【正文】 BES500浮頭式換熱器設計畢業(yè)論文1 前言 換熱器的概述[1] 換熱設備是使熱量從熱流體傳遞到冷流體的設備。它是化工，煉油，動力，食品，輕工，原子能，制藥，機械，及其他許多工業(yè)部門廣泛使用的一種通用設備。在化工廠中，換熱設備的投資約占總投資的10%20%；在煉油廠中，約占總投資的35%40%。在工業(yè)生產(chǎn)中，換熱設備的主要作用是使熱量又溫度較高的流體傳遞給溫度較低的流體，使流體溫度達到工藝過程規(guī)定的指標，以滿足工藝過程上的需要。 換熱器實物圖 換熱器產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢近年來，隨著我國石化、鋼鐵等行業(yè)的快速發(fā)展，換熱器的需求水平大幅上漲，但國內(nèi)企業(yè)的供給能力有限，導致?lián)Q熱器行業(yè)呈現(xiàn)供不應求的市場狀態(tài)，巨大的供給缺口需要進口來彌補?！?011中國換熱器市場趨勢觀察研究預測報告》分析：目前，我國換熱器產(chǎn)業(yè)的市場規(guī)模大概為420億人民幣?；谑汀⒒?、電力、冶金、船舶、機械、食品、制藥等行業(yè)對換熱器穩(wěn)定的需求增長，我國換熱器產(chǎn)業(yè)在未來一段時期內(nèi)將保持穩(wěn)定增長。預計到2010年年底，我國換熱器的市場需求將達到500億元。 我國換熱器產(chǎn)業(yè)主要集團中于東北地區(qū)、西北地區(qū)、華北地區(qū)和華東地區(qū)。其中，東北地區(qū)是我國規(guī)模最大的換熱器產(chǎn)業(yè)基地，特別是吉林四平地區(qū)在集中供熱、鋼鐵和電力行業(yè)板式換熱器市場領域具有較為明顯的優(yōu)勢；西北地區(qū)則以某肅蘭州為中心，依托蘭州石油機械研究所和蘭石集團的研發(fā)和生產(chǎn)力量，形成了較強的換熱器產(chǎn)業(yè)，尤其是在石油化工和食品領域；《2011中國換熱器市場趨勢觀察研究預測報告》中數(shù)據(jù)表明：華北地區(qū)在原北京京海、天津換熱裝備總廠等原機械部換熱設備定點生產(chǎn)企業(yè)的基上，通過引入大量外資企業(yè)，獲得了較快的發(fā)展；華東地區(qū)依托其巨大的市場，在輕工食品領域的換熱器市場和面向石油化工的特殊材質(zhì)換熱器領域占據(jù)了重要地位。其它地區(qū)換熱器企業(yè)較少，比較知名的還有以佛山市潤石傳熱設備廠為龍頭企業(yè)的廣東佛山地區(qū)，該地區(qū)主要以板式換熱器為主。 據(jù)《2011中國換熱器市場趨勢觀察研究預測報告》預測，2010年至2020年期間，我國換熱器產(chǎn)業(yè)將保持年均10～15%左右的速度增長。到2015年，我國換熱器產(chǎn)業(yè)規(guī)模將突破880億元；到2020年我國換熱器產(chǎn)業(yè)規(guī)模有望達到1500億元。2 換熱器的分類及其工作原理 換熱器的分類及工作原理 在工業(yè)生產(chǎn)中，由于用途、工作條件和物料特性的不同，出現(xiàn)了各種不同形式和結(jié)構(gòu)的換熱設備。 按作用原理或傳熱方式分類 （1） 直接接觸式換熱器它又稱混合式換熱器，是利用冷，熱流體直接接觸，彼此混合進行換熱的換熱器。為增加兩流體的接觸面積，以達到充分換熱，在設備中常放置填料和柵板，通常采用塔狀結(jié)構(gòu)。如冷卻塔，冷卻冷凝器等。為增加兩流體的接觸面積，已達到充分換熱，在設備中常放置填料和柵板。 （2） 蓄熱式換熱器這類換熱器又稱回熱式換熱器，是借助于固體構(gòu)成的蓄熱體與熱流體和冷流體交替接觸，把熱量從熱流體傳遞給冷流體的換熱器。在換熱器內(nèi)首先由熱流體通過，把熱量積蓄在蓄熱體中，然后由流體通過，由蓄熱體把熱量釋放給冷流體。由于兩種流體交替與蓄熱體接觸，因此不可避免地會使兩種流體少量混合。若兩種流體不允許有混合，則不采用蓄熱式換熱器。 （3） 間壁式換熱器這類換熱器又稱表面式換熱器，是利用間壁將進行熱交換的冷熱兩種流體隔開，互不接觸，熱量由熱流體通過間壁傳遞給冷流體的換熱器。間壁式換熱器是工業(yè)生產(chǎn)中應用最為廣泛的換熱器，其形式多樣，如管殼式換熱器和板式換熱器都屬于間壁式換熱器。 （4） 中間載流體式換熱器這類換熱器是把兩個間壁式換熱器由在其中循環(huán)的載流體連接起來的換熱器。載流體在高溫流體換熱器和低溫流體換熱器之間循環(huán)，在高溫流體換熱器中吸收熱量，在低溫流體換熱器中把熱量釋放給低溫流體，如熱管式換熱器等。 [2]壓力容器材料的選取，材料費用占總成本的比例很大，一般超過30%。材料性能對壓力容器運行的安全性有顯著的影響。選材不當，不僅會增加總成本，而且有可能導致壓力容器破壞事故。因此，合理選材是壓力容器設計的關鍵之一。壓力容器用料多種多樣，有鋼，有金屬，非金屬，復合材料等，壓力容器用鋼的基本要求是有較高的強度，良好的塑性、韌性，良好的制造性能和與介質(zhì)兼容性。改善鋼材性能的途徑主要有化學成分的設計，組織結(jié)構(gòu)的改變和零件表面改性。 化學成分　　鋼材的化學成分對其性能和熱處理有較大的影響。提高碳含量可能使強度增加，但是可焊性變差，焊接時易在熱影響區(qū)出現(xiàn)裂紋。因此，%。在鋼中加入釩，鈦，鈮等元素，可提高鋼的強度和韌性。硫和磷是鋼中最主要的有害元素。硫能促進非金屬夾雜物的形成，使塑性和韌性降低。磷能使高鋼的強度，使會增加鋼的脆性，特別是低溫脆性。將硫和磷等有害元素含量控制在很低水平，大大提高鋼材的純凈度，可提高鋼材的韌性，抗中子輻照脆化能力，改善抗應變時效性能，抗回火脆化性能和耐腐蝕性能。因此，與一般結(jié)構(gòu)鋼相比，壓力容器用鋼對磷，硫，氫等有害雜質(zhì)元素含量的控制更加嚴格。例如，中國壓力容器用鋼的硫和磷含量分別應低于0，020%%。隨著冶煉水平的提高，%以內(nèi)。另外，化學成分對熱處理也有決定性的影響，如果對成分控制不嚴，就達不到預期的熱處理效果。 力學與性能由于載荷和應力狀態(tài)的不同，以及鋼材在受力狀態(tài)下所處的工作環(huán)境的不同，鋼材受力后所表現(xiàn)出的不同行為，稱為材料的力學行為。鋼材的力學行為，不僅與鋼材的化學成分，組織結(jié)構(gòu)有關，而且與材料所處的應力狀態(tài)和環(huán)境有密切的關系。鋼材的力學性能主要的表征強度，韌性，塑性變形能力的判據(jù)，是近些設計時選材和強度計算的主要依據(jù)。壓力容器設計中，常用的強度判據(jù)包括抗拉強度，屈服點，持久強度，蠕變極限和疲勞極限；塑性判據(jù)包括延伸率，斷面收縮率；韌性判據(jù)包括吸收功，韌脆轉(zhuǎn)變溫度，斷裂韌性等。韌性對壓力容器安全運行具有重要意義。在載荷作用下，壓力容器中的缺陷常會發(fā)生擴展，當裂紋擴展到某一臨界尺寸時將會引起斷裂事故，此臨近裂紋尺寸的大小主要取決于鋼的韌性。如果鋼的韌性高，壓力容器所允許的臨界裂紋尺寸就越大，安全性也越高。因此，為防止發(fā)生脆性斷裂和裂紋快速擴展，壓力容器常選用韌性好的鋼材。 制造工藝性能材料制造工藝性能的要求與容器結(jié)構(gòu)形式和使用條件緊密相關。制造過程中進行冷卷，冷沖壓加工的零部件，要求鋼材有良好的冷加工成型性能和塑性，其延伸率應在15%20%以上。為檢驗鋼板承受彎曲變形能力，一般應根據(jù)鋼板的厚度，選用合適的彎心直徑，在常溫下做彎曲角度為180176。的彎曲實驗。試樣外表面無裂紋的鋼材方可用于壓力容器制造。 各部分結(jié)構(gòu)及材料的選擇[3] 　管程結(jié)構(gòu) 流體流經(jīng)換熱管內(nèi)的通道及與其相通部分稱為管程。 換熱管 換熱管形式 ：除光管外，換熱管還可采用各種各樣的強化換熱管，如翅片管，螺旋槽管，螺紋管等。當管內(nèi)外兩側(cè)給熱系數(shù)相差較大時，翅片管的翅片應布置在給熱系數(shù)低的一側(cè)。 換熱管尺寸：換熱管尺寸主要為 φ19mm2mm, φ25mm, φ38mm,無縫鋼管以及φ25mm2mm, φ38mm。，,。采用小管徑，可使單位體積的傳熱面積增大，結(jié)構(gòu)緊湊，金屬耗量減少，傳熱系數(shù)提高。但小管徑流體大，不便清洗，易結(jié)垢堵塞。一般大直徑管子用于粘性大或污濁的流體，小直徑管子用于較清潔的流體。 換熱管材料：常用材料有碳素鋼，低合金鋼，不銹鋼，銅銅鎳合金，鋁合金，鈦等。此外還有一些非金屬材料，如石墨，陶瓷，聚四氟乙烯等。設計時應根據(jù)工作壓力，溫度和介質(zhì)腐蝕性等選用合適材料。 換熱管排列形式及中心距 ：換熱管在管板上的排列形式主要有正三角形，正方形和轉(zhuǎn)角三角形，轉(zhuǎn)角正方形。正三角形排列形式可以在同樣的管板面積上排列最多的管數(shù)，故用的最為普遍，但管外不一清洗。為便于管外清洗，可以采用正方形或轉(zhuǎn)角正方形排列的管束。 管板管板是管殼式換熱器最重要的零件之一，用來排布換熱管，將管程和殼程的流體分隔開來，避免冷熱流體混合，并同時受管程，殼程壓力和溫度的作用。 管板材料 在選擇管板材料時除力學性能外，還應考慮管程和殼程的流體的腐蝕性，以及管板和換熱管之間的電位差對腐蝕的影響。當流體物腐蝕性較弱或有輕微腐蝕時，管板一般采用壓力容器用碳素鋼或低合金鋼板或鍛件制造。當流體腐蝕性較強時，管板應采用不銹鋼，銅，鋁，鈦等耐腐蝕材料。但對于較厚的管板，若整體采用價格昂貴的耐腐蝕性，造價很高。管板結(jié)構(gòu) 當換熱器承受高溫，高壓時，高溫和高壓對管板的要求的矛盾的。增大管板厚度，可以提高承受能力，但當管板兩側(cè)流體溫差很大時，管板內(nèi)部沿厚度方向的熱應力。當迅速停車或進氣溫度突然變化時，熱應力往往會導致管板和換熱管在連接處發(fā)生破壞。 圖 1 實體照片 管箱殼體直徑較大的換熱器大多采用管箱結(jié)構(gòu)。管箱位于管殼式換熱器的兩端，管箱的作用是把管道輸送來的流體均勻的分布到各換熱管的把管內(nèi)流體匯集在一起送出換熱器。在多管程換熱器中，管箱還起改變流體流向的作用。管箱的結(jié)構(gòu)形式主要以換熱器是否需要清洗或管束是否需要分程等原因來決定。 圖2 管箱實體圖 殼程結(jié)構(gòu) 殼程主要由殼體，折流板或折流桿，支持板，縱向隔板，拉桿，防沖擋板，放短路結(jié)構(gòu)等元件組成 (1) 殼體 殼體一般是一個圓筒，在殼壁上焊有接管，供殼程流體進入和排出之用。為防止進口流體直接沖擊管束而造成管子的侵蝕和振動，在殼程進口接管處常裝有防沖擋板，或稱緩沖板。當殼體法蘭采用高頸法蘭或殼程進出口接管直徑較大或采用活動管板時，殼程進出口接管距管板較遠，流體停滯區(qū)過大，靠近兩端管板的傳熱面積利用率很低，為克服這一缺點，可采用導流筒結(jié)構(gòu)。導流筒除可以減小流體停滯區(qū)，改善兩端流體的分布，增加換熱管的有效換熱長度，提高傳熱效率外，還起防沖擋板的作用，保護管束免受沖擊。 (2) 折流板 設置折流板的目的是為了提高殼程流體的流速，增加湍動程度，并使殼程流體垂直沖刷管束，以改善傳熱，增大殼程流體的傳熱系數(shù)，同時減少結(jié)構(gòu)。在臥式換熱器中，折流板還起支撐管束的作用。 常用的折流板形式有弓形和圓盤圓環(huán)形兩種，其中弓形折流板有單弓形，雙弓形和三弓形三種,根據(jù)需要可采用其他形式的折流板與支持板，如堰形折流板。圖3折流板的實體圖 弓形折流板缺口高度應使流體通過缺口時與橫向流過管束時的流速相近。缺口大小用切去的弓形弦高占殼體內(nèi)直徑的百分比來確定。如單弓形折流板。 對于臥式換熱器，殼程為單相清潔液體時，折流板缺口應水平上下布置。若氣體中含有少量液體時，則在缺口朝上的折流板最低處開設通液口；若液體中含有少量氣體，則應在缺口朝下的折流板最高處開通氣口。臥式換熱器的殼程介質(zhì)為氣液相共存或液體中含有固體顆粒，折流板缺口應垂直左右布置，并在折流板最低處開通液口。折流板一般應按等間距布置，管束兩端的折流板應盡量靠近殼程進出口接管。折流板最小間距宜不下于內(nèi)直徑的1/5，且不小于50mm；最大間距應不大于恰提內(nèi)直徑。折流板上管孔與換熱管之間的間隙以及折流板與殼體內(nèi)壁之間的間隙應合乎要求，間隙過大，泄漏嚴重，對傳熱不利，還易引起振動；間隙過小，安裝困難。從傳熱角度考慮，有些換熱器使不需要設置折流板的。但是為了增加換熱管的剛度，防止產(chǎn)生過大的撓度或引起管子振動，當換熱器物之承跨距超過了標準中的規(guī)定值時，必須設置一定數(shù)量的支持板，其形狀與尺寸均按折流板規(guī)定來處理。折流板與支持板一般用拉桿和定距管連接在一起，在大直徑的換熱器中，如折流板的間距較大，流體繞道折流板背后接近殼體處，會有一部分流體停滯起來，形成了對傳熱不利的死去。為了消除這個弊病，宜采用多弓形折流板。如雙弓形折流板，因流體分為兩股流動，在折流板之間的流速相同時，其間距只有單弓形的一半。不僅減少了傳熱死去，而且提高了傳熱效率。（3）折流桿傳統(tǒng)的裝有折流板的管殼式換熱器存在著影響傳熱的死區(qū)，流體阻力大，且易發(fā)生換熱管振動與破壞。為了解決傳統(tǒng)折流板換熱器中換熱管與折流板的切割破壞和流體誘導振動，并且強化傳熱提高傳熱效率，近年來開發(fā)了一種新型的管束支撐結(jié)構(gòu)—折流桿支撐結(jié)構(gòu)。該支撐結(jié)構(gòu)有折流圈和焊在折流圈上的支承桿所組成。折流圈可有棒材或板材加工而成，支承桿可有圓鋼或扁鋼制成。一半4塊折流圈為一組，也可采用2塊折流圈為一組。支承桿的直徑等于或小于管子之間的間隙。因而能牢固地將換熱管支承住，提高管束的剛性。（4）放短路結(jié)構(gòu)為了防止殼程流體流動在某些區(qū)域發(fā)生短路，降低傳熱效率，需要采用放短路機