【正文】 新的挑戰(zhàn)。在提高設備熱效率的同時，換 熱器也正在繼續(xù)朝著結(jié)構(gòu)緊湊、產(chǎn)品系列化、標準化、專業(yè)化和大型化的方向發(fā)展。 目前在 過程工業(yè) 中，應用最廣泛的的換熱設備是管殼式換熱器 ， 尤其是在石油化工、能源等部門。一般來說，管殼式換熱器 具有結(jié)構(gòu)堅固、制造容易、生產(chǎn)成本低、適應性大、選材廣泛、清洗方便、處理能力強且能適應高溫高壓等優(yōu)點。雖然它在結(jié)構(gòu)緊湊性，傳熱強度和單位傳熱面積金屬消耗量方面無法與緊湊式換熱器相比，但它的經(jīng)濟性和可靠性，特別是在高參數(shù)的工況條件下，更顯示出其獨有的長處，仍然是當今應用最為廣泛的換熱設備，約占換熱設備總重的 70%。其按結(jié)構(gòu)特點，常 見型式可分 為：固定管板式換熱器、浮頭式換熱器、 U形管式換熱器、填料函式換熱器、方形殼體翅片管換熱器等 。 Xxxxxxxx 大學畢業(yè)設計 (論文 )說明 書 2 （ 1） 固定管板式換熱器 固定管板式換熱器 是管殼式換熱器中最基本的一種 ，其是不同溫度的兩種流體分別從管外、管內(nèi)流過，通過間壁進行熱交換。這類換熱器的結(jié)構(gòu)較簡單，制造較方便，造價較低、管側(cè)清洗方便，從而應用相當廣泛。在傳熱面大的情況下，管外管間的截面很大，當流體流量較小時，為了提高載熱體的流速及攪動性以改善給熱條件，可在殼程中裝折流擋板。同時，為提高管內(nèi)流體的流速，也可將管 程分成任一偶數(shù)程， 并在流體進口管箱的封頭中裝一塊隔板，流體每次只流經(jīng)一半管子，這樣管程就分成了雙程；若兩個室中都裝置隔板，可以把管程分成4 程、 6 程等。 其結(jié)構(gòu)缺點是由于管板焊在殼體上，因此在冷、熱流體溫差較大時，管束與殼體熱膨脹伸長量不同，易造成管子與管板連接處因溫差應力而產(chǎn)生裂紋，甚至被拉脫，使換熱器發(fā)生泄漏。另外，由于管束與殼體焊死，管子外表無法用機械方法清洗，因此要求殼程流體干凈，不易結(jié)垢、結(jié)焦和沉淀。但在殼體上增加膨脹節(jié)，可以解決換熱器管束與殼體熱膨脹伸長量不同的問題，從而使其結(jié)構(gòu)能夠在冷、熱流體平均溫差較大或高壓的 場合下使用， 因為可將接頭拆下來進行清洗 ，所以可處理易結(jié)垢流體 ， 而對低壓氣體則不適宜 ,但其缺點就是制造復雜 ，僅適用于殼程流體壓強小于 ,管殼溫差小于 700C 且管間只能通過清潔流體的場合 。 圖 固定管板式換熱器結(jié)構(gòu)示意圖 1— 管板； 2— 換熱管； 3— 折流板（或支承板 )； 4— 簡體； 5— 封頭 Xxxxxxxx 大學畢業(yè)設計 (論文 )說明 書 3 圖 雙程固定管板換熱器結(jié)構(gòu)示意圖 1— 封頭； 2— 法蘭； 3— 排氣口； 4— 筒體； 5— 換熱管； 6— 波形膨脹節(jié)； 7— 折流板 (或支承板 )； 8— 防沖板； 9— 殼程接管； 10— 管板； 11— 管程接管； 12— 隔板； 13— 封頭； 14— 管箱； 15— 排液口； 16— 定距管； 17— 拉桿； 18— 支座； 19— 墊片； 21— 螺栓、螺母 （ 2） U形管式換熱器 Ｕ型管殼式換熱器 為克服固定管板式換熱器的不足， 將管子作成 “ Ｕ ” 型 ，且只有一塊管板，彎成 U 形的管子兩端都固定在此管板上；這樣， 一端固定另一端活動 ,使得換熱器不受膨脹的影響 。其管程至少有兩程，板上管束可因冷熱變化而自由伸縮，而不會造成溫差應力。 其優(yōu)點是 結(jié)構(gòu)較簡單 ,重量輕 ，能承受較高的溫度和壓力，管束可以抽出，管外壁清洗方便； 其缺點是不能機械清洗、管子不便拆換、單位容量及單 位質(zhì)量的傳熱量低 ，其造價比固定管板式高 10%左右， 適用于溫差大、管內(nèi)流體介質(zhì)比較干凈 或不需要機械方法清洗及高溫、高壓、腐蝕性強 的場合。 當壓力較高時，在彎管段壁厚要加厚，以彌補彎管后管壁的減薄。 圖 U 形管式換熱器結(jié)構(gòu)示意圖 45— 中間擋板； 46— U 形管； 47— 內(nèi)導流筒 Xxxxxxxx 大學畢業(yè)設計 (論文 )說明 書 4 （ 3） 浮頭式換熱器 浮頭式換熱器其一端管板與殼體固定，而另一端的管板可以在殼體內(nèi)自由浮動 ， 與殼體不相連的部分稱為浮頭 。殼體和管束對熱膨脹是自由的，故當兩種介質(zhì)的溫差較大時，管束與殼體之間不會產(chǎn)生溫差應力。浮頭端設計成可拆結(jié)構(gòu) ，使管束可以容易地插入或抽出，這樣為檢修和清洗提供了方便 ，其 可整體清洗。這種形式的換熱器特別適用于 高壓、 殼體與換熱管溫差應力較大，而且要求殼程與管程都要進行清洗的工況。 浮頭式換熱器的缺點是結(jié)構(gòu)復雜，價格較貴，而且浮頭端小蓋在操作時無法知道泄漏情況，所以裝配時一定要注意密封性能。 浮頭式換熱器的結(jié)構(gòu)見下圖： 圖 浮頭式換熱器示意圖 目前國內(nèi)浮頭管殼式換熱器結(jié)構(gòu)不宜隨便拆卸 ,拆下管箱后管程內(nèi)介質(zhì)就會大量從松動的密封面泄漏。因此在結(jié)構(gòu)設計時考慮以上癥結(jié) , 對提高冷卻器換熱效率與改善環(huán)境是至關(guān)重要 的，這點在方案論證中將具體說明。 因此 ，通過上述常用的幾種換熱器的比較分析可以知道， 無論是從工業(yè)的發(fā)展 ， 還是從能源的有效利用 ， 換熱器的合理設計、制造、選型和運行都具有非常重要的意義。 依據(jù)設計所提供的工藝參數(shù)和介質(zhì)的特性，同時經(jīng)過技術(shù)可行性和經(jīng)濟性論證后，本次設計的冷卻器選用內(nèi)導流浮頭式換熱器（見圖 ），因 熱膨脹 不是很大， 在結(jié)構(gòu)上采用 固定隔板結(jié)構(gòu)，但選用帶肩式緊固螺栓進行管箱、管板、殼體三者的連接， 不僅可以起到充分換熱提高效率的作用，同時也能克服其它換熱器的一些主要的缺點，而且便于維護和檢修。 Xxxxxxxx 大學畢業(yè)設計 (論文 )說明 書 5 第一章 方案論證 換熱器是化工、石油、食品、動力等許多部門 實現(xiàn)物料之間熱量傳遞 的通用設備。 隨著科學和生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，各工業(yè)部門在 生產(chǎn)中對換熱器有不同的要求，故換熱器的類型和結(jié)構(gòu)也有許多種。流體的種類、流體的運動、設備的壓力和溫度等也都必須滿足生產(chǎn)過程的要求。 隨著科學技術(shù)的進步與發(fā)展（如高壓、 高速、低溫、超低溫等），又促使了高強度、高效率的緊湊式換熱器的發(fā)展。在 設計和選用時可根據(jù)生產(chǎn)要求進行選擇。 衡量一個換熱系統(tǒng)，評價方法很重要。而往往影響因素很多且相互影響，從真正意義上實現(xiàn)“最佳化”是不可能的。一個好的換 熱設備設計，一般要滿足下列要求： A 在給定的工藝參數(shù)條件（流體的流量、溫度）下，達到要求的傳熱量和流體出口的溫度（即符合工藝條件），合理的實現(xiàn)所規(guī)定的工藝條件。 B 采用傳熱速率大、流體流動壓力將小、傳熱面積小的換熱設備，以取得最佳效益。 C 設備安全可靠； D 便于制造、安裝、操作和維護。 在滿足上述基本要求的同時，也要從技術(shù)可行性、經(jīng)濟合理性和結(jié)構(gòu)可操作性等方面加以考慮。 技術(shù)可行性 在前面已經(jīng)提及到，一套好的換熱設備要在較小的換熱面積下實現(xiàn)較好的傳熱效果。這就必然要求在設計和選型 時充分考慮到強化換熱器的傳熱過程。由 總傳熱速率方程： mtKSQ ?? ，通過選取合適的 ?tm、 K、 S 可提高傳熱速率 Q。 盡可能增大傳熱平均溫度差 tm 傳熱平均溫差與生產(chǎn)工藝所確定的冷熱流體溫度條件有關(guān)，且其中的加熱或冷卻介質(zhì)的溫度因所選介質(zhì)不同而存在很大差異。 Xxxxxxxx 大學畢業(yè)設計 (論文 )說明 書 6 本設計的 換熱器中流體均無相變時，可在結(jié)構(gòu)上采用逆流或接近于逆流的流動排布型式 以及 降低冷卻劑的進口溫度， 如采用深井水來代替循環(huán)水 ， 以增大平均傳熱溫差 。 然而，傳熱溫差的增大將使整個系統(tǒng)的熱力學不可逆性增加。因此，不能一味追求傳熱溫差的增加， 而需兼顧整個系統(tǒng)能量的合理利用和經(jīng)濟合理性。 盡可能增大單位體積的總傳熱面積 擴展傳熱面積的方法應以合理地提高設備單位體積的傳熱面積 。本次設計的換熱器，其所需管殼程數(shù)少，可以不 單純 地 通過擴大設備的體積來增加傳熱面積，或增加換熱器的臺數(shù)來增加傳熱量 ，完全可以 如采用翅片管、波紋管、螺紋管來代替光管等，從改進傳熱面結(jié)構(gòu)和布置的角度 （如 直接接觸傳熱） 出發(fā)加大傳熱面積，以達到換熱設備高效、緊湊的目的。 盡可能增大傳熱系數(shù) K 提高傳熱系數(shù)是強化傳熱過程的積極措施。欲提高傳熱系數(shù)，就必須減小傳熱過程各 個環(huán)節(jié)的熱阻。由于各項熱阻所占份額不同，故應設法減小傳熱過程中的主要熱阻。 在換熱設備中，金屬間壁比較薄且導熱系數(shù)較高，一般不會成為主要熱阻。而 污垢熱阻是一個可變因素 ， 在換熱器投入使用的初期，污垢熱阻很小。隨著使用時間的增長，污垢將逐漸集聚在傳熱面上，成為阻礙傳熱的重要因素。因此，應通過增大流體流速等措施減弱污垢的形成和發(fā)展，并注意及時清除傳熱面上的污垢。 通常，流體的對流傳熱熱阻是傳熱過程的主要熱阻。當間壁兩側(cè)流體的對流傳熱系數(shù)相差較大時，應設法強化對流傳熱系數(shù)較小一側(cè)的對流傳熱。 由公式 osomoiosiii oo RdbdddRddK ??? 11 ?????可以分析， 并 針對本設計， 增強對流傳熱的方法主要有： 1．在強度允許范圍內(nèi)，選用較小的管壁厚度 b，使管壁導熱熱阻減小。 2．當兩流體的 ?值相差較大時，設法提高較小一側(cè)流體的 ?值。 Xxxxxxxx 大學畢業(yè)設計 (論文 )說明 書 7 3．本次設計冷卻水必須走管程，長期使用會結(jié)垢，可以通過換熱器定期清洗或者在設計時匹配好折流板缺口與板間距，消除低流速區(qū)和局部循環(huán)區(qū)以解決污垢問題，減小管壁兩側(cè)的污垢熱阻。 目前，這些措施和方法在工業(yè)生產(chǎn)中以得到過應用，本設計選用浮頭式換熱器在技術(shù)上是可行的。但 強化傳熱 也 應權(quán)衡利弊，在采用強化傳熱措施時，對設備結(jié)構(gòu)、制造費用、動力消耗、檢修操作 等方面作綜合考慮，以獲得經(jīng)濟而合理的強化傳熱方案。 經(jīng)濟合理性 在考慮到工藝條件和公稱直徑的前提下，相比而言，選用內(nèi)導流浮頭式換熱器，可以在管、殼程數(shù)比較少的情況下以較少的換熱面積來滿足工藝要求和實現(xiàn)最佳的經(jīng)濟效益。這樣所要求的換熱管數(shù)目少些，換熱管長度也短，必然會使筒體的用量大為減少；同時，從長遠來看，其在使用過程中產(chǎn)生破壞的幾率比其它的形式要小些，維修費會低些。 結(jié)構(gòu)可操作性 為了從結(jié)構(gòu)上保證并符合設計的冷卻器熱傳導技術(shù)性能 , 目前在大多數(shù)浮頭式換熱器設計中已經(jīng)進行了一些改進，如：對浮 動隔板部分結(jié)構(gòu)改進 。 對管箱、管板、殼體三者間的連接結(jié)構(gòu)改進 , 從而解決了管程清理時殼程內(nèi)介質(zhì)的外泄問題。具體說明如下： 1）在多管程冷卻器 (或換熱器 )管箱中 , 普通的隔板結(jié)構(gòu)形式都為固定隔板結(jié)構(gòu)。雖然在設備加工制作中 , 通過對封頭與隔板焊后進行消應力退火 , 可以減少隔板在使用過程中的變形 , 以免產(chǎn)生介質(zhì)短路 , 影響換熱效果。但實際實踐中 , 由于焊接應力無法徹底消除 , 隔板在使用過程中應力釋放產(chǎn)生隔板變形 , 介質(zhì)的冷熱循環(huán)作用也導致隔板變形 , 結(jié)果形成隔板兩側(cè)冷熱介質(zhì)串混 , 換熱效果顯著下降。因冷卻器 一端采用封頭為浮頭型式 , 為防止冷卻水短路而影響冷卻器 的實際換熱效果 , 可將管束隔板結(jié)構(gòu)改進設計為一種特珠的、可隨浮頭管板熱脹冷縮、密封自動補償型的密封隔板結(jié)構(gòu)，其在冷卻器使用過程中 , 始終自動貼緊浮動管板 , 從而保證了管程的冷卻水水流不會產(chǎn)生短路 , 保證冷卻器的換熱效果。 Xxxxxxxx 大學畢業(yè)設計 (論文 )說明 書 8 2）浮頭管殼式冷卻器在使用一段時間后 , 需要對管程進行雜質(zhì)清理和對換熱管內(nèi)外壁進行清垢處理。處理時需要拆卸管箱 , 由于原冷卻器管箱和管板及殼體間由普通螺栓緊固聯(lián)接 , 因此當松開封頭螺母時 , 管箱、管板、殼體三者同時松動 , 管板與殼體間 的密封失效 , 導致殼程內(nèi)潤滑油從管板與殼體間的密封面處大量外泄。在本次浮頭管殼式冷卻器結(jié)構(gòu)設計中 , 對此進行了改進而采用帶肩式緊固螺栓， 如圖 5所示連接結(jié)構(gòu)。 圖 管箱、管板、殼體的連接圖 這種特殊的緊固聯(lián)接結(jié)構(gòu)和特殊螺栓結(jié)構(gòu) , 使冷卻器在拆下封頭、清理管程時 , 管板與殼體不會產(chǎn)生任何松開 , 仍保持管板與殼體間密封面的良好的密封 , 保證殼體內(nèi)潤滑油不產(chǎn)生泄漏。這種結(jié)構(gòu)不僅防止管程清理時殼程內(nèi)潤滑油的損耗 , 同時使設備周圍的生產(chǎn)環(huán)境得到很大改 善。 Xxxxxxxx 大學畢業(yè)設計 (論文 )說明 書 9 第 二 章 結(jié)構(gòu)及強度設計 筒體結(jié)構(gòu)設計及計算 [1] 由第一章已得冷卻器的型號 為 BES500— — —253 — 2Ⅱ浮 頭 式 換熱 器 。 . 筒體厚度計算 1） 確定設計壓力 由設計任務給定冷卻器的設計壓力 P 為 ；而經(jīng)計算可知容器承受的液柱靜壓力小于 5%，可忽略不計，那么取計算壓力 ?? ppc MPa。 2）確定設計溫度 設計溫度不得低于元件金屬在工作狀態(tài)可能達到的最高溫度，參 閱GB1501998 4P 。 管程進口溫度 20℃，出口溫度 75℃，取管程設計溫度取 100℃。 殼程進口溫度 180℃，出口溫度 135℃，取殼程設計溫度為 200℃。 3） 選用 筒體材料 介質(zhì)為易燃易爆氣體，筒體材料 選 Q345R，殼程設計溫度為 200℃，由 GB150— 98 查 表 41 如下： 表 31 筒體材料許用應力 鋼號 鋼板標準 使用狀態(tài) 厚度