换热器的原理与研究过程和意义

潘成伟

摘 要：换热器在国民经济中具有非常重要的作用，本设计为固定管板式换热器设计；固定管板式换热器是由管子、折流板、壳体、前封头、后封头、管板、接管等零部件组成。

本文根据已知的工作状况，选定换热器所在的化工工艺过程，对换热器进行了工艺设计，主要是根据给定的设计条件估算换热面积，从而进行换热器的选型，校核传热系数，计算出实际的换热面积，最后进行压力降和壁稳计算；根据工艺结构尺寸结合换热管材料、尺寸、管数、管程压力、管壁温度、管程数以及壳体材料、内径、厚度、壳程压力、温度等条件下确定管板的厚度、折流板的形状、尺寸与数量、折流板的布置情况和确定换热器的结构尺寸。最后对换热器进行强度校核。设计结果将以4张图纸的形式表现出来。

关于固定管板式换热器设计的各个环节，设计说明书中都会有详细的说明。

关键词：换热器；管板式换热器；换热管；封头

引言 管板式换热器在工业上的应用有悠久的历史，目前它被作为一种传统的标准的换热设备仍在很多部门中使用，尤其是在化工、石油、动力等部门，仍然是最主要的换热设备。在设计换热器时，如果只取经验数据作简单估算，或盲目加大传热面和安全系数，就会造成很大的浪费。倘若传热系数、壁温、压降等校核不合理，则又要重新计算，因此手工计算时应特别注意标准与实际经验的相结合，不能盲目求于参考资料，尤其对于10万吨/年苯乙烯装置循环塔排放气冷凝器，更应满足与工艺的实际需要。

一. 管束振动

随着换热器的大型化，所遇到的一个复杂问题就是管束的振动。这一问题特别容易发生在换热器中。当流速高时这种现象特别严重，振动不仅可以使管子破裂，使基础和设备发生损坏，有时甚至会引起人身事故，即使管子并未破裂，那也会引起剧烈的噪声。迄今这些振动现象还远未被认识清楚，其原因是这种振动的复杂性，它不仅是三维非线性的，而且其振型还会随时改变，这就给研究带来很大的困难。虽然如此，但通过大量的试验研究，已基本上可以预测列管束的自振频率，从而在设计中可以确定适当的流速范围，以防止流体的激振。此外，在结构设计方面也采用了一些防振措施，例如设计了一种没有普通折流板的管板式换热器，采用一组栅格条紧紧固定，栅格条与管予外壁之间下留间隙。这就能有效地克服管束的振动，延长了管子的寿命。而且结构紧凑，使壳程压力降低了一半，且不易堵塞，清洗方便。近年采取的防振措施，都是设法采用各种措施以紧固管束。这就使人们产生这样的思索，能否使振动变有害为有利，关于这方面山东工业大学以程林为首的课题组作了有益的嘗试，打破了振动较难应用于传热强化的观点，采用了各种措施，使管束从100%的固定解放出来。在一定条件下使流体诱导出激振，这不仅可以显著地提高换热系数，而且可以避免结垢或自行脱垢。虽然这种方法目前还不完善，例如对于某些物性随温度变化较剧烈的介质很难应用，对三维激振的机理还不完全清楚。但是，这种做法在换热器振动的研究上无疑是一个重大的突破。

二. 换热器除垢以及传热管的研究

传热管是换热器中的一个重要的而且也是主要的传热元件，长期以来均采用光管。目前通过改变传热管的性能，从而提高换热器的性能。强化传热管的方法主要有两种，一种是尽量扩大它的有效传热面，又不过量地增加流阻。例如，将管子的内、外表面轧制成各种不同的表面形状，促使流态转变成紊流，以提高传热性能。像翅片管、螺纹管等[1]。不少国家和地区已经对一些翅片管标准化和系列化。另一种方法是改良传热表面的性能，使之既符合传热机理的要求，又能充分发挥其特点。例如，美国发明了一种表面多孔管，可以使气泡核心的数目大幅度提高，从而使沸腾换热系数提高10倍甚至几十倍，总传热系数一般也可提高5倍左右，且抗污垢能力也十分良好。

由于工艺条件日趋苛刻，迫切需要一些新的材料。换热器制造中，由于金属钛具有很高的抗腐蚀性能，强度极限和屈服极限也高，且比重小、重量轻，又有一定的抗污能力，因此一些国家在含氯离子较多的场合采用钛来代替不锈钠。这是因为当氯离子含量的浓度高于某一值时将使壁面很快遭到腐蚀，除次之外，渗铝管和镀锌钢管的使用也日益增加。非金属材料方面最具有代表性的是聚四氟乙烯塑料，其抗腐蚀、抗污垢性能极为优越，在国外推广甚快，到了80年代，凡是能适用此种材料的场合，几乎全利用了。此外，还有石墨换热器，在压力和温度不太高时使用[2]。

至于污垢方面，通过材污垢形成的机理、生长速度、影响因素的研究，可预测污垢曲线，从而为控制结垢.适时清理提供了途径和依据。广泛采用涡流测试技术来加强运行中的检漏，使即将损坏的管子能及时更换或堵漏，避免非计划停工损失。在换热器内也可采用有机涂层，它能有效地防止诲水腐蚀，且不易结垢。若将涂层涂在冷凝侧，还可以使凝结变为滴状凝结而强化传热。当结有污垢后，必须及时加以清除，国外对此十分重视，不仅组织专业的维修清洗公司，针对不同条件，采取最适当的清洗方法，并研究和试制各种专用的清洗设备和工具，如化学清洗车、高压清洗车等。这样就可保证换热器在高效电、低能耗下长寿命地运行。

热管是同时利用两种相变——沸腾和凝结以传递大热量的一种传热元件.由于它具有效率高、压降小、结构简单、紧凑性好的优点，不仅在国外，而且在国内也日益得到广泛应用，目前在国内应用上，如何设法提高热管的制造质量以延长其使用寿命是一个关键问题。

当然，在其他万面的研究也获得了不少的进展，主要存在的问题是能否在现有的换热器的基本结构上做出一些突破性的改革，把换热器的整体水平向前提高一步，这是目前的主攻方向，在国内外已有不少研究者在积极进行这方面的工作。

结束语：本设计对10万吨/年苯乙烯循环塔排放气冷凝器的主要组成部分、型式和结构进行了介绍，并在此基础上对换热器进行了传热计算和结构设计，通过本次设计，得出以下结论：

（1）采用的换热器优化方法以最小换热面积为目的，设计出满足换热条件的具有最小换热面积的换热器；

（2）在给定进出口参数的情况下，完成对上述冷却器校核计算。判断出所选换热器满足基本要求；

参考文献：

[1] 潘继红，田茂诚.管壳式换热器的分析与计算[M].北京：科学出版社，1996：300-307.

[2] 黄为民.热工设备和系统的设计优化[M].北京：高等教育出版社，1996：100-105.