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    1管殼式換熱器設(shè)計

    1．1初始設(shè)計在開始著手設(shè)計之前，應(yīng)該首先清楚可選管子尺寸、殼體形狀、管束布置方式以及折流板形式。

    1．2換熱管尺寸選擇換熱管尺寸對換熱器大小和性能的影響總結(jié)為：(1)換熱器容積隨著換熱管直徑增大而增大；(2)殼程傳熱膜系數(shù)隨著換熱管直徑增大而降低；(3)總換熱系數(shù)和換熱面積隨著換熱管直徑增大而減小；(4)管側(cè)壓降隨著換熱管直徑增大而降低；以上應(yīng)用實際對換熱管尺寸的選擇提供了依據(jù)。(1)首先，推薦采用中19的換熱管；(2)在設(shè)計適當(dāng)增大管徑以改變壓降條件。

    1．3殼體類型選擇目前殼體形狀較多，最簡單的就是帶有折流擋板的單管程E型殼體，介質(zhì)流動為逆向流動，這種流向設(shè)計，可以充分利用溫差效應(yīng)，因此換熱管尺寸最小。如果需要多管程，則需要對對數(shù)平均溫差做出校正，以彌補(bǔ)因流體非完全逆流造成的誤差。通常情況下，需要設(shè)計多殼程換熱器。F型殼體有縱向折流板，該殼體可使流體接近雙管程純逆向流動，殼體內(nèi)壓降與殼程流速平方以及管排數(shù)量成正比。對于相同的殼體尺寸和折流板數(shù)量的換熱器，由于縱向折流板原因，F(xiàn)型殼體內(nèi)流體流速是E型殼體內(nèi)流體流速的兩倍，而截面上的管子數(shù)相同。因此，F(xiàn)型殼體壓降比E型殼體的壓降高出四倍。同樣，對于G，H，J型殼體，G型殼體的壓降是E型殼體的壓降的二分之一。H型殼體的壓降是E型殼體的壓降的十六分之一。J型殼體的壓降是E型殼體的壓降的八分之一。綜合以上信息，在換熱器初始設(shè)計時筆者給出如下建議：(1)初始設(shè)計選擇E型殼體；(2)若需要多管程換熱器，可換成F型殼體，因為F型殼體可以彌補(bǔ)多殼程引起的損失；。(3)如果存在管側(cè)壓降受限的情況，次再考慮用G，I4型殼體。

    1．4管束布置可換成J型殼體，其節(jié)距比(管間距與管板直徑之比)的比值越小，對于給定殼體形狀的換熱器，其換熱管數(shù)越多。所以，換熱器最小節(jié)距比首先取1．25，若殼側(cè)壓降受限，則需要逐步擴(kuò)大節(jié)距比。管束布局分成兩類，內(nèi)聯(lián)布置和錯列布置。內(nèi)聯(lián)布置是指管子按照45�；蛘�90。排列布置，適于機(jī)械方法清洗管壁面。錯列布置是指管子按照30。或者60。排列布置，適于化學(xué)方法清洗管壁面。對于一個給定的換熱器殼體直徑，若采用錯列布置方式，則適合換熱管數(shù)量較多的場合。根據(jù)單位長度上的壓降與傳熱效率的關(guān)系，30。，60。，90。布管方式，他們的換熱性能基本類似。對于壓降不變的情況下，45。的布管方式可以提高10％左右的換熱性能。另外，在截面流速相同的情況下，45。的布管方式并非最佳選擇。關(guān)鍵是考慮換熱與壓降之間的關(guān)系。30。布管方式在不引起共振的情況下可以承受更高的流速。鑒于以上應(yīng)用實際，在設(shè)計時給出以下建議：(1)若換熱器換熱管需要機(jī)械清洗，可以采用45。的布管方式；(2)若換熱器換熱管需要化學(xué)清洗，可以采用30。的布管方式；

    1．5折流板形狀選擇折流板形狀對換熱性能的影響非常明顯，圖1是折流板切割率對換熱器折流板流通面積的影響。對于給定管子數(shù)量和折流板間距的換熱器，文獻(xiàn)均作了計算，在計算時，將所需面積這個變量轉(zhuǎn)換為管子長度和殼側(cè)壓降的函數(shù)，通過分析找到了優(yōu)化數(shù)據(jù)，即折流板的缺口率為27％為最優(yōu)折流板。如果采用缺口率為15％的折流板，將導(dǎo)致所需面積比最小值高出23％。如果采用缺口率為45％的折流板，將導(dǎo)致所需面積比最小值高出17％。其他條件不變，換熱器性能達(dá)到最優(yōu)條件是折流板流通面積與折流板錯流流路面積大致相同。所以，改變折流板間距將引起最佳折流板切割率的點發(fā)生變化。而獲得折流板的最佳切割率時，換熱器折流板流通面積與折流板錯流流路面積基本相同。一旦殼體直徑與折流板切割率確定下來，折流板間距在基于折流板流通面積與折流板錯流流路面積相等條件下也可以確定下來。接下來考慮折流板形狀的選擇和換熱器空間的最優(yōu)設(shè)計。目前關(guān)于換熱器折流板性能的比較分析的學(xué)術(shù)報告很少，只是一些涉及關(guān)于桿式折流板和螺旋折流板性能的研究報告。而對于換熱器折流板性能的研究有待進(jìn)一步的研究。本文結(jié)合企業(yè)應(yīng)用實際，在設(shè)計時有如下建議(1)首先選用單弓型折流板；(2)在遇到殼側(cè)壓降受限的情況下，可換成雙弓折流板或者三弓折流板；(3)采用特殊形式的折流板。充分考慮換熱器的空間大小后再確定折流板的切割率大小和間距。

    2舉例杭州下沙生物科技有限公司一車間采用列管式換熱器。工藝要求：正己烷／甲醇減壓二級冷凝。熱側(cè)：正己烷／甲醇冷凝，進(jìn)出口溫度15／10oC；流量0．4t／h。冷側(cè)：冷鹽水，進(jìn)出口溫度5／7℃。選型：E型殼體，換熱器殼體尺寸為DN400／DN310，L=3050mm／2956mm，45。布管，(I)19換熱管，雙弓形折流板，折流板的缺VI率為27％，換熱面積20m／10m，如圖3所示。經(jīng)過長期觀察，該列管式換熱器換熱性能基本穩(wěn)定，能夠達(dá)到工藝要求。3結(jié)語根據(jù)工程應(yīng)用實際，換熱器的設(shè)計時應(yīng)遵從如下規(guī)則：(1)初始參數(shù)確定、換熱管尺寸、殼體類型、管束布置方式、折流板形狀等信息確定；(2)選擇折流板切割率的初始值；(3)結(jié)合Poddar給出的參考圖進(jìn)行判斷。若殼側(cè)壓降需要控制，其壓降線將位于管側(cè)壓降線的左側(cè)(圖3所示)。

    增大折流板切割率將有助于減少壓降，進(jìn)而使兩條線基本協(xié)調(diào)。由圖4可知，進(jìn)一步增大折流板切割率并不能提高換熱性能，由于該方案不能充分利用殼側(cè)壓降。若管側(cè)壓降需要控制，采用推薦的折流板切割率不能充分利用殼側(cè)壓降。目前，降低折流板切割率和調(diào)整折流板間距有助于提高換熱器殼側(cè)流速和促進(jìn)殼側(cè)熱傳遞，改變管程數(shù)是使管側(cè)壓降發(fā)生變化的一種手段。