管殼式換熱器

1、酒 泉 職 業(yè) 技 術(shù) 學(xué) 院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論 文） 13 級 石油化工生產(chǎn)技術(shù) 專業(yè)題 目： 列管式換熱器 畢業(yè)時(shí)間： 二O一五年六月 學(xué)生姓名： XXX 指導(dǎo)教師： XX 班 級： 13級石油化工生產(chǎn)技術(shù)（5）班 2015 年 4月20日 酒泉職業(yè)技術(shù)學(xué)院 2011 屆各專業(yè)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）成績評定表姓名張敏班級應(yīng)用化工技術(shù)（2）班專業(yè)應(yīng)用化工技術(shù)指導(dǎo)教師第一次指導(dǎo)意見1、設(shè)計(jì)題目選擇合理；2、在設(shè)計(jì)過程中請多查閱資料，部分計(jì)算有誤。2010年 12月 25日指導(dǎo)教師第二次指導(dǎo)意見1、請按要求進(jìn)行格式修改；2、注意錯(cuò)別字。2011年 1月 20日指導(dǎo)教師第三次指導(dǎo)意見1、設(shè)計(jì)基本符合要求20

2、11年 3月 15日指導(dǎo)教師評語及評分 按期圓滿完成任務(wù)書中規(guī)定的項(xiàng)目；能熟練地綜合運(yùn)用所學(xué)理論和專業(yè)知識； 有結(jié)合實(shí)際的某項(xiàng)具體項(xiàng)目的設(shè)計(jì)或?qū)δ尘唧w課題進(jìn)行有獨(dú)立見解的論證，畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)有一些獨(dú)到之處，水平較高。文字材料條理清楚，通順，論述充分，符合技術(shù)用語要求，符號統(tǒng)一，編號齊全，書寫工整。圖紙完備，整潔，正確。成績：優(yōu)秀 簽字（蓋章） 2011年 3月 20日答辯小組評價(jià)意見及評分成績： 簽字（蓋章） 年 月 日教學(xué)系畢業(yè)實(shí)踐環(huán)節(jié)指導(dǎo)小組意見簽字（蓋章） 年 月 日學(xué)院畢業(yè)實(shí)踐環(huán)節(jié)指導(dǎo)委員會審核意見簽字（蓋章） 年 月 日摘要：闡述強(qiáng)化換熱器傳熱過程的最主要途徑是降低關(guān)鍵熱阻,分析各

3、種情況下的關(guān)鍵熱阻,并對如何降低關(guān)鍵熱阻提出具體的措施. 介紹了常用管殼式換熱器換熱管強(qiáng)化傳熱技術(shù)和殼程強(qiáng)化傳熱方法, 分析了各自的原理、優(yōu)缺點(diǎn)及推薦使用場合。針對管殼換熱器設(shè)計(jì)和運(yùn)行中存在的一些問題,進(jìn)行分析討論,指出了產(chǎn)生這些問題的原因,并提出了解決這些問題的方法。說明換熱器強(qiáng)化傳熱的意義,介紹了強(qiáng)化傳熱的途徑,強(qiáng)化傳熱的分類、原理,評價(jià)強(qiáng)化傳熱方法的基本原則。關(guān)鍵詞:關(guān)健熱阻 換熱器 強(qiáng)化傳熱 目 錄第一章 管殼式換熱器的結(jié)構(gòu)11.1管束11.2殼程11.2.1管子排列方式11.2.2管板11.3管殼式換熱器的傳熱分析21.3.1增大傳熱面積21.4提高管殼式換熱器傳熱能力的措施3第二章

4、 管殼式換熱器的種類42.1 固定管板式換熱器52.2 浮頭式換熱器52.3 U 形管式換熱器5第三章 管殼式換熱器的節(jié)能分析53.1 管殼式換熱器的傳熱原理63.2 管殼式換熱器強(qiáng)化傳熱方法73.2.1 傳熱管的改進(jìn)73.2.2 適當(dāng)提高管內(nèi)流速83.2.3 殼程強(qiáng)化83.2.4 管間支撐結(jié)構(gòu)的改善9第四章 管殼式換熱器設(shè)計(jì)和運(yùn)行中存在的問題分析114.1 傳熱研究中存在的問題124.2 物性參數(shù)計(jì)算存在的問題134.3 污垢問題134.4 計(jì)算方法問題144.5 反溫差問題15第五章 管殼式換熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)195.1管殼式換熱器的形式及結(jié)構(gòu)195.2.1圓筒壁厚的確定255.2.2 固定管

5、板式換熱器管板的強(qiáng)度計(jì)算26第六章 換熱器污垢的防治對策簡述266.1 防垢、抑垢、除垢對策分析276.1.1 設(shè)計(jì)階段采取的防垢對策276.2 運(yùn)行階段采取的抑垢對策306.2.1 液測污垢的抑制策略306.2.2 氣測污垢的抑制策略:326.3 除垢對策336.3.1 機(jī)械清洗技術(shù)336.3.2 化學(xué)清洗技術(shù)33第七章 污垢對換熱器傳熱性能影響347.1 污垢預(yù)測模型357.2 計(jì)算實(shí)例37參考文獻(xiàn)41致 謝43第一章 管殼式換熱器的結(jié)構(gòu)1.1管束在管殼式換熱器中最簡單的是單管程的換熱器,如需增加傳熱面,一般采用增加管數(shù)的方法,管數(shù)增加后可將管束分程,以防止管數(shù)增加后引起管內(nèi)流速以及傳熱系

6、數(shù)的降低,從制造、安裝、操作的角度考慮,一般采用偶數(shù)管程且程數(shù)不宜太多。1.2殼程圖1 列出了幾種代號的殼程型式。E 型是最普通的一種,殼程是單程的,管程可為單程也可為多程;F 型為二殼程的換熱器,是在殼體中裝入了一塊平行于管子軸線方向的縱向隔板; G型也為二殼程的換熱器,縱向隔板從管板的一段移開使殼程流體得以分流;H 型與G 型相似,但進(jìn)出口接管與縱向隔板均多一倍。圖1-1 換熱器的殼程型式1.2.1管子排列方式管子在管板上的排列方式最常見的有4 種:正三角排列、轉(zhuǎn)角正三角形排列、正方形排列和轉(zhuǎn)角正方形排列。1.2.2管板管板是換熱器的重要部件之一,用來排布換熱管并起著分隔管程、殼程空間的作

7、用。薄管板有著節(jié)省材料的優(yōu)點(diǎn),是用于中、低壓換熱器中;橢圓形管板與換熱器的殼焊接在一起,受力條件較好,適用于高壓、大直徑的換熱器。1.3管殼式換熱器的傳熱分析由傳熱過程分析可知,單位時(shí)間內(nèi)傳熱量如下式所示: = KA tm可見,增大傳熱面積A 、傳熱系數(shù)K 和平均溫差 tm 都可以增大傳熱量 。1.3.1增大傳熱面積(1) 合理優(yōu)化結(jié)構(gòu),如采用合適的內(nèi)外導(dǎo)流筒,增大有效傳熱面積。(2) 增大傳熱的擴(kuò)展表面,如在管內(nèi)外增加肋片或翅片,提高單位容積內(nèi)設(shè)備的換熱面積來增強(qiáng)換熱。(3) 將管殼式換熱器串聯(lián)增大換熱面積。1.3.2增大傳熱平均溫差傳熱平均溫差的大小主要由冷熱兩種流體的溫度所決定,當(dāng)兩邊流

8、體均為變溫的情況下,應(yīng)當(dāng)盡可能考慮從結(jié)構(gòu)上采用逆流和接近逆流的流向以得到較大的 tm 值。1.3.3 增大傳熱系數(shù)傳熱過程中,各熱阻與總傳熱系數(shù)關(guān)系如下式中: R 總傳熱熱阻, (m2K)PW;K 總傳熱系數(shù), WP(m2K)Ao 管外的面積, m2 ;hi 管內(nèi)的對流換熱系數(shù), WP(m2K) ;Ai 管內(nèi)的面積, m2 ;Ri 管內(nèi)的污垢熱阻, (m2K)PW;ho 管外的對流換熱系數(shù), WP(m2K) ;Ro 管外的污垢熱阻, (m2K)PW;o 肋面總效率(如果表面未肋化, 則= 1 ) ;R w管壁的導(dǎo)熱熱阻, (m2K)PW。要增大總傳熱系數(shù),就要設(shè)法減小對K 值影響較大的項(xiàng)。如果

9、污垢熱阻較大時(shí), 則應(yīng)主要考慮如何防止或延緩垢層的形成或使污垢層清洗方便當(dāng)hi 和ho 差別不大時(shí),最好能同時(shí)提高兩流體的對流換熱系數(shù); 而當(dāng)兩者差別較大時(shí),要設(shè)法增大換熱系數(shù)較小的一項(xiàng)。1.4提高管殼式換熱器傳熱能力的措施管殼式換熱器的傳熱能力是由殼程換熱系數(shù)、管程換熱系數(shù)和換熱器冷、熱介質(zhì)的對數(shù)平均溫差決定的,因此,提高管殼式換熱器傳熱能力的措施包括以下幾點(diǎn)。(1) 提高管殼式換熱器冷、熱介質(zhì)的平均對數(shù)溫差冷、熱介質(zhì)平均對數(shù)溫差除直接受冷、熱介質(zhì)進(jìn)出口溫度影響外,還受到冷、熱介質(zhì)的流動(dòng)方向和換熱流程的影響。當(dāng)換熱器冷、熱流體的溫度沿傳熱面變化時(shí),兩種流體逆流平均溫差最大,順流平均溫差最小,

10、 在實(shí)際換熱器設(shè)計(jì)中,冷、熱流體多采用交錯(cuò)流方式,其平均對數(shù)溫差介于逆流和順流之間。因此,應(yīng)盡量增加換熱器冷、熱流體的逆流比例,提高冷、熱流體的對數(shù)平均溫差,提高換熱器的傳熱能力。(2) 合理確定管程和殼程介質(zhì)。在換熱器設(shè)計(jì)中, 對于殼程安裝折流板的換熱器來說, Re 100 時(shí), 殼程介質(zhì)即達(dá)湍流,因此,對于流量小或粘度大的介質(zhì)優(yōu)先考慮作為殼程換熱介質(zhì);由于管程清洗相對于殼程清洗要容易,因此對于易結(jié)垢、有沉淀及雜物的介質(zhì)宜走管程; 從經(jīng)濟(jì)性考慮,對于高溫、高壓或腐蝕性強(qiáng)的介質(zhì),作為管程換熱介質(zhì)更加合理; 對于剛性結(jié)構(gòu)的換熱器,若冷、熱介質(zhì)溫差大,因壁面溫度與換熱系數(shù)大的介質(zhì)溫度接近,為減小管

11、束與殼體的膨脹差,換熱系數(shù)大的介質(zhì)走殼程更加合理,而冷、熱介質(zhì)溫差小,兩介質(zhì)換熱系數(shù)相差大,換熱系數(shù)大的介質(zhì)走管程更加合理。(3) 采用強(qiáng)化管殼式換熱器傳熱的結(jié)構(gòu)措施。在換熱器設(shè)計(jì)中,通常采用強(qiáng)化傳熱的措施來提高換熱器的傳熱能力。強(qiáng)化傳熱的常用措施有:采用高效能傳熱面、靜電場強(qiáng)化傳熱、粗糙壁面、攪拌等。換熱器是石油、化工中重要的熱工設(shè)備,其中管殼式換熱器的發(fā)展已經(jīng)取得了巨大進(jìn)步, 其發(fā)展總體上是支承形式的發(fā)展,從板式支承,到折流桿式支承,再到空心環(huán)支承最后到管子的自支承,當(dāng)然其間也有交錯(cuò)發(fā)展的情況。隨著支承形式的發(fā)展,換熱器的傳熱綜合性能得到很大地提高。從結(jié)構(gòu)上來講,其結(jié)構(gòu)形式會直接影響傳熱性

12、能,所以在確定換熱器結(jié)構(gòu)時(shí),應(yīng)對其參數(shù)不斷調(diào)整,反復(fù)計(jì)算以使換熱器的性能更高。第二章 管殼式換熱器的種類管殼式換熱器一般有3 種結(jié)構(gòu)型式:固定管板式、浮頭式和U 形管式。由于換熱器的使用場合、使用目的、換熱介質(zhì)物性等因素的不同,決定了管殼式換熱器的結(jié)構(gòu)型式。2.1 固定管板式換熱器結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、造價(jià)低, 往往是管板兼法蘭,適用于管、殼程溫差不大或管、殼程溫差大,但壓力不高,殼程介質(zhì)干凈或雖結(jié)垢但通過化學(xué)清洗能清除的場合。其主要缺點(diǎn)是當(dāng)殼體與管子的壁溫或材料的線膨脹系數(shù)相差較大時(shí),在殼體與管中將產(chǎn)生很大的溫差應(yīng)力。2.2 浮頭式換熱器管束一端的管板可以自由移動(dòng),不受溫差應(yīng)力的影響,其結(jié)構(gòu)復(fù)雜,

13、 內(nèi)浮頭密封困難, 鍛件多,造價(jià)高。維修時(shí)可拆卸浮頭,抽出管束進(jìn)行檢修或更換,適用于管、殼程溫差大但工作壓力不超過10 MPa 的工況,缺點(diǎn)是需要抽出管束。還有一種浮頭式換熱器也成為填料函式換熱器,其管束可自由伸縮,殼程和管程都可以拆開清洗,結(jié)構(gòu)簡單,適用管、殼程溫差大工況,但其耐壓、耐溫及密封能力差,目前只是在低壓與小直徑的場合下使用。2.3 U 形管式換熱器管束可自由伸縮,只有一塊管板,密封面少,管束與殼體分離,消除了溫差應(yīng)力,可抽芯檢修更換。適用場合為管、殼程溫差大,高溫,高壓。殼程需抽芯清洗,管內(nèi)介質(zhì)干凈或雖會結(jié)垢但通過化學(xué)清洗能清除。第三章 管殼式換熱器的節(jié)能分析在石化和化工制藥設(shè)備

14、的換熱器系統(tǒng)中, 管殼式換熱器以其結(jié)構(gòu)堅(jiān)固、可靠性高、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)在化工生產(chǎn)和使用中一直占主導(dǎo)地位, 被廣泛使用在精餾塔的塔頂冷凝器、冷卻器和塔底再沸器等。在管殼式換熱器的設(shè)計(jì)和使用中, 積極考慮強(qiáng)化傳熱的新技術(shù)、新工藝, 以提高能源利用率、減少金屬材料的消耗, 對推進(jìn)石油化工制藥行業(yè)的節(jié)能減排工作有著重要意義。3.1 管殼式換熱器的傳熱原理根據(jù)傳熱學(xué)基本公式Q = KFtm (1)由式(1)可知, 提高傳熱效率的途徑有三條:提高傳熱系數(shù)K; 增大換熱面積F; 加大對數(shù)平均溫差tm 。增大換熱面積和加大對數(shù)平均溫差都不是理想的途徑, 一味地增加換熱面積勢必會造成設(shè)備體積龐大和投資費(fèi)用的大幅度

15、增加, 而加大對數(shù)平均溫差又要受到公用工程條件和分離物系性質(zhì)的限制。只有提高傳熱系數(shù), 才是強(qiáng)化換熱最有效的途徑。傳熱系數(shù)K是換熱器的主要性能參數(shù), 眾所周知其計(jì)算公式為 （3-1） 由式(2)可知, 傳熱系數(shù)K值的大小與管內(nèi)換熱系數(shù)i 、管外換熱系數(shù)o、管內(nèi)和管外的污垢系數(shù)ri 和ro、換熱管的外徑與內(nèi)徑之比do / di、換熱管材料的熱導(dǎo)率w 以及管厚度w 有關(guān)。而換熱管的材料、規(guī)格一旦選定, 則管外徑與內(nèi)徑之比、壁厚及導(dǎo)熱系數(shù)等參數(shù)也隨之確定下來。所以, 提高管內(nèi)、外換熱系數(shù)i 和o、降低污垢系數(shù)ri 和ro , 才能夠提高換熱器的總傳熱系數(shù)K。3.2 管殼式換熱器強(qiáng)化傳熱方法由傳熱機(jī)理

16、可以看出, 提高換熱器的傳熱效率就要想辦法提高管內(nèi)、外換熱系數(shù)、降低管內(nèi)、外污垢系數(shù)。管殼式換熱器的強(qiáng)化傳熱研究經(jīng)過多年發(fā)展, 目前已經(jīng)取得了許多廣泛使用的成果。以下從管程強(qiáng)化與殼程強(qiáng)化兩個(gè)方面分析管殼式換熱器強(qiáng)化傳熱方法。3.2.1 傳熱管的改進(jìn)采用了低肋管、螺紋管、波紋管等代替常用換熱器的普通光滑管, 不僅增加換熱面積, 而且利用粗糙傳熱面強(qiáng)化邊界層湍流度提高傳熱系數(shù), 從而使管程強(qiáng)化傳熱有了較大的突破。低肋管是開發(fā)較早的換熱管之一, 主要應(yīng)用于強(qiáng)化沸騰傳熱, 不僅其換熱系數(shù)較高, 而且能有效地?cái)U(kuò)大傳熱面積, 光滑管的傳熱面積只是低肋管的38%。距有關(guān)資料證明, 在相同雷諾數(shù)R e下, 低

17、肋管外的膜傳熱系數(shù)是光滑管的114117 倍。但是低肋管也有其自身的弱點(diǎn): 在低熱流率下, 換熱管的傳熱性能在上、下兩部分相差比較大, 上部優(yōu)于下部, 不過隨著熱流率增加差距會逐漸減少, 此外該管型帶來的流動(dòng)阻力會比較大。螺紋管是一種由鋼管經(jīng)環(huán)向滾壓軋制而成的整體低翅片管, 適用于強(qiáng)化對流、冷凝傳熱。從內(nèi)、外螺紋管與光滑管的對比可看出螺紋管在強(qiáng)化傳熱和節(jié)能等方面的優(yōu)點(diǎn), 內(nèi)、外螺紋管換熱器可提高傳熱系數(shù), 螺紋管的總傳熱系數(shù)為光滑管的兩倍以上。在滿足生產(chǎn)的情況下, 兩臺內(nèi)外螺紋管換熱器具有三臺光滑管換熱器的傳熱能力。對于相同結(jié)構(gòu)的管殼式換熱器, 內(nèi)、外螺紋管的換熱面積是光滑管的115215 倍

18、。螺紋管換熱器對污垢的產(chǎn)生可起到延緩和抑制作用, 因而可降低污垢系數(shù)ri 和ro , 減少熱阻, 提高傳熱效率。波紋管是管內(nèi)流道截面連續(xù)不斷地突變, 造成流體即使在流速很低的情況下也始終處于高度湍流狀態(tài), 難以形成層流, 使對流傳熱的主要熱阻被有效地克服, 管內(nèi)、外傳熱被同時(shí)強(qiáng)化, 因而傳熱系數(shù)很高, 一般為傳統(tǒng)管殼式換熱器的23倍。3.2.2 適當(dāng)提高管內(nèi)流速管內(nèi)的對流換熱系數(shù)i 與管內(nèi)流體的流動(dòng)狀態(tài)有極大關(guān)系, 流動(dòng)狀態(tài)的改變可借助于提高流速, 傳熱系數(shù)隨著流速的提高而增加。但當(dāng)流速提高到一定程度時(shí), 傳熱系數(shù)隨著流速的提高而增速減慢, 而換熱器的壓降增加幅度卻很大。因此, 在設(shè)計(jì)換熱器時(shí)

19、, 可適當(dāng)加大管內(nèi)流速, 以提高管內(nèi)換熱系數(shù), 強(qiáng)化管內(nèi)傳熱。3.2.3 殼程強(qiáng)化從間壁傳熱原理上講, 殼程強(qiáng)化在提高整個(gè)換熱器傳熱效率較管程更為有效, 在無相變換熱的情況下, 一般殼程對流換熱系數(shù)1 小于管程對流換熱系數(shù)2 , 所以在殼程進(jìn)行強(qiáng)化傳熱的改進(jìn), 可以使總傳熱系數(shù)K有較大提高。設(shè)計(jì)出合理的殼程流道截面, 使流體按湍流或程度較高的紊流進(jìn)行流動(dòng), 使流體不斷沖擊邊界層。同時(shí), 使截面最好能不斷改變流體的流動(dòng)方向, 如有意識地使流道截面不間斷地縮小、擴(kuò)大, 即使在流速較小的情況下, 流體在管外也可以形成比較強(qiáng)烈的擾動(dòng), 從而提高管外的對流換熱系數(shù)。3.2.4 管間支撐結(jié)構(gòu)的改善傳統(tǒng)的管

20、殼式換熱器大多采用單弓形隔板支撐, 使流體呈“Z”形流動(dòng), 該流動(dòng)方式造成在隔板和殼壁相連處存在流動(dòng)死區(qū)致使傳熱系數(shù)提高降低; 流體在弓形隔板間的分離引起動(dòng)量的急劇變化而造成壓力的嚴(yán)重?fù)p失; 在隔板與殼體和換熱管之間, 若旁路流和泄漏流現(xiàn)象嚴(yán)重將降低流體的有效質(zhì)量流速。為了改善流體在殼側(cè)的傳熱性能, 相繼推出一些優(yōu)化結(jié)構(gòu)。(1) 異型隔板換熱器異形隔板是通過對隔板的結(jié)構(gòu)和安排的改變來引起殼側(cè)流體的流動(dòng)速度和流動(dòng)方式的變化, 從而減少殼側(cè)易結(jié)垢的死區(qū)來提高換熱系數(shù)。并且隔板在列管式換熱器中還有支撐管、實(shí)現(xiàn)流體預(yù)期速度、減少管子震動(dòng)的作用。目前常見的異形隔板換熱器形式主要有: 雙弓形隔板, 螺旋形

21、隔板。一般雙弓形隔板(如圖3-1所示)包括A 型(雙弓形隔板)和B型(中心隔板) , 并將它們沿管束方向交替排列。與間距和缺口相同的單弓型隔板相比其壓降為013 015MPa, 傳熱系數(shù)為112 113W / (m2 k) 。因此可以看出總體的傳熱性能得到了提高。圖3-1 雙弓形隔(折流) 板(2) 螺旋隔板換熱器螺旋隔板, 在管間為螺旋形狀, 可使流體在殼側(cè)作螺旋運(yùn)動(dòng), 流體在流道內(nèi)流動(dòng)長度增加, 且流動(dòng)平滑因而在流道中流速和壓差分布比較均勻, 所以帶來一系列優(yōu)點(diǎn): 擋板、管束和殼壁之間的泄漏流、旁路流、反混現(xiàn)象會大量的減少, 流動(dòng)死區(qū)也基本消除。從而使得殼側(cè)污垢面積大大減少, 總體上減少了

22、滯留區(qū)而增加了湍流度, 提高了殼側(cè)的傳熱系數(shù)并降低了壓降。此外, 該結(jié)構(gòu)還能增強(qiáng)管束的穩(wěn)定性, 防止震動(dòng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明, 與相同工況下的直擋流板相比, 螺旋隔板殼側(cè)努塞爾數(shù)可提高4914%。在螺旋角為40左右時(shí), 邊界層流體流動(dòng)形式在流道內(nèi)表現(xiàn)為全發(fā)展流,換熱器效率最高。但缺點(diǎn)是加工制作難度加大, 維修清理較困難, 所以殼側(cè)不易使用經(jīng)常需要清理的介質(zhì)。(3) 折流桿式換熱器折流桿式換熱器由排布的支撐桿和其他元件形成折流柵來代替折流板, 使流體在殼程形成一系列折流, 既可以防震, 還可以增加流動(dòng)介質(zhì)的湍流度, 提高管間給熱系數(shù)。折流桿式換熱器壓降很低, 為弓形隔板的1 /4 以下, 傳熱特性比也

23、高,傳熱強(qiáng)化達(dá)113214 倍, 應(yīng)用于有相變和無相變的流桿螺旋槽再沸器都能獲得比較滿意的效果。材料檢驗(yàn)的硬度測定值在HB156以下;A、管道及焊縫外觀未發(fā)現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象;B、在實(shí)際工況下, 材料韌性良好, 并且未出現(xiàn)材料性能劣化及劣化趨向;C、未焊透相對深度小于016且缺陷底部最小壁厚2mm;D、未焊透部位不存在裂紋及附近無其它埋藏缺陷;E、壓力試驗(yàn)或泄漏性試驗(yàn)合格;F、液氨介質(zhì)中含水量012%;G、安全附件齊全且均在校驗(yàn)有效期內(nèi);I、使用單位已制定壓力管道作業(yè)安全措施及應(yīng)急預(yù)案并保證落實(shí)到位。經(jīng)過上述處理后,80%以上的氨制冷壓力管道允許繼續(xù)監(jiān)控使用,經(jīng)過兩年多運(yùn)行, 未發(fā)生一起管道失效事故,

24、 從而既保證了經(jīng)濟(jì)的發(fā)展又有效地避免了事故的發(fā)生。管殼式換熱器管程和殼程的強(qiáng)化傳熱的各種方法都是圍繞傳熱機(jī)理, 從提高傳熱系數(shù)K、擴(kuò)大傳熱面積A 和增大傳熱溫差tm 三種方面來實(shí)現(xiàn)。通過改變換熱管外形、改變殼程擋板和管支撐物的形式、改變殼程流程布置等途徑達(dá)到提高傳熱效率的目的。從而實(shí)現(xiàn)熱量的合理利用, 降低設(shè)備成本,減少金屬材料消耗, 實(shí)現(xiàn)工藝過程的節(jié)能減排。所以采用各種強(qiáng)化傳熱方法設(shè)計(jì)制造高性能的換熱器是較經(jīng)濟(jì)的開發(fā)和利用能源的最重要手段。第四章 管殼式換熱器設(shè)計(jì)和運(yùn)行中存在的問題分析傳熱過程是化工原理課程中重要的單元操作,換熱器是重要的化工單元操作設(shè)備,種類繁多、形式各異。其中管殼式換熱器

25、使用廣泛,技術(shù)成熟,處理能力大,適應(yīng)性強(qiáng),為目前化工廠中的重要換熱設(shè)備。管殼式換熱器已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化,對于給定的傳熱過程,其通用的設(shè)計(jì)方法為大家所熟知,但是,這種通行的設(shè)計(jì)方法還遠(yuǎn)沒有達(dá)到最優(yōu)化程度,使用電算技術(shù)也并不能從本質(zhì)上提高設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確度。換熱器投入運(yùn)行后,其穩(wěn)態(tài)特性往往與設(shè)計(jì)時(shí)所期望的不一致,或者不容易操作控制,本文擬針對這些問題進(jìn)行分析探討。4.1 傳熱研究中存在的問題關(guān)于對流傳熱的研究,有兩種基本的方法,一是對各類對流傳熱現(xiàn)象進(jìn)行理論分析,建立描述對流傳熱現(xiàn)象的速度分布方程和溫度分布方程,然后求解,但是理論解(解析的或數(shù)值的)根本不能解決復(fù)雜的實(shí)際問題;二是結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)建立經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式,用

26、以解決換熱器的設(shè)計(jì)和模擬問題,這是目前傳熱工程設(shè)計(jì)研究中所使用的唯一方法。已發(fā)表的大量的傳熱計(jì)算關(guān)聯(lián)式,都是基于有限的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)而得出的,這些關(guān)聯(lián)式既要考慮到對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)精度,又要考慮到對非實(shí)驗(yàn)流體的適用性,就使得工程設(shè)計(jì)者在選擇關(guān)聯(lián)式時(shí)感到困難,因?yàn)闊o論如何找不到一個(gè)最可信賴的計(jì)算公式。廣泛使用的關(guān)聯(lián)式為冪函數(shù)形式 :Nu =CRe PrGr在使用該式時(shí),所有的物性參數(shù)都取流體定性溫度下的值。定性溫度介于進(jìn)口溫度和出口溫度之間。然而,在換熱器中,流體溫度是沿?fù)Q熱面變化的,流體物性是溫度的函數(shù),因此,對流給熱系數(shù)沿?fù)Q熱面是變化的,按定性溫度下的物性數(shù)據(jù)計(jì)算出的與實(shí)際情況有相當(dāng)大的誤差。由于問

27、題本身的復(fù)雜性,要在最普遍的形式下來分析解決這一問題是很困難的。解決問題的可行方法是: 為求得最好的結(jié)果,對特定的流體組合進(jìn)行傳熱實(shí)驗(yàn),采用最恰當(dāng)?shù)年P(guān)聯(lián)式對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián), 在換熱器設(shè)計(jì)中采用逐段計(jì)算法進(jìn)行計(jì)算。4.2 物性參數(shù)計(jì)算存在的問題在換熱器設(shè)計(jì)中,計(jì)算時(shí),所涉及到的流體物性參數(shù)有、Cp、,分析可得到的數(shù)據(jù)來源表明:現(xiàn)有的流體物性參數(shù)是不十分準(zhǔn)確的,物性數(shù)據(jù)的推算方法也并不十分可靠,特別是對于混合物和極性分子更是如此。換熱器設(shè)計(jì)準(zhǔn)確性的提高是建立在準(zhǔn)確的物性數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上的,因此,應(yīng)對現(xiàn)有的物性數(shù)據(jù)資料進(jìn)行分析、整理,為換熱器設(shè)計(jì)提供準(zhǔn)確的物性數(shù)據(jù)及物性推算方法。4.3 污垢問題污垢熱阻

28、是換熱器設(shè)計(jì)中有爭議的一個(gè)參數(shù),帶有很大的經(jīng)驗(yàn)性。在計(jì)算換熱器的總傳熱系數(shù)K時(shí),一般情況下使用經(jīng)驗(yàn)值或現(xiàn)場相近數(shù)據(jù),當(dāng)無可靠的生產(chǎn)裝置污垢數(shù)據(jù)時(shí),可采用TEMA標(biāo)準(zhǔn)的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。但是TEMA數(shù)據(jù)是值得懷疑的,由于污垢問題的研究中,可變參數(shù)太多,介質(zhì)種類復(fù)雜,試驗(yàn)難以控制,規(guī)律性差,測試時(shí)間長,耗資大等客觀原因,所以幾十年來停滯不前。盡管如此,如果污垢問題不較好地解決,就很難提高換熱器的設(shè)計(jì)水平。由于換熱器所處理的物料種類繁多,操作條件千變?nèi)f化,所以污垢的生成規(guī)律難以掌握?？偟恼f來,結(jié)垢的機(jī)理有結(jié)晶、沉積、化學(xué)反應(yīng)(如聚合) 、結(jié)焦、低級微生物的生長及腐蝕等。而生成的污垢沉積物大致可分為五類,即:

29、無機(jī)鹽類、結(jié)焦的有機(jī)物、有機(jī)聚合物、細(xì)菌微生物和藻類植物等。沉積物的生成速度和厚度取決于流體的組成、濃度、壁溫、流速和操作時(shí)間等。因?yàn)槲酃笜?gòu)成的性質(zhì)與結(jié)構(gòu)很不一樣,有的污垢質(zhì)地較硬,有的卻較疏松,所以不同污垢間傳熱性能差別很大。當(dāng)間壁兩側(cè)流體給熱系數(shù)很大時(shí),污垢就可能成為傳熱的控制因素。如一側(cè)冷凝,一側(cè)蒸發(fā)時(shí)污垢熱阻的大小就起決定作用。污垢不但對傳熱不利,也影響壓降。因?yàn)殡S著操作時(shí)間的延長,污垢不斷沉積于管壁上,流道逐漸減小,流速增加,壓降迅速增加。當(dāng)傳熱效果降低到一定程度或壓降增加到一定程度后,即明顯影響換熱器的正常操作時(shí),應(yīng)予停車清洗,為了獲得一個(gè)經(jīng)濟(jì)的清洗周期,選擇污垢系數(shù)就至關(guān)重要。若

30、選擇的污垢系數(shù)過大,會使換熱器過大,流速相應(yīng)減小,反而促進(jìn)污垢的沉積,保證不了操作周期;如果選擇的污垢系數(shù)過小,可能造成換熱面積不足,影響正常操作,而且流速過大,雖然降低了結(jié)垢傾向,但操作費(fèi)用增加。而且如果管壁溫度較高,就意味著有較大的平均溫差,這將減小設(shè)備的尺寸,但是這個(gè)優(yōu)點(diǎn)可能被由于壁溫過高而加快結(jié)垢速度所抵消。所以要根據(jù)具體情況,權(quán)衡各方面的因素后方可決定?？傊?污垢系數(shù)的大小直接影響換熱器的尺寸,而換熱器尺寸又影響流體流動(dòng)狀態(tài),進(jìn)而影響結(jié)垢的速度和程度,所以在選擇污垢系數(shù)時(shí)應(yīng)當(dāng)慎重。4.4 計(jì)算方法問題通行設(shè)計(jì)方法采用下面的方程對換熱器進(jìn)行數(shù)學(xué)描述:式中:Q - 熱流量; A換熱面積;

31、 tm 有效傳熱溫差; FT 溫差修正系數(shù);t1m 對數(shù)平均溫差;K總傳熱系數(shù);o 殼程給熱系數(shù);i 管程給熱系數(shù); di 管子內(nèi)徑; do 管子外徑; dm 管子的平均直徑;管子的壁厚;管壁導(dǎo)熱系數(shù); Ro 殼程污垢系數(shù); Ri 管程污垢系數(shù); T1 , T2 熱流體進(jìn)出口溫度; t1 , t2 冷流體進(jìn)出口溫度。這種設(shè)計(jì)方法假定流體的物性參數(shù)及傳熱系數(shù)K在全換熱器內(nèi)保持定值,建立在這一假定基礎(chǔ)之上的設(shè)計(jì)方法(無論手算還是電算) ,所得結(jié)果有明顯的誤差,因?yàn)榱黧w的物性參數(shù)和傳熱系數(shù)都是隨溫度發(fā)生變化的。解決這一問題最妥善的方法是逐段計(jì)算,即將換熱面分段,或?qū)⒘黧w進(jìn)出口溫度的變化范圍分段,微段

32、的大小視傳熱系數(shù)隨流體溫度的變化程度而定。逐段計(jì)算法的計(jì)算工作量大,手算時(shí)所需時(shí)間較長,一般都采用電算,這在目前的條件下是不成問題的。4.5 反溫差問題反溫差(即溫度交叉)問題,是換熱器設(shè)計(jì)中容易被忽視的一個(gè)問題。該問題在化工原理課程教學(xué)中基本未提及。所謂反溫差,是指換熱器投入運(yùn)行后從某一部位開始的實(shí)際傳熱溫差為零( T實(shí)- t實(shí) = 0) ,冷熱流體之間不再進(jìn)行熱交換。因T設(shè)t實(shí) t2 或t實(shí) T2 ,換熱器內(nèi)不會出現(xiàn)反溫差, t2 T2。對于第二種流向布置,在流向轉(zhuǎn)換時(shí),當(dāng)t實(shí) t2 ,不會出現(xiàn)反溫差,設(shè)計(jì)要求可得到滿足。但是t2 T2 ;當(dāng)t實(shí) T2 或T實(shí)t2 時(shí),出現(xiàn)反溫差, t2實(shí)

33、= T2實(shí),冷、熱流體換熱后的實(shí)際溫度與設(shè)計(jì)要求不一致?？傊?在多程換熱器中,冷、熱流體流向從逆流轉(zhuǎn)為并流時(shí),就有可能產(chǎn)生反溫差,要準(zhǔn)確判斷是否產(chǎn)生反溫度,應(yīng)采用逐段計(jì)算法計(jì)算管殼程流體溫度分布。換熱器投入運(yùn)行后,如果未能滿足設(shè)計(jì)要求,不能只從傳熱系數(shù)K和有效傳熱溫差tm ( tm = FT t1m )上找原因,還要從換熱器內(nèi)冷、熱流體流向的布置上找原因,即是否出現(xiàn)了反溫差。傳熱過程往往不是單一過程,它與流體流動(dòng)、物質(zhì)傳遞等密切相關(guān),增加了問題的復(fù)雜性,同時(shí)由于缺少精度較高的傳熱計(jì)算關(guān)聯(lián)式,介質(zhì)污垢問題尚未很好解決,工程設(shè)計(jì)中,都留有較大的設(shè)計(jì)裕度,使用值比計(jì)算值大許多,這些都說明換熱器的設(shè)計(jì)

34、和動(dòng)態(tài)、穩(wěn)態(tài)特性研究還有待進(jìn)一步提高水平。今后除了在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行傳熱研究外,更重要的是積累已投入工廠運(yùn)行的換熱器操作數(shù)據(jù),使采用這些數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)的換熱器運(yùn)行時(shí)能滿足工藝條件,并能較容易的操作控制。綜上所述,融貫的綜合研究方法應(yīng)貫穿于規(guī)劃設(shè)計(jì)的各個(gè)環(huán)節(jié),從宏觀到微觀,從整體到局部,同時(shí)作為建筑師或規(guī)劃師都應(yīng)自覺的與其他學(xué)科交叉合作,以保證設(shè)計(jì)方案的科學(xué)準(zhǔn)確?！熬C合”與“融貫”是人居環(huán)境科學(xué)反復(fù)強(qiáng)調(diào)的主要方法論概念,更有效地“解決現(xiàn)實(shí)問題”、更全面的對偉大的實(shí)踐進(jìn)行“總結(jié)、提高和歸納”是人居環(huán)境科學(xué)反復(fù)強(qiáng)調(diào)的主要宗旨,圍繞某個(gè)特定現(xiàn)實(shí)問題建立起相關(guān)學(xué)科在現(xiàn)象描述和規(guī)律解析研究之間的聯(lián)系,在單一學(xué)科解析基

35、礎(chǔ)上進(jìn)行跨學(xué)科的解析結(jié)論“磨合”,無疑將深化對現(xiàn)象和規(guī)律之間相關(guān)性的認(rèn)識,既是合理的,也是現(xiàn)實(shí)的。研究的“宏觀目的”應(yīng)是解決現(xiàn)實(shí)世界中存在的“問題”,不斷積累解決“問題”的經(jīng)驗(yàn),培養(yǎng)解決“問題”的能力,尤應(yīng)強(qiáng)調(diào)解決“問題”的對策及方案的整體性和綜合性?！熬C合與融貫可以講是一種學(xué)術(shù)理想,是一種建立在事物廣泛聯(lián)系性規(guī)律基礎(chǔ)上的對最高學(xué)術(shù)境界的追求。任何一個(gè)特定歷史時(shí)期人類對現(xiàn)實(shí)世界的認(rèn)識是有限的和不斷深入的,對事物間相關(guān)規(guī)律的認(rèn)識也是一個(gè)不斷深化的過程,試圖一蹴而就的達(dá)到綜合與融貫的境界是不現(xiàn)實(shí)的。探求事物間相關(guān)規(guī)律的過程將是漫長而艱難的,是一個(gè)不斷總結(jié)階段性經(jīng)驗(yàn)的漸進(jìn)過程。圍繞問題所包含的主要矛

36、盾(系統(tǒng)層次性的反映) ,圍繞問題的解決(從實(shí)踐入手,而不是從理論入手) ,優(yōu)先考慮與事物發(fā)展密切相關(guān)的核心學(xué)科的領(lǐng)域拓展(單一子系統(tǒng)的邊界開放)及與其他主要相關(guān)學(xué)科的交叉研究(有限數(shù)量的有確定相關(guān)規(guī)律的子系統(tǒng)間的邊界開放與相互滲透)是必要的。從這個(gè)角度講拓展與交叉是走向綜合與融貫的必要步驟?！睍r(shí)代的發(fā)展,科學(xué)技術(shù)的提高,城市化進(jìn)程的加快,全世界的大融合,都把建筑師或規(guī)劃師變?yōu)樵诒姸嗟膶＜抑?可能是最后的通才的綜合活動(dòng)領(lǐng)域,含有多個(gè)傳統(tǒng)建筑所沒有的反映和活動(dòng)區(qū)域。建筑師或規(guī)劃師已經(jīng)變成了制圖師、遺傳學(xué)者、混合區(qū)域的測量師以及運(yùn)動(dòng)的布局的講述者。圖4-1 遠(yuǎn)期“生態(tài)安全網(wǎng)絡(luò)”設(shè)計(jì)圖第五章 管殼式

37、換熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在換熱設(shè)備中,應(yīng)用最廣泛的是管殼式換熱器,它具有選材范圍廣,換熱表面清洗較方便,適用性較強(qiáng),處理能力大,能承受高溫和高壓等特點(diǎn)。管殼式換熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),必須考慮諸多因素,如:材料、壓力、溫度、壁溫差、結(jié)垢情況、流體性質(zhì)以及檢修與清理等。在工程設(shè)計(jì)中,要按其特定的條件進(jìn)行設(shè)計(jì),以滿足工藝上的要求。5.1管殼式換熱器的形式及結(jié)構(gòu)管殼式換熱器的形式大致分為固定管板式、釜式浮頭式及U 形管式等幾種。最常見的是固定管板式。該換熱器主要由管箱、筒體、管板、列管、折流板、拉桿、定距管以及其他附屬零部件組成,見圖1 。本節(jié)介紹管板及管板與其他部件的連接和折流板結(jié)構(gòu)形式。5.1.1管板(1)管板

38、受力分析管板是一個(gè)被密布的管孔削弱的圓平板,被支承在由管束構(gòu)成的彈性基礎(chǔ)上,該平板二側(cè)作用有均布載荷。由于管子的端部是剛性固定在管板上,當(dāng)管板受介質(zhì)壓力作用產(chǎn)生彎曲變形時(shí),管束中每根管子亦要發(fā)生軸向變形,這樣管板將受到每根管子的彈性反力。管板、管束及殼體均是剛性連接,圖5-1 管殼式換熱器的結(jié)構(gòu)形式殼體管束的熱變形及由介質(zhì)壓力引起的殼壁伸縮會受到管束和管板的約束,從而使管板受到殼體作用的力和力矩。當(dāng)管板兼作法蘭時(shí),除管板對法蘭有加強(qiáng)作用外,法蘭力矩反過來使管板產(chǎn)生附加力矩。壁厚大于38mm 的受壓對接焊縫(A、B 類)20 %超聲波檢查, 級合格。公稱直徑150mm 的接管與受壓殼體焊接焊縫(

39、D 類) 100 %超聲波檢查, 級合格。所有受壓焊縫(A、B、C、D 類) 100 %磁粉檢查,級合格。裙座的縱、環(huán)焊縫20 %射線檢查, 級合格。殼體上所焊的臨時(shí)附件去除后, 其焊接部位100 %磁粉檢查, 級合格。水壓試驗(yàn)后所有受壓對接焊縫(A、B 類) 100 %超聲波檢查, 級合格。水壓試驗(yàn)后公稱直徑150mm 的接管與受壓殼體焊接焊縫(D 類) 100 %超聲波檢查, 級合格。水壓試驗(yàn)后所有受壓焊縫(A、B、C、D 類) 100 %磁粉檢查, 級合格。焊后熱處理后,焊縫和熱影響區(qū)進(jìn)行硬度檢查:HB 225 。(2)管板設(shè)計(jì)材料:管板材料應(yīng)根據(jù)工藝介質(zhì)來選擇。外形尺寸:管板的外行尺寸

40、應(yīng)滿足工藝等專業(yè)條件,同時(shí)還應(yīng)考慮與管板匹配的法蘭結(jié)構(gòu)。管板的厚度:其應(yīng)設(shè)計(jì)壓力等參數(shù)通過計(jì)算來確定。管板與換熱管焊接時(shí),管板的最小厚度除滿足計(jì)算要求外,還應(yīng)滿足結(jié)構(gòu)要求。 布管:換熱管的排列方式有正三角形、正方形和同心圓形,其中正三角形由于管距都相同,在同一管板面積上可排列最多的管數(shù),故正三角形排列方式應(yīng)用最為普遍。拉桿孔:拉桿與管板焊接時(shí),拉桿孔尺寸如圖5-2 所示。其值為: d1 = d + 1 , l1 = d1其中, d 拉桿直徑,mm ;d1 拉桿孔直徑,mm ;l1 拉桿孔深度,mm圖5-2 拉桿與管板焊接結(jié)構(gòu)拉桿與管板螺紋連接時(shí),螺孔尺寸如圖5-3 所示。其值為: l2 = 1

41、. 5 dn式中,l2 螺紋深度,mm ;dn 拉桿螺孔公稱直徑,mm圖5-3 拉桿與管板螺紋連接時(shí)螺孔結(jié)構(gòu)512殼體與管板的連接固定管板式換熱器的連接形式是不可拆式,殼體與管板采用焊接連接。由于設(shè)備直徑的大小、殼體壁的厚薄以及管板的形式(如管板兼作法蘭) 各不相同,所以必須考慮采用不同的焊接形式及焊接點(diǎn)。由于溫度、壓力及物料性質(zhì)各異,所以管板與殼體的結(jié)構(gòu)形式要求不盡相同。對不可拆式的固定管板換熱器,有兩種形式:一種管板兼作法蘭;另一種殼體直徑大于600mm 時(shí),采用圖4 所示之兩種焊接結(jié)構(gòu)的組合,當(dāng)殼體直徑小于600mm 時(shí),殼體兩端與管板的焊接形式可采用圖5-4 所示之(b) 結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)

42、焊接質(zhì)量易保證, 一般允許使用于操作壓力4MPa 的場合。圖5-4 殼體與管板的連接結(jié)構(gòu)513管板與法蘭的連接固定管板式換熱器的管板可兼作法蘭。作法蘭時(shí),除要滿足工藝規(guī)定的密封面形式外,還應(yīng)按壓力、溫度選用法蘭的結(jié)構(gòu)形式。圖5-5 (a) 所示之結(jié)構(gòu)形式使用于殼程與管程的操作壓力為01. 6MPa ,且對氣密性要求不高的情況下。當(dāng)氣密性要求較高時(shí),可選用圖5-5 ( b) 所示之結(jié)構(gòu)形式,該結(jié)構(gòu)榫槽密封面具有良好的密封性能,但制造要求較高,加工困難,墊片窄,安裝不便。一般情況下,可采用凹凸面形式來代替,如圖5-5 (c) 所示。514管子與管板的連接在管殼式換熱器設(shè)計(jì)中,管子與管板的連接是較重

43、要的結(jié)構(gòu)部分。不僅加工工作量大,而且必須使每一連接處在設(shè)備的運(yùn)行中,保證介質(zhì)無泄漏及具有承受介質(zhì)壓力的能力。管子與管板的連接結(jié)構(gòu)形式主要有三種:脹接、焊接及脹焊結(jié)合。 (a) 平面密封 (b) 榫槽密封面 (c) 凹凸密封面圖5-5 管板與法蘭的連接結(jié)構(gòu)脹接:用于管殼之間介質(zhì)滲漏不會引起不良后果的情況,結(jié)構(gòu)簡單,管子易修補(bǔ)。為提高脹管質(zhì)量,管板材料的硬度要求高于管子端部的硬度,這樣才能保證脹接強(qiáng)度和緊密性。結(jié)合面的粗糙度對脹管質(zhì)量也有一定的影響。結(jié)合面粗糙,可產(chǎn)生較大的摩擦力,脹接后不易拉脫;太光滑則易拉脫,但不易產(chǎn)生泄漏,一般粗糙度為1215 。當(dāng)脹接時(shí),管端脹成圓錐形,由于翻邊的作用,可使

44、管子與管板結(jié)合得更為牢固,抗拉脫力的能力更強(qiáng)。當(dāng)管束承受壓力時(shí),則不可采用翻邊的結(jié)構(gòu)形式。焊接:管子與管板焊接時(shí),對管孔的粗糙度要求不高,管子的端部不需退火和磨光,因此制造加工簡便,焊接結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高,抗拉脫力強(qiáng),當(dāng)焊接部分滲漏時(shí),可以補(bǔ)焊。如須調(diào)換管子,可采用專用刀具拆卸焊接的破漏管,這比拆卸脹管方便。脹焊結(jié)合:對于壓力高、滲透性強(qiáng),或在一側(cè)有腐蝕性的介質(zhì),為保證不致泄漏后污染另一側(cè)物料,要求管子與管板的連接處絕對不漏。脹焊結(jié)合的結(jié)構(gòu),從加工工藝過程看,有先脹后焊、先焊后脹、焊后脹接及貼脹等幾種形式。52 折流板折流板是殼程內(nèi)的主要元件,其作用主要是增加管間流速,提高傳熱效果。折流板常用的形式是

45、弓形,其他形式也允許采用。折流板的布置:靠近管板的第一塊折流板應(yīng)盡可能靠近殼程接管,折流板缺口應(yīng)靠近管排或管程間通道的中心線。其它除有特殊要求外,一般在換熱管的有效長度上等距離布置。 折流板與支撐板一般采用拉桿與定距管等元件與管板固定,其固定形式有如下幾種:（1) 采用全焊接方法,拉桿一端插入管板并與管板焊接,每塊折流板與拉桿焊接固定。（2) 拉桿與定距管固定,拉桿一端用螺紋擰入管板,每兩塊折流板之間用定距管固定,每一拉桿上最后的一塊折流板與拉桿焊接。（3) 螺紋與焊接相結(jié)合,拉桿一端用螺紋擰入管板,然后將每塊折流板焊在拉桿上。（4) 拉桿的一端用螺紋擰入管板,中間用定距管將折流板固定,最后一

46、塊折流板用兩螺母鎖緊并點(diǎn)焊固定。5.2.1圓筒壁厚的確定內(nèi)壓按式S = PDi/ 2 t - P + C 計(jì)算;真空按外壓容器設(shè)計(jì)。式中,S 筒體壁厚,mm ;P 設(shè)計(jì)壓力,MPa ;Di 圓筒的內(nèi)徑,mm ; t 設(shè)計(jì)溫度下內(nèi)筒材料的許用應(yīng)力,MPa ;C 厚度附加量,mm。此計(jì)算出的圓筒厚度只能滿足強(qiáng)度要求。要考慮圓筒剛度必須滿足其最小厚度。5.2.2 固定管板式換熱器管板的強(qiáng)度計(jì)算管板的強(qiáng)度計(jì)算理論一般分為兩類:一類是將管板當(dāng)作受均布載荷的實(shí)心圓板,以按彈性理論得到的圓平板最大彎曲應(yīng)力為主要依據(jù),并加入適當(dāng)?shù)男拚禂?shù)以考慮管板開孔削弱和管束的實(shí)際支撐作用。此法計(jì)算的結(jié)果偏于安全,但準(zhǔn)確性

47、較差。另一類是將管束當(dāng)作彈性支撐,而管板則作為放置于這種彈性基礎(chǔ)上的圓板,然后根據(jù)載荷的大小、管束的剛度及周邊支承情況來確定管板的彎曲應(yīng)力,此法全面考慮了管束的支承和溫差等影響,因而計(jì)算結(jié)果較精確,GB151 - 89 采用的就是這種算法。在換熱設(shè)備中應(yīng)用最為廣泛的是管殼式換熱器。由于現(xiàn)代化工廠的生產(chǎn)規(guī)模日益擴(kuò)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。管殼式結(jié)構(gòu)的換熱器也能滿足這一要求,但也不可避免地存在不足。如目前國內(nèi)使用的固定管板式換熱器大多為厚管板,由于管板較厚,且管板與法蘭為一體,造成管板材料供應(yīng)困難。同時(shí)厚管板的加工量大,材料浪費(fèi)多,增加了制造成本。

48、盡管如此,至今仍無一種更好的換熱設(shè)備來代替固定管板式換熱器。第六章 換熱器污垢的防治對策簡述換熱器是化工生產(chǎn)中廣為使用的設(shè)備之一, 據(jù)調(diào)查90 %以上的換熱設(shè)備都存在不同程度的污垢問題。污垢是指在與不潔流體相接觸的固體表面上逐漸積聚起來的那層固態(tài)物質(zhì)。污垢通常是以混合物的形態(tài)存在; 是熱的不良導(dǎo)體, 其導(dǎo)熱系數(shù)一般只有換熱面主要用材碳鋼的十分之一, 和銅等熱的良導(dǎo)體相比差別就更大了。一旦換熱面有了污垢, 流體與換熱壁面之間的傳熱熱阻就增加, 換熱器的總傳熱系數(shù)K將降低,根據(jù)公式: Q = KAtm 則完成一定換熱任務(wù)所需的傳熱面積將增大。污垢不僅惡化了換熱器的傳熱性能, 增大了原材料的消耗,

49、而且因?yàn)楣笇釉龊袷沽魍娣e減小, 在流量維持恒定的情況下, 這必然導(dǎo)致平均流動(dòng)速度u 的增加, 再有污垢還常常使流道表面的粗糙程度增加, 引起摩擦系數(shù)和局部阻力系數(shù)的增加, 這必然要引起整個(gè)換熱器的流動(dòng)阻力壓降2 的增大,為了維持換熱器的性能和傳熱量不變,只有增大泵或風(fēng)機(jī)的消耗功率。此外,換熱面上的污垢的積聚, 還會引起局部過熱或超高溫而導(dǎo)致機(jī)械性能的下降, 引發(fā)事故。污垢的積聚也常常引起換熱面的局部腐蝕乃至于穿孔,嚴(yán)重地威脅了換熱設(shè)備的安全運(yùn)行。6.1 防垢、抑垢、除垢對策分析由于污垢的存在, 使換熱設(shè)備的傳熱能力降低, 介質(zhì)流體阻力增大, 由此而造成了一系列經(jīng)濟(jì)損失。因此,在換熱器的設(shè)計(jì)、

50、使用中如何防垢、抑垢、除垢就顯得很重要。6.1.1 設(shè)計(jì)階段采取的防垢對策前已指出, 污垢既影響換熱設(shè)備的運(yùn)行, 又影響設(shè)備的成本和維護(hù)費(fèi)用。因此在換熱設(shè)備的設(shè)計(jì)過程中必須盡早地考慮這個(gè)問題。設(shè)計(jì)污染條件下工作的換熱器,必須具備表9-1 所需的資料。表6-1 設(shè)計(jì)時(shí)所需的與污垢有關(guān)的數(shù)據(jù)高溫流體的種類低溫流體的種類管子情況潔凈時(shí)總傳熱系數(shù)的范圍管測流體溫度范圍殼側(cè)流體溫度范圍管測流體速度范圍殼側(cè)流體速度范圍可能出現(xiàn)的污垢種類污垢層的導(dǎo)熱系數(shù)管測流體污垢熱阻范圍殼側(cè)流體污垢熱阻范圍有效的清洗方法清洗周期清洗前污垢層的厚度污垢層清晰的難易程度（1） 正確選擇污垢熱阻在表1 中污垢熱阻的選取是換熱器

51、設(shè)計(jì)中的重要一環(huán), 如果設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)時(shí)不能正確預(yù)估污垢熱阻的數(shù)值, 在換熱器的設(shè)計(jì)中就不能恰當(dāng)?shù)乜紤]污垢影響, 結(jié)果就可能出現(xiàn)運(yùn)行問題。設(shè)計(jì)者預(yù)估換熱設(shè)備的污垢熱阻可用下面幾種方法。 經(jīng)驗(yàn)根據(jù)某一特定系統(tǒng)的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)來估算,但應(yīng)注意影響污垢沉積速率的變量應(yīng)盡可能的一致。 運(yùn)行換熱設(shè)備的實(shí)測數(shù)據(jù)根據(jù)從實(shí)際運(yùn)行設(shè)備獲取的數(shù)據(jù)來預(yù)估污垢熱阻。注意, 對運(yùn)行條件的任何改變都要準(zhǔn)確記錄, 否則將影響數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。 使用權(quán)威機(jī)構(gòu)推薦的數(shù)據(jù)對于管殼式換熱器, 使用得最廣泛的是美國管式換熱器制造商協(xié)會( TEMA) 標(biāo)準(zhǔn)中推薦的污垢數(shù)據(jù)使用公開出版文獻(xiàn)的污垢TEMA只給出管殼式換熱器的污垢數(shù)據(jù),其它類型的傳熱設(shè)

52、備可采用其它文獻(xiàn)公布的研究結(jié)果。（2）正確選擇換熱器的類型正確選擇換熱器的型式也可以大大減輕污垢的影響。在換熱器的選型時(shí), 必須注意: 盡量減輕污垢的影響, 易于清洗。常用換熱器與污垢有關(guān)的特點(diǎn)見表6-2。換熱器設(shè)計(jì)時(shí)可以參照此表進(jìn)行初選。表6-2 一些典型換熱器的特點(diǎn)結(jié)構(gòu)型式材料清洗情況備注列管式多種材料管測易于清洗,殼側(cè)清洗較難應(yīng)用廣泛，U型管式除外管套式通常為碳鋼管內(nèi)相對容易，環(huán)形空間較難或不可能只用于傳熱面積較小的情況螺旋板式多種材料易于通過整個(gè)通道清洗緊湊、可用于污垢條件石墨塊式石墨不能機(jī)械清洗卻可以進(jìn)行化學(xué)清洗可用于腐蝕條件板肋式鋁、不銹鋼、鈦只能進(jìn)行化學(xué)清洗高度緊湊（3）換熱器流

53、體通道的安排。在列管式換熱器中,通常是將腐蝕性強(qiáng)的或污染性強(qiáng)的流體布置在管側(cè)。當(dāng)然如果遇到高壓流體或易聚合流體,則不管它的污垢特性如何,都將它們放在管側(cè)。這樣做一來降低了設(shè)備費(fèi)用;二來便于機(jī)械清洗。6.2 運(yùn)行階段采取的抑垢對策為了減少污垢的不良影響, 在換熱器的運(yùn)行過程中, 我們應(yīng)盡可能的采取各種措施減少污垢的形成, 也就是所謂的抑垢運(yùn)行。對于不同的工藝流體其方法是不同的, 下面分別討論如何抑制液側(cè)污垢和氣側(cè)污垢。6.2.1 液測污垢的抑制策略形成液側(cè)污垢的途徑不同,運(yùn)行階段采用的抑垢措施也是不同的。（1） 析晶污垢的控制方法析晶污垢常用的控制方法有:加入化學(xué)添加劑和控制PH值兩種。 添加劑

54、是各種具有某些特性的化學(xué)制品,主要有四類: 變型劑: 這種制品可以影響晶體的結(jié)構(gòu),使其難于附著在換熱面上或減小晶體層與換熱面之間的結(jié)合力。分散劑:這種制品能使小晶體一旦形成就立即分開到流體中去,避免它們集中在換熱面上。螯合劑:這種制品可以與析出物質(zhì)形成螯合物,防止它們粘附到換熱面上。閾值處理劑:這種化學(xué)制品可抑制晶核的產(chǎn)生。 控制pH值也是控制晶體析出的有效方法之一。由于污垢組分的溶解能力隨pH值的減小而增加。因此,常用向系統(tǒng)加酸(如H2SO4) 的方法使pH值維持在6. 57. 0 之間。如果系統(tǒng)用的是耐腐蝕材料,則可選擇不結(jié)垢或最小結(jié)垢的pH值。此法在冷卻水系統(tǒng)中用得較多。（2）微生物污垢的控制微生物污垢主要發(fā)生在化工廠的冷卻塔和冷卻水系統(tǒng)中。用生物殺滅劑消滅微生物可以抑制微生物污垢。常用的