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1、第 一 節(jié) 管 殼 式 換 熱 器 的 總 體 結(jié) 構(gòu)第 二 節(jié) 管 殼 式 換 熱 器 的 主 要 零 部 件第 三 節(jié) 管 殼 式 換 熱 器 的 選 用 及 設(shè) 計 流 程第 四 節(jié) 其 它 形 式 換 熱 器 簡 介 （ 1） 換 熱 器 是 許 多 工 業(yè) 部 門 廣 泛 應(yīng) 用 的 通 用 工 藝 設(shè) 備 。通 常 ， 在 化 工 廠 的 建 設(shè) 中 ， 換 熱 器 約 占 總 投 資 的 11 40 。 它 的 先 進 性 、 合 理 性 和 運 轉(zhuǎn) 可 靠 性 將 直 接 影 響 產(chǎn)品 的 質(zhì) 量 、 數(shù) 量 和 成 本 。（ 2） 根 據(jù) 不 同 的 目 的 ， 換 熱 器

2、可 以 是 、 、 、 等 。第 一 節(jié) 管 殼 式 換 熱 器 的 總 體 結(jié) 構(gòu)一 、 概 述 （ 3） 衡 量 一 臺 換 熱 器 好 壞 的 標(biāo) 準(zhǔn) 。c.可 靠 性 滿 足 操 作 條 件 ,強 度 足 夠 ,保 證 使 用 壽 命b.合 理 性 a.先 進 性 可 制 造 加 工 ， 成 本 可 接 受 傳 熱 效 率 高 ， 流 體 阻 力 小 ， 材 料 省 化 工 生 產(chǎn) 對 換 熱 設(shè) 備 提 出 的 要 求 是 ： 傳 熱 效 率 高 ， 流 體 阻 力 小 ； 強 度 、 剛 度 、 穩(wěn) 定 性 足 夠 ； 結(jié) 構(gòu) 合 理 ， 節(jié) 省 材 料 ， 成 本 較 低 ； 制

3、 造 、 裝 拆 、 檢 修 方 便 等 。 （ 4） 任 何 一 種 換 熱 器 不 可 能 十 全 十 美 。傳 熱 效 率 高 、 金 屬 消 耗 量 低 ， 但 流 體 阻 力 大 、 強 度和 剛 度 差 ， 制 造 、 維 修 困 難 。雖 在 傳 熱 效 率 、 緊 湊 性 、 金 屬 消 耗 量 等 方 面 均 不如 板 式 換 熱 器 ， 但 其 結(jié) 構(gòu) 堅 固 、 可 靠 程 度 高 、 適 應(yīng) 性 強 、 材 料范 圍 廣 ， 因 而 目 前 仍 是 石 油 、 化 工 生 產(chǎn) 中 ， 尤 其 是 高 溫 、 高 壓和 大 型 換 熱 器 的 主 要 結(jié) 構(gòu) 型 式 。第

4、 一 節(jié) 管 殼 式 換 熱 器 的 總 體 結(jié) 構(gòu)一 、 概 述 管 殼 式 換 熱 器 是 把 換 熱 管 束 與 管 板 連 接 后 ， 再 用 筒 體 與 管 箱 包起 來 ， 形 成 兩 個 獨 立 的 空 間 ： 管 內(nèi) 通 道 及 與 其 相 貫 通 的 管 箱 ， 稱 為管 程 空 間 ； 換 熱 管 外 的 通 道 及 與 其 貫 通 的 部 分 ， 稱 為 殼 程 空 間 。二 、 管 殼 式 換 熱 器 的 種 類 及 其 結(jié) 構(gòu) 1 列 管 式 換 熱 器 的 主 要 結(jié) 構(gòu) ： 2 列 管 式 換 熱 器 的 工 作 原 理 ： T1 t0（ 環(huán) 境 ） Tw T t

5、1 t2 T2 列 管 式 t tw 列 管 式 換 熱 器 列 管 式 換 熱 器 的 主 要 類 型從 結(jié) 構(gòu) 上 分 固 定 管 板 式 換 熱 器浮 頭 式 換 熱 器U形 管 式 換 熱 器填 料 函 式 換 熱 器 固 定 管 板 式 換 熱 器 結(jié) 構(gòu) 圖 (1)固 定 管 板 式 換 熱 器 帶 膨 脹 節(jié) 的 固 定 管 板 式 換 熱 器 結(jié) 構(gòu) 圖 (1)固 定 管 板 式 換 熱 器 (1)固 定 管 板 式 換 熱 器1） 、 結(jié) 構(gòu) 特 點 ： 兩 塊 管 板 均 與 殼 體 相 焊 接 ， 并 加 入 了 熱 補 償原 件 膨 脹 節(jié) 。2 ） 、 優(yōu) 點 ： 結(jié)

6、 構(gòu) 簡 單 、 緊 湊 、 能 承 受 較 高 的 壓 力 ， 造 價 低 ，管 程 清 洗 方 便 ， 管 子 損 壞 時 易 于 堵 管 或 更 換 。3） 、 缺 點 ： 不 易 清 洗 殼 程 ， 殼 體 和 管 束 中 可 能 產(chǎn) 生 較 大 的 熱應(yīng) 力 。 冷 熱 流 體 溫 差 不 能 太 大 （ 14mm且 無 特 殊 要求 的 場 合 。要 求 ： 管 板 硬 度 管 子 硬 度 ， 否 則 將 管 端 退 火 后 再 脹 接 。 脹 接時 管 板 上 的 孔 可 以 是 光 孔 ， 也 可 開 槽 (開 槽 可 以 增 加 連 接 強度 和 緊 密 性 )。 液 壓 脹

7、 管 器 液 壓 脹 接 機 械 脹 接 優(yōu) 點 ： 工 藝 簡 單 方 便 ； 消 除 間 隙 避 免 間 隙 腐 蝕 。缺 點 ： 溫 度 升 高 時 ， 管 端 會 發(fā) 生 松 弛 泄 漏 。適 用 條 件 ： p 4.0MPa , t 350 。 注 意 ： 管 端 硬 度 管 板 硬 度 。 管 板 厚 度 較 大 時 ， 為 提 高 管 子 抗 拉 脫 能 力 及 增密 封 性 能 ， 需 要 在 管 孔 中 開 環(huán) 形 槽 。 保 證 緊 密 性 的 方 法 ：管 板 孔 開 槽 ；脹 接 周 邊 保 證 清 潔 ；管 子 硬 度 低 于 管 板 孔 周 邊 硬 度 。 保 證

8、管 端 硬 度 較 低 并 且 低 于 管 板 硬 度 的 方法 ：管 端 退 火 處 理 。選 材 考 慮 。 strength welded joint 強 度 焊 接 連 接 是 將 換 熱 管 的 端 部 與 管 板 焊 在 一 起 。優(yōu) 點 ： 高 溫 高 壓 下 能 保 證 連 接 的 緊 密性 ； 管 板 孔 加 工 精 度 要 求 不 高 ， 低于 脹 接 ； 焊 接 工 藝 簡 單 ； 壓 力 不 高 時 可 用 薄 管 板 。缺 點 ： 存 在 焊 接 熱 應(yīng) 力 應(yīng) 力 腐 蝕； 管 與 孔 間 有 間 隙 形 成 介 質(zhì)死 區(qū) ， 間 隙 腐 蝕 。 80 管 與 管

9、板 焊 接 形 式 ： 克 服 了 單 純 的 焊 接 及 脹 接 的 缺 點 ， 主 要 優(yōu) 點 是 ： 連 接 緊 密 ， 提 高 抗 疲 勞 能 力 ； 消 除 間 隙 腐 蝕 和 應(yīng) 力 腐 蝕 ； 提 高 使 用 壽 命 。施 工 方 式 ： 先 脹 後 焊 ； 先 焊 後 脹 。 脹 接 貼 脹 ； 強 度 脹 。 焊 接 密 封 焊 ， 強 度 焊 。根 據(jù) 不 同 情 況 具 體 制 定 施 工 工 藝 。3） 、 焊 脹 結(jié) 合 3） 、 焊 脹 結(jié) 合 脹 焊 結(jié) 合 連 接 主 要 有 ： 強 度 焊 密 封 脹 先 焊 后 脹 。 強 度 脹 密 封 焊 先 脹 后 焊

10、 。 概 念 解 釋 ： 密 封 焊 不 保 證 強 度 ， 只 防 漏 ； 強 度 焊 既 防 漏 ， 又 保 證 抗 拉 脫 強 度 ； 密 封 脹 只 消 除 間 隙 ， 不 承 擔(dān) 拉 脫 力 ； 強 度 脹 既 消 除 間 隙 ， 又 滿 足 脹 接 強 度 。 脹 焊 結(jié) 合 連 接 方 式 的 適 用 性 脹 焊 結(jié) 合 的 連 接 方 式 適 用 于 密 封 要 求 較 高 、 承受 振 動 或 疲 勞 載 荷 、 有 間 隙 腐 蝕 、 采 用 復(fù) 合 管 板 的場 合 。目 前 ， 先 焊 后 脹 與 先 脹 后 焊 兩 派 學(xué) 說 仍 處 于 爭 議 之 中 。 三 、

11、管 板 及 管 程 的 分 程 列 管 式 換 熱 器 的 管 板 所 受 裁 荷 除 管 程 與 殼 程 壓 力 之 外 ，還 承 受 管 壁 與 殼 壁 的 溫 差 引 起 的 變 形 不 協(xié) 調(diào) 作 用 。 固 定 式管 板 受 力 情 況 較 復(fù) 雜 ， 影 響 管 板 應(yīng) 力 大 小 有 如 下 因 素 ：管 板 自 身 的 Di、 、 材 料 強 度 、 使 用 溫 度 等 對 管 板 應(yīng) 力有 顯 著 的 影 響 ； 管 板 與 許 多 換 熱 管 剛 性 地 固 定在 一 起 ， 因 此 ， 管 束 起 著 支 承 的 作 用 ， 阻 礙 管 板 的 變 形 。在 進 行 受

12、力 分 析 時 ， 常 把 管 板 看 成 是 放 在 彈 性 基 礎(chǔ) 上 的 平 板 ， 列 管 就 起 著 彈 性 基 礎(chǔ) 的 作 用 。1、 管 板 受 力 特 點 管 孔 的 存 在 ， 削 弱 了 管 板的 強 度 和 剛 度 ， 同 時 管 孔 邊 緣 產(chǎn) 生 峰 值 應(yīng) 力 。 當(dāng) 管 子 與 管 板連 接 之 后 ， 管 板 孔 內(nèi) 的 管 子 又 能 增 加 管 扳 的 強 度 和 剛 度 ， 而且 也 抵 消 了 一 部 分 峰 值 應(yīng) 力 。 管 板 邊 界 條 件 不 同 ， 管 板 應(yīng) 力狀 態(tài) 也 是 不 一 樣 的 。 管 板 外 邊 緣 有 不 同 的 固 定

13、形 式 ， 如 夾 持 、簡 支 、 半 夾 持 等 。 這 些 不 同 的 固 定 形 式 對 管 板 應(yīng) 力 產(chǎn) 生 不 同程 度 的 影 響 。 由 于 管 壁 與 殼 壁 溫 度 的 差 異 ， 各 自 的變 形 量 也 不 同 ， 這 不 僅 使 管 子 和 殼 體 的 應(yīng) 力 有 顯 著 增 加 ， 而且 使 管 板 應(yīng) 力 有 很 大 的 增 加 ， 同 時 ， 由 于 管 板 的 上 下 表 面 接觸 不 同 溫 度 的 介 質(zhì) ， 使 上 下 表 面 溫 度 不 同 ， 亦 會 在 管 板 內(nèi) 產(chǎn)生 溫 差 應(yīng) 力 。 三 、 管 板 及 管 程 的 分 程 2、 管 板 厚

14、 度 的 設(shè) 計 方 法管 板 厚 度 設(shè) 計 方 法 有 如 下 幾 種 : 將 管 板 當(dāng) 作 受 均 布 載 荷 的 實 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) ， 加 入 適 當(dāng) 的 修 正 系 數(shù)來 考 慮 管 板 開 孔 削 弱 和 管 束 的 實 際 支 承 作 用 。 這 種 設(shè) 計 方法 對 管 板 作 了 很 大 簡 化 ， 因 而 是 一 種 半 經(jīng) 驗 公 式 。 但 由 于公 式 計 算 簡 便 ， 同 時 又 有 長 期 使 用 經(jīng) 驗 ， 結(jié) 果 比 較 安 全 ，因 而 不 少 國 家 的 管 板

15、 厚 度 設(shè) 計 公 式 仍 以 此 作 為 基 礎(chǔ) 。三 、 管 板 及 管 程 的 分 程 將 管 束 當(dāng) 作 彈 性 支 承 ， 而 管 板 則 作 為 放 置 于 這 一 彈 性基 礎(chǔ) 上 的 圓 平 板 ， 然 后 根 據(jù) 載 荷 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 。 由 于 它 比 較 全 面 地考 慮 了 管 束 的 支 承 和 溫 差 的 影 響 ， 因 而 計 算 比 較 準(zhǔn) 確 ，但 計 算 公 式 較 多 ， 計 算 過 程 也 較 繁 雜 。 在 計 算 機 普 遍 應(yīng)用 的 今 天 ， 是 一 種 有 效

16、 的 設(shè) 計 方 法 。 取 管 板 上 相 鄰 四 根 管 子 之 間 的 菱 形 面 積 ， 按 彈 性 理論 求 此 面 積 在 均 布 壓 力 作 用 下 的 最 大 彎 曲 應(yīng) 力 。 由 于此 法 與 管 板 實 際 受 載 情 況 相 差 甚 大 ， 所 以 僅 用 于 粗 略計 算 。 3、 管 程 的 分 程 當(dāng) 換 熱 器 所 需 的 換 熱 面 積 較 大 ， 可 增 加 管 子 長 度 或 增加 管 子 的 數(shù) 目 。 增 加 管 長 是 有 限 度 的 ， 一 般 不 超 過 6m。 增 加 管 子 數(shù) 量則 要 保 證 管 內(nèi) 流 體 有 一 定 的 流 速 ， 流

17、 速 太 低 ， 傳 熱 效 果 則較 差 。 此 時 為 了 增 加 管 程 流 速 ， 提 高 傳 熱 效 率 ， 須 將 管 束分 程 ， 使 流 體 依 次 流 過 各 程 管 子 。為 什 么 要 分 程 ？ ？ l 換 熱 面 積 較 大 ， 要 進 行 分 程 1） .管 子 太 長 ， 設(shè) 備 長 徑 比 過 大 ， 浪 費 材 料 ； 2） .增 加 流 速 ， 提 高 傳 熱 效 果 。l 分 程 要 求 ： 1） 各 程 管 數(shù) 大 致 相 同 ； 2） 相 鄰 程 管 壁 溫 差 不 大 于 28 ； 3） 程 間 密 封 長 度 應(yīng) 最 短 ； 4） 隔 板 形 狀

18、應(yīng) 簡 單 。l 常 用 管 程 數(shù) 為 ： 1， 2， 4， 6， 8， 12。 管 箱 分 程 ：分 程 舉 例 ： 2程 4程 97 分程隔板及其與管板間的密封管 箱 結(jié) 構(gòu) ： 98 隔 板 ： 單 層 及 雙 層 。 雙 層 隔 板 的 結(jié) 構(gòu) 如圖 。 雙 層 隔 板 有 隔 熱 空間 ， 可 防 止 熱 流 短 路（ 即 不 使 已 冷 或 已 加 熱的 流 體 被 剛 進 入 的 熱 或冷 流 體 經(jīng) 隔 板 而 再 被 加熱 或 冷 卻 ） 。 3、 管 程 的 分 程 分 程 隔 板 有 單 層 和 雙層 兩 種 。 單 層 隔 板 與 管 板的 密 封 結(jié) 構(gòu) 圖 所 示

19、 。 隔 板的 密 封 面 寬 度 應(yīng) 為 隔 板 厚度 加 2mm。 隔 板 材 料 應(yīng) 與封 頭 材 料 相 同 。 4、 管 板 與 殼 體 的 連 接 4、 管 板 與 殼 體 的 連 接 列 管 式 換 熱 器 管 板 與 殼 體 的 連 接 結(jié) 構(gòu) 分 為 可 拆式 與 不 可 拆 式 兩 類 。 固 定 管 板 式 換 熱 器 的 管 板 與 殼 體 間 采 用 不 可 拆的 焊 接 連 接 ， 而 浮 頭 式 、 U形 管 式 和 填 料 函 式 換 熱 器的 管 板 采 用 可 拆 式 連 接 。 4、 管 板 與 殼 體 的 連 接（ 1） 固 定 管 板 式 換 熱 器

20、管 板 與 殼 體 的 連 接 兼作法蘭情況： 圖 7-21 兼 做 法 蘭 時 管 板 與 殼 體 的 連 接 結(jié) 構(gòu) 4.0MPap=10MPa殼 程 介 質(zhì) 有 間 隙 腐 蝕 作 用 時 采 用 s10mm,使 用 壓 力 P=10mm,使 用 壓 力 P=1.0MPa不 宜 用 于 易 燃 、 易 爆 、 易 揮 發(fā) 及 有 毒介 質(zhì) 的 場 合 1.0MPap=4.0MPa殼 程 介 質(zhì) 無 間 隙 腐 蝕 作 用 時 采 用3 6 R5 (d)R2 2 SS 1.0p=4.0MPa殼 程 介 質(zhì) 有 間 隙 腐 蝕 作用 是 采 用 4.0MPap=10MPa殼 程 介 質(zhì) 無

21、間 隙 腐 蝕 作 用 時 采 用 hb=S(1+ 3/3)-2 3/3 6 (C)2 R2 R22 R5 2 SS 兼 做 法 蘭 時 管 板 與 殼 體 的 連 接 結(jié) 構(gòu)圖 7-21 兼 做 法 蘭 時 管 板 與 殼 體 的 連 接 結(jié) 構(gòu) 4.0MPap=10MPa殼 程 介 質(zhì) 有 間 隙 腐 蝕 作 用 時 采 用 s10mm,使 用 壓 力 P=10mm,使 用 壓 力 P=1.0MPa不 宜 用 于 易 燃 、 易 爆 、 易 揮 發(fā) 及 有 毒介 質(zhì) 的 場 合 1.0MPap=4.0MPa殼 程 介 質(zhì) 無 間 隙 腐 蝕 作 用 時 采 用36 R5 (d)R2 2 S

22、 S 1.0p=4.0MPa殼 程 介 質(zhì) 有 間 隙 腐 蝕 作用 是 采 用 4.0MPap=10MPa殼 程 介 質(zhì) 無 間 隙 腐 蝕 作 用 時 采 用 hb=S(1+ 3/3)-2 3/3 6 (C)2 R2R22 R5 2 SS 管板不兼作法蘭結(jié)構(gòu)： 管 板 不 作 法 蘭 時 ， 與 殼 體 的 連 接 結(jié) 構(gòu) 如 圖 。 由于 法 蘭 力 矩 不 作 用 在 管 板 上 ， 改 善 了 管 板 受 力 情 況 。 圖 7-22 不 兼 做 法 蘭 的 管 板 與 殼 體 的 連 接 結(jié) 構(gòu)(a)p2ts; s 殼 體 應(yīng) 力（ 2） t 2tt; t 管 子 應(yīng) 力（ 3）

23、s B（ 4） 管 子 拉 脫 力 q q。 l ddlaq o 2i2oto ttt d4 )(d F1 由 殼 體 和 管 子 之 間 溫 差 引 起 的 軸 向力 ， N。F2 由 殼 程 和 管 程 壓 力 作 用 于 殼 體 上 的 軸向 力 ， N； ttss ss2 EAEA EAQF Q 0.25(D2i n d2o) ps n(do 2St)2 pt St 管 子 壁 厚 ， mmF3 由 殼 程 和 管 程 壓 力 作 用 于 管 子 上 的 軸 向 力 ， Nttss tt3 EAEA EAQF 186 （ 一 ） 工 藝 計 算 選 型 ； 確 定 管 、 殼 程 ；

24、通 過 化 工 工 藝 計 算 ， 確 定換 熱 器 的 傳 熱 面 積 ， 同 時 選 擇 管 徑 、 管 長 ， 決 定管 數(shù) 、 管 程 數(shù) 和 殼 程 數(shù) 。（ 二 ） 機 械 設(shè) 計 本 章 已 討 論 1） 殼 體 直 徑 的 決 定 和 殼 體 厚 度 的 計 算 ；2） 換 熱 器 封 頭 選 擇 ， 壓 力 容 器 法 蘭 選 擇 ；3） 管 板 尺 寸 確 定 ；4） 折 流 板 的 選 擇 與 計 算 ；5） 管 子 拉 脫 力 的 計 算 ；6） 溫 差 應(yīng) 力 計 算 。 常 用 的 冷 卻 劑 有 ： 水 、 空 氣 、 液 氨 等常 用 的 加 熱 劑 有 ： 水

25、 蒸 汽 、 熱 空 氣 、 煙 道 氣 、 熱 油 、 聯(lián) 苯 混 合 物 等 選 用 、 設(shè) 計 原 則 不 潔 凈 或 易 結(jié) 垢 的 液 體 宜 在 管 程 ， 因 管 內(nèi) 清 洗 方 便 。腐 蝕 性 流 體 宜 在 管 程 ， 以 免 管 束 和 殼 體 同 時 受 到 腐 蝕 。壓 力 高 的 流 體 宜 在 管 內(nèi) ， 以 免 殼 體 承 受 壓 力 。飽 和 蒸 汽 宜 走 殼 程 ， 因 飽 和 蒸 汽 比 較 清 潔 ， 表 面 傳 熱 系 數(shù) 與流 速 無 關(guān) ， 而 且 冷 凝 液 容 易 排 出 。流 量 小 而 粘 度 大 的 流 體 一 般 以 殼 程 為 宜

26、， 因 在 殼 程 Re100即可 達 到 湍 流 。 但 這 不 是 絕 對 的 ， 如 流 動 阻 力 損 失 允 許 ， 將 這 類 流體 通 入 管 內(nèi) 并 采 用 多 管 程 結(jié) 構(gòu) ， 亦 可 得 到 較 高 的 表 面 傳 熱 系 數(shù) 。若 兩 流 體 溫 差 較 大 ， 對 于 剛 性 結(jié) 構(gòu) 的 換 熱 器 ， 宜 將 表 面 傳 熱系 數(shù) 大 的 流 體 通 入 殼 程 ， 以 減 小 熱 應(yīng) 力 。g) 需 要 被 冷 卻 物 料 一 般 選 殼 程 ， 便 于 散 熱 。列 管 式 換 熱 器 的 設(shè) 計 和 選 用 流 速 的 選 擇 流 體 在 管 程 或 殼 程

27、中 的 流 速 ， 不 僅 直 接 影 響 表 面 傳 熱 系數(shù) ， 而 且 影 響 污 垢 熱 阻 ， 從 而 影 響 傳 熱 系 數(shù) 的 大 小 ， 特 別 對于 含 有 泥 沙 等 較 易 沉 積 顆 粒 的 流 體 ， 流 速 過 低 甚 至 可 能 導(dǎo) 致管 路 堵 塞 ， 嚴(yán) 重 影 響 到 設(shè) 備 的 使 用 ， 但 流 速 增 大 ， 又 將 使 流體 阻 力 增 大 。 因 此 選 擇 適 宜 的 流 速 是 十 分 重 要 的 。 根 據(jù) 經(jīng) 驗 ，表 1及 表 2列 出 一 些 工 業(yè) 上 常 用 的 流 速 范 圍 ， 以 供 參 考 。 計 算 值 的 基 準(zhǔn) 面 積

28、 ， 習(xí) 慣 上 常 用 管 子 的 外 表 面 積。 當(dāng) 設(shè) 計 對 象 的 基 準(zhǔn) 條 件 （ 設(shè) 備 型 式 、 雷 諾 準(zhǔn) 數(shù) Re、 流體 物 性 等 ） 與 某 已 知 值 的 生 產(chǎn) 設(shè) 備 相 同 或 相 近 時 ， 則可 采 用 已 知 設(shè) 備 值 的 經(jīng) 驗 數(shù) 據(jù) 作 為 自 己 設(shè) 計 的 值 。表 3為 常 見 列 管 式 換 熱 器 值 的 大 致 范 圍 。 由 表 3選 取 大致 值 。 用 下 式 進 行 值 核 算 。 式 中 ： 給 熱 系 數(shù) ， W/m2. ； R 污 垢 熱 阻 ， m2. W； 管 壁 厚 度 ， mm； 管 壁 導(dǎo) 熱 系 數(shù) ，

29、 W/m. ；下 標(biāo) 、 、 分 別 表 示 管 內(nèi) 、 管 外 和 平 均 。當(dāng) 時 近 似 按 平 壁 計 算 ， 即 ： 在 用 上 式 計 算 值 時 ， 污 垢 熱 阻 、 通 常 采 用 經(jīng) 驗 值 ， 常 用 的 污 垢熱 阻 大 致 范 圍 可 查 化 工 原 理 相 關(guān) 內(nèi) 容 。 式 中 的 給 熱 系 數(shù) ， 在 列 管 式 換 熱 器 設(shè) 計 中 常 采 用 有 關(guān) 的 經(jīng) 驗值 公 式 計 算 給 熱 系 數(shù) ， 工 程 上 常 用 的 一 些 計 算 的 經(jīng) 驗 關(guān) 聯(lián) 式在 化 工 原 理 已 作 了 介 紹 ， 設(shè) 計 時 從 中 選 用 。 流 動 方 式 的

30、 選 擇 除 逆 流 和 并 流 之 外 ， 在 列 管 式 換 熱 器 中 冷 、 熱 流體 還 可 以 作 各 種 多 管 程 多 殼 程 的 復(fù) 雜 流 動 。 流 量 一 定 時 ， 管 程 或 殼 程 越 多 ， 表 面 傳 熱 系 數(shù) 越大 ， 對 傳 熱 過 程 越 有 利 。 但 采 用 多 管 程 或 多 殼 程 必 導(dǎo) 致 流 體 阻 力 損 失 ， 即輸 送 流 體 的 動 力 費 用 增 加 。 因 此 ， 在 決 定 換 熱 器 的 程數(shù) 時 ， 需 權(quán) 衡 傳 熱 和 流 體 輸 送 兩 方 面 的 損 失 。 當(dāng) 采 用 多 管 程 或 多 殼 程 時 ， 列 管

31、 式 換 熱 器 內(nèi) 的 流動 形 式 復(fù) 雜 ， 換 熱 器 的 流 體 力 學(xué) 計 算 、 結(jié) 構(gòu) 設(shè) 計 、 強 度 計 算 等 等 。 流 體 通 過 換 熱 器 時 阻 力 的 計 算 換 熱 器 管 程 及 殼 程 的 流 動 阻 力 ， 常 常 控 制 在 一 定 允 許范 圍 內(nèi) 。 若 計 算 結(jié) 果 超 過 允 許 值 時 ， 則 應(yīng) 修 改 設(shè) 計 參 數(shù) 或重 新 選 擇 其 他 規(guī) 格 的 換 熱 器 。 按 一 般 經(jīng) 驗 ， 對 于 液 體 常 控制 在 104 105 Pa范 圍 內(nèi) ， 對 于 氣 體 則 以 103 104Pa為 宜 。此 外 ， 也 可 依

32、 據(jù) 操 作 壓 力 不 同 而 有 所 差 別 ， 參 考 下 表 。換 熱 器 操 作 允 許 壓 降 P換 熱 器 操 作 壓 力 P(Pa) 允 許 壓 降 P105 (表 壓 ) 0.1Pa0.5Pa5 104 Pa 列管式換熱器的設(shè)計和選用的計算步驟 初 步 選 定 換 熱 器 的 流 動 方 式 ， 保 證 溫 差 修 正 系 數(shù)大 于 0.8， 否 則 應(yīng) 改 變 流 動 方 式 ， 重 新 計 算 。 計 算 熱 流 量 Q及 平 均 傳 熱 溫 差 tm， 根 據(jù) 經(jīng) 驗 估計 總 傳 熱 系 數(shù) K估 ， 初 估 傳 熱 面 積 A估 。 選 取 管 程 適 宜 流 速

33、， 估 算 管 程 數(shù) ， 并 根 據(jù) A估 的數(shù) 值 ， 確 定 換 熱 管 直 徑 、 長 度 及 排 列 。 在 選 擇 管 程 流 體 與 殼 程 流 體 以 及 初 步 確 定 了 換 熱 器主 要 尺 寸 的 基 礎(chǔ) 上 ， 就 可 以 計 算 管 、 殼 程 流 速 和 阻 力 ，看 是 否 合 理 。 或 者 先 選 定 流 速 以 確 定 管 程 數(shù) NP和 折 流 板間 距 B再 計 算 壓 力 降 是 否 合 理 。 這 時 NP與 B是 可 以 調(diào) 整 的 參 數(shù) ， 如 仍 不 能 滿 足 要 求 ， 可 另 選 殼 徑 再 進 行 計 算 ， 直到 合 理 為 止

34、。 3 核 算 總 傳 熱 系 數(shù) 分 別 計 算 管 、 殼 程 表 面 傳 熱 系 數(shù) ， 確 定 污垢 熱 阻 ， 求 出 總 傳 系 數(shù) K計 ， 并 與 估 算 時 所 取用 的 傳 熱 系 數(shù) K估 進 行 比 較 。 如 果 相 差 較 多 ，應(yīng) 重 新 估 算 。 4 計 算 傳 熱 面 積 并 求 裕 度 根 據(jù) 計 算 的 K計 值 、 熱 流 量 Q及 平 均 溫 度 差 tm， 由 總 傳 熱 速 率 方 程 計 算 傳 熱 面 積 A0， 一般 應(yīng) 使 所 選 用 或 設(shè) 計 的 實 際 傳 熱 面 積 AP大 于A020%左 右 為 宜 。 即 裕 度 為 20%左

35、 右 ， 裕 度 H的 計算 式 為 1、 作 出 流 程 簡 圖 。2、 按 生 產(chǎn) 任 務(wù) 計 算 換 熱 器 的 換 熱 量 Q。3、 選 定 載 熱 體 ， 求 出 載 熱 體 的 流 量 。4、 確 定 冷 、 熱 流 體 的 流 動 途 徑 。5、 計 算 定 性 溫 度 ， 確 定 流 體 的 物 性 數(shù) 據(jù) （ 密 度 、 比 熱 、 導(dǎo) 熱 系 數(shù) 等 ） 。6、 初 算 平 均 傳 熱 溫 度 差 。7、 按 經(jīng) 驗 或 現(xiàn) 場 數(shù) 據(jù) 選 取 或 估 算 值 ， 初 算 出 所 需 傳 熱 面 積 。8、 根 據(jù) 初 算 的 換 熱 面 積 進 行 換 熱 器 的 尺 寸

36、 初 步 設(shè) 計 。 包 括 管 徑 、 管 長 、 管 子 數(shù) 、 管 程 數(shù) 、 管 子 排 列 方 式 、 殼 體 內(nèi) 徑 （ 需 進 行 圓 整 ） 等 。9、 核 算 。10、 校 核 平 均 溫 度 差 。11、 校 核 傳 熱 量 ， 要 求 有 15 25 的 裕 度 。12、 管 程 和 殼 程 壓 力 降 的 計 算 。 （ 1） 殼 體 和 管 箱 的 壁 厚 計 算（ 2） 換 熱 管 與 管 板 連 接 處 的 結(jié) 構(gòu) 設(shè) 計（ 3） 殼 體 與 管 板 連 接 結(jié) 構(gòu) 設(shè) 計（ 4） 管 板 厚 度 計 算（ 5） 折 流 板 、 支 持 板 等 零 部 件 的 結(jié)

37、 構(gòu) 設(shè) 計（ 6 換 熱 管 與 殼 體 在 介 質(zhì) 壓 力 和 溫 差 聯(lián) 合 作 用 下 的 應(yīng) 力 計 算（ 7） 管 子 拉 脫 力 和 穩(wěn) 定 性 校 核（ 8） 判 斷 是 否 需 要 設(shè) 置 膨 脹 節(jié) ， 如 果 需 要 ， 則 選 擇 膨 脹 節(jié) 的 結(jié) 構(gòu) 形 式 及 基 本尺 寸 ；（ 9） 膨 脹 節(jié) 的 應(yīng) 力 計 算 及 校 核（ 10） 接 管 、 法 蘭 、 支 座 等 的 選 擇 ； 開 孔 補 強 設(shè) 及 計 算 等 ； （ 11） 換 熱 器 的 振 動 與 防 振 如 果 選 用 換 熱 器 ， 則 應(yīng) 進 行 壓 力 降 、 傳 熱 面 積 及 溫

38、差 應(yīng) 力 校 核 等 方 面 的 計 算 。 管 殼 式 換 熱 器 的 機 械 設(shè) 計 計 算 步 驟 附：管殼式換熱器的常見故障及排除方法 殼 程 式 換 熱 器 在 使 用 的 過 程 中 ， 最 容易 發(fā) 生 故 障 的 是 作 為 換 熱 元 件 的 管 子 。 流體 對 管 束 的 沖 刷 、 腐 蝕 ， 都 可 能 造 成 管 子的 損 壞 。 因 此 在 日 常 的 維 護 中 應(yīng) 經(jīng) 常 對 換熱 器 進 行 檢 查 ， 以 便 及 時 發(fā) 現(xiàn) 故 障 ， 并 采取 相 應(yīng) 的 措 施 進 行 修 理 。 管 殼 式 換 熱 器 的常 見 故 障 有 管 子 振 動 、 管

39、 壁 積 垢 、 腐 蝕 與磨 損 、 介 質(zhì) 泄 漏 等 。 一 、 管 子 的 振 動 與 防 振 措 施 管 殼 式 換 熱 器 中 管 子 產(chǎn) 生 振 動 是 一 種 常 見 故 障 。 引 起 振 動 的 原 因 ： 管 束 與 泵 、 壓 縮 機 產(chǎn) 生 的 共 振 ； 由 于 流 速、 管 壁 厚 度 、 折 流 板 間 距 、 管 束 排 列 等 綜 合 因 素 的 影 響 而引 起 的 振 動 ； 流 體 橫 向 穿 過 管 束 時 產(chǎn) 生 的 沖 擊 等 。 振 動 嚴(yán) 重 ， 可 能 產(chǎn) 生 的 結(jié) 果 ： 相 鄰 管 子 或 管 子 與 殼 體 間 發(fā)生 碰 撞 ； 使

40、 管 子 和 殼 壁 受 到 磨 損 而 開 裂 ； 管 子 撞 擊 折 流 板而 被 切 斷 ； 管 端 與 管 板 連 接 處 松 動 而 發(fā) 生 泄 漏 ； 管 子 發(fā) 生疲 勞 破 壞 ； 殼 程 流 體 流 動 阻 力 增 大 等 。 當(dāng) 換 熱 管 發(fā) 生 振 動 時 ， 應(yīng) 針 對 振 動 產(chǎn) 生 的 不 同 原 因 采 取不 同 的 對 策 。 常 用 的 方 法 ： 在 流 體 人 口 處 前 設(shè) 置 緩 沖 措 施 防 止 脈 沖 ； 折流 板 上 的 孔 徑 與 管 子 外 徑 間 隙 盡 量 地 小 ； 減 小 折 流 板 間 隔， 使 管 子 振 幅 變 小 ； 加

41、大 管 壁 厚 度 和 折 流 板 厚 度 ， 增 加 管 子 剛 性 等 。 二 、 管 壁 積 垢 由 于 換 熱 器 操 作 中 所 處 理 的 流 體 ， 有 的 是 懸 浮 液 ， 有 的夾 帶 有 固 體 顆 粒 ， 有 的 粘 結(jié) 物 含 量 高 ， 有 的 含 有 泥 沙 、 藻類 等 雜 質(zhì) 。 隨 著 使 用 時 間 的 延 長 ， 在 換 熱 管 的 內(nèi) 外 表 面 上會 產(chǎn) 生 積 垢 。 積 垢 引 起 的 故 障 ： 總 導(dǎo) 熱 系 數(shù) 下 降 ， 傳 熱 效 率 降 低 ； 換 熱管 的 管 徑 因 積 垢 而 減 小 ， 流 體 通 過 管 內(nèi) 的 流 速 增

42、加 ， 造 成壓 力 損 失 增 大 ； 積 垢 導(dǎo) 致 管 壁 腐 蝕 ， 腐 蝕 嚴(yán) 重 時 ， 造 成 管壁 穿 孔 ， 兩 種 流 體 混 合 而 破 壞 正 常 操 作 。 對 積 垢 采 取 的 措 施 ： 加 強 巡 回 檢 查 ， 了 解 積 垢 的 程 度 ；對 某 些 可 凈 化 的 流 體 ， 在 進 入 換 熱 器 前 進 行 凈 化 (如 水 處 理)； 對 于 易 結(jié) 垢 的 流 體 ， 應(yīng) 采 用 容 易 檢 查 、 拆 卸 和 清 洗 的 結(jié)構(gòu) ； 定 期 進 行 污 垢 的 清 除 等 。 三 、 管 子 的 泄 漏 管 子 發(fā) 生 泄 漏 的 主 要 原 因

43、 ： 介 質(zhì) 的 沖 刷 引 起 的 磨 損 ， 導(dǎo) 致管 壁 破 裂 ； 介 質(zhì) 或 積 垢 腐 蝕 穿 孔 ； 管 子 振 動 引 起 管 子 與 管 板連 接 處 泄 漏 。 管 子 有 泄 漏 現(xiàn) 象 時 ， 采 取 的 措 施 視 泄 漏 管 數(shù) 的 多 少 而 定 。 如 管 束 中 僅 有 一 根 或 數(shù) 根 管 子 泄 漏 ， 可 采 用 堵 塞 的 方 法 進行 修 理 。 即 用 做 成 錐 形 的 金 屬 材 料 塞 在 管 子 兩 端 打 緊 焊 牢 ，將 損 壞 的 管 子 堵 死 不 用 。 金 屬 材 料 的 硬 度 應(yīng) 低 于 管 子 材 料 的硬 度 。 金

44、屬 錐 塞 的 錐 度 一 般 為 3一 5度 之 間 。 采 用 堵 管 的 方 法解 決 管 子 泄 漏 現(xiàn) 象 簡 單 易 行 ， 但 堵 管 總 數(shù) 不 得 超 過 10 ， 否則 將 對 傳 熱 效 果 產(chǎn) 生 較 大 影 響 。 發(fā) 生 泄 漏 的 管 子 較 多 時 ， 應(yīng) 采 用 更 換 管 子 的 方 法 進 行 修理 。 更 換 管 子 時 ， 首 先 采 用 鉆 孔 、 鉸 孔 或 鏨 削 的 方 法 拆 除 已損 壞 的 管 子 ， 拆 除 管 子 時 ， 應(yīng) 注 意 不 要 損 壞 管 板 的 孔 口 ， 以便 更 新 管 子 時 ， 使 管 子 與 管 板 有 較

45、嚴(yán) 密 的 連 接 。 然 后 采 用 脹 接 或 焊 接 的 方 法 將 新 管 連 接 在 管 板 上 。 管 殼 式 換 熱 器 介 紹 結(jié) 束請 繼 續(xù) 了 解 其 它 形 式 換 熱 器 。 。 。 換 熱 器 的 分 類 熱 流 體 冷 流 體熱 流 體 冷 流 體 直 接 接 觸 式直 接 接 觸 式 換 熱 器 混 合 式 換 熱 器 :通 過冷 熱 流 體 直 接 混 合進 行 熱 量 交 換 的 設(shè)備 稱 為 混 合 式 換 熱器 ， 或 直 接 式 換 熱 器 ，如 冷 卻 塔 、 氣 壓 冷 凝器 、 在 傳 質(zhì) 的 同 時 進行 傳 熱 的 塔 設(shè) 備 等 。結(jié) 構(gòu)

46、簡 單 ， 傳 熱 效 果 好 ， 但 不 能 用 于發(fā) 生 反 應(yīng) 或 有 影 響 的 流 體 之 間 局 限 ：只 適 用 于 允 許 兩 流 體 混 合 的 場 合 。 實 例 ： 冷 卻 塔 、 氣 壓 冷 凝 器 冷 流 體 冷 流 體熱 流 體熱 流 體蓄 熱 式 蓄 熱 式 換 熱 器蓄 熱 式 換 熱 器 利 用 冷 熱 兩 種 流 體 交替 通 過 換 熱 器 內(nèi) 的 同 一 通 道 而 進 行熱 量 傳 遞 。 局 限 ： 不 能 用 于 兩 流 體 不 允 許 混 合 的 場 合 。 又 稱 表 面 式 換 熱 器利 用 間 壁 進 行 熱 交 換 。冷 熱 兩 種 流 體 隔 開 ， 互不 接 觸 ， 熱 量 由 熱 流 體通 過 間 壁 傳 遞 給 冷 流 體 。