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3.4 高效节能管壳式换热器在氮肥工业中的应用
高效节能换热器与传统的折流板管壳式换热器比较，在内部结构上有较大改进。一是壳程内部采用折流杆组成的折流栅取代折流板作管间支撑物，使壳程流体由横向流动变为平行流动。二是采用螺旋槽型强化传热管，强化流体在管内外纵向冲刷时的对流传热。其强化传热的机理为：壳程流体在非传热界面的区域， 如管间支撑物的局部地区，形体阻力损失很小，而大部分的流体压降可用来促进传热管传热界面上的流体湍流， 能以较低的流体输送功获取较高的传热膜系数。
湖北荆门化肥厂年产6万t合成氨装置，其变换系统采用全低变工艺，1997年该厂变换系统的主热交换器、第一水加热器、第二水加热器、冷却塔4台设备进行了设计改造，以三门峡化工机械厂生产制造的新型换热器替代原传统的换热设备。同样，山东东阿化肥厂、莱州化肥厂、河南省驻马店地区化工总厂、兰考县化肥厂等几十家企业实施过多例对合成氨厂变换系统的改造，新设备运行稳定，已为企业产生巨大的经济效益[20]。
4 课题研究的内容
本课题的研究内容主要包括总体方案的确定、热力计算、阻力计算、细部结构，如接管，折流板，法兰和管箱等的设计以及强度校核等。
由已知条件可算出换热器的热流量Q和逆流操作的平均推动力△tm，初步选定换热器的流动方式，证温差修正系数，根据经验估计总传热系数K估算，初估传热面积A，计算管、壳程阻力在选择管程流体与壳程流体以及初步确定了换热器主要尺寸的基础上，就可以计算管、壳程流速和阻力，看是否合理。在壳程和管程中，都有创新结构以增强传热；同时起支撑管束、防止管束振动和管子弯曲的作用，在进行换热器设计时，换热器各种零、部件的材料，应根据设备的操作压力、操作温度、流体的腐蚀性能以及对材料的制造工艺性能等的要求来选取。管程结构设计，选择管径时，应尽可能使流速高些。封头和管箱位于壳体两端，其作用是控制及分配管程流体。当壳体直径较小时常采用封头。接管和封头可用法兰或螺纹连接，封头与壳体之间用螺纹连接，壳径较大的换热器大多采用管箱结构。在强度校核时要计算管程和壳程流体流速及雷诺数，判断流体流动的状态传热性能，校核管、壳程压力降、总传热系数、换热器传热面裕度。
5 创新点及难点分析
在管壳式换热器设计过程中，设计者应当充分了解且熟悉各相关技术规范及计算公式，在对客户要求充分理解的基础上，参考其它成功的设计案例中的设计方式及相关资料，使设计出的产品达到安全、经济、可靠，做到设备长周期安全运行。
管壳式换热器是氮肥生产过程中的关键设备。而管壳式换热器由于具有耐高温、高压、处理量大、制造技术成熟等优点。在其中占有重要的地位。目前氮肥厂使用的管壳式换热器，其壳程内部大都采用传统的折流板结构。这种换热器传热效率低，材料及能量消耗大，而且由于抗流体诱导振动能力差。易引起设备的破坏与腐蚀，使用寿命极短。折流杆换热器与传统的折流板管壳式换热器相比较，在内部结构上发生了较大变化。壳程内部采用折流杆组成的折流栅取代折流板作管间支撑物，使壳程流体由横向流动变为平行流动，这不仅大大减少了传热死区， 而且大幅度减少了流体因多次反复折流而损失的壳程压力降。
图5.1 折流杆换热器结构示意图
如何来验证折流杆换热器的支撑结构强度与换热效果数值模拟是一个难点，为了实现对换热器性能的整体数值模拟，一种“分段模拟，整体综合”的管壳式换热器数值模拟新方法，其核心思想是在对换热器的几何结构及其流道的流体力学和传热特性进行定性分析和结构分类的基础上，对换热器内部流道分段，建立典型流道的完整实体三文模型和网格模型，并且建立分段模型之间的数据联系方案，最后将数值模拟得出的局部数据进行综合处理[21]。
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