換熱器的原理與研究過(guò)程和意義

潘成偉

摘 要：換熱器在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中具有非常重要的作用，本設(shè)計(jì)為固定管板式換熱器設(shè)計(jì)；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(guò)程，對(duì)換熱器進(jìn)行了工藝設(shè)計(jì)，主要是根據(jù)給定的設(shè)計(jì)條件估算換熱面積，從而進(jìn)行換熱器的選型，校核傳熱系數(shù)，計(jì)算出實(shí)際的換熱面積，最后進(jìn)行壓力降和壁穩(wěn)計(jì)算；根據(jù)工藝結(jié)構(gòu)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(gòu)尺寸。最后對(duì)換熱器進(jìn)行強(qiáng)度校核。設(shè)計(jì)結(jié)果將以4張圖紙的形式表現(xiàn)出來(lái)。

關(guān)于固定管板式換熱器設(shè)計(jì)的各個(gè)環(huán)節(jié)，設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)中都會(huì)有詳細(xì)的說(shuō)明。

關(guān)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(yīng)用有悠久的歷史，目前它被作為一種傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)的換熱設(shè)備仍在很多部門(mén)中使用，尤其是在化工、石油、動(dòng)力等部門(mén)，仍然是最主要的換熱設(shè)備。在設(shè)計(jì)換熱器時(shí)，如果只取經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)作簡(jiǎn)單估算，或盲目加大傳熱面和安全系數(shù)，就會(huì)造成很大的浪費(fèi)。倘若傳熱系數(shù)、壁溫、壓降等校核不合理，則又要重新計(jì)算，因此手工計(jì)算時(shí)應(yīng)特別注意標(biāo)準(zhǔn)與實(shí)際經(jīng)驗(yàn)的相結(jié)合，不能盲目求于參考資料，尤其對(duì)于10萬(wàn)噸/年苯乙烯裝置循環(huán)塔排放氣冷凝器，更應(yīng)滿足與工藝的實(shí)際需要。

一. 管束振動(dòng)

隨著換熱器的大型化，所遇到的一個(gè)復(fù)雜問(wèn)題就是管束的振動(dòng)。這一問(wèn)題特別容易發(fā)生在換熱器中。當(dāng)流速高時(shí)這種現(xiàn)象特別嚴(yán)重，振動(dòng)不僅可以使管子破裂，使基礎(chǔ)和設(shè)備發(fā)生損壞，有時(shí)甚至?xí)鹑松硎鹿剩词构茏硬⑽雌屏?，那也?huì)引起劇烈的噪聲。迄今這些振動(dòng)現(xiàn)象還遠(yuǎn)未被認(rèn)識(shí)清楚，其原因是這種振動(dòng)的復(fù)雜性，它不僅是三維非線性的，而且其振型還會(huì)隨時(shí)改變，這就給研究帶來(lái)很大的困難。雖然如此，但通過(guò)大量的試驗(yàn)研究，已基本上可以預(yù)測(cè)列管束的自振頻率，從而在設(shè)計(jì)中可以確定適當(dāng)?shù)牧魉俜秶?，以防止流體的激振。此外，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面也采用了一些防振措施，例如設(shè)計(jì)了一種沒(méi)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(dòng)，延長(zhǎng)了管子的壽命。而且結(jié)構(gòu)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(shè)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(dòng)變有害為有利，關(guān)于這方面山東工業(yè)大學(xué)以程林為首的課題組作了有益的嘗試，打破了振動(dòng)較難應(yīng)用于傳熱強(qiáng)化的觀點(diǎn)，采用了各種措施，使管束從100%的固定解放出來(lái)。在一定條件下使流體誘導(dǎo)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(duì)于某些物性隨溫度變化較劇烈的介質(zhì)很難應(yīng)用，對(duì)三維激振的機(jī)理還不完全清楚。但是，這種做法在換熱器振動(dòng)的研究上無(wú)疑是一個(gè)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(gè)重要的而且也是主要的傳熱元件，長(zhǎng)期以來(lái)均采用光管。目前通過(guò)改變傳熱管的性能，從而提高換熱器的性能。強(qiáng)化傳熱管的方法主要有兩種，一種是盡量擴(kuò)大它的有效傳熱面，又不過(guò)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(guó)家和地區(qū)已經(jīng)對(duì)一些翅片管標(biāo)準(zhǔn)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(jī)理的要求，又能充分發(fā)揮其特點(diǎn)。例如，美國(guó)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(qiáng)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(guó)家在含氯離子較多的場(chǎng)合采用鈦來(lái)代替不銹鈉。這是因?yàn)楫?dāng)氯離子含量的濃度高于某一值時(shí)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(guó)外推廣甚快，到了80年代，凡是能適用此種材料的場(chǎng)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(shí)使用[2]。

至于污垢方面，通過(guò)材污垢形成的機(jī)理、生長(zhǎng)速度、影響因素的研究，可預(yù)測(cè)污垢曲線，從而為控制結(jié)垢.適時(shí)清理提供了途徑和依據(jù)。廣泛采用渦流測(cè)試技術(shù)來(lái)加強(qiáng)運(yùn)行中的檢漏，使即將損壞的管子能及時(shí)更換或堵漏，避免非計(jì)劃停工損失。在換熱器內(nèi)也可采用有機(jī)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(qiáng)化傳熱。當(dāng)結(jié)有污垢后，必須及時(shí)加以清除，國(guó)外對(duì)此十分重視，不僅組織專業(yè)的維修清洗公司，針對(duì)不同條件，采取最適當(dāng)?shù)那逑捶椒ǎ⒀芯亢驮囍聘鞣N專用的清洗設(shè)備和工具，如化學(xué)清洗車(chē)、高壓清洗車(chē)等。這樣就可保證換熱器在高效電、低能耗下長(zhǎng)壽命地運(yùn)行。

熱管是同時(shí)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(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊性好的優(yōu)點(diǎn)，不僅在國(guó)外，而且在國(guó)內(nèi)也日益得到廣泛應(yīng)用，目前在國(guó)內(nèi)應(yīng)用上，如何設(shè)法提高熱管的制造質(zhì)量以延長(zhǎng)其使用壽命是一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。

當(dāng)然，在其他萬(wàn)面的研究也獲得了不少的進(jìn)展，主要存在的問(wèn)題是能否在現(xiàn)有的換熱器的基本結(jié)構(gòu)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(guó)內(nèi)外已有不少研究者在積極進(jìn)行這方面的工作。

結(jié)束語(yǔ)：本設(shè)計(jì)對(duì)10萬(wàn)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(gòu)進(jìn)行了介紹，并在此基礎(chǔ)上對(duì)換熱器進(jìn)行了傳熱計(jì)算和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過(guò)本次設(shè)計(jì)，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(shè)計(jì)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(jìn)出口參數(shù)的情況下，完成對(duì)上述冷卻器校核計(jì)算。判斷出所選換熱器滿足基本要求；

參考文獻(xiàn)：

[1] 潘繼紅，田茂誠(chéng).管殼式換熱器的分析與計(jì)算[M].北京：科學(xué)出版社，1996：300-307.

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