核電廠通用機(jī)械設(shè)備之四換熱器

核電廠通用機(jī)械設(shè)備之四

換熱器教員:呂云彪核電站員工基礎(chǔ)理論培訓(xùn)教材4.概述4.1換熱器的用途和類型4.1.1換熱器的用途把一種介質(zhì)的熱量傳給另一種介質(zhì)的設(shè)備，都稱為換熱器。換熱器作為生產(chǎn)工藝過程不可缺少的設(shè)備廣泛用于各種領(lǐng)域.在核電廠中作為主要設(shè)備的換熱器，數(shù)量眾多，型號(hào)各異，如蒸汽發(fā)生器，低壓、高壓加熱器，冷凝器，冷卻器等。4.1.2換熱器的類型4.1.2.1間壁式換熱器:間壁式換熱器的特點(diǎn)是冷、熱兩流體被固體壁面隔開，不相混合，通過間壁進(jìn)行熱量的交換。主要形式有以下幾種:1)夾套式換熱器(圖4.1－1);2)蛇管式換熱器(圖4.1－2);3)套管式換熱器(圖4.1－2);4)列管式換熱器.

4.概述(續(xù))4.1.2.2混合式換熱器這種類型的換熱器主要用于氣體的冷卻及蒸汽的冷凝，故又稱為混合式冷卻器或冷凝器。其特點(diǎn)是被冷凝（或冷卻）的蒸汽直接與水（或冷流體）接觸進(jìn)行換熱，因此傳熱效果好。必須指出，僅在允許冷、熱流體互相混合時(shí)，才能應(yīng)用混合式換熱器。4.1.2.3蓄熱式換熱器蓄熱式換熱器又稱蓄熱器，器內(nèi)裝有固體填充物（如耐火磚等）。冷、熱流體交替地流過蓄熱器，利用固體填充物來積蓄和釋放熱量而達(dá)到換熱的目的(如右圖所示)。4.概述(續(xù))4.1.2.4板式換熱器板式換熱器主要由一組長(zhǎng)方形的薄金屬板構(gòu)成。兩相鄰板片的邊緣襯有墊片，壓緊后可以達(dá)到密封的目的，且可用墊片的厚度調(diào)節(jié)兩板間流體通道的大小。每塊板的四個(gè)角上，各開一個(gè)圓孔，其中有兩個(gè)圓孔和板面上的流道相通，另外兩個(gè)圓孔則不相通，它們的位置在相鄰的板上是錯(cuò)開的，以分別形成兩流體的通道。冷、熱流體交替地在板片兩側(cè)流過，通過金屬板片進(jìn)行換熱。每塊金屬板面沖壓成凹凸規(guī)則的波紋，以使流體均勻流過板面，增加傳熱面積，并促使流體的湍動(dòng)，有利于傳熱。圖4.1－5所示，為大亞灣核電站核島設(shè)備冷卻水系統(tǒng)（RRI）采用的板式換熱器結(jié)構(gòu)圖。其優(yōu)點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)緊湊、單位體積設(shè)備提供的傳熱面積大；總傳熱系數(shù)值高，如對(duì)低粘度液體的傳熱，值可高達(dá)7000W/(m2·℃)；可根據(jù)需要增減板數(shù)以調(diào)節(jié)傳熱面積；檢修和清洗都較方便等。其缺點(diǎn)是：處理量不宜大；操作壓強(qiáng)比較低，一般低于15bar(1.5Mpa)，最高也不超過20bar；因受墊片耐熱性能的限制，操作溫度不能太高，一般對(duì)合成橡膠墊圈不超過130℃，壓縮石棉墊圈也低于250℃。圖4.1-5板式換熱器示意圖4.2列管式換熱器的類型及工作特性

列管式換熱器是目前工業(yè)生產(chǎn)中包括核電站應(yīng)用最廣泛的傳熱設(shè)備，主要優(yōu)點(diǎn)是單位體積所具有的傳熱面積大以及傳熱效果好。此外，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造的材料范圍較廣，因此，在高溫、高壓和大型裝置上多采用列管式換熱器。4.2.1固定管板式固定管板式換熱器如圖4.2－1所示。所謂固定管板式即兩端管板和殼體連接成一體，因此它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和造價(jià)低廉的優(yōu)點(diǎn)。但是由于殼程不易檢修和清洗，因此殼方流體應(yīng)是較潔凈且不易結(jié)垢的物料。當(dāng)兩流體的溫度差較大時(shí)，應(yīng)考慮熱補(bǔ)償。圖4.2－1為具有補(bǔ)償圈（或稱膨脹節(jié)）的固定管板式換熱器，即在外殼的適當(dāng)部位焊上一個(gè)補(bǔ)償圈，當(dāng)外殼和管束熱膨脹不同時(shí)，補(bǔ)償圈發(fā)生彈性變形（拉伸或壓縮），以適應(yīng)外殼和管束的不同的熱膨脹程度。這種補(bǔ)償方法簡(jiǎn)單，但不宜用于兩流體的溫度差太大（應(yīng)不大于70℃）和殼方流體壓強(qiáng)過高（一般不高于6bar）的場(chǎng)合。4.2列管式換熱器的類型及工作特性4.2.2U型管換熱器U型管換熱器如圖4.2－2所示。管子彎成U型，管子的兩端固定在同一管板上，因此每根管子可以自由伸縮，而與其它管子和殼體均無關(guān)，故不受熱膨脹限制。這種型式換熱器僅一端有管板結(jié)構(gòu)也較簡(jiǎn)單，重量輕，適用于高溫和高壓的場(chǎng)合,核電站反應(yīng)堆回路和汽輪機(jī)回路的換熱器多為這種類型。其主要缺點(diǎn)是管內(nèi)清洗比較困難，因此管內(nèi)流體必須潔凈；且因管子需一定的彎曲半徑，故管板的利用率差些。4.2列管式換熱器的類型及工作特性4.2.3浮頭式換熱器浮頭式換熱器如圖4.2－3所示，兩端管板之一不與外殼固定連接，該端稱為浮頭。當(dāng)管子受熱（或受冷）時(shí)，管束連同浮頭可以自由伸縮，而與外殼的膨脹無關(guān)。浮頭式換熱器不但可以補(bǔ)償熱膨脹，而且由于固定端的管板是以法蘭與殼體相連接的，因此管束可從殼體中抽出，便于清洗和檢修，故浮頭式換熱器應(yīng)用較為普遍，但結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，金屬耗量較多，造價(jià)較高。

4.2列管式換熱器的類型及工作特性4.2.4核電其他換熱設(shè)備換熱設(shè)備在核電站中是主要設(shè)備，大亞灣核電站一回路中的蒸汽發(fā)生器為立式U型管式換熱設(shè)備，二回路中的高、低壓加熱器為臥式U型管式換熱設(shè)備，蒸汽冷凝器（凝汽器）則為管板式換熱設(shè)備。現(xiàn)簡(jiǎn)介如下：4.2.4.1蒸汽發(fā)生器其結(jié)構(gòu)如圖4.2－4所示。它分上、下兩部分，下部直徑較?。╩m）為蒸發(fā)段，其中裝有19的U型管4474根以及管板、支承板、管束圍板、流量分配擋板等；上部直徑比較大（mm）為汽水分離段，內(nèi)裝旋流葉片式（離心式）汽水分離器及人字形機(jī)械擋板式干燥器等。下端為球形封頭，內(nèi)裝分隔板，將球形封頭分為進(jìn)口室和出口室。上端為橢圓形封頭，頂部設(shè)蒸汽出口。傳熱管材料為因科鎳，管徑為，管束排列為正方形，管束與管板的連接采用先焊后脹，確保其密封。4.2列管式換熱器的類型及工作特性(續(xù))傳熱量，MWth969總傳熱面積:5429m2管側(cè)設(shè)計(jì)壓力，Mpa17.2管側(cè)設(shè)計(jì)溫度:343℃管側(cè)運(yùn)行壓力，MPa15.5管側(cè)試驗(yàn)壓力:22.9MPa熱介質(zhì)（反應(yīng)堆冷卻劑）進(jìn)口溫度，℃327出口溫度，293℃流量，m3/h23790殼側(cè)設(shè)計(jì)壓力，MPa8.6試驗(yàn)壓力，12.85MPa殼側(cè)·設(shè)計(jì)溫度，℃343蒸汽參數(shù):壓力，MPa6.89溫度，℃283.6·最大濕度，％0.25流量（產(chǎn)量）t/h1938給水溫度，℃262

尺寸與重量上部汽水分離段直徑4484mm下部蒸發(fā)段直徑，mm3446總高度，mm20848管板厚度，mm555·無水總重，t329.5滿水總重，t5054.2列管式換熱器的類型及工作特性4.2.4.2高壓加熱器

圖4.2－5是大亞灣核電站二回路中的高壓加熱器結(jié)構(gòu)圖。二回路高壓加熱器的作用是利用汽輪機(jī)抽汽加熱高壓給水，以保證進(jìn)入蒸汽發(fā)生器的給水水溫。高壓加熱器的型式為臥式U型管式汽—水換熱器。加熱器直徑2.37m，長(zhǎng)度12.917m。U型加熱管為的不銹鋼管，管數(shù)為2258根，管板為碳鋼，管束與管板的連接采用先焊后脹。兩端封頭均為凸形封頭。從結(jié)構(gòu)圖中可以看出，高壓加熱器的加熱介質(zhì)分別為蒸汽和疏水凝結(jié)液。在同一筒體內(nèi)，用殼程縱向隔板分成兩個(gè)加熱區(qū)，上部為蒸汽加熱區(qū)，下部為疏水凝結(jié)液加熱區(qū)。高壓給水走管內(nèi)，下進(jìn)上出。加熱蒸汽走管間上進(jìn)、下排冷凝液。疏水凝結(jié)液走下部管間，與高壓給水成逆流走向右進(jìn)左排。在筒體內(nèi)還有防沖板、管束支撐板、防震桿等換熱器輔助部件。4.2列列管式換換熱器的類類型及工作作特性4.2.4.3低低壓壓給給水水加加熱熱器器低壓壓給給水水加加熱熱器器是是利利用用低低壓壓缸缸抽抽汽汽加加熱熱主主凝凝結(jié)結(jié)水水（（低低壓壓給給水水））。。它它由由四四級(jí)級(jí)加加熱熱器器組組成成。。圖圖4.2－－6就就是是第第四四級(jí)級(jí)低低壓壓給給水水加加熱熱器器的的結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)圖圖。。4.2列列管管式換換熱器器的類類型及及工作作特性性4.2.4.3凝凝汽汽器（（冷凝凝器））凝汽器器在核核電站站的主主要功功能和和火電電廠一一樣是是為汽汽輪發(fā)發(fā)電機(jī)機(jī)組提提供一一經(jīng)濟(jì)濟(jì)背壓壓，并并且使使機(jī)組組在所所規(guī)定定的冷冷卻水水溫度度范圍圍和運(yùn)運(yùn)行條條件下下，安安全可可靠的的運(yùn)行行；滿滿足機(jī)機(jī)組要要求的的熱力力性能能，冷冷凝所所有進(jìn)進(jìn)入凝凝結(jié)器器的蒸蒸汽，，保持持凝結(jié)結(jié)水質(zhì)質(zhì)，提提供所所需的的凝結(jié)結(jié)水量量。圖圖4.2－－7所所示為為大亞亞灣核核電站站凝汽汽器的的結(jié)構(gòu)構(gòu)圖。。每臺(tái)臺(tái)機(jī)組組配有有三臺(tái)臺(tái)凝汽汽器，，布置置在機(jī)機(jī)房底底層。。每臺(tái)臺(tái)凝汽汽器有有兩組組單流流程管管束，，為臥臥式單單程管管板式式換熱熱器。。循環(huán)環(huán)冷卻卻水（（海水水）由由入口口水室室下端端的進(jìn)進(jìn)水暗暗渠引引入，，經(jīng)管管板走走管內(nèi)內(nèi)至出出口水水室再再?gòu)某龀隹谒蚁孪露伺排胖僚排潘蛋登?。。被冷冷凝的的蒸汽汽走管管間，，自上上而下下，沖沖刷冷冷卻水水管束束的同同時(shí)，，冷凝凝成凝凝結(jié)水水，經(jīng)經(jīng)集水水箱除除氧淺淺盤流流入熱熱井。。4.3換換熱熱器傳傳熱的的基本本方式式及傳傳熱過過程4.3.1換換熱熱器傳傳熱的的基本本方式式換熱器器傳熱熱的基基本方方式主主要是是以對(duì)對(duì)流傳傳熱和和熱傳傳導(dǎo)（（導(dǎo)熱熱）相相結(jié)合合的方方式進(jìn)進(jìn)行傳傳熱。。4.3.1.1熱熱傳導(dǎo)（（又稱導(dǎo)導(dǎo)熱）若物體上上的兩部部分間連連續(xù)存在在著溫度度差，則則熱將從從高溫部部分自動(dòng)動(dòng)地流向向低溫部部分，直直至整個(gè)個(gè)物體的的各部分分溫度相相等為止止。此種種傳熱方方式稱為為熱傳導(dǎo)導(dǎo)。在金金屬固體體中，熱熱傳導(dǎo)起起因于自自由電子子的運(yùn)動(dòng)動(dòng)；在不不良導(dǎo)體體的固體體和大部部分液體體中，熱熱傳導(dǎo)是是由個(gè)別別分子的的動(dòng)量傳傳遞所致致；在氣氣體中，，熱傳導(dǎo)導(dǎo)是由分分子不規(guī)規(guī)則運(yùn)動(dòng)動(dòng)而引起起的。熱熱傳導(dǎo)是是靜止物物質(zhì)內(nèi)的的一種傳傳熱方式式。也就就是說沒沒有物質(zhì)質(zhì)的宏觀觀位移。。4.3.1.2對(duì)對(duì)流傳熱熱對(duì)流傳熱熱是指流流體中質(zhì)質(zhì)點(diǎn)發(fā)生生相對(duì)位位移而引引起的熱熱交換。。對(duì)流傳傳熱僅發(fā)發(fā)生在流流體中，，因此它它與流體體的流動(dòng)動(dòng)狀況密密切相關(guān)關(guān)。在對(duì)對(duì)流傳熱熱時(shí)，也也伴隨著著流體質(zhì)質(zhì)點(diǎn)間的的熱傳導(dǎo)導(dǎo)。工程程中討論論的對(duì)流流傳熱，，多是指指熱由流流體傳到到固體的的壁面（（或反之之）的過過程。在在流體中中產(chǎn)生對(duì)對(duì)流的原原因有二二：一為為流體質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的相相對(duì)位移移是因流流體中各各處的溫溫度不同同而引起起的密度度差別，，使輕者者上浮，，重者下下沉（流流體產(chǎn)生生這種對(duì)對(duì)流則稱稱為自然然對(duì)流））；二為為流體質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)運(yùn)動(dòng)是因因泵（風(fēng)風(fēng)機(jī)）或或攪拌等等外力所所致（流流體的這這種對(duì)流流則稱為為強(qiáng)制對(duì)對(duì)流）。。流動(dòng)的的原因不不同，對(duì)對(duì)流傳熱熱的規(guī)律律也有所所不同。。應(yīng)予指指出，在在同一種種流體中中，有可可能同時(shí)時(shí)發(fā)生自自然對(duì)流流和強(qiáng)制制對(duì)流。。4.3換換熱熱器傳熱熱的基本本方式及及傳熱過過程4.3.2換換熱器器的傳熱熱過程核電廠所所用的換換熱器，，主要為為列管式式換熱器器（間壁壁式）。。所以本本章以間間壁式換換熱器的的傳熱過過程進(jìn)行行分析。。在間壁壁式換熱熱器中，，冷、熱熱流體被被壁面隔隔開，它它們分別別在壁面面兩側(cè)進(jìn)進(jìn)行流動(dòng)動(dòng)。熱流流體將熱熱傳到壁壁面的一一側(cè)，通通過固體體壁面的的熱傳導(dǎo)導(dǎo)，再由由壁面另另一側(cè)將將熱傳給給冷流體體。冷熱熱流體流流動(dòng)狀態(tài)態(tài)是，當(dāng)當(dāng)流體流流經(jīng)固體體壁面時(shí)時(shí)形成流流動(dòng)邊界界層，邊邊界層內(nèi)內(nèi)存在速速度梯度度；當(dāng)流流體呈湍湍流時(shí)（（形成湍湍流邊界界層），，靠近壁壁面處總總有一層層滯流內(nèi)內(nèi)層存在在，在此此薄層內(nèi)內(nèi)流體呈呈滯流流流動(dòng)。因因此在滯滯流內(nèi)層層中，沿沿壁面的的法線方方向上沒沒有對(duì)流流傳熱，，該方向向上熱的的傳遞僅僅為流體體的熱傳傳導(dǎo)。由由于流體體的導(dǎo)熱熱系數(shù)較較低，使使滯流內(nèi)內(nèi)層中的的導(dǎo)熱熱熱阻就很很大，因因此該層層中溫度度差也較較大，即即溫度梯梯度較大大。在湍湍流主體體中，由由于流體體質(zhì)點(diǎn)劇劇烈混合合并充滿滿了旋渦渦，因此此湍流主主體中的的溫度差（溫溫度梯度））極小，各各處的溫度度基本上相同同。在湍流流主體和滯滯流內(nèi)層之之間的緩沖層層內(nèi)，熱傳傳導(dǎo)和對(duì)流流傳熱均起起作用，在該該層溫度發(fā)發(fā)生緩慢的的變化。圖4.3－－l表示流流體在壁面面兩側(cè)的流流動(dòng)情況以及和流流體流動(dòng)方方向垂直的的某一截面面上流體的溫溫度分布情情況。以上上分析可知知，對(duì)流傳熱的的熱阻主要要集中在滯滯流內(nèi)層內(nèi)內(nèi)，因此，減薄薄滯流內(nèi)層層的厚度是是強(qiáng)化對(duì)流流傳熱的重要要途徑。4.3換換熱器傳傳熱的基本本方式及傳傳熱過程4.3.3熱傳導(dǎo)方方程—傅立立葉定律物體內(nèi)各點(diǎn)點(diǎn)間的溫度度差是熱傳傳導(dǎo)的必要要條件.設(shè)設(shè)內(nèi)外管壁壁等溫面溫溫度之差為為Δt=Tw-tw;壁面之間間的距離為為Δn,則則冷熱流體體之間的溫溫度梯度為為:傅立葉定律律:通過冷熱兩兩表面的導(dǎo)導(dǎo)熱速率與與溫度梯度度和傳熱面面積有關(guān),即:dQ∝dsdQ=λds∵Δt=Tw-twΔn=b∴dQ=λds積分后得:Q=λλS式中:Q———導(dǎo)熱速速率,即單單位時(shí)間內(nèi)內(nèi)傳導(dǎo)的熱熱,W;S——等溫溫面面積,m2b——壁面面厚度,m;Tw-tw——冷熱熱壁面溫溫度差,℃λ———導(dǎo)熱系系數(shù),W/m2℃4.3換換熱熱器傳熱熱的基本本方式及及傳熱過過程4.3.4對(duì)流流傳熱速速率方程程:對(duì)流傳熱熱用理論論計(jì)算比比較困難難,一般般用半經(jīng)經(jīng)驗(yàn)方法法來處理理,即:對(duì)流流傳熱速速率==系數(shù)x推動(dòng)力力上式中推推動(dòng)力為為流體與與壁面之之間的溫溫差;阻阻力則為為與流體體接觸的的壁面大大小成反反比,由由于換熱熱器換熱熱速率隨隨換熱器器的位置置變化而而變化,因此可可采用微微分方程程來表達(dá)達(dá),即:dQ=式中:dQ——局部對(duì)對(duì)流傳熱熱系數(shù),W;dS—微微元傳熱熱面積,m2T—換熱熱器任一一截面上上流體的的平均溫溫度,℃℃;Tw—換熱器器任一截截面上與與流體接接觸一側(cè)側(cè)壁面的的溫度,℃;α—比例例系數(shù),又稱局局部對(duì)流流傳熱系系數(shù),W/(m2·℃).4.3換換熱器傳傳熱的基基本方式式及傳熱熱過程(續(xù))對(duì)流傳熱熱速率方方程又稱稱為牛頓冷卻卻定律.工程計(jì)算算中常使使用平均均對(duì)流傳傳熱系數(shù)數(shù)α為常常數(shù),因因此上述述微分方方程式可可以積分分為:Q=αSΔt式中α——平均均對(duì)流傳傳熱系數(shù)數(shù),W/(m2·℃);S—總傳熱熱面積.m2Δt—流體與與壁面之之間的平平均溫度度差,℃.應(yīng)該指出出:換熱熱器的傳傳熱速率率與流體體流經(jīng)的的位置有有關(guān),因因此,牛牛頓冷卻卻定律可可以以下式表表示:dQ=ααi(T-Tw)dSidQ=ααo(tw-t)dSo;式中:dSi,dSo—換熱器器管子內(nèi)內(nèi)外的表表面積,m2αi,αo—換熱器管子子內(nèi)外的流體體對(duì)流傳熱系系數(shù),W/(m2·℃);t—換熱器管子子外任一截面面流體的平均均溫度,℃tw—換熱器管子子外與流體接接觸任一截面面的壁面溫度度,℃.4.4換熱器器的傳熱計(jì)算算4.4.1能能量衡算傳熱計(jì)算分為為設(shè)計(jì)計(jì)算和和校核計(jì)算兩兩類.所有的的傳熱計(jì)算都都是以換熱器器的熱量衡算算和傳熱速率率方程為計(jì)算算的基礎(chǔ).在在熱量衡算中中假設(shè)換熱器器絕熱良好,無熱量損失失,即:Q=Wh(Hh1-Hh2)=Wc(Hc2-Hc1)(4.4—1)式中:Q—換換熱器熱負(fù)荷荷(即傳熱速速率),kj/h,W(j/s);Wh,Wc—流體質(zhì)量流流量,kg/h;H—單位質(zhì)量量流體的焓,kj/kg.1)換熱器在在換熱過程中中無相變化,并且冷熱流流體的比熱不不隨流體溫度度的改變而變變化(或取冷冷熱流體的平平均比熱),則上式可表表示為:Q=WhCph(T1-T2)=WcCpc(t2-t1)(4.4——2)式中:Cp—流體的平均均定壓比熱,kj/(kg℃)t—冷流體的溫溫度,℃T—熱流體的的溫度,℃2)換熱器在在換熱時(shí),熱熱流體發(fā)生相相變化,例如如蒸汽冷凝,則上式可改改寫為:Q=Whγ=WcCpc(t2-t1)(4.4——3)4.4換熱器器的傳熱計(jì)算算(續(xù))(4.4——3)式的應(yīng)應(yīng)用條件為冷冷凝液在飽和和蒸汽溫度下下離開換熱器器.若低于飽飽和蒸汽溫度度,則上述公公式應(yīng)改寫為為:Q=Wh[γ+cph(Ts-T2)]=WcCpc(t2-t1)(4.4—4)式中:cph—冷凝液的比比熱,kj/(kg℃℃)3)換熱器在在換熱過程中中考慮熱量損損失,則上式式應(yīng)改寫為:Q=WhCph(T1-T2)]=(1+x%)×[WcCpc(t2-t1)](4.4——5)4.4.2總傳傳熱速速率方方程換熱器器中任任一截截面間間壁兩兩側(cè)流流體的的傳熱熱速率率方程程可仿仿照對(duì)對(duì)流傳傳熱速速率方方程表表示,即:dQ=K(T-t)dS=KΔtdS(4.4——6)上式為為換熱器器總傳傳熱速速率方方程式式.表明總總傳熱熱系數(shù)數(shù)在數(shù)數(shù)值上上等于于單位位溫差差下的的熱通通量.式中:K—換換熱器器局部部總傳傳熱系系數(shù),kj/(kg℃℃);T,t—換換熱器器任一一截面面上冷冷熱流流體的的平均均溫度度,℃℃.4.4換熱熱器的的傳熱熱計(jì)算算(續(xù)續(xù))總傳熱熱系數(shù)數(shù)必須須與所所選擇擇的傳傳熱面面相對(duì)對(duì)應(yīng),因此此總傳傳熱速速率方方程式式可以以表示示為:dQ=Ki(T-t)dSi=Ko(T-t)dSo=Km(T-t)dSm(4.4—7)式中:Ki、Ko、Km—基于于管子子內(nèi)壁壁表面面積、、外壁壁表面面積、、內(nèi)外外平均均面積積的總總傳熱熱系數(shù)數(shù)，kj/(kg℃℃);Si、So、Sm—管子子內(nèi)壁壁表面面積、、外壁壁表面面積、、內(nèi)外外平均均面積積，m2由于dQ、、(T-t)與與所選選擇的的基準(zhǔn)準(zhǔn)面無無關(guān)，，因此此，式中：：dodidm—管子子內(nèi)外外徑和和內(nèi)外外徑的的平均均直徑徑，m。4.4.3平均均溫度度差公式(4.4——6)是微微分方方程式式，對(duì)對(duì)于工工程來來說必必須要要進(jìn)行行積分分以后后才能能有用用意義義。由由于公公式中中的溫溫度差差是換換熱器器任一一截面面上的的局部部溫度度差，，是隨隨換熱熱器的的長(zhǎng)度度變化化而變變化，，是個(gè)個(gè)變量量，因因此應(yīng)應(yīng)用換換熱器器的平平均溫溫度差差來代代替局局部溫溫度差差。為了了對(duì)對(duì)公公式式(4.4——6)積積分分，，必必須須作作如如下下的的假假設(shè)設(shè)：：4.4換換熱熱器器的的傳傳熱熱計(jì)計(jì)算算(續(xù)續(xù))—傳傳熱熱為為穩(wěn)穩(wěn)定定傳傳熱熱；；—冷冷熱熱流流體體的的比比熱熱為為常常量量（（取取流流體體進(jìn)進(jìn)出出口口比比熱熱的的平平均均值值））—換換熱熱器器的的總總傳傳熱熱系系數(shù)數(shù)為為常常量量，，即即K值值不不隨隨換換熱熱器器管管子子長(zhǎng)長(zhǎng)度度而而變變化化—換換熱熱器器的的熱熱量量損損失失可可以以不不計(jì)計(jì)1）恒恒溫溫傳傳熱熱時(shí)時(shí)的的平平均均溫溫度度差差：：換換熱熱器器管管間間壁壁兩兩側(cè)側(cè)流流體體均均有有相相變變化化，，如如蒸蒸發(fā)發(fā)器器的的兩兩流流體體傳傳熱熱就就是是恒恒溫溫傳傳熱熱。。即即兩兩流流體體的的溫溫度度差差在在蒸蒸發(fā)發(fā)器器中中處處處處相相等等。。即即：：Δt=T-t.因因此，，對(duì)公式(4.46)積積分后后可得得：Q=KS(T-t)=KSΔΔt(4.4—9）2)變變溫傳傳熱下下的平平均溫溫度差差(1)逆流流和并并流時(shí)時(shí)的平平均溫溫度差差換熱器器兩流流體的的流動(dòng)動(dòng)方向向不同將影影響平平均溫溫度差差.兩兩流體體若相反方方向流流動(dòng)則則為逆逆流;相同同方向流動(dòng)動(dòng)則為為并流流.由由換熱熱器的的熱量量衡算式式可知知:dQ=WhCphdT=WcCpcdt4.4換熱熱器的的傳熱熱計(jì)算算(續(xù)續(xù))上式中中的Cp為平均均比熱熱,假假設(shè)為為常量量,因因此上上式可可表達(dá)達(dá)為:常量常量積分后后可得得:T=mQ+k;t=mQ+k’，Q——T及及Q——t都是直直線。。上述兩兩式相相減，，得：：T-t=ΔΔt=(m-m)Q+(k-k)，該函函數(shù)關(guān)系也也為直直線。。（見見右圖圖）。。其中中：M、k、m’、、k’’分別別為Q—T、Q—t的斜斜率和截距距。4.4換熱熱器的的傳熱熱計(jì)算算(續(xù)續(xù))由圖4.4-2可知，，Q—ΔΔt直直線的的斜率率為：：把dQ=KdSΔΔt代代入,即得得:由上述述假設(shè)設(shè)中K為常常量,積分分上式式可得得:得:則則得:(4.4-9)(4.4-9)式是是換熱熱器的的總傳傳熱速速率方方程式式.由由此此式可可知平平均溫溫度差差Δtm等于換換熱器器兩端端處溫溫度差差的對(duì)對(duì)數(shù)平平均值值,即:(4.4-10)在工程程計(jì)算算中,當(dāng)時(shí)時(shí)可以以用算算術(shù)平平均溫溫度差差來代替替對(duì)數(shù)數(shù)平均均溫度度差.換換熱器器兩端端Δt值值大者者為Δt2,小者者為ΔΔt1.4.4換熱熱器的的傳熱熱計(jì)算算(續(xù)續(xù))上述平平均溫溫度差差的公公式對(duì)對(duì)于變變溫傳傳熱中中的并并流和和逆流流都適適用,但是是,在在傳熱熱過程程中如如果一一側(cè)流流體變變溫,另一一側(cè)不不變則則其平平均溫溫度差差是相相等的的;而而兩側(cè)側(cè)流體體在傳傳熱過過程中中都變變溫,則并并流和和逆流流的平平均溫溫度差差是不不一樣樣的.例如如,在在并流流和逆逆流時(shí)時(shí),熱熱流體體的溫溫度都都是從從90℃℃冷卻卻到70℃℃;而而冷流流體的的溫度度都是是從20℃℃加熱熱到60℃℃.其其平均均溫度度差分分別為為:逆流并并流T:9070T:9070t:6020t:2060Δt:3050ΔΔt:7010由上述例例題可知知,并流流和逆流流傳熱雖雖然在進(jìn)進(jìn)出口溫溫度不變變,但逆逆流的平平均溫度度差Δtm要比比并流的的大.因因此在換換熱器的的傳熱量量Q和總總的傳熱熱系數(shù)相相同的情情況下,采用逆逆流操作作可以節(jié)節(jié)省傳熱熱面積S.同時(shí)時(shí)在熱流流體經(jīng)釋釋熱后的的出口溫溫度不作作規(guī)定時(shí)時(shí)4.4換換熱熱器器的的傳傳熱熱計(jì)計(jì)算算(續(xù)續(xù))逆流流傳傳熱熱的的出出口口溫溫度度可可以以降降到到冷冷流流體體的的進(jìn)進(jìn)口口溫溫度度,充充分分利利用用熱熱流流體體的的熱熱量量,降降低低了了熱熱流流體體的的流流量量,從從而而降降低低運(yùn)運(yùn)行行成成本本.可可見見在在一一般般情情況況下下,傳傳熱熱過過程程中中采采用用逆逆流流優(yōu)優(yōu)于于并并流流.(2)錯(cuò)流和和折流時(shí)的平平均溫差在大多多數(shù)列列管式式換熱熱器的的傳熱熱過程程中兩流體體的流流動(dòng)是是比較較復(fù)雜雜的多多流程程流動(dòng)動(dòng),如右圖圖所示示,其其中有有折流流,也也有錯(cuò)錯(cuò)流.對(duì)于于這種復(fù)復(fù)雜流流程,一般般用以以下的的方法法進(jìn)行行平均溫度度差的的計(jì)算算.即即先按按逆流流算出出平均均溫度差ΔΔtm’,然然后后再乘乘以一一個(gè)校校正系系數(shù)φΔt.即:ΔΔtm=φΔtΔtm’式中:ΔΔtm’—按按逆流流算出出平均均溫度度差φΔt—溫差差校正正系數(shù)數(shù),(無因因次).溫溫差校校正系系數(shù)φΔt與冷熱熱流體體的溫溫度變變化有有關(guān),是P和R兩個(gè)個(gè)因數(shù)數(shù)的函函數(shù),即:φΔt=(P,R),式中中:4.4換熱熱器的的傳熱熱計(jì)算算(續(xù)續(xù))根據(jù)P、R值可可在有有關(guān)的的傳熱熱手冊(cè)冊(cè)中查查到所所需要要的φΔt.對(duì)對(duì)于1—2型換換熱器器（即即單殼殼程，，兩管管程換換熱器器），，也可可以用用以下下的公公式進(jìn)進(jìn)行計(jì)計(jì)算，，（3））關(guān)于于簡(jiǎn)化化假定定的討討論：：在推推導(dǎo)平平均溫溫度差差時(shí)有有幾條條假設(shè)設(shè)，嚴(yán)嚴(yán)格的的說因因?yàn)閾Q換熱器器在傳傳熱過過程中中流體體的溫溫度不不斷地地隨傳傳熱面面而變變化（（流體體有相相變的的傳熱熱除外外），，而導(dǎo)導(dǎo)致流流體的的物性性，對(duì)對(duì)流傳傳熱系系數(shù)和和總傳傳熱系系數(shù)都都會(huì)變變化，，因此此上述述的幾幾種假假設(shè)很很難成成立。。如果果流體體的物物性隨隨溫度度變化化不大大，則則總傳傳熱系系數(shù)可可以視視為常常量。。此時(shí)時(shí)用對(duì)對(duì)數(shù)平平均溫溫差在在工程程計(jì)算算中能能滿足足要求求。若若流體體的物物性隨隨溫度度的變變化較較大，，總傳傳熱系系數(shù)K值就就不能能認(rèn)為為常量量，采采用對(duì)對(duì)數(shù)平平均溫溫差計(jì)計(jì)算方方法則則不能能使用用，而而應(yīng)采采用其其他方方法，，若K值隨隨溫度度變化化呈線線性變變化，，應(yīng)使使用下下式計(jì)計(jì)算方方法較較為精精確，，即：：式中：K1、K2—分別為換換熱器兩端端處的局部部總傳熱系系數(shù)，(W/m2·℃)；Δt1、Δt2—分別為換換熱器兩端端處的兩流流體的溫度度差，℃。。4.4換熱熱器的傳熱熱計(jì)算(續(xù)續(xù))若K值隨溫度的的變化呈非非線性變化化，則應(yīng)采采用分段法法進(jìn)行計(jì)算算，分割后后的每段K值視為常量量來計(jì)算換換熱器的傳傳熱速率ΔΔQ，然后計(jì)計(jì)算為：4.4.4總傳熱系系數(shù)1）換熱器器中總傳熱熱系數(shù)K的的數(shù)值范圍圍：換熱器器中總傳熱熱系數(shù)K的的數(shù)值主要要取決于流流體的物性性、換熱器器的操作條條件以及換換熱器的類類型等因素素，因而K值的取值值范圍很大大，在設(shè)計(jì)計(jì)換熱器是是可以在換換熱器的有有關(guān)手冊(cè)中中查找。2）總傳熱熱系數(shù)K值值的計(jì)算列管式換熱熱器的傳熱熱方式是通通過以下流流程進(jìn)行：：對(duì)流傳熱（（熱流體把把熱量傳遞遞給管壁））、熱傳導(dǎo)導(dǎo)（與熱流流體接觸的的管壁把熱熱量傳遞給給與冷流體體相接觸的的管壁）、、對(duì)流傳熱熱（冷端管管壁把熱量量傳遞給冷冷流體）。。上述這三種種熱傳導(dǎo)的的微分方程程式表達(dá)如如下：———對(duì)流傳傳熱：dQ=αi（T-Tw)dSi(4.4——1）——熱傳導(dǎo)導(dǎo)：λλ(4.4—2)——對(duì)流傳傳熱：dQ=αo（tw-t)dSo(4.4——3)聯(lián)立方程程式(4.4——1）(4.4—2)(4.4——3)得得：4.4換換熱器的的傳熱計(jì)計(jì)算(續(xù)續(xù))得：由上式解解得dQ,并在上式式兩邊均均除以dSo,得:又∵∴得:比較公式式dQ=Ko(T-t)dSo,可以得得出:3)污垢垢熱阻換熱器在在實(shí)際操操作中,傳熱表表面所沉沉積的污污垢是影影響總傳傳熱系數(shù)數(shù)K值主要因因數(shù),換換熱管壁壁上的污污垢熱阻阻分別用用Rsi和Rso表示，則則總傳熱熱系數(shù)K值的倒數(shù)數(shù)即為換換熱器的的熱阻,即:4.4換換熱器的的傳熱計(jì)計(jì)算(續(xù)續(xù))討論:提提高換熱熱器的總總傳熱系系數(shù)K值的方法法:(1)降降低換熱熱管管壁壁的厚度度;(2)降降低污垢垢熱阻,從換熱器器熱阻的的公式可可以看到到:上述述公式簡(jiǎn)簡(jiǎn)化為:當(dāng)αi＞＞αo時(shí),則:K≈αo.由此可以以看出:要提高高換熱器器的傳熱熱效率,提高殼殼程流體體的對(duì)流流傳熱系系數(shù)αo非常重要要.4.5換換熱器熱熱力設(shè)計(jì)計(jì)4.5.1熱力力設(shè)計(jì)的的任務(wù)換熱器熱熱力設(shè)計(jì)計(jì)就是應(yīng)應(yīng)用基本本的傳熱熱學(xué)、流流體力學(xué)學(xué)及換熱熱器結(jié)構(gòu)構(gòu)的基本本知識(shí)，，合理選選擇換熱熱器的參參數(shù)及結(jié)結(jié)構(gòu)，同同時(shí)進(jìn)行行換熱器器的傳熱熱計(jì)算和和壓降計(jì)計(jì)算。計(jì)計(jì)算分為為設(shè)計(jì)計(jì)計(jì)算和校校核計(jì)算算兩種。。設(shè)計(jì)計(jì)算算：以經(jīng)經(jīng)設(shè)定換換熱器的的傳熱量量和兩種種換熱介介質(zhì)的參參數(shù)（進(jìn)進(jìn)、出口口的溫度度；壓力力等）。。進(jìn)行換換熱器傳傳熱面積積的確定定，進(jìn)而而確定換換熱器的的結(jié)構(gòu)或或選擇標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)型的的換熱器器；校核計(jì)算算：以給給定換熱熱器的具具體結(jié)構(gòu)構(gòu)和某些些參數(shù)，，要求核核算換熱熱器的其其他參數(shù)數(shù)（如介介質(zhì)進(jìn)出出口的溫溫度等））及傳熱熱量。4.5.2換熱熱器熱力力設(shè)計(jì)的的基本條條件和一一般原則則換熱器設(shè)計(jì)人人員應(yīng)該具有有根究工藝生生產(chǎn)的某些條條件（例如工工作溫度、溫溫差、壓力、、壓差、介質(zhì)質(zhì)的物理化學(xué)學(xué)性質(zhì)等）來來進(jìn)行合理選選擇換熱器的的結(jié)構(gòu)和所需需材料的知識(shí)識(shí)和技能。換熱器器設(shè)計(jì)計(jì)的好好壞最最終看看是否否適用用、經(jīng)經(jīng)濟(jì)、、安全全可靠靠、操操作和和維修修方便便等指指標(biāo)來來衡量量。4.5.3換熱熱器運(yùn)運(yùn)行參參數(shù)和和工藝藝條件件的選選擇4.5.3.1換熱熱器換換熱介介質(zhì)流流程順順序的的選擇擇：4.5換熱熱器熱熱力設(shè)設(shè)計(jì)（（續(xù)））介質(zhì)的的流程程有三三種，，根究究具體體工藝藝來選選擇1）逆逆流程程序：：這種種流程程組合合的平平均溫溫度差差Δtm較大，，在相相同傳傳熱量量的情情況下下其傳傳熱面面積較較小，，因而而體積積也較較小，，比較較經(jīng)濟(jì)濟(jì)，一一般優(yōu)優(yōu)先采采用；；2）并并流程程序：：這種種流程程組合合的平平均溫溫度差差Δtm較小，，一般般盡量量不采采用；；3）折折流程程序：：在工工業(yè)中中用的的最多多，其其中有有簡(jiǎn)單單折流流和復(fù)復(fù)雜折折流，，一般般按具具體工工藝要要求來來決定定。4.5.3.2介質(zhì)質(zhì)流速速和允允許壓壓降的的選擇擇提高介介質(zhì)流流速可可以提提高換換熱系系數(shù)，，在換換熱量量相同同的情情況下下可以以減少少傳熱熱面積積，使使換熱熱器結(jié)結(jié)構(gòu)緊緊湊，，同時(shí)時(shí)流速速的提提高可可以抑抑制污污垢的的生成成，有有利于于總傳傳熱系系數(shù)的的提高高；但但流速速的增增加使使得管管路的的壓降降增大大，不不僅增增加了了能耗耗，而而且容容易沖沖刷腐腐蝕換換熱管管的傳傳熱面面，加加速換換熱器器的損損壞。。根據(jù)據(jù)計(jì)算算提高高流速速使壓壓降的的提升升速率率遠(yuǎn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于于換熱熱系數(shù)數(shù)提升升的速速率，，得不不償失失。合理的的允許許壓降降是與與系統(tǒng)統(tǒng)運(yùn)行行壓力力有關(guān)關(guān)，管管、殼殼程流流體的的合理理流速速的設(shè)設(shè)定將將有利利于換換熱器器的安安全、、高效效運(yùn)行行，運(yùn)運(yùn)行操操作人人員應(yīng)應(yīng)嚴(yán)格格按照照換熱熱器手手冊(cè)的的有關(guān)關(guān)要求求來操操作。。一般般來說說，殼殼程流流速為為管程程流速速之半半。4.5.3.3換熱熱器介介質(zhì)溫溫差和和換熱熱終溫溫確定定換熱器器冷熱熱介質(zhì)質(zhì)的溫溫度、、冷熱熱介質(zhì)質(zhì)的溫溫度差差的合合理選選擇將將提高高平均均溫差差，降降低4.5換熱器器熱力力設(shè)計(jì)計(jì)（續(xù)續(xù)）污垢的的生成成，增增加傳傳熱系系數(shù)。。換熱器器終端端溫度度對(duì)傳傳熱效效率和和傳熱熱強(qiáng)度度有很很大的的影響響。例例如當(dāng)當(dāng)熱、、冷介介質(zhì)進(jìn)進(jìn)行逆逆流換換熱時(shí)時(shí)，若若冷流流體的的出口口溫度度接近近熱流流體的的入口口溫度度時(shí)，，則熱熱利用用率為為最大大，但但傳熱熱強(qiáng)度度最小小，因因此所所需的的傳熱熱面積積最大大。對(duì)對(duì)于多多程換換熱，，在確確定換換熱終終溫時(shí)時(shí)應(yīng)避避免出出現(xiàn)溫溫度交交叉現(xiàn)現(xiàn)象(即反反向傳傳熱現(xiàn)現(xiàn)象),從從而降降低總總平均均傳熱熱系數(shù)數(shù)而降降低換換熱器器的換換熱效效率.多程程換熱熱器的的終溫溫可參參考以以下數(shù)數(shù)據(jù):1)熱端溫差不不小于20℃;冷端溫溫差不小于于5℃;2)冷卻器器中冷卻劑劑的初溫應(yīng)應(yīng)高于被冷冷卻劑的凝凝固點(diǎn),其其終溫應(yīng)比比被冷凝流流體的露點(diǎn)點(diǎn)低5℃.3)對(duì)于空空冷換熱器器的熱流體體出口溫度度與空氣入入口溫差應(yīng)應(yīng)不小于20℃;4)為避免免溫度交叉叉,應(yīng)把較較小一端的的溫差加大大到20℃以上.4.5換熱器熱力力設(shè)計(jì)（續(xù)續(xù)）4.5.3.4換熱熱器的平均均溫壓所謂溫壓是是指由溫差差而引起的的壓力(推推動(dòng)力),其大小除除直接受冷冷熱介質(zhì)的的流動(dòng)形式式和出口溫溫度外,還還受以下幾幾種因數(shù)影影響,在設(shè)設(shè)計(jì)或選擇擇換熱器時(shí)時(shí)應(yīng)予以充充分考慮:1)流體的的熱容量;2)換熱流流程的安排排;3)多熱源源的利用等等.4.5.3.5換熱熱器冷熱流流體的流徑徑選擇選擇的原則則是:有利利于傳熱、、減小壓力力損失、減減少材料損損耗一降低低制造成本本、經(jīng)濟(jì)、、安全可靠靠和維修方方便等等因因素。1）流量小小或黏度大大的走殼程程；2）對(duì)于剛剛性結(jié)構(gòu)的的換熱器，，當(dāng)兩換熱熱流體溫差差很大時(shí)，，應(yīng)使換熱熱系數(shù)大的的流體走管管程，以減減小管束和和殼體的膨膨脹；3）流體溫溫度與環(huán)境境溫差大者者走管程，，與環(huán)境溫溫差小者則則走殼程；；4）飽和蒸蒸汽宜走殼殼程，因?yàn)闉闅こ虒?duì)流流速和清洗洗要求不大大，且容易易排除冷凝凝水；5）容易結(jié)結(jié)垢、有沉沉淀物的不不清潔流體體宜走管程程，冷凝器器中的冷卻卻水就走管管程；6）有毒介介質(zhì)、高溫溫高壓或有有腐蝕性的的介質(zhì)宜走走管程，允允許壓降小小的走殼程程。4.6換熱器結(jié)構(gòu)構(gòu)部件及參參數(shù)的選擇擇4.6.1換熱管束束1）換熱管管：換熱管管的管型、、管徑、管管長(zhǎng)以及管管子的材質(zhì)質(zhì)對(duì)換熱器器性能和經(jīng)經(jīng)濟(jì)性具有有較大的影影響；2）換熱管管束排列換熱管束排排列的要求求是均布、、緊湊并考考慮管間的的清洗要求求和結(jié)構(gòu)上上的要求。。有以下幾幾種排列：正三角形形排列、轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)角正三角角形、正方方形排列、、轉(zhuǎn)角正三三角、同心心圓以及組組合式排列列。（見下下圖）4.6換熱器結(jié)結(jié)構(gòu)部件件及參數(shù)數(shù)的選擇擇（續(xù)））換熱管束束排列形形式取決決于換熱熱器的結(jié)結(jié)構(gòu)形式式、換熱介質(zhì)的的物性、、流體傳傳熱時(shí)的的壓降以以及傳熱熱系數(shù)等要求來來決定。。例如正正三角形形排列具具有布管管緊湊，，單位管板板上布管管數(shù)量較較正四方方形排列列要多出出15%，，同時(shí)其傳傳熱系數(shù)數(shù)較高；；但是管管間污垢垢不容易易清洗、、且殼程流體的的壓降較大等等。無論是哪種排排列方式，管管束部件中最最外圍管子的外壁與殼體體內(nèi)壁之間的的距離不應(yīng)小小于10mm。3）管間距：：管間距s一一般取管子直直徑do的1.25倍，，但應(yīng)保證兩管管子外壁之間間的通道不小小于6mm用用來清洗管子外壁。。對(duì)于蒸發(fā)器器來說，為了了使蒸汽的流流動(dòng)，一般其其管間距s取取為1.5倍倍的管徑。4）管束安裝裝轉(zhuǎn)角：對(duì)于于臥式冷凝器器，為了減小小液膜在列管管上的包角及及液膜厚度，，管板在裝配配時(shí)，其軸線線（對(duì)正三角角形排列，軸軸線指六邊形形對(duì)角錢，對(duì)對(duì)正方形排列列，軸線指正正方形的邊））應(yīng)與設(shè)備的的水平軸線偏偏轉(zhuǎn)一定角度度，如圖4.4－6所示示正三角形排列列：α=30o–arcsin(do/2);do——管子外徑徑(mm)正方形排列：：α=26o25′4.6換熱器結(jié)構(gòu)部部件及參數(shù)的的選擇（續(xù)））5)管束分程程：當(dāng)換熱器器換熱面積較較大而管子又又不能很長(zhǎng)時(shí)時(shí)，就得將管管束分程。多多管程換熱器器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，，流體穿過隔隔板墊片短路路機(jī)會(huì)增多。。隔板占據(jù)的的位置在殼程程會(huì)形成無管管占據(jù)的流體體走廊，造成成殼程流體的的旁路而不利利于傳熱。（1））分程程原則則：分分程時(shí)時(shí)采用用偶數(shù)數(shù)，每每程中中的管管數(shù)應(yīng)應(yīng)大致致相等等，分分程隔隔板的的形狀狀應(yīng)簡(jiǎn)簡(jiǎn)單，，相鄰鄰程間間的跨跨程溫溫度一一般不不超過過20℃。。管程程數(shù)越越多，，設(shè)備備造價(jià)價(jià)越高高。管管程數(shù)數(shù)除單單程外外，一一般有有2、、4、、6、、8、、10、12等等七種種，以以2、、4程程應(yīng)用用較多多。（2））分程程方法法：當(dāng)當(dāng)前普普遍采采用的的分程程方法法有平平行和和T形形兩種種，其其分程程隔板板布置置如表表4.4－－4所所示。。這兩兩種方方法各各有優(yōu)優(yōu)劣，，例如如對(duì)于于4管管程，，平行行分程程在工工藝安安裝采采用換換熱器器迭加加時(shí)，，接管管方便便，可可使管管箱內(nèi)內(nèi)放盡盡殘液液，T形分分程在在制造造上可可于雙雙程管管板共共用模模板，，尚可可多排排些管管子。。4.6換熱器結(jié)結(jié)構(gòu)部件件及參數(shù)數(shù)的選擇擇（續(xù)））4.6.2管板管板的作作用是固固定換熱熱管束，，并用來來作為換換熱器兩兩端間壁壁將管、、殼程流流體相互互分開。。管板單單層管板板和雙層層管板兩兩種。1）管板板上的管管孔數(shù):式中：n——管管數(shù)S——總總傳熱面面積，m；do———換熱管管外徑，，mm；；L——單單程管長(zhǎng)長(zhǎng)，m。。根據(jù)管數(shù)數(shù)及管間間距，按按正三角角型或正正方型排排列方式式，用作作圖法最最后確定定管數(shù)。。2）管板板的連接接：管板板的連接接分為管管板與管管束的連連接和與與殼體、、管箱的的連接。。（1）管管板與管管束的連連接：之之間的連連接必須須牢固緊緊密、不不發(fā)生泄泄漏，同同時(shí)連接接后不會(huì)會(huì)產(chǎn)生不不正常的的應(yīng)力和和變形。。連接形形式有：：脹接、、焊接和和焊后再再脹三種種方法。。脹接一一般用于于設(shè)計(jì)壓壓力不大大于40bar(4Mpa)、溫度度在350℃以以下的共共況。焊焊接一般般適用于于高溫高高壓、易易燃易爆爆的工況況。焊接接和焊后后再脹的的連接則則用于要要求高的的情況下下，例如如核電站站的蒸發(fā)發(fā)器、高高低壓蒸蒸汽加熱熱器等重重要設(shè)備備中。4.6換熱器器結(jié)構(gòu)構(gòu)部件件及參參數(shù)的的選擇擇（續(xù)續(xù)）（2））管板板與殼殼體及及管箱箱的連連接管板與與殼體體的連連接有有可拆拆和不不可拆拆兩種種。固固定管管板式式換熱熱器常常采用用不可可拆連連接。。兩端端管板板直接接焊于于外殼殼之上上并伸伸出殼殼體圓圓周外外兼作作法蘭蘭，如如圖4.4－7所示，，拆下下管箱箱可檢檢修脹脹口或或清掃掃管內(nèi)內(nèi)。浮浮頭式式、U型管式式等為為使殼殼程清清洗方方便，，常將將管板板夾在在殼程程法蘭蘭和管管箱法法蘭之之間構(gòu)構(gòu)成可可拆連連接，，如圖圖4.4－8所示。。此外外，高高壓換換熱器器管板板與管管箱筒筒體的的連接接一般般不采采用法法蘭連連接，，為防防止泄泄漏而而將管管板或或管箱箱焊成成或鍛鍛成一一體，，如圖圖4.4－9所示。。4.6換熱器器結(jié)構(gòu)構(gòu)部件件及參參數(shù)的的選擇擇（續(xù)續(xù)）（3））管板板的厚厚度管板厚厚度與與材料料強(qiáng)度度、介介質(zhì)壓壓力、、溫度度和壓壓差、、溫差差以及及管子子和外外殼的的固定定方式式等因因素有有關(guān)。。設(shè)計(jì)計(jì)時(shí)應(yīng)應(yīng)根據(jù)據(jù)換熱熱器的的結(jié)構(gòu)構(gòu)形式式和具具體工工況來來決定定管板板的厚厚度。。（4）薄管板高溫高壓換換熱器（通通常認(rèn)為是是溫度超過過350℃，壓力超過100bar的換熱器））的熱應(yīng)力力和機(jī)械應(yīng)應(yīng)力的疊加作作用是當(dāng)前前的主要矛矛盾。對(duì)于于高溫高壓壓換熱器的管管板，其強(qiáng)強(qiáng)度要求與與減小熱應(yīng)應(yīng)力的要求求是矛盾的。。減小管板板厚度能減減小管板熱熱、冷兩側(cè)側(cè)的熱應(yīng)力，，但會(huì)遇到到高壓下強(qiáng)強(qiáng)度要求的的限制。對(duì)對(duì)于固定管板板則必須同同時(shí)考慮管管束與殼體體間的溫差差應(yīng)力、管板板本身的軸軸、徑向溫溫差應(yīng)力以以及管板機(jī)機(jī)械強(qiáng)度要求求。為此出出現(xiàn)了稱為為彈性管板板的一些新新型結(jié)構(gòu)的薄薄管板。其其共同特點(diǎn)點(diǎn)是都帶有有圓弧形、、橢圓形、、碟形、球球形等結(jié)構(gòu)構(gòu)，有利于于增加承壓壓能力，同同時(shí)可利用用其彈性變變形來部分分吸收熱膨膨脹差值。。如圖4.4－10所示為橢圓圓形管板。。4.6換熱器結(jié)構(gòu)構(gòu)部件及參參數(shù)的選擇擇（續(xù)）4.6.3管箱箱管箱是管程程流體進(jìn)口口均勻分流流和出口匯匯流的空間間，在多管管程換熱器器中，它還還起改變流流體流向的的作用。管管箱的結(jié)構(gòu)構(gòu)要有利于于承壓介質(zhì)質(zhì)流動(dòng)均允允及拆裝、、清洗方便便等。管箱箱有多種形形式，最常常用的是如如圖4.4－11所所示的平蓋蓋管箱和封封頭管箱，，前者制造造較容易，，但承壓能能力弱于后后者。應(yīng)盡盡量采用封封頭管箱，，特別是對(duì)對(duì)于大直徑徑及較高壓壓力的換熱熱器尤其應(yīng)應(yīng)該優(yōu)先考考慮使用封封頭管箱。。圖4.4—12為為雙層隔板板，圖4.4—13為管箱隔隔板與管板板之間的連連接。4.6換熱器結(jié)構(gòu)構(gòu)部件及參參數(shù)的選擇擇（續(xù)）4.6.4殼體:殼殼體的結(jié)構(gòu)構(gòu)形式在換換熱器的傳傳熱計(jì)算前前就決定了了,其壁厚厚是根據(jù)強(qiáng)強(qiáng)度理論來來計(jì)算,即即:式中:S—?dú)んw體壁厚，mm；P—設(shè)計(jì)壓壓力，Mpa；[σ]—設(shè)設(shè)計(jì)溫度下下材料的許許用應(yīng)力，，Mpa；；C—考慮腐腐蝕等因素素的壁厚附附加量，mm；φ—焊縫系系數(shù)，按設(shè)設(shè)計(jì)規(guī)定選選取。換熱器殼體體的設(shè)計(jì)應(yīng)應(yīng)滿足強(qiáng)度度、剛度、、穩(wěn)定性、、密封性、、制造、安安裝、運(yùn)輸輸和維修方方便等要求求。換熱器殼體體的內(nèi)徑與與換熱管束束的形式有有關(guān)，內(nèi)徑徑的計(jì)算公公式如下：：Di=s(nc-1)+2b式中中:s——任任兩兩個(gè)個(gè)換換熱熱管管的的中中心心距距，，一一般般取取s=（（1.25～～1.5））do（do為為管管外外徑徑））；；nc—不不同同排排列列形形式式的的換換熱熱管管數(shù)數(shù)，，例例如如：：正正三三角角形形：：nc=1,1(n））o.5;正正方方形形：：nc=1,19(n））o.5殼體體的的分分程程主主要要是是使使殼殼程程流流體體的的流流速速增增加加，，強(qiáng)強(qiáng)化化傳傳熱熱。。由由于于采采用用縱縱向向隔隔板板的的結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)比比較較復(fù)復(fù)雜雜，，同同時(shí)時(shí)殼殼程程流流速速的的增增加加會(huì)會(huì)使使壓壓降降提提高高，，因因此此一一般般是是有有條條件件的的使使用用。。4.6換熱熱器器結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)部部件件及及參參數(shù)數(shù)的的選選擇擇（（續(xù)續(xù)））4.6.5折折流流板板和和支支承承板板1））折折流流板板的的作作用用：：除除加加大大殼殼程程流流體體紊紊流流以以有有利利于于傳傳熱熱外外(如如圖圖4.6——14)，，還還能能支支撐撐管管束束防防止止振振動(dòng)動(dòng)及及彎彎曲曲.2）折流板的的形式：折流流板的形式有有圓缺型、盤盤環(huán)型、管孔孔型等，如圖圖4.6—15;4.6—16;4.6—17所示。換熱熱器中一般采采用圓缺形折折流板和盤環(huán)環(huán)形折流板,圓缺形折流流板用的最多多,其切口往往往是垂直方方向布置,以以減小固體微微粒和不凝氣氣體的滯留.4.6換熱器結(jié)構(gòu)部部件及參數(shù)的的選擇（續(xù)））3)支承板:支支承板對(duì)換熱熱管束起支承承作用。在臥臥式換熱器中中支承板除了了支承換熱管管束作用外,還起折流板板的作用，為為便于支承管管束，防止其其下垂和振動(dòng)動(dòng)，常設(shè)置弓弓形或半圓形形支承板。每每個(gè)支承板只只能支撐半數(shù)數(shù)管子，故必必須交錯(cuò)排列列，并以垂直直切口為宜。。4.6.6進(jìn)、、出口接接管及防防沖導(dǎo)流流裝置在換熱器器殼體和和管箱上上按需要要要裝上上接管或或接口。。管、殼殼程流體體的進(jìn)出出口，殼殼體和管管箱底部部的排冷冷凝液管管和上部部的排汽汽管、管管殼程需需要的安安全閥、、各種儀儀表和取取樣接管管等。一般來說說，管程程流體的的進(jìn)口接接管位置置應(yīng)低于于出口接接管的位位置。殼程流流體的進(jìn)進(jìn)口因垂垂直于管管束，因因此在對(duì)對(duì)著進(jìn)口口管處的的管束上上面應(yīng)設(shè)設(shè)置防沖沖板，以以防止管管束受到到橫向的的沖刷腐腐蝕。防防沖擋板板及導(dǎo)流流裝置的的結(jié)構(gòu)形形式如右右圖所示示。4.7換換熱器器運(yùn)行中中的主要要問題4.7.1換熱器的熱熱應(yīng)力和熱熱補(bǔ)償由于列管式式換熱器在在運(yùn)行中產(chǎn)產(chǎn)生熱應(yīng)力力，因此必必須考慮換換熱器的熱熱補(bǔ)償。1）列管式式換熱器的的熱應(yīng)力右圖a所示示為固定管管板式換熱熱器在常溫狀態(tài)態(tài)下管、殼殼的自由長(zhǎng)長(zhǎng)度，b為為運(yùn)行溫度下無約約束時(shí)管、、殼的長(zhǎng)度度（由于管管子的溫度高于殼殼體溫度，，因此管子子的受熱后后的長(zhǎng)度δt大于殼體的的長(zhǎng)度δs），c為運(yùn)運(yùn)行狀態(tài)下下管、殼受約約束的長(zhǎng)度度（由于管管子和殼體體連在一起起，因此盡盡管管子和和殼體所受受的溫度不不同，但長(zhǎng)長(zhǎng)度相等為為δ）。分析：：運(yùn)行無約約束狀態(tài)下下，管子所所受到的溫溫度高于殼殼體，因此此熱脹長(zhǎng)度度要大于殼殼體，即δt＞δs；在管子與殼殼體連在一一起時(shí)的熱熱脹長(zhǎng)度δ則小于δt，而大于δs，即δ＜δt；δ＞δs。由此可以看看出固定管管板式換熱熱器在運(yùn)行行時(shí)，管子子是屬于受受壓狀態(tài)；；而殼體則則屬于受拉拉狀態(tài)。尤尤其在冷熱熱流體溫差差大于50℃時(shí)，管管子和殼體體所受到很很大的拉應(yīng)應(yīng)力和壓應(yīng)應(yīng)力，因此此在結(jié)構(gòu)上上必須采取取熱補(bǔ)償措措施。2）熱補(bǔ)償償措施4.7換換熱器運(yùn)行行中的主要要問題換熱器的熱熱補(bǔ)償措施施有以下幾幾種：補(bǔ)償償節(jié)（一般般裝在固定定管板式換換熱器的殼殼體上）、、U形管管結(jié)構(gòu)、浮浮頭形結(jié)構(gòu)構(gòu)和撓性管管板等。4.7.2換熱器的的振動(dòng)與防防振措施1)列管式換熱熱器因殼程程流體流動(dòng)動(dòng)可能引起起管束振動(dòng)動(dòng)或聲振動(dòng)動(dòng)，管束振振動(dòng)將使管管子磨損、、疲勞和管管子與管板板連接處松松脫，造成成泄漏或結(jié)結(jié)構(gòu)破壞，，聲振動(dòng)將將發(fā)出嚴(yán)重重噪音。任任何振動(dòng)現(xiàn)現(xiàn)象都存在在有激振力力和彈性結(jié)結(jié)構(gòu)。當(dāng)激激振力作用用頻率和彈彈性結(jié)構(gòu)的的固有頻率率相耦合發(fā)發(fā)生共振時(shí)時(shí)，設(shè)備振振動(dòng)現(xiàn)象隨隨即出現(xiàn)。。因此，對(duì)對(duì)于振動(dòng)現(xiàn)現(xiàn)象的分析析必須從激激振力和彈彈性結(jié)構(gòu)這這兩個(gè)方面面著手。目目前，對(duì)于于換熱器振振動(dòng)的激振振機(jī)理主要要是卡門渦渦流脫落理理論。4.7換換熱器運(yùn)行行中的主要要問題1）產(chǎn)生振動(dòng)的的原因當(dāng)流體繞流流管子（圓圓柱體）時(shí)時(shí)，在其兩兩側(cè)流體速速度發(fā)生變變化。如圖圖4.5－4所示，流體體從點(diǎn)A到點(diǎn)C逐漸加速，，動(dòng)能增加加，經(jīng)過C點(diǎn)（區(qū)段））后，逐漸漸減速，動(dòng)動(dòng)能減小。。根據(jù)柏努努利定律，，流體動(dòng)能能與壓力勢(shì)勢(shì)能互相轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換，因而而從點(diǎn)A到點(diǎn)C，流體壓力力減少，從從C到B逐漸增大。。隨著雷諾諾數(shù)的增大大，管子