【正文】 第一章 緒論 化工設(shè)備簡介化工生產(chǎn)離不開化工設(shè)備，化工設(shè)備是化工生產(chǎn)必不可少的物質(zhì)技術(shù)基礎(chǔ)，是生產(chǎn)力的主要因素，是化工產(chǎn)品質(zhì)量保證體系的重要組成部分 [1]。然而在化工設(shè)備中化工容器占據(jù)著舉足輕重的地位，由于化工生產(chǎn)中，介質(zhì)通常具有較高的壓力，化工容器一般有筒體、封頭、支座、法蘭及各種容器開孔接管所組成，通常為壓力容器，因為壓力容器是化工設(shè)備的主體，對其化工生產(chǎn)過程極其重要，國家對其每一步都有具的標準對其進行規(guī)范，如：中國《壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》、GB150—1998《鋼制壓力容器 》、GB151 —1999《管殼式換熱器》等。在其中能根據(jù)不通的操作環(huán)境選出不同的材料，查出計其允許的工作壓力，工作溫度等 [2]。 換熱器概述換熱器簡單說是具有不同溫度的兩種或兩種以上流體之間傳遞熱量的設(shè)備。在工業(yè)生產(chǎn)過程中，進行著各種不同的熱交換過程，其主要作用是使熱量由溫度較高的流體向溫度較低的流體傳遞，使流體溫度達到工藝的指標，以滿足生產(chǎn)過程的需要。此外，換熱設(shè)備也是回收余熱，廢熱，特別是低品位熱能的有效裝置 [3]。 管殼式換熱器的分類根據(jù)管殼式換熱器的結(jié)構(gòu)特點，常將其分為固定管板式、浮頭式、U 型管式、填料函式、滑動管板式、雙管式等 [4]。1）固定管板式換熱器固定管板式換熱器的典型結(jié)構(gòu)如下圖所示。管束連接在管板上，管板與殼體焊接。其優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、能承受較高的壓力，造價低，管程清洗方便，管子損壞時易于堵塞或更換；缺點是當管束與殼體的壁溫或材料的線脹系數(shù)相差較大時，殼體與管束將會產(chǎn)生較大的熱應力。這種換熱器適用于殼測介質(zhì)清潔且不易結(jié)垢、并能進行清洗、管程與殼程兩側(cè)溫差不大或溫差較大但殼測壓力不高的場合 [5]。 固定管板式換熱器結(jié)構(gòu)圖2）浮頭式換熱器浮頭式換熱器的典型結(jié)構(gòu)如下圖所示。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，稱浮頭。浮頭由浮頭管板、鉤圈和浮頭端蓋組成，是可拆連接，管束可從殼體內(nèi)抽出。管束與殼體的熱變形互不約束，因而不會產(chǎn)生熱應力 [6]。浮頭換熱器的特點是管間與管內(nèi)清洗方便，不會產(chǎn)生熱應力；但其結(jié)構(gòu)復雜，造價比固定管板式換熱器高，設(shè)備笨重，材料消耗大，且浮頭端小蓋在操作中無法檢驗，制造時對密封要求較高。適用于殼體與管束之間壁溫差較大或殼程介質(zhì)易結(jié)垢的場合。浮頭式換熱器結(jié)構(gòu)圖3）U 形管換熱器U 形管式換熱器的典型結(jié)構(gòu)如下圖所示。這種換熱器的結(jié)構(gòu)特點是，只有一塊管板，管束由多根 U 形管組成，管的兩端固定在同一根管板上管子可自由伸伸縮。當殼體與 U 形換熱管有溫差時，不會產(chǎn)生熱應力 [7]。 U 形管換熱器結(jié)構(gòu)圖由于彎管曲率半徑的限制，其換熱管排布較少管束最內(nèi)層管間距較大，管板的利用率較低，殼程流體易形成短路，對傳熱不利，當管子泄漏損壞時，只有管束外圍處的 U 形管才便于更換，內(nèi)層換熱管壞了不能更換，只能堵死，而且壞一根 U 形管相當于壞兩根管，報廢率較高。U 形管結(jié)構(gòu)比較簡單、價格便宜、承壓能力強、殼壁溫差較大或殼程介質(zhì)易結(jié)垢需清洗、又不適宜采用浮頭式和固定管板式的場合。特別適用于管內(nèi)走清潔而不易結(jié)垢的高溫、高壓、腐蝕性大的物料。4）填料函式換熱器填料函式換熱器的典型結(jié)構(gòu)如下圖所示。這種換熱器的結(jié)構(gòu)特點與浮頭式換熱器相類似，浮頭部分露在殼體以外，在浮頭與殼體的滑動接觸面處采用填料函式密封結(jié)構(gòu)。由于采用填料函式密封結(jié)構(gòu)，使得管束在殼體軸向可自由伸縮，殼壁與管壁不會產(chǎn)生熱變形差，從而避免可熱應力。其結(jié)構(gòu)較浮頭式換熱器簡單，加工制造方便，節(jié)省材料，造價比較低廉，且管束從殼體內(nèi)可以抽出你，管內(nèi)，管間都能清洗，維修方便 [8]。填料函式換熱器結(jié)構(gòu)圖 管殼式換熱器結(jié)構(gòu)管殼式換熱器的主要零部件有殼體、接管、封頭、管板、換熱管、折流元件等，對于溫差較大的固定管板式換熱器，還應包括膨脹節(jié)。管殼式換熱器的結(jié)構(gòu)應該保證冷、熱兩種流體分走管程和殼程，同時還要承受一定溫度和壓力的能力 [9]。(1)管板：管板是換熱器的重要元件，主要是用來連接換熱器，同時將管程和殼程分隔，避免冷熱流體相混合。當介質(zhì)無腐蝕或有輕微腐蝕時，一般采用碳素鋼、低合金鋼板或其鍛件制造。(2)管子與管板的連接：管子與管板的連接必須牢固，不泄漏。既要滿足其密封性能，又要有足夠的抗拉強度。其連接形式主要有強度脹接、強度焊接、脹焊結(jié)合等 [10]。(3)管箱：其作用是把管道中來的流體均勻分布到各換熱管中，將換熱管內(nèi)流體匯集在一起送出換熱器 [11]。(4)折流板和支承板：殼程內(nèi)側(cè)裝設(shè)折流板或支承板，折流板的作用是組殼間流道，使流體以適當?shù)牧魉贈_刷管束，提高傳熱系數(shù)，改善傳熱效果，以達到一定的傳熱強度。常用的折流板有弓形和圓環(huán)形兩種，弓形折流板又分為單弓形、雙弓形和三弓形 [12]。(5)拉桿和定距管：折流板的安裝一般是用拉桿和定距管組合并與管板固在一起。拉桿與管板連接的一端可用焊接或螺紋連接，另一端也用焊接或螺紋固定。一般拉桿的直徑不得小于 10mm、數(shù)量不得小于 4 根 [13]。(6)管板與殼體的連接：其連接型式可分為不可拆式和可拆式。 換熱器相關(guān)技術(shù)研究內(nèi)容及發(fā)展動向隨著換熱器廣泛應用于各行業(yè)，誕生了許多新型的換熱器，這使得換熱器相關(guān)技術(shù)也得到不斷提高，傳熱理論不斷完善，換熱器研究、設(shè)計、技術(shù)、制造等技術(shù)不斷發(fā)展，換熱技術(shù)的發(fā)展同時又促進了各種新型高效換熱器的不斷發(fā)展 [14]。 目前各國為提高這類換熱器性能進行的研究主要是強化傳熱，強化傳熱的主要途徑有提高傳熱系數(shù)、擴大傳熱面積和增大傳熱溫差等方式，其中提高傳熱系數(shù)是強化傳熱的重點，主要是通過強化管程傳熱和殼程傳熱兩個方面得以實現(xiàn)。目前，管殼式換熱器強化傳熱方法主要有：采用改變傳熱元件本身的表面形狀及其表面處理方法，以獲得粗糙的表面和擴展表面；用添加內(nèi)插物的方法以增加流體本身的繞流；將傳熱管的內(nèi)外表面軋制成各種不同的表面形狀，使管內(nèi)外流體同時產(chǎn)生湍流并達到同時擴大管內(nèi)外有效傳熱面積的目的，提高傳熱管的傳熱性能；將傳熱管表面制成多孔狀，使氣泡核心的數(shù)量大幅度增加，從而提高總傳熱系數(shù)并可增加其抗污垢能力；改變管束支撐形式以獲得良好的流動分布，充分利用傳熱面積等。換熱器相關(guān)技術(shù)的發(fā)展主要表現(xiàn)在以下幾發(fā)面：防腐技術(shù)，大型化與小型化并重，強化技術(shù)，抗振技術(shù)，防結(jié)垢技術(shù)，制造技術(shù)，研究手段。隨著工業(yè)中經(jīng)濟效益與社會環(huán)境保護的要求，制造水平的不斷提高，新能源的逐漸開發(fā)，研究手段的日益發(fā)展，各種新思路的與新結(jié)構(gòu)的涌現(xiàn)，換熱器將朝著更高效、經(jīng)濟、環(huán)保的方向發(fā)展 [15]。 本課題的研究內(nèi)容及意義本課題主要研究的是固定管板式換熱器，查閱換熱器相關(guān)標準，分析固定管板式各部分性能影響，并進行了換熱器的熱工計算、結(jié)構(gòu)計算和強度計算 [16]。換熱器的應用廣泛，日常生活中取暖用的暖氣散熱片、汽輪機裝置中的凝汽器和航天火