【正文】 1 1 前言 概述 換熱器的類型 管殼式換熱器是最典型的間壁式換熱器，歷史悠久，占據(jù)主導(dǎo)作用，主要有殼體、管束、管板、折流擋板和封頭等組成。 其中，管殼式換熱器雖然在換熱效率、設(shè)備的體 積和金屬材料的消耗量等方面不如其他新型的換熱設(shè)備，但它具有結(jié)構(gòu)堅固、彈性大、可靠程度高、使用范圍廣等優(yōu)點，所以在各工程中仍得到普遍使用。 如果裝配圖中有修改，在說明書中要注明變更； ，字跡清晰，層次分明； ，均采用 A4 紙，裝訂成冊。 （ 3）其它標(biāo)準(zhǔn)件選擇。內(nèi)容包括：代號， PN,DN,法蘭密封面形式，法蘭標(biāo)記，用途）。 化工與材料學(xué)院 09級本科生化工機械設(shè)備課程設(shè)計 III 六、說明書的內(nèi)容 （ 1）設(shè)計條件； （ 2）設(shè)計依據(jù)； （ 3）設(shè)備結(jié)構(gòu)形式概述。 化工與材料學(xué)院 09級本科生化工機械設(shè)備課程設(shè)計 II （ 4）殼體與封頭材料在低合金高強度剛中間選用，并查出其參數(shù)，接管及其他數(shù)據(jù)根據(jù)表71 716 選用。 3. 筒體和支座水壓試驗應(yīng)力校核 4. 支座結(jié)構(gòu)設(shè)計及強度校核 包括：裙座體（采用裙座）、基礎(chǔ)環(huán)、地腳螺栓 5. 換熱器各主要組成部分選材，參數(shù)確定。 2. 殼體及封頭壁厚計算及其強度、穩(wěn)定性校核 （ 1）根據(jù)設(shè)計壓力初定壁厚； （ 2）確定管板結(jié)構(gòu)、 尺寸及拉脫力、溫差應(yīng)力； （ 3）計算是否安裝膨脹節(jié)； （ 4）確定殼體的壁厚、封頭的選擇及壁厚，并進(jìn)行強度和穩(wěn)定性校核。 （ 3）由工藝計算求得換熱面積為 120m2，每組增加 10 m2。 、圖紙、平時表現(xiàn)及答辯綜合評分。 （ 4）寫出圖紙上的技術(shù)要求、技術(shù)特性表、接管表、標(biāo)題明細(xì)表等 、封頭壁厚設(shè)計 （ 1）筒體、封頭及支座壁厚設(shè)計； （ 2）焊接接頭設(shè)計； （ 3）壓力試驗驗算； 、部件選擇及補強計算： （ 1）接管及法蘭選擇：根據(jù)結(jié)構(gòu)草圖統(tǒng)一編制表格。補強計算。 【格式要求】： ； ； ； 、內(nèi)容、頁碼； 。 換熱設(shè)備在煉油、石油化工以及在其他工業(yè)中使用廣泛，它適用于冷卻、冷凝、加熱、蒸發(fā)和廢熱回收等各個方面。在工程設(shè)計中，除盡量選用定型系列產(chǎn)品外，也常按其特定的條件進(jìn)行設(shè)計，以滿足工藝上的需要（得到適合工況下最合理最有效也最經(jīng)濟的便于生產(chǎn) 制造的換熱器等等）。其主要優(yōu)點是單位體積所具有的傳熱面積大，傳熱效果好，結(jié)構(gòu)堅固，可選用的結(jié)構(gòu)材料范圍寬廣，操作彈性大，因此在高溫、高壓和大型裝置上多采用列管式換熱器。若兩流體溫差較大（ 50℃以上）時，就可能由于熱應(yīng)力而引起設(shè)備的變形，甚至彎曲或破裂， 因此必須考慮這種熱膨脹的影響。根據(jù)冷、熱流體熱量交換的原理和方式可分為三大類：混合式、蓄熱式、間壁式。間壁式換熱器的應(yīng)用廣泛，形式繁多。該類換熱器結(jié)構(gòu)簡單，傳熱效率高，適用于冷、熱流體允許直接接觸和混合的場合。當(dāng)蓄熱體與熱流體接觸時，從熱流體處接受熱量，蓄熱體溫度升高后，再與冷流體接觸，將熱量傳給冷流體，蓄熱體溫度 下降，從而達(dá)到換熱的目的。根據(jù)結(jié)構(gòu)特點，間壁式換熱器可以分為管殼式換熱器和緊湊式換熱器。列管式換熱器的特點是結(jié)構(gòu)牢固，能承受高溫高壓，換熱表面清洗方 便，制造工藝成熟，選材范圍廣泛，適應(yīng)性強及處理能力大等。常見的列管換熱器主要有固定管板式、帶膨脹節(jié)的固定管板式、浮頭式和 U形管式等幾種類型。在工程實踐中有時也會存在兩種以上的流體參加換熱，但它的基本原理與前一種情形并無本質(zhì)上的區(qū)別。 對同一種形式的換熱器，由于各種條件不同，往往采用的結(jié)構(gòu)亦不相同。 當(dāng)今已廣泛地應(yīng)用于工業(yè)上的殼管式換熱器，在 20 世紀(jì)初也開始適應(yīng)石油工業(yè)提出的要求。制造設(shè)備的傳熱面積可達(dá) 500m2,即直徑約 750mm、長 6m，用于急劇增長的石油工業(yè)。 隨著殼管式換熱器的應(yīng)用穩(wěn)步增長 ，以及對在各種流程條件下性能預(yù)計的精度要求越來越高，這造就 40 年代直至 50 年代研究活動的激增。換熱器的性能對產(chǎn)品質(zhì)量、能量利用率以及系統(tǒng)的經(jīng)濟性和可靠性起著重 要的作用 , 有時甚至是決定性的作用。隨著工業(yè)裝置的大型化和高效率化 , 換熱器也趨于大型化 ,并向低溫差設(shè)計和低壓力損失設(shè)計的方向發(fā)展。強化傳熱主要有 3 種途徑提高傳熱系數(shù)、擴大傳熱面積和增大傳熱溫差 ,研究主要集中在強化管程和殼程傳熱面方面。改變傳熱面形狀的方法有多種 , 用于強化管程傳熱的有 : 橫紋管、螺旋槽管、螺紋管 (低翅管 )和縮放管以及螺旋扁管 (瑞典 化工與材料學(xué)院 09級本科生化工機械設(shè)備課程設(shè)計 4 ALLARDS 公司生產(chǎn) ) 。該換熱器不僅強化了管內(nèi)外的給熱 , 還由于溫差作用下?lián)Q熱管的可伸縮性 ,使表面結(jié)垢容易脫落 , 因此具有較強的防垢和自動除垢能力。最近 , 英國 Cal Garin Ltd 公司開發(fā)的一種稱之為 Hitran Matrix Elements 的花環(huán)式插入物 [6],它是一種金屬絲制翅片管子插入物 (Wire2Fin Tube Inserts) ,能增強湍流。 提高管殼式換熱器冷、熱介質(zhì)的平均對數(shù)溫差 冷、熱介質(zhì)平均對數(shù)溫差除直接受冷、熱介質(zhì)進(jìn)出口溫度影響外 , 還受到冷、熱介質(zhì)的流動方向和換熱流程的影響。 由于管程清洗相對于殼程清洗要容易 , 因此對于易結(jié)垢、有沉淀及雜物的介質(zhì)宜走管程 。強化傳熱的常用措施有 : 采用高效能傳熱面、靜電場強化傳熱、粗糙壁面、攪拌等。當(dāng)殼程介質(zhì)易結(jié)垢時 , 由于外螺紋管束沿軸向的脹縮作用使換熱管外壁的硬垢脫落 , 具有良好的自潔作用 , 能夠有效防止管束外壁的結(jié)垢 , 減小換熱器殼程熱阻 , 提高換熱器的傳熱能力。 對于需要機械清洗的管束 , 管子排列應(yīng)采用正方形 。因為決定管程介質(zhì)的流態(tài)的雷諾數(shù) Rei 與管程介質(zhì)流速成正比 ,為提高換熱器管程換熱系數(shù) hi, 可采用管程分程的辦法提高管程換熱系數(shù)。 、殼程進(jìn)、出口的設(shè)計 管程進(jìn)、出口管的設(shè)計。 對換熱器的使用壽命影響較大 , 特別是殼程換熱介質(zhì)流速較高或介質(zhì)中含有固體顆 化工與材料學(xué)院 09級本科生化工機械設(shè)備課程設(shè)計 6 粒。 固定管板式： 固定管板式換熱器主要有外殼、管板、管束、封頭壓蓋等部件組成。殼程清洗困難，對于較臟或有腐蝕性的介質(zhì)不宜采用。比較適合溫差不大或溫差大而 殼層壓力不高的場合。而且在清洗和檢修時，僅將管束從殼體中抽出即可。 圖 13 U型管式換熱器 這類換熱器的特點是：管束可以自由伸縮，不會因為管殼之間的溫差而產(chǎn)生熱應(yīng)力，熱補償性能好；管程為雙管程，流程較長，流速 較高，傳熱性能好；承壓能力強；管束課從殼體內(nèi)抽出，便于檢修和清洗，造價便宜。 特點為它的管束也可以自由膨脹，所以管殼間不會產(chǎn)生熱應(yīng)力，且管程與殼程都能清洗。固定管板式換熱器結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、造價低 , 每根換熱管可以單獨清洗和更換 , 在外形尺寸相同的條件下 , 與浮頭式和 U 形管式換熱器相比 , 換熱面積大。對于換熱器換熱介質(zhì)工作壓力高 , 管、殼程介質(zhì)密封要求嚴(yán)的場合 , 為確保換熱器管、殼程的密封 , 換熱器管束的設(shè)計一般采用 U 形管結(jié)構(gòu)的換熱器。 參考標(biāo)準(zhǔn)： 不潔凈和易結(jié)垢的流體宜走便于清洗管子，浮頭式換熱器殼程便于清洗。 被冷卻的流體宜走殼程，便于散熱，增強冷卻效果。 綜合考慮以上標(biāo)準(zhǔn)，確定 半水煤氣 應(yīng)走殼程，變換氣走管程。 材質(zhì)的選擇 管殼式換熱器的材料應(yīng)根據(jù)操作壓強、溫度及流體的腐蝕性等來選用。根據(jù)實際需要，可以選擇使用不銹鋼材料。每程內(nèi)都采用正三角形排列，而在各程之間為了便于安裝隔板，采用正方形排列方式。小直徑的管子可以承受更大的壓力，而且管壁較??；同時，對于相同的殼徑，可排列較多的管子，因此單位體積的傳熱面積更大，單位傳熱面 積的金屬耗量更少。換熱器的換熱管長度與公稱直徑之比一般為 4— 25,常用的為 6— 10 選用Φ 25 的無縫鋼管，材質(zhì)為 20號鋼，管長 。 C） 化工與材料學(xué)院 09級本科生化工機械設(shè)備課程設(shè)計 12 將數(shù)值代入上述厚度計算公式，可以得知： mm ??? ??? 查 《化工設(shè)備機械基礎(chǔ)》 表 411 取 ?C mm ； 查 《化工設(shè)備機械基礎(chǔ)》 表 49 得 ?C mm ++= mm 查表 413圓整后取 ?n? mm 復(fù)驗 %6 ???n? mm ，最后取 ?C mm 該殼體采用 20鋼 7mm 厚的鋼板制造。 管板結(jié)構(gòu)尺寸 查（《化工單元設(shè)備設(shè)計》 P2527） 得固定管板式換熱器的管板的主要尺寸： 表 51 固定管板式換熱器的管板的主要尺寸 公稱直徑 D 1D 3D 4D b c d 螺栓孔數(shù) 900 1060 1015 966 963 58 44 27 24 化工與材料學(xué)院 09級本科生化工機械設(shè)備課程設(shè)計 15 管板與殼體的連接 在固定管板式換熱器中，管板與殼體的連接均采用焊接的方法。對于脹接的管板，考慮脹接剛度的要求，其最小厚度可按表 52 選用。 F—— 換熱面積，㎡； ts—— 操作狀態(tài)下殼壁溫度，176。 化工與材料學(xué)院 09級本科生化工機械設(shè)備課程設(shè)計 17 PT—— 水壓試驗壓力， MPa。 C2—— 腐蝕欲量， mm； ａ —— 線膨脹系數(shù)，１／176。這次課程設(shè)計設(shè)是對這門課程的一個總結(jié)，對化工機械知識的應(yīng)用。在整個過程中，我查閱了相關(guān)書籍及文獻(xiàn)，取其相關(guān)知識要點應(yīng)用到課設(shè)中，而且其中有很多相關(guān)設(shè)備選取標(biāo)準(zhǔn)可以直接選取，這樣設(shè)計出來的設(shè)備更加符合要求。 在此感謝我們的唐小勇老師 .，老師嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)致、一絲不茍的作風(fēng)一直是我工作、學(xué)習(xí) 化工與材料學(xué)院 09級本科生化工機械設(shè)備課程設(shè)計 20 中的榜樣；老師循循善誘的教導(dǎo)和不拘一格的思路給予我無盡的啟迪；這次模具設(shè)計的每個實驗細(xì)節(jié)和每個數(shù)據(jù)，都離不開老師您的細(xì)心指導(dǎo)。