管壳式换热器.doc

酒 泉 职 业 技 术 学 院

毕业设计（论 文）

13 级 石油化工生产技术 专业

题 目： 列管式换热器
毕业时间： 二O一五年六月
学生姓名： XXX
指导教师： XX
班 级： 13级石油化工生产技术（5）班

2015 年 4月20日

酒泉职业技术学院 2011 届各专业
毕业论文（设计）成绩评定表
姓名
张敏
班级
应用化工技术（2）班
专业
应用化工技术
指导教师第一次指导意见
1、设计题目选择合理；
2、在设计过程中请多查阅资料，部分计算有误。

2010年 12月 25日
指导教师第二次指导意见
1、请按要求进行格式修改；
2、注意错别字。

2011年 1月 20日
指导教师第三次指导意见
1、设计基本符合要求

2011年 3月 15日
指导教师评语及评分
按期圆满完成任务书中规定的项目；能熟练地综合运用所学理论和专业知识； 有结合实际的某项具体项目的设计或对某具体课题进行有独立见解的论证，毕业设计(论文)有一些独到之处，水平较高。文字材料条理清楚，通顺，论述充分，符合技术用语要求，符号统一，编号齐全，书写工整。图纸完备，整洁，正确。

成绩：优秀 签字（盖章） 2011年 3月 20日
答辩小组评价意见及评分

成绩： 签字（盖章） 年 月 日
教学系毕业实践环节指导小组意见

签字（盖章） 年 月 日
学院毕业实践环节指导委员会审核意见

签字（盖章） 年 月 日

摘要：阐述强化换热器传热过程的最主要途径是降低关键热阻,分析各种情况下的关键热阻,并对如何降低关键热阻提出具体的措施. 介绍了常用管壳式换热器换热管强化传热技术和壳程强化传热方法, 分析了各自的原理、优缺点及推荐使用场合。针对管壳换热器设计和运行中存在的一些问题,进行分析讨论,指出了产生这些问题的原因,并提出了解决这些问题的方法。说明换热器强化传热的意义,介绍了强化传热的途径,强化传热的分类、原理,评价强化传热方法的基本原则。

关键词:关健热阻 换热器 强化传热

目 录
第一章 管壳式换热器的结构 1
1.1　管束 1
1.2　壳程 1
1.2.1　管子排列方式 1
1.2.2　管板 1
1.3　管壳式换热器的传热分析 2
1.3.1　增大传热面积 2
1.4　提高管壳式换热器传热能力的措施 3
第二章 管壳式换热器的种类 4
2.1 固定管板式换热器 5
2.2 浮头式换热器 5
2.3 U 形管式换热器 5
第三章 管壳式换热器的节能分析 5
3.1 管壳式换热器的传热原理 6
3.2 管壳式换热器强化传热方法 7
3.2.1 传热管的改进 7
3.2.2 适当提高管内流速 8
3.2.3 壳程强化 8
3.2.4 管间支撑结构的改善 9
第四章 管壳式换热器设计和运行中存在的问题分析 11
4.1 传热研究中存在的问题 12
4.2 物性参数计算存在的问题 13
4.3 污垢问题 13
4.4 计算方法问题 14
4.5 反温差问题 15
第五章 管壳式换热器的结构设计 19
5.1　管壳式换热器的形式及结构 19
5.2.1　圆筒壁厚的确定 25
5.2.2 固定管板式换热器管板的强度计算 26
第六章 换热器污垢的防治对策简述 26
6.1 防垢、抑垢、除垢对策分析 27
6.1.1 设计阶段采取的防垢对策 27
6.2 运行阶段采取的抑垢对策 30
6.2.1 液测污垢的抑制策略 30
6.2.2 气测污垢的抑制策略: 32
6.3 除垢对策 33
6.3.1 机械清洗技术 33
6.3.2 化学清洗技术 33
第七章 污垢对换热器传热性能影响 34
7.1 污垢预测模型 35
7.2 计算实例 37
参考文献 41
致 谢 43

43

第一章 管壳式换热器的结构

1.1　管束
在管壳式换热器中最简单的是单管程的换热器,如需增加传热面,一般采用增加管数的方法,管数增加后可将管束分程,以防止管数增加后引起管内流速以及传热系数的降低,从制造、安装、操作的角度考虑,一般采用偶数管程且程数不宜太多。
1.2　壳程
图1 列出了几种代号的壳程型式。E 型是最普通的一种,壳程是单程的,管程可为单程也可为多程;F 型为二壳程的换热器,是在壳体中装入了一块平行于管子轴线方向的纵向隔板; G型也为二壳程的换热器,纵向隔板从管板的一段移开使壳程流体得以分流;H 型与G 型相似,但进出口接管与纵向隔板均多一倍。

图1-1 　 换热器的壳程型式
1.2.1　管子排列方式
管子在管板上的排列方式最常见的有4 种:
正三角排列、转角正三角形排列、正方形排列和转角正方形排列。
1.2.2　管板
管板是换热器的重要部件之一,用来排布换热管并起着分隔管程、壳程空间的作用。薄管板有着节省材料的优点,是用于中、低压换热器中;椭圆形管板与换热器的壳焊接在一起,受力条件较好,适用于高压、大直径的换热器。
1.3　管壳式换热器的传热分析
由传热过程分析可知,单位时间内传热量如下式所示:Φ = KA △tm
可见,增大传热面积A 、传热系数K 和平均温差△ tm 都可以增大传热量Φ 。
1.3.1　增大传热面积
(1) 合理优化结构,如采用合适的内外导流筒,增大有效传热面积。
(2) 增大传热的扩展表面,如在管内外增加肋片或翅片,提高单位容积内设备的换热面积来增强换热。
(3) 将管壳式换热器串联增大换热面积。
1.3.2　增大传热平均温差
传热平均温差的大小主要由冷热两种流体的温度所决定,当两边流体均为变温的情况下,应当尽可能考虑从结构上采用逆流和接近逆流的流向以得到较大的△ tm 值。
1.3.3 增大传热系数
传热过程中,各热阻与总传热系数关系如下

式中: R ———总传热热阻, (m2·K)PW;
K ———总传热系数, WP(m2·K)
Ao ———管外的面积, m2 ;
hi ———管内的对流换热系数, WP(m2·K) ;
Ai ———管内的面积, m2 ;
Ri ———管内的污垢热阻, (m2·K)PW;
ho ———管外的对流换热系数, WP(m2·K) ;
Ro ———管外的污垢热阻, (m2·K)PW;
ηo ———肋面总效率(如果表面未肋化, 则η°= 1 ) ;
R w———管壁的导热热阻, (m2·K)PW。
要增大总传热系数,就要设法减小对K 值影响较大的项。如果污垢热阻较大时, 则应主要考虑如何防止或延缓垢层的形成或使污垢层清洗方便当hi 和ho 差别不大时,最好能同时提高两流体的对流换热系数; 而当两者差别较大时,要设法增大换热系数较小的一项。
1.4　提高管壳式换热器传热能力的措施
管壳式换热器的传热能力是由壳程换热系数、管程换热系数和换热器冷、热介质的对数平均温差决定的,因此,提高管壳式换热器传热能力的措施包括以下几点。
(1) 提高管壳式换热器冷、热介质的平均对数温差冷、热介质平均对数温差除直接受冷、热介质进出口温度影响外,还受到冷、热介质的流动方向和换热流程的影响。当换热器冷、热流体的温度沿传热面变化时,两种流体逆流平均温差最大,顺流平均温差最小, 在实际换热器设计中,冷、热流体多采用交错流方式,其平均对数温差介于逆流和顺流之间。因此,应尽量增加换热器冷、热流体的逆流比例,提高冷、热流体的对数平均温差,提高换热器的传热能力。
(2) 合理确定管程和壳程介质。在换热器设计中, 对于壳程安装折流板的换热器来说, Re >100 时, 壳程介质即达湍流,因此,对于流量小或粘度大的介质优先考虑作为壳程换热介质;由于管程清洗相对于壳程清洗要容易,因此对于易结垢、有沉淀及杂物的介质宜走管程; 从经济性考虑,对于高温、高压或腐蚀性强的介质,作为管程换热介质更加合理; 对于刚性结构的换热器,若冷、热介质温差大,因壁面温度与换热系数大的介质温度接近,为减小管束与壳体的膨胀差,换热系数大的介质走壳程更加合理,而冷、热介质温差小,两介质换热系数相差大,换热系数大的介质走管程更加合理。
(3) 采用强化管壳式换热器传热的结构措施。在换热器设计中,通常采用强化传热的措施来提高换热器的传热能力。强化传热的常用措施有:采用高效能传热面、静电场强化传热、粗糙壁面、搅拌等。
换热器是石油、化工中重要的热工设备,其中管壳式换热器的发展已经取得了巨大进步, 其发展总体上是支承形式的发展,从板式支承,到折流杆式支承,再到空心环支承最后到管子的自支承,当然其间也有交错发展的情况。随着支承形式的发展,换热器的传热综合性能得到很大地提高。从结构上来讲,其结构形式会直接影响传热性能,所以在确定换热器结构时,应对其参数不断调整,反复计算以使换热器的性能更高。
第二章 管壳式换热器的种类

管壳式换热器一般有3 种结构型式:固定管板式、浮头式和U 形管式。由于换热器的使用场合、使用目的、换热介质物性等因素的不同,决定了管壳式换热器的结构型式。
2.1 固定管板式换热器
结构简单、紧凑、造价低, 往往是管板兼法兰,适用于管、壳程温差不大或管、壳程温差大,但压力不高,壳程介质干净或虽结垢但通过化学清洗能清除的场合。其主要缺点是当壳体与管子的壁温或材料的线膨胀系数相差较大时,在壳体与管中将产生很大的温差应力。
2.2 浮头式换热器
管束一端的管板可以自由移动,不受温差应力的影响,其结构复杂, 内浮头密封困难, 锻件多,造价高。维修时可拆卸浮头,抽出管束进行检修或更换,适用于管、壳程温差大但工作压力不超过10 MPa 的工况,缺点是需要抽出管束。还有一种浮头式换热器也成为填料函式换热器,其管束可自由伸缩,壳程和管程都可以拆开清洗,结构简单,适用管、壳程温差大工况,但其耐压、耐温及密封能力差,目前只是在低压与小直径的场合下使用。
2.3 U 形管式换热器
管束可自由伸缩,只有一块管板,密封面少,管束与壳体分离,消除了温差应力,可抽芯检修更换。适用场合为管、壳程温差大,高温,高压。壳程需抽芯清洗,管内介质干净或虽会结垢但通过化学清洗能清除。
第三章 管壳式换热器的节能分析
　　在石化和化工制药设备的换热器系统中, 管壳式换热器以其结构坚固、可靠性高、适应性强等优点在化工生产和使用中一直占主导地位, 被广泛使用在精馏塔的塔顶冷凝器、冷却器和塔底再沸器等。在管壳式换热器的设计和使用中, 积极考虑强化传热的新技术、新工艺, 以提高能源利用率、减少金属材料的消耗, 对推进石油化工制药行业的节能减排工作有着重要意义。
3.1 管壳式换热器的传热原理
根据传热学基本公式Q = KFΔtm (1)由式(1)可知, 提高传热效率的途径有三条:提高传热系数K; 增大换热面积F; 加大对数平均温差Δtm 。增大换热面积和加大对数平均温差都不是理想的途径, 一味地增加换热面积势必会造成设备体积庞大和投资费用的大幅度增加, 而加大对数
平均温差又要受到公用工程条件和分离物系性质的限制。只有提高传热系数, 才是强化换热最有效的途径。传热系数K是换热器的主要性能参数, 众所周知其计算公式为
（3-1）
由式(2)可知, 传热系数K值的大小与管内换热系数αi 、管外换热系数αo、管内和管外的污垢
系数ri 和ro、换热管的外径与内径之比do / di、换热管材料的热导率λw 以及管厚度δw 有关。而换热管的材料、规格一旦选定, 则管外径与内径之比、壁厚及导热系数等参数也随之确定下来。所以, 提高管内、外换热系数αi 和αo、降低污垢系数ri 和ro , 才能够提高换热器的总传热系数K。
3.2 管壳式换热器强化传热方法
由传热机理可以看出, 提高换热器的传热效率就要想办法提高管内、外换热系数、降低管内、外污垢系数。管壳式换热器的强化传热研究经过多年发展, 目前已经取得了许多广泛使用的成果。以下从管程强化与壳程强化两个方面分析管壳式换热器强化传热方法。
3.2.1 传热管的改进
采用了低肋管、螺纹管、波纹管等代替常用换热器的普通光滑管, 不仅增加换热面积, 而且利用粗糙传热面强化边界层湍流度提高传热系数, 从而使管程强化传热有了较大的突破。低肋管是开发较早的换热管之一, 主要应用于强化沸腾传热, 不仅其换热系数较高, 而且能有效地扩大传热面积, 光滑管的传热面积只是低肋管的38%。距有关资料证明, 在相同雷诺数R e下, 低肋管外的膜传热系数是光滑管的114～117 倍。但是低肋管也有其自身的弱点: 在低热流率下, 换热管的传热性能在上、下两部分相差比较大, 上部优于下部, 不过随着热流率增加差距会逐渐减少, 此外该管型带来的流动阻力会比较大。螺纹管是一种由钢管经环向滚压轧制而成的整体低翅片管, 适用于强化对流、冷凝传热。从内、外螺纹管与光滑管的对比可看出螺纹管在强化传热和节能等方面的优点, 内、外螺纹管换热器可提高传热系数, 螺纹管的总传热系数为光滑管的两倍以上。在满足生产的情况下, 两台内外螺纹管换热器具有三台光滑管换热器的传热能力。对于相同结构的管壳式换热器, 内、外螺纹管的换热面积是光滑管的115～215 倍。螺纹管换热器对污垢的产生可起到延缓和抑制作用, 因而可降低污垢系数ri 和ro , 减少热阻, 提高传热效率。波纹管是管内流道截面连续不断地突变, 造成流体即使在流速很低的情况下也始终处于高度湍流状态, 难以形成层流, 使对流传热的主要热阻被有效地克服, 管内、外传热被同时强化, 因而传热系数很高, 一般为传统管壳式换热器的2～3倍。
3.2.2 适当提高管内流速
管内的对流换热系数αi 与管内流体的流动状态有极大关系, 流动状态的改变可借助于提高流速, 传热系数随着流速的提高而增加。但当流速提高到一定程度时, 传热系数随着流速的提高而增速减慢, 而换热器的压降增加幅度却很大。因此, 在设计换热器时, 可适当加大管内流速, 以提高管内换热系数, 强化管内传热。
3.2.3 壳程强化
从间壁传热原理上讲, 壳程强化在提高整个换热器传热效率较管程更为有效, 在无相变换热的情况下, 一般壳程对流换热系数α1 小于管程对流换热系数α2 , 所以在壳程进行强化传热的改进, 可以使总传热系数K有较大提高。设计出合理的壳程流道截面, 使流体按湍流或程度较高的紊流进行流动, 使流体不断冲击边界层。同时, 使截面最好能不断改变流体的流动方向, 如有意识地使流道截面不间断地缩小、扩大, 即使在流速较小的情况下, 流体在管外也可以形成比较强烈的扰动, 从而提高管外的对流换热系数。
3.2.4 管间支撑结构的改善
传统的管壳式换热器大多采用单弓形隔板支撑, 使流体呈“Z”形流动, 该流动方式造成在隔
板和壳壁相连处存在流动死区致使传热系数提高降低; 流体在弓形隔板间的分离引起动量的急剧变化而造成压力的严重损失; 在隔板与壳体和换热管之间, 若旁路流和泄漏流现象严重将降低流体的有效质量流速。为了改善流体在壳侧的传热性能, 相继推出一些优化结构。
(1) 异型隔板换热器
异形隔板是通过对隔板的结构和安排的改变来引起壳侧流体的流动速度和流动方式的变化, 从而减少壳侧易结垢的死区来提高换热系数。并且隔板在列管式换热器中还有支撑管、实现流体预期速度、减少管子震动的作用。目前常见的异形隔板换热器形式主要有: 双弓形隔板, 螺旋形隔板。一般双弓形隔板(如图3-1所示)包括A 型(双弓形隔板)和B型(中心隔板) , 并将它们沿管束方向交替排列。与间距和缺口相同的单弓型隔板相比其压降为013 ～015MPa, 传热系数为112 ～113W / (m2 ·k) 。因此可以看出总体的传热性能得到了提高。

图3-1 　双弓形隔(折流) 板
(2) 螺旋隔板换热器
螺旋隔板, 在管间为螺旋形状, 可使流体在壳侧作螺旋运动, 流体在流道内流动长度增加, 且流动平滑因而在流道中流速和压差分布比较均匀, 所以带来一系列优点: 挡板、管束和壳壁之间的泄漏流、旁路流、反混现象会大量的减少, 流动死区也基本消除。从而使得壳侧污垢面积大大减少, 总体上减少了滞留区而增加了湍流度, 提高了壳侧的传热系数并降低了压降。此外, 该结构还能增强管束的稳定性, 防止震动。实验结果表明, 与相同工况下的直挡流板相比, 螺旋隔板壳侧努塞尔数可提高4914%。在螺旋角为40℃左右时, 边界层流体流动形式在流道内表现为全发展流,换热器效率最高。但缺点是加工制作难度加大, 维修清理较困难, 所以壳侧不易使用经常需要清理的介质。
(3) 折流杆式换热器
折流杆式换热器由排布的支撑杆和其他元件形成折流栅来代替折流板, 使流体在壳程形成一系列折流, 既可以防震, 还可以增加流动介质的湍流度, 提高管间给热系数。折流杆式换热器压降很低, 为弓形隔板的1 /4 以下, 传热特性比也高,传热强化达113～214 倍, 应用于有相变和无相变的流杆螺旋槽再沸器都能获得比较满意的效果。
材料检验的硬度测定值在HB156以下;
A、管道及焊缝外观未发现腐蚀现象;
B、在实际工况下, 材料韧性良好, 并且未出现材料性能劣化及劣化趋向;
C、未焊透相对深度小于016且缺陷底部最小壁厚≥2mm;
D、未焊透部位不存在裂纹及附近无其它埋藏缺陷;
E、压力试验或泄漏性试验合格;
F、液氨介质中含水量≥012%;
G、安全附件齐全且均在校验有效期内;
I、使用单位已制定压力管道作业安全措施及应急预案并保证落实到位。经过上述处理后,80%以上的氨制冷压力管道允许继续监控使用,经过两年多运行, 未发生一起管道失效事故, 从而既保证了经济的发展又有效地避免了事故的发生。
　　管壳式换热器管程和壳程的强化传热的各种方法都是围绕传热机理, 从提高传热系数K、扩大传热面积A 和增大传热温差Δtm 三种方面来实现。通过改变换热管外形、改变壳程挡板和管支撑物的形式、改变壳程流程布置等途径达到提高传热效率的目的。从而实现热量的合理利用, 降低设备成本,减少金属材料消耗, 实现工艺过程的节能减排。所以采用各种强化传热方法设计制造高性能的换热器是较经济的开发和利用能源的最重要手段。
第四章 管壳式换热器设计和运行中存在的问题分析

　　传热过程是化工原理课程中重要的单元操作,换热器是重要的化工单元操作设备,种类繁多、形式各异。其中管壳式换热器使用广泛,技术成熟,处理能力大,适应性强,为目前化工厂中的重要换热设备。管壳式换热器已经标准化,对于给定的传热过程,其通用的设计方法为大家所熟知,但是,这种通行的设计方法还远没有达到最优化程度,使用电算技术也并不能从本质上提高设计的准确度。换热器投入运行后,其稳态特性往往与设计时所期望的不一致,或者不容易操作控制,本文拟针对这些问题进行分析探讨。
4.1 传热研究中存在的问题
　　关于对流传热的研究,有两种基本的方法,一是对各类对流传热现象进行理论分析,建立描述对流传热现象的速度分布方程和温度分布方程,然后求解,但是理论解(解析的或数值的)根本不能解决复杂的实际问题;二是结合实验数据建立经验关联式,用以解决换热器的设计和模拟问题,这是目前传热工程设计研究中所使用的唯一方法。
　　已发表的大量的传热计算关联式,都是基于有限的实验数据而得出的,这些关联式既要考虑到对实验数据的关联精度,又要考虑到对非实验流体的适用性,就使得工程设计者在选择关联式时感到困难,因为无论如何找不到一个最可信赖的计算公式。
　　广泛使用的关联式为幂函数形式 :　　Nu =CReα PrβGrγ
　　在使用该式时,所有的物性参数都取流体定性温度下的值。定性温度介于进口温度和出口温度之间。然而,在换热器中,流体温度是沿换热面变化的,流体物性是温度的函数,因此,对流给热系数α沿换热面是变化的,按定性温度下的物性数据计算出的α与实际情况有相当大的误差。
　　由于问题本身的复杂性,要在最普遍的形式下来分析解决这一问题是很困难的。解决问题的可行方法是: ①为求得最好的结果,对特定的流体组合进行传热实验,采用最恰当的关联式对实验数据进行关联, ②在换热器设计中采用逐段计算法进行计算。
4.2 物性参数计算存在的问题
　　在换热器设计中,计算α时,所涉及到的流体物性参数有μ、ρ、Cp、λ,分析可得到的数据来源表明:
现有的流体物性参数是不十分准确的,物性数据的推算方法也并不十分可靠,特别是对于混合物和极性分子更是如此。换热器设计准确性的提高是建立在准确的物性数据基础上的,因此,应对现有的物性数据资料进行分析、整理,为换热器设计提供准确的物性数据及物性推算方法。
4.3 污垢问题
　　污垢热阻是换热器设计中有争议的一个参数,带有很大的经验性。在计算换热器的总传热系数K时,一般情况下使用经验值或现场相近数据,当无可靠的生产装置污垢数据时,可采用TEMA标准的经验数据。但是TEMA数据是值得怀疑的,由于污垢问题的研究中,可变参数太多,介质种类复杂,试验难以控制,规律性差,测试时间长,耗资大等客观原因,所以几十年来停滞不前。尽管如此,如果污垢问题不较好地解决,就很难提高换热器的设计水平。由于换热器所处理的物料种类繁多,操作条件千变万化,所以污垢的生成规律难以掌握。总的说来,结垢的机理有结晶、沉积、化学反应(如聚合) 、结焦、低级微生物的生长及腐蚀等。而生成的污垢沉积物大致可分为五类,即:无机盐类、结焦的有机物、有机聚合物、细菌微生物和藻类植物等。沉积物的生成速度和厚度取决于流体的组成、浓度、壁温、流速和操作时间等。因为污垢构成的性质与结构很不一样,有的污垢质地较硬,有的却较疏松,所以不同污垢间传热性能差别很大。
　　当间壁两侧流体给热系数很大时,污垢就可能成为传热的控制因素。如一侧冷凝,一侧蒸发时污垢热阻的大小就起决定作用。污垢不但对传热不利,也影响压降。因为随着操作时间的延长,污垢不断沉积于管壁上,流道逐渐减小,流速增加,压降迅速增加。当传热效果降低到一定程度或压降增加到一定程度后,即明显影响换热器的正常操作时,应予停车清洗,为了获得一个经济的清洗周期,选择污垢系数就至关重要。若选择的污垢系数过大,会使换热器过大,流速相应减小,反而促进污垢的沉积,保证不了操作周期;如果选择的污垢系数过小,可能造成换热面积不足,影响正常操作,而且流速过大,虽然降低了结垢倾向,但操作费用增加。而且如果管壁温度较高,就意味着有较大的平均温差,这将减小设备的尺寸,但是这个优点可能被由于壁温过高而加快结垢速度所抵消。所以要根据具体情况,权衡各方面的因素后方可决定。
　　总之,污垢系数的大小直接影响换热器的尺寸,而换热器尺寸又影响流体流动状态,进而影响结垢的速度和程度,所以在选择污垢系数时应当慎重。
4.4 计算方法问题
通行设计方法采用下面的方程对换热器进行数学描述:
　　式中:Q - 热流量; A—换热面积; △tm —有效传热温差; FT —温差修正系数;Δt1m —对数平均温差;K—总传热系数;αo —壳程给热系数;αi —管程给热系数; di —管子内径; do —管子外径; dm —管子的平均直径;δ—管子的壁厚;λ—管壁导热系数; Ro —壳程污垢系数; Ri —管程污垢系数; T1 , T2 —热流体进出口温度; t1 , t2 —冷流体进出口温度。　　这种设计方法假定流体的物性参数及传热系数K在全换热器内保持定值,建立在这一假定基础之上的设计方法(无论手算还是电算) ,所得结果有明显的误差,因为流体的物性参数和传热系数都是随温度发生变化的。解决这一问题最妥善的方法是逐段计算,即将换热面分段,或将流体进出口温度的变化范围分段,微段的大小视传热系数随流体温度的变化程度而定。逐段计算法的计算工作量大,手算时所需时间较长,一般都采用电算,这在目前的条件下是不成问题的。
4.5 反温差问题
　　反温差(即温度交叉)问题,是换热器设计中容易被忽视的一个问题。该问题在化工原理课程教学中基本未提及。
　　所谓反温差,是指换热器投入运行后从某一部位开始的实际传热温差为零( T实- t实 = 0) ,冷热流体之间不再进行热交换。因T设—t实 < 0,故曰反温差。只有以下情况才可能出现反温差:在多程换热器中冷、热流体流向从逆流转换为并流。
　　换热器管程及壳程采用多程的目的是为了提高流体流动速度以提高传热系数,同时提高了温差修正系数FT ,在一般的设计中,只注意了FT0. 8和换热器管壳程压降小于允许压降,而没有注意到流体流向的不同,换热效果可能是不相同的。
　　下面以单壳程、双管程换热器为例进行分析讨论,这种换热器中冷、热流体流向有两种布置: ①先并流换热,再逆流换热, ②先逆流换热,再并流换热。
　　如果T1 = T2 (饱和蒸汽冷凝)或t1 = t2 (液体沸腾) ,则两种流向布置都不会出现反温差,且换热效果相同。
　　如果T1 ≠T2 及t1 ≠t2 ,对于第一种流向布置,在流向转换时T实> t2 或t实 < T2 ,换热器内不会出现反温差, t2 < T2 或t2 > T2。对于第二种流向布置,在流向转换时,当t实< T2 或T实> t2 ,不会出现反温差,设计要求可得到满足。但是t2 < T2 ;当t实 ≥T2 或T实≤t2 时,出现反温差, t2实= T2实,冷、热流体换热后的实际温度与设计要求不一致。
　　总之,在多程换热器中,冷、热流体流向从逆流转为并流时,就有可能产生反温差,要准确判断是否产生反温度,应采用逐段计算法计算管壳程流体温度分布。换热器投入运行后,如果未能满足设计要求,不能只从传热系数K和有效传热温差Δtm ( △tm = FT △t1m )上找原因,还要从换热器内冷、热流体流向的布置上找原因,即是否出现了反温差。
传热过程往往不是单一过程,它与流体流动、物质传递等密切相关,增加了问题的复杂性,同时由于缺少精度较高的传热计算关联式,介质污垢问题尚未很好解决,工程设计中,都留有较大的设计裕度,使用值比计算值大许多,这些都说明换热器的设计和动态、稳态特性研究还有待进一步提高水平。今后除了在实验室进行传热研究外,更重要的是积累已投入工厂运行的换热器操作数据,使采用这些数据设计的换热器运行时能满足工艺条件,并能较容易的操作控制。　
综上所述,融贯的综合研究方法应贯穿于规划设计的各个环节,从宏观到微观,从整体到局部,同时作为建筑师或规划师都应自觉的与其他学科交叉合作,以保证设计方案的科学准确。“综合”与“融贯”是人居环境科学反复强调的主要方法论概念,更有效地“解决现实问题”、更全面的对伟大的实践进行“总结、提高和归纳”是人居环境科学反复强调的主要宗旨,围绕某个特定现实问题建立起相关学科在现象描述和规律解析研究之间的联系,在单一学科解析基础上进行跨学科的解析结论“磨合”,无疑将深化对现象和规律之间相关性的认识,既是合理的,也是现实的。研究的“宏观目的”应是解决现实世界中存在的“问题”,不断积累解决“问题”的经验,培养解决“问题”的能力,尤应强调解决“问题”的对策及方案的整体性和综合性。“‘综合与融贯’可以讲是一种学术理想,是一种建立在事物广泛联系性规律基础上的对最高学术境界的追求。任何一个特定历史时期人类对现实世界的认识是有限的和不断深入的,对事物间相关规律的认识也是一个不断深化的过程,试图一蹴而就的达到‘综合与融贯’的境界是不现实的。探求事物间相关规律的过程将是漫长而艰难的,是一个不断总结阶段性经验的‘渐进’过程。围绕‘问题’所包含的主要矛盾(系统层次性的反映) ,围绕‘问题’的解决(从实践入手,而不是从理论入手) ,优先考虑与事物发展密切相关的核心学科的领域‘拓展’(单一子系统的边界开放)及与其他主要相关学科的‘交叉’研究(有限数量的有确定相关规律的子系统间的边界开放与相互渗透)是必要的。从这个角度讲‘拓展与交叉’是走向‘综合与融贯’的必要步骤。”时代的发展,科学技术的提高,城市化进程的加快,全世界的大融合,都把建筑师或规划师变为在众多的专家中,可能是最后的通才的综合活动领域,含有多个传统建筑所没有的反映和活动区域。建筑师或规划师已经变成了制图师、遗传学者、混合区域的测量师以及运动的布局的讲述者。

图4-1 远期“生态安全网络”设计图

第五章 管壳式换热器的结构设计

　　在换热设备中,应用最广泛的是管壳式换热器,它具有选材范围广,换热表面清洗较方便,适用性较强,处理能力大,能承受高温和高压等特点。管壳式换热器的结构设计,必须考虑诸多因素,如:材料、压力、温度、壁温差、结垢情况、流体性质以及检修与清理等。在工程设计中,要按其特定的条件进行设计,以满足工艺上的要求。
5.1　管壳式换热器的形式及结构
管壳式换热器的形式大致分为固定管板式、釜式浮头式及U 形管式等几种。最常见的是固定管板式。该换热器主要由管箱、筒体、管板、列管、折流板、拉杆、定距管以及其他附属零部件组成,见图1 。
本节介绍管板及管板与其他部件的连接和折流板结构形式。
5.1.1　管　板
(1)管板受力分析
管板是一个被密布的管孔削弱的圆平板,被支承在由管束构成的弹性基础上,该平板二侧作用有均布载荷。由于管子的端部是刚性固定在管板上,当管板受介质压力作用产生弯曲变形时,管束中每根管子亦要发生轴向变形,这样管板将受到每根管子的弹性反力。管板、管束及壳体均是刚性连接,

图5-1 　 管壳式换热器的结构形式
壳体管束的热变形及由介质压力引起的壳壁伸缩会受到管束和管板的约束,从而使管板受到壳体作用的力和力矩。当管板兼作法兰时,除管板对法兰有加强作用外,法兰力矩反过来使管板产生附加力矩。
壁厚大于38mm 的受压对接焊缝(A、B 类)20 %超声波检查, Ⅰ级合格。
公称直径≥150mm 的接管与受压壳体焊接焊缝(D 类) 100 %超声波检查, Ⅰ级合格。
所有受压焊缝(A、B、C、D 类) 100 %磁粉检查,Ⅰ级合格。
裙座的纵、环焊缝20 %射线检查, Ⅲ级合格。
壳体上所焊的临时附件去除后, 其焊接部位100 %磁粉检查, Ⅰ级合格。
水压试验后所有受压对接焊缝(A、B 类) 100 %超声波检查, Ⅰ级合格。
水压试验后公称直径≥150mm 的接管与受压壳体焊接焊缝(D 类) 100 %超声波检查, Ⅰ级合格。
水压试验后所有受压焊缝(A、B、C、D 类) 100 %磁粉检查, Ⅰ级合格。
焊后热处理后,焊缝和热影响区进行硬度检查:HB ≤225 。
(2)管板设计
材料:管板材料应根据工艺介质来选择。
外形尺寸:管板的外行尺寸应满足工艺等专业条件,同时还应考虑与管板匹配的法兰结构。
管板的厚度:其应设计压力等参数通过计算来确定。管板与换热管焊接时,管板的最小厚度除满足计算要求外,还应满足结构要求。
布管:换热管的排列方式有正三角形、正方形和同心圆形,其中正三角形由于管距都相同,在同一管板面积上可排列最多的管数,故正三角形排列方式应用最为普遍。
拉杆孔:拉杆与管板焊接时,拉杆孔尺寸如图5-2 所示。
其值为: d1 = d + 1 , l1 = d1
其中, d ———拉杆直径,mm ;
d1 ———拉杆孔直径,mm ;
l1 ———拉杆孔深度,mm

图5-2 　 拉杆与管板焊接结构
拉杆与管板螺纹连接时,螺孔尺寸如图5-3 所示。
其值为: l2 = 1. 5 dn
式中,
l2 ———螺纹深度,mm ;
dn ———拉杆螺孔公称直径,mm

图5-3 　 拉杆与管板螺纹连接时螺孔结构
5．1．2　壳体与管板的连接
固定管板式换热器的连接形式是不可拆式,壳体与管板采用焊接连接。由于设备直径的大小、壳体壁的厚薄以及管板的形式(如管板兼作法兰) 各不相同,所以必须考虑采用不同的焊接形式及焊接点。由于温度、压力及物料性质各异,所以管板与壳体的结构形式要求不尽相同。对不可拆式的固定管板换热器,有两种形式:一种管板兼作法兰;另一种壳体直径大于600mm 时,采用图4 所示之两种焊接结构的组合,当壳体直径小于600mm 时,壳体两端与管板的焊接形式可采用图5-4 所示之(b) 结构,该结构焊接质量易保证, 一般允许使用于操作压力4MPa 的场合。

图5-4 　壳体与管板的连接结构
5．1．3　管板与法兰的连接
固定管板式换热器的管板可兼作法兰。作法兰时,除要满足工艺规定的密封面形式外,还应按压力、温度选用法兰的结构形式。图5-5 (a) 所示之结构形式使用于壳程与管程的操作压力为0～1. 6MPa ,且对气密性要求不高的情况下。当气密性要求较高时,可选用图5-5 ( b) 所示之结构形式,该结构榫槽密封面具有良好的密封性能,但制造要求较高,加工困难,垫片窄,安装不便。一般情况下,可采用凹凸面形式来代替,如图5-5 (c) 所示。
5．1．4　管子与管板的连接
在管壳式换热器设计中,管子与管板的连接是较重要的结构部分。不仅加工工作量大,而且必须使每一连接处在设备的运行中,保证介质无泄漏及具有承受介质压力的能力。管子与管板的连接结构形式主要有三种:胀接、焊接及胀焊结合。

(a) 平面密封　 (b) 榫槽密封面　　 (c) 凹凸密封面
图5-5 　 管板与法兰的连接结构
　　胀接:用于管壳之间介质渗漏不会引起不良后果的情况,结构简单,管子易修补。为提高胀管质量,管板材料的硬度要求高于管子端部的硬度,这样才能保证胀接强度和紧密性。结合面的粗糙度对胀管质量也有一定的影响。结合面粗糙,可产生较大的摩擦力,胀接后不易拉脱;太光滑则易拉脱,但不易产生泄漏,一般粗糙度为1215 。当胀接时,管端胀成圆锥形,由于翻边的作用,可使管子与管板结合得更为牢固,抗拉脱力的能力更强。当管束承受压力时,则不可采用翻边的结构形式。
焊接:管子与管板焊接时,对管孔的粗糙度要求不高,管子的端部不需退火和磨光,因此制造加工简便,焊接结构强度高,抗拉脱力强,当焊接部分渗漏时,可以补焊。如须调换管子,可采用专用刀具拆卸焊接的破漏管,这比拆卸胀管方便。
胀焊结合:对于压力高、渗透性强,或在一侧有腐蚀性的介质,为保证不致泄漏后污染另一侧物料,要求管子与管板的连接处绝对不漏。胀焊结合的结构,从加工工艺过程看,有先胀后焊、先焊后胀、焊后胀接及贴胀等几种形式。
5．2 　折流板
折流板是壳程内的主要元件,其作用主要是增加管间流速,提高传热效果。折流板常用的形式是弓形,其他形式也允许采用。折流板的布置:靠近管板的第一块折流板应尽可能靠近壳程接管,折流板缺口应靠近管排或管程间通道的中心线。其它除有特殊要求外,一般在换热管的有效长度上等距离布置。
折流板与支撑板一般采用拉杆与定距管等元件与管板固定,其固定形式有如