【正文】 ................................ 25 4． 2 管箱短節(jié)、封頭厚度計(jì)算 ............................................................................ 26 4． 3 膨脹節(jié)的設(shè)計(jì) ................................................................................................ 26 4． 4 換熱器 受壓元件強(qiáng)度計(jì)算及校核 .............................................................. 28 換熱器強(qiáng)度計(jì)算與校核 .................................................................................. 28 廣東石油化工學(xué)院?？飘厴I(yè)設(shè)計(jì)： U 型管換熱器設(shè)計(jì) VI 4． 6 鞍座校核 ........................................................................................................... 30 4． 7 筒體校核 ........................................................................................................... 30 第五章 本設(shè)計(jì)采用的制造 方法及工藝 ....................................................................... 33 參 考 文 獻(xiàn) ....................................................................................................................... 35 前言 1 前 言 換熱器是將熱流體的部分熱量傳遞給冷流體，實(shí)現(xiàn)熱量傳遞的設(shè)備，又稱熱交換器。 換熱器的應(yīng)用廣泛，日常生活中取暖用的暖氣散熱片、汽輪機(jī)裝置中的凝汽器和航天火箭上的油冷卻器等，都是換熱器。它還廣泛應(yīng)用于化工、石油、動(dòng)力和原子能等工業(yè)部門。換熱器是很多工業(yè)部門廣泛應(yīng)用的一種常見設(shè)備 ，通過這種設(shè)備進(jìn)行熱量的傳遞，以滿足生產(chǎn)工藝的需要。它的主要功能是保證工藝過程對(duì)介質(zhì)所要求的特定溫度，同時(shí)也是提高能源利用率的主要設(shè)備之一。 換熱器在化工行業(yè)中的應(yīng)用是十分廣泛的，各種化工生產(chǎn)工藝就都要用到它。在制冷工業(yè)中，以食品冷藏業(yè)常用的以氨為制冷劑的蒸汽壓縮制冷裝置為例，經(jīng)過壓縮機(jī)壓縮后的氣態(tài)氨在冷凝器中被冷凝為液體；液化后的高壓液態(tài)氨在膨脹機(jī)或節(jié)流閥中絕熱膨脹，使溫度下降到遠(yuǎn)低于周圍環(huán)境的溫度；這種低溫氨流體在流經(jīng)蒸發(fā)器時(shí)吸熱蒸發(fā)而回復(fù)到原先進(jìn)入壓縮機(jī)時(shí)的氨氣狀態(tài)。然后，再重復(fù)新的循環(huán)。在其他各種制 冷裝置中，都存在冷凝器和蒸發(fā)器等換熱器。 在火力發(fā)電廠中，裝有空氣預(yù)熱器、燃油加熱器、給反應(yīng)產(chǎn)物加熱器、整齊冷凝器等一系列的換熱器。其實(shí)，蒸汽鍋爐本身也可以看作是一個(gè)大型復(fù)雜的換熱器。燃料在爐膛中燃燒產(chǎn)生的熱量，通過爐膛受熱面、對(duì)流蒸發(fā)受熱面、過熱器及省煤器加熱工質(zhì)，使工質(zhì)汽化、過熱成為能輸往蒸汽輪機(jī)的符合要求的過熱蒸汽。 廣東石油化工學(xué)院?？飘厴I(yè)設(shè)計(jì)： U 型管換熱器設(shè)計(jì) 2 第一章 緒論 1． 1 換熱器的應(yīng)用及其發(fā)展 換熱器的應(yīng)用 1．換熱器在近代工業(yè)中的應(yīng)用 在化工生產(chǎn)中，換熱器是主要的工藝設(shè)備之一。例如，在氮肥生產(chǎn)中，氮?dú)?與氫氣的混合氣體要在 500℃ 左右的高溫才能在催化劑的作用下合成氨，而氨與未反映的氮、氫氣體的分離，則需要通過冷卻與冷凝的辦法以液體的形式分離出來。這一生產(chǎn)過程中的加熱、冷卻與冷凝就是通過換熱器實(shí)現(xiàn)的。在酒精生產(chǎn)中，酒精精餾塔在操作時(shí)，原料液需預(yù)熱，釜底液體需在再沸器中加熱，塔頂產(chǎn)生的蒸汽需冷凝。這一生產(chǎn)過程中的預(yù)熱、加熱和冷凝也都是通過換熱器實(shí)現(xiàn)的。換熱器在化工行業(yè)中的應(yīng)用是十分廣泛的，各種化工生產(chǎn)工藝就都要用到它。 在制冷工業(yè)中，以食品冷藏業(yè)常用的以氨為制冷劑的蒸汽壓縮制冷裝置為例，經(jīng)過壓縮機(jī)壓縮后的氣態(tài) 氨在冷凝器中被冷凝為液體；液化后的高壓液態(tài)氨在膨脹機(jī)或節(jié)流閥中絕熱膨脹，使溫度下降到遠(yuǎn)低于周圍環(huán)境的溫度；這種低溫氨流體在流經(jīng)蒸發(fā)器時(shí)吸熱蒸發(fā)而回復(fù)到原先進(jìn)入壓縮機(jī)時(shí)的氨氣狀態(tài)。然后，再重復(fù)新的循環(huán)。在其他各種制冷裝置中，都存在冷凝器和蒸發(fā)器等換熱器。 在火力發(fā)電廠中，裝有空氣預(yù)熱器、燃油加熱器、給反應(yīng)產(chǎn)物加熱器、整齊冷凝器等一系列的換熱器。其實(shí)，蒸汽鍋爐本身也可以看作是一個(gè)大型復(fù)雜的換熱器。燃料在爐膛中燃燒產(chǎn)生的熱量，通過爐膛受熱面、對(duì)流蒸發(fā)受熱面、過熱器及省煤器加熱工質(zhì)，使工質(zhì)汽化、過熱成為能輸往蒸汽輪 機(jī)的符合要求的過熱蒸汽。 在核電長(zhǎng)中，蒸汽發(fā)生器是一項(xiàng)很重要的工藝設(shè)備。核燃料裂變所產(chǎn)生的大量的熱量首先傳給冷卻劑，冷卻劑在蒸汽發(fā)生器中再將熱量傳給反應(yīng)產(chǎn)物、使反應(yīng)產(chǎn)物汽化成蒸汽，由蒸汽來轉(zhuǎn)動(dòng)汽輪發(fā)電機(jī)發(fā)電。此外，在核電廠系統(tǒng)中還裝有各種加熱器、蒸汽冷凝器等換熱器。 在動(dòng)力、化工、制冷等工業(yè)中，換熱器不僅是不可缺少的工藝設(shè)備，而且在金屬消耗和投資方面也占有較大的比例。在火力發(fā)電廠中，如果將鍋爐也作為換熱設(shè)備，則換熱器的投資約占電廠總投資的 70%左右。在一般石油第一章 緒論 3 化工企業(yè)中，換熱器的投資約占總投資的 30% ～ 40%。 2．換熱器在節(jié)能降耗中的應(yīng)用 換熱器在節(jié)能技術(shù)改造中具有很重要的作用，表現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是在生產(chǎn)工藝流程中使用著大量的換熱器，提高這些換熱器的效率，顯然可以減少能源的消耗；另一方面，用換熱器來回收工業(yè)余熱，可以顯著地提高設(shè)備的熱效率。 工業(yè)預(yù)熱數(shù)量大，分布廣，各國(guó)均已把余熱回收列為節(jié)能工作的一個(gè)重要方面。研究表明，換熱器是最有效的余熱回收設(shè)備。以鍛造加熱爐為例，普通加熱爐每公斤鍛件的能耗為 公斤標(biāo)準(zhǔn)燃料，而裝有換熱器的加熱爐每公斤鍛件的能耗只有 公斤左右標(biāo)準(zhǔn)燃料。燒燃料的工業(yè)爐，約有 60%～70%的熱量由煙氣帶走，被浪費(fèi)掉了。有段時(shí)期國(guó)內(nèi)偏重于用余熱鍋爐來回收煙氣余熱，而較少采用換熱器。余熱鍋爐的熱回收率雖較高，但它無助于工業(yè)爐本身熱效率的提高，因而無助于爐用高質(zhì)燃料的節(jié)省。裝設(shè)換熱器利用煙氣余熱來預(yù)熱工業(yè)爐的進(jìn)風(fēng)，可使工業(yè)爐本身的熱效率得到提高，因而可以節(jié)省爐用高質(zhì)燃料。用普通換熱器將空氣預(yù)熱至 300～ 400℃ ，一般可節(jié)約燃料 15%～ 25%，用高溫?fù)Q熱器時(shí)可以取得更好的效果，節(jié)約燃料可達(dá) 40%以上。燒低熱值染了的加熱爐，將空氣和煤氣預(yù)熱至 300℃ ，可使升溫速度提高 1～ 2 倍，可使產(chǎn)量提高 20%～ 30%。對(duì)于燒油的爐子，預(yù)熱工期有助于染有霧化質(zhì)量的改善，使燃料得到充分的燃燒。換熱氣的后面再裝預(yù)熱鍋爐，可使燃料熱量的利用率達(dá)到 80%～ 90%。由此可見，工業(yè)爐煙氣的余熱回收，應(yīng)首先滿足爐內(nèi)需要以節(jié)省爐用高質(zhì)燃料；然后早考慮外部需要，爭(zhēng)取得到更大的經(jīng)濟(jì)效益。對(duì)于其他余熱的回收，也應(yīng)遵守以節(jié)約燃料為中心進(jìn)行綜合利用的原則。由于工業(yè)余熱分布廣、形式各種各樣，故節(jié)能方案也各不相同，但在各種節(jié)能方案中，換熱器幾乎是不可缺少的。 換熱器的發(fā)展 換熱器在工業(yè)中的應(yīng)用，至少已有 200 余年的歷史。 200 余年的換熱器發(fā)展史，可大致劃分為三個(gè)時(shí)期： 20 世紀(jì)以前為原始時(shí)期； 20 時(shí)間的前 50年為初步發(fā)展時(shí)期；近 30 余年為迅速發(fā)展時(shí)期。 （ 1）原始時(shí)期 這個(gè)時(shí)期的換熱器大都是由鑄鐵管組裝而成的管式換熱器，主要用于動(dòng)廣東石油化工學(xué)院?？飘厴I(yè)設(shè)計(jì)： U 型管換熱器設(shè)計(jì) 4 力、化工、鋼鐵等工業(yè)部門。 19 實(shí)際 50 年代，考貝爾和西門子分別發(fā)明了煉鐵爐和煉鋼爐用的蓄熱室。由于用蓄熱室預(yù)熱空氣比用當(dāng)時(shí)的金屬換熱器所能達(dá)到的溫度高，因而逐漸取代了原始的鑄鐵管換熱器，成為 19 世紀(jì)后50 年中工業(yè)爐的主要換熱設(shè)備。 （ 2）初步發(fā)展時(shí)期 20 世紀(jì)初，換熱器開始進(jìn)入了一個(gè) 新的發(fā)展時(shí)期 ─在科學(xué)理論指導(dǎo)下的初步發(fā)展時(shí)期。在 20 世紀(jì)的前 50 年中，換熱器的發(fā)展發(fā)生了如下變化： ① 管式換熱器發(fā)展迅速 50 年代初， U 型管式、套管式、繞管式、蛇管式等各種管式換熱器，其結(jié)構(gòu)已近于比較完善的程度，許多國(guó)家都制訂了系列標(biāo)準(zhǔn)。隨著冶金工業(yè)的發(fā)展，鋼、合金鋼、鋁、鋼等均已成為管式換熱器廣泛采用的材料。為了提高換熱器的效率， 30 年代已出現(xiàn)了肋片管式換熱器。這一時(shí)期，管式換熱器在所有的換熱設(shè)備中占據(jù)著絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。 ② 出現(xiàn)了多種板式結(jié)構(gòu)換熱器 由于 “板式 ”傳熱表面的傳熱性能比 “管式 ”優(yōu)越，相繼出現(xiàn)了板式、 螺旋板式、板肋式、板殼式等以板片為基本構(gòu)件的換熱器。與管式換熱器相比，這些板式結(jié)構(gòu)換熱器的突出優(yōu)點(diǎn)是傳熱效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量小、因此受到各工業(yè)部門的重視。 （ 3）迅速發(fā)展時(shí)期 進(jìn)入 50 年代以后，科學(xué)技術(shù)和工業(yè)生產(chǎn)有了飛速發(fā)展，使換熱器也進(jìn)入了一個(gè)飛速發(fā)展時(shí)期。 ① 管式換熱器的發(fā)展 隨著強(qiáng)化傳熱技術(shù)的發(fā)展，各種型式的強(qiáng)化傳熱管相繼出現(xiàn)。在 U 型管式換熱器中，強(qiáng)化傳熱管已被廣泛采用，在提高傳熱效率、提高緊湊性和降低材料消耗等方面均取得了顯著效果。 通過選用新型材料和對(duì)關(guān)鍵受力部件的改進(jìn)，操作溫度和壓力都有了明顯的提高，目前 U 型管式換熱器的最高操作溫度可達(dá) 1500℃ （壓力為 8MPa）。 ② 板式結(jié)構(gòu)換熱器得到廣泛應(yīng)用 隨著工藝和傳熱學(xué)的發(fā)展，板式結(jié)構(gòu)換熱器在設(shè)計(jì)和生產(chǎn)上遇到的問題逐步得到解決，近 20 年來發(fā)展很快，已在許多工業(yè)部門中得到廣泛應(yīng)用。在壓力較低、溫度不高、流量不很大的若干場(chǎng)合，各種板式結(jié)構(gòu)換熱器已逐步第一章 緒論 5 取代管式換熱器。其中的螺旋板式換熱器作為一種高效換熱設(shè)備，發(fā)展尤為迅速。 2．換熱器的發(fā)展趨勢(shì) 當(dāng)前換熱器發(fā)展的基本趨勢(shì)將是：繼續(xù)提高設(shè)備的傳熱效率，促進(jìn)設(shè)備結(jié)構(gòu)的緊湊性，加強(qiáng)生產(chǎn)制造的標(biāo)準(zhǔn)系列化和專業(yè)化，并 在廣泛的范圍內(nèi)繼續(xù)向大型化的方向發(fā)展。 U 型管式換熱器：由于它具有結(jié)構(gòu)堅(jiān)固、彈性大和使用材料范圍廣等獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，今后仍將在廣泛的領(lǐng)域內(nèi)得到繼續(xù)發(fā)展。尤其在高溫、高壓和大型化的場(chǎng)合下，更有其廣闊的發(fā)展前途。但為了加強(qiáng)其傳熱效率，在高溫和高壓的條件下，采用電焊焊接式的翅片管的結(jié)構(gòu)將會(huì)得到重視和發(fā)展。制造工藝上進(jìn)一步機(jī)械化和自動(dòng)以及起采用各種新技術(shù)，在發(fā)展 U 型管式換熱器方面仍將占有重要的地位。 板式換熱器：該種形式的換熱器進(jìn)一步發(fā)展的趨勢(shì)，將是提高操作溫度和操作壓力，設(shè)計(jì)大型板片以增大它的處理量，擴(kuò)大它的使用范圍 ，并采用新的結(jié)構(gòu)材料和新的制造工藝。其中尤以研制新的墊片材料，改進(jìn)密封結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)板片的剛度，以便提高操作溫度和操作壓力，擴(kuò)大使用范圍等，將是今后發(fā)展的重點(diǎn)。 螺旋板換熱器的近期發(fā)展，將對(duì)其各種結(jié)構(gòu)形式的換熱器擴(kuò)大其應(yīng)用場(chǎng)合，同時(shí)，如何進(jìn)一步提高其承壓能力，增大處理量，并改進(jìn)焊接工藝，以適應(yīng)石油及化學(xué)工業(yè)的要求。 1． 2 換熱器的分類及其特點(diǎn) 換熱器的類型隨工業(yè)發(fā)展而增多 ,早期的換熱設(shè)備由于制造工藝和科學(xué)反應(yīng)產(chǎn)物平的限制 ,多有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、換熱面積小和體積較大等特征。 在化工生產(chǎn)中，由于用途、工作條件和熱載體的 特性等的不同，對(duì)換熱器提出了不同的要求，所以出現(xiàn)了各種不同形式和結(jié)構(gòu)的換熱器。為了便于區(qū)分和分析研究，可將換熱器按下列方式進(jìn)行分類。 換熱器的分類 1．按作用原理或傳熱方式分類 （ 1）混合式換熱器 它是利用兩種換熱流體的直接接觸與混合的作用來進(jìn)行熱量交換的。混合式換熱器操作的一個(gè)主要因素，就是要使兩種流體的接觸面積盡可能大，以促進(jìn)它們之間的熱量交換。為了獲得更大的接觸面積，可在設(shè)備中防止隔柵填料，有時(shí)也可把液體噴成細(xì)滴。此類設(shè)備通常做成塔狀。 廣東石油化工學(xué)院?？飘厴I(yè)設(shè)計(jì)： U 型管換熱器設(shè)計(jì) 6 （ 2）蓄熱式換熱器 它是讓兩種溫度不同的流體先 后通過同一種固體填料的表面，首先讓熱流體通過，把熱量蓄積在填料中，然后，當(dāng)冷流體再通過時(shí)，將熱量帶走，這樣在填料被加熱和被冷卻的過程中，進(jìn)行著熱流體和冷流體之間的熱量傳遞。在使用這種換熱器時(shí)，不可避免地會(huì)使兩種流體有少量混合，且必然是成對(duì)的使用，即當(dāng)一個(gè)通入熱流體時(shí)，另一個(gè)則通入冷流體，并靠自動(dòng)閥進(jìn)行交替切換，使生產(chǎn)得以連續(xù)進(jìn)行。 （ 3）間壁式換熱器 它是利用一種固體壁面將進(jìn)行熱交換的兩種流體隔開，使它們通過壁面進(jìn)行傳熱。這種形式的換熱器使用最廣泛。 2．按生產(chǎn)中使用目的分類 即分為冷卻器、加熱器、 冷凝器、汽化器（或再沸器）和換熱器等。 3．按換熱器所用材料分類 一般可把換熱器分成金屬材料和非金屬材料兩類。 4．按換熱器傳熱面的形狀和結(jié)構(gòu)分類 它用于區(qū)分各種形式的間壁式換熱器。其分類有： （ 1）通過管壁傳熱的換熱器（即 “管式 ”