【文章內(nèi)容簡介】 61 參考文獻(xiàn) .................................................................................................................................. 62 第一章 緒論 1 第一章 緒論 何為換熱器 換熱器是實(shí)現(xiàn)化工生產(chǎn)過程中熱量交換和傳遞不可缺少的設(shè)備。在熱量交換中常有一些腐蝕性、氧化性很強(qiáng)的物料，因此，要求制造換熱器的材料具有抗強(qiáng)腐蝕性能。換熱器的分類比較廣泛：反應(yīng)釜 壓力容器 冷凝器 反應(yīng)鍋 螺旋板式換熱器 波紋管換熱器 列管換熱器 板式換熱器 螺旋板換熱器 管殼式換熱器 容積式換熱器 浮頭式換熱器 管式換熱器 熱管換熱器 汽水換熱器 換熱機(jī)組 石墨換熱器 空氣換熱器 鈦換熱器 換熱設(shè)備，要求制造換熱器的材料具有抗強(qiáng)腐蝕 性能。它可以用石墨、陶瓷、玻璃等非金屬材料以及不銹鋼、鈦、鉭、鋯等金屬材料制成。但是用石墨、陶瓷、玻璃等材料制成的有易碎、體積大、導(dǎo)熱差等缺點(diǎn)，用鈦、鉭、鋯等稀有金屬制成的換熱器價(jià)格過于昂貴，不銹鋼則難耐許多腐蝕性介質(zhì)，并產(chǎn)生晶間腐蝕。 換熱器的應(yīng)用 換熱器在工、農(nóng)業(yè)的各領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛，在日常生活中傳熱設(shè)備也隨處可見，是不可缺少的工藝設(shè)備之一。 因此換熱設(shè)備的研究備受世界各國政府及研究機(jī)構(gòu)的高度重視，在全世界第一次能源危機(jī)爆發(fā)以來 ,各國都在下大力量尋找新的能源及在節(jié)約能源上研究新途徑。 據(jù)統(tǒng)計(jì)，在現(xiàn) 代石油化工生產(chǎn)中，換熱器的投資約占總投資的 3O％～ 40％，正因如此 設(shè)計(jì)投資省，能耗低，傳熱系數(shù)高，維修方便的換熱器是大勢所趨， 在研究投人大、人力資源配備足的情況下 ,一批具有代表性的高效換熱器和強(qiáng)化傳熱元件誕生，如板翅式換熱器、大型板殼式換熱器和強(qiáng)化沸騰的表面多孔管、 T 形翅片管、強(qiáng)化冷凝的螺紋管、鋸齒管等都得到了國際傳熱界專家的首肯，社會(huì)效益非常顯著，大大緩解了能源的緊張狀況。 其中管殼式換熱器是目前應(yīng)用最為廣泛的一種換熱設(shè)備， 已作為一種標(biāo)準(zhǔn)換熱設(shè)備。這種換熱器的特點(diǎn)是易于制造，生產(chǎn)成本較低，選用的材料范圍廣 ，換熱表面的清洗比較方便，適應(yīng)性強(qiáng)，處理能力大，高溫和高壓下亦能應(yīng)用。與各種換熱器相比，主要優(yōu)點(diǎn)是單位體積所具有的傳熱面積較大以及傳熱效果較好；此外，結(jié)構(gòu)簡單，操作彈性也較大等，因此在高溫、高壓和大型裝置上多采用管殼式換熱器。 換熱器分類 換熱器作為傳熱設(shè)備隨處可見，在工業(yè)中應(yīng)用非常普遍，特別是耗能用量十分大的 浮頭式換熱器機(jī)械設(shè)計(jì)及三維 造型 2 領(lǐng)域，隨著節(jié)能技術(shù)的飛速發(fā)展，換熱器的種類開發(fā)越來越多。適用于不同介質(zhì)、不同工況、不同溫度、不同壓力的換熱器，結(jié)構(gòu)和型式亦不同，以下列舉其中的幾種分類 按材料分類 主要為金屬和非 金屬兩大類。金屬又可分為低合金鋼、高合金鋼、低溫鋼、稀有金屬等。 按傳熱種類分類 (1)無相變傳熱 一般分為加熱器和冷卻器。 (2)有相變傳熱 一般分為冷凝器和重沸器。重沸器又分為釜式重沸器、虹吸式重沸器、再沸器、蒸發(fā)器、蒸汽發(fā)生器、廢熱鍋爐。 按結(jié)構(gòu)分類 分為浮頭式換熱器、固定管板式換熱器、填料函換熱器、 U 形管式換熱器、蛇管式換熱器、雙殼程換熱器、單套管換熱器、多套管換熱器、外導(dǎo)流筒換熱器、折流桿式換熱器、熱管式換熱器、插管式換熱器、滑動(dòng)管板式換熱器。 按強(qiáng)化傳熱元件分 類 分為螺紋管換熱器、波紋管換熱器、異型管換熱器、表面多孔管換熱器、螺旋扁管換熱器、螺旋槽管換熱器、環(huán)槽管換熱器、縱槽管換熱器、翅管換熱螺旋繞管式換熱器、T形翅片管換熱器、新結(jié)構(gòu)器、內(nèi)插物換熱器、鋸齒管換熱器。 按傳熱原理分類 1） 直接接觸式換熱器 這類換熱器的主要工作原理是兩種介質(zhì)經(jīng)接觸而相互傳遞熱量，實(shí)現(xiàn)傳熱，接觸面積直接影響到傳熱量。這類換熱器的介質(zhì)通常是一種是氣體，另一種為液體，主要是以塔設(shè)備為主體的傳熱設(shè)備，但通常又涉及傳質(zhì)，故很難區(qū)分與塔器的關(guān)系，通常歸為塔式設(shè)備，電廠用涼水塔為最典 型的直接接觸式換熱器。 2） 蓄能式換熱器（簡稱蓄能器）這類換熱器用量極少，原理是通過一種固體物質(zhì)，熱介質(zhì)先通過加熱固體物質(zhì)達(dá)到一定溫度后，冷介質(zhì)再通過固體物質(zhì)被加熱，使之達(dá)到傳遞熱量的目的。 3） 板、管式換熱器 這類換熱器用量非常大，占總量的 99%以上，原理是熱介質(zhì)通過金屬或非金屬將熱量傳遞給冷介質(zhì)的傳熱設(shè)備，這類換熱器是我們通常稱為管殼式、板式、板翅式或板殼式換熱器。 換熱器的種類繁多，每 種換熱器各自適用于某一種工況。為此，應(yīng)根據(jù)介質(zhì)、溫度、壓力的不同選擇不同種類的換熱器，揚(yáng)長避短，使之帶來更大的經(jīng)濟(jì)效益。 換熱器的結(jié)構(gòu)和使用特點(diǎn) 換熱器作為節(jié)能設(shè)備之一，在國民經(jīng)濟(jì)中起到非常重要的作用。換熱器的結(jié)構(gòu)決定了換熱器的性能，一種性能能否發(fā)揮作用取決于設(shè)計(jì)者如何選擇合理結(jié)構(gòu)，任何一個(gè)場第一章 緒論 3 合都有適應(yīng)于這個(gè)場合特點(diǎn)的換熱結(jié)構(gòu)。 在換熱設(shè)備中應(yīng)用最為廣泛的是管殼式換熱器。它具有選材范圍廣，換熱表面清洗比較方便，適用性較強(qiáng)，處理能力大，能承受高溫和高壓等特點(diǎn)。管殼式換熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，必須考慮諸多因素 ，如：材料、壓力、溫度、壁溫差、結(jié)垢情況、流體性質(zhì)以及檢修與清理等。 管殼式換熱器雖然在換熱效率、設(shè)備的體積和金屬材料的消耗量等方面不如其它新型的換熱設(shè)備，但它具有結(jié)構(gòu)堅(jiān)固、操作彈性大、可靠程度高、使用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，所以在各工程中仍得到普遍使用。 管殼式換熱器在煉油、石油化工、醫(yī)藥、化工以及其它工業(yè)中使用廣泛，它適用于冷卻、冷凝、加熱、蒸發(fā)和廢熱回收等各個(gè)方面。 管殼式換熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，必須考慮很多因素，如材料、壓力、溫度、壁溫差、結(jié)垢情況、流體性質(zhì)以及檢修與清理等，通過各種因素的綜合考慮及比較來選擇某一種 適合的結(jié)構(gòu)形式。 對同一種形式的換熱器，由于各種條件不同，往往采用的結(jié)構(gòu)亦不相同。在工程設(shè)計(jì)中，按工藝特定的條件進(jìn)行設(shè)計(jì)，以滿足工藝上的需要。 管殼式換熱器把換熱管與管板連接，再用殼體固定。它的形式大致分為固定管板式換熱器、浮頭式換熱器、 U 形管殼式換熱器、外填料函式換熱器、填料函滑動(dòng)管板式換熱器、釜式重沸器等幾種。根據(jù)介質(zhì)的種類、壓力、溫度、污垢和其它條件，管板與殼體的連接方式，換熱管的形式與傳熱條件，造價(jià)，維修檢查方便等情況，根據(jù)各種結(jié)構(gòu)形式的特點(diǎn)來選擇設(shè)計(jì)制造各種管殼式換熱器。為了要使傳熱效率提高、能耗 下降，就必須了解管殼式換熱器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。下面著重介紹典型的管殼式換熱器的結(jié)構(gòu)及使用特點(diǎn)。 浮頭式換熱器 浮頭式換熱器（見圖 ）是由管箱、殼體、管束、浮頭蓋、外頭蓋等零部件組成。它的最大的特點(diǎn)是管板一端的管束可以自由浮動(dòng)，在使用過程中由溫差膨脹而不受殼體約束，不會(huì)產(chǎn)生溫差應(yīng)力，即其不受溫差應(yīng)力的困擾，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，內(nèi)浮頭密封困難，鍛件多，造價(jià)高。維修時(shí)可只更換管束，適用于管、殼程溫差大但工作壓力不超過 10MPa的工況。它在相同的殼體直徑下，布管數(shù)越多，換熱面積越大。 其優(yōu)點(diǎn)是： ① 管束可以抽出 ，以方便清洗管、殼程； ② 介質(zhì)間溫差不受限制； ③ 可在高溫、高壓下工作，一般溫度 ≤ 450oC ，壓力 ≤ MPa； ④ 可用于結(jié)垢比較嚴(yán)重的場合； ⑤ 可用于管程易腐蝕場合。 缺點(diǎn)： 浮頭式換熱器機(jī)械設(shè)計(jì)及三維 造型 4 ① 小浮頭易發(fā)生內(nèi)漏； ② 金屬材料耗量大，成本高 20%； ③ 結(jié)構(gòu)復(fù)雜。 防沖板 擋板 浮頭管板 鉤圈 支耳 圖 浮頭式換熱器 固定管板式換熱器 固定管板式換熱器（見 圖 ）是由管箱、殼體、管板、管子等零部件組成。其結(jié)構(gòu)較緊湊，排管較多，在相同直徑情況下面積較大，制造較簡單，但最后一道殼體與管板的焊縫無法用無損檢測。其兩端管板，采用焊接方式與殼體連接固定，管程可分成多程，殼程也可分成雙程，規(guī)格范圍廣，故在工程中廣泛應(yīng)用。它適用于管、殼程溫差不大或管、殼程溫差大，但壓力不高，殼程介質(zhì)干凈或雖結(jié)垢但通過化學(xué)清洗能清除的場合。在熱膨脹之差較大時(shí)，可在殼體上設(shè)置膨脹節(jié)，以減少因管、殼程溫差而產(chǎn)生的熱應(yīng)力。 其優(yōu)點(diǎn)是： ① 傳熱面積比浮頭式換熱器大 20%30%； ② 旁路漏流 較??； ③ 鍛件使用較少，成本低 20％ 以上； ④ 沒有內(nèi)漏。 缺點(diǎn)： ① 殼體和管子壁溫差一般易小于等于 50，大于 50 時(shí)應(yīng)在殼體上設(shè)置膨脹節(jié)； ② 管板與管頭之間易產(chǎn)生溫差應(yīng)力而損壞； ③ 殼程無法機(jī)械清洗； ④ 管子腐蝕后造成連同殼體報(bào)廢，殼體部件壽命決定于管子壽命，故設(shè)備壽命相對較低； ⑤ 不適用于殼程易結(jié)垢場合。 第一章 緒論 5 防沖板 拉桿 弓形折流板 分流割板 旁路擋板 帶法蘭管板 換熱管 殼體 圖 固定管板式換熱器 形管換熱器 U 形管換熱器（見圖 ）是由管箱、殼體、管束等零部件組成。它是將換熱管彎成 U形，并將換熱管兩端固定在同一塊管板上，因此密封面較少。由于殼體與換熱管分開，管束可自由伸縮，可以不考慮熱膨脹。因 U形管式換熱器僅有一塊管板，且無浮頭，所以結(jié)構(gòu)簡單，造價(jià)比其它換熱器低。管束可以從殼體內(nèi)抽出，換熱管外壁便于清洗。但換熱管內(nèi)清洗困難，所以換熱管內(nèi)的介質(zhì)必須是清潔且不易結(jié)垢的物料。由于換熱管的結(jié)構(gòu)形式關(guān)系，換熱管的更換除外側(cè)一層外，內(nèi)部換熱管大部分不可能更換。管束中心部分存在空隙，所以流體易短路， 影響傳熱效率。而且管板上排列的換熱管較少，結(jié)構(gòu)不緊湊。 U形管的彎管部分曲率不同，換熱管長度不一致，因而物料分布不如固定管板式換熱器均勻。換熱管因滲漏而堵死后，將造成傳熱面積的損失。 U形管式換熱器一般用于高溫高壓的情況下。殼程里需要清洗的管束，則要求采用正方形排列，管程為偶數(shù)程。 殼程內(nèi)一般可按工藝要求設(shè)置折流板和縱向隔板等。折流板用于提高換熱器的傳熱效率?？v向隔板是安裝在平行于換熱管方向的矩形平板上，以增加殼側(cè)介質(zhì)流速。 其優(yōu)點(diǎn)是： ① 管束可抽出來機(jī)械清洗； ② 殼體與管壁不受溫差限制； ③ 可在高溫、 高壓下工作，一般適用于溫度，壓力 （ 10MPa） ； ④ 可用于殼程結(jié)垢比較嚴(yán)重的場合； ⑤ 可用于管程易腐蝕場合。 缺點(diǎn)： ① 在管子的 U形處易沖蝕，應(yīng)控制管內(nèi)流速； ② 管程不適用結(jié)垢較重的場合； 浮頭式換熱器機(jī)械設(shè)計(jì)及三維 造型 6 ③ 單管程換熱器不適用； ④ 不適用于內(nèi)導(dǎo)流筒，故死區(qū)較大。 中間擋板 U 型換熱管 內(nèi)導(dǎo)流筒 圖 U 形管換熱器 填料函式換熱器 填料函式換熱器（見圖 ）的管束可自由伸縮，殼程和管程都可以拆開清洗，結(jié)構(gòu)簡單，適用管、殼程溫差大 的工況。耐壓、耐溫及密封能力差，工作壓力不超過 40MPa，不宜處理易揮發(fā)、易燃、易爆、有毒及貴重介質(zhì)。 圖 填料函式換熱器 釜式重沸器 釜式重沸器（見圖 ）的殼體上部作為蒸汽空間，相當(dāng)于 1 塊理論塔盤，熱源由浮頭或 Ｕ 形管束提供，適用場合為管殼程溫差大，壓力不受限制，塔底空間較小，汽化率 30%~80%，重沸器工藝介質(zhì)的液相作為產(chǎn)品或用于分離，但要求高，安裝空間受限制。用作蒸汽發(fā)生器時(shí)，對蒸汽品質(zhì)要求不高。 第一章 緒論 7 圖 釜式重沸器（Ｕ形） 設(shè)計(jì)的思想 設(shè)計(jì) 是為生產(chǎn)服務(wù)，要設(shè)計(jì)出一臺(tái)能夠滿足生產(chǎn)需要的換熱器，必須做到設(shè)計(jì)要滿足生產(chǎn)需要，滿足換熱器安全可靠運(yùn)行，滿足經(jīng)濟(jì)合理等基本要求。 首先設(shè)計(jì)必須滿足生產(chǎn)需要 所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品能夠進(jìn)行穩(wěn)定可靠得操作，從而滿足正常的生產(chǎn)需要，此外，還能夠適應(yīng)生產(chǎn)負(fù)荷以及操作參數(shù)在一定范圍內(nèi)的波動(dòng)，所以產(chǎn)品的可操作性和可控制性是設(shè)計(jì)中應(yīng)該考慮的重要問題。另外，設(shè)備與部件應(yīng)便于運(yùn)輸與裝拆，確保檢修和更換零件的便利。 設(shè)計(jì)必須安全可靠 一般來講 ,換熱器的失事 ,不僅僅使容器和設(shè)備本身遭到破壞 ,而往往會(huì)破壞周圍的其他設(shè)備及 建筑 ,甚至造成人身傷亡事故 ,而由于內(nèi)部介質(zhì)向外擴(kuò)散帶來的化學(xué)爆炸、著火燃燒或惡性中毒等連鎖反應(yīng)更會(huì)造成不可估量的災(zāi)難性破壞。因此，根據(jù)壓力容器可能的失效形式，設(shè)計(jì)上應(yīng)滿足強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性、密封性和耐蝕性等基本要求。 設(shè)計(jì)必須經(jīng)濟(jì)合理 在競爭激烈的當(dāng)代社會(huì)中，“經(jīng)濟(jì)合理”的消費(fèi)理念已成為了生產(chǎn)者的共識(shí)，一般情況下，生產(chǎn)者都追求所設(shè)計(jì)的設(shè)備總是以較少的投資獲取最大的經(jīng)濟(jì)利潤，要求其經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)具有競爭性，因此，在各種方案的分析對比過程中，其經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)評價(jià)往往是最重要的決策因素之一。 要想設(shè)計(jì)一臺(tái)既 滿足要求又經(jīng)濟(jì)合理的換熱器，不僅僅是必須嚴(yán)格