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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

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