该敷层上密布的小孔能形成很多汽化中心,强化沸腾传热[5]。(4)螺旋槽纹管 可强化管内物流间的传热,物料在管内靠近管壁部分流体顺槽旋流,另一部分流体呈轴向涡流,前一种流动有利于减薄边界层,后一种流动分离边界层并增强流体扰动,传热系数提高1.3～1.7倍,但阻力降增加1.7～2.5倍[5]。(5)波纹管 为挤压成形的不锈钢薄壁波纹管,管内、外都有强化传热的作用,但波纹管换热器承压能力不高,管心距大排管少,壳程短路不易控制[3, 6]。
六、 管壳式换热器特殊结构
(1) 双壳程结构 在换热器管束中间设置纵向隔板,隔板与壳体内壁用密封片阻挡物流内漏,形成双壳程。适用场合:①管程流量大壳程流量小时,采用此结构流速可提高一倍,给热系数提高1.2～1.倍。②冷热物流温度交叉时,单壳程换热器需要多台以上才能实现传热,用1台双壳程换热器不仅可以实现传热,而且可得到较大传热温差。
(2) 螺旋折流板换热器 螺旋折流板可防止死区和返混,压降较小。物流通过这种结构换热器时温度存在明显的径向变化,故不适用于有高热效率要求的场合。
(3) 双管板结构 在普通结构的管板处增加个管板,形成的双管板结构用于收集泄漏介质,防止两程介质混合。
(4) 高温高压密封结构 ①金属环垫(八角垫或椭圆垫)。该结构加工简单,密封可靠,但对于大直径、高压加氢换热器金属耗量大、金属垫难以加工且密封不可靠。此种结构适用于压力为6～9MPa直径小于1000mm的工况。②螺纹锁紧环结构。同钢垫圈密封结构相比,其优点为密封可靠性好,金属耗量较少。但机加工件较多,结构复杂,设计计算繁琐,造价昂贵,不能准确排除管壳程间介质内漏,拆卸检修比较复杂。结构见图1-6。
图1-6 螺纹锁紧环结构[3]
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③密封盖板封焊型这种结构具有螺纹锁紧环结构所具备的许多优点,不同的是,它的管箱部分密封是靠在盖板外周上施行密封焊来实现。④Ω环密封结构。1种新型高压换热器密封结构,其优点是主螺栓预紧载荷和操作载荷较小,减小了设备法兰与主螺栓的尺寸和质量;拆卸检修方便、密封可靠;制造简单,造价低以及直径、压力、温度适用范围广。其结构见图1-7。
图1-7 Ω环密封结构[3]
七、 管壳式换热器性能比较
各种管壳式换热器特点如下表1所示
表 1 各种管壳式换热器特点比较
类 型 固定管管 壳 式 换 热 器 列 管 式 板式 刚性结构 带膨胀节 间不能清洗 特 点 用于管壳温差较小的情况（一般≤50℃），管有一定的温度补偿能力，壳程只能承受低压力 管内外均能承受高压，可用于高温高压场合 管内外均能承受高压，管内清洗及检修困难 管间容易泄漏，不宜处理易挥发、易爆炸及压力较高的介质 壳体上部有个蒸发空间用于再沸、蒸煮 结构比较复杂，主要用于高温高压场合和固定床反应器中 能逆流操作，用于传热面较小的冷却器、冷凝器或预热器 5
浮头式 U型管式 填料函式 外填料函 内填料函 密封性能差，只能用于压差较小的场合 釜式 双套管式 套管式
螺旋管式 沉浸式 喷淋式 用于管内流体的冷却、冷凝或管外流体的加热 只用于管内流体的冷却或冷凝 在同等条件下,固定管板式换热器结构最紧凑,Ｕ形管式和浮头式换热器相当。固定管板式换热器最经济,浮头式换热器较差。在刘凯和,张素香的研究中，对3种换热器进行综合性能对比，3种换热器综合性能见表1,表中紧凑性是换热器总传热面积与其体积的比值,该值越大占地面积越小。经济性是指单位传热面积的金属耗量,该值越小造价越低。价格比指相同工况和材料下的相对价格比,并以固定管板作为基数。表2中换热器采用公称压力2.5MPa,6000mm管长作对比[7-8]。
表 2 三种换热器的综合性能比较
?2kgm经济性 换热器类型 固定管板式 U型管式 浮头式 2?3紧凑型/mm 价格比 1.0 1.1～1.25 1.2～1.5 400 47 32 37 800 55 45 45 1200 60 47 48 400 44 50 64 800 1200 32 40 48 31 37 40 从表中可以得出，在同等条件下,固定管板式换热器结构最紧凑,Ｕ形管式和浮头式换热器相当。固定管板式换热器最经济,浮头式换热器较差。若工况允许,选择换热器的次序为固定管板式、Ｕ形管式、浮头式。
第二节 管壳式换热器设计概述
立式管壳式换热器的设计步骤分以下几部分： 1） 换热器的热力计算
热力计算的主要任务是根据设计初参数，计算出换热器中的传热系数，传热量，总传热面积等； 主要设计步骤
（1）了解换热流体的物理化学性质和腐蚀性能 （2）计算传热量，并确定第二种流体的流量 （3）确定流体进入的空间
（4）计算流体的定性温度，确定流体的物性数据
（5）计算有效平均温度差，一般先按逆流计算，然后再校核 （6）选取管径和管内流速
（7）计算传热系数，包括管程和壳程的对流传热系数，由于壳程对流传热系数与壳径、管束等结构有关，因此，一般先假定一个壳程传热系数，以计算K，然后再校核
（8）初估传热面积，考虑安全因素和初估性质，常采用实际传热面积为计算传热面积值的
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1.15~1.25倍 （9）选取管长 （10）计算管数
（11）校核管内流速，确定管程数
（12）画出排管图，确定壳径和壳程挡板形式及数量等 （13）校核壳程对流传热系数 （14）校核平均温度差 （15）校核传热面积
（16）计算流体流动阻力。若阻力超过允许值，则需调整设计。 其设计流程图如图1-8立式固定式换热器详细设计流程图所示 2）换热器结构设计
主要包括管程面积计算，壳体设计，进出口接管尺寸设计，热补偿，密封面与垫片类型确定，其他结构部件设计
开始计算计算数据近似数据特点问题壳管几何结构管束和折流板几何机构计算各种通道面积确定传热和压降因子确定壳程传热膜系数确定管程传热膜系数确定管程压降确定壳程压降确定总传热系数修正设计完成设计（a）（c）(b)不行不行不行
图1-8 固定管板式换热器设计详细流程图
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第三节 管壳式换热器有限元分析概述
随着计算机技术的提高以及计算流体力学和有限元分析方法的蓬勃发展，有限元数字模拟方法已经成为在换热器设计和分析过程中缩短设计周期和节约资源的重要手段。采用有限元分析方法各种换热器的流场、温度场及压力场等进行研究，能够详尽地预测管束支撑对流场、换热过程对换热器的影响及由热应力引起的热应变对换热器结构的影响，有利于提高换热器的综合性能，并设计出性能更优秀的、更适合设计要求的换热器。采用有限元分析不仅直观、灵活、费用低、周期短，而且还能够处理和预测更复杂的实际工作情况。本论文通过建立三维实体模型对设计的换热器采用简化模型，并通过使用algor多物理场有限元分析软件对设计的立式固定管板式换热器的管程、壳程和换热器重要部件进行有限元，包括稳态流场分析、温度场分析、流固耦合分析等。通过采用有限元分析的方法，采用实际简化的换热器模型对设计换热器在实际工况下工作进行了详细分析。
第2章 管壳式换热器热力计算
第一节 任务书要求
根据任务书知，立式固定管壳式换热器的主要设计参数有： 1、 换热器热交换功率为200KW
2、 管程介质为水，工作压力为5MPa，进出口温度为300/200℃ 3、 壳程介质为空气，工作压力为0.8MPa,进出口温度为150/230℃
4、 工作介质和冷却介质的流速应在合适的范围内，应保证总流阻损失满足规定范围，并且工质在换热器内的压降应在允许范围内（<50kpa） 5、 每年按300天计，每天24小时连续运行。
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