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化工機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)設(shè)備基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)-文庫(kù)吧

2025-06-01 04:31 本頁(yè)面


【正文】 conditions, to meet the needs of technology (supported by most reasonable under suitable conditions the most effective and most economic manufacture of heat exchangers, and so on).Key words:Course design of shellandtube heat exchanger Shellandtube heat exchanger use Structure design of shellandtube heat exchanger 化工與材料學(xué)院10級(jí)化工機(jī)械設(shè)備課程設(shè)計(jì) 1 前言 管殼式換熱器是最典型的間壁式換熱器,歷史悠久,占據(jù)主導(dǎo)作用,主要有殼體、管束、管板、折流擋板和封頭等組成。一種流體在管內(nèi)流動(dòng),其行程稱為管程;另一種流體在管外流動(dòng),其行程稱為殼程。管束的壁面即為傳熱面。其主要優(yōu)點(diǎn)是單位體積所具有的傳熱面積大,傳熱效果好,結(jié)構(gòu)堅(jiān)固,可選用的結(jié)構(gòu)材料范圍寬廣,操作彈性大,因此在高溫、高壓和大型裝置上多采用列管式換熱器。為提高殼程流體流速,往往在殼體內(nèi)安裝一定數(shù)目與管束相互垂直的折流擋板。折流擋板不僅可防止流體短路、增加流體流速,還迫使流體按規(guī)定路徑多次錯(cuò)流通過(guò)管束,使湍流程度大為增加。 列管式換熱器中,由于兩流體的溫度不同,使管束和殼體的溫度也不相同,因此它們的熱膨脹程度也有差別。若兩流體溫差較大(50℃以上)時(shí),就可能由于熱應(yīng)力而引起設(shè)備的變形,甚至彎曲或破裂,因此必須考慮這種熱膨脹的影響。 換熱器是化工、石油、食品及其他許多工業(yè)部門的通用設(shè)備,在生產(chǎn)中占有重要地位。由于生產(chǎn)規(guī)模、物料的性質(zhì)、傳熱的要求等各不相同,故換熱器的類型也是多種多樣。 按用途它可分為加熱器、冷卻器、冷凝器、蒸發(fā)器和再沸器等。根據(jù)冷、熱流體熱量交換的原理和方式可分為三大類:混合式、蓄熱式、間壁式。 間壁式換熱器又稱表面式換熱器或間接式換熱器。在這類換熱器中,冷、熱流體被固體壁面隔開,互不接觸,熱量從熱流體穿過(guò)壁面?zhèn)鹘o冷流體。該類換熱器適用于冷、熱流體不允許直接接觸的場(chǎng)合。間壁式換熱器的應(yīng)用廣泛,形式繁多。將在后面做重點(diǎn)介紹。 直接接觸式換熱器又稱混合式換熱器。在此類換熱器中,冷、熱流體相互接觸,相互混合傳遞熱量。該類換熱器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,傳熱效率高,適用于冷、熱流體允許直接接觸和混合的場(chǎng)合。常見的設(shè)備有涼水塔、洗滌塔、文氏管及噴射冷凝器等。蓄熱式換熱器又稱回流式換熱器或蓄熱器。此類換熱器是借助于熱容量較大的固體蓄熱體,將熱量由熱流體傳給冷流體。當(dāng)蓄熱體與熱流體接觸時(shí),從熱流體處接受熱量,蓄熱體溫度升高后,再與冷流體接觸,將熱量傳給冷流體,蓄熱體溫度下降,從而達(dá)到換熱的目的。此類換熱器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,可耐高溫,常用于高溫氣體熱量的回收或冷卻。其缺點(diǎn)是設(shè)備的體積龐大,且不能完全避免兩種流體的混合。工業(yè)上最常見的換熱器是間壁式換熱器。根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn),間壁式換熱器可以分為管殼式換熱器和緊湊式換熱器。緊湊式換熱器主要包括螺旋板式換熱器、板式換熱器等。管殼式換熱器包括了廣泛使用的列管式換熱器以及夾套式、套管式、蛇管式等類型的換熱器。其中,列管式換熱器被作為一種傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)換熱設(shè)備,在許多工業(yè)部門被大量采用。列管式換熱器的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)牢固,能承受高溫高壓,換熱表面清洗方便,制造工藝成熟,選材范圍廣泛,適應(yīng)性強(qiáng)及處理能力大等。這使得它在各種換熱設(shè)備的競(jìng)相發(fā)展中得以繼續(xù)存在下來(lái)。使用最為廣泛的列管式換熱器把管子按一定方式固定在管板上,而管板則安裝在殼體內(nèi)。因此,這種換熱器也稱為管殼式換熱器。常見的列管換熱器主要有固定管板式、帶膨脹節(jié)的固定管板式、浮頭式和U形管式等幾種類型。熱器是化工、石油、能源等各工業(yè)中應(yīng)用相當(dāng)廣泛的單元設(shè)備之一。據(jù)統(tǒng)計(jì), 在現(xiàn)代化學(xué)工業(yè)中換熱器的投資大約占設(shè)備總投資的30% , 在煉油廠中占全部工藝設(shè)備的40% 左右, 海水淡化工藝裝置則幾乎全部是由換熱器組成的。對(duì)國(guó)外換熱器市場(chǎng)的調(diào)查表明, 雖然各種板式換熱器的競(jìng)爭(zhēng)力在上升,但管殼式換熱器仍占主導(dǎo)地位約64% 。新型換熱元件與高效換熱器開發(fā)研究的結(jié)果表明, 列管式換熱器已進(jìn)入一個(gè)新的研究時(shí)期, 無(wú)論是換熱器傳熱管件, 還是殼程的折流結(jié)構(gòu)都比傳統(tǒng)的管殼式換熱器有了較大的改變, 其流體力學(xué)性能、換熱效率、抗振與防垢效果從理論研究到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面也均有了新的進(jìn)步。目前各國(guó)為改善該換熱器的傳熱性能開展了大量的研究, 主要包括管程結(jié)構(gòu)和殼程結(jié)構(gòu)強(qiáng)化傳熱的發(fā)展。 換熱器是將熱流體的部分熱量傳遞給冷流體的設(shè)備,以實(shí)現(xiàn)不同溫度流體間的熱能傳遞,又稱熱交換器。換熱器是實(shí)現(xiàn)化工生產(chǎn)過(guò)程中熱量交換和傳遞不可缺少的設(shè)備。 在換熱器中,至少有兩種溫度不同的流體,一種流體溫度較高,放出熱量;另一種流體則溫度較低,吸收熱量。在工程實(shí)踐中有時(shí)也會(huì)存在兩種以上的流體參加換熱,但它的基本原理與前一種情形并無(wú)本質(zhì)上的區(qū)別。 換熱設(shè)備在煉油、石油化工以及在其他工業(yè)中使用廣泛,它適用于冷卻、冷凝、加熱、蒸發(fā)和廢熱回收等各個(gè)方面。 其中,管殼式換熱器雖然在換熱效率、設(shè)備的體積和金屬材料的消耗量等方面不如其他新型的換熱設(shè)備,但它具有結(jié)構(gòu)堅(jiān)固、彈性大、可靠程度高、使用范圍廣等優(yōu)點(diǎn),所以在各工程中仍得到普遍使用。 管殼式換熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),是為了保證換熱器的質(zhì)量和運(yùn)行壽命,必須考慮很多因素,如材料、壓力、溫度、壁溫差、結(jié)垢情況、流體性質(zhì)以及檢修與清理等等來(lái)選擇某一種合適的結(jié)構(gòu)形式。 對(duì)同一種形式的換熱器,由于各種條件不同,往往采用的結(jié)構(gòu)亦不相同。在工程設(shè)計(jì)中,除盡量選用定型系列產(chǎn)品外,也常按其特定的條件進(jìn)行設(shè)計(jì),以滿足工藝上的需要(得到適合工況下最合理最有效也最經(jīng)濟(jì)的便于生產(chǎn)制造的換熱器等等)。 為了滿足電廠對(duì)在較高壓力下運(yùn)行的大型換熱器(如冷凝器和供水加熱器)的需要,在20世紀(jì)初,提出了殼管式換熱器的基本設(shè)計(jì)。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的運(yùn)用,使設(shè)計(jì)變得相當(dāng)成熟和專業(yè)化。 當(dāng)今已廣泛地應(yīng)用于工業(yè)上的殼管式換熱器,在20世紀(jì)初也開始適應(yīng)石油工業(yè)提出的要求。油加熱器和冷卻器、再沸器以及各種原油餾分和有關(guān)的有機(jī)流體的冷凝器這些設(shè)備需要在惡劣的野外條件下運(yùn)行,流體常常不干凈而且又要求高溫和高壓,因此,設(shè)備便于清洗和進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)修理是絕對(duì)需要的。 殼管式換熱器發(fā)展的早期階段,出現(xiàn)的最大量的嚴(yán)重問(wèn)題,不是在傳熱方面(這可以由實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)粗略的估算),而是各種部件,特別是管板材料的強(qiáng)度計(jì)算問(wèn)題,還有在制造技術(shù)和工程實(shí)施中的許多有關(guān)的其他問(wèn)題,如管和管板的連接,法蘭和接頭管的焊接等。 在20世紀(jì)20年代,殼管式換熱器的制造工藝得到相當(dāng)圓滿的發(fā)展,這主要是由于幾個(gè)主要制造商努力的結(jié)果。制造設(shè)備的傳熱面積可達(dá)500m2,即直徑約750mm、長(zhǎng)6m,用于急劇增長(zhǎng)的石油工業(yè)。在30年代,殼管式換熱器的設(shè)計(jì)者,根據(jù)直接經(jīng)驗(yàn)和在理想管束上的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),建立了很多正確的設(shè)計(jì)原則。水水和水氣換熱器的設(shè)計(jì),大概與現(xiàn)今的設(shè)計(jì)差不多。因?yàn)槲酃笩嶙杵鸷艽蟮淖饔?,殼?cè)流動(dòng)的粘性流是一個(gè)困難的問(wèn)題,而且,60年代以前的他們的了解很少。隨著殼管式換熱器的應(yīng)用穩(wěn)步增長(zhǎng),以及對(duì)在各種流程條件下性能預(yù)計(jì)的精度要求越來(lái)越高,這造就40年代直至50年代研究活動(dòng)的激增。研究?jī)?nèi)容不僅包括殼側(cè)流動(dòng),而且相當(dāng)重要的還有真實(shí)平均溫差的計(jì)算、結(jié)構(gòu)件特別是管板的強(qiáng)度計(jì)算。 多年來(lái)發(fā)展起來(lái)的殼管式換熱器,由于其結(jié)構(gòu)堅(jiān)固并能適應(yīng)很大的設(shè)計(jì)和使用條件的變化,已成為最廣泛使用的換熱器。 隨著現(xiàn)代新工藝、新技術(shù)、新材料的不斷發(fā)展和能源問(wèn)題的日益嚴(yán)重, 必然帶來(lái)更多的高性能、高參數(shù)換熱設(shè)備的需求。換熱器的性能對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量、能量利用率以及系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和可靠性起著重要的作用, 有時(shí)甚至是決定性的作用。目前在發(fā)達(dá)的工業(yè)國(guó)家熱回收率已達(dá)96% ,換熱設(shè)備在石油煉廠中約占全部工藝設(shè)備投資的35%~40%。其中管殼式換熱器仍然占絕對(duì)的優(yōu)勢(shì),約70%。其余30 %為各類高效緊湊式換新型熱管和蓄熱器等設(shè)備,其中板式、板翅式、熱管及各類高效傳熱元件的發(fā)展十分迅速。隨著工業(yè)裝置的大型化和高效率化, 換熱器也趨于大型化,并向低溫差設(shè)計(jì)和低壓力損失設(shè)計(jì)的方向發(fā)展。當(dāng)今換熱器的發(fā)展以CFD (Computational Fluid Dynamics) 、模型化技術(shù)、強(qiáng)化傳熱技術(shù)及新型換熱器開發(fā)等形成了一個(gè)高技術(shù)體系[1]。 該換熱器是當(dāng)前應(yīng)用最廣,理論研究和設(shè)計(jì)技術(shù)完善,運(yùn)用可靠性良好的一類換熱器。目前各國(guó)為改善該換熱器的傳熱性能開展了大量的研究。強(qiáng)化傳熱主要有3 種途徑提高傳熱系數(shù)、擴(kuò)大傳熱面積和增大傳熱溫差,研究主要集中在強(qiáng)化管程和殼程傳熱面方面。 傳統(tǒng)的管殼式換熱器, 流體在殼側(cè)流動(dòng)存在著轉(zhuǎn)折和進(jìn)出口兩端渦流的影響區(qū), 影響了殼側(cè)的給熱系數(shù)。殼側(cè)的傳熱強(qiáng)化研究包括管型與管間支撐物的研究。 人們想盡各種辦法實(shí)施強(qiáng)化傳熱, 歸結(jié)起來(lái)不外乎2 條途徑, 即改變傳熱面的形狀和在傳熱面上或傳熱流路徑內(nèi)設(shè)置各種形狀的插入物。改變傳熱面形狀的方法有多種, 用于強(qiáng)化管程傳熱的有: 橫紋管、螺旋槽管、螺紋管(低翅管)和縮放管以及螺旋扁管(瑞典ALLARDS 公司生產(chǎn)) ?!?3),美、英、日、德等國(guó)均有商品化低翅管。德國(guó)Hde公司的螺旋槽管,管內(nèi)傳熱效率明顯優(yōu)于光管,在2300 Re 105 范圍內(nèi), ~, 當(dāng)200 Re 1500 時(shí), ~22倍。沈陽(yáng)市廣廈熱力設(shè)備開發(fā)制造公司開發(fā)的超薄壁(δ= 015mm) 不銹鋼波紋管換熱器[3 ] ,其承壓能力可達(dá)8MPa 。該換熱器不僅強(qiáng)化了管內(nèi)外的給熱, 還由于溫差作用下?lián)Q熱管的可伸縮性,使表面結(jié)垢容易脫落, 因此具有較強(qiáng)的防垢和自動(dòng)除垢能力。其傳熱系數(shù)較光管式提高2~3 倍。 管內(nèi)插入物[4 ,5]是強(qiáng)化管內(nèi)單相流體傳熱行之有效的方法之一。目前管內(nèi)插入物種類很多, 如螺旋線、紐帶、錯(cuò)開紐帶、螺旋片和靜態(tài)混合器等。最近, 英國(guó)Cal Garin Ltd 公司開發(fā)的一種稱之為H
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