后果是，與活塞流相比，弓形折流板會(huì)降低凈傳熱。優(yōu)越弓形折流板管殼式換熱器很難滿(mǎn)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)。對(duì)普通折流板幾何形狀的改進(jìn)，是發(fā)展殼程的第一步。雖然引進(jìn)了密封條和附加諸如偏轉(zhuǎn)折流板及采取其他措施來(lái)改進(jìn)換熱器的性能，但普通折流板設(shè)計(jì)的主要缺點(diǎn)依然存在。 為此，美國(guó)提出了一種新方案，即建議采用螺旋狀折流板。這種設(shè)計(jì)的先進(jìn)性已為流體動(dòng)力學(xué)研究和傳熱試驗(yàn)結(jié)果所證實(shí)，此設(shè)計(jì)已獲得專(zhuān)利權(quán)。此種結(jié)構(gòu)克服了普通折流板的主要缺點(diǎn)。螺旋折流板的設(shè)計(jì)原理很簡(jiǎn)單：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傾斜度。相鄰折流板的周邊相接，與外圓處成連續(xù)螺旋狀。折流板的軸向重疊，如欲縮小支持管子的跨度，也可得到雙螺旋5設(shè)計(jì)。螺旋折流板結(jié)構(gòu)可滿(mǎn)足相對(duì)寬的工藝條件。此種設(shè)計(jì)具有很大的靈活性，可針對(duì)不同操作條件，選取最佳的螺旋角；可分別情況選用重疊折流板或是雙螺旋折流板結(jié)構(gòu)。 3、新型麻花管換熱器瑞典 alares 公司開(kāi)發(fā)了一種扁管換熱器，通常稱(chēng)為麻花管換熱器。美國(guó)休斯頓的布朗公司做了改進(jìn)。螺旋扁管的制造過(guò)程包括了“ 壓扁” 與“熱扭”兩個(gè)工序。改進(jìn)后的麻花管換熱器同傳統(tǒng)的管殼式換熱器一樣簡(jiǎn)單，但有許多激動(dòng)人心的進(jìn)步，它獲得了如下的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益：改進(jìn)了傳熱，減少了結(jié)垢，真正的逆流，降低了成本，無(wú)振動(dòng)，節(jié)省了空間，無(wú)折流元件。 由于管子結(jié)構(gòu)獨(dú)特使管程與殼程同時(shí)處于螺旋運(yùn)動(dòng)，促進(jìn)了湍流程度。該換熱器總傳熱系數(shù)較常規(guī)換熱器高 40%，而壓力降幾乎相等。組裝換熱器時(shí)也可采用螺旋扁管與光管混合方式。該換熱器嚴(yán)格按照 asme 標(biāo)準(zhǔn)制造。凡是用管殼式換熱器和傳統(tǒng)裝置之處均可用此種換熱器取代。它能獲得普通管殼式換熱器和板框式傳熱設(shè)備所獲得的最佳值。估計(jì)在化工、石油化工行業(yè)中具有廣闊的應(yīng)用前景。 4、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(ta)，一般都是采用焊接方法將金屬絲固定在管子上。但這種方法對(duì)整個(gè)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。更重要的是，由于焊料迅速老化和破碎會(huì)造成機(jī)器和設(shè)備堵塞，隨之提前報(bào)損。6第 2 章 設(shè)計(jì)方案化工生產(chǎn)中所用的換熱器類(lèi)型很多。不同類(lèi)型換熱器，其性能各異，因此要了解各種換熱器的特點(diǎn)，以便根據(jù)工藝要求選用適當(dāng)類(lèi)型，同時(shí)還要根據(jù)傳熱的基本原理，選擇流程，確定換熱器的基本尺寸，計(jì)算傳熱面積以及計(jì)算流體阻力等。2.1 換熱器類(lèi)型的選擇2.1.1 換熱器的分類(lèi)隨著換熱器在工業(yè)生產(chǎn)中的地位和作用不同，換熱器的類(lèi)型也多種多樣，不同類(lèi)型的換熱器也各有優(yōu)缺點(diǎn)，性能各異。（一）按用途劃分按照其用途不同可分為加熱器、冷卻器、冷凝器、蒸發(fā)器、再沸器、深冷器、過(guò)熱器等。加熱器是把流體加熱到必要的溫度而使用的熱交換器，被加熱的流體沒(méi)有相變化。冷卻器是用于把流體冷卻到必要的溫度的熱交換器。冷凝器是用于冷卻凝結(jié)性氣體，并使其凝結(jié)液化的熱交換器。若使氣體全部冷凝，則稱(chēng)為全凝器，否則成為分凝器。再沸器是用于再加熱裝置中冷凝了的液體使其蒸發(fā)的熱交換器。深冷器是用于把流體冷卻到 以下的很低溫度的熱交換器。C?0過(guò)熱器是將流體（一般是氣體）加熱到過(guò)熱狀態(tài)的熱交換器。（二）按熱量交換原理和方式劃分按照冷、熱流體熱量交換的原理和方式不同，換熱器主要分直接接觸式（混合式） 、蓄熱式和間壁式三類(lèi)。1）直接接觸式(混合式) 換熱器：冷、熱流體直接接觸和混合進(jìn)行換熱。這類(lèi)換熱器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，常做成塔狀。2）蓄熱式換熱器：冷、熱流體交替通過(guò)格子磚或填料等蓄熱體以實(shí)現(xiàn)換熱。這類(lèi)換熱器由于少量流體相互摻和易造成流體間的“ 污染” 。3）間壁式換熱器：冷、熱流體通過(guò)將它們隔開(kāi)的固體壁面進(jìn)行傳熱，這是工業(yè)上應(yīng)用最為廣泛的一類(lèi)換熱器。雖然直接接觸式和蓄熱式換熱設(shè)備具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造容易等特點(diǎn)，但由于在換熱過(guò)程中，有高溫流體和低溫流體相互混合或部分混合，使其在應(yīng)用上受到限制。因此工業(yè)上所用換熱設(shè)備以間壁式換熱器居多。7間壁式換熱器的類(lèi)型也是多種多樣，從其結(jié)構(gòu)上大致可以分為：一、管式換熱器 1、管殼式換熱器 （1）固定管板式換熱器-（2）浮頭式換熱器 B（3）U 型管式換熱器2、套管式換熱器3、蛇管換熱器 （1）沉浸式蛇管換熱器（2）噴淋式蛇管換熱器4、翅片管換熱器二、板式換熱器 1、夾套換熱器'2、平板式換熱器3、螺旋板式換熱器4、板翅式換熱器5、傘板換熱器6、螺旋板式換熱器三、熱管換熱器不同的換熱器各有自己的優(yōu)缺點(diǎn)和使用條件。一般來(lái)說(shuō)，板式換熱器單位體積的傳熱面積較大、設(shè)備緊湊 ，低耗材 ，傳熱系數(shù)大，)/150~2(32m)/15(3mkg熱損失小。但承壓能力較低，工作介質(zhì)的處理量較小，且制造加工較復(fù)雜，成本較高。而管式換熱器雖然在傳熱性能和設(shè)備的緊湊性上不及板式換熱器，但它具有結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單、加工制造比較容易，結(jié)構(gòu)堅(jiān)固，性能可靠，適應(yīng)面廣等突出優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛用于化工生產(chǎn)中。列管式換熱器是最典型的管殼式換熱器，它在工業(yè)上的應(yīng)用有著悠久的歷史，而且至今仍在所有換熱器中 占據(jù)主導(dǎo)地位。列管式換熱器設(shè)計(jì))/150~2(32m資料個(gè)數(shù)據(jù)比較完善，目前在許多國(guó)家已有系列化標(biāo)準(zhǔn)。圖 2-1 列管式換熱器列管式換熱器有以下幾種：1）固定管板式換熱器固定管板式換熱器的兩端管板和殼體制成一體，管子則固定與管板上，它的結(jié)8構(gòu)簡(jiǎn)單；在相同的殼體直徑內(nèi)，排管最多，比較緊湊；由于這種結(jié)構(gòu)使殼側(cè)清洗困難，所以殼程宜用于不易結(jié)垢和清潔的流體。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(shí)，常會(huì)使管子與管板的接口脫開(kāi)，從而發(fā)生介質(zhì)的泄漏。為此常在外殼上焊一膨脹節(jié)，但它僅能減小而不能完全消除由于溫差而產(chǎn)生的熱應(yīng)力，且在多程換熱器中，這種方法不能照顧到管子的相對(duì)移動(dòng)。由此可見(jiàn)，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(chǎng)合。特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)低廉，殼程清洗和檢修困難，殼程必須是潔凈不易結(jié)垢的物料。圖 2-2 固定管板式換熱器2）U 形管式換熱器U 形管式換熱器僅有一個(gè)管板，管子兩端均固定于同一管板上。這類(lèi)換熱器的特點(diǎn)是：管束可以自由伸縮，不會(huì)因管殼之間的溫差而產(chǎn)生熱應(yīng)力，熱補(bǔ)償性能好；管程為雙管程，流程較長(zhǎng)，流速較高，傳熱性能較好；承壓能力強(qiáng)；管束可以從殼體內(nèi)抽出，便于檢修和清洗，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)便宜。但管內(nèi)清洗不便，管束中間部分的管子難以更換，又因最內(nèi)層管子彎曲半徑不能太小，在管板中心部分布管不緊湊，所以管子數(shù)不能太多，且管束中心部分存在間隙，使殼程流體易于短路而影響殼程換熱。此外，為了彌補(bǔ)彎管后管壁的減薄，直管部分必須用壁較厚的管子。這就影響了它的使用場(chǎng)合，僅宜用于管殼壁溫度相差較大，或殼程介質(zhì)易結(jié)垢而管程介質(zhì)不易結(jié)垢，高溫、高壓、腐蝕性強(qiáng)的情形。 特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，質(zhì)量輕，適用于高溫和高壓的場(chǎng)合。管程清洗困難，管程流體必須是潔凈和不易結(jié)垢的物料。圖 2-3 U 型管式換熱器9浮頭式換熱器 浮頭式換熱器針對(duì)固定管板式的缺陷做了結(jié)構(gòu)上的改進(jìn)。兩端管板只有一端與殼體完全固定，另一端則可相對(duì)于殼體作某些移動(dòng)，該端稱(chēng)之為浮頭。此類(lèi)換熱器的管束膨脹不受殼體的約束，所以殼體與管束之間不會(huì)由膨脹量的不同而產(chǎn)生熱應(yīng)力。而且在清洗和檢修時(shí)，僅需將管束從殼體中抽出即可，所以能使用于管殼壁間溫差較大，或易于腐蝕和易于結(jié)垢的場(chǎng)合。但該類(lèi)換熱器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、笨重，造價(jià)約比固定管板式高 20%左右，材料消耗量大，而且由于浮頭的端蓋在操作中無(wú)法檢查，所以在制造和安裝時(shí)要特別注意其密封，以免發(fā)生內(nèi)漏，管束和殼體的間隙較大，在設(shè)計(jì)時(shí)要避免短路。至于殼程的壓力也受滑動(dòng)接觸面的密封限制。特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價(jià)高，便于清洗和檢修，完全消除溫差應(yīng)力，應(yīng)用普遍。圖 2-4 浮頭式換熱器4）填料函式換熱器此類(lèi)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。它的管束也可自由膨脹，所以管殼之間不會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力，且管程和殼程都能清洗，結(jié)構(gòu)較浮頭式簡(jiǎn)單，造價(jià)較低，加工制造方便，材料消耗較少。但由于填料密封處易于泄漏，故殼程壓力不能過(guò)高，也不宜用于易揮發(fā)、易燃、易爆、有毒的場(chǎng)合。圖 2-5 填料函式換熱器2.1.2 換熱器的選擇隨 著 經(jīng) 濟(jì) 的 發(fā) 展 ， 各 種 不 同 型 式 和 種 類(lèi) 的 換 熱 器 發(fā) 展 很 快 ， 新 結(jié) 構(gòu) 、10新 材 料 的 換 熱 器 不 斷 涌 現(xiàn) 。 為 了 適 應(yīng) 發(fā) 展 的 需 要 ， 我 國(guó) 對(duì) 某 些 種 類(lèi) 的 換 熱 器 已經(jīng) 建 立 了 標(biāo) 準(zhǔn) ， 形 成 了 系 列 。 完 善 的 換 熱 器 在 設(shè) 計(jì) 或 選 型 時(shí) 應(yīng) 滿(mǎn) 足 以 下 基 本 要求 ： （ 1） 合 理 地 實(shí) 現(xiàn) 所 規(guī) 定 的 工 藝 條 件 ； （ 2） 結(jié) 構(gòu) 安 全 可 靠 ； （ 3） 便 于 制 造 、 安 裝 、 操 作 和 維 修 ； （ 4） 經(jīng) 濟(jì) 上 合 理 。浮頭式換熱器的一端管板與殼體固定，而另一端的管板可在殼體內(nèi)自由浮動(dòng)，殼體和管束對(duì)膨脹是自由的，故當(dāng)兩張介質(zhì)的溫差較大時(shí)，管束和殼體之間不產(chǎn)生溫差應(yīng)力。浮頭端設(shè)計(jì)成可拆結(jié)構(gòu)，使管束能容易的插入或抽出殼體。（也可設(shè)計(jì)成不可拆的）。這樣為檢修、清洗提供了方便。但該換熱器結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，而且浮動(dòng)端小蓋在操作時(shí)無(wú)法知道泄露情況。因此在安裝時(shí)要特別注意其密封。 浮頭換熱器的浮頭部分結(jié)構(gòu)，按不同的要求可設(shè)計(jì)成各種形式，除必須考慮管束能在設(shè)備內(nèi)自由移動(dòng)外，還必須考慮到浮頭部分的檢修、安裝和清洗的方便。 在設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮浮頭管板的外徑 。該外徑應(yīng)小于殼體內(nèi)徑 ，一般推薦0DiD浮頭管板與殼體內(nèi)壁的間隙 。這樣，當(dāng)浮頭出的鉤圈拆除后，即可將mb5~31?管束從殼體內(nèi)抽出。以便于進(jìn)行檢修、清洗。浮頭蓋在管束裝入后才能進(jìn)行裝配，所以在設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮保證浮頭蓋在裝配時(shí)的必要空間。 鉤圈對(duì)保證浮頭端的密封、防止介質(zhì)間的串漏起著重要作用。隨著幞頭式換熱器的設(shè)計(jì)、制造技術(shù)的發(fā)展，以及長(zhǎng)期以來(lái)使用經(jīng)驗(yàn)的積累，鉤圈的結(jié)構(gòu)形式也得到了不段的改進(jìn)和完善。 鉤圈一般都為對(duì)開(kāi)式結(jié)構(gòu)，要求密封可靠，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊、便于制造和拆裝方便。 浮頭式換熱器以其高度的可靠性和廣泛的適應(yīng)性，在長(zhǎng)期使用過(guò)程中積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。盡管近年來(lái)受到不斷涌現(xiàn)的新型換熱器的挑戰(zhàn)，但反過(guò)來(lái)也不斷促進(jìn)了自身的發(fā)展。故迄今為止在各種換熱器中扔占主導(dǎo)地位。 管子構(gòu)成換熱器的傳熱面，管子尺寸和形狀對(duì)傳熱有很大影響。采用小直徑的管子時(shí)，換熱器單位體積的換熱面積大一些，設(shè)備比較緊湊，單位傳熱面積的金屬消耗量少，傳熱系數(shù)也較高。但制造麻煩，管子易結(jié)垢，不易清洗。大直徑管子用于粘性大或者污濁的流體，小直徑的管子用于較清潔的流體。 管子材料的選擇應(yīng)根據(jù)介質(zhì)的壓力、溫度及腐蝕性來(lái)確定。 換熱器的管子在管板上的排列不單考慮設(shè)備的緊湊性，還要考慮到流體的性質(zhì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及加工制造方面的情況。管子在管板上的標(biāo)準(zhǔn)排列形式有四種：正三角形和轉(zhuǎn)角正三角形排列，適用與殼程介質(zhì)清潔，且不需要進(jìn)行機(jī)械清洗的場(chǎng)合。正方形和轉(zhuǎn)角正方形排列，能夠使管間的小橋形成一條直線通道，便于用機(jī)械進(jìn)行清11洗，一般用于管束可抽出管間清洗的場(chǎng)合。 另外對(duì)于多管程換熱器，常采用組合排列方法，其每一程中一般都采用三角形排列，而各程之間則常常采用正方形排列，這樣便于安排隔板位置。 當(dāng)換熱器直徑較大，管子較多時(shí)，都必須在管束周?chē)墓慰臻g內(nèi)盡量配置換熱管。這不但可以有效地增大傳熱面積，也可以防止在殼程流體在弓形區(qū)域內(nèi)短路而給傳熱帶來(lái)不利影響。 管板上換熱管中心距的選擇既要考慮結(jié)構(gòu)的緊湊性，傳熱效果，又要考慮管板的強(qiáng)度和清洗管子外表面所需的空間。除此之外，還要考慮管子在管板上的固定方法。若間距太小，當(dāng)采用焊接連接時(shí)，相鄰兩根管的焊縫太近，焊縫質(zhì)量受熱影響不易得到保證；若采用脹接，擠壓力可能造成管板發(fā)生過(guò)大的變形，失去管子和管板間的結(jié)合力。一般采用的換熱管的中心距不小于管子外徑的 1.25 倍。 當(dāng)換熱器多需的換熱面積較大，而管子又不能做的太長(zhǎng)時(shí)，就得增大殼體直徑，以排列較多的管子。此時(shí)為了提高管程流速，增加傳熱效果，須將管束分程，使流體依次流過(guò)各程管束。 為了把換熱器做成多管程，可在一端或兩端的管箱中分別安置一定數(shù)量的隔板。浮頭式換熱器的優(yōu)缺點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)： （1）管束可以抽出，以方便清洗管、殼程； （2）介質(zhì)間溫差不受限制； （3）可在高溫、高壓下工作，一般溫度小于等于 450 度，壓力小于等于 6.4兆帕； （4）可用于結(jié)垢比較嚴(yán)重的場(chǎng)合； （5）可用于管程易腐蝕場(chǎng)合。 缺點(diǎn)： （1）小浮頭易發(fā)生內(nèi)漏； （2）金屬材料耗量大，成本高 20%； （3）結(jié)構(gòu)復(fù)雜綜合上述情況，本次設(shè)計(jì)采用浮頭式換熱器。2.2 流動(dòng)空間的選擇在管殼式換熱器的計(jì)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。（1）應(yīng)盡量提高兩側(cè)傳熱系數(shù)較小的一個(gè)，使傳熱面兩側(cè)的傳熱系數(shù)接近。（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(duì)于一些制冷裝置，應(yīng)盡量減少其冷量損失。12（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。（4）應(yīng)減小管子的殼體因受熱不同而產(chǎn)生的熱應(yīng)力。從這個(gè)角度來(lái)說(shuō)，順流式就優(yōu)于逆流式，因?yàn)轫樍魇竭M(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。（5）對(duì)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(jiǎn)單。（6）應(yīng)盡量避免采用貴金屬，以降低成本。以上這些原則有些事相互矛盾的，所以在具體設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)綜合考慮，決定哪一種流體走管程，哪一種流體走殼程。1、宜于通入管內(nèi)空間的流體1）不清潔的流體因?yàn)樵诠軆?nèi)空間得到較高的流速并不困難，而流速高，懸浮物不易沉積，且管內(nèi)空間也便于清洗。2）體積小的流體 因?yàn)楣軆?nèi)空間的流動(dòng)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(dòng)。3）有壓力的流體 因?yàn)楣茏映袎耗芰?qiáng)，而且還簡(jiǎn)化了殼體密封的要求。4）腐蝕性強(qiáng)的流體 因?yàn)橹挥泄茏蛹肮傧洳判栌媚透g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(jià)可以降低。此外，在管內(nèi)空間裝設(shè)保護(hù)用的襯里或覆蓋層也比較方便，并容易檢查。5）與外界溫差大的流體 因?yàn)榭梢詼p少熱量的逸散。2、宜用于通入管間空間的流體1）當(dāng)兩流體溫度相差較大時(shí)，α 值大的流體走管間這樣可以減少管壁與殼壁間的溫度差,因而也減小了管束與殼體間的相對(duì)伸長(zhǎng)，故溫差應(yīng)力可以降低。2）若兩流體給熱性能相差較大時(shí)，α 值小的流體走管間此時(shí)可以用翅片管來(lái)平衡傳熱面兩側(cè)的給熱條件，使之相互接近。3）飽和蒸汽對(duì)流速和清理無(wú)甚要求，并易于排除冷凝液。4）粘度大的流體管間的流動(dòng)截面和方向都在不斷變化，在低雷諾數(shù)下，管外給熱系數(shù)比管內(nèi)的大。135）泄漏后危險(xiǎn)性大的流體可以減少泄漏機(jī)會(huì)，以保安全。此外，易析出結(jié)晶、沉渣、淤泥以及其他沉淀物的流體，最好通入比較更容易進(jìn)行機(jī)械清洗的空間。在管殼式換熱器中，一般易清洗的是管內(nèi)空間。但在 U 形管、浮頭式換熱器中易清洗的都是管外空間。所以，此次方案設(shè)計(jì)循環(huán)水走管程，苯走殼程。2.3 流速的確定當(dāng)流體不發(fā)生相變時(shí)，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。但流速大也會(huì)帶來(lái)一些不利的影響，諸如壓降 增加，泵功率增大，且加劇了對(duì)傳熱面的沖刷。P?換熱器常用流速的范圍見(jiàn)表 2-1 和表 2-2。表 2-1 換熱器常用流速的范圍介質(zhì)流速 循環(huán)水 新鮮水 一般液體易結(jié)垢液體低粘度液體高粘度液體 氣體管程流速， sm/0.2~15.180.3~.1?8.1~05.30~殼程流速， /.5254.312表 2-2 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(chēng) 乙醚、二硫化碳、苯 甲醇、乙醇、汽油 丙酮 氫氣安全流速， sm/1?3~2?10?8?2.4 加熱劑、冷卻劑的選擇用換熱器解決物料的加熱冷卻時(shí)，還要考慮加熱劑（熱源）和冷卻劑（冷源）的選用問(wèn)題?？梢杂米骷訜釀┖屠鋮s劑的物料有很多，列管式換熱器常用的加熱劑有飽和水蒸氣、煙道氣和熱水等，常用的冷卻劑有水、空氣和氨等。在選擇加熱劑和冷卻劑的時(shí)候主要考慮來(lái)源方便，有足夠溫差，價(jià)格低廉，使用安全等因素。2.4.1 常用的加熱劑（1）飽和水蒸氣飽和水蒸氣是一種應(yīng)用最為廣泛的加熱劑，由于飽和水蒸氣冷凝時(shí)傳熱膜系數(shù)很高，可以改變蒸氣壓強(qiáng)以準(zhǔn)確地調(diào)節(jié)14加熱溫度，而且常用低廉的蒸汽機(jī)及渦輪機(jī)排放廢氣。但飽和水蒸氣溫度超過(guò) 180，必須用很高壓強(qiáng)，但溫度升高不大，而且設(shè)備強(qiáng)度也相應(yīng)增高，一般只用于C?加熱溫度在 180 以下的情況。?（2）煙道氣燃料燃燒所得到的煙道氣具有很高溫度，可達(dá) 700~1000 ，適用于需要達(dá)到C?高溫度加熱。用煙道氣加熱的缺點(diǎn)是比熱容低，控制困難及傳熱膜系數(shù)低。除了以上兩種常用的加熱劑外，還可以結(jié)合工廠的具體情況，采用熱空氣等氣體作為加熱劑，或用熱水作為加熱劑。2.4.2 常用的冷卻劑水和空氣是最常用的冷卻劑，它們可以直接取自大自然，不必特別加工。與空氣相比較，誰(shuí)的比熱容高，傳熱膜系數(shù)也很高，但空氣的獲取和使用比水方便，應(yīng)因地制宜加以選用。水和空氣作為冷卻劑受到當(dāng)?shù)貧鉁氐南拗?，一般冷卻溫度為10~25 ，如果要冷卻到較低的溫度，則需應(yīng)用低溫冷卻劑，常用的低溫冷卻劑有C?冷凍鹽水（ ， 及其溶液） 。2alNl此次設(shè)計(jì)需使用冷卻劑，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)已給出選，用循環(huán)水作為冷卻劑。2.5 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(jì)者選定的。該溫度直接影響加熱劑或冷卻劑的耗量和換熱器的大小，所以此溫度的確定有一個(gè)優(yōu)化問(wèn)題。此次設(shè)計(jì)中，流體進(jìn)出口的溫度已給出。2.6 材質(zhì)的選擇在進(jìn)行換熱器設(shè)計(jì)時(shí)，換熱器各種零件、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(duì)材料的制造工藝性能等的要求來(lái)選取。當(dāng)然，最后還要考慮材料的經(jīng)濟(jì)合理性。一般為了滿(mǎn)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(lái)考慮，是比較容易達(dá)到的，但材料的耐腐蝕性能，有時(shí)往往成為一個(gè)復(fù)雜的問(wèn)題。在這方面考慮不周，選材不妥，不僅會(huì)影響換熱器的使用壽命，而且也大大提高設(shè)備的成本。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。一般換熱器常用的材料，有碳鋼和不銹鋼。1、碳鋼價(jià)格低，強(qiáng)度較高，對(duì)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(wú)15耐腐蝕性要求的環(huán)境中應(yīng)用時(shí)合理的。如一般換熱器用的普通無(wú)縫鋼管，其常用的材料為 10 號(hào)和 20 號(hào)碳鋼。2、不銹鋼奧氏體系不銹鋼以 1Cr18Ni9 為代表，它是標(biāo)準(zhǔn)的 18-8 奧氏體不銹鋼，有穩(wěn)定的奧氏體組織，具有良好的耐腐蝕性和冷加工性能。本次設(shè)計(jì)采用碳鋼材料的換熱器即可。16第 3 章 換熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)換熱器的工藝尺寸確定后，若能選用熱交換器標(biāo)準(zhǔn)系列，則結(jié)構(gòu)尺寸隨之而定，否則還需進(jìn)行部件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算。換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算包括，管子在管板上的固定，是否需要溫差補(bǔ)償及補(bǔ)償裝置的設(shè)計(jì)，管板的強(qiáng)度，管板與殼體的連接結(jié)構(gòu)，折流板與隔板的固定，端蓋與法蘭的設(shè)計(jì)，各部件的公差及技術(shù)條件等。3.1 管束及殼程分程3.1.1 管束分程為了解決管束增加引起管內(nèi)流速及傳熱系數(shù)的降低，可將管束分程。在換熱器的一端或兩端的管箱中安置一定數(shù)量的隔板，一般每程中管數(shù)大致相等。主義溫差較大的流體應(yīng)避免緊鄰以免引起較大的溫差應(yīng)力。管束分程的方案如表 4-1。從制造、安裝、操作的角度考慮，偶數(shù)管程有較多的方便之處，因此用的最多。但程數(shù)不宜太多，否則隔板本身占去相當(dāng)大的布管面積，且在殼程中形成旁路，影響傳熱。表 3-1 管程布置3.1.2 殼程分程E 型為最為普通，為單殼程。F 型與 G 型均為雙程，它們的不同之處在于殼側(cè)流體進(jìn)出口位置不同。G 型殼體又稱(chēng)分流殼體，當(dāng)用作水平的惹熱虹吸式再沸器時(shí)，殼程中的縱向隔板起著防止輕組分的閃蒸與增強(qiáng)混合的作用。H 型與 G 型相似，只是進(jìn)出口接管與縱向隔板均多一倍，故稱(chēng)之為雙分流殼體。G 型與 H 型均可用于以壓力降作為控制因素的換熱器中。考慮到制造上的困難，一般的換熱器殼程數(shù)很少超過(guò) 2。173.2 管程結(jié)構(gòu)介質(zhì)流經(jīng)傳熱管內(nèi)的通道部分成為管程。3.2.1 換熱管布置和排列間距常用換熱管規(guī)格有 、 （1Cr18Ni9Ti） 、 (碳鋼 m219??25?m5.2??10)。換熱管管板上的排列方式有正方形直列、正方形錯(cuò)列、三角形直列、三角形錯(cuò)列和同心圓排列。管子的排列應(yīng)在整個(gè)換熱器截面上均勻而緊湊地分布，還要考慮流體的性質(zhì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及制造等方面的問(wèn)題。管子在管板上排列的方法，用的較多的是等邊三角形（或稱(chēng)正六角形）和正方形排列法。當(dāng)殼程流體是不污性質(zhì)介質(zhì)時(shí)，采用等邊三角形排列法。等邊三角形排列結(jié)構(gòu)緊湊，在一定管板面積上可以配置較多的管數(shù)，且由于管子間的距離都相等，在管板加工時(shí)便于畫(huà)線與鉆孔。當(dāng)殼程流體需要用機(jī)械清洗時(shí)，采用正方形排列法。正方形排列法在一定的管板面積上可排列的管子數(shù)最少。同心圓排列用于小殼徑換熱器，外圓管布管均勻，結(jié)構(gòu)更為緊湊。在制氧設(shè)備中，常采用此法。按此法在管板上布置的管比按三角形排列的還多我國(guó)換熱器系列中，固定管板式多采用正三角形排列；浮頭式則以正方形錯(cuò)列排列居多，也有正三角形排列。圖 3-1 換熱管排列方式除了上述三種排列方法外，也可采用組合排列方法。例如在多管程換熱器中，18每一程中都采用三角形排列法，而在各程之間，為了便于安排隔板，則采用正方形排列法。當(dāng)管子總數(shù)超過(guò) 127 根（相當(dāng)于層數(shù)6） ，等邊三角形排列的最外層管子和殼體間弓形部分也應(yīng)配置上附加的管子，這樣不但可增加排列管數(shù)，增大傳熱面積，而且消除了管外部分不利于傳熱的空間。附加管子的配置法可參考表 3-2對(duì)于多管程換熱器，分程的縱向隔板占據(jù)了管板上一部分面積，實(shí)際排列管比表 3-2 中所示要少，設(shè)計(jì)師必須有作圖法決定。表 3-2 等邊三角形排列時(shí)管子的根數(shù)弓形部分管數(shù)六角形的層數(shù)對(duì)角線上的管數(shù)不計(jì)弓形部分時(shí)管子的根數(shù)在弓形的第一排在弓形的第二排在弓形的第三排在弓形部分內(nèi)總根數(shù)換熱器內(nèi)管子的總根數(shù)1 3 7 - - - - 72 5 19 - - - - 193 7 37 - - - - 374 9 61 - - - - 615 11 91 - - - - 916 13 127 - - - - 1277 15 169 3 - - 18 1878 17 217 4 - - 24 2419 19 271 5 - - 30 30110 21 331 6 - - 36 36711 23 397 7 - - 42 43912 25 469 8 - - 48 51713 27 547 9 2 - 66 61314 29 631 10 5 - 90 72115 31 721 11 6 - 102 82316 33 817 12 7 - 114 91317 35 919 13 8 - 126 1045計(jì)算得 104 根管，采用組合排列法,即每程內(nèi)均按正三角排列,隔板兩惻采用正方形排列。3.2.2 管心距管板上兩管子中心的距離 稱(chēng)為管心距，管心距的決定要考慮管板的強(qiáng)度和清a洗管子外表時(shí)所需的空隙，它與管子在管板上的固定方法有關(guān)。當(dāng)管子采用焊接方法固定時(shí)，相鄰兩根管的焊縫太近，就會(huì)相互影響，使焊接質(zhì)量不易保證，而采用脹接法固定時(shí)，過(guò)小的管心距會(huì)造成管板在脹接時(shí)由于擠壓力的作用發(fā)生變形，失19去了管子與管板之間的連接力，因此，管心距必須有一定的數(shù)值范圍。根據(jù)生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，最小管心距 一般采用：mina焊接法 ， 為管子外徑；0min25.1da?脹接法 。i?但管心距 最小不能小于 。對(duì)于直徑小的管子， 的數(shù)值應(yīng)大些。60?0/da最外層列管中心至殼體內(nèi)表面的距離不應(yīng)小于 。md120?管板，折流板（或支承板）管孔直徑及中心距允許偏差已有標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，列于表3-3。表 3-3 管孔直徑及中心距允許偏差 /管板孔 管孔中心距允許偏差 折流板（支承板）管子外徑孔直徑 允許偏差 相鄰孔中心距 相鄰孔 任意孔 孔直徑 允許偏差14 14.4 +0.15 19 ±0.3 ±1.0 14.6 +0.419 19.4 +0.2 25 ±0.3 ±1.0 19.6 +0.425 25.4 +0.2 32 ±0.3 ±1.0 25.6 +0.432 32.5 +0.3 40 ±0.3 ±1.0 32.7 +0.4538 38.5 +0.3 48 ±0.3 ±1.0 38.7 +0.4557 57.7 +0.4 70 ±0.5 ±1.0 75.9 +0.45臥式換熱器的殼程為蒸汽冷凝，且管子按等邊三角形排列時(shí)，為了減少液膜在列管上的包角及液膜的厚度，管板在裝配時(shí)，其周線應(yīng)與設(shè)備的水平軸線偏轉(zhuǎn)一定角度 。其值見(jiàn)表 3-4a表 3-4 軸線偏轉(zhuǎn)角度管子外徑 md/019 25 38 57管心距 a25 32 48 70偏轉(zhuǎn)角 8° 7° 7° 6°如果管心距不同于上表數(shù)值時(shí)，偏轉(zhuǎn)角應(yīng)按下列公式計(jì)算： ada2sin3001??此時(shí)，如管板上帶有排液孔或排氣孔，應(yīng)注意其位置。本設(shè)計(jì)采用焊接法。203.2.3 管材料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。應(yīng)根據(jù)工作壓力、溫度和介質(zhì)腐蝕性等條件決定。此外還有一些非金屬材料，如石墨、陶瓷、聚四氯乙烯等亦有采用。在設(shè)計(jì)和制造換熱器時(shí)，正確選用材料很重要。既要滿(mǎn)足工藝條件的要求，又要經(jīng)濟(jì)。對(duì)化工設(shè)備而言，由于各部分可采用不同材料，應(yīng)注意有不同種類(lèi)的接觸而產(chǎn)生的電化學(xué)腐蝕作用。本設(shè)計(jì)采用碳鋼型材。3.3 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割開(kāi)來(lái)。管板形式有平管板、橢圓形管板和雙管板。其中最常見(jiàn)的是平管板。當(dāng)流體有腐蝕性時(shí)，管板應(yīng)采用耐腐蝕材料，工程上多采用軋制成的復(fù)合不銹鋼板，或在碳鋼表面堆焊一層厚度不小于 5mm 的覆蓋層。當(dāng)換熱器承受高溫高壓是，應(yīng)采用薄型管板，既降低了溫差應(yīng)力，同時(shí)有滿(mǎn)足了高壓對(duì)機(jī)械應(yīng)力的要求。薄管板的突出優(yōu)點(diǎn)是節(jié)約管板材料，高壓時(shí)可節(jié)約 90%，且加工也方便。所以在中、低壓換熱器中的以推廣應(yīng)用。3.4 管子與管板的連接在管殼式換熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，管子與管板的連接是否緊密十分重要。如果連接不緊密，在操作時(shí)連接處發(fā)生泄漏，冷、熱流體互相混合，會(huì)造成物料和熱量的流失；若物料帶有腐蝕性、放射性或兩種流體接觸會(huì)產(chǎn)生易燃易爆的物質(zhì)，后果將更加嚴(yán)重。在固定管板式換熱器的連接處還應(yīng)考慮能承受一定的軸向力，以避免溫度變化較大時(shí)，產(chǎn)生的熱應(yīng)力是管子從管板脫出。管子與管板的連接可脹接或焊接。脹接法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，管子的更換及修補(bǔ)方便，多用于壓力低于和溫度低于 的場(chǎng)合。此方法是利用脹管器將管子擴(kuò))108.9(404Paatm??C?30張，產(chǎn)生顯著的塑性變形，靠管子與管板間的擠壓力達(dá)到密封緊固的目的。對(duì)于高溫高壓以及易燃易爆的流體，多采用焊接法。焊接法加工簡(jiǎn)便，對(duì)管孔的加工要求不高，較強(qiáng)的抗拉脫能力使之在高溫高壓下仍能保持連接處的緊密性，同時(shí)，在壓力不太高時(shí)，還可采用薄型管板。其缺點(diǎn)是焊接造成的殘余熱應(yīng)力與應(yīng)力集中，在設(shè)備運(yùn)行時(shí)可能引起應(yīng)力腐蝕和疲勞破壞。此外，管子和管孔之間的間隙中存在的不流動(dòng)流體與間隙外流體濃度上的差別易產(chǎn)生間隙腐蝕。建議用先脹后焊法消除此間隙。實(shí)際上，脹、焊結(jié)合的方法綜合了二者的優(yōu)點(diǎn)，21不僅能提高連接處的抗疲勞性能，還可以消除應(yīng)力腐蝕和間隙腐蝕，提高使用壽命。目前已得到較廣泛的應(yīng)用。3.5 管板尺寸的確定3.5.1 管板受力情況分析列管式換熱器管板，一般采用平管板，在圓平板上開(kāi)孔裝設(shè)管束，管板又與殼體相連，管板所受載荷除管程和殼程壓力外，還要承受殼壁的溫差引起的變形不協(xié)調(diào)作用等。管板受力情況較浮躁，影響管板應(yīng)力大小有如下因素：1）與圓平板類(lèi)似，管板直徑、厚度，壓力大小，使用溫度等對(duì)管板應(yīng)力有顯著影響。2）管束的支撐作用。管板與許多換熱管剛性地固定在一起，因此，管束起著支承的作用，阻礙著管板的變形。在進(jìn)行受力分析時(shí)，常把管板看成是放在彈性基礎(chǔ)上的平板，列管就起著彈性基礎(chǔ)的作用。其中固定式換熱器管板的這種支承作用最為明顯。3）管孔對(duì)管板強(qiáng)度和剛性的影響。由于管孔的存在，削弱了管板的強(qiáng)度和剛度，同時(shí)在管孔邊緣產(chǎn)生高峰應(yīng)力。當(dāng)管子連續(xù)連接在管板之后，管板孔內(nèi)的管子又能增強(qiáng)管板的強(qiáng)度和剛度，而且也抵消一部分高峰應(yīng)力。通常采用管板強(qiáng)度與剛度削弱系數(shù)來(lái)估計(jì)他的影響。4）管板邊緣固定的形式。類(lèi)似于圓平板，管板邊界條件不同，管板應(yīng)力狀態(tài)是不一樣的。管板外邊緣有不同的固定形式，如夾持、簡(jiǎn)支、半夾持等。通常以介于簡(jiǎn)支和夾持之間為多。這些不同的固定結(jié)構(gòu)對(duì)管板應(yīng)力產(chǎn)生不同程度的影響，在計(jì)算中，管板邊緣的固定形式是以固結(jié)系數(shù)來(lái)反映的。5）管壁和殼壁的溫差所引起的熱應(yīng)力。由于管壁與殼壁溫度不同產(chǎn)生變形量的差異，不僅使管子、殼體的應(yīng)力有顯著的增加，而且使管板的應(yīng)力有很大的增加，在設(shè)備啟動(dòng)和停車(chē)過(guò)程中，特別容易發(fā)生這種情況。如采用非剛性非固定性板式結(jié)構(gòu)換熱器，這種影響會(huì)減少或消除。6）當(dāng)管板又兼作法蘭時(shí)，擰緊法蘭螺栓，在管板上又會(huì)產(chǎn)生附加彎矩。7）其他，當(dāng)管板厚度較大，管板上下兩平面存在溫差，則產(chǎn)生附加熱應(yīng)力。當(dāng)管子太長(zhǎng)而無(wú)折流板之托時(shí)，管子會(huì)彎曲造成管板附加應(yīng)力。當(dāng)管板在制造、脹接或焊接管子時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生一些附加應(yīng)力。目前設(shè)計(jì)管板厚度的方法很多，由于處理問(wèn)題的出發(fā)點(diǎn)不同，考慮因素的周密程度不同，結(jié)果往往彼此相差很大。223.5.2 管板尺寸當(dāng)管子與管板采用脹接時(shí)，應(yīng)考慮脹管時(shí)對(duì)管板的剛性要求，管板的最小厚度（不包括腐蝕余量） ，按表 3-5 規(guī)定，包括厚度附加量在內(nèi)建議不小于 。m20表 3-5 管板最小厚度 m/換熱器 管板厚度 b換熱器 管板厚度 b25?38 2532 22 57 32采用焊接時(shí)，管板最小厚度的確定應(yīng)考慮焊接工藝及管板焊接形變等的要求。3.6 殼程結(jié)構(gòu)介質(zhì)流經(jīng)傳熱管外面的通道部分稱(chēng)為殼程。殼程內(nèi)的結(jié)構(gòu)，主要有折流板、支承板、縱向隔板、旁路擋板及緩沖板等元件組成。由于各種換熱器的工藝性能、使用的場(chǎng)合不同，殼程內(nèi)對(duì)各種元件的設(shè)置形式亦不同，以此來(lái)滿(mǎn)足設(shè)計(jì)的要求。各元件在殼程的設(shè)置，按其不同的作用可分為兩列：一類(lèi)是為了殼側(cè)介質(zhì)對(duì)傳熱管最有效的流動(dòng)，來(lái)提高換熱設(shè)備的傳熱效果而設(shè)置的各種擋板，如折流板、縱向擋板、旁路擋板等；另一類(lèi)是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。3.6.1 殼體殼體是一個(gè)圓筒形的容器，殼壁上焊有接管，供殼程流體進(jìn)入和排出之用。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。殼體材料根據(jù)工作溫度選擇，有防腐要求時(shí)，大多考慮使用復(fù)合金屬板。介質(zhì)在殼程的流動(dòng)方式有多種型式，單殼程型式應(yīng)用最為普遍。如殼側(cè)傳熱膜系數(shù)遠(yuǎn)小于管側(cè)，則可用縱向擋板分隔成雙殼程型式。用兩個(gè)換熱器串聯(lián)也可得到同樣的效果。為降低殼程壓降，可采用分流或錯(cuò)流等型式。殼體內(nèi)徑 D 取決于傳熱管數(shù) N、排列方式和管心距 t。計(jì)算式如下：?jiǎn)喂艹?0)3~2()1(dntc???式中 ------管心距，mm------換熱管外徑， mm0------橫過(guò)管束中心線的管數(shù)，該值與管子排列方式有關(guān)。cn23正三角形排列： Nnc1.?正方形排列： c9.多管程 ?/05.1NtD?式中 ------排列管子數(shù)目；-------管板利用率。正三角形排列：2 管程 85.0~7??4 管程 6正方形排列：2 管程 4 管程 50~4??殼體內(nèi)徑 D 的計(jì)算值最終應(yīng)圓整到標(biāo)準(zhǔn)值。3.7 折流板、支撐板的作用及結(jié)構(gòu)3.7.1 折流板在對(duì)流傳熱的換熱器中，為了加強(qiáng)殼程內(nèi)流體的流速和湍流程度，以提高傳熱效率。在臥式換熱器中，折流板還起著支撐管束的作用；在殼程內(nèi)裝置折流板，折流板還起支撐換熱管作用。從傳熱的家督出發(fā)，有些換熱器，如冷凝器，是不需要設(shè)置折流板的，但為了增加管束的剛度，防止管子振動(dòng)，仍然要設(shè)置一定數(shù)量的支持板，這些支持板的尺寸及形狀均按折流板處理。（一）折流板分類(lèi)及特點(diǎn)折流板可分為橫向折流板和縱向折流板兩種。前者使流體橫向流動(dòng)；后者則使管間的流體平行流過(guò)管，故名縱向折流板。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(guò)管束，增加流體速度，以增強(qiáng)傳熱；同時(shí)起支撐管束、防止管束振動(dòng)和管子彎曲的作用。常見(jiàn)的橫向折流板有圓缺形（或稱(chēng)弓形）和圓盤(pán)-圓環(huán)形和孔流型等。1）圓缺形（或稱(chēng)弓形）折流板圓缺形（或稱(chēng)弓形）折流板是常見(jiàn)的折流板，有水平圓缺和垂直圓缺兩種排列方式。水平圓缺排列可造成液體的劇烈擾動(dòng)，增大傳熱膜系數(shù)，這種型式最常用。垂直圓缺用于水平冷凝器、水平再沸器和含有懸浮固體粒子流體用的水平熱交換器等。垂直圓缺時(shí)，不凝氣不能在折流板頂部積存，而在冷凝器中，排水也不能再折24流板底部積存。弓形折流板中以單弓形用的最多。弓形缺口的切缺率（切掉圓弧的高度與殼體內(nèi)徑之比）通常為 15%-45%，多去 20%。在臥式冷凝器中，折流板底部應(yīng)開(kāi)一高度為 15~20mm 的 90°缺口供停工排精殘液用。在有些冷凝器中需要保留一定量的過(guò)冷凝液以保證泵的吸入壓頭，此時(shí)可采用帶堰的折流板。對(duì)立式換熱器則不必開(kāi)缺口。雙弓形折流板多用于大直徑的換熱器中。由于折流板間距較大，流體流經(jīng)單弓形折流板，會(huì)在其后接近殼體處，形成對(duì)傳熱不利的“死區(qū)” 。采用雙弓形折流板可消除此弊病，因流體分兩股流動(dòng)，不僅減少了死區(qū)，還有利于減輕流體誘發(fā)的振動(dòng)。2）圓盤(pán)-圓環(huán)形折流板圓盤(pán)-圓環(huán)形折流板是由圓板和環(huán)形板組成的，壓降較小，但傳熱也差些。在環(huán)形板背后有堆積不凝氣或污垢，所以不多用。3）孔流型折流板孔流型折流板使流體穿過(guò)折流板孔和管子之間的縫隙流動(dòng)，壓降大，僅適用與清潔流體，應(yīng)用更少。圖 3-2 折流板型式（a ）水平圓缺 （b）垂直圓缺 （c）環(huán)盤(pán)型（二）折流板間隔折流板與支撐板一般均借助于長(zhǎng)拉桿利用焊接或定距管來(lái)保持板件的距離。折流板間距視殼程介質(zhì)的流量、粘度及換熱器的功用而定，其系列100mm，150mm，200mm，300mm，450mm，600mm，800mm，1000mm。25折流板間距的確定原則主要是考慮流體流動(dòng)，理想的情況是缺口的流通截面積和通過(guò)管束的錯(cuò)流流動(dòng)的截面積大致相等。這樣可以減小壓降并且避免或減小“靜止區(qū)”，從而改善傳熱。推薦折流板間距的最小值為殼內(nèi)徑的 1/5，最大值決定于支持管所必需的最大間距，規(guī)定不得大于殼內(nèi)徑。否則流體流向就會(huì)與管子平行而不是垂直，從而使傳熱膜系數(shù)降低。折流板外徑與殼體之間的間隙應(yīng)適宜。間隙越小，殼程流體介質(zhì)由此泄漏的量越少，亦即減少流體短路，使傳熱效率提高。但間隙過(guò)小，會(huì)給制造安裝帶來(lái)困難增加設(shè)備成本；間隙過(guò)大，有會(huì)造成流經(jīng)此處短路的殼程流體量增多，降低傳熱效率。表 3-6 折流板和支撐板的外徑 m/殼體公稱(chēng)直徑DN項(xiàng) 目139 273 325 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200換熱器折流板、支承板名義外徑2?iD397 496.5 596.55 696 796 896 995.5 1095.5 1195.5冷凝器支撐板名義外徑3?iD396 490 595 694 794 894 993 1093 1093折流板、支承板外徑負(fù)偏差-0.53 -0.60 -0.68 -0.76 -0.76 -0.9 -1.0 -1.00 -1.0 -1.10 -1.20流板厚度與殼體直徑和折流板間距有關(guān)，間表 3-7。26表 3-7 折流板厚度 m/相鄰兩折流板間距公稱(chēng)殼體內(nèi)徑300?300~450 450~600 600~750 750200~400 3 5 6 10 10400~700 5 6 10 10 12700~1000 6 8 10 12 161000 6 10 12 16 16（三）緩沖板在殼程進(jìn)口管接管處常裝有防沖擋板，或稱(chēng)緩沖板。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(dòng)，還有使流體沿管束均勻分布的作用。也有在管束兩端放置導(dǎo)流筒，不僅其防沖板的作用，還可以改善兩端流體的分布，提高傳熱效率。（四）其他主要附件1）旁流擋板 如果殼體和管束之間間隙過(guò)大，則流體不通過(guò)管束而通過(guò)這個(gè)間隙旁通，為防止流體短路。往往采用旁流擋板。旁流擋板是指在間隙較大處加上縱向窄條（密封條） ，一般用點(diǎn)焊的方法固定在兩折流板之間。2）假管為減少管程分程所引起的中間穿流的影響，可設(shè)置假管。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(guò)管板，可與折流板焊接以便固定。假管通常是每隔 3~4 排換熱管安置一根。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。拉桿式一根兩端皆帶有螺紋的長(zhǎng)桿，一段擰入管板，折流板就穿在拉桿上，個(gè)班之間則以套在拉桿上的定距管來(lái)保持板間距離，最后一塊折流板可用螺母擰在拉桿上予以固定。此外，對(duì)不銹鋼可采用焊接不可拆的方法。各種尺寸的換熱器的拉桿直徑和拉桿數(shù)，可參考表 3-8。表 3-8 拉桿直徑與拉桿數(shù)殼體直徑 m/拉桿直徑 /最少拉桿 數(shù) 殼體直徑 m/拉桿直徑 /最少拉桿 數(shù)200~250 10 41200 12 8273,400,500,600 12 4800,1000 12 61200 12 10273.7.2 支承板一般臥式換熱器都有折流板，既起折流作用，又起支撐作用。但當(dāng)工藝上無(wú)折流板的要求，例如冷凝器，而管子比較細(xì)長(zhǎng)時(shí)，應(yīng)考慮有一定數(shù)量的支承板以便于安裝和防止管子變形過(guò)大。這樣支撐板則可放寬其制造要求，因?yàn)檫@是介質(zhì)短路可以認(rèn)為不影響傳熱效率。支承板做成半圓形較好，支撐板厚度一般不應(yīng)小于表 3-9中所列的數(shù)據(jù)。表 3-9 支承板厚度 m/殼體直徑 400 400~800 900~1200支承板厚度 11600允許不支承的最大間距 L 可參見(jiàn)表 3-10 所列的數(shù)據(jù)。表 3-10 最大間距 /管子外徑 0d19 25 38 57L 1500 1800 2500 34003.8 管程與殼程接管3.8.1 管箱及封頭換熱器管內(nèi)流體進(jìn)出口的空間為管箱，管箱結(jié)構(gòu)應(yīng)便于拆裝，以利于管子的清洗、檢修。封頭和管箱位于殼體兩側(cè)，用于控制及分配管程流體。1）封頭當(dāng)殼體直徑較小時(shí)常采用封頭。接管和封頭可用法蘭或螺紋連接，封頭與殼體之間用螺紋連接，以便卸下封頭，檢查和清洗管子。2）管箱殼徑較大的換熱器大多采用管箱結(jié)構(gòu)。管箱具有一個(gè)可拆蓋板，因此在檢修或清洗管子時(shí)無(wú)須卸下管箱。3）分程隔板當(dāng)需要的換熱面很大時(shí)，可采用多管程換熱器。對(duì)于多管程換熱器，在管箱內(nèi)應(yīng)設(shè)分程隔板，將管束分為順次串接的若干組，各組管子數(shù)目大致相等。這樣可提高介質(zhì)流速，增強(qiáng)傳熱。管程多者可達(dá) 16 程，常用的有 2、4、6 程。在布置時(shí)應(yīng)盡量使管程流體與殼程流體成逆流布置，以增強(qiáng)傳熱，同時(shí)應(yīng)嚴(yán)防分程隔板的泄漏，以防止流體的短路。3.8.2 殼程接管殼程流體進(jìn)出口的設(shè)計(jì)直接影響換28熱器的傳熱效率和換熱管的壽命。當(dāng)加熱蒸汽后高速流體流入殼程時(shí)，對(duì)換熱管會(huì)造成很大的沖刷，所以常將殼程接管在入口處加以擴(kuò)大，及將接管做成喇叭形，以起緩沖作用。其結(jié)構(gòu)為筒形的，常成為導(dǎo)流筒，它可將加熱蒸汽或流體導(dǎo)致靠近管板處才進(jìn)入管束間，更充分地利用換熱面積，目前常用這種結(jié)構(gòu)來(lái)提高換熱器的換熱能力。通常采用的擋板有圓形和方形。圓形擋板，為了減少流體組里，擋板與換熱器殼壁的距離 e 不應(yīng)太小，至少應(yīng)保持此處流道截面積不小于流體進(jìn)口接管的截面積，且距離 e 不小于 30mm，若距離太大也妨礙管子的排列，且減少了傳熱面積。當(dāng)需加大流體通道時(shí)，可在擋板上開(kāi)些圓孔以加大流體通過(guò)的截面。方形擋板，上面開(kāi)了小孔以增加流體通過(guò)截面。對(duì)于蒸汽在殼程冷凝的立式換熱器、冷凝器等，應(yīng)盡量減少冷凝液在管板上的滯留，以保證傳熱面的充分利用。此外，應(yīng)在殼程盡可能高的位置上，一般在上管板上，安裝不凝性氣體排出管，作為開(kāi)車(chē)時(shí)的排氣管及運(yùn)轉(zhuǎn)中間歇地排出不凝氣體的接管，其安裝位置應(yīng)在殼程盡可能高的位置，多在上管板上。29第 4 章 換熱器的工藝計(jì)算4.1 確定設(shè)計(jì)方案4.1.1 選擇換熱器類(lèi)型兩流體溫度變化情況：熱流體（苯）進(jìn)口溫度 80℃，出口溫度 30℃；冷流體（循環(huán)水）進(jìn)口溫度 25℃，出口溫度 43℃。該換熱器的管壁溫和殼體壁溫之差較大，因此初步確定選用浮頭式換熱器。4.1.2 流體間流速確定由于循環(huán)冷卻水易結(jié)垢，為了便于水垢的清洗，應(yīng)采用循環(huán)水走管程，苯走殼程。選用 φ25×2.5mm 的碳鋼管，根據(jù)表三—管內(nèi)流速取 ui=1.0m/s。4.2 基礎(chǔ)物性數(shù)據(jù)4.2.1 定性溫度：可取流體進(jìn)口溫度的平均值。4.2.2 殼程 苯的定性溫度為 ℃52308??T4.2.3 管程循環(huán)水的定性溫度為 ℃3025??t4.2.4 苯物性數(shù)據(jù)由手冊(cè)查得 苯在定性溫度下物性數(shù)據(jù)：密度 )/(5.84230mkg??粘度 10sPa????定壓比熱容 (76CkgJcP?30導(dǎo)熱系數(shù) )/(158.0Cmw????處理量： hkgmo64?4.2.5 循環(huán)水物性數(shù)據(jù)循環(huán)冷卻水在 下的物性數(shù)據(jù)C?30密度 3/7.95mkgi??粘度 )(8sPa??定壓比熱容 14CkgJcpi??導(dǎo)熱系數(shù) /67.0mw??4.3 計(jì)算總傳熱系數(shù)4.3.1 熱流量 kWhKJTcmQopo 392/1092.3)08(764.106 64 ????????4.3.2 平均傳熱溫差 ℃ttm 2154380ln)(ln21' ??????4.3.3 冷卻水用量 hkgtCQwipoi /108792.)2543(17.0946??????4.3.4 總傳熱系數(shù) K 管程傳熱系數(shù) 1027510