《核電站通用機(jī)械設(shè)備》第4章(熱交換器)

1、第四章 熱交換器第四章 熱交換器4.1 熱交換器的用途和類型4.2 列管式換熱器的類型及工作特性 4.3 熱交換器的傳熱方式、傳熱過(guò)程 及傳熱方程4.4 列管式熱交換器工作參數(shù)的選擇4.5 熱交換器運(yùn)行中的主要問(wèn)題4.6 壓水堆核電廠熱交換器4.1.1 熱交換器的用途4.1.2 熱交換器的類型 4.1 熱交換器的用途和類型定義：把一種介質(zhì)的熱量傳給另一種介質(zhì)的機(jī)械設(shè)備。功能：傳遞熱量。典型設(shè)備：蒸汽發(fā)生器，低壓、高壓給水加熱器，冷凝器，冷卻器等。4.1.1 熱交換器的用途4.1.2.1間壁式熱交換器特點(diǎn)：冷、熱兩流體被固體壁面隔開(kāi)，不相混合，通過(guò)間壁進(jìn)行熱量交換。主要形式：夾套式換熱器蛇管式換

2、熱器套管式換熱器列管式換熱器4.1.2 熱換熱器的類型 1.夾套式熱交換器：結(jié)構(gòu)：夾套安裝在容器外部，夾套與器壁之間形成密封空間，為加熱介質(zhì)或冷卻介質(zhì)的通道。特點(diǎn)：傳熱系數(shù)較小，傳熱面受容器限制。適用范圍：傳熱量不太大的場(chǎng)合。4.1.2.1間壁式熱交換器1.夾套式熱交換器：2.蛇管式熱交換器：分類：沉浸式蛇管熱交換器噴淋式熱交換器優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，便于防腐蝕，能承受高壓。缺點(diǎn)：容器體積較蛇管體積大得多，管外流體的傳熱系數(shù) 較小，總傳熱系數(shù)k值也較小。4.1.2.1間壁式熱交換器4.1.2.1間壁式熱交換器4.1.2.1間壁式熱交換器3.套管式熱交換器：結(jié)構(gòu)：用管件將兩種尺寸不同的標(biāo)準(zhǔn)管

3、連接成為同心圓的套管，然后用180的回彎管將多段套管串連而成，每一段套管稱為一程，程數(shù)可根據(jù)傳熱要求而增減。每程的有效長(zhǎng)度為46m。4.1.2.1間壁式熱交換器3.套管式熱交換器：優(yōu)點(diǎn)：構(gòu)造簡(jiǎn)單；耐高壓；傳熱面積可增減；流速較大，雙方流體逆流，利于傳熱。缺點(diǎn)：管間接頭多，易泄漏；單位換熱器長(zhǎng)度具有的傳熱面積較小。在需要傳熱面積不太大而要求壓強(qiáng)較高或傳熱效果較好時(shí)，宜采用套管式換熱器。4.1.2.1間壁式熱交換器適用范圍：氣體冷卻（有時(shí)兼作除塵、增濕或減溫等）及蒸汽冷凝。特點(diǎn)：被冷凝（冷卻）蒸汽直接與水（冷流體）接觸換熱，傳熱效果好。僅在允許冷、熱流體互相混合時(shí)應(yīng)用。4.1.2.2混合式熱交換器

4、4.1.2.2混合式熱交換器結(jié)構(gòu)：內(nèi)部裝有固體填充物。冷、熱流體交替流過(guò)蓄熱器，利用固體填充物來(lái)積蓄和釋放熱量來(lái)?yè)Q熱。優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，耐高溫，多用于高溫氣體加熱。缺點(diǎn)：設(shè)備體積龐大，不能完全避免兩種流體混合，使用不多。4.1.2.3.蓄熱式熱交換器結(jié)構(gòu)：一組長(zhǎng)方形的薄金屬板和墊圈平行排列、夾緊組裝于支架上。4.1.2.4 板式熱交換器優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)緊湊、單位體積傳熱面積大總傳熱系數(shù)K值高可調(diào)節(jié)傳熱面積檢修、清洗方便。缺點(diǎn)：操作壓強(qiáng)較低，一般低于15bar，最高不超過(guò)20bar操作溫度不能太高，一般合成橡膠墊圈不超過(guò)130，壓縮石棉墊圈低于250。4.1.2.4 板式熱交換器4.2.1 固定管板式熱

5、交換器4.2.2 U型管熱交換器4.2.3 浮頭式熱交換器4.2 列管式換熱器的類型及工作特性 結(jié)構(gòu)：兩端管板和殼體連接成一體。特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)低廉。殼程不易檢修和清洗；兩流體的溫差較大時(shí)，應(yīng)考慮熱補(bǔ)償。使用工況：4.2.1 固定管板式熱交換器4.2.1 固定管板式熱交換器結(jié)構(gòu)：管子彎成U型，管子兩端固定在同一管板上。特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，重量輕不受熱膨脹限制管板的利用率差管內(nèi)清洗困難，管內(nèi)流體必須潔凈。使用工況：高溫和高壓場(chǎng)合,核電站反應(yīng)堆回路和汽輪機(jī)回路。4.2.2 U型管熱交換器4.2.2 U型管熱交換器結(jié)構(gòu)：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

6、可以自由伸縮，與外殼的膨脹無(wú)關(guān)。特點(diǎn)：可補(bǔ)償熱膨脹；結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價(jià)高。4.2.3 浮頭式熱交換器4.2.3 浮頭式熱交換器4.6.1蒸汽發(fā)生器4.6.2低壓給水加熱器4.6.3高壓給水加熱器4.6.4冷凝器4.6壓水堆核電廠熱交換器4.6.1蒸汽發(fā)生器4.6.1.1蒸汽發(fā)生器的功能為發(fā)電機(jī)汽輪機(jī)組提供飽和蒸汽。壓水堆核電廠一回路中一般有三臺(tái)蒸汽發(fā)生器，分別安裝在三條環(huán)路中，每臺(tái)蒸汽發(fā)生器按照滿功率運(yùn)行時(shí)傳遞三分之一的反應(yīng)堆熱功率設(shè)計(jì)。4.6.1.2 立式U形管式蒸汽發(fā)生器的結(jié)構(gòu)與工作原理1.結(jié)構(gòu)與部件分上、下兩部分，下部直徑較小(D下 = 3446mm)為蒸發(fā)段，其中裝有19的U形管4474根

7、以及管板、支撐板、管束圍板、流量分配擋板等；上部直徑比較大(D上=4484mm)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。4.6.1.2 立式U形管式蒸汽發(fā)生器的結(jié)構(gòu)與工作原理2.工作原理一回路冷卻劑從蒸汽發(fā)生器底部，球形封頭的一側(cè)的入口引入進(jìn)口水室，再進(jìn)入管板下表面U形管內(nèi)，上升至倒置U形管頂，再折返沿U形管束的另一半下降回到球形封頭出口水室引出，通過(guò)一回路壓力管經(jīng)主泵去反應(yīng)堆吸收熱量后，再去循環(huán)回到進(jìn)水口室。 二回路的給水，被加熱、沸騰、蒸發(fā)，重復(fù)循環(huán)上述過(guò)程。4.6.2低壓給水加熱器利用低壓缸抽汽加熱主凝結(jié)水。由四級(jí)加熱器組成。4.6.3高壓給水加熱器結(jié)構(gòu)

8、：臥式U型管式汽水熱交換器加熱器直徑2.37m，長(zhǎng)度12.917m。 U型加熱管為不銹鋼管，管數(shù)為2258根，管板為碳鋼，管束與管板連接采用先焊后脹。兩端封頭均為蝶形封頭。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。4.6.3高壓給水加熱器工作原理：利用汽輪機(jī)抽汽加熱高壓給水，保證進(jìn)入蒸汽發(fā)生器的給水水溫。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。4.6.3高壓給水加熱器4.6.4 凝

9、汽器（冷凝器）結(jié)構(gòu)：每臺(tái)機(jī)組配三臺(tái)凝汽器，布置在機(jī)房底層。每臺(tái)凝汽器有兩組單流程管束，為臥式單程管板式換熱器。原理：循環(huán)冷卻水（海水）由入口水室下端的進(jìn)水暗渠引入，經(jīng)管板走管內(nèi)至出口水室再?gòu)某隹谒蚁露伺胖僚潘登１焕淠恼羝吖荛g，自上而下，沖刷冷卻水管束的同時(shí)，冷凝成凝結(jié)水，經(jīng)集水箱除氧淺盤流入熱井。4.6.4 凝汽器（冷凝器）功能：汽輪發(fā)電機(jī)組提供一經(jīng)濟(jì)背壓，并且使機(jī)組在所 規(guī)定的冷卻水 溫度范圍和運(yùn)行條件下，安全可靠的運(yùn)行；滿足機(jī)組要求的熱力性能，冷凝所有進(jìn)入凝結(jié)器的蒸汽，保持凝結(jié)水質(zhì)，提供所需的凝結(jié)水量。4.3.1 熱交換器傳熱的基本方式4.3.2 換熱器的傳熱過(guò)程4.3.3 熱交

10、換器的傳熱方程4.3.4管殼程流體阻力的計(jì)算4.3.5熱交換器的熱力設(shè)計(jì)步驟4.3 熱交換器的傳熱方式、傳熱過(guò)程 及傳熱方程4.3.1 熱交換器傳熱的基本方式傳熱的基本方式：1.熱傳導(dǎo)；2.對(duì)流傳熱。4.3.1.1 熱傳導(dǎo)（又稱導(dǎo)熱）若物體上的兩部分間連續(xù)存在著溫差，則熱將從高溫部分自動(dòng)地流向低溫部分，直至整個(gè)物體的各部分溫度相等為止。4.3.1.2 對(duì)流傳熱流體中質(zhì)點(diǎn)發(fā)生相對(duì)位移而引起的熱交換。對(duì)流傳熱僅發(fā)生在流體中，它與流體的流動(dòng)狀況密切相關(guān)。對(duì)流傳熱時(shí)，伴隨著流體質(zhì)點(diǎn)間熱傳導(dǎo)。工程中討論的對(duì)流傳熱，多指熱由流體傳到固體壁面（或反之）過(guò)程。4.3.1 熱交換器傳熱的基本方式4.3.2 換熱

11、器的傳熱過(guò)程4.3.3.1 熱傳導(dǎo)方程傅立葉定律： (4-1)式中:Q導(dǎo)熱速率,即單位時(shí)間內(nèi)傳導(dǎo)的熱,W；S等溫面面積,m2； b壁面厚度,m； Tw冷熱壁面溫差,； 導(dǎo)熱系數(shù),W/（m2）。4.3.3 熱交換器的傳熱方程 (4-2)式中: dQ局部對(duì)流傳熱系數(shù),W； dS微元傳熱面積,m2； T換熱器任一截面上流體的平均溫度,; Tw換熱器任一截面上與流體接觸一側(cè)壁面的溫 度,; 比例系數(shù),又稱局部對(duì)流傳熱系數(shù),W/ (m2)4.3.3.2 對(duì)流傳熱速率方程牛頓冷卻定律： (4-3)式中：平均對(duì)流傳熱系數(shù), W/(m2); S總傳熱面積，m2； t流體與壁面之間的平均溫差, 。4.3.3.2

12、 對(duì)流傳熱速率方程 換熱器的傳熱速率與流體流經(jīng)位置有關(guān)。牛頓冷卻定律可用下式表示: (4-4) (4-5)式中:Si ,dSo換熱器管內(nèi)外表面積,m2 ；i ,o換熱器管內(nèi)外流體對(duì)流傳熱系數(shù), W/(m2)；t 換熱器管外任一截面流體平均溫度, ；tw換熱器管外與流體接觸任一截面壁面溫度, 。4.3.3.2 對(duì)流傳熱速率方程假設(shè)熱交換器絕熱良好，熱損失可以忽略，則單位時(shí)間內(nèi)熱流體放出熱量等于冷流體中吸收熱量。Q=Wh(Hh1-Hh2)= Wc(Hc2-Hc1) (4-6)式中:Q換熱器熱負(fù)荷(傳熱速率),kJ/h；Wh ,Wc流體質(zhì)量流量,kg/h;H單位質(zhì)量流體的焓,kJ/kg。4.3.3.

13、3 能量衡算方程1.熱交換器兩流體無(wú)相變,流體比熱不隨流體溫度變化時(shí)，或可取平均溫度下的比熱：Q=Whcph(T1-T2)=Wccpc(t2-t1) ( 4-7 )式中:cp流體平均定壓比熱,kJ/(kg )； t冷流體溫度,；T熱流體溫度,。4.3.3.3 能量衡算方程2.若熱交換器的熱流體有相變,如飽和蒸汽冷凝：Q=Wh=Wccpc(t2-t1) (4-8)(4-8)式的應(yīng)用條件為冷凝液在飽和蒸汽溫度下離開(kāi)換熱器。若低于飽和蒸汽溫度 :Q=Wh+cph(Ts-T2)=Wccpc(t2-t1) (4-9)式中:cph冷凝液的比熱, kJ/(kg ) 。3.換熱器在換熱過(guò)程中考慮熱量損失 :Q

14、=(1-x%)Whcph(T2-T1)=Wccpc(T1-T2) (4-9a)4.3.3.3 能量衡算方程換熱器中任一截面間壁兩側(cè)流體的傳熱速率方程可仿照對(duì)流傳熱速率方程表示 dQ=K(T-t)dS=KtdS (4-10)上式為換熱器總傳熱速率方程式。表明總傳熱系數(shù)在數(shù)值上等于單位溫差下的熱通量。式中：K換熱器局部總傳熱系數(shù), W/(m2) ； T, t換熱器任一截面上冷、熱流體的平均溫度,。4.3.3.4. 總傳熱速率方程dQ=Ki(T-t)dSi=Ko(T-t)dSo=Km(T-t)dSm （4-11）式中: Ki、Ko、Km基于管子內(nèi)壁表面積、外壁表面積、內(nèi)外平均面積的總傳熱系數(shù)， W/

15、(m2);Si、So、Sm 管子內(nèi)壁表面積、外壁表面積、內(nèi)外平均面積，m2。dQ、(T-t)與所選擇的基準(zhǔn)面無(wú)關(guān)，式中：do ,di ,dm管子內(nèi)徑、外徑和內(nèi)外徑的平均 直徑，m。4.3.3.4. 總傳熱速率方程總傳熱速率微分方程式，積分后才有意義。積分的結(jié)果是用換熱器的平均溫度差來(lái)代替局部溫度差。對(duì)總傳熱速率微分方程式積分，必須作如下規(guī)定：傳熱為穩(wěn)定傳熱；冷、熱流體的比熱為常量換熱器總傳熱系數(shù)為常量換熱器熱量損失可不計(jì)4.3.3.5 平均溫度差1.恒溫傳熱時(shí)的平均溫度差：特點(diǎn)：冷、熱流體的溫度均不沿管長(zhǎng)變化，兩者間的溫度差處處相等。因此，對(duì)總傳熱速率微分方程積分后可得：Q=KS(T-t)=K

16、St (4-13)2.變溫傳熱下的平均溫度差：逆流和并流時(shí)的平均溫度差：4.3.3.5 平均溫度差4.3.3.5 平均溫度差4.3.3.5 平均溫度差逆流、并流換熱分析：并流和逆流傳熱在進(jìn)出口溫度不變, 逆流的平均溫度差tm比并流的大。在換熱器傳熱量Q和總傳熱系數(shù)相同情況下,采用逆流操作可以節(jié)省傳熱面積S。在熱流體經(jīng)釋熱后的出口溫度不作規(guī)定時(shí)，逆流傳熱的出口溫度可以降到冷流體的進(jìn)口溫度，充分利用熱流體的熱量，降低熱流體流量，降低運(yùn)行成本。一般情況，傳熱過(guò)程采用逆流優(yōu)于并流。4.3.3.5 平均溫度差錯(cuò)流和折流時(shí)的平均溫差：特點(diǎn)：在列管式熱交換器中，流體為復(fù)雜的多流程流動(dòng)或是互相垂直的交叉流動(dòng)根

17、據(jù)安德伍德和鮑曼的圖算法，平均溫度差tm=ttm 式中: tm按逆流算出平均溫度差，； t溫差校正系數(shù)。其中t=f(P,R)溫度校正系數(shù)值可根據(jù)P和R兩因數(shù)從圖查得。4.3.3.5 平均溫度差1.換熱器中總傳熱系數(shù)K的數(shù)值范圍：特點(diǎn)：主要取決于流體物性、換熱器操作條件以及換熱器類型等因素，K取值范圍很大，在設(shè)計(jì)換熱器時(shí)可在換熱器的有關(guān)手冊(cè)中查找。2.總傳熱系數(shù)K值的計(jì)算：兩流體通過(guò)管壁的傳熱包括以下過(guò)程。熱流體在流動(dòng)過(guò)程中把熱量傳給管壁的對(duì)流傳熱；通過(guò)管壁的熱傳導(dǎo)；熱量由管壁另一側(cè)傳給冷流體的對(duì)流傳熱。4.3.3.6 總傳熱系數(shù)K4.3.3.6 總傳熱系數(shù)K （4-21）當(dāng)管壁和污垢熱阻可忽略

18、時(shí)，簡(jiǎn)化為:若i0,則 K0由此可知，當(dāng)兩個(gè)對(duì)流傳熱系數(shù)相差較大時(shí)，要提高K值，關(guān)鍵在于提高對(duì)流傳熱系數(shù)較小一側(cè)的值。若兩側(cè)值相差不大時(shí)，必須同時(shí)提高兩側(cè)的值，才能提高K值。4.3.3.6 總傳熱系數(shù)K4.3.4管殼程流體阻力的計(jì)算(了解)1.管程流體阻力： (進(jìn)、出口阻力可忽略不計(jì))式中：p1，p2分別為直管及彎管中因摩擦阻力引起的壓降；F結(jié)構(gòu)校正因素，對(duì)于252.5的管子，取1.4，對(duì) 192的管子，取1.5；N管程數(shù)；N殼程數(shù)；直管段壓降：彎管段壓降：其中： 流體阻力摩擦因子；L管長(zhǎng)， m；管內(nèi)徑，m；u管內(nèi)流速， m/s；流體密度， kg/m3。2. 殼程流體阻力：p1流體橫過(guò)管束的壓

19、降；p2流體通過(guò)折流板缺口的壓降；F殼程壓降結(jié)構(gòu)校正因素，對(duì)液體，取1.15，對(duì)氣體和蒸汽取1.0；4.3.4管殼程流體阻力的計(jì)算(了解)2. 殼程流體阻力：F管子排列方法對(duì)壓降的校正因素，正三角排列取0.5，正方形轉(zhuǎn)角45 取0.4，正方形排列取0.3，殼程流體的摩擦系數(shù)，Re500時(shí),=5.0Re0.223；u橫過(guò)管束中 心線的管子數(shù)，正三角排列時(shí)，正方型排列時(shí)；N折流板數(shù)；h折流板間距, m；u按殼程流通截面積計(jì)算的流速, 4.3.4管殼程流體阻力的計(jì)算(了解)應(yīng)用基本的傳熱學(xué)、流體力學(xué)及換熱器結(jié)構(gòu)的基本知識(shí)，合理選擇換熱器的參數(shù)及結(jié)構(gòu)，同時(shí)進(jìn)行換熱器的傳熱計(jì)算和壓降計(jì)算。設(shè)計(jì)計(jì)算：根據(jù)

20、生產(chǎn)要求的熱負(fù)荷，確定熱交換器的傳熱面積；校核計(jì)算：計(jì)算給定熱交換器的傳熱量，流體的流量或溫度等；兩者都是以熱交換器的傳熱速率方程和能量平衡為計(jì)算基礎(chǔ)的。4.3.5熱交換器的熱力設(shè)計(jì)步驟計(jì)算步驟：1.試算并初選設(shè)備結(jié)構(gòu)：確定流體在熱交換器中的流動(dòng)途徑；根據(jù)傳熱任務(wù)計(jì)算熱負(fù)荷；確定流體在熱交換器兩端的溫度，選擇列管式熱交換器的形式，計(jì)算定性溫度，并確定在定性溫度下流體的性質(zhì)；計(jì)算平均溫度差，并根據(jù)溫度差校正系數(shù)不小于0.8的原則決定殼程數(shù)；依據(jù)總傳熱系數(shù)經(jīng)驗(yàn)值范圍，或按生產(chǎn)實(shí)際情況，選定總傳熱系K選數(shù)值；由總傳熱速率方程 ，初步算出傳熱面積，并決定熱交換器的基本尺寸。4.3.5熱交換器的熱力設(shè)計(jì)

21、步驟2.計(jì)算管、殼程壓降：根據(jù)初定的熱交換器規(guī)格，計(jì)算管、殼程流體的流速和壓降，檢查計(jì)算是否合理和滿足工藝要求，若不符合要求，要調(diào)整流速，再確定管程數(shù)和折流板間距，或選擇另一種規(guī)格的熱交換設(shè)備，重新計(jì)算壓降直至滿足要求為止。3.核算總傳熱系數(shù)：計(jì)算管殼程對(duì)流傳熱系數(shù)和，確定污垢熱阻R及R ，在計(jì)算總傳熱系數(shù)K計(jì)值，若K計(jì)K選 =1.151.25，則初選的熱交換設(shè)備合適，否則另選K選值，重復(fù)以上計(jì)算步驟，直至滿足要求為止。4.3.5熱交換器的熱力設(shè)計(jì)步驟4.4.1熱交換器的工作條件及運(yùn)行參數(shù)的選擇4.4.2熱交換器結(jié)構(gòu)部件的選擇4.4列管式熱交換器工作參數(shù)的選擇4.4.1.1流程順序選擇1.并流

22、流程：平均溫差較小，傳熱面積變大，設(shè)備變大，不經(jīng)濟(jì)，盡量不采用。2.逆流流程：組合平均溫差較大，傳熱面積變小，設(shè)備變小，較經(jīng)濟(jì)，優(yōu)先采用。4.4.1熱交換器的工作條件及運(yùn)行參數(shù)的選擇3.折流流程：簡(jiǎn)單折流：僅管程流體反復(fù)折流，稱多管程換熱器；復(fù)雜折流：管程、殼程均有折流。當(dāng)折流平均溫差校正系數(shù)0.8，就需增加殼程折流，或多臺(tái)換熱器串聯(lián)使用，使傳熱過(guò)程更接近于逆流。又稱多殼多管程換熱器。4.4.1熱交換器的工作條件及運(yùn)行參數(shù)的選擇介質(zhì)流速：流速高，換熱系數(shù)大，利于減緩或抑制污垢形成；壓降大，能耗增加，介質(zhì)對(duì)傳熱面沖蝕加劇，壓降增長(zhǎng)速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)換熱系數(shù)增長(zhǎng)速率。影響因素：流體性質(zhì)、傳熱系數(shù)、輸送泵

23、特性及傳熱壁材質(zhì)和結(jié)構(gòu)。一般來(lái)說(shuō)殼程流速約為管程流速一半。4.4.1.2介質(zhì)流速和允許壓降選擇介質(zhì) 管程流速/(m/s)殼程流速/(m/s)循環(huán)水120,51.5新鮮水0.81.50.51.5低粘度油0.81.80.41.0高粘度油0.51.50.30.8氣體530215流速換熱器內(nèi)常用流速范圍4.4.1.2介質(zhì)流速和允許壓降選擇系統(tǒng)的合理壓降運(yùn)行狀況運(yùn)行壓力/bar合理壓降/bar負(fù)壓運(yùn)行00.981p/10低壓運(yùn)行0.9811.668p/21.66810.7910.343中壓運(yùn)行10.79130.4110.3431.76630.44179.4610.6872.453允許壓降：影響因素：系統(tǒng)

24、內(nèi)的運(yùn)行壓力水平，運(yùn)行狀態(tài)設(shè)計(jì)原則：盡可能減小系統(tǒng)的局部流阻，以便在系統(tǒng)合理壓降下有條件提高管殼程內(nèi)介質(zhì)流速，強(qiáng)化換熱，節(jié)省投資。 4.4.1.2介質(zhì)流速和允許壓降選擇溫度交叉4.4.1.3介質(zhì)溫度和換熱終溫確定參考原則：熱端溫差不小于20；冷端溫差不小于5；冷卻器或冷凝器中初溫應(yīng)高于被冷卻流體的凝固點(diǎn)；含不凝性氣體介質(zhì)冷凝時(shí)，冷卻劑終溫要求比被冷凝氣體露點(diǎn)低5；從經(jīng)濟(jì)性考慮，空冷換熱器熱流體出口和空氣入口間溫差不小于20；多管程換熱器應(yīng)避免出現(xiàn)溫度交叉現(xiàn)象，必要時(shí)可加大較小一端 溫壓至20以上或采用多臺(tái)單程串接方案。3.折流流程：溫壓：溫差形成的推動(dòng)力。平均溫壓：冷、熱流體平均溫度差引起的壓

25、力。設(shè)計(jì)原則流體的熱容量：熱容量小，換熱過(guò)程中溫度變化快，溫度曲線較陡，平均溫差較小，熱容量大，換熱過(guò)程溫度變化慢，溫度曲線較平，平均溫差較大，熱容量無(wú)限大流體溫度不變，兩流體熱容量均為無(wú)限大時(shí)有最大平均溫差；4.4.1.4平均溫壓換熱流程的安排：例：1-2型熱交換器先順流后逆流更接近逆流，冷流體終溫高于熱流體，總平均溫壓較大，不發(fā)生溫度交叉；多熱源的利用：同時(shí)存在多個(gè)溫度不同的熱源時(shí)，應(yīng)按溫度高低采用逐級(jí)加熱系統(tǒng)可得較高的平均溫壓，并使低溫?zé)嵩吹玫接行Ю谩?.4.1.4平均溫壓總原則：利于傳熱，減小壓力損失、材料消耗，降低成本，經(jīng)濟(jì)，安全，檢修清洗方便。一般情況：流量小或粘度大的流體走殼程

26、；剛性結(jié)構(gòu)的換熱器，若兩換熱流體溫差很大，宜使換熱系數(shù)大者走管程；4.4.1.5流徑選擇與外界溫差大的流體走管程，與外界溫差小的走殼程；飽和蒸氣宜走殼程，不清潔流體宜走管程；有毒介質(zhì)宜走管程，采用雙套管走內(nèi)管； 容許壓降較小者走殼程；高溫、高壓或腐蝕性強(qiáng)流體宜走管程。4.4.1.5流徑選擇4.4.2.1換熱管束1.換熱管：管型：光管：應(yīng)用普遍，價(jià)廉，易于制造、安裝、檢修、清洗；翅片管：節(jié)約材料、能源，殼程換熱系數(shù)小。管徑：盡可能用標(biāo)準(zhǔn)管徑。小管徑：?jiǎn)挝粋鳠崦娣e大，結(jié)構(gòu)緊湊，金屬耗量小，傳熱系數(shù)高；大管徑：流阻小，便于清洗，用于粘度大或污濁流體。4.4.2熱交換器結(jié)構(gòu)部件的選擇管長(zhǎng)：長(zhǎng)度大，單位

27、傳熱面積材料耗量低，過(guò)長(zhǎng)不利于清洗和安裝，一般取6米以下，最長(zhǎng)不超過(guò)12米，盡量用標(biāo)準(zhǔn)管。管子材質(zhì)：常用材料：碳鋼、不銹鋼、鋁、黃銅及其合金、銅鎳合金、鎳、蒙乃爾合金、鈦、石墨、玻璃等及其他特殊材料；為滿足介質(zhì)工作壓力、溫度、化學(xué)兼容性、腐蝕性等工藝要求，采用復(fù)合管。4.4.2.1換熱管束2.換熱管束的排列：要求：均勻、緊湊、易于清掃、滿足整體結(jié)構(gòu)要求。排列方式：正三角形排列:布管緊湊，節(jié)約管板面積，傳熱系數(shù)較高，便于管板劃線及鉆孔，管間不易清洗；用于殼程介質(zhì)污垢少，不需機(jī)械清洗，允許壓降較高的場(chǎng)合；轉(zhuǎn)角正三角形排列：傳熱系數(shù)比正三角形排列略低，高于正方形，應(yīng)用條件與正三角形一樣，利于清洗；4

28、.4.2.1換熱管束正方形和轉(zhuǎn)角正方形排列：管間為直線通道，可用機(jī)械方法清洗，傳熱系數(shù)低于正三角形排列，轉(zhuǎn)角正方形比正方形排列傳熱系數(shù)高，適用于流體壓降小，管束可抽出清洗管間的場(chǎng)合；4.4.2.1換熱管束組合排列管束同心圓排列同心圓式排列：小殼徑時(shí)排列緊湊，靠近壁殼的地方布管均勻，介質(zhì)不易短路；組合排列：用于多管程熱交換器。4.4.2.1換熱管束管外徑/mm19253238 4557管間距/mm25324048 5770管板槽兩側(cè)管心距/mm3844526068803.管間距：換熱管與管板用脹管法連接：管間距至少為管外徑的1.25倍，以保證管間小橋在脹接時(shí)有足夠的強(qiáng)度；換熱管與管板用焊接法連接

29、：管間距可小一些，但要保證殼程清洗時(shí)有6mm的清洗通道，殼程用于蒸發(fā)過(guò)程時(shí)，為使氣相更好的溢出，管間距可加大到1.5倍管外徑。多管程熱交換器在管板上應(yīng)設(shè)分程管板槽，槽寬12mm，槽兩側(cè)管心距見(jiàn)下表：4.4.2.1換熱管束管束安裝轉(zhuǎn)角4.管束安裝轉(zhuǎn)角：對(duì)臥式冷凝器，為減小液膜在列管上的包角，管板在裝配時(shí)其軸線應(yīng)與設(shè)備的水平軸線偏轉(zhuǎn)一定角度，如圖所示：正三角形排列：正方形排列：4.4.2.1換熱管束5.管束分程：分程原則：采用偶數(shù)，每程管數(shù)相等，分程隔板形狀簡(jiǎn)單，相鄰程間跨成溫度不超過(guò)20。分程方法：平行和T形兩種，兩者各有優(yōu)劣。對(duì)4程管，前者在工藝安裝采用換熱器迭加時(shí)，接管方便，可使箱內(nèi)放盡廢液

30、，后者在制造上可與雙程管板共用模板，可多排管子。分程隔板布置如圖：4.4.2.1換熱管束平行和t形分程法功能：固定換熱管束，作為熱交換器兩端間壁將管殼程分開(kāi)。1.管板管孔：管板孔徑和允許誤差：符合GB15189鋼制管殼式換熱器的相應(yīng)規(guī)定。管孔數(shù)：其中，F(xiàn)總傳熱面積，m2; d管外徑，m； L單程管長(zhǎng)，m。根據(jù)管孔數(shù)，管間距及排列方式可以用作圖法最后確定管數(shù)。4.4.2.2管板管板與殼體的不可拆連接2.管板的連接：管板與換熱管的連接：脹接：用于設(shè)計(jì)壓力不超過(guò)4MPa，設(shè)計(jì)溫度在350以下，且無(wú)特殊要求的場(chǎng)合。焊接：只要材料允許，可用于任何場(chǎng)合，特別是高溫、高壓、易燃、易爆等運(yùn)行條件。4.4.2.

31、2管板管板與殼體及管箱的連接：不可拆：用于固定管板式，兩端管板直接焊于外殼上，并伸出殼體圓周外兼做法蘭可拆：用于浮頭式U形管式，殼程清洗方便，管板夾在殼程法蘭和管箱法蘭之間，高壓熱交換器管板與管箱筒體的連接為防止泄露而將管板或管箱焊成或鍛成一體，如圖所示：4.4.2.2管板管板與殼體的連接鍛造與焊接管板3.管板的厚度：影響因素：材料強(qiáng)度，介質(zhì)壓力，溫度，壓差，溫差，管子及外殼的固定方式。浮頭式滑動(dòng)管板，厚度滿足密封性即可。換熱管與管板脹接，要有足夠的厚度防止接頭處松脫，泄露和引起振動(dòng)。換熱管與管板焊接，最小厚度根據(jù)焊接工藝及管板焊接時(shí)變形情況確定。4.4.2.2管板4.薄管板(了解)：特點(diǎn)：帶

32、有圓弧形結(jié)構(gòu)，有利于增加承壓能力，可利用彈性形變部分吸收熱膨脹差值，有利于減小管板冷熱面軸向溫差應(yīng)力。類型：橢圓形，碟形，球形。4.4.2.2管板橢圓形功能：管程流體進(jìn)口均勻分流和出口匯流的空間，在多管程換熱器中，還起改變流體流向的作用單程管箱：多程管箱：形式：平蓋管箱，封頭管箱。4.4.2.3管箱分隔板的雙層結(jié)構(gòu)隔板密封面削邊多管程熱交換器，按分程方法在管箱內(nèi)放分程隔板， 換熱器公稱直徑大于1500mm時(shí)，為增加分隔板的強(qiáng)度和傳熱效率，分隔板設(shè)計(jì)成雙層結(jié)構(gòu)，如圖左所示雙層結(jié)構(gòu)存在隔熱空間，能防止流體通過(guò)隔熱板傳熱，分程隔板厚度大于10mm時(shí)，其密封面處應(yīng)削邊至10mm,如圖右所示4.4.2.

33、3管箱1.結(jié)構(gòu)型式：傳熱計(jì)算前確定。2.選擇要求：剛度、強(qiáng)度、穩(wěn)定性、耐久性、密封性好、節(jié)約材料及制造、安裝、運(yùn)輸、維修方便。4.4.2.4殼體3.強(qiáng)度計(jì)算：壁厚: 式中:殼體壁厚，mm； 設(shè)計(jì)壓力，MPa； 殼體內(nèi)徑，mm; t設(shè)計(jì)溫度下材料的許用應(yīng)力，MPa； 考慮腐蝕等因素的壁厚附加量，mm； 焊縫系數(shù)，按設(shè)計(jì)規(guī)定選取。4.4.2.4殼體為保證殼壁具有必要的剛度，殼體最小厚度不得低于下表中所列數(shù)值公稱直徑40070080010001100150016002000浮頭式U形管式8101214固定管板式6810124.4.2.4殼體碳素鋼或低合金鋼殼體及管箱短節(jié)的最小厚度（單位：mm）內(nèi)徑：

34、式中: S任兩個(gè)換熱管中心距，一般取s=(1.251.5)d； nc 不同排列形式的換熱管數(shù)。例：正三角形：nc=1.1 (n)0.5; 正方形：nc=1.1 9(n)0.5; 最后根據(jù)D選擇一個(gè)尺寸相近的標(biāo)準(zhǔn)殼內(nèi)徑；內(nèi)徑校核：一般LD 為46；臥式和小直徑熱交換器可取610。4.4.2.4殼體4.殼體的分程：分程影響：殼程流體流速增加，強(qiáng)化傳熱；縱向隔板結(jié)構(gòu)復(fù)雜，殼程流速增加壓降提高。使用條件：殼側(cè)傳熱系數(shù)小于管側(cè)，而殼側(cè)流量小，用最小折流板間距不能改善傳熱狀況；殼側(cè)污垢熱阻小，換熱熱阻稱控制熱阻，殼側(cè)可利用壓降較大，又較容易焊接縱向隔板。4.4.2.4殼體1.折流板型式：作用：加大紊流有利

35、傳熱，支撐管束防止振動(dòng)及彎曲。型式：螺旋形、管孔形、盤環(huán)形、圓缺形4.4.2.5折流板和支承板管孔式折流板盤環(huán)形折流板4.4.2.5折流板和支承板螺旋形：用于殼程流體含固體顆粒場(chǎng)合，可防固體顆粒沉積管孔形：圓管上鉆有全部管孔，管孔比管徑大1.6mm3.2mm,殼程流體在管孔和折流板間環(huán)隙流過(guò)，對(duì)管子支撐作用小，易引起管束振動(dòng) 破壞，流阻大；盤環(huán)形：圓盤和圓環(huán)從同一圓板上切割下來(lái)，并沿管束相間排列，流體在熱交換過(guò)程中較均勻，圓環(huán)后容易沉積沉淀物，要求流體清潔度高，若有惰性氣體或溶解性氣體放出，圓環(huán)上部不能有效排出，若有冷凝液生成，圓環(huán)下部又無(wú)較大開(kāi)口無(wú)法排出，實(shí)際應(yīng)用較少。4.4.2.5折流板和

36、支承板2.圓缺形拆流板(弓形折流板)：圓缺切口布置方式:水平方向：使流體劇烈擾動(dòng)，增加傳熱，用于無(wú)相變流體，當(dāng)液體中含有少量氣體或汽體時(shí)，應(yīng)在折流板上方開(kāi)小孔，當(dāng)氣流中夾帶液體時(shí)，在下方開(kāi)孔，排氣或泄液孔均會(huì)造成流體旁通泄漏。垂直方向：便于氣液流動(dòng)，用于臥式冷凝器和氣液兩相流動(dòng)場(chǎng)合。傾斜方向：用于管束呈正方形排列，傾斜45布置的折流板。可增加流體紊流程度，利于傳熱。4.4.2.5折流板和支承板a.橫缺形折流板 b.豎缺形折流板4.4.2.5折流板和支承板3.支承板：作用：支承換熱管束；臥式換熱器中起折流板作用。當(dāng)臥式換熱器在工藝上無(wú)折流板要求時(shí)，為便于支承管束，防止其下垂和振動(dòng)，常設(shè)置弓形或半

37、圓形支承板。每個(gè)支承板只能支撐半數(shù)管子，必須交錯(cuò)排列，采用垂直切口。4.4.2.5折流板和支承板1.接管或接口種類：管、殼程流體進(jìn)出口管，在殼體和管箱底部設(shè)排液管，上部設(shè)排汽管，殼側(cè)設(shè)安全閥接口及儀表和取樣管接口，立式熱交換器設(shè)溢流口。2.管、殼程進(jìn)出、口接管：水平布置不利于管程流體均勻分布，使部分換熱管不能很好發(fā)揮作用，甚至?xí)蛄魉龠^(guò)低而發(fā)生堵塞現(xiàn)象，進(jìn)口接管布置在底部，出口接管在頂部，使管程流體由下向上流動(dòng)。4.4.2.6進(jìn)、出口接管及防沖導(dǎo)流裝置幾種布置方案的比較圖中a，b把防沖擋板兩側(cè)焊在定距管上，c把防沖板焊在殼體上；防沖擋板3.防沖與導(dǎo)流：設(shè)置原因：殼程流體在入口處橫向沖刷管束，對(duì)管束產(chǎn)生磨蝕，誘導(dǎo)振動(dòng)。當(dāng)流速高，特別是含有固體顆?；驓饬髦泻懈咚僖旱渭帮柡驼羝麜r(shí)尤為嚴(yán)重。功能：減緩殼程流體對(duì)管束的沖擊和磨蝕分散進(jìn)入流體，均布于管束上迫使流體通過(guò)因殼程進(jìn)出口距管板較遠(yuǎn)而可能產(chǎn)生的流動(dòng)滯止區(qū)域換熱面積利用更充分。種類：防沖擋板；導(dǎo)流