【文章內容簡介】 專業(yè)化，并朝大型化的方向發(fā)展。 近年來，國內已經進行了大量的強化傳熱技術的研究，但在新型高效換熱器的開發(fā)方面與國外差距仍然較大，并且新型高效換熱器的實際推廣和應用仍非常有限。尚需從事換熱器專業(yè)的技術人員在制造工藝方面加大力度進行研究，使我國換熱器技術從各個方面趕上國際水平，也需要各換熱設備使用廠家勇于引進和推廣新型高效換熱器，為我國的節(jié)能事業(yè)做出貢獻。 其次，新技術普遍應用。普遍采用電子設計自動化（ EDA）、計算機輔助制造(CAM)、計算機輔助測試 (CAT)、數字信號處理 (DSP)、專用集成電路 (ASIC)及表面貼裝技術等。 并且，產品結構發(fā)生變化。在重視高檔儀器開發(fā)的同時，注重高新技術和量大面廣型產品的開發(fā)和生產。注重系統(tǒng)集成，不僅著眼于單機，更注重系統(tǒng)、產品軟件化。隨著各類儀器裝上 CPU，實現了數字化后，軟件上投入了巨大的人力、財力。今后的儀器設計歸納成一個簡單的公式：儀器 =AD/DA+CPU+軟件， AD 芯片將模擬信號變成數字信號，在經過軟件處理變換后用 DA 輸出。 隨著工藝裝置的大型化和高效率化，換熱器也趨于大型化，并向低溫差設計和低壓力損失設計的方向發(fā)展 [9]。同時，對其一方面要求成本適宜，另一 方面要求高精度的設計技術。當今換熱器技術的發(fā)展以 CFD(Computational Fluid Dynamics)、模型化技術、強化傳熱技術及新型換熱器開發(fā)等形成了一個高技術體系。 8 2 工藝計算 原始設計參數 (1)操作條件 管程：最高工作壓力 ，設計壓力 設計溫度 200℃ 殼程：最高工作壓力 ，設計壓力 設計溫度 150℃ (2)操作介質 管程：煤油 殼程：普通河水 (3)保溫材料 巖棉 (4)保溫厚度 100 mm 計算換熱量 Q 計算有效平均溫度 mt? 由平均溫度計算公式 ： 2 21 tttm ??? 代入 數據得 1752 1502021 21 ?????? ttt m ℃ （ 21） 計算換熱量 Q 已知換熱面積 S =161m2，根據 GB151 表，查得傳熱系數 K = 400w/m2.℃ ，則由換熱量計算公式 ： mtKSQ ???? 9 代入數據得 ???????? 1 7 54 0 01 6 1mtKSQ 107 W （ 22） 其中： ? tm：平均溫度 K：傳熱系數 t1：管程設計溫度 Q：換熱量 t2：殼程設計溫度 S：換熱面積 計算換熱管根數 N 初選換熱管材料為不銹鋼，規(guī)格為 Φ25mm6000mm，由換熱面積可求得換熱管根數： dlSN ?? 代入數據得 161 00 000 0 ????N 根 （ 23） 選取 350 根。 其中拉桿 12 根（ GB151 表 43 和表 44 得拉桿最少 6 根，選取 12 根） ， 實際有效管數 338 根 。 選擇換熱器的基本參數 選擇換熱管的排列形式 管子在管板上的排列有正 三角形、正方形和同心圓排列三種方式 。傳熱管的排列應使其在整個換熱器圓截面上均勻分布，同時還要考慮流體的性質，管箱結構及加工制造等方面的問題。一般來說，正三角形排列在一 定 的管板面積上可配置較多的管子，而且管外 表面?zhèn)鳠嵯禂递^大，但正三角形排列時管外機械清洗較為困難，而且管外流體的流動阻力也較大。正方形排列在同樣的管板面積上可排 10 列的管子數量為最少，但管外易于進行機械清洗，所以當管子外壁需要機械清洗時，常采用這種排列方法。同心圓排列方式優(yōu)點在于靠近殼體的地方管子分布較均勻，在殼體直徑較小的換熱器中可排列的傳熱管數比三角形排列還多。對于多管程換熱器，常采用組合排列法。 本設計為 U 形管式換熱器，殼程 介質易結垢 需要清洗，故 采用正方形排列方式。 計算換熱管的基本參數 換熱管選材料為不銹鋼的無縫鋼管，其中心距 t 應 不小于 倍的換熱管外徑， 即 mmdt ???? ， 查 GB151 表 12 知換熱管中心距 t 取 32mm，分程隔板兩側相鄰管中心距取 nt =44mm。 有了前面得到的傳熱面積、管根數和管子外徑，很容易得到管子的長度，由傳熱面積計算公式： dLnS ?? 得 mdn SL 161 ????? ? (24) 考慮到常用管 子的長度有 3m、 和 6m，根據計算值取管子長度為 6m，與先前初選的管子長度相符。 計算殼體內徑 下面來計算殼體的內徑，有了管程的排列方式和管心距的數據，就可以計算 殼體內徑。殼體內徑應等于或大于管板的直徑，所以可通過確定管板的直徑來確定殼體內徑。在初步設計時可用下式來計算殼體內徑： Di=t(nc1)+2e 其中： Di：殼體內徑 ：橫過管束中心線的管數 11 t：管心距 e：管束中心線上最外層管中心到殼體內壁的距離 要求得殼體內徑須先知道 和 e，其中當管子正三角形排列時 Nnc ? ，當管子正方形排列時 Nnc ?，本設計采用的是正方形排列，故Nnc ? ?? ，取整為 23 根。 管束中心線上最外層管 中心至殼體內壁的距離 e==25=，則將數據代入式（ 25） 得 Di= t(nc1)+2e =32（ 231） +2=779mm (25) 換熱器筒體內徑的常用標準尺寸在 400mm 以后，以 100mm 遞增，故 按殼體 內 徑標準系列尺寸圓整，取殼體內徑： Di =800mm。對于臥式設備，長徑比（ /L?? Di）的值一般取為 6~10。此時，該換熱器的長徑比 β ??? ，符合要求。 管程數： 1 殼程數： 2 折流板的參數選擇 在管殼式換熱器殼層安裝折流板，不僅可以提高殼程流速，增加流體湍動，改善殼層側傳熱，同時在臥式換熱器中還可以起到支撐管束的作用。常見的折流板有弓形和圓環(huán) 圓盤形兩種，其中弓形折流板又可以分為單弓形、雙弓形和三弓形 3 種，它以結構簡單、流動死去少等優(yōu)點普遍應用于管殼式換熱器中。故本設計采用單弓形折流板。 由前面確定的換熱管的外徑和材料，查 GB151 表 42 得，換熱管最大無支撐跨距為 1850mm， 已知管程長為 6000mm， 則需折流板 最少個數為 6000247。1850= 個，為對稱布置 取折流板 個 數為 4 個， 則 折流板間距為 mml 1 5 0 046 0 0 0 ??? 。 弓形折流板缺口高度應使流體通過缺口時與橫過管束時的流速相近 ，缺口弦 12 高宜取 ~ 倍的殼體內徑，本設計折流板形成采用切除 25%的殼體內徑，則折流板切除高度為 mmDh i 2 0 08 0 0%25%25 ???? 。 根據殼體內徑，折流板的直徑可查 GB151 表 41 得，D===。再結合換熱管無支撐跨距，折流板的最小厚度查GB151 表 34 取 s =12mm。折流板上管孔的直徑查 GB151 表 35 知 mmdl ? 。 折流板上管孔數 N =35025/4=875 個 。 13 3 結構計算 圓筒結構計算 計算 圓筒 直徑 Di 圓筒 內直徑有第二部分工藝計算已經求出， Di=800mm。 計算 圓筒 壁厚 nt 根據工藝條件以及一般化工設備的選材和經濟性的考慮，確定殼體材料選擇碳素鋼 16MnR。 殼程設計溫度 150℃ ，設計壓力 ，屬于內壓容器， 圓筒 設計厚度可按下式計算 : ? ? CpDpt ct i ???? ?2 (31) 其中： nt ： 圓筒 的計算厚度 ， mm cp ：計算壓力 ， Mpa Φ：焊接接頭系數 ， ?? C：厚度附加量 ， mm ??? t：設計溫度下材料的需用應力 ， Mpa 取 cp 為設計壓力，設 nt 在 6~16mm 之間，查（ GB1501998）鋼板需用壓力表得 16MnR 在 150℃ 時的 ??? t=170Mpa， C = 1C + 2C =+=。代入式（ 31）得： mmtn ????? ?? 但碳素鋼和低合金鋼圓筒 的最小厚度應不小于 表 （摘自 GB151 表 8） 的規(guī)定， 因此取圓筒壁厚 nt =10mm。則有效厚度 mmCtt ne ????? 。 表 圓筒最小壁厚 公稱直徑 mm 400~≤700 700~≤1000 1000~≤1500 1500~≤2021 2021~≤2600 浮頭式， U 形管式 mm 8 10 12 14 16 固定式管板 mm 6 8 10 12 24 14 最小壁厚校核 我國容器標準對最小容器壁厚 mint （已包括 1C ，但不包括 2C ）有如下規(guī)定： （ 1）對碳素鋼和低合金鋼容器不小于 3mm。 （ 2）對高合金鋼容器不小于 2mm。 本設計材選采用的是 碳素鋼 16MnR，其 圓筒的最小壁厚可按下式計算： mmmmCtt n in ?????? ，最小厚度符合要求。 應力校核 本設計是臥式容器，液壓試驗壓力規(guī)定為： ? ?? ? Mp apptT ????? ?? （ 32） 式中： Tp ：內壓容器的試驗壓力， Mpa p：設計壓力， Mpa ??? ：試驗溫度下材料的許用應力， Mpa ??? t：設計溫度下材料的需用應力 ， Mpa 在進行液壓試驗時，應按下式校核圓筒的應力： ???? ye eiTT t tDp ?? )( （ 33） 式中： y? ：試驗溫度下材料的屈服強度， Mpa 代入數據得： MpaMpaT )( ?????? ???? 符合要求。 15 封頭 的 選擇 計算 封頭類型選擇 封頭的類型有很多。在管殼 式換熱器中，常用的封頭形式有橢圓 形 封頭、 半球形封頭、 平板形封頭和碟形封頭。 其中橢圓形封頭由半個橢圓球面和一圓柱直邊段組成，橢圓部分經線曲率平滑連續(xù)，封頭中的應力分布比較均勻。鑒于以上優(yōu)點本設計采用標準橢圓形封頭（ a/b=2）。 封頭厚度計算 封頭厚度按下式計算： ? ? CpDKpt ct i ???? ? （ 34） 其中 K 為應力增強系數（標準橢圓形封頭 K=1），其他參數與式（ 31）相同，則代入數據計算得： mmt n ?????? ??? 封頭 為能更好的和筒體焊接在一起，選擇與筒體一樣的厚度 nt =10mm。則封頭的有效厚度 mmCtt ne ????? 。 在設計中有關封頭的 其他結構尺寸可從表 （摘自 JB/T 433795）中查取。 表 以內徑 為公稱直徑的橢圓形封頭結構 公稱直徑DN/mm 曲面高度h1/mm 直邊高度h2/mm 內表面積F/m2 容積 V/m3 厚度 tn/mm 質量 G/(kg/m) 800 200 25 10 200 40 50 16 由上表 32 選取 封頭尺寸： 曲面高度 h1=200mm， 直邊高度 h2=25mm。 其結構示意圖如下： 圖 封頭結構尺寸圖 最小壁厚 校核 GB151 規(guī)定 橢圓形封頭允許的最小壁厚應不小于 %倍的公稱直徑，即mmtmmt e % 0 0m in ????? ，符合要求。 壁厚強度校核 橢圓形封頭的最大允許工作壓力： ? ? ? ? MpatK