【正文】 阻力計算 ...................................................................................................17 第三章 結論與展望 ...............................................................................19 結論 ...........................................................................................................19 展望 ...........................................................................................................19 參考文獻 .................................................................................................21 符號表 .....................................................................................................22 致謝 .........................................................................................................23 第一章 緒論 2 第一章 緒論 課題背景 換熱器是一種實現(xiàn)物料之間熱量傳遞的節(jié)能設備，在石油、化工、冶金、電力、輕工、食品等行業(yè)應用普遍、在煉油、化工裝置中換熱器占總設備數(shù)量的 40%左右，占總投資的 30%~45%。近年來隨著節(jié)能技術的發(fā)展，換熱器的應用領域不斷擴大，帶來了顯著的經濟效益。目前，在換熱設備中，管殼式換熱器使用量最大。因此對其進行研究就具有很大的意義 [1]。管殼式換熱器由一個殼體和包含許多 管子的管束所構成，冷、熱流體之間通過管壁進行換熱的換熱器。它適應于冷卻、冷凝、加熱、蒸發(fā)和廢熱回收等各個方面。通常管殼式換熱器的工作壓力可達 4 兆帕，工作溫度 200℃以下，在個別情況下還可以達到更高的壓力和溫度。一般殼體直徑在 1800mm 以下，管子長度在 9m 以下，在個別情況下也有更大或更長的 [2]。 國內外發(fā)展及研究動態(tài) 理論研究 浮頭式冷卻器主要由管箱、管板、管子、殼體和折流板等構成。通常殼體為圓筒形；管子為直管或 U形管 [3]。為提高換熱器的傳統(tǒng)熱效能，也可采用螺紋管、翅片管等。管子的布置 有等邊三角形、正方形、正方形斜轉 45186。和同心圓等多種形式，前三種形狀是最為常見的。按三角形不只是，在相同直徑的殼體內可排列較多的管子，以增加傳熱面積，但管間難以用機械方法清洗，流體阻力也較大、管板和管子的總體稱為管束。管子端部與管板的連接有焊接和脹接兩種。在管束中橫向設置一些折流板，引導殼程流體多次改變流動方向，有效地沖刷管子，以提高傳熱效能，同時對管子起支撐作用 [2]。浮頭式冷卻器根據其管束支承結構不同可分為四種形式：板式支承，如折流板換熱器；桿式支承，如折流桿換熱器；空心環(huán)支承，如空心環(huán)換熱器；管子自支 承，如刺孔膜式換熱器。傳統(tǒng)的管殼式換熱器采用弓形折流板支承，由于殼程流體在轉折和進出口兩端渦流的滯留區(qū)易產生傳熱死區(qū)，傳熱面積無法得到充分利用，并且當流體橫向流過管束時，流體在管子后方形成的卡門漩渦產生周期性交變應力，使管子發(fā)生流體誘導振動。為本科生畢業(yè)設計（論文） 3 使折流板的性能得到改進，人們又提出了多弓形折流板，整圓形折流板，異形孔折流板、網狀板，偏心孔折流板。這些新型折流板支承結構的出現(xiàn)主要是為了使流體由橫向流動變?yōu)榭v向流動，從而盡可能消除死區(qū)，使得傳熱綜合性能得到提高，也使得管束的抗振性能得到增強。 [1]管殼式換熱器的失效 與材料、結構、換熱介質及工況等多種因素有關，有時是幾種因素共同作用的結果。因此．在換熱器的選 材、設計、制造、裝配和使用過程中要綜合考慮各種影響因素，以防患于未然 [4]。 一種新型高效螺旋折流板換熱器有望成為管殼式換熱器升級換代的主導產品， 大型石油、化工企業(yè)將能以簡捷利低成本的方式實現(xiàn)節(jié)能。記者上周從杭州華東化工裝備實有限公司了解到，其研制的新型高效螺旋折流板換熱器 —— 全封閉流道連續(xù)型無中心管螺旋折流板換熱器在杭州龍山化工有限公司應用后，換熱器傳熱效率較原先提高 79． 8％。換熱器是石油化工、冶金、電力等行業(yè) 的主要設備，其設計制造水平的高低直接關乎換熱效果，影響能耗。目前管殼式換熱器約占我國全部換熱器量的 70～ 80％，石化企業(yè)換熱器更是占全部設備的 40％以上。國內外絕人多數(shù)在役的管殼式換熱器還在采用垂直弓型折流板結構，存在流動死區(qū)大、殼程流動阻力大、易積垢等不足，換熱器整體傳熱效率低，使用周期短，還容易誘發(fā)管束的振動噪音 [5] 。 管殼式換熱器按結構特點分為固定管板式換熱器、浮頭式換熱器、 U 型管式換熱器、雙重管式換熱器、填料函式換熱器和雙管板換熱器的 [6]。前 3 種應用比較普通。浮頭式換熱器的結構：兩端管板中只有 一端與殼體固定，另一端可相對殼體自由移動，稱為浮頭。浮頭由浮動管板、勾圈和浮頭端蓋組成，是可拆連接，管束可從殼體內抽出。管束與殼體的熱變形互不約束，因而不會產生熱應力。它的特點是殼體和管束的熱膨脹是自由的，管束可以抽出，便于清洗管間和管內。其缺點是結構復雜，造價高（比固定管板高 20%），在運行中浮頭處發(fā)生泄漏，不易檢查處理。浮頭式換熱器適用于殼體和管束溫差較大或殼程介質易結垢的場合 [2]。 在設計浮頭式冷卻器時，在滿足工藝過程要求的前提下，浮頭式冷卻器換熱器應達到安全與經濟的目標。浮頭式冷卻器設計的主要任務 是參數(shù)選擇和結構設計、傳熱計算及壓降計算等 [7]。設計主要包括殼體形式、管程數(shù)、換熱管第一章 緒論 4 類型、管長、管子排列、管子支承結構、冷熱流體的流動通道等工藝設計和封頭、殼體、管板等零部件的結構、強度設計計算 [8]。浮頭式冷卻器的工藝設計計算，依據設計任務的不同可分為設計計算和校核計算兩種，包括計算換熱面積和選型兩個方面 [9]。一般已知冷、熱流體的處理量和它們的物性。進出口溫度、壓力由工藝要求確定。設計中需選擇或確定的數(shù)據有三大類，即物性數(shù)據、結構數(shù)據和工藝數(shù)據。設計計算是由已知數(shù)據計算換熱面積，進而決定換熱器的結構， 可選定標準形式的浮頭式冷卻器；校核計算是對已有換熱器，核定一些運行參數(shù)，校核它是否滿足預定的換熱要求。 [9]文獻 [2]提供了冷卻器設計的基本步驟如圖 11 所示。 圖 11 冷卻器的基本設計流程 本科生畢業(yè)設計（論文） 5 冷卻器設計存在的常見問題如下：（ 1）管程試驗壓力高于課程試驗壓力時管頭的試壓（ 2）水壓試驗壓力的正確取值（ 3）避免換熱管與管板異種鋼焊接（ 4）高壓換熱器用換熱管標準的正確選用（ 5）換熱器受壓失穩(wěn)當量長度和最大無支撐跨距的取值問題（ 6）隔板槽面積取值的誤區(qū)（ 7） U形管換熱器中 U形管彎管處的支撐不容忽略（ 8）低溫換熱器 管板與殼體的連接結構 [1012]。 管殼式換熱器中，對管程為雙程或多程或殼程為二程時，必須沒置隔板，這時管板上在設置隔板槽 部位不能布管，因此在管板計算中必須計算隔板槽面積 [13]。 在管殼式換熱器設計工作中，管板上管孔數(shù)量是一個非常重要的設計數(shù)據，它是決定一臺換 熱器的換熱面積、管板的計算厚度、殼程殼體計算厚度等許多結果的一個重要參數(shù)，必須絕對準確 [14]。換熱器的傳熱面積與管、殼程流速聯(lián)系密切，流速增大，流體湍流程度增大，殼程側對流傳熱系數(shù)增大，殼程側對流傳熱系數(shù)亦增大 [15]。流速增大，還可減少污垢在管子表 面沉積的可能，管壁內、外側表面上的污垢熱阻減?。坏瑫r流體阻力增大，換熱面積減小，設備投資減少；但同時流體阻力增大，壓力降增大，動力消耗增大，操作費用增大。由此可見，流速和壓降密切相關 [16]。 在冷卻器的設計中，還有一些常規(guī)問題需要考慮。比如在物流的安排上，一般應遵循以下原則： 1．不清潔的流體走管內，因為在管內空間得到較高的流速并不困難，而流速高，懸浮物不易沉積，且管內空間也便于清洗； 2．體積小的流體走管內，因為管內空間的流動截面往往比管外空間的截面小，流體易于獲得必要的理想流速，而且也便于做成多程流 動； 3．壓力大的流體走管內，因為管子承壓能力強，而且還簡化了殼體密封的要求； 4．腐蝕性強的流體走管內，因為只有管子及管箱才需用耐腐蝕材料，而殼體可用普通材料制造，所以造價可以降低。此外，在管內空間裝設保護用的襯里或覆蓋層也比較方便，并容易檢查； 5．與外界溫差大的流體走管內，因為可以減少熱量的逸散； 6．飽和蒸汽走殼程，因為蒸汽對流速和清理無甚要求，并易于排除冷凝液； 7． 粘度大的流體走殼程，殼程的流動截面和方向都在不斷變化，在低雷諾數(shù)下，管外給熱系數(shù)比管內的大 [17]。 第一章 緒論 6 GB1501998 規(guī)定：當 鋼材的厚度負偏差不大于 ，且不超過名義厚度的 6%時，鋼材厚度負偏差可忽略不計。負偏差的問題，在設計上錯誤出現(xiàn)頻率較高，可使殼體壁厚小一檔，還可能引起開孔補強不足，應務必引起注意。新版 GB7132022 規(guī)定的負偏差是 ，鋼材厚度負偏差就不能忽略不計了 [18]。鋼管負偏差問題，主要涉及到兩項內容：管束的級別問題（采用普通級的碳素鋼、第合金鋼冷拔鋼管做換熱管為Ⅱ級，其余均為Ⅰ級），會影響到管板和折流板管孔的公差精度，還應注意不同材質的換熱管所對應的管孔的公差精度，還應注意不同材質的換熱管所對 應的管孔公差是不同的；影響到開孔補強效果，鋼管的負偏差均按壁厚的一定比例給出 [19]。在殼體的設計時，按GB1511990 表 表 9，一般在較低的設計壓力下，在耐壓能力方面，殼體是偏厚的。這主要是為了保證殼體剛度，浮頭式和 U 形管式還要考慮一定的磨損量，所以，比固定管板式還厚。如果厚度附加量 C2 大于 1，最小厚度還應相應增加。在設計管板時應注意兩點：管板的布管數(shù)要足夠；延長部分兼做作法蘭的管板，其許用應力的選取，一定要注意 GB1501998 第 4 章表 41 注 表45 注 2，即不得選用該行數(shù)據，否則，設計將出 現(xiàn)重大錯誤。在管板計算時，換熱管受壓失穩(wěn)的當量長度 lcr， 應按 GB1511999 圖 32 所示 5 種情況，比較得出最大值。有些設計計算書中，輸入的并不是 lcr 的最大值。選用設備法蘭時，應詳細了解 JB/T47002022 規(guī)定內容，特別應注意法蘭類型、材料、溫度、墊片的關系?，F(xiàn)實中，有甲型法蘭配纏繞墊和選用不銹鋼材料不經過計算的錯誤。對長頸法蘭，當工作壓力大于或等于 倍改標準中規(guī)定的最大允許工作壓力時，法蘭與圓筒的對接焊縫必須進行 100%的射線或超聲檢測，按JB/~ 檢測。射 線檢測Ⅱ級合格，超聲檢測Ⅰ級合格。當法蘭所在容器圖樣的容器的檢測未能滿足要求時，則該要求應在圖樣中標明。也就是說，當滿足上述使用條件時，環(huán)縫采用 100%的射線或超聲檢測時，可以不必強調這項要求，但如果除此環(huán)縫外，其他環(huán)縫與此有差別，該條一定特殊提出來 [20]。 實驗研究 目前對管殼式換熱器的研究主要有：傳熱強化，能量回收利用，以及為高效化，大型化的進展所作的研究 [21] 。 20世紀 70年代的世界能源危機，有利地促進本科生畢業(yè)設計（論文） 7 了傳熱強化技術的發(fā)展。世界上主要工業(yè)國都在 20世紀 70年代開始了強化技術的開發(fā)研究工 作。大部分的研究和成功地應用都屬于無源技術，即從改變傳熱面形狀人手。改變傳熱面形狀的方法有多種，應用較多、效果較顯著的有：螺旋槽紋管、橫槽紋管、縮紋管、管內加插入物、單面縱槽管、多孔表面管、低螺紋翅片管等等 [22]。改變管殼式換熱器換熱管型式，就能使換熱管的傳熱系數(shù)、傳熱面積和對數(shù)平均溫度差等參數(shù)發(fā)生改變，也就能改變換熱管的傳熱量，這對于我們尋求換熱管的最大換熱效率，實現(xiàn)節(jié)能減排具有重要意義 [23]。 實驗證明，各種強化傳熱結構在不同工況下強化傳熱效果不同，但一般都以增大管內阻力為代價，因而應根據具體工況選擇 適當?shù)姆椒?，也可以根據不同強化傳熱結構的特點，采用兩種或兩種以上強化傳熱結構相結合的復合強化傳熱技術，如螺旋槽管內插入旋向相反的扭帶，使二者取長補短，事實證明該方法行之有效 [24]。 通過對連續(xù)肋管殼式換熱器傳熱和阻力特性實驗研究的結果表明，管殼式換熱器以其對壓力、溫度、介質的適應性、耐用性及經濟性，在換熱設備中仍處于主導地位，通過對連續(xù)肋片管殼式換熱器的傳熱與阻力特性進行實驗研究，得到了不同工況下殼側平均努賽爾數(shù)和阻力系數(shù)的變化規(guī)律，實驗結果初步表明， Pr數(shù)的變化對殼側流體的平均傳熱系數(shù)有顯著影響，而對阻 力系數(shù)影響不大 [25]。 在研究殼程多通道管殼式換熱器中并列分置管束長寬比銳減對其內部速度場及深度換熱性能的影響中，得出以下結論 : (1)隨著并列分置管束模型中傳熱管數(shù)目的增多、長寬比銳減，換熱器的殼程阻力增大且換熱性能下降。給定工況下在長寬比大于 可以實現(xiàn)深度換熱，小于 。 (2)長寬比銳減導致?lián)Q熱性能下降主要是因為當長寬比銳減