固定管板式換熱設(shè)計(jì)

1、固定管板式換熱器1 選題背景本設(shè)計(jì)課題來源于生產(chǎn)實(shí)際。換熱器是把熱量從一種介質(zhì)傳給另一種介質(zhì)的設(shè)備。換熱器是化工、石油、制藥及能源等行業(yè)中應(yīng)用相當(dāng)廣泛的單元設(shè)備之一。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在現(xiàn)代化學(xué)工業(yè)中所用換熱器的投資大約占設(shè)備總投資的30 % ，在煉油廠中換熱器占全部工藝設(shè)備的40 %左右，海水淡化工藝裝置則幾乎全部是由換熱器組成的。上個(gè)世紀(jì)70 年代初發(fā)生的世界性能源危機(jī)，有力地促進(jìn)了傳熱強(qiáng)化技術(shù)的發(fā)展。為了節(jié)能降耗，提高工業(yè)生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)效益，要求開發(fā)適用于不同工業(yè)過程要求的高效能換熱設(shè)備。這是因?yàn)?，隨著能源的短缺(從長遠(yuǎn)來看，這是世界的總趨勢(shì))，可利用熱源的溫度越來越低，換熱允許溫差將變得更小，當(dāng)然，對(duì)

2、換熱技術(shù)的發(fā)展和換熱器性能的要求也就更高。所以，這些年來，換熱器的開發(fā)與研究成為人們關(guān)注的課題。1.1 研究的目的換熱器為石油，化工、食品、原子能及其它化工部門所廣泛使用的一種工藝設(shè)備。一般情況換熱器約占石油化工裝置設(shè)備總重量的40%，其中又以管殼式換熱器為主，因此管殼式換熱器的研究開發(fā)和標(biāo)準(zhǔn)制訂一向受到各國的重視，例如美國的TEMA和日本的JISB8249就是管殼式換熱器的專用標(biāo)準(zhǔn)。近年來，隨著制造技術(shù)的進(jìn)步，強(qiáng)化傳熱元件的開發(fā)，使得新型高效換熱器的研究有了較大的發(fā)展，根據(jù)不同的工藝條件與換熱工況設(shè)計(jì)制造了不同結(jié)構(gòu)形式的新型換熱器，并已在化工、煉油、石油化工、制冷及制藥各行業(yè)得到應(yīng)用與推廣，

3、取得了較大的經(jīng)濟(jì)效益。各式換熱器的設(shè)計(jì)思想各有新穎之處，結(jié)構(gòu)上各具特色。有的在于強(qiáng)化管內(nèi)傳熱，有的著眼于殼程強(qiáng)化傳熱，有的改進(jìn)了管箱設(shè)計(jì)，有的著重防止管板誘導(dǎo)振動(dòng)，有的緊湊了設(shè)備結(jié)構(gòu)，有的在于防腐防垢。其中最先進(jìn)的要數(shù)PACKINOX、SRCTM、HelixchangerTM、Twisted-tube Exchanger、HiTRAN、Hybrid、Exotic Heat Exchanger 幾種換熱器。固定管板式換熱器的兩端管板采用焊接方法與殼體連接固定。換熱管可為光管或低翅管。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造成本低，能得到較小的殼體內(nèi)徑，管程可分成多樣，殼程也可用縱向隔板分成多程，規(guī)格范圍廣，故在工程中廣

4、泛應(yīng)用。 1.2 研究的意義換熱器是合理利用與節(jié)約現(xiàn)有能源、開發(fā)新能源的關(guān)鍵設(shè)備。當(dāng)今世界，現(xiàn)有能源主要為煤、石油、天然氣等資源。有限的儲(chǔ)量難以滿足工業(yè)及人們生活日益增長的需要，因此，合理利用現(xiàn)有能源及開發(fā)新能源已成為世界性的研究課題。在生產(chǎn)中大部分燃料釋放的能量是通過換熱設(shè)備傳遞的，換熱器的合理設(shè)計(jì)、性能改善將直接關(guān)系著現(xiàn)有能源的合理利用?？晒╅_發(fā)的新能源：核能、太陽能、地?zé)崮艿纫峁┕I(yè)及生活使用，無一不需要大量符合使用要求的各式換熱器。換熱器的正確設(shè)置、合理設(shè)計(jì)、性能改善等對(duì)能源的有效利用及開發(fā)有著十分重要的意義。1.3 國內(nèi)外現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)與研究主攻方向換熱器是化工、石油、制藥及能源等

5、行業(yè)中應(yīng)用相當(dāng)廣泛的單元設(shè)備之一。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在現(xiàn)代化學(xué)工業(yè)中所用換熱器的投資大約占設(shè)備總投資的30 % ，在煉油廠中換熱器占全部工藝設(shè)備的40 %左右，海水淡化工藝裝置則幾乎全部是由換熱器組成的。上個(gè)世紀(jì)70 年代初發(fā)生的世界性能源危機(jī)，有力地促進(jìn)了傳熱強(qiáng)化技術(shù)的發(fā)展。為了節(jié)能降耗，提高工業(yè)生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效益，要求開發(fā)適用不同工業(yè)過程要求的高效能換熱設(shè)備。因此，幾十年來，高效換熱器的開發(fā)與研究始終是人們關(guān)注的課題，國內(nèi)外先后推出了一系列新型高效換熱器。世界爆發(fā)能源危機(jī)，有力地促進(jìn)了傳熱強(qiáng)化技術(shù)的發(fā)展。為了節(jié)能降耗，提高工業(yè)生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)效益，要求開發(fā)適用于不同工業(yè)過程要求的高效能換熱設(shè)備。這是因?yàn)?，隨著能

6、源的短缺(從長遠(yuǎn)來看，這是世界的總趨勢(shì))，可利用熱源的溫度越來越低，換熱允許溫差將變得更小，當(dāng)然，對(duì)換熱技術(shù)的發(fā)展和換熱器性能的要求也就更高。所以，這些年來，換熱器的開發(fā)與研究成為人們關(guān)注的課題。換熱器是國民經(jīng)濟(jì)和工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中應(yīng)用十分廣泛的熱量交換設(shè)備，隨著現(xiàn)代新工藝、新技術(shù)、新材料的不斷開發(fā)和能源問題的日趨嚴(yán)重，世界各國已普遍把石油化工深度加工和能源綜合利用擺到了十分重要的位置，換熱器因而面臨著新的挑戰(zhàn)。換熱器的性能對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量、能量利用率以及系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和可靠性起著重要的作用，有時(shí)甚至是決定性的作用。目前在發(fā)達(dá)的工業(yè)國家熱回收率已達(dá)96%。換熱設(shè)備在現(xiàn)代裝置中約占設(shè)備總重的30%左右，

7、其中管殼式換熱器仍然占絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)，約占70%，其余30%為各類高效緊湊式換熱器、新型熱管熱泵和蓄熱器等設(shè)備，其中板式、螺漩板式、板翅式以及各類高效傳熱元件的發(fā)展十分迅速。在繼續(xù)提高設(shè)備熱效率的同時(shí)，也促進(jìn)了換熱設(shè)備結(jié)構(gòu)的緊湊性、產(chǎn)品系列化、標(biāo)準(zhǔn)化和專業(yè)化，并朝大型化的方向發(fā)展。近年來，國內(nèi)已經(jīng)進(jìn)行了大量的強(qiáng)化傳熱技術(shù)的研究，但在新型高效換熱器的開發(fā)方面與國外差距仍然較大，并且新型高效換熱器的實(shí)際推廣和應(yīng)用仍非常有限。尚需從事?lián)Q熱器專業(yè)的技術(shù)人員在制造工藝方面加大力度進(jìn)行研究，使我國換熱器技術(shù)從各個(gè)方面趕上國際水平，也需要各換熱設(shè)備使用廠家勇于引進(jìn)和推廣新型高效換熱器，為我國的節(jié)能事業(yè)做出貢獻(xiàn)。

8、其次，新技術(shù)普遍應(yīng)用。普遍采用電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化（EDA）、計(jì)算機(jī)輔助制造(CAM)、計(jì)算機(jī)輔助測(cè)試(CAT)、數(shù)字信號(hào)處理(DSP)、專用集成電路(ASIC)及表面貼裝技術(shù)等。并且，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。在重視高檔儀器開發(fā)的同時(shí)，注重高新技術(shù)和量大面廣產(chǎn)品的開發(fā)與生產(chǎn)。注重系統(tǒng)集成，不僅著眼于單機(jī)，更注重系統(tǒng)、產(chǎn)品軟件化。隨著各類儀器裝上CPU，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化后，軟件上投入了巨大的人力、財(cái)力。今后的儀器設(shè)計(jì)歸納成一個(gè)簡(jiǎn)單的公式：儀器=AD/DA+CPU+軟件，AD芯片將模擬信號(hào)變成數(shù)字信號(hào)，在經(jīng)過軟件處理變換后用DA輸出。隨著工藝裝置的大型化和高效率化，換熱器也趨于大型化，并向低溫差設(shè)計(jì)和低壓力損失設(shè)

9、計(jì)的方向發(fā)展。同時(shí)，對(duì)其一方面要求成本適宜，另一方面要求高精度的設(shè)計(jì)技術(shù)。當(dāng)今換熱器技術(shù)的發(fā)展以CFD(Computational Fluid Dynamics)、模型化技術(shù)、強(qiáng)化傳熱技術(shù)及新型換熱器開發(fā)等形成了一個(gè)高技術(shù)體系發(fā)展趨勢(shì)：進(jìn)入21世紀(jì)以來，國外儀器行業(yè)的發(fā)展呈現(xiàn)出一些新的特點(diǎn)，引起了我國儀表業(yè)界的關(guān)注。一是新技術(shù)普遍應(yīng)用。普遍采用電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化（EDA）、計(jì)算機(jī)輔助制造(CAM)、計(jì)算機(jī)輔助測(cè)試(CAT)、數(shù)字信號(hào)處理(DSP)、專用集成電路(ASIC)及表面貼裝技術(shù)等。二是產(chǎn)品結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。在重視高檔儀器開發(fā)的同時(shí)，注重高新技術(shù)和量大面廣產(chǎn)品的開發(fā)與生產(chǎn)。注重系統(tǒng)集成，不僅著眼

10、于單機(jī)，更注重系統(tǒng)、產(chǎn)品軟件化。隨著各類儀器裝上CPU，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化后，軟件上投入了巨大的人力、財(cái)力。今后的儀器設(shè)計(jì)歸納成一個(gè)簡(jiǎn)單的公式：儀器=AD/DA+CPU+軟件，AD芯片將模擬信號(hào)變成數(shù)字信號(hào)，在經(jīng)過軟件處理變換后用DA輸出。三是產(chǎn)品開發(fā)準(zhǔn)則發(fā)生變化。從技術(shù)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)為市場(chǎng)驅(qū)動(dòng)，從一味追求高精尖轉(zhuǎn)為恰到好處。開發(fā)一項(xiàng)成功產(chǎn)品的準(zhǔn)則是：滿足用戶明確的需求；用最短的時(shí)間投放市場(chǎng)；功能與性能要恰到好處。四存在問題：今年來，國內(nèi)已經(jīng)進(jìn)行了大量的強(qiáng)化傳熱技術(shù)的研究，但在新型高效換熱器的開發(fā)方面與國外差距仍然較大，并且新型高效換熱器的實(shí)際推廣和應(yīng)用仍非常有限。尚需從事?lián)Q熱器專業(yè)的技術(shù)人員在制造工藝方面

11、加大力度進(jìn)行研究，使我國換熱器技術(shù)從各個(gè)方面趕上國際水平，也需要各換熱設(shè)備使用廠家勇于引進(jìn)和推廣新型高效換熱器，為我國的節(jié)能事業(yè)做出貢獻(xiàn).總之，在產(chǎn)品開發(fā)準(zhǔn)則上所發(fā)生的變化是不容忽視的。從技術(shù)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)為市場(chǎng)驅(qū)動(dòng)，從一味追求高精尖轉(zhuǎn)為恰到好處。開發(fā)一項(xiàng)成功產(chǎn)品的準(zhǔn)則是：滿足用戶明確的需求；用最短的時(shí)間投放市場(chǎng)；功能與性能要恰到好處2 方案論證2.1 概述換熱設(shè)備(或稱換熱器或稱熱交換器)就是用來實(shí)現(xiàn)熱量傳遞。在石油、化學(xué)工業(yè)生產(chǎn)中，常常需要把低溫流體加熱或者把高溫流體冷卻，把液體汽化成蒸汽或者把蒸汽冷凝成液體。這些過程均和熱量的傳遞有著密切的關(guān)系，因而全都可以通過換熱設(shè)備來完成。當(dāng)把換熱設(shè)備用于上

12、述不同過程時(shí)，通常把它們分別叫做加熱器，冷卻器，汽化器和冷凝器。判斷一臺(tái)換熱設(shè)備好壞的標(biāo)準(zhǔn)是 (1)傳熱效率高； (2)流體阻力??； (3)各部件強(qiáng)度足夠，結(jié)構(gòu)可靠； (4)節(jié)省材料，便于制造，成本低； (5)安裝、維修方便。2.2 傳熱原理熱的傳遞是由于物體內(nèi)部或物體之間的溫度不同而引起的。根據(jù)熱力學(xué)第二定律，當(dāng)無外功輸入時(shí)，熱量總是自動(dòng)地從溫度較高的物體傳給溫度較低的物體。只有在消耗機(jī)械功的條件下，才有可能由低溫物體向高溫物體傳遞熱量。傳熱的基本方式有三種：熱傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射。而換熱器是根據(jù)流體間對(duì)流達(dá)到傳熱目的的。對(duì)流是指流體各部分質(zhì)點(diǎn)發(fā)生相對(duì)位移而引起的熱量傳遞過程，只能發(fā)生在流體中。

13、冷、熱流體分別處在固體壁面的兩側(cè)，熱流體把熱量傳到壁面的一側(cè)，通過管壁后，再從壁面的另一側(cè)把熱量傳給冷流體。這稱為熱交換。如圖1中，冷流體定管內(nèi)，其溫度沿壁面由逐漸上升到；熱流體走管外，其溫度由逐漸下降到。冷、熱流體沿壁面平行流動(dòng)，而流動(dòng)方向彼此相反，即逆流。在熱交換過程中，不但要考慮經(jīng)過固體間壁的熱傳導(dǎo)，而且往往更重要的是要考慮到間壁兩側(cè)的對(duì)流傳熱。熱量自熱流體傳到間壁表面的一側(cè)，或自間壁另一例表面?zhèn)鹘o冷流體，都屬于對(duì)流傳熱。對(duì)流傳熱是在流體流動(dòng)的過程中發(fā)生的熱量傳遞現(xiàn)象，所以和流動(dòng)的情況密切相關(guān)。即使是在湍流流動(dòng)的情況下流體主流由于旋渦叢生，流體各部分相關(guān)。 圖1 換熱器傳熱示意圖即使是在

14、湍流流動(dòng)的情況下流體主流印由于旋渦叢生，流體各部分相互混合，所以熱阻很小，從而在和流體流動(dòng)方向垂直的截面上，湍流中心區(qū)各點(diǎn)流體之間的溫度趨于一致；但在緊靠壁面處，總有一層流體膜順著壁面作層流流動(dòng)，稱為層流底層。在冷流體一側(cè)，熱量在傳入冷流體主體之前，必須首先通過它。由于通過這層流體膜的傳熱是以導(dǎo)熱方式進(jìn)行的，所以流體膜雖薄，卻是對(duì)流傳熱的主要熱阻，溫度降也主要集中在層流底層中。分析一下圖1 中距離熱流體入口為處而與流體流動(dòng)垂直的截面上的溫度分布，如圖2所示。圖中與為層流底層的界面。為熱流體的中心溫度，也是最高溫度，為冷流體的中心溫度也即最低溫度。在熱流體的湍流主體中，由于流體質(zhì)點(diǎn)充分混合，溫度

15、基本上是一致的，即圖中。在層沉底層內(nèi)，由于熱阻較大，溫度急劇由下降到。在層流底層和湍流主體之間，存在一個(gè)溫度逐漸變化的區(qū)域，稱為過渡區(qū)，其中溫度圖2 對(duì)流傳熱時(shí)沿?zé)崃鞣较虻臏囟确植记闆r 由下降到。再往左通過管壁，因其材料通常為金屬，熱阻很小，因此，管壁兩側(cè)的溫度和相差很小。此后在冷流體內(nèi)，又順次通過層流底層、過渡區(qū)而到達(dá)湍流主體，溫度由經(jīng)下降到。傳熱方程式為：。換熱器中進(jìn)行的傳熱過程按照熱路分析方法是一條由對(duì)流換熱導(dǎo)熱對(duì)流換熱等傳熱環(huán)節(jié)組成的串聯(lián)熱路。2.3 換熱器的選型 每種形式的換熱器都有它本身的特點(diǎn)，明確它們各自的特點(diǎn)，將有助于對(duì)換熱器的選型。在設(shè)計(jì)換熱器時(shí)，對(duì)于形式的選擇是很重要的。一

16、般通過各種計(jì)算對(duì)所選形式進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)對(duì)比，以便確定最佳條件下?lián)Q熱器的形式。 在換熱器選型時(shí)，考慮的因素是很多，如材料、壓力、溫度、溫度差、壓力降、結(jié)垢的情況、流體的狀態(tài)、應(yīng)用方式、檢修和清理等。有些結(jié)構(gòu)形式在某種情況下使用是好的，但是在另外的情況下，卻不能令人滿意，或根本就不能使用。因此在選型時(shí)應(yīng)仔細(xì)分析所有的要求和條件，在許多相互制約的因素中應(yīng)全面考慮，找出其中的主要矛盾，給予妥善解決。根據(jù)上述在選型時(shí)所要考慮的各種因素看來，其目的就是要使所選換熱器的形式，能保證達(dá)到工藝所規(guī)定的換熱條件，強(qiáng)度足夠和結(jié)構(gòu)可靠，便于制造、安裝、檢修以及經(jīng)濟(jì)上的合理等。根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)書上給的已知參數(shù)，操作溫度在20

17、0左右，不是很高，兩種流體分別為柴油和鍋爐給水，較易清洗，不易結(jié)垢，管、殼壁溫差不大且設(shè)計(jì)的最高壓力2MPa，這些條件都在管殼式換熱器的適用的范圍內(nèi)，而管殼式換熱器可分為固定管板式、浮頭式、U形管式等，在這三種中，固定管板式結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單，在相同的殼體直徑內(nèi)，排數(shù)最多，比較緊湊，結(jié)合換熱器的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，選用固定管板式換熱器?？紤]到固定管板式換熱器熱膨脹能力差，將結(jié)合具體的計(jì)算來考慮是否設(shè)置膨脹節(jié)以減小殼體與管子兩者因溫差而產(chǎn)生的熱應(yīng)力來彌補(bǔ)固定管板式換熱器的這一缺陷。根據(jù)管、殼程進(jìn)出口溫度計(jì)算溫度修正系數(shù)，由值查參考文獻(xiàn)1圖615，至少應(yīng)選用2殼程，從經(jīng)濟(jì)等多方面考慮，決定選用2殼程4管程，即將兩臺(tái)

18、1殼程2管程的換熱器串聯(lián)。在相同的條件下，逆流傳熱比并流傳熱的溫差大，并能節(jié)省金屬用量，節(jié)省能源消耗，少占面積，故采用錯(cuò)流。3 固定管板式換熱器的設(shè)計(jì)3.1 熱力學(xué)計(jì)算已知數(shù)據(jù)殼體規(guī)格700；管箱規(guī)格750；換熱管規(guī)格 193，L=8000；設(shè)計(jì)壓力：殼程 1.6MPa， 管程 2MPa;設(shè)計(jì)溫度：殼程 220，管程200；柴油進(jìn)口溫度=175，柴油出口溫度=155；冷卻水進(jìn)口溫度=144，冷卻水出口溫度=163；3.1.1 水的定性溫度和物性參數(shù)水的定性溫度 （1） 水的比熱 Cp2=4.297KJ/KgK水的密度 kg/m3水的粘度 NS/m2水的導(dǎo)熱系數(shù) W/mK3.1.2 柴油的定性溫

19、度和物性參數(shù)柴油的定性溫度 （2） 柴油的比熱 CP1=2.48 KJ/KgK柴油的密度 kg/m3柴油的粘度 NS/m2柴油的導(dǎo)熱系數(shù) W/mK 3.1.3 有效平均溫差逆流時(shí)的平均溫差為 （3） 溫度校正系數(shù) （4） = （5）由P，R可查出溫度校正系數(shù)，若選用一殼程，所查出的小于0.8，不可取，故選用2殼程4管程換熱器。即將兩臺(tái)1殼程2管程的換熱器串聯(lián)。查表得 逆 （6） 3.1.4 傳熱量及質(zhì)量流量的計(jì)算殼體內(nèi)徑為，管子外徑，壁厚，管子內(nèi)徑 （7）=管間距 （8） =1.4管束中心處一排數(shù)管，由 （9）有 得總管子數(shù) = （10）則每程管數(shù) （11）實(shí)際傳熱面積為 （12） 初選傳熱系

20、數(shù) W/m2傳熱量 （13） 柴油的質(zhì)量流量 （14） 水的質(zhì)量流量 （15）=3.1.5 管程的換熱系數(shù)管程流通截面積 （16）=管程流速 （17） 管程雷諾數(shù) （18） (屬于湍流范圍)管程換熱系數(shù) （19） 3.1.6 初選結(jié)構(gòu)管排列方式:兩側(cè)正方形，其余三角形排列.管間距 管束中心處一排數(shù)管 管束外沿與殼體間距 （20）殼體內(nèi)徑 長徑比 （21）弓形折流板弓高 （22）折流板間距 （23）折流板數(shù) （24）3.1.7 殼程換熱系數(shù)殼程流通截面積 （25） 殼程流速 （26）殼程量流速 （27）殼程當(dāng)量直徑 （28）殼程雷諾數(shù) （29）切去弓形面積所占比例 (根據(jù)查參考文獻(xiàn)2圖5-17)

21、殼程傳熱因子 (查參考文獻(xiàn)2圖5-40)管外壁溫度假設(shè)為 壁溫下柴油粘度為 粘度修正系數(shù) （30）普朗特?cái)?shù) （31）殼程換熱系數(shù) （32） 3.1.8 換熱系數(shù)水側(cè)污垢熱阻 柴油側(cè)污垢熱阻 管壁熱阻 (忽略不計(jì))總傳熱熱阻 （33） 傳熱系數(shù) （34）傳熱系數(shù)比值 (合適)管外壁熱流密度 （35）管外壁溫度 （36）誤差校核 (誤差很小，不必重算)3.1.9 管程及殼程壓降壁溫下水的粘度 管程粘度修正系數(shù) 管子沿程壓降 （37） 回彎壓降 （38）進(jìn)出口管處壓降 （39）管程結(jié)垢校正系數(shù) 管程壓降 （40） 當(dāng)量直徑 （41）雷諾數(shù) （42）殼程摩擦系數(shù) 管束壓降 （43）管嘴處質(zhì)量流速 (取

22、用)進(jìn)出口管壓降 （44）導(dǎo)流板阻力系數(shù) (取用)導(dǎo)流板壓降 （45）殼程結(jié)垢修正系數(shù) 殼程壓降 （46） 管程允許壓降 ，查表得 殼程允許壓降 ，查表得 壓降校核 符合要求.3.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 固定管板式換熱器根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的不同可以分為剛性結(jié)構(gòu)和具有溫差補(bǔ)償兩類。剛性結(jié)構(gòu)的固定管板式換熱器其外面的圓筒形殼體和內(nèi)部的換熱管(換熱管的總體叫管束)通過兩端的管板剛性的連接在一起。這樣參與換熱的兩種流體，一種在管內(nèi)流動(dòng)(稱為管程)，一種在換熱管和殼體之間的空間流動(dòng)(稱為殼程)，熱量使可通過管壁進(jìn)行傳遞這種剛性結(jié)構(gòu)的固定管扳式換熱器由于換熱管、管板和殼體三者剛性的連接在一起，所以具有下述優(yōu)缺點(diǎn)： 優(yōu)點(diǎn)：

23、a)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；b)緊湊；c)造價(jià)低。缺點(diǎn)：a)管間不能清洗，故只能通以清潔流體；b)在操作過程中，如果換熱管和殼體的溫度相差較大時(shí)，或者溫度差不大，但兩者材料的線膨脹系數(shù)相差較大時(shí)，兩者要產(chǎn)生不同的膨脹量，從而在管子和殼體中必然產(chǎn)生應(yīng)力。此應(yīng)力是因溫差產(chǎn)生的，叫做溫差應(yīng)力. 圖3 固定管板式換熱器結(jié)構(gòu)及主要部件1.封頭 2.設(shè)備法蘭 3.排氣口 4。殼體 5.換熱管 6.折流板 7.防沖板 8.殼程接管 9.管板 10.管程接管 11.隔板 12.管箱 13.排液口 14.定距管 15.拉桿 16.支座 17.墊片具有溫差補(bǔ)償?shù)膿Q熱器是在殼體上帶膨脹節(jié)，從而降低溫差應(yīng)力。帶波形膨脹節(jié)的換熱器的

24、優(yōu)點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單造價(jià)低同時(shí)可以降低溫差應(yīng)力。缺點(diǎn)是：由子波形膨脹節(jié)的承壓能力一般說來比較差。是否需要膨脹節(jié)根據(jù)強(qiáng)度計(jì)算來判斷，具體見后。圖3是固定管板式換熱器的結(jié)構(gòu)圖。 3.2.1 換熱器流程設(shè)計(jì) 圖4 雙程列管式換熱器采用兩殼程四管程換熱器，即將兩臺(tái)一殼程兩管程固定管板式換熱器串聯(lián).流程示意圖如圖4.其中1表示殼體，2表示折流板，3表示隔板。3.2.2 材料的選擇 材料的選擇是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和強(qiáng)度計(jì)算的第一步，對(duì)于零部件的形狀、尺寸、制造方法等都有決定性的影響。根據(jù)材料的強(qiáng)度要求、可焊性、密封性等要求參考文獻(xiàn)化工壓力容器設(shè)計(jì)手冊(cè)選材，詳見工程圖明細(xì)表。3.2.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) （1）換熱管 換熱管直接

25、與操作流體接觸。因此，根據(jù)操作流體的腐蝕性以及操作溫度和操作壓力選擇20號(hào)鋼，換熱管的規(guī)格為的無縫鋼管， 長8米.管子總數(shù)為476根，其傳熱面積為：（2）管板 管板的結(jié)構(gòu)型式 管板是換熱器的重要部件，常用的均為圓形平板。其結(jié)構(gòu)有管板兼作法蘭和不兼作法蘭的兩種。在兼作法蘭的管板中，由于密封要求的不同，多用于固定管板式換熱器中。故選用管板兼作法蘭型。結(jié)構(gòu)見圖5。 換熱管在管板上的排列 換熱管在管扳上的排列主要采用三種方法，即等邊三角形排列法，正方形排列法和組合排列法。 圖5 固定管板式換熱器等邊三角形排列法優(yōu)點(diǎn)是：在一定的管板面積上可以放置較多的換熱管，提供較多的傳熱面；正方形排列法的優(yōu)點(diǎn)是換熱管

26、外表面可用機(jī)械方法清理，管間可處理較臟流體。在多程列管換熱器中，常常在各程內(nèi)采用等邊三角形排列而在程與程之間采用正方形排列，這種叫做組合排列法。如圖6。當(dāng)換熱管管數(shù)較多 時(shí)，無論是采用等邊三角形排列法還是正方形 排列法，都應(yīng)在管束和殼體之間形成的弓形圖6 組合排列法 區(qū)內(nèi)配置盡可能多的換熱管。這樣做不但可以增大傳熱面，而且還可以防止殼程流體大部分從弓形空區(qū)通過，降低傳熱效果的缺點(diǎn)。同時(shí)，又能減小殼程流體的流通斷面，提高其流速，強(qiáng)化換熱器的換熱能力。 換熱管與管板的連接 換熱管與管板的連接方式有三種：焊接、脹接、焊接加脹接。其中脹接和焊接最為常用。從壓力及操作溫度等多方面的考慮，我選用脹接。所謂

27、脹接，就是利用脹管器使伸入管板孔內(nèi)的換熱管端部滾輾而擴(kuò)張，產(chǎn)生塑性變形。同時(shí)，因換熱管徑的增大又迫使管板產(chǎn)生彈性變形。當(dāng)脹管器撤除后，管板的彈性變形欲恢復(fù)原狀，而換熱管的塑性變形部分則不能恢復(fù)，結(jié)果使管板把換熱管緊緊地抱住，從而達(dá)到兩者密封不漏和牢固連接的目的。 為了保證脹接連接的高質(zhì)量，應(yīng)注意下述幾點(diǎn)：a. 管板材料的硬度高于換熱管材的硬度 為此，除在選材時(shí)注意到一點(diǎn)之外，脹管前應(yīng)把換熱管端退火。b. 管板孔與換熱管之間的間隙 在保證能夠順利穿管的前提下應(yīng)盡量減小，以防止脹管時(shí)管端塑性變形太大而影響換熱管的強(qiáng)度。c. 脹管前的清理 管板孔及管端必須清理干凈，不得有油漬、污物、鐵屑、銹蝕等。應(yīng)

28、將管端清銹至呈現(xiàn)金屬光澤，清銹長度不小于管板厚度的2倍。d. 脹接溫度 脹接工作不應(yīng)低于-10的溫度下進(jìn)行。e. 脹接必須保持適當(dāng)?shù)拿浗映潭?脹接過輕，不能保證密封性和牢固性；脹接過重，則因管壁減薄太大，導(dǎo)致管子斷裂或使管板變形。（3）管板與殼體的連接列管式換熱器的管板與殼體的連接型式分為不可拆式和可拆式兩大類。固定管板式換熱器的管板和殼體是焊接在一起的，屬不可拆式連接。如圖7所示。 圖7 固定管板式換熱器殼體和管板的焊接結(jié)構(gòu)（4）管箱 管箱是位于列管換熱器兩端的重要部件。它的作用是接納由進(jìn)口接管來的流體并分配到各換熱管內(nèi)，或是匯集由換熱管流出的流體，同時(shí)將其送入排出管而排出換熱器。選用頂部為

29、橢圓形管箱。如圖8所示。管箱流體進(jìn)出口也設(shè)在管箱側(cè)面。換熱器管程清洗或檢修時(shí)，只要把連接管道從管箱上卸開，把管箱從換熱器上拆下即可。圖中點(diǎn)劃線表示管程隔板，管箱連接通常采用焊圖8 管箱 接。（5）管束分程、管程隔板及其管板的連接 當(dāng)流體流量較小或換熱器的傳熱面較大而需管數(shù)很多時(shí)，為了增加管內(nèi)流速，提高傳熱效率，可將管束分程，即在管箱內(nèi)裝置與管子中心線相平行的管程隔板，使管積流體依次流過每程管子。當(dāng)管程流體在換熱器內(nèi)平行地流過一次時(shí)，稱為單管程，流過二次時(shí)，稱為雙程，以此類推。但是，分程不宜太多，否則分程隔板占去管板面積太多，使排管數(shù)減少，換熱器顯得不夠緊湊，并且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，流體穿過隔板墊片短路的

30、機(jī)會(huì)增多。隔板所占去的位置在殼程會(huì)形成沒有管子占據(jù)的走廊，也會(huì)造成殼程流體的短路旁通而不利于傳熱。前面已經(jīng)計(jì)算過選用雙管程。 為了保證管程隔板，管箱與管板之間連接的可靠性，以及加工方便起見，管程隔板的型式應(yīng)力求簡(jiǎn)單，盡量縮短密封長度，并應(yīng)使管程隔板密封面和管箱法蘭密封面處于在同一平面上，同時(shí)，還應(yīng)保證管程隔板在槽密封面和管板邊緣的密封面，也在同一平面上。（6）折流板 折流板 為了加大殼程流體的流速和湍動(dòng)程度，提高傳熱效果；為了對(duì)換熱管加以支撐，增加換熱管的剛度，減少振動(dòng)。在換熱器中，除冷凝器外多設(shè)置折流板。折流板主要有圓缺形和盤環(huán)形兩種，其中最常用的是圓缺形。圓缺形折流板的結(jié)構(gòu)如圖9所示，它是

31、一塊圓形板切去一個(gè)弓形部分而成。其切去部分的高度，一般為殼體內(nèi)徑的1040%，尤其以殼體內(nèi)徑的2025%最為常用。切去部分的高度過大或過小，都對(duì)換熱不利，只有當(dāng)切去部分的高度適當(dāng)時(shí)，才能使殼程流體像圖9那樣以較好錯(cuò)流方式穿過換熱管束，提高換熱器的傳熱效率。圓缺形折流板在臥式換熱器中的布置法有如圖所示的兩種。一種是將切去的 圖9 圓缺形折流板 圖10 臥式換熱器中圓缺形折流板的布置方法弓形缺口部分上下布置如圖10；一種是將切去的弓形缺口部分左右布置。前一種布置法，可以造成殼程流體的劇烈攪動(dòng)，有利于熱量的傳遞，故選用前一種布置方式。 折流板的固定在列管式換熱器中，折流板的固定通常是采用拉桿和定距管

32、來實(shí)現(xiàn)的。查參考文獻(xiàn)化工設(shè)備設(shè)計(jì)基礎(chǔ)可得拉桿根數(shù)為6. 拉桿、管板和折流板之間采用點(diǎn)焊固定，如圖11所示的“焊接拉桿”。 圖11 拉桿和管板的連接結(jié)構(gòu) 圖12 排液與排氣口（7） 排氣孔和排液孔對(duì)于不能利用原有接管進(jìn)行放氣或排液的列管式換熱器，應(yīng)當(dāng)注意在管程和殼程的最高處和最低處增設(shè)排氣孔和排液孔。其結(jié)構(gòu)形式如圖12. 用來進(jìn)行開車前的放氣和停車后的排液。尤其對(duì)于蒸汽在殼程冷凝的換熱器，更需要設(shè)置排氣孔和排液孔，使蒸汽內(nèi)的惰性氣體不致大量積聚，并使冷凝液及時(shí)排除，以防冷凝液將換熱管淹沒，減小傳熱面，或由于惰性氣體的積聚而降低換熱效率。由此可知，排氣孔和排液孔的采用，不但可以回收或排除工作介質(zhì)，

33、而且又可提高換熱器的傳熱效率。（8）支座 支座是換熱器的支撐裝置，應(yīng)用最廣泛的是鞍式支座和懸掛式支座。因換熱器采用的是臥式結(jié)構(gòu)，故選用鞍式支座。在選擇支座位置時(shí)，既要考慮到利用封頭的加強(qiáng)效應(yīng)，又要考慮不使筒體中部的應(yīng)力增加過多。如果支座位于容器的端部則在容器中部產(chǎn)生很大的彎矩，如果支座位于容器的中部，則在支座處產(chǎn)生很大的彎矩。在JBl16782標(biāo)準(zhǔn)中，推薦A0.2L，且A0.5，A、L、的意義見圖13。圖13 鞍式支座（9）法蘭及墊片為標(biāo)準(zhǔn)件 按壓力容器與化工設(shè)備實(shí)用手冊(cè)（上）選取。4 膨脹節(jié)換熱器的設(shè)計(jì)，除滿足工藝條件外，尚需滿足強(qiáng)度條件。換熱器都承受內(nèi)壓或外壓，因此，殼體、管子、封頭、法蘭

34、、開孔等均需能承受相應(yīng)內(nèi)壓或外壓，不致受到破壞。但由于換熱器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在操作時(shí)的受力情況與容器不同。在固定管板式換熱器中，殼壁及管壁在操作時(shí)除承受由于殼程及管程流體壓力而產(chǎn)生的軸向力和周向力外，尚承受由于殼壁與管壁有溫度差而產(chǎn)生的溫差軸向力。所謂溫差軸向力就是由于操作時(shí)殼壁和管壁的溫度不同，因而殼體與管子的熱膨脹自由伸長量就不相等，但兩者又是通過管板剛性的聯(lián)在一起，彼此的實(shí)際伸長量又必須一樣，因而在大多數(shù)情況下(即當(dāng)管壁自由伸長量大于殼壁自由仲長量時(shí))，殼壁被迫拉伸，管壁被迫壓紙這種壓縮或拉伸的軸向力稱為溫差軸向力。由此可見，單純從受力角度來看，換熱器比容器多一個(gè)溫差軸向力，如果操作時(shí)殼壁溫

35、度與管壁溫度差別很大，則在殼壁和管壁中就產(chǎn)生很大的溫差軸向力，若溫差應(yīng)力與受內(nèi)壓而產(chǎn)生的軸向應(yīng)力的總和超過殼體材料允許的應(yīng)力時(shí)，則殼體就受到破壞。當(dāng)其超過管子與管板的允許拉脫力時(shí)，則連接破壞。這種破壞是固定管板式換熱器所特有的。這就需要考慮設(shè)置膨脹節(jié)換熱器是否設(shè)置膨脹節(jié)，主要取決于管程與殼程的溫差、壓差和殼體及管子的材料.當(dāng)溫差與壓差比較小時(shí)，殼體中所產(chǎn)生的應(yīng)力也較小，就不必設(shè)置膨脹節(jié).但若這種應(yīng)力達(dá)到一定數(shù)值，殼體本身補(bǔ)償不了這種變形差時(shí)，就要設(shè)置膨脹節(jié)來予以補(bǔ)償.對(duì)于一臺(tái)受內(nèi)壓的換熱器，膨脹節(jié)的采用與否應(yīng)該根據(jù)下列三項(xiàng)計(jì)算來判定: (1) 殼壁溫差應(yīng)力與殼壁內(nèi)壓軸向應(yīng)力的總和是否超過殼體材

36、料允許的極限(包括焊縫的削弱). (2) 管壁溫差應(yīng)力與管壁內(nèi)壓軸向應(yīng)力的總和是否超過管體材料允許的極限.(3) 管子拉脫力是否超過管子脹接或焊接所允許的極限.如前所述，殼體和管子在換熱器中均受到溫度應(yīng)力和內(nèi)壓軸向應(yīng)力的作用?，F(xiàn)分別計(jì)算。4.1 壓力產(chǎn)生的應(yīng)力 換熱器受壓后所產(chǎn)生的軸向力為： （47）式中：、管子的外徑和內(nèi)徑； 管子數(shù)； 、殼程壓力、管程壓力；該力由殼體和管子共同承受，故此時(shí)，殼體所受與管子所受力之和應(yīng)等于，即： （48）式中：由壓力產(chǎn)生的殼體應(yīng)力，； 由壓力產(chǎn)生的管子應(yīng)力，； 殼體截面積，； 管子總截面積，；同時(shí)，殼體與管子的應(yīng)力分配（即各自的大?。c彈性模量成正比，即：

37、（49）解式（48）和（49）得： （） （50） （） （51）當(dāng)殼體與管子材料相同時(shí)，即則： （） （52）4.2 溫差產(chǎn)生的應(yīng)力溫差應(yīng)力是由于殼壁和管壁的溫差而產(chǎn)生的。設(shè)一固定管板式換熱器在操作時(shí)其殼壁溫度為，管壁溫度為，則殼體和管子都會(huì)因升溫而膨脹。如果兩者皆能自由膨脹，則殼體的自由伸長量為： （） （53）而管子的自由伸長量為： （） （54）上兩式中：、殼體和管子材料的線膨脹系數(shù)，；殼體和管子的長度，；裝配溫度，。管子和殼體因熱膨脹而產(chǎn)生長度變化的情況如圖14所示。其中（a）是處于裝配溫度時(shí)的情況，這時(shí)殼體和管子長度皆為。為便于分析，假設(shè)在操作狀態(tài)下管壁溫度大于殼壁溫度，即，管子的

38、自由伸長量大于殼體的自由伸長量，即，如圖（b）所示。但在固定管板換熱器中，管子和殼體通過管板剛性地連在一起，如果整個(gè)結(jié)構(gòu)不發(fā)生變形和破裂，則由于相互間的剛性約束，管子和殼體最后必然處于同一平衡位置，它們的伸長量都等于，如圖(c)所示。從圖(b)和(c)的比較中可以看到，這時(shí)管子受到了壓縮，被壓縮的長度為-；而殼體則受到拉伸，被拉伸的 圖14 殼體及管子的伸長和壓縮長度為-。如果兩者的變形量均不超過彈性范圍，根據(jù)虎克定律，可以分別求出由此產(chǎn)生在管子中的壓縮力和殼體中的拉伸力。顯然，這兩個(gè)力是相等的。按虎克定律： （55） （56）式中：因溫差引起管子所受的壓縮力或殼體所受的拉伸力，；、管束和殼體

39、材料的彈性模量，、管束和殼體的截面積，。從上兩式中消去得： （57）將式（55）和（56）代入上式： （58）由此可以求得： （59）此即為因管壁和殼壁溫度不同而產(chǎn)生的溫差軸向力。若管子和殼體材料相同，即，則上式可簡(jiǎn)化為： （60）如果管子和殼體的直徑、壁厚以及管子數(shù)均為已知，則管束和殼體的截面積和分別為： （61） （62）式中： 、管子的外徑和內(nèi)徑，；管子數(shù)，； 、殼體外徑和內(nèi)徑，；殼體壁厚，。由溫差而在管壁上產(chǎn)生的壓應(yīng)力為： （63）在殼壁上產(chǎn)生的拉應(yīng)力為： （64）從上述計(jì)算可以看出，對(duì)已定結(jié)構(gòu)的固定管板式換熱器而言，溫差應(yīng)力、僅與材料的彈性模量、線膨脹系數(shù)、溫差以及管束和殼體截面積有

40、關(guān)，而與管子和殼體的長度無關(guān)。但溫差應(yīng)力和方向相反，若一個(gè)為拉應(yīng)力，則另一個(gè)為壓應(yīng)力，因此與和合成時(shí)，則當(dāng)殼體膨脹量大于管子時(shí)，殼體合成應(yīng)力為： （65）管子合成應(yīng)力為：= （66）當(dāng)管子膨脹量大于殼體時(shí)，殼體合成應(yīng)力為： （67）管子合成應(yīng)力為：= （68）4.3 拉脫力所謂管子拉脫力是指將管板中拉脫出來的軸向力。換熱器在操作時(shí)，承受介質(zhì)和溫差應(yīng)力的聯(lián)合作用，當(dāng)溫差大時(shí)，尤以溫差應(yīng)力更為突出。這兩個(gè)力在殼壁和管壁中產(chǎn)生拉（或 壓）應(yīng)力，同時(shí)在管子與管板的連接處產(chǎn)生拉脫力，使管子從管板中脫出。管子的拉脫力以管子每平方厘米連接周邊上所受的力來表示。如果管子的拉脫力過大，則有可能引起管子與管板接頭

41、出密封性的破壞或使管子松脫。因此，為保證管端與管板牢固地連接和良好的密封性能，在設(shè)計(jì)時(shí)需要對(duì)管子拉脫力進(jìn)行校核，校核是否在允許的范圍內(nèi)。如果計(jì)算結(jié)果超過允許范圍，則就需要采取措施以降低管子拉脫力。最常用的方法是降低溫差應(yīng)力，例如對(duì)剛性結(jié)構(gòu)無膨脹節(jié)的換熱器，就需要采用膨脹節(jié)；對(duì)帶膨脹節(jié)的換熱器，就需要增加膨脹節(jié)的波數(shù)或改用強(qiáng)度較高的材料（如）作膨脹節(jié)以減薄膨脹節(jié)的壁厚。由管板計(jì)算中可知，在壓力與溫差的聯(lián)合作用下，管子中所產(chǎn)生的應(yīng)力為，則管子拉脫力為： （69）式中：管子與管板的脹接長度或焊接高度，對(duì)脹接：當(dāng)5厘米時(shí)，取=5厘米；對(duì)焊接：等于焊接計(jì)算厚度。其余符號(hào)意義同前。按式（69）需經(jīng)管板計(jì)算

42、，求得管子中的應(yīng)力后方可求得拉脫力，實(shí)際上在進(jìn)行管板計(jì)算之前需先求得拉脫力，以判別換熱器是否需要膨脹節(jié)，此時(shí)可根據(jù)管子的連接方法分別由下述兩個(gè)公式求得。 采用脹接法連接管子時(shí) （70） 采用焊接法連接管子時(shí) （71）式中：在溫差和壓差作用下，管子中產(chǎn)生的總軸向力，； 當(dāng)殼體比管子的伸長量大時(shí)，取或兩者中之大值； 當(dāng)管子比殼體的伸長量大時(shí)，取或兩者中之大值；4.4 強(qiáng)度條件 （72）式中： 、殼體和管子的軸向總應(yīng)力，；、殼體和管子材料的許用應(yīng)力，；焊縫系數(shù)；許用應(yīng)力，。當(dāng)換熱管與管板脹接時(shí)，值見參考文獻(xiàn)4表15-22; 當(dāng)換熱管與管板焊接時(shí)，=0.5若上述三個(gè)條件中有一個(gè)不滿足，就要設(shè)置膨脹接。判定是否需要膨脹節(jié)根據(jù)所選材料有，殼體為A3R鋼，管子為20號(hào)鋼，查參考文獻(xiàn)5得，殼壁溫度為155，管壁溫度為163，裝配溫度為20。則壓應(yīng)力為：由式（61）得 =由式（62）得 =溫差應(yīng)力為：合成應(yīng)力為：由于殼壁溫度高于管壁溫度，所以殼體膨脹量大于管子膨脹量，因此：=查手冊(cè)有取，則拉脫力：因殼壁溫度高于管壁溫度，則取或兩者中之大值， 因此，強(qiáng)度的三個(gè)條件都滿足，就不需要設(shè)置膨脹節(jié)。4.5 ANSYS強(qiáng)度分析1MNMXXYZ .17.7