【文章內(nèi)容簡介】 ...................................................................................75 致謝語 ........................................................................................................................76 1 循環(huán)水冷卻器設計 1 概述 使熱量從熱流體傳遞到冷流體的設備稱為換熱器。它是化工、煉油、動力、食品、輕工、原子能、制藥、機械及其他許多工業(yè)部門廣泛使用的一種通用設備。在化工廠中，換熱設備的投資約占總投資的 %20~%10 ；在煉油廠中，約占總投資的 %40~%35 。 在工業(yè)生產(chǎn)中，換熱設備的主要作用是由溫度較高的流體傳遞給溫度較低的流體，使流體溫度達到工藝過程規(guī)定的指標，以滿足工藝過程 上的需要。此外，換熱設備也是回收余熱、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(chǎn)壓力蒸汽，作為供熱、供氣、發(fā)電和動力的輔助資源，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(chǎn)經(jīng)濟效益 [9]。 選題的依據(jù)和意義 換熱器是一種實現(xiàn)物料之間熱量傳遞的節(jié)能設備，是在石油、化工、石油化工、冶金、電力、輕工、食品等行業(yè)普遍應用的一種工藝設備。在日常生活中隨處可見，因此換熱器的研究備受世界各國政府及研究機構(gòu)的高度重視，在全世界第一次能源危機爆發(fā)以來，各國都在下大力量尋找新的能源及在節(jié)約能源上研究新的途徑。隨著現(xiàn)代新工藝、新技術(shù)、新材料的不斷開發(fā)和能源問題的日趨嚴重，世界各國已普遍把石油化工深度加工和能源綜合利用擺到十分重要的位置。換熱器因而面臨著新的挑戰(zhàn)。換熱器的性能對產(chǎn)品質(zhì)量、 能量利用率以及系統(tǒng)運行的經(jīng)濟性和可靠性起著重要的作用，有時甚至是決定性的作用。在繼續(xù)提高設備熱效率的同時，促進換熱設備的結(jié)構(gòu)緊湊性，產(chǎn)品系列化、標準化和專業(yè)化，并朝大型化的方向發(fā)展是非常重要的。 循環(huán)水冷卻器作為換熱設備中的一種，是企業(yè)生產(chǎn)中非常重要的設備。它的作用是通過溫度相對較低的水來把其他設備所產(chǎn)生的熱量帶走，從而使設備部分的溫度保持在一個生產(chǎn)所需要的水平，使設備正常工作。因此，循環(huán)水冷卻器的設計對企業(yè)的生產(chǎn)是很重要的。特別是在水資源缺乏的今天，循環(huán)水冷卻器可以節(jié)約大量寶貴的水資源，同時，也可 以影響企業(yè)的經(jīng)濟損失。所以對循環(huán)水冷卻 2 器的設計具有很強的實際意義。 本設計是有關(guān)管殼式換熱器類型中的一種，管殼式換熱器具有可靠性高、適用性廣等優(yōu)點，在各工業(yè)領域中得到最為廣泛應用。近年來，盡管受到了其他新型換熱器的挑戰(zhàn)，但反過來也促進了其自身的發(fā)展。在換熱器向高參數(shù)、大型化發(fā)展的今天，管殼式換熱器仍占主導地位，其可靠性和可能性已被充分證明，也更顯示其獨有的長處。 本設計的目的和要求 在化工、石油、動力、制冷、食品等行業(yè)中廣泛使用各種換熱器，且它們是上述這些行業(yè)的通用設備，并占有十分重要的地位。 通過這次設計，幫助我們復習和鞏固了以往學習過的知識，提高了綜合運用專業(yè)知識分析和解決實際問題的能力，并對換熱器有了一個深入的了解。這次設計主要有工藝計算、結(jié)構(gòu)設計和強度設計，以及最后完成裝配圖和零部件圖，通過這些部分，對換熱器的設計和結(jié)構(gòu)有了充分的了解，可以整體把握對化工設備的設計，提高畫圖能力。 在這次的設計中，要求有：（ 1）合理地實現(xiàn)所規(guī)定的工藝條件，應根據(jù)熱力學參數(shù)和物理化學性質(zhì)進行相關(guān)計算，經(jīng)過反復比較，使所設計的換熱器具有盡可能小的傳熱面積，在單位時間內(nèi)傳遞盡可能多的熱量；（ 2）安全可靠， 在進行強度、剛度、溫差應力以及疲勞壽命計算時，應遵照我國 GB 1511999《管殼式換熱器》等有關(guān)規(guī)定與標準；（ 3）有利于安裝、操作與維修，設備與部件應便于運輸與拆裝，在廠房移動時不會受到樓梯、梁、柱的妨礙，根據(jù)需要可添置氣、液排放口，檢查孔與敷設保溫層；（ 4）經(jīng)濟合理，以整個系統(tǒng)中各種設備為對象進行經(jīng)濟核算或設備的優(yōu)化。 國內(nèi)外現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 換熱器是一個量大而品種繁多的產(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、高強度材料。近年來國內(nèi)在節(jié)能增效等方面改 進換熱器性能，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。鋼鐵行業(yè)和化工行業(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：對產(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；要求 3 產(chǎn)品性價比提高；對產(chǎn)品的個性化、多樣化的需求趨勢強烈；逐漸注意品牌產(chǎn)品的選用；大工程項目青睞大企業(yè)或企業(yè)集團產(chǎn)品。 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。而換熱器在結(jié)構(gòu)方面也有不少新的發(fā)展。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。相鄰折流板的周邊相接與外圓處成連續(xù)螺旋狀。每個折流板與殼程流體的流動方向成一定的角度使殼程流體做螺旋運動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該換熱器可減少 %40~%30 的傳熱面積節(jié)省材料 %30~%20 。相對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誘導振動 。在相同流速時殼程流動壓降小 ?；静淮嬖谡饎优c傳熱死區(qū)不易結(jié)垢。對于低雷諾數(shù)下 ）（ 1000?eR 的傳熱螺旋折流板效果更為突出。 2 管殼式換熱器的分類及選型 分類 根據(jù)管殼式換熱器的結(jié) 構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)簡單、緊湊、能承受較高的壓力，造價低，管程清洗方便，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(shù)相差較大時，殼體和管束中將產(chǎn)生較大的熱應力。這種換熱器適用于殼側(cè)介質(zhì)清潔且不易結(jié)垢并能進行清洗，管、殼程兩側(cè)溫差不大或溫差較大但殼側(cè)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。 4 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(jié)構(gòu)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(nèi)抽出。管束與殼體的熱變形互不約束，因而不會產(chǎn)生熱應力。 浮頭式換熱器的特點是管間和管內(nèi)清洗方便，不會產(chǎn)生熱應力；但其結(jié)構(gòu)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(zhì)易結(jié)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(jié)構(gòu)如圖 23 所示，這種換熱器的結(jié)構(gòu)特點是，只有一塊管板，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(chǎn)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(nèi)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(nèi)層換熱管壞了不能更換，只能堵死，而壞 5 一 根 U 形管相當于壞兩根管，報廢率較高。 結(jié)構(gòu)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(zhì)易結(jié)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(nèi)走清潔而不易結(jié)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(jié)構(gòu)如圖 2 25 所示，這種換熱器的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)。由于采用填料函式密封 結(jié)構(gòu)，使得管束在殼體軸向可以自由伸縮，不會產(chǎn)生殼壁與管壁熱變形差而引起的熱應力。其結(jié)構(gòu)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(nèi)可以抽出，管內(nèi)、管間都能進行清洗，維修方便。 因填料處易產(chǎn)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(zhì)，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。 圖 24 填料函雙殼程換熱器 6 圖 25 填料 函分流式換熱器 （ 5） 釜式重沸器 釜式重沸器的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，所以它具有浮頭式、 U 形管式換熱器的特性。在結(jié)構(gòu)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(chǎn)氣量和所要求的蒸氣品質(zhì)所決定。產(chǎn)氣量大、蒸氣品質(zhì)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(jié)垢的介質(zhì)，并能承受高溫、高壓。 圖 26 釜式重沸器 選擇換熱器的類型 兩流體溫度變化情況： 熱流體（循環(huán)水）進口溫度： 55℃，出口溫度 40℃； 冷流體（冷卻水）進口溫度： 10℃，出口溫度 35℃； 對于黏度較低的流體，其定性溫度可取流體進出口溫度的平均值。 熱流體的定性溫度 4055 ???mT℃， 冷流體的定性溫度 3510 ???mt℃； 7 由于兩流體溫差小于 C?50 ，不必考慮熱補償。因此初 步確定選擇用固定管板式換熱器。固定管板式換熱器的兩端和殼體連為一體，管子則固定于管板上，它的結(jié)構(gòu)簡單，在相同的殼體直徑內(nèi)，排管最多，比較緊湊，由于這種結(jié)構(gòu)使殼側(cè)清洗困難，所以殼程易用于不易結(jié)垢和清潔的流體。 3 換熱器的工藝設計 工藝計算 流徑選擇 （ 1） 選擇原則 ① 不清潔或易結(jié)垢的流體宜走容易清洗的一側(cè)。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(shù)，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(shù)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 循環(huán)水相對比較潔凈，選擇循環(huán)水走殼程，冷卻水走管程，既有利于冷卻水冷卻效率高，也可借助外界溫度加速循環(huán)水冷卻。 確定物性參數(shù) 由前面計算可知，循環(huán)水的定性溫度為 C? ，冷卻水的定性溫度為 C? . 根據(jù)定性溫度，分別查取循環(huán)水和冷卻水的有關(guān)物性參數(shù)，列表 31 如下： 表 31 物性參數(shù)表 物性 殼程 (循環(huán)水 ) 管程 (冷卻水 ) 8 符號 數(shù)據(jù) 符號 數(shù)據(jù) 密度 3/mkg h? c? 比熱容 )/ Ckgkj ??（ hC? cC? 粘度 Pa S h? ? c? ? 導熱系數(shù) mW/ ℃ h? ? c? ? 進口溫度℃ 1T 55 1t 10 出口溫度℃ 1T 40 2t 35 熱負荷及冷卻水用量計算 (1) 熱負荷的計算 由于是冷卻過程，故熱負荷按熱流體循環(huán)水計算。 KWTTCmQhhh )4055()( 21 ????????? ? 熱負荷： KW hlh )%51(%)51( ???????? (2) 冷卻水用量的計算 由 )()(%51 1221 ttCmTTCmQ cchh ???????? ??）（ 有， hkgttC TTCmm c hhc /)1035( )4055()( )( 12 21 ??? ??????? ????? ? ? 傳熱平均溫度差的計算 根據(jù)間壁兩側(cè)流體溫度