【正文】 BES500浮頭式換熱器設(shè)計(jì)畢業(yè)論文1 前言 換熱器的概述[1] 換熱設(shè)備是使熱量從熱流體傳遞到冷流體的設(shè)備。它是化工，煉油，動(dòng)力，食品，輕工，原子能，制藥，機(jī)械，及其他許多工業(yè)部門廣泛使用的一種通用設(shè)備。在化工廠中，換熱設(shè)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(shè)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(dá)到工藝過程規(guī)定的指標(biāo)，以滿足工藝過程上的需要。 換熱器實(shí)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(dǎo)致?lián)Q熱器行業(yè)呈現(xiàn)供不應(yīng)求的市場狀態(tài)，巨大的供給缺口需要進(jìn)口來彌補(bǔ)?！?011中國換熱器市場趨勢觀察研究預(yù)測報(bào)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(jī)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(shí)期內(nèi)將保持穩(wěn)定增長。預(yù)計(jì)到2010年年底，我國換熱器的市場需求將達(dá)到500億元。 我國換熱器產(chǎn)業(yè)主要集團(tuán)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(lǐng)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(jī)械研究所和蘭石集團(tuán)的研發(fā)和生產(chǎn)力量，形成了較強(qiáng)的換熱器產(chǎn)業(yè)，尤其是在石油化工和食品領(lǐng)域；《2011中國換熱器市場趨勢觀察研究預(yù)測報(bào)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(jī)械部換熱設(shè)備定點(diǎn)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(lǐng)域的換熱器市場和面向石油化工的特殊材質(zhì)換熱器領(lǐng)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(shè)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(yù)測報(bào)告》預(yù)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(dá)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(shè)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(jìn)行換熱的換熱器。為增加兩流體的接觸面積，以達(dá)到充分換熱，在設(shè)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(dá)到充分換熱，在設(shè)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?zé)崾綋Q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(huì)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(jìn)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(yīng)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(gè)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(fèi)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(yùn)行的安全性有顯著的影響。選材不當(dāng)，不僅會(huì)增加總成本，而且有可能導(dǎo)致壓力容器破壞事故。因此，合理選材是壓力容器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵之一。壓力容器用料多種多樣，有鋼，有金屬，非金屬，復(fù)合材料等，壓力容器用鋼的基本要求是有較高的強(qiáng)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(xué)成分的設(shè)計(jì)，組織結(jié)構(gòu)的改變和零件表面改性。 化學(xué)成分　　鋼材的化學(xué)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(qiáng)度增加，但是可焊性變差，焊接時(shí)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(qiáng)度和韌性。硫和磷是鋼中最主要的有害元素。硫能促進(jìn)非金屬夾雜物的形成，使塑性和韌性降低。磷能使高鋼的強(qiáng)度，使會(huì)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(yīng)變時(shí)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(yán)格。例如，中國壓力容器用鋼的硫和磷含量分別應(yīng)低于0，020%%。隨著冶煉水平的提高，%以內(nèi)。另外，化學(xué)成分對熱處理也有決定性的影響，如果對成分控制不嚴(yán)，就達(dá)不到預(yù)期的熱處理效果。 力學(xué)與性能由于載荷和應(yīng)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(xué)行為。鋼材的力學(xué)行為，不僅與鋼材的化學(xué)成分，組織結(jié)構(gòu)有關(guān)，而且與材料所處的應(yīng)力狀態(tài)和環(huán)境有密切的關(guān)系。鋼材的力學(xué)性能主要的表征強(qiáng)度，韌性，塑性變形能力的判據(jù)，是近些設(shè)計(jì)時(shí)選材和強(qiáng)度計(jì)算的主要依據(jù)。壓力容器設(shè)計(jì)中，常用的強(qiáng)度判據(jù)包括抗拉強(qiáng)度，屈服點(diǎn)，持久強(qiáng)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(yùn)行具有重要意義。在載荷作用下，壓力容器中的缺陷常會(huì)發(fā)生擴(kuò)展，當(dāng)裂紋擴(kuò)展到某一臨界尺寸時(shí)將會(huì)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(kuò)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(guān)。制造過程中進(jìn)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(yīng)在15%20%以上。為檢驗(yàn)鋼板承受彎曲變形能力，一般應(yīng)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(shí)驗(yàn)。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(qiáng)化換熱管，如翅片管，螺旋槽管，螺紋管等。當(dāng)管內(nèi)外兩側(cè)給熱系數(shù)相差較大時(shí)，翅片管的翅片應(yīng)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(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)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(shí)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(shí)除力學(xué)性能外，還應(yīng)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(dāng)流體物腐蝕性較弱或有輕微腐蝕時(shí)，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(dāng)流體腐蝕性較強(qiáng)時(shí)，管板應(yīng)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(jià)格昂貴的耐腐蝕性，造價(jià)很高。管板結(jié)構(gòu) 當(dāng)換熱器承受高溫，高壓時(shí)，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(dāng)管板兩側(cè)流體溫差很大時(shí)，管板內(nèi)部沿厚度方向的熱應(yīng)力。當(dāng)迅速停車或進(jìn)氣溫度突然變化時(shí)，熱應(yīng)力往往會(huì)導(dǎo)致管板和換熱管在連接處發(fā)生破壞。 圖 1 實(shí)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(shí)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(gè)圓筒，在殼壁上焊有接管，供殼程流體進(jìn)入和排出之用。為防止進(jìn)口流體直接沖擊管束而造成管子的侵蝕和振動(dòng)，在殼程進(jìn)口接管處常裝有防沖擋板，或稱緩沖板。當(dāng)殼體法蘭采用高頸法蘭或殼程進(jìn)出口接管直徑較大或采用活動(dòng)管板時(shí)，殼程進(jìn)出口接管距管板較遠(yuǎn)，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(diǎn)，可采用導(dǎo)流筒結(jié)構(gòu)。導(dǎo)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(hù)管束免受沖擊。 (2) 折流板 設(shè)置折流板的目的是為了提高殼程流體的流速，增加湍動(dòng)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(shí)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(shí)體圖 弓形折流板缺口高度應(yīng)使流體通過缺口時(shí)與橫向流過管束時(shí)的流速相近。缺口大小用切去的弓形弦高占?xì)んw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(shí)，折流板缺口應(yīng)水平上下布置。若氣體中含有少量液體時(shí)，則在缺口朝上的折流板最低處開設(shè)通液口；若液體中含有少量氣體，則應(yīng)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(yīng)垂直左右布置，并在折流板最低處開通液口。折流板一般應(yīng)按等間距布置，管束兩端的折流板應(yīng)盡量靠近殼程進(jìn)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(yīng)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(yīng)合乎要求，間隙過大，泄漏嚴(yán)重，對傳熱不利，還易引起振動(dòng)；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(shè)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(dòng)，當(dāng)換熱器物之承跨距超過了標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)定值時(shí)，必須設(shè)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(huì)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(gè)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(dòng)，在折流板之間的流速相同時(shí)，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(dòng)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(dǎo)振動(dòng)，并且強(qiáng)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(dòng)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(jī)