潘成偉

摘 要：換熱器在國民經(jīng)濟中具有非常重要的作用，本設計為固定管板式換熱器設計；固定管板式換熱器是由管子、折流板、殼體、前封頭、后封頭、管板、接管等零部件組成。

本文根據(jù)已知的工作狀況，選定換熱器所在的化工工藝過程，對換熱器進行了工藝設計，主要是根據(jù)給定的設計條件估算換熱面積，從而進行換熱器的選型，校核傳熱系數(shù)，計算出實際的換熱面積，最后進行壓力降和壁穩(wěn)計算；根據(jù)工藝結(jié)構尺寸結(jié)合換熱管材料、尺寸、管數(shù)、管程壓力、管壁溫度、管程數(shù)以及殼體材料、內(nèi)徑、厚度、殼程壓力、溫度等條件下確定管板的厚度、折流板的形狀、尺寸與數(shù)量、折流板的布置情況和確定換熱器的結(jié)構尺寸。最后對換熱器進行強度校核。設計結(jié)果將以4張圖紙的形式表現(xiàn)出來。

關于固定管板式換熱器設計的各個環(huán)節(jié)，設計說明書中都會有詳細的說明。

關鍵詞：換熱器；管板式換熱器；換熱管；封頭

引言 管板式換熱器在工業(yè)上的應用有悠久的歷史，目前它被作為一種傳統(tǒng)的標準的換熱設備仍在很多部門中使用，尤其是在化工、石油、動力等部門，仍然是最主要的換熱設備。在設計換熱器時，如果只取經(jīng)驗數(shù)據(jù)作簡單估算，或盲目加大傳熱面和安全系數(shù)，就會造成很大的浪費。倘若傳熱系數(shù)、壁溫、壓降等校核不合理，則又要重新計算，因此手工計算時應特別注意標準與實際經(jīng)驗的相結(jié)合，不能盲目求于參考資料，尤其對于10萬噸/年苯乙烯裝置循環(huán)塔排放氣冷凝器，更應滿足與工藝的實際需要。

一. 管束振動

隨著換熱器的大型化，所遇到的一個復雜問題就是管束的振動。這一問題特別容易發(fā)生在換熱器中。當流速高時這種現(xiàn)象特別嚴重，振動不僅可以使管子破裂，使基礎和設備發(fā)生損壞，有時甚至會引起人身事故，即使管子并未破裂，那也會引起劇烈的噪聲。迄今這些振動現(xiàn)象還遠未被認識清楚，其原因是這種振動的復雜性，它不僅是三維非線性的，而且其振型還會隨時改變，這就給研究帶來很大的困難。雖然如此，但通過大量的試驗研究，已基本上可以預測列管束的自振頻率，從而在設計中可以確定適當?shù)牧魉俜秶苑乐沽黧w的激振。此外，在結(jié)構設計方面也采用了一些防振措施，例如設計了一種沒有普通折流板的管板式換熱器，采用一組柵格條緊緊固定，柵格條與管予外壁之間下留間隙。這就能有效地克服管束的振動，延長了管子的壽命。而且結(jié)構緊湊，使殼程壓力降低了一半，且不易堵塞，清洗方便。近年采取的防振措施，都是設法采用各種措施以緊固管束。這就使人們產(chǎn)生這樣的思索，能否使振動變有害為有利，關于這方面山東工業(yè)大學以程林為首的課題組作了有益的嘗試，打破了振動較難應用于傳熱強化的觀點，采用了各種措施，使管束從100%的固定解放出來。在一定條件下使流體誘導出激振，這不僅可以顯著地提高換熱系數(shù)，而且可以避免結(jié)垢或自行脫垢。雖然這種方法目前還不完善，例如對于某些物性隨溫度變化較劇烈的介質(zhì)很難應用，對三維激振的機理還不完全清楚。但是，這種做法在換熱器振動的研究上無疑是一個重大的突破。

二. 換熱器除垢以及傳熱管的研究

傳熱管是換熱器中的一個重要的而且也是主要的傳熱元件，長期以來均采用光管。目前通過改變傳熱管的性能，從而提高換熱器的性能。強化傳熱管的方法主要有兩種，一種是盡量擴大它的有效傳熱面，又不過量地增加流阻。例如，將管子的內(nèi)、外表面軋制成各種不同的表面形狀，促使流態(tài)轉(zhuǎn)變成紊流，以提高傳熱性能。像翅片管、螺紋管等[1]。不少國家和地區(qū)已經(jīng)對一些翅片管標準化和系列化。另一種方法是改良傳熱表面的性能，使之既符合傳熱機理的要求，又能充分發(fā)揮其特點。例如，美國發(fā)明了一種表面多孔管，可以使氣泡核心的數(shù)目大幅度提高，從而使沸騰換熱系數(shù)提高10倍甚至幾十倍，總傳熱系數(shù)一般也可提高5倍左右，且抗污垢能力也十分良好。

由于工藝條件日趨苛刻，迫切需要一些新的材料。換熱器制造中，由于金屬鈦具有很高的抗腐蝕性能，強度極限和屈服極限也高，且比重小、重量輕，又有一定的抗污能力，因此一些國家在含氯離子較多的場合采用鈦來代替不銹鈉。這是因為當氯離子含量的濃度高于某一值時將使壁面很快遭到腐蝕，除次之外，滲鋁管和鍍鋅鋼管的使用也日益增加。非金屬材料方面最具有代表性的是聚四氟乙烯塑料，其抗腐蝕、抗污垢性能極為優(yōu)越，在國外推廣甚快，到了80年代，凡是能適用此種材料的場合，幾乎全利用了。此外，還有石墨換熱器，在壓力和溫度不太高時使用[2]。

至于污垢方面，通過材污垢形成的機理、生長速度、影響因素的研究，可預測污垢曲線，從而為控制結(jié)垢.適時清理提供了途徑和依據(jù)。廣泛采用渦流測試技術來加強運行中的檢漏，使即將損壞的管子能及時更換或堵漏，避免非計劃停工損失。在換熱器內(nèi)也可采用有機涂層，它能有效地防止誨水腐蝕，且不易結(jié)垢。若將涂層涂在冷凝側(cè)，還可以使凝結(jié)變?yōu)榈螤钅Y(jié)而強化傳熱。當結(jié)有污垢后，必須及時加以清除，國外對此十分重視，不僅組織專業(yè)的維修清洗公司，針對不同條件，采取最適當?shù)那逑捶椒?，并研究和試制各種專用的清洗設備和工具，如化學清洗車、高壓清洗車等。這樣就可保證換熱器在高效電、低能耗下長壽命地運行。

熱管是同時利用兩種相變——沸騰和凝結(jié)以傳遞大熱量的一種傳熱元件.由于它具有效率高、壓降小、結(jié)構簡單、緊湊性好的優(yōu)點，不僅在國外，而且在國內(nèi)也日益得到廣泛應用，目前在國內(nèi)應用上，如何設法提高熱管的制造質(zhì)量以延長其使用壽命是一個關鍵問題。

當然，在其他萬面的研究也獲得了不少的進展，主要存在的問題是能否在現(xiàn)有的換熱器的基本結(jié)構上做出一些突破性的改革，把換熱器的整體水平向前提高一步，這是目前的主攻方向，在國內(nèi)外已有不少研究者在積極進行這方面的工作。

結(jié)束語：本設計對10萬噸/年苯乙烯循環(huán)塔排放氣冷凝器的主要組成部分、型式和結(jié)構進行了介紹，并在此基礎上對換熱器進行了傳熱計算和結(jié)構設計，通過本次設計，得出以下結(jié)論：

（1）采用的換熱器優(yōu)化方法以最小換熱面積為目的，設計出滿足換熱條件的具有最小換熱面積的換熱器；

（2）在給定進出口參數(shù)的情況下，完成對上述冷卻器校核計算。判斷出所選換熱器滿足基本要求；

參考文獻：

[1] 潘繼紅，田茂誠.管殼式換熱器的分析與計算[M].北京：科學出版社，1996：300-307.

[2] 黃為民.熱工設備和系統(tǒng)的設計優(yōu)化[M].北京：高等教育出版社，1996：100-105.