【文章內容簡介】 業(yè)的需求。 在工業(yè)生產中，回流冷凝器主要是利用地下水冷凝蒸汽，使蒸汽經冷凝后變?yōu)橐后w，以滿足化工行業(yè)的需要。此外，換熱設備也可以回收余熱、廢熱特別是低位熱能的有效裝置。例如，煙道氣（約 C?300~200 ）、高爐爐氣（約 C?1500 ）、需要冷卻的化學反應工藝氣（ C?1000~300 ）等的余熱，通過余熱鍋爐可生產壓力蒸汽，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)生產經濟效益。 選題的依據和意義 回流冷凝器是將熱流氣體冷凝為冷流體。 改革開放以來，隨著現(xiàn)代工業(yè)的迅速發(fā)展 ,我國環(huán)境容量小，生態(tài)環(huán)境脆弱，資源相對短缺三大問題日益突出。故在尋找新能源的同時 ,也更加注重了節(jié)能新途徑的研發(fā)。強化傳熱技術的應用不但能節(jié)約能源、保護環(huán)境 ,而且能大大節(jié)約投資成本。換熱器由于其在化工、石油、動力和原子能等工業(yè)部門的廣泛應用 ,使得換熱器的強化傳熱技術一直以來受到研究 人員的重視 ,各種研究成果不斷涌現(xiàn)。各種不同結構和種類的換熱器發(fā)展很快 ,新結構、新材料的換熱器層出不窮。換熱器既可是一種單獨的設備 ,如加熱器、冷卻器和凝汽器等 。也可是某一工藝設備的組成部分 ,如石化、煤炭工業(yè)中的余熱回收裝置等。同時日常生活中的暖通空調，北方冬天家里用暖氣等都需要提高能源利用率，這些都給換熱器帶來了日益廣闊的發(fā)展前景 。 設計具有很強的實際意義。 本設計的目的和要求 首先查閱相關文獻資料了解回流冷凝器的基本原理、性質及應用，在化工生產中的地位和作用、回流冷凝器應用的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢、設計的理 論基礎、技術路線及其意義，對回流冷凝器設計有一個大體上的認識和理解。 然后 根據工藝要求進行工藝流程計算，確定設備類型、結構，并完成設備工藝設計部分，借助化工模擬軟件完成。接著完成回流冷凝器結構設計與部分零部件選型，進行設備強度 2 校核，利用 SW6 軟件包完成設備的強度計算，并以此計算結果作為最終結果，完成設計計算說明書。最后利用計算繪圖軟件繪制設備的整套設計圖紙，撰寫畢業(yè)設計說明書。 畢業(yè)設計是在完成各項設計內容的基礎上，按上述內容闡述設計的目的、過程、成果及結論。在撰寫設計說明書的過程中，理論依據要充分，數據要準 確，公式計算要正確，能將所學的知識和技能應用于畢業(yè)設計中。另外，要注意設計說明書結構的合理性；總體設計方案要正確合理；結構設計的合理性，設計數據的準確性；社會調查的客觀性和科學性。是否有自己獨特的見解或者創(chuàng)新。 另外，撰寫設計說明書時要概念清楚，內容正確，結構嚴謹，文字通暢，用語符合技術專業(yè)規(guī)范，各種標準資料的運用符合學科、專業(yè)國家標準的規(guī)定，圖表清楚，圖面質量符合要求，書寫格式規(guī)范。 國內外現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 回流冷凝器是換熱設備的一類，用以冷卻流體。通常用水或空氣為冷卻劑以除 去熱量，廣泛用于化工，在精餾操作中和釜式再沸器一起使用，回流冷凝器主要用于提供液相回流，直接影響到精餾塔的穩(wěn)定操作工況與餾出液的產品分率。我國出現(xiàn)了自主開發(fā)傳熱技術的新趨勢，大量的強化傳熱元件推向市場，國內外傳熱技術的代表作有 折流桿換熱器、新結構高效換熱器、高效重沸器、高效冷凝器、雙殼程換熱器、板殼式換熱器、表面蒸發(fā)式空冷器等一大批優(yōu)良的換熱器?，F(xiàn)在換熱器的研究及發(fā)展方向有：物性模擬研究；分析設計研究；大型化及能耗研究；強化技術研究；新材料的研究；控制結垢與腐蝕的研究等。隨著計算機技術的發(fā)展，使得一些新型研 究更為方便與快捷，使換熱器更為安全可靠，隨著全球水資源的緊張，循環(huán)水將被新的冷卻介質取代，循環(huán)將被新型高效的空冷器所取代。 2 管殼式換熱器的分類及選型 分類 根據管殼式換熱器的結構特點，可分為固定管板式、浮頭式、 U 形管式、填料函式和釜式重沸器五類。 （ 1）固定管板式換熱器 固定管板式換熱器的典型結構如圖 21 所示，管束連接在管板上，管板與殼體焊接。其優(yōu)點是結構簡單、緊湊、能承受較高的壓力，造價低，管程清洗方便， 3 管子損壞時易于堵管或更換；缺點是當管束與殼體的壁溫或材料的線膨脹系數相差較大時， 殼體和管束中將產生較大的熱應力。這種換熱器適用于殼側介質清潔且不易結垢并能進行清洗，管、殼程兩側溫差不大或溫差較大但殼側壓力不高的場合。為減少熱應力，通常在固定管板式換熱器中設置柔性元件（如膨脹節(jié)、撓性管板等），來吸收熱膨脹差。 圖 21 固定管板式換熱器 （ 2）浮頭式換熱器 浮頭式換熱器的典型結構如圖 22 所示，兩管板中只有一端與殼體固定，另一端可相對殼體自由移動，稱為浮頭。浮頭有浮動管板、鉤圈和浮頭端蓋組成，是可拆連接，管束可從殼體內抽出。管束與殼體的熱變形互不約束，因而不會產生熱應力。 浮頭式換熱器 的特點是管間和管內清洗方便，不會產生熱應力；但其結構復雜，造價比固定管板式換熱器高，設備笨重，材料消耗量大，且浮頭端小蓋在操作中無法檢查，制造時對密封要求較高。適用于殼體和管束之間壁溫差較大或殼程介質易結垢的場合。 圖 22 浮頭式換熱器 （ 3） U 形管式換熱器 U形管式換熱器的典型結構如圖 23所示，這種換熱器的結構特點是，只有 4 一塊管板，管束由多根 U 形管組成，管的兩端固定在同一塊管板上，管子可以自由伸縮。當殼體與 U形換熱管有溫差時，不會產生熱應力。 由于受彎管曲 率半徑的限制，其換熱管排布較少，管束最內層管間距較大，管板的利用率較低，殼程流體易形成短路，對傳熱不利。當管子泄漏損壞時，只有管束外圍處的 U形管才便于更換，內層換熱管壞了不能更換，只能堵死，而壞一根 U形管相當于壞兩根管，報廢率較高。 結構比較簡單、價格便宜，承壓能力強，適用于管、殼壁溫差較大或殼程介質易結垢需要清洗，又不適宜采用浮頭式和固定管板 式的場合。特別適用于管內走清潔而不易結垢的高溫、高壓、腐蝕性大的物料。 圖 23 U 形管式換熱器 （ 4） 填料 函式換熱器 填料函式換熱器的結構如圖 2 25所示，這種換熱器的結構特點與浮頭式換熱器相類似，浮頭部分露在殼體以外，在浮頭與殼體的滑動接觸面處采用填料函式密封結構。由于采用填料函式密封 結構，使得管束在殼體軸向可以自由伸縮，不會產生殼壁與管壁熱變形差而引起的熱應力。其結構較浮頭式換熱器簡單，加工制造方便，節(jié)省材料，造價比較低廉，且管束從殼體內可以抽出，管內、管間都能進行清洗，維修方便。 因填料處易產生泄漏，填料函式換熱器一般適用于 MPa4 以下的工作環(huán)境，且不適用于易揮發(fā)、易燃、易爆、有毒及貴重介質，使用溫度也受填料的物性限制。填料函式換熱器現(xiàn)在已很少采用。 5 圖 24 填料函雙殼程換熱器 圖 25 填料函分流式換熱器 （ 5） 釜式重沸器 釜式重沸器的結構如圖 26所示，這種換熱器的管束可以為浮頭式、 U形管式和固定管板式結構，所以它具有浮頭式、 U形管式換熱器的特性。在結構上與其他換熱器不同之處在于殼體上部設置一個蒸發(fā)空間，蒸發(fā)空間的大小由產氣量和所要求的蒸氣品質所決定。產氣量大、蒸氣品質要求高者蒸發(fā)空間大，否則可以 小些。 此換熱器與浮頭式、 U形管式換熱器一樣，清洗維修方便，可處理不清潔、易結垢的介質，并能承受高溫、高壓。 圖 26 釜式重沸器 任務安排 ： 30000 噸 /年正戊烷 8000kg/h 地下水 6 ： 立式列管冷凝器 (1)正戊烷：蒸汽溫度 ℃ 冷凝為飽和液體 (2)冷卻介質：地下水，入口溫度 25℃ (3)每年 330 天計，每天 24 小時連續(xù) 選擇換熱器的類型 兩流體在定性溫度下的物性參數如下： 物料 溫度 密度 粘度 比熱容 導熱系數 ℃ kg/m^3 Pa s KJ/（ kg℃） W/（ m℃） 正戊烷 596 105 地下水 25 105 25℃ : hm =30000 1000/330/24= ℃時正戊烷的蒸發(fā)潛熱 r=熱負荷為： Qh= hm r== ： T2=Q/(M2C)+T1=+25=℃ tm=（ 25+） /2 = ℃ 兩流體的溫差 Tmtm=50℃，選用固定管板式換熱器 ： T m=（ +） /In{（ ） /（ ） }=℃ 3 換熱器的工藝設計 工藝計算 流徑選擇 （ 1） 選擇原則 7 ① 不清潔或易結垢的流體宜走容易清洗的一側。對于直管管束，宜走管程；對 于 U 形管管束，宜走殼程。 ② 腐蝕性流體宜走管程，以免殼體和管束同時被腐蝕。 ③ 壓力高的流體宜走管程，以避免制造較厚的殼體。 ④ 為增大對流傳熱系數，需要提高流速的流體宜走管程，因管程流通截面積一 般比殼程小，且做 成多管程也較容易。 ⑤ 兩流體溫差較大時，對于固定管板式換熱器，宜將對流傳熱系數大的流體走 殼程， 以減少管壁與殼體的溫差，減小熱應力。 ⑥ 蒸氣冷凝宜走殼程，以利于排出冷凝液。 ⑦ 需要冷卻的流體宜選殼程，便于散熱，以減少冷卻劑用量。但溫度很高的流 體，其熱能可以利用，宜選管程，以減少熱損失。 ⑧ 黏度大或流量較小的流體宜走殼程，因有折流擋板的作用，在低 eR 下 （ 100?eR ）即可達到湍流。 （ 2） 選擇流徑 正戊烷蒸汽相對比較潔凈，選擇正戊烷蒸汽走殼程，地下水走管程，既有利于地下水水冷卻效率高，也可借助外界溫度加速地下水冷卻。 確定物性參數 由前面計算可知，正戊烷的定性溫度 為 ℃ ，地下水水的定性溫度為℃ . 根據定性溫度，分別查取正戊烷和水的有關物性參數，列表 31 如下： 表 31 物性參數表 物性 殼程 (正戊烷 ) 管程 (地下水 ) 符號 數據 符號 數據 密度 3/mkg h? 596 c? 比熱容 )/ Ckgkj ??（ hC? cC? 粘度 Pa S h? 105 c? 80105 導熱系數 mW/ ℃ h? c? 進口 溫度℃ 1T 1t 25 8 出口溫度℃ 1T 2t 傳熱平均溫度差的計算 根據間壁兩側流體溫度沿傳熱面是否有變化，即是否有升高或降低，可 將傳熱分為恒溫傳熱和變溫傳熱兩類。若間壁的一側或兩側流體沿傳熱面的不同位置溫度不同，即流體從進口到出口，溫度有了變化，或是升高或是降低，這種情況的傳熱稱為變溫傳熱。在變溫傳熱中，沿傳熱面溫度差是變化的，所以在傳熱計算中需要求出傳熱過程的平均溫度差 mt? 。本設計就屬于變溫傳熱中兩側變溫傳熱的情況。 根據兩側流體變溫下的溫度差變化情況，可分為逆流、并流、錯流和折流。在逆流（即冷、熱兩流體在傳熱面兩側流向相反）操作時，熱流體和冷 流體用可以比并流操作時少，所以工程上多采用逆流操作，在本設計中先按逆流計算，再校正。 先求逆流時的傳熱平均溫度差： 211 tTt ??? , 122 tTt ??? ； ??mt （ ） /ln()=℃ 計算傳熱面積 根據熱流體為低沸點 烴類蒸汽冷凝，冷流體為水，根據《化工原理課程設計》有表 32取傳熱系數 計K =900 )]/([ 2 CmW ?? ， 表 32 管殼式換熱器中 K 值的大致范圍 熱流體 冷流體 傳熱系數 K )]/([ 2 CmW ?? 水 水 1700~850 輕油 水 910~340 重油 水 280~60 氣體 水 280~17 水蒸汽冷凝 水 4250~1420 水蒸汽冷凝 氣體 300~30 低沸點烴類蒸汽冷凝（常壓） 水 1140~455 高沸點烴類蒸汽冷凝（常壓） 水 170~60 9 水蒸汽冷凝 水沸騰 4250~2020 水蒸汽冷凝 輕油沸騰 1020~455 水蒸汽冷凝 重油沸騰 425~140 則有估算的傳熱面積： mtK