【正文】 現(xiàn)代裝置中約占設(shè)備總重的 30% 左右 ，其中管殼式換熱器仍然占絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)，約 70% 。 研究的目的和意義 換熱器是國(guó)民經(jīng)濟(jì)和工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中應(yīng)用十分廣泛的熱量交換設(shè)備 ，隨著現(xiàn)代新工藝、 新技術(shù)、新材料的不斷開發(fā)和能源問題的日趨嚴(yán)重 ，世界各國(guó)已普遍把石油化工深度加工和能源綜合利用擺到十分重要的位置。 試驗(yàn)表明，當(dāng)金屬絲與管子為線性接觸時(shí)，有效傳熱面最大，但此時(shí)金屬絲會(huì)沿管子滑動(dòng)。第一章 緒論 7 更重要的是，由于焊料迅速老化和破碎會(huì)造成機(jī)器和設(shè)備堵塞，隨之提前報(bào)損。它能獲得普通管殼式換熱器和板框式傳熱設(shè)備所獲得的最佳值。該換熱器總傳熱系數(shù)較常規(guī)換熱器高 40%，而壓力降幾乎相等。美國(guó)休斯頓的布朗公司做了改進(jìn)。折流板的軸向重疊，如欲縮小支持管子的跨度，也可得到雙螺旋設(shè)計(jì)。這種設(shè)計(jì)的先進(jìn) 性已為流體動(dòng)力學(xué)研究和傳熱試驗(yàn)結(jié)果所證實(shí)，此設(shè)計(jì)已獲得專利權(quán)。優(yōu)越弓形折流板管殼式換熱器很難滿足高熱效率的要求，故常為其他型式的換熱器所取代（如緊湊型板式換熱器）。通常普通的弓形折流板能造成曲折的 流道系統(tǒng)（ z 字形流道），這樣會(huì)導(dǎo)致較大的死角和相對(duì)高的返混。所以，氣動(dòng)噴涂法促進(jìn)表面與基本相互作用的分支邊界的形成，能促進(jìn)粉末粒子向基體的滲透，這就說明了附著強(qiáng)度高，有物理接觸和金屬鏈形成。將試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)加以整理，便可評(píng)估翅片底面的接觸阻力。用該方法不僅可噴涂金屬還能噴涂合金和陶瓷（金屬陶瓷混合物），從而得到各種不同性能的表面。隨著動(dòng)力、石油化工工業(yè)的發(fā)展，其設(shè)備也繼續(xù)向著高溫、高壓、大型化方向發(fā)展。此外，自60 年代開始，為了適應(yīng)高溫和高壓條件下的換熱和節(jié)能的需要，典型的管殼式換熱器也得到了進(jìn)一步的發(fā)展，這一類換熱器不但是從材料上有了較大的突破，而且采用新穎的理念，增加強(qiáng)化傳熱。接著英國(guó)用釬焊法制造出一種由銅及其合金材料制成的板翅式換熱器，用于飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的散熱。同時(shí)，行業(yè)發(fā)展必須要注重高端產(chǎn)品的研發(fā)。因?yàn)閾Q熱器故障率較低，并且供暖為季節(jié)性負(fù)荷，有足夠的檢修時(shí)間，生活熱水系統(tǒng)暫停供熱也不會(huì)造成重大影響，所以可不設(shè)備用換熱器。結(jié)構(gòu)要合理，工作要安全可靠，即零部件之間因?yàn)闇厣a(chǎn)生的熱應(yīng)力不會(huì)導(dǎo)致?lián)Q熱器破裂 。對(duì)換熱器的基本要求是換熱器要滿足換熱要求，即達(dá)到需求的換熱量和熱媒溫度 。故我們?cè)谶x擇換熱設(shè)備時(shí)一定要根據(jù)不同的工藝、工況要求選擇。改變實(shí)踐證明，在降低流體在殼程的阻力并保證流體在湍流狀態(tài)下流動(dòng)，這樣才能充分的提高介質(zhì)的換熱系數(shù)，內(nèi)翅片管、橫螺紋管、螺旋螺紋管都一樣，不但可用于單相對(duì)流傳熱，也可以有效的用于管內(nèi)流動(dòng)沸騰傳熱（螺紋管在湍流時(shí)可使對(duì)流傳熱系數(shù)增加一 倍多）。 改變傳熱面形狀 改變傳熱面形狀的方法有多種，其中用于無相變強(qiáng)化傳熱的有橫波紋管、螺旋螺紋管和縮放管，還有螺旋扁管和偏置折邊翅片管。 管內(nèi)凝結(jié)換熱的強(qiáng)化 擴(kuò)展表面法 采用內(nèi)肋管是強(qiáng)化管內(nèi)凝結(jié)的最有效的方法，試驗(yàn)表明，其換熱系數(shù)比光管高 20~40%。 采用擴(kuò)展表面 在管外膜狀凝結(jié)中常常采用低肋管，低肋管不但增加換熱面積，而且由于冷凝流體的表面張力，肋片上形成的液膜較薄，因此其凝結(jié)換熱系數(shù)可比光管高 75%~100%。 冷卻表面的粗糙化 粗糙表面可增加凝結(jié)液膜的湍流度，亦可強(qiáng)化凝結(jié)換熱。 因此最近十幾年來，強(qiáng)化傳熱技術(shù)受到了工業(yè)界的廣泛重視，得到了十分迅速的發(fā)展，凝結(jié)是工業(yè)中普遍遇到的另一種相變換熱過程，凝結(jié)換熱系數(shù)很高，但經(jīng)過強(qiáng)化措施還可以進(jìn)一步提升換熱效率。當(dāng)今換熱器技術(shù)的發(fā)展以 CFD（計(jì)算流體力學(xué)技術(shù)）、模型化技術(shù)、強(qiáng)化傳熱技術(shù)等形成一個(gè)高技術(shù)體系。完善的換熱器在設(shè)計(jì) 或選型時(shí)應(yīng)滿足以下基本要求： 合理地實(shí)現(xiàn)所規(guī)定的工藝條件； 結(jié)構(gòu)安全可靠； 便于制造、安裝、操作和維修； 經(jīng)濟(jì)上合理。 在我國(guó)換熱器的制造技術(shù)遠(yuǎn)落后于外國(guó)，由于制造工藝和科學(xué)水平的限制，早期的換熱器只能采用簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)，而且傳熱面積小、體積大和笨重，如蛇管式換熱器等。材料選用方面：對(duì)于主要承壓元件選用 Q345R 為材料。其中初步選型后要對(duì)初選的傳熱系數(shù)進(jìn)行校核， 如果不合格要要重新選型、反復(fù)試算。在三類換熱器中，間壁式換熱器應(yīng)用最多，管殼式換熱器是間壁式換熱器的主要類型。 基 本 要 求 15t/h的 T1煤油由 150℃冷卻到 50℃，冷卻劑選為循環(huán)冷卻水。 燕山大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書 學(xué)院：車輛與能源學(xué)院 系級(jí)教學(xué)單位：熱能與動(dòng)力工程系 學(xué) 號(hào) 080113020214 學(xué)生 姓名 任曉 專 業(yè) 班 級(jí) 熱能與動(dòng)力工程08級(jí) 2班 題 目 題目名稱 浮頭式換熱器（Ⅱ型）設(shè)計(jì) 題目類型 畢業(yè)設(shè)計(jì) 題目性質(zhì) 工程設(shè)計(jì) 題目來源 科研實(shí)際 主 要 內(nèi) 容 、收集； ，主要是換熱面的計(jì)算。進(jìn)口溫度為 39℃，出口溫度為 29℃。 本次我的設(shè)計(jì)題目是減二中 /原油冷卻器，換熱器形式選用管殼式換熱器中的浮頭式。在流體阻力校核部分要考慮操作成本與制造成本的平衡關(guān)系。由于介質(zhì)腐蝕性不高，所以選用 20 鋼為換熱管的材料。隨著制造工藝的發(fā)展，逐步形成一種管殼式換熱器，它不僅單位體積具有較大的傳熱面積，而且傳熱效果也較好，長(zhǎng)期以來在工業(yè)生產(chǎn)中成為一種典型的換熱器。 70 年代的世界能源危機(jī)，有力促進(jìn)了換熱強(qiáng)化技術(shù)的發(fā)展。所謂提高換熱器性能，就是提高其傳熱性能。 管外凝結(jié)換熱的強(qiáng)化 對(duì)冷卻表面的特殊處理，主要是為了在冷卻表面上產(chǎn)生珠狀凝結(jié)。實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)粗糙高度為 時(shí)，水蒸氣的凝結(jié)換熱系數(shù)可提高 90%。 應(yīng)用螺旋槽管和管外加螺旋線圈。按光面計(jì)算則換熱系數(shù)可高 1~2 倍。都是高效換熱元件。當(dāng)然現(xiàn)在各式換熱器的設(shè)計(jì)各有新穎之處，結(jié)構(gòu)上各具特色。換熱器的作用可以是以熱量交換為目的。換熱器的熱損失要少，換熱效率要高 。要便于制造、安裝和檢修 。換熱器臺(tái)數(shù)的選擇和單臺(tái)能力的確定應(yīng)適應(yīng)熱負(fù)荷的分期增長(zhǎng)，并考慮供熱的可靠性。 （ 2）國(guó)外換熱器發(fā)展前景 在國(guó)外二十世紀(jì) 20 年代出現(xiàn)板式換熱器，并應(yīng)用于食品工業(yè)。 30 年代末，瑞典又制造出 第一臺(tái)板殼式換熱器，用于紙漿工廠。 70 年代中期，為了 進(jìn)一步減小換熱器的體積，減輕重量和金屬消耗，減少換熱器消耗的功率，并使換熱器能夠在較低溫差下工作，人們更是采用各種科學(xué)的辦法來增強(qiáng)換熱器內(nèi)的傳熱。而換熱器在結(jié)構(gòu)方面也有不少新的發(fā)展。 通常在實(shí)踐中翅片底面的接觸阻力是限制管子加裝翅片的因素之一。 將研究的翅片的效率與計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，得出的結(jié)論是：氣動(dòng)噴涂翅片的底面的接觸阻力對(duì)效率無實(shí)質(zhì)性影響。 因而氣動(dòng)噴涂法不但可用于成型，還可用來將按普通方法制造的翅片固定在換熱器管子的表面上，也可用來對(duì)普通翅片的底面進(jìn)行補(bǔ)充加固。而這些死角又能造成殼程結(jié)垢加劇，對(duì)傳熱效率不利。 對(duì)普通折流板幾何形狀的改進(jìn)，是發(fā)展殼程的第一步。此種結(jié)構(gòu)克服了普通折流板的主要缺點(diǎn)。 螺旋折流板結(jié)構(gòu)可滿足相對(duì)寬的工藝條件。螺旋扁管的制造過程包括了“壓扁”與“熱扭”兩個(gè)工序。組裝換熱器時(shí)也可采用螺旋扁管與 光管混合方式。估計(jì)在化工、石油化工行業(yè)中具有廣闊的應(yīng)用前景。 俄 羅斯推薦一種新方法制造繞絲筋管，即借助在管子上纏繞和拉緊金屬絲時(shí)產(chǎn)生的機(jī)械接觸來固定筋條。所以關(guān)鍵是要選取最佳的接觸寬度，也就是繞絲時(shí)管子變形留下的痕跡的寬度。換熱器因而面臨著新的挑戰(zhàn)。其余 30% 為各類高效緊湊式換熱器、新型熱管熱泵和蓄熱器等設(shè)備，其中板式、螺旋板式、板翅式以及各類高效傳熱元件的發(fā)展十分迅速。因此出現(xiàn)了 TEMA、 API660、 JISB8249等一批管殼式換熱器標(biāo)準(zhǔn)， ISO目前也正在與 API聯(lián)手并會(huì)同有關(guān)國(guó)家編 ISO管殼式換熱器標(biāo)準(zhǔn)。殼體一般為圓筒形，也可為方形。 針對(duì)固定管板式與 U 型管式的缺陷，浮頭式作了結(jié)構(gòu)上的改進(jìn)，兩端管板只有一端與外殼固定死，另一端可相對(duì)殼體滑移，稱為浮頭。 按照設(shè)計(jì)要求，在結(jié)構(gòu)的選取上，為了增大溫差校正系數(shù)，采用了 12型，即殼側(cè)一程管側(cè)二程。 第二章 換熱器的應(yīng)用及發(fā)展和分類特點(diǎn) 9 第二章 換熱器的應(yīng)用及發(fā)展和分類特點(diǎn) 換熱器的應(yīng)用及發(fā)展 它是化工 、煉油、動(dòng)力、食品、輕工、原子能、制藥、機(jī)械及其它許多工業(yè)部門廣泛使用的一種通用設(shè)備。隨著制造工藝的發(fā)展，逐步形成一種管殼式換熱器，它不僅單位體積具有較大的傳熱面積，而且傳熱效果也較好，長(zhǎng)期以來在工業(yè)生產(chǎn)中成為一種典型的換熱器。接著英國(guó)用釬焊法制造出一種由銅及其合金材料制成的板翅式換熱器，用于飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的散熱。 此外，自 60 年代開始，為了適應(yīng)高溫和高壓條件下的換熱和節(jié)能的需要，典型的管殼式換熱器也得到了進(jìn)一步的發(fā)展。特別是 20世紀(jì) 70年代的世界能源危機(jī)，加速了當(dāng)代先進(jìn)換熱技術(shù)和節(jié)能技術(shù)的發(fā)展。 換熱器的分類及特點(diǎn) 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。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)。 ⑵ 蓄熱式換熱器 這類換熱器又稱回?zé)崾綋Q熱器。若兩種流體不允許混合，則不能采用蓄熱式換熱器。以回收冷量為目的的同類設(shè)備稱蓄冷器，多用于空氣分離裝置中。 ⑷ 中間 載熱體式換熱器 這類換熱器是把兩個(gè)間壁式換熱器由在其中循環(huán)的載熱體連接起來的換熱器。按傳熱管的結(jié)構(gòu)形式不同大致可以分為蛇管式換熱器、套管式換熱器、管殼式換熱器和纏繞管式換熱器等。 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 （ 3） 其他型式換熱器 這類換熱器是指一些具有特殊結(jié)構(gòu)的換熱器，一般是為滿足某些工藝特殊要求而設(shè)計(jì)的，如石墨換熱器、聚四氟乙烯換熱器和熱管換熱器等。 換熱器的類型設(shè)計(jì) 兩流體溫度變化情況：熱流體進(jìn)口溫度： 150℃，出口溫度 50℃，冷流體進(jìn)口溫度 29℃，出口溫度 39℃。熟練掌握各方面的知識(shí)。39。39。1 ???? tt ttR39。2 ???? tt ttP)11(2)11(2ln11ln11222??????????????RRPRRPPRPRR?239。 管程所需流通截面 （ 48） 每程管數(shù) （ 49） 每根管長(zhǎng) （ 410） 現(xiàn)取每根管長(zhǎng)為 6m 則 （ 411） 所以選用兩臺(tái) 12型浮頭式換熱器 管子排列 管子的排列方式常用友：等邊三角形排列法（或稱正六角形排列）、同心圓排列法和正方形排列法，本次管子排列方式選為等邊三角形。 ?? ndFL ? ??? lLZ t燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 18 圖 41 管子排列草圖 由草圖可知 六邊形層數(shù) a=6。39。39。 封頭、殼體和固定管板的尺寸確定 根據(jù)壓力容器設(shè)計(jì)規(guī)范采用材質(zhì)為 20Ⅱ的標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭，在滿足強(qiáng)度要求的情況下，已知管程設(shè)計(jì)溫度為 ℃，則 wt ℃，根據(jù)碳鋼板需用應(yīng)力查表得 ? ? MPa17039。 ???? ???燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 24 實(shí)取 8mm 曲面高度： （ 448） D— 封頭的平均直徑 封頭箱的也取公稱直徑為 600mm 的 標(biāo)準(zhǔn)無縫鋼管，厚度為 8mm，長(zhǎng)度為530mm。 ??? ,長(zhǎng)度取 5768mm 固定管板的尺寸確定 外徑： mmD 6401 ? 板厚： mmb 50? 管板上開孔數(shù)與孔間距與管的排列一致。換熱管在管板內(nèi)的脹接長(zhǎng)度 L=38mm。 查 GB1511999 可知：分程隔板槽槽深 4mm? ，槽寬為 12mm，且分程隔板的最小厚度為 8mm， 厚度選為 10mm。但螺栓上緊后，墊圈材料容易往兩側(cè)伸展，不易壓緊，用于所需壓緊力不高且介質(zhì)無毒的場(chǎng)合。它適用于密封易燃、易爆、有毒介質(zhì)。 圖 43 殼體與封頭連接法蘭（兩個(gè)） 第四章 研究步驟、方法及設(shè)計(jì)產(chǎn)品的確定 27 圖 44 殼體與浮頭箱連接法蘭（殼體側(cè)） 圖 45 殼體與浮頭箱連接法蘭（浮頭箱側(cè)） 圖 46 殼程接管法蘭 圖 47 管程接管法蘭 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 28 表 41 管口表 臥式設(shè)備一般采用兩個(gè)鞍座。 如圖 48所示 圖 48 鞍式支座 δ 4Ⅰ型Ⅱ型第四章 研究步驟、方法及設(shè)計(jì)產(chǎn)品的確定 29 本換熱器為臥室內(nèi)壓容器，應(yīng)該選用鞍式支座，依照 JB/T471292 雙鞍式支座標(biāo)準(zhǔn)，選用 mmDN 600? B1 型鞍式支座，具體尺寸如表 42 所示。 ?? 。 管程數(shù) Np（ N） 2 管長(zhǎng) l（ L） 管數(shù) n 144 管排列方式 正三角形排列 傳熱面積 39。具體表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：通過在設(shè)計(jì) 中經(jīng)常查資料提高了我們檢索和查閱資料的能力；進(jìn)一步扎實(shí)了所學(xué)的理論知識(shí)，對(duì)所學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)和專業(yè)知識(shí)進(jìn)行了一次綜合應(yīng)用和系