【文章內(nèi)容簡介】 發(fā)空間，蒸發(fā)空間的大小由產(chǎn)氣量和所要求的蒸汽品質(zhì)所決定。產(chǎn)氣量大、蒸汽品質(zhì)要求高者蒸發(fā)空間大，否則可以小些。 此種換熱器 與浮頭式、 U形管式換熱器一樣，清洗維修方便，可處理不清潔、易結(jié)圖 11 帶膨脹 節(jié)溫差補償型固定管板式換熱器 圖 13 U形管式換熱器 安徽工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 4 構(gòu)的介質(zhì)，并能承受高溫、高壓。 換熱器的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 國內(nèi)研究現(xiàn)狀 列管式 換熱器是一個品種繁多的產(chǎn)品， 目前 我國在列管式換熱器的研究主要體現(xiàn)在以下兩個方面： (1)新的耐磨，耐腐蝕和高強度材料： 換熱器 的 操作條件日趨苛刻，迫切需要新的耐磨損、耐腐蝕、高強度材料。近年來，我國在發(fā)展不銹鋼銅合金復(fù)合材料、鋁鎂合金及碳化硅等非金屬材料等方面都有不同程度的進展，其中尤以鈦材發(fā)展較快。鈦對海水、氯堿、醋酸等有較好的抗腐蝕能力，如再強化傳熱，效果將更好，目前一些制造單位已較好的掌握了鈦材的加工制造技術(shù)。 (2)高效節(jié)能的列管式換熱器：近年來，能源緊缺，材料費用上漲，為此，對高效節(jié)能的列管式換熱器的研究成為換熱器領(lǐng)域的研究熱點。目前 對高效列管式換熱器的研究主要集中在強化管程和殼程兩個方面，且以實驗的研究方法為主。我國對列管式換熱器的研究多借鑒于國外的一些研究成果，還存在以下不足： (1)強化傳熱技術(shù)的研究有待深化； (2)流體誘導(dǎo)的振動難以控制； (3)防垢和除垢有待更好的處理。 國外研究現(xiàn)狀 對國外換熱器市場的調(diào)查表明， 列管 式換熱器占 64%。雖然各種板式換熱器的競爭力在上升，但管殼式換熱器仍將占主導(dǎo)地位。隨著動力、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。而換熱器在結(jié)構(gòu)方面也有不少新的發(fā)展。螺旋折流板換熱 器是最新發(fā)展起來的一種管殼式換熱器是由美國 ABB 公司提出的。其基本原理為 :將圓截面的特制板安裝在 “ 擬螺旋折流系統(tǒng) ”中每塊折流板占換熱器殼程中橫剖面的四分之一 ， 其傾角朝向換熱器的軸線即與換熱器軸線保持一定傾斜度。相鄰折流板的周邊相接與外圓處成連續(xù)螺旋狀。每個折流板與殼程流體的流動方向成一定的角度使殼程流體做螺旋運動能減少管板與殼體之間易結(jié)垢的死角從而提高了換熱效率。在氣水換熱的情況下傳遞相同熱量時該換熱器可減少 30%40%的傳熱面積節(jié)省材料20%30%。相對于弓形折流板螺旋折流板消除了弓形折流板的返混現(xiàn) 象、卡門渦街從而提高有效傳熱溫差防止流動誘導(dǎo)振動 。在相同流速時殼程流動壓降小 ?；静淮嬖谡饎优c傳熱死區(qū)不易結(jié)垢。對于低雷諾數(shù)下 (Re 1000)的傳熱螺旋折流板效果更為突出。 發(fā)展趨勢 換熱器經(jīng)過多年發(fā)展，技術(shù)日臻成熟。目前出現(xiàn)的最新技術(shù)動向有： (1)計算流體力學(xué)：計算流體力學(xué) (CFD)是指運用計算機的軟硬件技術(shù)，建立流體的流動和熱傳遞模型，并進行計算機模擬和仿真，從而對流體的流動區(qū)域和熱傳遞的分布進行更詳細(xì)的預(yù)測。換熱器的設(shè)計中有許多實驗代價很高 ,而且很耗時間 ,有些甚至不可能實現(xiàn)，計算流體力學(xué)的發(fā)展方便了這些實驗的實現(xiàn)。 (2)專家系統(tǒng)：專家系統(tǒng)在換熱器的設(shè)計和選型中應(yīng)用較快。將專家系統(tǒng)用于管殼式換熱器設(shè)計和選型 ,可以輔助設(shè)計者對流體流徑、殼體及浮頭類型、換熱器結(jié)構(gòu)尺寸、折流板類型和換熱器整體布置等問題進行決策。目前，商品化的專家系統(tǒng)還很少 ,許多廠家開發(fā)的專家系統(tǒng)僅在內(nèi)部使用。 (3)用于整體裝置設(shè)計的數(shù)據(jù)庫技術(shù) : 最近發(fā)展起來用于整體裝置設(shè)計的數(shù)據(jù)庫技術(shù) ,可以使這種繁重的任務(wù)變得簡單起來。通過數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，不同類型的設(shè)計應(yīng)用軟件可以有機地形成一個整體，設(shè)計者只需通過數(shù)據(jù)庫操作系統(tǒng)向應(yīng)用軟件中輸入相 關(guān)參數(shù)，便可得到更多的關(guān)于設(shè)計任務(wù)的數(shù)據(jù)，并且這些數(shù)據(jù)可以反饋到數(shù)據(jù)庫中。 本設(shè)計的主要內(nèi)容 設(shè)計一臺合適 的列管式換熱器，其中包括： 1)畢業(yè)設(shè)計開題報告和外文期刊翻譯； 2)換熱器的工藝設(shè)計； 劉松：反應(yīng)釜冷卻器設(shè)計 5 3)換熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計 和強度校核 ； 4)通過設(shè)計計算 盡可能 提高換熱器的傳熱效率和減少能源消耗，達到更高效，更節(jié)能的目的 ； 5)列管式換熱器總裝配圖和零件圖。 安徽工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 6 第 2 章 換熱器的工藝 設(shè)計 設(shè)計有關(guān)參數(shù) 表 21 設(shè)計有關(guān)參數(shù) 物 料 溫 度 C? 質(zhì)量流量kgh 操作壓力 MPa 比熱KJ kg C?? 密度3kgm 導(dǎo) 熱 系 數(shù)Wm C?? 粘度 310 Pa s??? 入口 出口 有機液 65 60 40000 水 25 設(shè)計方案 對于列管式換熱器，確定其設(shè)計方案應(yīng)從 七個方面著手： ； b.選擇流體流動空間； ； 冷卻劑； ；； [1]。 (1)選定換熱器類型 兩流體溫度變化情況：熱流體（有機液）入口溫度為 65℃ ，出口溫度為 60℃ ；冷流體（冷卻水）入口溫度為 25℃ ，出口溫度為 ℃ 。 兩流體的定性溫度如下 : 有機液的定性溫度 65 60 62 .5 C2mT ?? ? ? 冷卻水的定性溫 度 25 C2mt ?? ? ? 兩流體的溫差 6 2 . 5 2 9 . 2 5 3 3 . 2 5 CmmTt? ? ? ? ? 固定管板式換熱器適用于殼側(cè)介質(zhì)清潔且不易結(jié)垢并能進行清洗，管、殼程兩側(cè)溫差不大或溫差較大但殼側(cè)壓力不高的場合，因此可以選擇固定管板式換熱器。 并且兩流體的溫差小于 50℃ ，可以不設(shè)置溫度補償。 (2)選定流體流動空間 安排哪一種流體流經(jīng)換熱器的管程，哪一種流體走殼程，是選用列管式換熱器時需要確定的，以下各項需要在安排流動空間時加以考慮： ，因為管內(nèi)清洗比較方便； 性的流體宜走管程，以免殼體和管子同時受腐蝕； ，以免殼體受壓，可節(jié)省課程金屬消耗； ，以便于及時排出冷凝液，且蒸氣較清潔，它對清洗無要求； ，使泄漏機會較少； 宜走殼程，這便于外殼向周圍的散熱，增強冷卻效果； 。在低 Re 值下達到湍流，以提高對流傳熱系數(shù)； ，對于固定管板式換熱器，應(yīng)使對流傳熱系數(shù)大的流體走殼程，這樣可使管壁與殼體的溫度接近，減小熱應(yīng)力； 劉松：反應(yīng)釜冷卻器設(shè)計 7 實際工作中，以上 各項往往難以兼顧，需要根據(jù)具體情況滿足最重要的幾個方面。 由于冷卻水易結(jié)垢，且冷卻水的操作壓力大于有機液的操作壓力，而且是有機液被冷卻，所以選擇冷卻水走管程，有機液走殼程。 估算換熱面積 計算熱負(fù)荷和冷卻水用量 ????1mq 有機液的質(zhì)量流量 kgh ； ????1pC 有機液的比熱容 KJ kg C?? ； ????2mq 冷卻水的質(zhì)量 流量 kgh ； ????2pC 冷卻水的比熱容 KJ kg C?? ； ????Q 熱負(fù)荷 。 1 65CT?? 2 60 CT ?? 1 25Ct ?? 2 Ct ?? 熱負(fù)荷 : 31 1 1 2 4 0 0 0 0 3 . 5 3 4 1 0 ( 6 5 6 0 )( ) 1 9 6 3 3 3 . 3 3 W3600mpQ q C T T ? ? ? ?? ? ? ? (21) 忽略熱損失，則水的用量為 ： 2 32 2 1 1 9 6 3 3 3 . 3 3 1 9 8 9 3 . 0 4 8 k g h( ) 4 . 1 8 0 1 0 ( 3 3 . 5 2 5 )m p Qq C t t? ? ?? ? ? ? (22) 計算逆流平均溫度差 有機液溫度： 65 C? →60 C? 冷卻水溫度： C? ←25 C? 因此 1 6 0 2 5 3 5 Ct? ? ? ? ? 2 6 5 3 3 .5 3 1 .5 Ct? ? ? ? ? 逆流 溫差 121235 31 .5 33 .2 2 Cl n( ) l n( 35 31 .5 )m ttt tt? ? ? ??? ? ? ? ??? (23) 估算傳熱面積 （ 1）初選總傳熱系數(shù) K 查 參考文獻 [1]，參照總傳熱系數(shù)的大致范圍，同時考慮到殼程冷卻水的壓力較高，故可選較大的傳熱系數(shù)，現(xiàn)假設(shè) 2560 W m CK ? ??。 （ 2）估算傳熱面積 m39。 56 0 33 .2 2mQA Kt? ? ? ??? (24) 考慮 15%的面積裕度， 21 .1 5 1 2 .1 3 6 8 mSA??? 工藝結(jié)構(gòu)尺寸 管徑和管內(nèi)流速 選用 19mm 2mm? ? 的 較高級冷拔碳鋼管，管內(nèi)流速參照表 22 取 39。 siu ? 。 安徽工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 8 表 22 換熱器常用的流速范圍 介質(zhì) 流程 循環(huán)水 新鮮水 一般液體 易結(jié)垢液體 低黏度油 高黏度油 氣體 管程流速/(m/s) ~ ~ ~ ＞ ~ ~ 5~30 殼程流 速/(m/s) ~ ~ ~ ＞ ~ ~ 2~15 管程數(shù)和傳熱管數(shù) 根據(jù)換熱管內(nèi)徑和流速確定單程換熱管數(shù) sn 1844 5 0 8 22 ???? ??? iis udVn根 (25) 按單管程計算所需換熱管的長度 L 11 .3 m3. 14 3. 14 18 0. 01 9soSL nd? ? ??? (26) 由于按單管程設(shè)計，換 熱管過長，根據(jù)本設(shè)計實際情況，取換熱管長 3ml? ,則該換熱器的管程數(shù)為 43 ??? lLN P 管程 (27) 換熱管的總根數(shù) 72418 ???TN 根 平均傳熱溫差校正及殼程數(shù) 12 ??????? tT ttP (28) 606512 21 ??????? tt TTR (210) 根據(jù) 參考文獻 [3]圖 F2 查得： 1?? 平均傳熱溫差 3 3 .2 2 Cmmtt? ?? ? ? ? ? 由于溫差校正系數(shù) 1 ??? ，同時殼程流體流量較大，故取單殼程較合適。 換熱管的排列和分程方法 采用組合排列，即每層內(nèi)按正三角形排列，隔板兩側(cè)按正方形排列。根據(jù)表 23，取管心距 25mmt? 表 23 常用換熱管的管心距 換熱管外徑 (mm) 19 25 32 38 換熱管中心距 (mm) 25 32 40 48 分程隔板處換熱管中心距 (mm) 38 44 52 60 同時根據(jù)上表，分程隔板兩側(cè)相鄰管排之間的管心距 38mmat ? 換熱管的排管原則 [3]： (1)換熱管的排列應(yīng)使整個管束完全對稱； (2)在符合 和 節(jié)規(guī)定的范圍內(nèi)，全部 布 滿換熱管； (3)拉桿應(yīng)盡量均勻布置在管束的外邊緣。在靠近折流板缺邊位置處應(yīng)布置拉桿，其間距小于或等于 700mm。拉桿中心至折流板缺邊的距離應(yīng)盡量控制在換熱管中心距劉松：反應(yīng)釜冷卻器設(shè)計 9 的 (～ ) 3 范圍內(nèi) ； 殼體內(nèi)徑 采用四管程結(jié)構(gòu)，根據(jù)參考文獻 [16]，管板利用率 ~?? ，取 ?? ，則殼體內(nèi)徑 1 . 0 5 1 . 0 5 2 5 7 2 0 . 7 2 6 6 . 2 2m mTD t N ?? ? ? ? ? (211) 圓整取 300mmD? 。 折流板 設(shè)置折流板的目的是為了提高殼程流速， 增加湍流程度，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)垢。在臥式換熱器中，折流板還起支承管束的作用 。 （ 1）切去的圓缺高度 常用 的折流板形式有弓形和圓盤 圓環(huán)形兩種。本冷卻器采用弓形折流板，根據(jù) 參考文獻 [3]，取弓形折流板圓缺高度為殼體內(nèi)徑的 30%，則切去的圓缺高度為 ???h ,取 90mmh? 。 （ 2）折流板的板間距 最小板間距，取殼體內(nèi)徑的 1/5 或 50mm中的較大值。 最大板間距，應(yīng)保證換熱管的無支承長度不 超過表 24 規(guī)定，用作折流時，其值尚應(yīng)不大于殼體內(nèi)徑。 表 24 換熱管最大無支承長度 換 熱管外徑 (mm) 19 25 32 38 最大跨距 (mm) 1500 1900 2200 2500 取折流板間距 280mmB? ,則折流板數(shù) ????? BlN B (212) 取 9?BN 。 為了防止積液，應(yīng)在折流板上開通液口，如圖 21 所示 ，折流板圓缺水平安裝。