毕业设计-翻译管壳式换热器的高效设计方案Effectively Design Shell-and-Tube Heat Exchangers （Author : Mukherjee.R. 1998 F-b 01 pp 21-26）学院：机械与动力工程专业：热能与动力工程班级：2007级1班姓名: 姚英丽指导老师：王华日期：2011.4.22管壳式换热器的高效设计方案管壳式换热器的设计(STHEs)是由复杂的计算机软件来完成。
然而,一个好的理解的换热器设计的基本原则是需要使用这种软件有效地开展工作。
这篇文章阐述了换热器的热设计的基础,涵盖这些主题:STHE的组成、 STHES根据结构和性能的分类、换热其设计方案需要的数据、换热器管侧的设计、壳侧的设计、管子的布局、挡板、换热器壳侧压降和平均温度的差异。
换热器管侧和壳侧传热基本方程和压降是很已知的,在这里我们专注于这些关联式换热器应用程序的优化设计。
一篇主题关于管壳式换热器更高级设计,如换热器壳侧和管侧流体的分配、使用多重的壳、过度设计、污垢将会在下一次发行。
STHEs的组成很好的掌握STHEs的机械特性和它是如何影响散热设计对于一个设计师来说是必不可少的。
STHEs的基本组成部件有:壳、端盖、管子、通道、通道板、管板、挡板和喷嘴。
其他部分包括：阀门、垫片、通过分割区的档板、加强板、纵向挡板、密封条、支撑板和地基。
管状换热器制造商协会（TEMA）对各个部件的制造标准具有明确的描述。
一个STHE分为三部分：前端、壳体、后端。
图一举例说明了TEMA的各种可能结构，热交换器被用字母代码描述为三部分。
例如：一个BFL型换热器有一个阀盖，一个双行程的壳有一个纵向的档板和固定的档板在后半部分。
图1、TEMA指定的管壳式换热器的型号基于结构的分类固定管板一个固定的管板（图2）有一个笔直的管子以担保两端的管板焊接到壳体上。
这种结构可以设计成可去掉的通道盖（例如在机场快线上）、阀盖型的通道盖（例如在边界元法中）或完整的管板（例如在荷兰标准中）。
图2、固定管板换热器固定管板最大的优点是它的低成本由于它简单的结构。
实际上，固定管板式是最便宜的结构，只要没有必须的膨胀节点。
另一个优点就是管子可以在从通道盖或阀盖上卸下后被自动清洗，同时，由于没有法兰连接，壳体侧流体的泄漏量是最小的。
这种结构的一个缺点是由于管束固定在壳上不能移动，所以管子外侧不能被自动清洗。
这样，它的功能在壳侧的清洗方面是受限制的。
然而，一种令人满意的化学清洗程序被采用的话，管板结构可能被选入壳侧的污垢服务。
在管侧和壳侧之间的大温差这个事件中，管板将无法承受大的压差，因此有必要纳入一个伸缩缝，这将在很大程度上夺去它低成本的优势。
U型管顾名思义，U型管换热器（图3）的管子被完成U型。
U 型管换热器只有一个管板.然而，这唯一的管板的低成本又被弯头和稍微大点的直径抵消了（由于最小的U型弯头半径），使得U型管板换热器的成本比得上固定管板换热器。
图3、U型管换热器由于一端是可以自由活动的，U型管换热器的优点是管束在面对不同的压力时会膨胀或收缩。
此外，由于管束可以移动，管子的外侧可以清洗。
U型结构的不足是管子内侧不能得到有效的清洗，因此U型弯管需要用易弯曲的钻杆来清洗。
因此，U型管换热器不应该用于管内流有脏的液体的情况浮动磁头。
浮动磁头式换热器的设计形式是最多的，也是最贵的。
在这个设计中，一个管板相对于壳体是固定的，另一个是自由的“浮动”在壳体里。
这样的设计允许管束的自由膨胀，同时有助于管子内外的清洗。
因此，浮动磁头式设计可用于服务壳侧和管侧的流体是脏的——使得这种标准结构形式用于脏的服务，例如在石油精炼厂。
浮动磁头的结构形式有许多种，最常见的两种是pull-through 的支持设备(TEMAS)和pull-through的设计。
TEMAS的设计（图4）在化工流程工业（CPI）中是最常见的结构。
浮动磁头的盖是通过用螺栓与一个巧妙的分裂背衬环连接来抵御漂浮的管板。
浮动磁头的关闭位置位于壳的尽头之外包含在一个有更大直径的端盖里。
图4、图5、如果拆除换热器的话，外壳的端盖是最先取出来了，然后是分裂背衬环，然后是浮动磁头的盖，最后管束就可以从固定不动的末端取下了。
在TEMAT结构（图5）中，整个管束，包括浮动磁头组件，可以从固定不动的末端取下，因为外壳的直径大于浮动磁头的法兰。
浮动磁头的端盖是直接通过螺栓连接到浮动的管板上的，这样就不需要分裂背衬环了。
这种结构的好处是管束可以在无需移动外壳或浮动磁头的情况下从壳上取下来，这样就减少了维修时间。
这种设计是针对有脏的热载体的锅形再沸器的，U型管在这里不能使用。
由于这个扩大的壳，这种结构是所有换热器中成本最高的。
浮动磁头结构有两种包装形式，一种是外部包装有填充料的盒子（TEMAP），另一种是外部包装有套环（TEMAW）（参见图一）。
由于这两种包装形式易于泄漏，他们仅适用于壳侧流体是无毒、无害且压力控制在40公斤，温度控制在300度以下的情况。
基于性能的分类一般地，一种服务可能是单相的（如冷却或加热一种液体或气体）或两项(如冷凝或汽化)。
由于一个STHE有两面，这可以使它提供几种组合的服务。
广泛地说，服务可以按如下分类：•单相（壳侧和管侧）•冷凝（一边冷凝，其它单相）•汽化（一边汽化，另一边单相）•冷凝/汽化（一边冷凝，另一边则汽化）以下是常用的术语：热交换器：双方单相及过程流（也就得说，不是一个实用程序）。
冷却器：一个流的过程流体和其他冷却水或空气。
加热器：一个流的过程流体和其他实用程序，如热蒸汽或热油。
冷凝器：一个流冷凝蒸汽和其他冷却水或空气。
冷水机组：一个流的过程被压缩在亚大气圈温度和沸腾的制冷剂或其他过程流。
再沸器：一个流从蒸馏塔和其他实用热源（蒸汽或热油）或一个过程流底流。
本文将重点介绍单相的应用。
设计数据在讨论实际的散热器以前，让我们看看设计过程许可方在设计前提供的数据。
1、两种流体的流速。
2、两种流体的进、出口温度。
3、两种流体的操作压力。
这对气体来说是必要的，尤其是在没有给出气体密度的情况下，这对液体来说是不必要的，因为他们是性能不随压力变化。
4、两种流体允许的压力降。
这对热交换器的设计来说是一个非常重要的参数。
通常，对液体来说，每壳有0.5–0.7 kg/cm2的允许值。
粘性液体一般需要有较大的压降，尤其是在管侧。
对气体来说，一般允许值是在0.05-0.2kg/cm2,典型是是0.1kg/cm2.5、两种流体的热阻。
如果这没有提供，设计者应采用TEMA中指定的标准或根据自已以往的经验值。
6、两种流体的物性参数。
其中包括粘度、导热系数、密度和比热，最好有两个进口和出口的温度，特别是液体，因为温度变化是相当大的，而且是不规则的（既不是线性的也不得对数的）。
7、热负荷。
管侧和壳侧规定的负荷应始终保持一致。
8、换热器的形式。
如果没有给出，设计师可以根据之前描述的各种结构形式的换热器的特点来选择。
实际上，设计师比过程工程师更适合做这项工作。
9、管道尺寸。
使喷嘴尺寸和管道尺寸相匹配以避免扩张或缩减是可取的。
然而，对喷嘴的尺寸要求通常比管道的严格，尤其是壳的入口处。
因此，喷嘴尺寸有时必须是单一尺寸（或更多是在特殊情况下）比相应的管道尺寸大，特别是对于小管子来说。
10、管子的首选尺寸。
管子尺寸被指定为外径×厚度×长度。
一些工厂业主有一个首选外径×厚度（通常是基于库存的考虑），并用可用的图形区来决定管子的最大长度。
许多工厂业主喜欢综合三个方面的标准，再基于库存来考虑。
11、最大壳直径。
这是根据管束的可移动要求和起重机的能力限制来设计的。
这种限制只适用于可移动管板的换热器，即U型管式和浮头式。
对于固定管板换热器，唯一的限制是制造商的制造能力和部件，例如凸型封头和法兰盘。
这样浮头式换热器通常局限于内径是1.4-1.5米的壳和6-9米长的管子内。
然而，固定管板式换热器的壳内径可以达到3米，管长可以达到12米甚至更多。
12、结构材料。
如果管子和壳采用相同材料做成，所有的部件都应采用这种材料。
这样，只有管和壳的结构材料需要指定。
如果管和壳采用不同的冶金，那么所有主要部件的材料都应该指明，以避免含糊。
主要的部件有：壳（包括壳盖）、管子、通道（包括通道盖）、管板和挡板。
管板可以有衬里或包衣。
13、注意事项。
这些包括循环、令人讨厌的条件、可供选择的操作场景，以及是否连续或间歇操作。
管侧设计管侧的计算很简单。
因为管侧流用一个通过圆形导管的流的简单例子来代表。
传热系数和压力降均随管侧速度变化而变化，后者更强烈。
一个好的设计将尽可能的使用压力降，因为这将产生最高的传热系数。
如果管侧流体流过了所有的管子（一管通），这将产生一定的速度。
通常情况下，这个速度低的难以接受，因此不得不增加。
通过在通道内合并隔板（用适当的衬垫），管侧流体被作为几次流过管子总数的一小部分。
这样，在一个有200个管子和两个通道的换热器中，流体一次流过100个管子的速度将是只有一个通道的两倍。
管子的通道个数通常是1、2、4、6、8等等。
换热系数管侧的传热系数是一个雷诺数、普朗特数和管径的函数。
这些可细分为以下基本参数：物性参数（即粘度、热传导率和比热）、管径和非常重要的质量速度。
液体粘度的变化是相当可观的，所以这种物理性质对传热系数的影响最具戏剧性。
αμh ()-0.47(2b)对于湍流管内传热基本方程式是:Nu=0.027Re Pr la （）0.8（）0.33（）或hD/k =0.027DG/c /lb k μμ（）（）0.8（）0.33（）重新整理：h=0.027DG/c /lc k μμ（）0.8（）0.33(k/D)（）粘性从两个对立的方面影响传热系数——作为雷诺数参数，并作为普朗特数参数。
这样，从当量来考虑：αμh()0.33-0.8(2a)αμh()-0.47(2b)换句话说，传热系数以0.47倍的能力与粘度成反比，以0.67倍的能力与导热系数成正比。
这样的两个事实导致了一些有趣的传热概论。
一个高的热导率成就了一个高的传热系数。
因此，冷却水（约0.55千卡/小时•米•°C的热导率）具有极高的传热系数，典型的6000千卡/小时•平方米•°C。
其次是碳氢化合物液体（热导率在0.08-0.12千卡/小时•米•°C之间）传热系数在250-1300千卡/小时•平方米•°C。
然后是烃类气体（热导率在0.02-0.03千卡/小时•米•°C之间）的50-500千卡/小时•平方米•°C。
氢是一种不寻常的气体，因为它有极高的导热系数（大于氢的液体）。
因此，它的传热系数是朝烃类液体范围上限发展的。
由于粘度的变化范围相当大，从不足0.1的乙烯、丙烯到超过1000或更多的沥青，所以烃类液体的传热系数变化范围是相当大的。
