【文章內(nèi)容簡介】 熱系數(shù)小，效率低。 可靠性差。 生產(chǎn)周期長，金屬耗量大。 組裝、檢修、維護(hù)困難。無論是換熱器的研制者，還是換熱器的使用者，都追求換熱器性能指標(biāo)的完美。當(dāng)前發(fā)展的基本方向是：繼續(xù)提高換熱器的熱效率，改進(jìn)換熱器結(jié)構(gòu)的緊湊性，加速生產(chǎn)制造 的標(biāo)準(zhǔn)化、系列化和專門化。管殼式換熱器追求的目標(biāo)是：綜合傳熱系數(shù) K 值高；兩側(cè)流體的壓力損失 △ P 值低；體積的緊湊度 a 值高；低廉的成本和價(jià)格；性能持久和使用壽命長；制造容易和操作方便 [4]。 從什么角度分析中國管殼式換熱器產(chǎn)業(yè)的發(fā)展?fàn)顩r？以什么方式評(píng)價(jià)中國管殼式換熱器產(chǎn)業(yè)的發(fā)展程度？中國管殼式換熱器產(chǎn)業(yè)的發(fā)展定位和前景是什么？中國管殼式換熱器產(chǎn)業(yè)發(fā)展與當(dāng)前經(jīng)濟(jì)熱點(diǎn)問題關(guān)聯(lián)度如何 …… 諸如此類，都是管殼式換熱器產(chǎn)業(yè)發(fā)展必須面對(duì)和解決的問題 ——中國管殼式換熱器產(chǎn)業(yè)發(fā)展已到了岔口；中國管殼式換熱器產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)企業(yè)急需選擇 發(fā)展方向。 中國管殼式換熱器產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究報(bào)告闡述了世界管殼式換熱器產(chǎn)業(yè)的發(fā)展歷程，分析了中國管殼式換熱器產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀與差距，開創(chuàng)性地提出了 “新型管殼式換熱器產(chǎn)業(yè) ” 及替代品產(chǎn)業(yè)概念，在此基礎(chǔ)上，從四個(gè)維度即 “以人為本 ”、 “科技創(chuàng)新 ”、 “環(huán)境友好 ”和 “面向未來 ”準(zhǔn)確地界定了 “新型管殼式換熱器產(chǎn)業(yè) ” 及替代產(chǎn)品的內(nèi)涵。根據(jù) “新型管殼式換熱器產(chǎn)業(yè) ” 及替代品的評(píng)價(jià)體系和量化指標(biāo)體系，從全新的角度對(duì)中國管殼式換熱器產(chǎn)業(yè)發(fā)展進(jìn)行了推演和精準(zhǔn)預(yù)測，在此基礎(chǔ)上，對(duì)中國的行政區(qū)劃和四大都市圈的管殼式換熱器產(chǎn)業(yè)發(fā)展進(jìn)行了全面 的研究。 換熱器的發(fā)展前景：換熱器的所有種類中，管殼式換熱器是一個(gè)量大而品種繁多西安石油大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 的產(chǎn)品，由于國防工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，換熱器操作條件日趨苛刻，迫切需要新的耐磨損、耐腐蝕、高強(qiáng)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(jìn)展，其中尤以鈦材發(fā)展較快。鈦對(duì)海水、氯堿、醋酸等有較好的抗腐蝕能力，如再強(qiáng)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)。對(duì)材料的噴涂，我國已從國外引進(jìn)生產(chǎn)線。鋁鎂合金具有較高的抗腐蝕性和導(dǎo)熱性，價(jià)格比鈦材便宜，應(yīng)予注 意。近年來國內(nèi)在節(jié)能增效等方面改進(jìn)換熱器性能，提高傳熱效率，減少傳熱面積降低壓降，提高裝置熱強(qiáng)度等方面的研究取得了顯著成績。換熱器的大量使用有效的提高了能源的利用率，使企業(yè)成本降低，效益提高。根據(jù)國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十一個(gè)五年規(guī)劃綱要，“十一五 ”期間我國經(jīng)濟(jì)增長將保持年均 ％的速度。而石化及鋼鐵作為支柱型產(chǎn)業(yè)，將繼續(xù)保持快速發(fā)展的勢頭，預(yù)計(jì) 2021 年鋼鐵工業(yè)總產(chǎn)值將超過 5000 億元，化工行業(yè)總產(chǎn)值將突破 4000 億元。這些行業(yè)的發(fā)展都將為換熱器行業(yè)提供更加廣闊的發(fā)展空間。未來，國內(nèi)市場需求將呈現(xiàn)以下特點(diǎn)： 對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量水平提出了更高的要求，如環(huán)保、節(jié)能型產(chǎn)品將是今后發(fā)展的重點(diǎn)；要求產(chǎn)品性價(jià)比提高；對(duì)產(chǎn)品的個(gè)性化、多樣化的需求趨勢強(qiáng)烈；逐漸注意品牌產(chǎn)品的選用；大工程項(xiàng)目青睞大企業(yè)或企業(yè)集團(tuán)產(chǎn)品。 據(jù)統(tǒng)計(jì)，在一般石油化工企業(yè)中，換熱器的投資占全部投資的 40﹪ 50﹪；在現(xiàn)代石油化工企業(yè)中約占 30﹪ 40﹪；在熱電廠中，如果把鍋爐也作為換熱設(shè)備，換熱器的投資約占整個(gè)電廠總投資的 70﹪；在制冷機(jī)中，蒸發(fā)器的質(zhì)量要占制冷機(jī)總質(zhì)量的 30﹪ 40﹪，其動(dòng)力消耗約占總值的 20﹪ 30﹪。由此可見，換熱器的合理設(shè)計(jì)和良好運(yùn)行對(duì)企 業(yè)節(jié)約資金、能源和空間都十分重要。提高換熱器傳熱性能并減小其體積，在能源日趨短缺的今天更是具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益 [5]。 換熱器的國外發(fā)展概況 對(duì)國外換熱器市場的調(diào)查表明，管殼式換熱器占 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(dòng)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?，F(xiàn)就幾種新型換熱器的特點(diǎn)簡介如下： 自 20 世紀(jì) 70 年代世界爆發(fā)能源危機(jī)以來，對(duì)傳統(tǒng)換熱設(shè)備的強(qiáng)化傳熱研究逐漸興起，并主要集中在 兩大方向上：一是開發(fā)新品種的換熱器，如板式、螺旋板式、振動(dòng)盤式、板翅式等，這些換熱器的設(shè)計(jì)思想都是盡可能地提高換熱器的緊湊度和換熱效率；二是對(duì)傳統(tǒng)的管殼式換熱器采取強(qiáng)化傳熱措施，也就是用各種異型強(qiáng)化管取代原來的光管，如螺紋管、橫紋（槽）管、縮放管、翅片管，或者在管內(nèi)插入擾流物，如螺旋扭帶、靜態(tài)混合器等 [6]?，F(xiàn)就幾種新型換熱器的特點(diǎn)簡介如下： 1） 氣動(dòng)噴涂翅片管換熱器 西安石油大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 俄羅斯提出了一種先進(jìn)方法，即氣動(dòng)噴涂法，來提高翅片化表面的性能。其實(shí)質(zhì)是采用高速的冷的或稍微加溫的含微粒的流體給翅片表面噴鍍粉末粒子。用該方 法不僅可噴涂金屬還能噴涂合金和陶瓷（金屬陶瓷混合物），從而得到各種不同性能的表面。 將研究的翅片的效率與計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，得出的結(jié)論是：氣動(dòng)噴涂翅片的底面的接觸阻力對(duì)效率無實(shí)質(zhì)性影響。為了證實(shí)這一點(diǎn)，又對(duì)基部管子與表面翅片的過渡區(qū)進(jìn)行了金相結(jié)構(gòu)分析。 2） 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(duì)整個(gè)設(shè)備的質(zhì)量有一系列的影響，因?yàn)殁F焊法必將從換熱中 “扣除 ”很大一部分管子和金屬絲的表面。更重要的是，由于焊料迅速老化和 破碎會(huì)造成機(jī)器和設(shè)備堵塞，隨之提前報(bào)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(shí)產(chǎn)生的機(jī)械接觸來固定筋條。采用此法能促進(jìn)得到釬焊時(shí)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(duì)于金屬絲僅用做隔斷時(shí)，可以認(rèn)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(shí)，只有當(dāng)非釬焊筋條的有效傳熱面不小于釬焊連接時(shí)，才應(yīng)更偏重于此方法。 3） 螺旋折流板換熱器 在管殼式換熱器中，殼程通常是一個(gè)薄弱環(huán)節(jié)。通常普通的弓形折流板能造成曲折的流道系統(tǒng)（ z 字形流道） ，這樣會(huì)導(dǎo)致較大的死角和相對(duì)高的返混。而這些死角又能造成殼程結(jié)垢加劇，對(duì)傳熱效率不利。返混也能使平均溫差失真和縮小。其后果是，與活塞流相比，弓形折流板會(huì)降低凈傳熱。由于弓形折流板管殼式換熱器很難滿足高熱效率的要求，故常為其他型式的換熱器所取代（如緊湊型板式換熱器）。 對(duì)普通折流板幾何形狀的改進(jìn)，是發(fā)展殼程的第一步。為此，美國提出了一種新方案，即建議采用螺旋狀折流板。這種設(shè)計(jì)的先進(jìn)性已為流體動(dòng)力學(xué)研究和傳熱試驗(yàn)結(jié)果所證實(shí)，此設(shè)計(jì)已獲得專利權(quán)。此種結(jié)構(gòu)克服了普通折流板的主要缺點(diǎn)。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 [7]。相鄰折流板的周邊相接，與外圓處成連續(xù)螺旋狀。每個(gè)折流板與殼程流體的流動(dòng)方向成一定的角度，使殼程流體做螺旋運(yùn)動(dòng)，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。在氣一水換熱的情況下，傳遞相同熱量時(shí)，該換熱器可減少30 %40 %的傳熱面積，節(jié)省材料 20 %30 %。相對(duì)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(dòng)誘導(dǎo)振動(dòng)；在相同流速時(shí)，殼程流動(dòng)壓降??；基本不存在震動(dòng)與傳熱死區(qū)，不易結(jié)垢。對(duì)于低雷西安石油大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 諾數(shù)下 Re 1 000 的傳熱，螺旋折流板效果更為突出 [8]。 4）折流桿式換熱器 20 世紀(jì) 70 年代初，美國菲利浦公司為了解決天然氣流動(dòng)振動(dòng)問題，將管殼式換熱器中的折流板改成桿式支撐結(jié)構(gòu)，開發(fā)出折流桿換熱器。研究表明，這種換熱器不但能防振，而且傳熱系數(shù)高。現(xiàn)在此種換熱器廣泛應(yīng)用于單相沸騰和冷凝的各種工況。在后來出現(xiàn)了一種外導(dǎo)流筒折流桿換熱器，此種換熱器能最 大限度地消除管殼式換熱器擋板的傳熱不活躍區(qū)，增加了單位體積設(shè)備的有效傳熱面積。目前，所有的浮頭式換熱器均采用了外導(dǎo)流筒。 換熱器的分類 按用途分類 換熱器按用途的不同可分為加熱器、冷卻器、冷凝器和蒸發(fā)器等。 按冷、熱流體的傳熱方式分類 按冷熱兩種流體的傳熱方式可分為： ① 兩流體直接接觸式換熱器； ② 蓄熱式換熱器； ③ 間壁式換熱器。 工業(yè)上應(yīng)用的換熱器大多是兩種流體不能直接接觸的間壁式換熱器。間壁式換熱器又可分為： ① 夾套式換熱器； ② 沉浸式蛇管換熱器； ③ 噴淋式換熱器； ④ 套管式換熱器；⑤ 螺旋板式換熱器； ⑥ 板式換熱器； ⑦ 板翅式換熱器； ⑧ 熱管式換熱器； ⑨ 列管式換熱器。 列管式換熱器的詳細(xì)分類 列管式換熱器以其高度的可靠性和廣泛的適應(yīng)性，在長期的操作過程中積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，其設(shè)計(jì)資料比較完備，在許多國家都有了系列化標(biāo)準(zhǔn)。近年 來盡管列管式換熱器也受到新型換熱器的挑戰(zhàn)，但反過來也促進(jìn)了其自身的發(fā)展。例如當(dāng)流體的流速較大和壓強(qiáng)較高時(shí)，若采用其他類型的換熱器就有一定的困難。所以列管式換熱器目前仍是化工、石油和石油化工中使用的主要類型的換熱器，在高溫、高壓條件下和大型換熱器中，仍占絕對(duì)優(yōu)勢。 列管式換熱器的種類很多，其結(jié)構(gòu)形式與所受的溫差應(yīng)力以及是否需要溫差補(bǔ)償裝置有著密切的聯(lián)系。按溫差補(bǔ)償結(jié)構(gòu)來分，主要有以下四種： 1） 固定管板式換熱器 如圖 11（ a）所示，此種換熱器的特點(diǎn)是管束以焊接或脹接方式固定在兩塊管板上， 管板分別焊接在外殼的兩端并在其上連接有頂蓋，頂蓋和殼體上裝有流體進(jìn)出口接管。與其他形式的換熱器相比，結(jié)構(gòu)簡單，制造成本較低。管內(nèi)不易積累污垢，即西安石油大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 使產(chǎn)生了污垢也便于清洗，但無法對(duì)管子的外表面進(jìn)行檢查和機(jī)械清洗，因而不適宜處理臟的或有腐蝕性的介質(zhì)。由于管子和管板與殼體的連接都是剛性的，當(dāng)管子和殼體的壁溫或材料的線膨脹系數(shù)相差較大時(shí)，在殼體和管子中將產(chǎn)生很大的溫差應(yīng)力，以至管子扭彎或從管板上松脫，甚至損壞整個(gè)換熱器。 當(dāng)管子和殼體的壁溫差大于 50℃ 時(shí)，應(yīng)在殼體上設(shè)置溫差補(bǔ)償 ——膨脹節(jié)，依靠膨脹節(jié)的彈性變形 可以減少溫差應(yīng)力，膨脹節(jié)的形式較多，常見的有Ｕ形、平板形和 Ω 形等幾種。由于Ｕ形膨脹節(jié)的撓性與強(qiáng)度都比較好，所以使用得最為普遍。 當(dāng)要求較大的補(bǔ)償量時(shí)，宜采用多波形膨脹節(jié)。 當(dāng)管子和殼體的壁溫差大于 60℃ 和殼程壓強(qiáng)超過 時(shí)，由于補(bǔ)償圈過厚，難以伸縮，失去溫差補(bǔ)償?shù)淖饔?，就?yīng)考慮其他結(jié)構(gòu)。 2） 浮頭式換熱器 如圖 11（ b）所示，換熱器的一塊管板用法蘭與殼體連接，另一塊管板不與殼體連接，且能自由移動(dòng)。當(dāng)管束與殼體受熱或受冷產(chǎn)生伸縮時(shí)，兩者互不牽制，因而不會(huì)產(chǎn)生溫差應(yīng)力。浮頭部分由浮 頭管板、鉤圈與浮頭端蓋組成，為可拆連接，管束可以抽出，故管內(nèi)外都能清洗，也便于檢修。由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其造價(jià)較高。 3） 填料函換熱器 如圖 11（ c）所示，浮頭部分伸在殼體之外，它與殼體之間的空隙用一填料函密封，使換熱器管束的一端可以自由伸縮。當(dāng)管束和殼體間的溫差較大，管束腐蝕嚴(yán)重且需經(jīng)常更換時(shí)，采用這種形式的換熱器比較合適。這種換熱器以制造、清洗和檢修都比較方便，造價(jià)也比浮頭式的低。 4） Ｕ形管換熱器 如圖 11（ d）所示，換熱器被彎成Ｕ形，管的兩端固定在同一塊管板上， 省去了一塊管板和一個(gè)管箱（流道室）。Ｕ形管具有自由伸縮的特點(diǎn)，可以完全消除熱應(yīng)力。管束可以從殼體中抽出，管外清洗方便，但管內(nèi)清洗困難，所以宜讓不結(jié)垢的流體從管內(nèi)流過。因彎管時(shí)，必須保證一定的曲率半徑，所以管束的中心部分存在較大的空隙，在相同直徑的殼體中排列的管子數(shù)較固定管板式少，價(jià)格比固定管板式高 10％。 綜觀上述不同種類的換熱器，由于本設(shè)計(jì)題目為水 異丁烷換熱器的設(shè)計(jì)，水和異丁烷均為潔凈流體，不易結(jié)垢，傳熱溫度和熱負(fù)荷都較小，且管殼程的壓力較低，所以結(jié)合設(shè)計(jì)條件和項(xiàng)目經(jīng)費(fèi)，選擇經(jīng)濟(jì)實(shí)用的固定管板式 換熱器，這種換熱器具有單位體積傳熱面積大，結(jié)構(gòu)緊湊，堅(jiān)固，傳熱效果好，而且能用多種材料制造，適用性較強(qiáng)，操作彈性大，結(jié)構(gòu)簡單，造價(jià)低廉，且適用于高溫、高壓的大型裝置中。并且固定管板式換熱器能得到最小的殼體內(nèi)徑，管程可分多程，殼程也可分成雙程，規(guī)格范圍廣，故在工程中廣泛應(yīng)用。 西安石油大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 西安石油大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 2 工藝結(jié)構(gòu)的計(jì)算 設(shè)計(jì)任務(wù)和設(shè)計(jì)條件 題目：水 異丁烷換熱器的設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)參數(shù)： 熱負(fù)荷： Q=200KW； 介質(zhì)流量：根據(jù)熱負(fù)荷計(jì)算； 設(shè)計(jì)壓力（ MPa） ：管程 ，殼程 ； 設(shè)計(jì)溫度（ ℃ ）：管程入口 25，管程出口 35； 殼程溫度 40，殼程入口 飽和氣，殼程出口 飽和液； 介質(zhì)：管程 水，殼程 異丁烷； 允許壓降： ≤100000Pa。 確定設(shè)計(jì)方案 1）選擇換熱器的類型 異丁烷屬于無色氣體、無毒，