【文章內容簡介】 經濟合理的。 （ 1）所需鋼板厚度小于 8mm 時，在碳素鋼與低合金高強度鋼之間，應盡量采用碳素鋼鋼板（多層容器用材除外）； （ 2）在剛度或結構設計為主的場合，應盡量選用普通碳素鋼。在強度設計為主的場合，應根據壓力、溫度、介質等使用限制，依次選用 Q235A、 Q235B、20R（ 20g）、 16MnR 等鋼板； （ 3）所需不銹鋼厚度大于 12mm時，應盡量采用襯里、復合、堆焊等結構形式； （ 4）不銹鋼應盡量不用作設計溫度小于等于 500℃的耐熱用鋼； （ 5）珠光體耐熱鋼應盡量不用作設計溫度小于等于 350℃的耐熱用鋼。在必須使用珠光體耐熱鋼作耐熱或抗氫用途時，應盡量減少、合并鋼材的品種、規(guī)格。 換熱器用鋼的標準、冶煉方法、熱處理狀態(tài)、許用應力、無損檢測標準及檢測項目均按 GB1501998第 4章及其附錄 A的規(guī)定。設計溫度低于或等于 20℃時，應按本標準附錄 A（標準的附錄）選擇低溫用 管殼式換熱器的傳熱強化技術 當管壁兩側傳熱分系數相差很大時（如粘度小的液體與氣體間的換熱），應設法減小傳熱分系數低的一側的熱阻。如果管外傳熱分系數小，可采用外螺紋管 （低翅片管），以增大管外一側的傳熱面積和流體湍動，減小熱阻。如果管內傳熱分系數小，可在管內設置麻花鐵，螺旋圈等添加物，以增強管內擾動，強化換熱，當然這時流體的流動阻力也將增大。 主要控制參數 沈陽工業(yè)大學本科生畢業(yè)設計（論文） 9 管殼式換熱器的主要控制參數為 (1)加熱面積； (2)熱水流量； (3)換熱量；(4)熱媒參數。 選用要點 （ 1）根據已知冷、熱流體的流量，初、終溫度及流體的比熱容決定所需的換熱面積。初步估計換熱面積，一般先假定傳熱系數，確定換熱器構造，再校核傳熱系數 K值。 （ 2）選用換熱器時應注 意壓力等級，使用溫度，接口的連接條件。在壓力降，安裝條件允許的前提下，管殼式換熱器以選用直徑小的加長型，有利于提高換熱量。 （ 3）換熱器的壓力降不宜過大，一般控制在 ～ ； （ 4）流速大小應考慮流體黏度，黏度大的流速應小于 ～ ；一般流體管內的流速宜取 ～ ；易結垢的流體宜取 ～ 。 （ 5）高溫水進入換熱器前宜設過濾器。 （ 6）熱交換站中熱交換器的單臺處理和配置臺數組合結果應滿足熱交換站的總供熱負荷及調節(jié)的要求。在滿 足用戶熱負荷調節(jié)要求的前提下，同一個供熱系數中的換熱器臺數不宜少于 2臺，不宜多于 5臺。 施工、安裝要點 （ 1）熱交換器應以最大工作壓力的 ，蒸汽部分應不低于蒸汽供汽壓力加 ；熱水部分應不低于 。在試驗壓力下，保持 10min壓力不降。 （ 2）管殼式換熱器前端應留有抽卸管束的空間，即其封頭于墻壁或屋頂的距離不得小于換熱器的長度，設備運行操作通道凈寬不宜小于 。 （ 3）各類閥門和儀表的安裝高度應便于操作和觀察。 （ 4）加熱器上部附件 （一般指安全閥）的最高點至建筑結構最低點的垂直凈距應滿足安裝檢測的要求，并不得小于 。 目前運用于強化傳熱的最新技術有以下幾方法：運用計算機技術建立流體的流動翻熱傳遞模型，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預測的計算沈陽工業(yè)大學本科生畢業(yè)設計（論文） 10 流體力學 (CFD)；致力于管殼式換熱器設計程選型，以輔助設計者對流體流徑、殼體及浮頭類型、換熱器結構尺寸、折流板類型和換熱器熬體布置等問題進行決策的專家系統(tǒng)；這些需要整體裝置設計的數據庫技術。 管殼式換熱器腐蝕分析 管殼式換熱器的材料一般以 碳鋼 、不銹鋼和銅為主，其中碳鋼材質的 管板在作為冷卻器使用時，其管板與列管的焊縫經常出現腐蝕泄漏，泄漏物進入冷卻水系統(tǒng)污染環(huán)境又造成物料浪費。 管殼式換熱器在制作時，管板與列管的焊接一般采用手工電弧焊，焊縫形狀存在不同程度的缺陷，如凹陷、氣 孔、夾渣等，焊縫應力的分布也不均勻。使用時管板部分一般與工業(yè)冷卻水接觸，而工業(yè)冷卻水中的雜質、鹽類、氣體、微生物都會構成對管板和焊縫的腐蝕，這就是我們常說的電化學腐蝕。研究表明，工業(yè)水無論是淡水還是海水，都會有各種離子和溶解的氧氣，其中氯離子和氧的濃度變化，對金屬的腐蝕形狀起重要作用。另外，金屬結構的復雜程度也會影響腐蝕形態(tài)。因此，管板與列管焊縫的腐蝕以孔蝕和縫隙腐蝕為主。從外觀看，管板表面會有許多腐蝕產物和積沉物，分布著大小不等的凹坑。以海水為介質時，還會產生電偶腐蝕?；瘜W腐蝕就是介質的腐蝕，換熱器管板接 觸各種各樣的化學介質，就會受到化學介質的腐蝕。另外，換熱器管板還會與換熱管之間產生一定的雙金屬腐蝕。 綜上所述，影響管殼式換熱器腐蝕的主要因素有： （ 1）介質成分和濃度：濃度的影響不一，例如在鹽酸中，一般濃度越大腐蝕越嚴重。碳鋼和不銹鋼在濃度為 50%左右的硫酸中腐蝕最嚴重，而當濃度增加到 60%以上時，腐蝕反而急劇下降； （ 2）雜質：有害雜質包括氯離子、硫離子、氰離子、氨離子等，這些雜質在某些情況下會引起嚴重腐蝕 （ 3）溫度：腐蝕是一種化學反應，溫度每提升 10℃，腐蝕速度約增加 1~3倍，但也有例外； （ 4） PH值：一般 PH值越小，金屬的腐蝕越大； （ 5）流速：多數情況下流速越大，腐蝕也越大。 沈陽工業(yè)大學本科生畢業(yè)設計（論文） 11 管殼式換熱器的防腐保護 針對冷卻塔防腐問題，傳統(tǒng)方法以 補焊 為主，但補焊易使管板內部產生內應力，難以消除，可能造成冷卻塔管板焊縫再次滲漏?，F西方國家多采用 高分子復合材料 的方法進行保護，其中應用最多的是 美嘉華 技術產品。其具有優(yōu)異的粘著性能及抗溫、抗化學腐蝕性能，在封閉的環(huán)境里可以安全使用而不會收縮，特別是良好的隔離雙金屬腐蝕和耐沖刷性能，從根本上杜絕了修復部位的腐蝕滲漏，為冷卻塔提供一個長久的保護涂層。 新型換熱器簡介 (1)折流桿換熱器 折流桿換熱器是以折 流桿取代折流板，在管外改善流體的流動方式，減少折流板造成的流動死區(qū)和停滯區(qū)，并且使流體在折流桿后產生有效的“渦流”效應，從而達到強化傳熱的果，同時起到了降低流體阻力和消除換熱管的震動造成的損傷、失效等作用 ]2[ 。 (2)波紋管換熱器 波紋管換熱器是將換熱管加工成內外均呈連續(xù)波紋曲線的波紋管，使管子的縱向截面成波形，由相切的大小圓弧構成，由于管內流體的流動截面不斷變化，使流體的擾動增加而使傳熱強化 ]3[ 。根據使用測試結果其管內放熱 系數可較光管提高 3~4 倍，同時殼程的換熱系數也可得到一定程度的提高，使總放熱系數提高 1~2 倍，目前該技術已在許多熱網換熱器中應用。同時在原油加熱器及壓縮機冷凝器中均取得了良好的效果。此外波紋管換熱器在解決管內結垢問題上也起到了明顯的作用。 (3)螺旋槽管換熱器 螺旋槽管換熱器是將換熱管表面加工成螺旋形的凹槽，在管內形成螺旋形凸肋的異型管。流體在管內流動時受螺旋槽的導引，靠近壁面的流體順螺紋旋轉，螺旋形的凸肋使流體產生周期性的擾動，這樣可以使流體邊界層減薄，并加劇流體的擾動，因而使傳熱強化 ]4[ 。一般其管內放熱系數為光管的 ~倍，總的放熱系數可提高 ~1 倍。目前這項技術在工業(yè)鍋爐和其它換熱器設備中得到廣泛應用。 沈陽工業(yè)大學本科生畢業(yè)設計（論文） 12 (4)螺旋翅片管和縱向翅片管換熱器 螺旋翅片管換熱器是將換熱管上螺旋纏繞高頻焊接扁鋼，縱向翅片管換熱器是將換熱管圓周上沿軸線方向、高頻焊接Ｕ形翅片 ]5[ 。兩種熱交換器都是通過增加管外側受熱面、改變流體流動的方式來強化傳熱。實驗證明，小管徑翅片管束的傳熱性能優(yōu)于大管徑管束，適當增加翅片高度和翅片間距對傳熱有 利，適當密排對傳熱有利。螺旋翅片管換熱器主要用于流體橫向沖刷的場合，縱向翅片管主要用于流體縱向沖刷的場合，同時起到大大縮小換熱器體積的作用。我們在空氣換熱器、熱管換熱器及鍋爐上，采用了這類換熱器，取得了明顯的強化換熱效果 ]6[ 。 (5)螺旋折流板換熱器 螺旋折流板換熱器對傳統(tǒng)折流板換熱器進行了大膽的創(chuàng)新。采用與殼體軸線成某一角度狀排列的螺旋板作為折流板，使介質在殼體內螺旋推進流動，實現了在較小泵功能消耗條件下較高的傳熱效果。其特點有：具有較高的傳熱系數；殼側流阻較小 ，無滯流區(qū)；不易污垢沉積。延長維修周期，減少維修費用。適用于較粘稠介質 ]7[ 。 (6)渦流熱膜換熱器 渦流熱膜換熱器采用最新的渦流熱膜傳熱技術，通過改變流體運動狀態(tài)來增加傳熱效果，當介質經過渦流管表面時，強力沖刷管子表面，從而提高換熱效率。最高可達 10000W/m2℃。同時這種結構實現了耐腐蝕、耐高溫、耐高壓、防結垢功能。其它類型的換熱器的流體通道為固定方向流形式，在換熱管表面形成繞流，對流換熱系數降低。 (7)陶瓷換熱器 陶瓷換熱器的生產工藝與窯具的生產工藝基本相同，導熱性與抗氧化性能是材料的主要應用性能。它的原理是把陶瓷換熱器放置在煙道出口較近，溫度較高的地方，不需要摻冷風及高溫保護，當窯爐溫度 12501450℃時，煙道出口的溫度應是 10001300℃，陶瓷換熱器回收余熱可達到450750℃，將回收到的的熱空氣送進窯爐與燃氣形成混合氣進行燃燒，可節(jié)約能源 25%－ 45%，這樣直接降低生產成本，增加經濟效益。 沈陽工業(yè)大學本科生畢業(yè)設計（論文） 13 陶瓷換熱器在金屬換熱器的使用局限 下得到了很好的發(fā)展，因為它較好地解決了耐腐蝕，耐高溫等課題，成為了回收高溫余熱的最佳換熱器。經過多年生產實踐，表明陶瓷換熱器效果很好。它的主要優(yōu)點是：導熱性能好，高溫強度高，抗氧化、抗熱震性能好。壽命長，維修量小，性能可靠穩(wěn)定，操作簡便。是目前回收高溫煙氣余熱的最佳裝置。 目前，陶瓷換熱器可以用于冶金、有色、耐材、化工、建材等行業(yè)主要熱工窯爐，正在為世界的節(jié)能減排事業(yè)作出了巨大的貢獻。 在生產中存在的熱交換條件千變萬化，所需要的換熱器必須各式各樣，為了符合使用要求，國內、外對換熱器技術的開發(fā)從 傳熱機理的研究、設備的結構的創(chuàng)新，設計計算的方法改進以及制造工藝水平的提高等方面都進行了長期而大量的工作。直至目前，換熱器的基本狀況是管殼式換熱器，就其數據量或使用場所與管式結構競爭，從空間技術發(fā)展起來的熱管技術受到極大重視，各式熱管換熱器已進入工業(yè)實用階段。在換熱器設計中采用了電子計算機，不僅可以縮短計算時間，減少人為的差錯，而且有可能進行最佳設計。換熱器制造工藝上獲得了改進，新材料及復合材料已逐漸使用。隨著工業(yè)的高速發(fā)展，換熱器技術將迅速發(fā)展。就目前的情況分析，換熱器的基本發(fā)展趨勢是：提高傳熱效率，提高 緊湊性，降低材料消耗，增強承受高溫、高壓、超低溫及耐腐蝕能力。保證互換性及擴大容量的靈活性，通過減少堵塞和便于除垢以減少操作事故，從選用材料，結構設計以及運行操作等各方面增長使用壽命并在廣泛的范圍內向大型化發(fā)展。在換熱器制造中，專業(yè)化生產的趨勢仍將繼續(xù)。加工中向“多軸化”及“數值控制化”發(fā)展。采用新技術、新工藝、新材料，提高機械化、自動化水平。提高勞動生產率，降低制造成本仍是基本發(fā)展目標。 對國外換熱器市場的調查表明，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地位。隨著 動力、石油化工工業(yè)的發(fā)展，其設備也繼續(xù)向著高溫、高壓、大型化方向發(fā)展。 目前，從世界石油、化工行業(yè)看，先進國家早以開發(fā)和采用了高效節(jié)能換熱器。世界先進國家的油化工企業(yè)的換熱設備正處在更新?lián)Q代時期 ,朝著新型降耗高效換熱器方向發(fā)展。在工業(yè)生產中，換熱設備的回收余熱、廢熱特別是低位熱能的有效裝置。通過余熱可生產壓力蒸汽，作為供熱、供氣、發(fā)電和動力沈陽工業(yè)大學本科生畢業(yè)設計（論文） 14 的主要輔助能源，從而能提高熱能的總利用率，降低燃料消耗和電耗，提高工業(yè)生產的經濟效益。如果能夠得到效率的大幅度提高，所產生的經濟效益將是十分的可觀，為我國的“低碳生活” 和“節(jié)能減排”事業(yè)做出巨大的貢獻。 沈陽工業(yè)大學本科生畢業(yè)設計（論文） 15 第二章 U 形管式換熱器結構設計 本次設計 U形管式換熱器 的基本結構如下圖所示： 圖 21 本次設計設備簡圖 U 形管式換熱器結構介紹 U形管式換熱器 由管箱、殼體及管束等主要部件組成，因其換熱管成 U形而得名。 U形管式換熱器僅有一個管板，管子兩端均固定于同一管板上。 U形管式換熱器 的結構特點是管束可以自由伸縮，不會因管殼之間的溫差而產生熱應力，熱補償性能好；管程為雙管程，流程較長，流速較高，傳熱性能較好；承壓能沈陽工業(yè)大學本科生畢業(yè)設計（論文） 16 力強；管束可從殼體 內抽出，便于檢修和清洗， U形管式換熱器 結構簡單，造價便宜。但管內清洗不便，管束中間部分的管子難以更換，又因最內層管子彎曲半徑不能太小，在管板中心部分布管不緊湊，所以管子數不能太多，且管束中心部分存在間隙，使殼程流體易于短路而影響殼程換熱。此外，為了彌補彎管后管壁的減薄，直管部分需用壁較厚的管子。這就影響了它的使用場合，僅宜用于管殼壁溫相差較大或殼程介質易結垢的場合 。 筒體設計