管殼式換熱器的有效設計-外文翻譯

1、武漢工程大學郵電與信息工程學院畢業(yè)設計(論文)外文資料翻譯原 文 題 目： Effectively Design Shell-and-Tube Heat Exchangers 原 文 來 源： Chemical Engineering Progress February 1998 文 章 譯 名： 管殼式換熱器的優(yōu)化設計 姓 名： xxx 學 號： 62021703xx 指導教師(職稱)： 王成剛（副教授） 專 業(yè)： 過程裝備與控制工程 班 級： 03班 所 在 學 院： 機電學部 管殼式換熱器的優(yōu)化設計為了充分利用換熱器設計軟件，我們需要了解管殼式換熱器的分類、換熱器組件、換熱管布局、擋板、

2、壓降和平均溫差。管殼式換熱器的熱設計是通過復雜的計算機軟件完成的。然而，為了有效使用該軟件，需要很好地了解換熱器設計的基本原則。本文介紹了傳熱設計的基礎，涵蓋的主題有：管殼式換熱器組件、管殼式換熱器的結構和使用范圍、傳熱設計所需的數(shù)據(jù)、管程設計、殼程設計、換熱管布局、擋板、殼程壓降和平均溫差。關于換熱器管程和殼程的熱傳導和壓力降的基本方程已眾所周知。在這里，我們將專注于換熱器優(yōu)化設計中的相關應用。后續(xù)文章是關于管殼式換熱器設計的前沿課題，例如管程和殼程流體的分配、多殼程的使用、重復設計以及浪費等預計將在下一期介紹。管殼式換熱器組件至關重要的是，設計者對管殼式換熱器功能有良好的工作特性的認知，以

3、及它們如何影響換熱設計。管殼式換熱器的主要組成部分有：殼體封頭換熱管管箱管箱蓋管板折流板接管其他組成部分包括拉桿和定距管、隔板、防沖擋板、縱向擋板、密封圈、支座和地基等。管式換熱器制造商協(xié)會標準詳細介紹了這些不同的組成部分。管殼式換熱器可分為三個部分：前端封頭、殼體和后端封頭。圖1舉例了各種結構可能的命名。換熱器用字母編碼描述三個部分，例如， BFL型換熱器有一個閥蓋，雙通的有縱向擋板的殼程和固定的管程后端封頭。根據(jù)結構固定管板式換熱器：固定管板式換熱器（圖2）內裝有直的換熱管，這些管束兩端固定在管板上，管板則被焊接在殼體上。它可能有可拆卸的管箱蓋（例如AEL），封頭式管箱蓋（例如BEM）或者

4、整體管板（例如NEN）。固定管板式換熱器的主要優(yōu)勢是結構簡單，成本低。事實上，固定管板式換熱器只要沒有設置膨脹節(jié)的必要即為成本最低的換熱器類型。另一個顯著的優(yōu)勢是拆除管箱后，換熱管內部可以進行機械清洗，而且由于沒有法蘭連接，殼程流體的泄漏量最少。這種設計的缺點是由于管束固定在管板上不能拆卸，所以換熱管外部沒法進行機械清洗。因此它的適用范圍局限在殼程側走干凈介質。然而要是能夠采用令人滿意的化學清洗方法。殼程走不干凈的介質時也可以選用固定管板式換熱器。在管程和殼程溫差大的情況下，管板又無法吸收溫差，因此需要一個膨脹節(jié)。在很大程度上，這減少了低成本的優(yōu)勢。圖1 管殼式換熱器主要設計部件U型管換熱器：

5、顧名思義，U型管換熱器（圖3）的換熱管被彎成了U形。U型管換熱器只有一塊管板。然而單管板低成本的這一優(yōu)勢卻被U型管彎制及要求殼體直徑增大（根據(jù)U型彎頭最小彎曲半徑）而增加的費用所抵消了。這使得U型管換熱器的制造成本與固定管板式換熱器的成本不相上下。圖2 固定管板式換熱器U型管換熱器的優(yōu)點是管束的一端是自由的，所以管束可以隨著應力的不同而膨脹或收縮。此外，由于換熱管束可以拆卸所以管子外壁可以進行清洗。U型管換熱器的缺點是管子內壁沒法進行有效地清洗，因為U型彎頭需要靈活的旋轉清洗頭來清洗。因此，U型管換熱器換熱管內部不應走不潔凈介質。浮頭式換熱器：浮頭式換熱器是管殼式換熱器最通用的類型，也是最昂貴

6、的。在浮頭式換熱器的設計中，一端管板被固定在殼體上，另外一端在殼體中自由移動。使管束能自由膨脹，也使換熱管內外壁都能夠清洗。因此，浮頭式換熱器適用于管程和殼程都走不潔凈介質的場合。這使得標準類型浮頭式換熱器可用于不潔凈介質的場合，例如石油精煉。圖3 U型管換熱器浮頭式換熱器有各種類型，其中最普遍的有兩種，即帶鉤圈的可抽式浮頭（TEMA S）換熱器和可抽式浮頭（TEMA T）換熱器。帶鉤圈的可抽式浮頭式換熱器（圖4）是化學過程工業(yè)（CPI）中最常見的裝置。浮動端蓋通過螺栓將管板連接到一個分塊式的襯環(huán)上來保證管板的浮動。封閉的浮動頂蓋位于殼體端部的外端并被一個更大直徑的殼外上蓋所包含。在拆卸浮頭式

7、換熱器時，殼外上蓋最先被拿掉，然后是分塊式的襯環(huán)，然后是浮動頂蓋，最后管束就可以從固定端拆卸下來了。圖4 帶鉤圈的可抽式浮頭換熱器可抽式浮頭換熱器（圖5）因為殼體直徑比浮動頭法蘭大，所以整個管束包括裝配好的浮動端蓋可以從固定端拆卸下來。浮動端蓋由螺栓直接連接在浮動管板上所以不需要分塊式的襯環(huán)。圖5 可抽式浮頭換熱器這種換熱器的優(yōu)點是管束可以連同殼體或者浮動端蓋一起拆下來，從而減少了維護時間。這種設計特別適用于有不潔凈介質的再沸器的設計，U型管不能用于這種再沸器中。由于增大了殼體，所以這種換熱器是最貴的一種類型。有兩種結構的浮動頭換熱器：外部裝配填料函式（TEMA P）和外部裝配套環(huán)式（TEMA

8、 W）(見圖1)。然而，因為它們容易泄漏，其使用僅限于換熱器殼程流體是無毒物質，且溫度壓力都適中（40kg/cm2和300）。根據(jù)使用范圍基本上，換熱器使用時可能是單相的（如冷卻或加熱液體或氣體）或者兩相（如冷凝或蒸發(fā)）。由于管殼式換熱器有兩個使用方向，這可能導致了幾種組合的服務。從廣義上講，服務可以分為以下幾類：單相（包括管程和殼程）冷凝（一邊冷凝一邊單相）氣化（一邊氣化一邊單相）冷凝/氣化（一邊冷凝，一邊氣化）下列術語經(jīng)常被使用：換熱器：兩邊都是單相且均為工藝物流（即一種公用介質也沒有）。散熱器：一側物流為工藝流體，另一側冷卻水或空氣。加熱器：一側物流為工藝流體，另一側為公用的加熱介質，如

9、蒸汽或熱油。冷凝器：一側物流為冷凝氣，一側為冷卻水或空氣。冷卻器：一側物流為低于大氣溫度下被冷凝的工藝流體，另一側為沸騰制冷劑或工藝流體。再沸器：一側物流在蒸餾塔底部流動，另一側是公用加熱介質（蒸汽或熱油）或工藝流體。本文將具體側重于單相應用。設計數(shù)據(jù)在開始設計前，讓我們看看實際傳熱設計中工藝人員應該提供的一些數(shù)據(jù)。1. 兩物流的流量。2. 兩物流的進出口溫度。3. 兩物流的操作壓力：對氣體介質十分必要，特別是沒有提供氣體的密度時。但對液相介質而言，因其特性并未隨壓力而改變，因此就不一定需要。4. 兩物流的允許壓力降。這是換熱器設計非常重要的參數(shù)。一般而言，對液體來說，殼體中允許值是0.50.

10、7kg/cm2。粘稠液體允許有較高的壓降，特別是在管程端的。對于氣體來說允許的數(shù)值在0.050.2 kg/cm2之間，一般為0.1 kg/cm2。5. 兩物流的污垢阻力。如果這沒有提供，設計者應該采用TEMA標準規(guī)定的數(shù)值或者是根據(jù)過去的經(jīng)驗來設計。6. 兩物流的物理特性。這包括粘度、熱導率、密度、比熱，特別是進出口溫度下的物性。特別是對于液體來說，粘度數(shù)據(jù)必須提供進出口溫度，因為粘度隨著溫度的變化可能是巨大的，不規(guī)則的（不是線性也不是對數(shù)的）者必須考慮到。7. 熱負荷。規(guī)定管程和殼程的負荷應當一致。8. 換熱器的類型。如果沒有提供，設計人員可以根據(jù)前面所述不同類型的特點，選擇這個結構。事實上

11、，設計師通常比一個工藝工程師能更好地做到這一點。9. 管線規(guī)格。這可以配合接管口徑大小來選取，以避免擴展或減速。然而，通常的接管，特別是對殼程的進出口，接管尺寸的標準更為嚴格，因此，接管大小有時必須（或在特殊情況下）比相應的管線規(guī)格較大，特別是對小型管線。10. 首選換熱管規(guī)格。換熱管規(guī)格為：外徑*厚度*長度。有些工廠業(yè)主的首選外徑*厚度（通常基于庫存因素），并可用繪圖決定管程的最大長度。許多工廠業(yè)主基于庫存的考慮喜歡將所有三個方面標準化。11. 殼體最大直徑。這按照管束的拆卸要求來確定，并受到起重機的能力限制。這種限制僅適用于移動管程束，即U型管換熱器和浮動頭換熱器。固定管板換熱器，唯一的限

12、制是制造商的制造能力和可利用的組件，如蝶形封頭和法蘭。因此，浮動頭換熱器往往局限殼體內徑在1.41.5米之間，換熱管直徑為6米或9米，而固定管板式換熱器可以有內徑為3米的殼體，而管程長度可達12米及以上。12. 結構材料。如果管程和外殼程是相同的材料制成，所有元件應該是這種材料。因此，只有殼程和管程的材料需要作出具體規(guī)定。但是，如果殼程和管程是由不同材料組成的，所有主要部件的材料應當明確說明，避免模棱兩可。主要部件是殼體（包括殼體封頭），換熱管（包括管板），管箱（包括管箱蓋），管板和擋板。管板上可以有覆蓋金屬層。13. 特殊的考慮。其中包括循環(huán)，環(huán)境破壞，經(jīng)營情況的選擇，以及是否有連續(xù)或間歇性

13、操作。管程設計管程的計算方法非常簡單，因為管程介質只有一種流動情況，即在循環(huán)管道內流動。傳熱系數(shù)和壓降都隨管程內速度改變，后者變化更大。好的設計將充分利用允許的最佳壓力降，因為這將產(chǎn)生最高的傳熱系數(shù)。如果所有的管程側流體都流過換熱管（一個管道），就會產(chǎn)生一定的速度。通常，這個速度很低不可接受，因此必須加大。通過在管箱中裝上隔板（適當?shù)拿芊猓?，管程內流體數(shù)次流過所有換熱管的一小部分。因此，在一個有200根換熱管和兩個通道的換熱器中，流體一次流過100根換熱管，流體的速度將是只有一個通道時流速的兩倍。管程的數(shù)目通常有一、二、四、六、八等等。傳熱系數(shù)管程傳熱系數(shù)是一個關于雷諾數(shù)，普朗特數(shù)和換熱管直徑

14、的方程。這些可以分為以下基本參數(shù)：物理特性（即粘度、導熱系數(shù)、比熱）、換熱管直徑和非常重要的質量流速。液體粘度的變化是非常巨大的，因此這個物理特性對傳熱系數(shù)有最顯著的影響。管內湍流傳熱最基本的方程是：Nu=0.027(Re)0.8(Pr)0.33 (1a)或（hD/k）=0.027(DG/)0.8（Pr）0.33 (1b)重新整理得h=0.027(DG/)0.8（Pr）0.33(k/D) (1c)粘度以兩種相反的方式影響傳熱系數(shù)就是雷諾數(shù)和普朗特數(shù)。因此從方程1c可以得到h （）0.33-0.8 (2a)h （）-0.47(2b)換句話說，傳熱系數(shù)與粘度的0.47次方成反比。相似的，傳熱系數(shù)與

15、熱導率的0.67次方成正比。這兩個事實導致了一些有關傳熱學的有趣的概論。較高的熱導率促進了一個較高的傳熱系數(shù)。因此，冷卻水（導熱系數(shù)約為0.55kcal/hm2）有極高的傳熱系數(shù)通常是6000 kcal/hm2，隨后是碳氫化合物液體（導熱系數(shù)在0.080.12 kcal/hm2之間）在2501300 kcal/hm2之間，然后是烴類氣體（導熱系數(shù)在0.020.03 kcal/hm2之間）在50500 kcal/hm2之間。氫氣是一種不同尋常的氣體，因為它有特別高的熱導率（大于液體烴類）因此它的傳熱系數(shù)是液體碳氫化合物傳熱系數(shù)的上限。由于液體碳氫化合物粘度變化非常大，所以它們的傳熱系數(shù)范圍更大，

16、從小到0.1cP的乙烯和到100cP的丙烯酯直到比瀝青還要大。由于操作壓力大，所以烴類氣體的傳熱系數(shù)范圍也很大。隨著操作壓力的增大，氣體的密度增大。壓降與質量流速的平方成正比與密度成反比。因此，同樣的壓降下較高質量流速的介質在密度也較高時可以維持穩(wěn)定的傳熱系數(shù)。較高的質量流速可以轉化成較高的傳熱系數(shù)。壓力降質量流速強烈影響傳熱系數(shù)。對于湍流流動，管程換熱系數(shù)變化范圍是管程質量流速的0.8倍，而管程壓力降變化范圍是質量流速的平方。因此，隨著質量流速的增加，壓力降以比傳熱系數(shù)更快的速度增大。因此將有一個最佳的質量流速，在這個質量流速之上將進一步浪費增加的質量流速。此外，高流速將導致腐蝕。然而，壓力

17、降的限制，通常在侵蝕速度之前得到控制。建議的最低管內液體流速是1.0m/s，最高是2.53.0m/s。壓降與速度的平方和總流程成正比。因此，當管子通道數(shù)在給定的管子數(shù)和管程流速基礎上增加時，壓力降增加到上述增加數(shù)的三次方。在實際操作中，因為較低的摩擦因數(shù)和較高的雷諾數(shù)的影響，所以壓力降的增加要稍微小一些，因此這個指數(shù)應該用2.8來代替3。隨著換熱管數(shù)目的增加，管程壓力降大幅度的增加。因此，常常出現(xiàn)給定的管子數(shù)和兩個通道的換熱器的壓力降比允許的值要低很多，但是有四個通道的壓力降卻超過了允許值。在這種情況下，必須設計一個標準的管程數(shù)，而設計者則可能被迫接受一個較低的流速。但是，如果管徑和管長不同，

18、允許的壓力降將更具有通用性，也可以實現(xiàn)較高的管程流速。下列管徑通常在CPI種使用：和英寸。在這些之中和1英寸是最常用的。換熱管內徑小于英寸的不應該用在污染的項目中。小直徑的換熱管，如英寸的，只適用于換熱面積小于2030平方米的小型換熱器。認識到一個給定的物流的總壓降必須滿足要求是非常重要的。在不同換熱器中對一給定的物流進行特定的循環(huán)流動時，不同的壓降分配結果可能不同，從而通過這個來獲得最好的換熱效果?？紤]熱流體流經(jīng)幾個預熱器的情況。通常來說，0.7kg/cm2每殼程的壓降對液體來說是允許的。如果有5個這樣的預熱器，一共是3.5kg/cm2每一循環(huán)的壓降是允許的。如果通過兩個這樣的預熱器壓降只有0.8kg/cm2，那么剩下的2