【文章內(nèi)容簡介】 墊圈 ,來防止物料泄漏 ,因而它的密封周邊的總長非常長 ,防止墊圈泄漏是板式換熱器的一個重要環(huán)節(jié) ,墊圈能承受的溫度、壓力和化學穩(wěn)定性也常常成為板式換熱器使用的溫度和壓力極限以及允許用的物料范圍。另外 ,由于傳熱面之間的間隙小 ,傳熱面上有凹凸 ,因此比傳統(tǒng)的光滑的壓力損失大 ,另外 ,板式換熱器所承受的工作壓 力較低。 板翅式換熱器 由于翅片的特殊結(jié)構(gòu) ,使流體在通道中形成強烈的紊動 ,就使熱阻邊界層不斷破壞 ,從而有效地降低了熱阻 ,提高了傳熱效率。一般沸水的給熱系數(shù)是 1 500～ 30 000 Kcal/ 2m . h. ℃。 另外板翅式換熱器的結(jié)構(gòu)比較緊湊 ,單位體積的傳熱面積 ,一般要比列管式換熱器熱效率大 5 倍以上 ,每一外殼容積為 1 3m 時 ,其傳熱面積為 160 2m 左右。板翅式換熱器 6 較輕巧而牢固 ,由于翅片很薄 ,一般為 0. 2～ 0. 3 mm ,而由于結(jié)構(gòu)緊湊、體積小 ,一般有用鋁制造 ,因而重量很輕 ,同時 ,翅片既是主要的傳熱表面 ,又是兩隔板的支撐 ,故強度高。 板翅式換熱器適應(yīng)性強 ,在同一設(shè)備內(nèi)可允許有 2～ 9 種介質(zhì)換熱 ,且可用于氣體 —氣體、氣體 — 液體、液體 — 液體之間的熱交換。 主要缺點 :因流道狹小 ,容易引起堵塞而增大阻力降 ,當換熱器結(jié)垢以后 ,清洗十分困難 ,而且由于換熱器的隔板和翅片都是很薄的鋁板 (箔 ) 作成 ,故要求介質(zhì)對鋁不產(chǎn)生腐蝕 ,若一旦腐蝕而造成內(nèi)部串漏 ,則很難 修補。 熱管式換熱器 熱管是利用封裝在密閉容器內(nèi)液體的蒸發(fā)與凝結(jié)過程 ,有效地輸送熱量的一種傳熱裝置。用若干熱管作為換熱元件而組裝的換熱器稱為熱管式換熱器。熱管式換熱器多用于氣 — 氣熱交換 ,這時 ,熱管兩端的受熱段和放熱段裝有翅片 ,以提高傳熱效果。熱管式換熱器優(yōu)點在于傳熱面基本上是等溫的 ,每單位體積的傳熱面積較大 ,選擇不同的工作工質(zhì) ,可使熱管在不同的溫度條件下使用 ,結(jié)構(gòu)比較簡單 ,由熱膨脹等引起的問題較小。但是 ,熱管式換熱器的首要問題 ,是作為傳熱元件的熱管內(nèi)的工質(zhì)對于所使用的工作環(huán)境是有一定臨界熱輸送量 和工作溫度的極限的 ,如果超越這一極限溫度繼續(xù)工作 ,則蒸發(fā)段就會“燒干”而停止工作。 20 世紀 80 年代以來，換熱器技術(shù)飛速發(fā)展，帶來了能源利用率的提高。各種新型、高效換熱器的相繼開發(fā)與應(yīng)用帶來了巨大的社會經(jīng)濟效益，市場經(jīng)濟的發(fā)展、私有化比例的增大，降低成本已成為企業(yè)追求的最終目標。因而節(jié)能設(shè)備的研究與開發(fā)備受矚目。能源的日趨緊張、全球環(huán)境氣溫的不斷升高、環(huán)境保護要求的提高給換熱器帶來了日益廣闊的應(yīng)用前景。在地熱、太陽能、核能、余熱回收、風能的利用上，各國政府、民間研究 機構(gòu)和企業(yè)都加大了投入資金力度，主要表現(xiàn)在下列幾個方面。 一、研究機構(gòu)及研究現(xiàn)狀 美國傳熱研究公司是 1962 年發(fā)起組建的一個國際性、非贏利的合作研究機構(gòu)，會員數(shù)百家，遍及全球，取得了大量的研究成果，積累了換熱器設(shè)計的豐富經(jīng)驗，在傳熱機理、兩相流、振動、污垢、模擬及測試技術(shù)方面作出了巨大貢獻。近年來，該公司在計算機應(yīng)用軟件開發(fā)上發(fā)展很快，所開發(fā)的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化軟件、各種換熱器工藝設(shè)計軟件計算精度準確，不僅節(jié)省了人力，提高了效率，而且提高了技術(shù)經(jīng)濟性能。目前國內(nèi)有近 7 20 家成為會員。 英國傳熱及流體服務(wù) 中心于 1967 年成立，隸屬于英國原子能管理局。該中心有會員數(shù)百家，長期從事傳熱與流體課題的研究，所積累的經(jīng)驗和研究成果不僅廣泛用于原子能工業(yè)，而且用于一般工業(yè)。它最大特點是與各大學和企業(yè)合作，進行專門的課題研究，研究成果顯著。在傳熱與流體計算上更精確，開發(fā)的 HTFS、 TASC 各類換熱器微機計算軟件備受歡迎，國內(nèi)有 30 多家企業(yè)成為會員。 國內(nèi)各研究機構(gòu)和高等院校研究成果不斷推陳出新，在強化傳熱元件方面華南理工大學相繼開發(fā)出多孔管、螺旋槽管、波紋管、縱橫管等；天津大學在流路分析法、振動等方面研究成果顯著 ；清華大學在板片傳熱方面有深入的研究；西安交大在板翅式換熱器研究方面已取得初步成果；重慶建工學院開發(fā)出翅管換熱器；在強度軟件方面化工設(shè)備設(shè)計技術(shù)中心站開發(fā)出 SW6；在液壓脹管方面江蘇化工學院開發(fā)出液壓脹管器；以換熱器起家的蘭州石油機械研究所率先開發(fā)出板式換熱器、板式冷凝器、板式蒸發(fā)器、螺旋板換熱器、外導流筒換熱器等一批實用價值的系列高效換熱器，近年來又在強度軟件上開發(fā)出 Lansys PV、在 CAD 軟件上開發(fā)出浮頭式換熱器 Lansys HF 、 U形管式換熱器，含標準圖 2020 余套；中國石化工程建設(shè)公司與蘭州石 油化工機器廠聯(lián)合開發(fā)出螺紋鎖緊環(huán)換熱器，這些技術(shù)成果為國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，為中國煉油、化工工業(yè)的發(fā)展起到了決定作用，也使中國的傳熱技術(shù)水平步入國際先進水平。 二、 換熱器的發(fā)展過程 由于制造工藝和科學水平的限制，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， 8 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。 70 年代中期，為了強化傳熱，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。 換熱設(shè)備因其用途不同，類型繁多，性能不一，但均可歸結(jié)為管殼式結(jié)構(gòu)和板式結(jié)構(gòu)兩大類。 三、換熱器研究及發(fā)展動向 換熱器傳熱與流體流動計算的準確性，取決于物性模擬的準確性。因此，物性模擬一直為傳熱界重點研究課題之一，特別是兩相流物性的模擬。兩相流的物性基礎(chǔ)來源于實驗室實際工況的模擬，這恰恰是與實際工況差別 的體現(xiàn)。實驗室模擬實際工況很復(fù)雜，準確性主要體現(xiàn)與實際工況的差別。純組分介質(zhì)的物性數(shù)據(jù)基本上準確，但油氣組成物的數(shù)據(jù)就與實際工況相差較大，特別是帶有固定顆粒的流體模擬更復(fù)雜。為此，要求物性模擬在實驗手段上更加先進，測試的準確率更高。從而使換熱器計算更精確，材料更節(jié)省。物性模擬將代表換熱器的經(jīng)濟技術(shù)水平。 分析設(shè)計是近代發(fā)展的一門新興學科，通過分析設(shè)計可以得到流體的流動分布場，也可以將溫度場模擬出來，這無疑給流路分析發(fā)技術(shù)帶來發(fā)展，同時也給常規(guī)強度計算帶來更精確、更便捷的手段。在超常規(guī)強度 計算中，可模擬出應(yīng)力的分布圖，使常規(guī)方法無法得到的計算結(jié)果能方便、快界、準確地得到，使換熱器更加安全可靠。這一技術(shù)隨著計算機應(yīng)用的發(fā)展，將帶來技術(shù)水平的飛躍。將會逐步取代強度試驗，擺脫實驗室繁重的勞動強度。 換熱器將隨裝置的大型化而大型化，直徑將超過 5m，傳熱面積將達到單位 10000平方米，緊湊型換熱器將越來越受歡迎。隨著全球水資源的緊張，循環(huán)水將被新的冷卻介質(zhì)取代，循環(huán)將被新型、高效的空冷器所取代。保溫絕熱技術(shù)的發(fā)展，熱量損失將減少到目前的 50%以下。 各種新型、高 效換熱器將逐步取代現(xiàn)有常規(guī)產(chǎn)品。電場動力效應(yīng)強化穿熱技術(shù)、添加物強化沸騰傳熱技術(shù)、通入惰性氣體強化傳熱技術(shù)、滴狀冷凝技術(shù)，微生物傳熱技術(shù)將會在新的世紀得到研究和發(fā)展。同心管換熱器、高溫噴流式換熱器、印刷線路板換熱 9 器、穿孔板換熱器將在工業(yè)領(lǐng)域及其他領(lǐng)域得到研究和應(yīng)用。 材料將朝著強度高、制造工藝簡單、防腐效果好、重量輕的方向發(fā)展。隨著稀有金屬價格的下降，鈦等稀有金屬使用量將擴大， CrMo 鋼材料將實現(xiàn)不預(yù)熱和后熱的方向發(fā)展。 國內(nèi)污垢數(shù)據(jù)基本上是 20 世紀 60~70 年代從 國外照般而來。四十年來，污垢研究技術(shù)發(fā)展緩慢。隨著節(jié)能、增效要求的提高，污垢研究將會受到國家的重視和投入。通過對污垢形成的機理、生長速度、影響因素的研究，預(yù)測污垢曲線，從而控制結(jié)垢，這對傳熱效率的提高將帶來重大的突破。保證裝置低能耗、長周期的運行，超聲波防垢技術(shù)將得到大力發(fā)展。 腐蝕技術(shù)的研究將會有所突破，低成本的防腐涂層特別是金屬防腐鍍層技術(shù)將得到發(fā)展，電化學防腐技術(shù)將成為主導。 10 第二章 換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計計算 管殼式換熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計必須考慮許多因素，如材料、壓力、溫度、壁溫差、結(jié)垢情況、流體 的性質(zhì)以及檢修與清理等來選擇一些合適的結(jié)構(gòu)形式 對同一形式的換熱器，由于各種條件不同，往往采用的結(jié)構(gòu)亦不相同。在工程設(shè)計中，除盡量選用定型系列產(chǎn)品外，也按其特定的條件進行設(shè)計，以滿足工藝上的需要。 設(shè)計條件： 管程介質(zhì)： 尿液 ； 殼程介質(zhì)： 蒸汽 ； 換熱面積： 305 2m 管程操作溫度： 155158℃； 管程操作壓力： ； 殼程操作溫度： 193℃； 殼程操作壓力： ； 公稱直徑： 1000mm；管程數(shù)： 1； 殼程圓筒設(shè)計 圓柱型筒體 （ 1）筒體直徑 容器和封頭的直徑 GB/T90192020《壓力容器公稱直徑》規(guī)定如下。 對于用鋼板卷焊的筒體，規(guī)定用筒體的內(nèi)徑作為它的公稱直徑。其值從 300mm至6000mm,DN 在 1000 以內(nèi) 50 進一擋， 1000~6000， 100 進一擋。祥見下表。 表 壓力容器的公稱直徑 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 850 900 950 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 2020 2100 2200 2300 2400 2500 2600 2700 2800 2900 3000 當采用無縫鋼管作筒體，規(guī)定用鋼管外徑作為筒體的公稱直徑。 11 表 無縫鋼管制作筒體時容器的公稱 159 219 273 325 377 426 （ 2）工作壓力與設(shè)計壓力 設(shè)計壓力是指設(shè)定的容器頂部的最高壓力，與相應(yīng)的設(shè)計溫度一起作為設(shè)計 載荷條件。設(shè)計壓力從概念上說不同于容器的工作壓力。工作壓力是由工藝過程決定的，在工作過程中工作中工作壓力可能是變動的，同時在容器的頂部和底部壓力也可能是不同的。 容器的工作壓力既然可能是變動的，所以將容器在正常操作條件下容器頂部可能出現(xiàn)的最高工作壓力稱為容器的最大工作壓力。 容器的設(shè)計壓力應(yīng)該高與其最大工作壓力，根據(jù)具體條件不同，可按如下規(guī)定確定。 1. 裝有安全閥的容器，其設(shè)計壓力不得低于安全發(fā)的開啟壓力，安全發(fā)的開啟壓力是根據(jù)容器最大工作壓力調(diào)定的。據(jù)此，容器的設(shè)計壓力可取 p=（ ~） pw。 2. 裝有 爆破片的容器，起設(shè)計壓力不得低于爆破片的設(shè)計爆破壓力上限。根據(jù)所選用爆破片形式的不同，可?。?~） pw 為設(shè)計壓力。 3. 固定式液化氣體壓力容器設(shè)計壓力應(yīng)不低于表 213 的規(guī)定。 表 液化氣體壓力容器的設(shè)計壓力 液化氣化臨界溫度 設(shè)計壓力 無保冷設(shè)施 有可靠保冷設(shè)施 無試驗實測溫度 有試驗實測最高工作溫度且能保證低于臨界溫度 50 50 飽和蒸汽壓力 可能達到的最高工作溫度下的飽和蒸汽壓力 50 設(shè)計所規(guī)定的最大充裝量時，溫度為50 的氣體壓力 試驗實測最高溫度下的飽和蒸汽壓力 4. 固定式液化石油氣貯罐的設(shè)計壓力應(yīng)按不低于 50 時的混合液化石油氣組分的實際飽和蒸汽壓來確定，設(shè)計單位應(yīng)在單位應(yīng)在圖樣上注明限定的組分和對應(yīng)的壓力。若無實際組分數(shù)據(jù)或不做組分分析，其設(shè)計壓力側(cè)應(yīng)不低于表 12 14 規(guī)定的壓力。 表 混合液化石油氣壓力容器的設(shè)計壓力 混合液化石油氣 50 飽和蒸汽壓力 設(shè)計壓力 無保冷設(shè)施 有可靠保冷設(shè)施 異丁烷 50 飽和蒸汽壓力 等于 50 異丁烷的飽和蒸汽壓力 可能達到的最高工作溫度下異丁烷的飽和蒸汽壓力 異丁烷 50 飽和 蒸汽壓力 丙烷 50 飽和蒸汽壓力 等于 50 丙烷的飽和蒸汽壓力 可能達到的最高工作溫度下丙烷的飽和蒸汽壓力 丙烷 50 飽和蒸汽壓力 等于 50 丙烷的飽和蒸汽壓力 可能達到的最高工作溫度下丙烯的飽和蒸汽壓力 以上設(shè)計壓力的規(guī)定均只限于固定式壓力容器，移動式壓力容器設(shè)計壓力另有規(guī)定。 （ 3）設(shè)計溫度 t 設(shè)計溫度是指容器在正常操作情況，在相應(yīng)設(shè)計壓力下，設(shè)定的受壓元件的金屬溫度。設(shè)計溫度從概念上說不同于容器工作時器壁的金屬溫度。設(shè)計溫度是在相應(yīng)設(shè)計