【文章內(nèi)容簡介】 換熱器時也可采用螺旋扁管與 光管混合方式。 該換熱器嚴格按照 ASME 標準制造。凡是用管殼式換熱器和傳統(tǒng)裝置之處均可用此種換熱器取代。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。估計在化工、石油化工行業(yè)中具有廣闊的應(yīng)用前景。 四、非釬焊繞絲筋管螺旋管式換熱器 在管子上纏繞金屬絲作為筋條（翅片）的螺旋管式換熱器，一般都是采用焊接方法將金屬絲固定在管子上。但這種方法對整個設(shè)備的質(zhì)量有一系列的影響，因為釬焊法必將從換熱中“扣除”很大一部分管子和金屬絲的表面。第一章 緒論 7 更重要的是，由于焊料迅速老化和破碎會造成機器和設(shè)備堵塞，隨之提前報損。 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產(chǎn)生的機械接觸來固定筋條。采用此法能促進得到釬焊時的連續(xù)特性（即將金屬絲可靠地固定在管子上，而管子的截面又不過分壓緊），故對于金屬絲僅用做隔斷時，可以認為是較釬焊更受歡迎的方法。但若利用金屬絲作為筋條（翅片）以增加換熱面積時，只有當(dāng)非釬焊筋條的有效傳熱面不小于釬焊連接時，才應(yīng)更偏重于此方法。 試驗表明，當(dāng)金屬絲與管子為線性接觸時，有效傳熱面最大，但此時金屬絲會沿管子滑動。所以關(guān)鍵是要選取最佳的接觸寬度，也就是繞絲時管子變形留下的痕跡的寬度。這樣 ，非釬焊時的有效傳熱面要比釬焊時大。該換熱器推薦用于氦技術(shù)和冷卻工藝。 研究的目的和意義 換熱器是國民經(jīng)濟和工業(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重 ，世界各國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。換熱器因而面臨著新的挑戰(zhàn)。換熱器的性能對產(chǎn)品質(zhì)量、能量利用率以及系統(tǒng)運行的經(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。目前在發(fā)達的工業(yè)國家熱回收率已達 96% 。換熱設(shè)備在現(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的優(yōu)勢，約 70% 。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。在繼續(xù)提高設(shè)備熱效率的同時，促進換熱設(shè)備的結(jié)構(gòu)緊湊性 ，產(chǎn)品系列化、標準化和專業(yè)化，并朝大型化的方向研究發(fā)展。 本次設(shè)計簡介 浮頭式換熱器是管殼式換熱器系列中的一種， 管殼式換熱器以其對溫度、壓力、介質(zhì)的適應(yīng)性，耐用性及經(jīng)濟性，在換熱設(shè)備中始終占有約 70%的主導(dǎo)地位。因此管殼式換熱器的標準化工作為世界各工業(yè)發(fā)達國家所重燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 8 視，也為 ISO 國際標準化組織的所重視。因此出現(xiàn)了 TEMA、 API660、 JISB8249等一批管殼式換熱器標準， ISO目前也正在與 API聯(lián)手并會同有關(guān)國家編 ISO管殼式換熱器標準。 總的來說 管殼式換熱器主要由換熱管束、殼體、管箱、分程隔板、支座等組成。換熱管束包括換熱管、管板、折流板、支持板、拉桿、定距管等。換熱管可為普通光管，也可為帶翅片的翅片管，翅片管有單金屬整體軋制翅片管、雙金屬軋制翅片管、繞片式翅片管、疊片式翅片管等，材料有碳鋼、低合金鋼、不銹鋼、銅材、鋁材、鈦材等。殼體一般為圓筒形，也可為方形。管箱有橢圓封頭管 箱、球形封頭管箱和平蓋管箱等。分程隔板可將管程及殼程介質(zhì)分成多程，以滿足工藝需要。管殼式換熱器主要有固定管板式， U型管式和浮頭式換熱器。 針對固定管板式與 U 型管式的缺陷，浮頭式作了結(jié)構(gòu)上的改進，兩端管板只有一端與外殼固定死，另一端可相對殼體滑移，稱為浮頭。浮頭式換熱器由于管束的膨脹不受殼體的約束，因此不會因管束之間的差脹而產(chǎn)生溫差熱應(yīng)力。浮頭式換熱器的優(yōu)點還在于方便拆卸，清洗方便，對于管子和殼體間溫差大、殼程介質(zhì)腐蝕性強、易結(jié)垢的情況很能適應(yīng)。其缺點在于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、填塞式滑動面處在高壓時易泄露，這使其應(yīng)用受到 限制，適用壓力為：～ 。 按照設(shè)計要求，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。首先，通過換熱計算確定換熱面積與管子的根數(shù)初步選定結(jié)構(gòu)。然后按照設(shè)計的要求以及一系列國際標準進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，在結(jié)構(gòu)設(shè)計時，要考慮許多因素，例如傳熱條件、材料、介質(zhì)壓力、溫度、流體性質(zhì)以及便于拆卸等等。由于時間和資料有限，本人的認識也不夠全面，在設(shè)計過程中可能還存在許多問題，望老師們給予批評和指正。 第二章 換熱器的應(yīng)用及發(fā)展和分類特點 9 第二章 換熱器的應(yīng)用及發(fā)展和分類特點 換熱器的應(yīng)用及發(fā)展 它是化工 、煉油、動力、食品、輕工、原子能、制藥、機械及其它許多工業(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%。 例如，如煙道氣（約 200～ 300℃ ）、高爐爐氣（約 1500℃ ）、需要冷卻的化學(xué)反應(yīng)工藝氣（ 300～ 1000℃ ）等的余熱，通過余熱鍋爐可生產(chǎn)壓力蒸汽，作為供熱、供氣、發(fā)電和動力的輔助能源，從而提高熱能的總利用率，降低燃料消耗和電耗，提高工業(yè)生產(chǎn)經(jīng)濟效益。 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。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，長期以來在工業(yè)生產(chǎn)中成為一種典型的換熱器。 二十世紀 20 年代出現(xiàn)板式換熱器，并應(yīng)用于食品工業(yè)。以板代管制成的換熱器，結(jié)構(gòu)緊湊，傳熱效果好，因此陸續(xù)發(fā)展為多種形式。 30 年代初，瑞典首次制成螺旋板換熱器。接著英國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，用于飛機發(fā)動機的散熱。 30 年代末，瑞典又制造出第一臺板殼式換熱器，用于紙漿工廠。在此期間，為了解決強腐蝕性介質(zhì)的換 熱問題，人們對新型材料制成的換熱器開始注意。 60 年代左右，由于空間技術(shù)和尖端科學(xué)的迅速發(fā)展，迫切需要各種高效能緊湊型的換熱器，再加上沖壓、釬焊和密封等技術(shù)的發(fā)展，換熱器制造工藝得到進一步完善，從而推動了緊湊型板面式換熱器的蓬勃發(fā)展和廣泛應(yīng)用。 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一步的發(fā)展。 近二三十年來，化工、石油、輕工等過程工業(yè)得到了迅猛發(fā)展。能源緊缺已成為世界性重大問題之一，各工業(yè)部分都在大力發(fā)展大容量、高性能設(shè)備，以減少設(shè)備的投資和運轉(zhuǎn)費用 。因此，要求提供尺寸小，重量輕、換熱燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 10 能力大的換熱設(shè)備。特別是 20世紀 70年代的世界能源危機，加速了當(dāng)代先進換熱技術(shù)和節(jié)能技術(shù)的發(fā)展。世界各國十分重視傳熱強化和熱能回收利用的研究和開發(fā)工作，開發(fā)適用于不同工業(yè)過程要求的高效能換熱設(shè)備來提高工業(yè)生產(chǎn)經(jīng)濟效益，并取得了豐碩成果。到目前為止，已研究和開發(fā)出多種新的強化傳熱技術(shù)和高效傳熱元件。為了強化傳在研究和發(fā)展熱管的基礎(chǔ)上又創(chuàng)制出熱管式換熱器。 換熱器的分類及特點 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 ： 按換熱設(shè)備熱傳遞原理或傳熱方式進行分類，可分為以下幾種主要形式。 ⑴ 直接接觸式換熱器 這類換熱器又稱混合式換熱器，它是通過冷、熱流體的直接接觸、混合進行熱量交換的換熱器。如冷卻塔、冷卻冷凝器等。為增加兩流體的接觸面積，以達到充分換熱，在設(shè)備中常放置填料和柵板，通常采用塔狀結(jié)構(gòu)。直接接觸式換熱器具有傳熱效率高、單位容積提供的傳熱面積大、設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜等優(yōu)點，但僅適用于工藝上允許兩種流體混合的場所。由于兩流體混合換熱后必須及時分離，這類換熱器適合于氣、液兩流體之間的換熱。例如， 化工廠和發(fā)電廠所用的涼水塔中，熱水由上往下噴淋，而冷空氣自下而上吸入，在填充物的水膜表面或飛沫及水滴表面，熱水和冷空氣相互接觸進行換熱，熱水被冷卻，冷空氣被加熱，然后依靠兩流體本身的密度差得以及時分離。 ⑵ 蓄熱式換熱器 這類換熱器又稱回?zé)崾綋Q熱器。它是借助于由固體 (如固體調(diào)料或多孔性格子磚等 )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，然后由冷流體通過，由蓄熱體把熱量釋放給冷流體。由于兩種流體交替第二章 換熱器的應(yīng)用及發(fā)展和分類特點 11 與蓄熱體接觸，因此不可避免地會 使兩種流體少量混合。若兩種流體不允許混合，則不能采用蓄熱式換熱器。蓄熱式換熱器結(jié)構(gòu)緊湊、價格便宜、單體體積傳熱面積大，故較適合用于氣 氣熱交換的場合。如煉焦爐下方預(yù)熱空氣的蓄熱室。這類換熱器主要用于回收和利用高溫廢氣的熱量。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。 ⑶ 間壁式換熱器 這種換熱器又稱表面式換熱器。它是利用間壁（固體壁面）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(yīng)用最為廣泛的換熱器，其形式多種多樣。 ⑷ 中間 載熱體式換熱器 這類換熱器是把兩個間壁式換熱器由在其中循環(huán)的載熱體連接起來的換熱器。載熱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。 間壁式換熱器分類 ： 間壁式換熱器根據(jù)傳熱面的結(jié)構(gòu)不同可分為管式、板面式和其他型式。 （ 1） 管式換熱器 這類換熱器都是通過管子壁面進行傳熱的換熱器。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。 （ 2） 板面式換熱器 此類換熱器都是以板面作為傳熱面， 按傳熱板面的結(jié)構(gòu)形式可分分為以下五種：螺旋板式換熱器、板式換熱器、板翅式換熱器、板殼式換熱器和傘板換熱器。 板面式換熱器的傳熱性能要比管式換熱器優(yōu)越，由于其結(jié)構(gòu)上的特點，使流體能在較低的速度下就達到湍流狀態(tài)，從而強化了傳熱。板面式換熱器采用板材制造，在大規(guī)模組織成產(chǎn)時，可降低設(shè)備成本，但其耐壓性能比管式換熱器差。 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（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)計的，如石墨換熱器、聚四氟乙烯換熱器和熱管換熱器等。 第三章 換熱器的設(shè)計方案確定 13 第三章 換熱器設(shè)計方案確定 本次的設(shè)計 要求 設(shè)計一種換熱器，要求將 15t/h 的 T1煤油由 150℃冷卻到 50℃。本次設(shè)計需要進行： 總體參數(shù)設(shè)計計算 傳熱學(xué)計算 結(jié)構(gòu)的三維設(shè)計 換熱器的工程圖設(shè)計：總裝配圖一張；零件圖 3張 確定設(shè)計方案 冷卻劑的選用 因為水是最容易獲得，并且廉價，所以本次設(shè)計中選用的冷卻劑為水。 流程安排 本設(shè)計中的兩流體均不發(fā)生相變的傳熱過程，因水的對流傳熱系數(shù)一般較大，冷卻水一般為循環(huán)水，而循環(huán)水易結(jié)垢，為便于清洗，應(yīng)采用冷卻水走換熱器的管程，煤油走殼程。 換熱器的類型設(shè)計 兩流體溫度變化情況：熱流體進口溫度： 150℃，出口溫度 50℃，冷流體進口溫度 29℃，出口溫度 39℃。由于該換熱器的管壁溫度和殼體溫度有較大溫差，大于 50℃，因此需要考慮熱補償，設(shè)煤油壓力 1MPa，冷卻水壓力也為 1MPa。該換熱器用循環(huán)冷卻水冷卻，冬季操作時，其進口溫度會降低，考慮到這一因素，估計該換熱器的管壁溫和殼體壁溫之差較大，因此初步選用浮頭式換熱器（Ⅱ型）。 完成設(shè)計所具備的工作條件及解決辦法 為完成本畢業(yè)設(shè)計，將運用在校學(xué)習(xí)的工程制圖，力學(xué)，材料學(xué)，過程裝備設(shè)計及計算機等相關(guān)知識，結(jié)合在生產(chǎn)實習(xí)等實踐教學(xué)中，學(xué)習(xí)的換熱器及零部件的 加工制造和裝配知識，以及學(xué)習(xí)的有關(guān)換熱器的設(shè)計知識，通燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 14 過對各種技術(shù)資料的收集調(diào)研，分析計算，設(shè)計繪圖的實踐，學(xué)習(xí)掌握由原理方案的設(shè)想，轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)的設(shè)計思路及設(shè)計方法。熟練掌握各方面的知識。 計算機輔助設(shè)計軟件： SW61998 、 AutoCAD2021 、 Solid works 、 ANSYS、 MS office等軟件。 工具書： 化工英漢詞典、化工設(shè)計手冊 GB 1501998 鋼制壓力容器、 GB 1511999 管殼式換熱器 本章小結(jié) 初步確定本次設(shè)計為浮頭式換熱器（Ⅱ型），循環(huán)冷卻水 走管程，煤油走殼程。 第四章 研究步驟、方法及設(shè)計產(chǎn)品的確定 15 第四章 研究步驟、方法及 設(shè)計產(chǎn)品的確定 原始數(shù)據(jù) 水進口溫度： 2t? =29℃ 水出口溫度： 2t? =39℃ 水工作壓力： P2=1MPa 煤油進口溫度： 1t? =150℃ 煤油出口溫度： 1t? =50℃ 油工作壓力： P1=1MPa 煤油流量： 15t/h 流體的物性參數(shù) 查物性表得： 煤油的定性溫度： 1001?mt ℃ 煤油的密度： 31 /763 mkg?? 煤油的比熱： )/( ℃?? kgkJC p 煤油的導(dǎo)熱系數(shù)： )/(1 3 0 ℃?? mW? 煤油的粘度 : )/(10772 61 smkg ??? ?? 煤油的普蘭德數(shù)： ? 水的定性溫度： ℃342 ?mt 水的密度： 32 /994 mkg?? 水的比熱 : )/(1 7 ℃?? kgk