【文章內容簡介】 用率達到 80%～ 90%。由此可見，工業(yè)爐煙氣的余熱回收，應首先滿足爐內需要以節(jié)省爐用高質燃料；然后早考慮外部需要，爭取得到更大的經濟效益。對于其他余熱的回收，也應遵守以節(jié)約燃料為中心進行綜合利用的原則。由于工業(yè)余熱分布廣、形式各種各樣，故節(jié)能方案也各不相同，但在各種節(jié)能方案中，換熱器幾乎是不可缺少的。 換熱器的發(fā)展 換熱器在工業(yè)中的應用，至少已有 200 余年的歷史。 200 余年的換熱器發(fā)展史，可大致劃分為三個時期： 20 世紀以前為原始時期； 20 時間的前 50年為初步發(fā)展時期；近 30 余年為迅速發(fā)展時期。 （ 1）原始時期 這個時期的換熱器大都是由鑄鐵管組裝而成的管式換熱器，主要用于動廣東石油化工學院?？飘厴I(yè)設計： U 型管換熱器設計 4 力、化工、鋼鐵等工業(yè)部門。 19 實際 50 年代，考貝爾和西門子分別發(fā)明了煉鐵爐和煉鋼爐用的蓄熱室。由于用蓄熱室預熱空氣比用當時的金屬換熱器所能達到的溫度高，因而逐漸取代了原始的鑄鐵管換熱器，成為 19 世紀后50 年中工業(yè)爐的主要換熱設備。 （ 2）初步發(fā)展時期 20 世紀初，換熱器開始進入了一個新的發(fā)展時期 ─在科學理論指導下的初步發(fā)展時期。在 20 世紀的前 50 年中，換熱器的發(fā)展發(fā)生了如下變化： ① 管式換熱器發(fā)展迅速 50 年代初， U 型管式、套管式、繞管式、蛇管式等各種管式換熱器，其結構已近于比較完善的程度，許多國家都制訂了系列標準。隨著冶金工業(yè)的發(fā)展，鋼、合金鋼、鋁、鋼等均已成為管式換熱器廣泛采用的材料。為了提高換熱器的效率， 30 年代已出現了肋片管式換熱器。這一時期，管式換熱器在所有的換熱設備中占據著絕對優(yōu)勢。 ② 出現了多種板式結構換熱器 由于 “板式 ”傳熱表面的傳熱性能比 “管式 ”優(yōu)越，相繼出現了板式、螺旋板式、板肋式、板殼式等以板片為基本構件的換熱器。與管式換熱器相比，這些板式結構換熱器的突出優(yōu)點是傳熱效率高、結構緊湊、質量 小、因此受到各工業(yè)部門的重視。 （ 3）迅速發(fā)展時期 進入 50 年代以后，科學技術和工業(yè)生產有了飛速發(fā)展，使換熱器也進入了一個飛速發(fā)展時期。 ① 管式換熱器的發(fā)展 隨著強化傳熱技術的發(fā)展，各種型式的強化傳熱管相繼出現。在 U 型管式換熱器中，強化傳熱管已被廣泛采用，在提高傳熱效率、提高緊湊性和降低材料消耗等方面均取得了顯著效果。 通過選用新型材料和對關鍵受力部件的改進，操作溫度和壓力都有了明顯的提高，目前 U 型管式換熱器的最高操作溫度可達 1500℃ （壓力為 8MPa）。 ② 板式結構換熱器得到廣泛應用 隨著工藝和傳熱學的 發(fā)展，板式結構換熱器在設計和生產上遇到的問題逐步得到解決，近 20 年來發(fā)展很快，已在許多工業(yè)部門中得到廣泛應用。在壓力較低、溫度不高、流量不很大的若干場合，各種板式結構換熱器已逐步第一章 緒論 5 取代管式換熱器。其中的螺旋板式換熱器作為一種高效換熱設備，發(fā)展尤為迅速。 2．換熱器的發(fā)展趨勢 當前換熱器發(fā)展的基本趨勢將是：繼續(xù)提高設備的傳熱效率，促進設備結構的緊湊性，加強生產制造的標準系列化和專業(yè)化，并在廣泛的范圍內繼續(xù)向大型化的方向發(fā)展。 U 型管式換熱器：由于它具有結構堅固、彈性大和使用材料范圍廣等獨特的優(yōu)點，今后仍將在廣泛 的領域內得到繼續(xù)發(fā)展。尤其在高溫、高壓和大型化的場合下，更有其廣闊的發(fā)展前途。但為了加強其傳熱效率，在高溫和高壓的條件下，采用電焊焊接式的翅片管的結構將會得到重視和發(fā)展。制造工藝上進一步機械化和自動以及起采用各種新技術，在發(fā)展 U 型管式換熱器方面仍將占有重要的地位。 板式換熱器：該種形式的換熱器進一步發(fā)展的趨勢，將是提高操作溫度和操作壓力，設計大型板片以增大它的處理量，擴大它的使用范圍，并采用新的結構材料和新的制造工藝。其中尤以研制新的墊片材料，改進密封結構，增強板片的剛度，以便提高操作溫度和操作壓力，擴大使 用范圍等，將是今后發(fā)展的重點。 螺旋板換熱器的近期發(fā)展，將對其各種結構形式的換熱器擴大其應用場合，同時，如何進一步提高其承壓能力，增大處理量，并改進焊接工藝，以適應石油及化學工業(yè)的要求。 1． 2 換熱器的分類及其特點 換熱器的類型隨工業(yè)發(fā)展而增多 ,早期的換熱設備由于制造工藝和科學反應產物平的限制 ,多有結構簡單、換熱面積小和體積較大等特征。 在化工生產中，由于用途、工作條件和熱載體的特性等的不同，對換熱器提出了不同的要求，所以出現了各種不同形式和結構的換熱器。為了便于區(qū)分和分析研究，可將換熱器按下列方式進行 分類。 換熱器的分類 1．按作用原理或傳熱方式分類 （ 1）混合式換熱器 它是利用兩種換熱流體的直接接觸與混合的作用來進行熱量交換的?；旌鲜綋Q熱器操作的一個主要因素，就是要使兩種流體的接觸面積盡可能大，以促進它們之間的熱量交換。為了獲得更大的接觸面積，可在設備中防止隔柵填料，有時也可把液體噴成細滴。此類設備通常做成塔狀。 廣東石油化工學院?？飘厴I(yè)設計： U 型管換熱器設計 6 （ 2）蓄熱式換熱器 它是讓兩種溫度不同的流體先后通過同一種固體填料的表面，首先讓熱流體通過，把熱量蓄積在填料中，然后，當冷流體再通過時，將熱量帶走，這樣在填料被加熱和被冷卻 的過程中，進行著熱流體和冷流體之間的熱量傳遞。在使用這種換熱器時，不可避免地會使兩種流體有少量混合，且必然是成對的使用，即當一個通入熱流體時，另一個則通入冷流體，并靠自動閥進行交替切換，使生產得以連續(xù)進行。 （ 3）間壁式換熱器 它是利用一種固體壁面將進行熱交換的兩種流體隔開，使它們通過壁面進行傳熱。這種形式的換熱器使用最廣泛。 2．按生產中使用目的分類 即分為冷卻器、加熱器、冷凝器、汽化器（或再沸器）和換熱器等。 3．按換熱器所用材料分類 一般可把換熱器分成金屬材料和非金屬材料兩類。 4．按換熱器傳 熱面的形狀和結構分類 它用于區(qū)分各種形式的間壁式換熱器。其分類有： （ 1）通過管壁傳熱的換熱器（即 “管式 ”） ① 蛇管式換熱器 ② 套管式換熱器 ③ U 型管式換熱器：這類換熱器又可分為 U 型管式、 U 形管式和浮頭式。 （ 2）通過板面?zhèn)鳠岬膿Q熱器（即 “板面式 ”） ① 螺旋板式換熱器 ② 板式換熱器 ③ 傘板式換熱器 ④ 板翅式換熱器 ⑤ 板殼式換熱器 （ 3）其它形式的換熱器 這類換熱器一般都是為了滿足某些特殊要求而出現的，有些還處于發(fā)展階段，其中比較成熟的，如回轉式換熱器和熱管等。 第一章 緒論 7 1． 3 U 型管式換熱器的設計 U 型管 式換熱器的設計資料較完善，已有系列化標準。目前我國 U 型管式換熱器的設計、制造、檢驗、驗收按 “鋼制 U 型管式換熱器 ”（ GB151）標準執(zhí)行。 U 型管式換熱器的設計和分析包括熱力設計、流動設計、結構設計以及強度設計。其中以熱力設計最為重要。不僅在設計一臺新的換熱器時需要進行熱力設計，而且對于已生產出來的，甚至已投入使用的換熱器在檢驗它是否滿足使用要求時，均需進行這方面的工作。 熱力設計指的是根據使用單位提出的基本要求，合理地選擇運行參數，并根據傳熱學的知識進行傳熱計算。 流動設計主要是計算壓降，其目的就是為換熱器 的輔助設備 —例如泵的選擇做準備。當然，熱力設計和流動設計兩者是密切關聯的，特別是進行熱力計算時常需從流動設計中獲取某些參數。 結構設計指的是根據傳熱面積的大小計算其主要零部件的尺寸，例如管子的直徑、長度、根數、殼體的直徑、折流板的長度和數目、隔板的數目及布置以及連接管的尺寸等等。 在某些情況下還需對換熱器的主要零部件 —特別是受壓不均做應力計算，并校核其強度。對于在高溫高壓下工作的換熱器，更不能忽視這方面的工作。這是保證安全生產的前提。在做強度計算時，應盡量采用國產的標準材料和部件，根據我國壓力容器安全技術規(guī) 定進行計算或校核。 廣東石油化工學院?？飘厴I(yè)設計： U 型管換熱器設計 8 第二章 換熱器的工藝計算 U型管式換熱器的工藝設計只要包括以下內容： 1． 根據換熱任務和有關要求確定設計方案； 2． 初步確定換熱器的結構和尺寸； 3． 核算換熱器的傳熱面積和流體阻力； 4． 確定換熱器的工藝結構。 2． 1 設計條件 表 21 設計條件 殼程 管程 流體名稱 混氫油 反應產物 總流量（ t/h） 25 工作溫度 / 進 / 出 (℃ ) 134/316 370/210 壓力 /(MPa) 2． 2 確定物性數據 在以上條件下，查得其基本物性數據為： 表 22 物性數據 介 質 密度（ kg/m3） 比熱容（ KJ/kg℃ ） 黏度（ Pas） 導熱系數（ W/(m℃ )） 反應產物 994 4． 174 0． 735103 0． 626 混氫油 789 103 2． 3 符號說明 ? 0——熱流體的密度， kg/m3； ? 0——熱流體的黏度， Pas；第二章 換熱器的工藝計算 9 ? 0——熱聯體的導熱系數， W/(m℃ )； 0Cp ——熱流體的比熱容， KJ/kg℃ ； iCp ——冷流體的比熱容， KJ/kg℃ ； ? i——冷流體的密度， kg/m3 ? i——冷流體的黏度， ? i——冷流體的導熱系數， Tn ——換熱管數目。 2． 4 流體走向的確定 兩流體為均不發(fā)生相變的傳熱過程，因反應產物的對流傳熱系數一般較大，且易結垢，故選擇冷卻反應產物走換熱器的管程，混氫油走殼程。 2． 5 估算傳熱面積，初選換熱器的規(guī)格 計算熱負荷和冷卻反應產物的用量 )( 00 ih TTCpWQ ?? = 32 5 0 0 0 2 .3 9 1 0 ( 3 1 6 1 3 4 ) / 3 6 0 0 3 0 2 0 6 9 4 W? ? ? ?（ 21） )( 0ttCp QW iic ?? = 33 0 2 0 6 9 4 3 6 0 0 1 6 2 8 3 /4 . 1 7 4 1 0 ( 3 7 0 2 1 0 ) k g h? ?? ? ? （ 22） 式中 hW ——熱流體的質量流量 kg/s； cW ——冷流體的質量流量 kg/s； 0Cp ——熱流體的比熱容， KJ/kg℃ ； iCp ——冷流體的比熱容， KJ/kg℃ ； iTT,0 ——熱流體始末的溫度， ℃ ； 0t ， it ——冷流體的始末溫度， ℃ 。 計算兩流體的平均溫度差 廣東石油化工學院?？飘厴I(yè)設計： U 型管換熱器設計 10 ( 316 134) ( 370 210)316 134lnln370 210hcmhcttt tt? ? ? ? ? ?? ? ?????=230176。C （ 23） 而 2570 3512500 ??????? tt TTR i i 000 ittP Tt???? （ 24） 查得： ??t? 。所以 00 .8 6 2 3 0 1 9 7 . 8m t mt t C? ?? ? ? ? ? ? ? （ 25） 初選換熱器的規(guī)格 根據兩流體的情況，假設 )/(300 2 CmWK ??? ，故 23020694 5 0 .93 0 0 1 9 7 .8p mQAmKt? ? ??? （ 26） 式中 PA ——估算傳熱面積， 2m ； cA ——實際傳熱面積， 2m 。 初步選用 U 型管式式換熱器。據此，由換熱器系列標準初選換熱器為下表所示： 表 23 初選換 熱器參數 殼徑 /mm 600 管子尺寸 /mm 20 25 中心排管數 16 管長 /m 管程流通面積 /m2 管子總數 241 管程數 2 管子排列方法 正三角形 實際傳熱面積 22 3 2 3 .1 4 0 .0 2 5 ( 4 .5 0 .1 ) 8 0 .1cA n d L m?? ? ? ? ? ? （ 27） 若選擇該型號的換熱器，則要求過程的總傳熱系數為 290w。 2． 6 換熱管的排列和管心距 —般說來，正三角形排列在相同的管板面積上可排較多的管子，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，而認 管外流體的流動阻力也較大。在本設計中殼程中介質混氫油是非腐蝕性介質利于清洗，但由于是多管程結構，采用組合排列方法。每一程內都采用正三角形排列，而在各程之間為了便于安裝隔板，采用矩形排列方法。所以本設計采第二章 換熱器的工藝計算 11 用常規(guī)的正三角形排列。 管心距 25 5otd? ? ?