管殼式換熱器優(yōu)化設(shè)計(jì)論文

1、管殼式換熱器優(yōu)化設(shè)計(jì)與應(yīng)用管殼式換換器在化工生產(chǎn)工藝中，主要適用于液相流體之間、 氣體流體之間及氣液兩相流體之間的換熱，達(dá)到回收余熱，消除 廢熱的目的，因其具有制作簡(jiǎn)單，操作及維護(hù)維修均較方便的特 點(diǎn)，所以應(yīng)用應(yīng)用范圍比較廣范。管殼式換熱器設(shè)計(jì)和造型的核 心與其他換熱器的設(shè)計(jì)一樣，首先考慮的是傳熱面積，其次再確 定換熱器的其他尺寸及換熱器的型號(hào)。計(jì)算換熱器的傳熱面積， 必須先確定總傳熱系數(shù)K和平均溫度差A(yù)tm。由于總傳熱系數(shù)K 值與換熱器的類型、尺寸及流體流向等多個(gè)因素有關(guān)，Atm與兩 流體在換熱器中的流向、加熱（或冷卻）介質(zhì)終溫的選擇等有關(guān)， 因此換熱器的設(shè)計(jì)和選型要從以下幾方面考慮，通過計(jì)

2、算和比較 才能設(shè)計(jì)出適宜的換熱器設(shè)計(jì)。第一、流體流徑的選擇：流體流徑的正確選擇，即哪種流體走管間，哪種流體走管內(nèi)， 不僅對(duì)換熱效率有重要作用，而且對(duì)設(shè)計(jì)投入運(yùn)行后的維護(hù)維修， 安全操作均有很大的關(guān)系。1）含雜質(zhì)不干凈的流體（如酸冷器、汽機(jī)冷凝器的循環(huán)水） 易結(jié)垢的流體宜走管內(nèi)，在維護(hù)時(shí)，清洗管內(nèi)比較方便。比如在 清洗冷凝器或換熱器時(shí)使用高壓水槍可快速的完成檢修任務(wù)。2）有腐蝕性的流體宜走管內(nèi)，以免殼體和管子同時(shí)受腐蝕， 而且管子也便于清洗和檢修。如：利用105%發(fā)煙硫酸生產(chǎn)流體 三氧化硫時(shí)，三氧化硫蒸發(fā)器（管殼式換熱器的一種）內(nèi)105% 發(fā)煙硫酸走管內(nèi)，在生產(chǎn)過程中，當(dāng)管子受腐蝕泄漏時(shí)，根據(jù)出

3、 口酸溫可簡(jiǎn)單的判斷出故障，對(duì)操作人員的危害機(jī)率很小；維修 時(shí)，在管子兩端加盲堵即可。3）相對(duì)壓強(qiáng)高的流體宜走管內(nèi)，以免殼體受壓增加設(shè)計(jì)時(shí)殼 程金屬消耗量，節(jié)省材料，降低設(shè)備制作費(fèi)用。4）飽和蒸汽宜走管間，以便于及時(shí)排除冷凝液，而且蒸汽比 較干凈，它對(duì)管間殼程的清洗無要求。三氧化硫蒸發(fā)器也是這方 面的實(shí)際應(yīng)用。5）有毒流體宜走管內(nèi)，使泄漏機(jī)會(huì)較少，可降低危害風(fēng)險(xiǎn)系 數(shù)。6）被冷卻的流體宜走管間，可充分利用設(shè)備外殼向外散熱， 增加冷卻效果。如硫酸生產(chǎn)中使用的酸冷器、蒸汽冷凝水冷卻器 等7爵度大的流體或流量較小的流體宜走管間，因流體在有折流 擋板的殼程流過時(shí)，由于流速和流向的不斷改變，在較低雷諾數(shù)

4、 Re值（V100）時(shí)，即可達(dá)到湍流，以提高對(duì)流傳熱系數(shù)。30攝 氏度時(shí)，98硫酸的黏度為15mPas，水的黏度為0.80 mPas , 由此可得硫酸的相對(duì)黏度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于水，酸冷器酸走管間也就是必 然的了。8）對(duì)于剛性結(jié)構(gòu)的換熱器，若兩流體的溫度差較大，對(duì)流傳 熱系數(shù)較大者宜走管間，因壁面溫度與對(duì)流傳熱系數(shù)a值大的流體 溫度相近，可以減少熱應(yīng)力。以上從流體本身特征上對(duì)流體流徑的選擇進(jìn)行了描述，往往 這八個(gè)方面不能同時(shí)兼顧，在設(shè)備初期選型時(shí)，可根據(jù)實(shí)際情況， 抓住設(shè)備選型的主要矛盾，即解決問題的根本問題。例如，選用 管殼式硫酸冷卻器時(shí)，可先考慮循環(huán)水管路的檢修與清洗，再根 據(jù)總傳熱系數(shù)核對(duì)對(duì)流傳熱

5、系數(shù)和壓強(qiáng)降，來選取最佳方案。第二、流體流速選擇增加流體在換熱器中的流速，可大大增強(qiáng)對(duì)流傳熱系數(shù)，減 少污垢在管子表面上沉積的機(jī)會(huì)，即降低了污垢熱阻，使總傳熱 系數(shù)增大，從而可減小換熱器的傳熱面積。但是，流速的增加， 又使流動(dòng)阻力增大，動(dòng)力消耗就增多。所以選用適宜的流速要通 過經(jīng)濟(jì)衡算才能確定。另外，在選擇流速時(shí)，還需考慮結(jié)構(gòu)上的 要求，例如，選擇高的流速，使用管子的數(shù)目減少，對(duì)一定的傳 熱面積，不得不采用較長(zhǎng)的管子或增加程數(shù)。管子太長(zhǎng)不易清洗， 并且一般管子都有一定的標(biāo)準(zhǔn)；通過將單管程變?yōu)槎喙艹烫岣吡?速使平均溫度差下降，等等這些都是在選擇流速時(shí)應(yīng)考慮的問題。第三、流體兩端溫度的確定如果換熱

6、器中冷、熱流體的溫度都預(yù)先由工藝條件規(guī)定，當(dāng) 然就不存在兩端溫度的選取問題。若其中一個(gè)流體僅已知進(jìn)口溫 度，則出口溫度應(yīng)由設(shè)計(jì)者來確定。例如用冷水冷卻某熱流體， 冷水的進(jìn)口溫度可以根據(jù)當(dāng)?shù)氐臍鉁貤l件做出估計(jì)，而換熱器出 口的冷水溫度，便需要根據(jù)經(jīng)濟(jì)衡算來決定。為了節(jié)省水量，可 讓水的出口溫度提高些，這樣就必須加大傳熱面積；反之為了減 小傳面積，則要增加水量。這兩項(xiàng)要素是相互矛盾的，又是相互 關(guān)聯(lián)的。因此一般來說，設(shè)計(jì)者可選取兩端溫差為510攝氏度。 水資源缺乏地區(qū)，應(yīng)選用較大的兩端溫差A(yù)tmax ；相對(duì)水資源較為 豐富的地區(qū)宜選用較小的兩端溫度差A(yù)tmin。第四、管子的規(guī)格和排列方法在選擇管子

7、的規(guī)格時(shí)，應(yīng)盡可能提高流體流速，以取得較高 的雷諾數(shù)Re，使流體達(dá)到湍流狀態(tài)，就必須采用小管徑的管子， 但一般不能超過規(guī)定的流速范圍。對(duì)于易結(jié)垢、黏度較大的液體 宜采用較大的管徑。我國(guó)目前試用的管殼式換熱器系列標(biāo)準(zhǔn)中僅 有中25x2.5mm和中19x2mm兩種規(guī)格的管子；管子規(guī)格的選取 另外一個(gè)重要的因素就是管子的長(zhǎng)度的的選擇，管子長(zhǎng)度的選擇 以清洗方便及合理使用管材為原則，長(zhǎng)管不便于清洗，且易彎曲。 般出廠的管子長(zhǎng)度為6米，合理的換熱器管長(zhǎng)應(yīng)為1.5米、2 米、3米和6米。標(biāo)準(zhǔn)系列中也以這四種規(guī)格的管長(zhǎng)為基本尺寸。 此外管長(zhǎng)和殼徑應(yīng)相適應(yīng)，一般取L/D為46 （直徑小的換熱器 可取大些）。管

8、子的排列方法，主要有等邊三角形、正方形直列和正方形 錯(cuò)列等。不同的排列方法有各自的優(yōu)點(diǎn)，等邊三角形排列的優(yōu)級(jí) 點(diǎn)有：管板的強(qiáng)度高，流體走短路的機(jī)會(huì)少，且管外流體擾動(dòng)較 大，因而對(duì)流傳熱系數(shù)較高；相同過程內(nèi)可排列更多的管子。正 方形直列排列的優(yōu)點(diǎn)是：便于清洗列管的外卜壁，適用于殼程流體 易產(chǎn)生污垢的場(chǎng)合；但其對(duì)流傳熱系數(shù)相對(duì)正三角形較低，正方形錯(cuò)列排列則介于上述兩者之間，與直列排列相比，對(duì)流傳熱系 數(shù)可適當(dāng)?shù)靥岣摺９茏釉诠馨迳吓帕械拈g距t(指相鄰兩根管子的中心距)，隨 管子與管板的連接方法不同而異。通常脹管法取t=(1.31.5)d0 , 且相鄰兩管外壁間距不小于 6mm，即t(d0+6)。焊接

9、法取 t=1.25d。第五、管程和殼程數(shù)的確定有時(shí)換熱器的管內(nèi)流體的流量較小，或因所需傳熱面積較大 從而所需管數(shù)很多，就會(huì)因流通面積的增大使管內(nèi)流速較低，因 而對(duì)流傳熱系數(shù)較小。為了提高管內(nèi)流速，可采用多管程。管程 的增加，導(dǎo)致管程阻力加大，增加動(dòng)力消耗費(fèi)用；同時(shí)多管程會(huì) 使平均溫度差下降；止匕外多管程隔板使管板上可利用的面積減少。 在換熱器設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮這些問題。一般情況下，在系列標(biāo)準(zhǔn)中管 殼式換熱器管程數(shù)有1、2、4、6程等四種。采用多管程時(shí)，應(yīng)使 每程的管子數(shù)相等。當(dāng)溫度差校正系數(shù)中攵低于0.8時(shí)，可以采用殼方多程。如 殼體內(nèi)安裝一塊與管束平行的隔板，流體在殼體內(nèi)流經(jīng)兩次，稱 為兩殼程，由

10、于殼程隔板在制造、安裝和檢修等方面都有困難， 幫一般不采用殼方多程的換熱器，而是將幾個(gè)換熱器串聯(lián)使用。 以代替殼方多程。第六、折流擋板在殼程內(nèi)安裝折流板，使殼程間的流體在殼程內(nèi)的流速和流向不斷改變，即使在流速較低時(shí)也可以達(dá)到湍流，使湍動(dòng)程度加 劇，以提高殼程內(nèi)流體的對(duì)流傳熱系數(shù)。折流板的形式有多種，有圓缺型、環(huán)盤形和弓形等。最常用 的是圓缺型折流板，切去圓抽弓形的高度約為外殼內(nèi)徑的 10%-40%，一般情況下取20%-25%為最佳效果。另外卜折流的 間距h為外殼內(nèi)徑D的0.21倍。在標(biāo)準(zhǔn)系列中折流板間距h 規(guī)定：固定管板式的有150 mm、300 mm、600 mm三種，浮 頭式的有 150m

11、m、200 mm、300 mm、480 mm 和 600mm 五種。根據(jù)流體特點(diǎn)不同，根據(jù)實(shí)際選取板間距，正確的選取板 間距，是提高殼程內(nèi)流體傳熱系數(shù)的主要途徑。第七、夕卜殼直徑的確定換熱器殼體直徑的選擇，當(dāng)根據(jù)計(jì)算出的實(shí)際管數(shù)較少時(shí)， 可依據(jù)管徑、管中心距及管子的排列用作圖法確定殼體的內(nèi)徑； 但是當(dāng)管數(shù)較多，又要反復(fù)計(jì)算時(shí)，作圖法就太麻煩了，一般在 初步設(shè)計(jì)時(shí)，先分別選定兩流體的流速，然后計(jì)算所需的管程和 殼程的流通截面積，在系列標(biāo)準(zhǔn)中查出相應(yīng)的外殼直徑。待全部 設(shè)計(jì)完成后，仍應(yīng)用作圖法畫出管子排列圖，在作圖時(shí)，為了使 管子排列均勻，防止殼程內(nèi)流體走短路，可以適當(dāng)增減一些管子。第八、換熱器材

12、料的選用。根據(jù)換熱器內(nèi)流體操作壓強(qiáng)、溫度及流體的腐蝕性等特點(diǎn)， 可根據(jù)管程和殼程流體物質(zhì)的不同特點(diǎn)分別選取材料，進(jìn)行制作。 還可根據(jù)操作壓強(qiáng)的不同，溫度的不同，分別選取力學(xué)性能不同的材料。以減少設(shè)計(jì)制作費(fèi)用。第九、流體流動(dòng)阻力對(duì)于換熱器管程流動(dòng)阻力，可按管道的摩擦阻力公式進(jìn)行計(jì) 算，對(duì)于多程換熱器，總阻力等于直管阻力、回彎阻力及進(jìn)出口 阻力之和，計(jì)算較為簡(jiǎn)單。對(duì)于殼程阻力由于殼程內(nèi)流體的流動(dòng)狀況比較復(fù)雜，因此計(jì) 算結(jié)果各不相同，最常用的有埃索法計(jì)算殼程壓強(qiáng)降公式。一般來說，液體流經(jīng)換熱器的壓強(qiáng)降為10100Mpa，氣體 的為110Mpa。設(shè)計(jì)時(shí)，換熱器的工藝尺寸應(yīng)在壓強(qiáng)降與傳熱 面積之間進(jìn)行利弊權(quán)衡，使之既能滿足工藝要求，又經(jīng)濟(jì)合理。另外，換熱器的制作附件的制作也較為重要，對(duì)設(shè)備的換熱 效果都有較大的影響。如封頭的形式對(duì)管內(nèi)流體的均勻分布有一 定的影響。緩沖板的安裝可