【文章內(nèi)容簡介】 ................................ 58 鞍座強(qiáng)度校核 ......................................................................................................... 59 ...................................................................................................................... 59 第五章 換熱器的制造與檢驗(yàn) ........................................................................................................ 61 總體制造工藝 ....................................................................................................................... 61 換熱器質(zhì)量檢驗(yàn) .................................................................................................................... 61 管箱、殼體、頭蓋的制造與檢驗(yàn) ........................................................................................... 61 換熱管的制造與檢驗(yàn) ............................................................................................................. 62 管板與折流板的制造與檢驗(yàn) .................................................................................................. 62 換熱管與管板的連接 ............................................................................................................. 62 管束的組裝 ........................................................................................................................... 62 管箱、浮頭蓋的熱處理 ......................................................................................................... 63 第六章 結(jié)論 .................................................................................................................................... 64 參 考 文 獻(xiàn) .................................................................................................................................... 65 致謝 ........................................................................................................................ 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 四川理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 第一 章 緒論 概述 換熱器是將熱流體的部分熱量傳遞給冷流體的設(shè)備，又稱熱交換器。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。在石油、化工、輕工、制藥、能源等工業(yè)生產(chǎn)中，常常用作把低溫流體加熱或者把高溫流體冷卻，把液體汽化成蒸汽或者把蒸汽冷凝成液體。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，各種不同型式和種類的換熱器發(fā)展很快，新結(jié)構(gòu)、新材料的換熱器不斷涌現(xiàn)。換熱器的應(yīng)用廣泛，日常生活中取暖用的暖氣散熱片、汽輪機(jī)裝置中的凝汽器和航天火箭上的油冷卻器等，都是換熱器。它的主要功能是保證工藝過程對(duì)介質(zhì)所要求的特定溫度，同時(shí)也 是提高能源利用率的主要設(shè)備之一。換熱器既可是一種單元設(shè)備，如加熱器、冷卻器和凝汽器等；也可是某一工藝設(shè)備的組成部分，如氨合成塔內(nèi)的換熱器。換熱器是化工生產(chǎn)中重要的單元設(shè)備，根據(jù)統(tǒng)計(jì)，熱交換器的噸位約占整個(gè)工藝設(shè)備的 20%有的甚至高達(dá)30%，其重要性可想而知。 換熱器的發(fā)展歷史 二十世紀(jì) 20 年代出現(xiàn) 板式換熱器 ，并應(yīng)用于 食品工業(yè) 。以板代管制成的換熱器，結(jié)構(gòu)緊湊，傳熱效果好，因此陸續(xù)發(fā)展為多種形式。 30 年代初， 瑞典 首次制成 螺旋板換熱器 。接著英國用 釬焊 法制造出一種由銅及其合金材料制成的 板翅式換熱器 ，用于飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的散熱。 30 年代末，瑞典又制造出第一臺(tái)板殼式換熱器，用于紙漿工廠。在此期間，為了解決強(qiáng)腐蝕性介質(zhì)的換熱問題，人們對(duì)新型材料制成的換熱器開始注意。 60 年代左右，由于空間技術(shù)和尖端科學(xué)的迅速發(fā)展，迫切需要各種高效能緊湊型的換熱器，再加上沖壓、釬焊和密封等技術(shù)的發(fā)展，換熱器制造工藝得到進(jìn)一步完善，從而推動(dòng)了緊湊型板面式換熱器的蓬勃發(fā)展和廣泛應(yīng)用。此外，自 60 年代開始，為了適應(yīng)高溫和高 壓條件下的換熱和節(jié)能的需要，典型的管殼式換熱器也得到了進(jìn)一步的發(fā)展。 70 年代中期，為了強(qiáng)化傳熱，在研究和發(fā)展熱管的基礎(chǔ)上又創(chuàng)制出熱管式換熱器。 換熱器中流體的相對(duì)流向一般有順流和逆流兩種。順流時(shí)，入口處兩流體的溫差最大，并沿傳熱表面逐漸減小，至出口處溫差為最小。逆流時(shí)，沿傳熱表面兩流體的溫差分布較均勻。在冷、熱流體的進(jìn)出口溫度一定的條件下，當(dāng)兩種流體都無相變時(shí)，以逆流的平均溫差最大順流最小。 在完成同樣傳熱量的條件下，采用逆流可使平均溫差增大，換熱器的傳熱面積減小；若傳熱面積不變，采用逆流時(shí)可使加熱或冷卻流 體的消耗量降低。前者可節(jié)省設(shè)備費(fèi)，后者可節(jié)省操作費(fèi)，故在設(shè)計(jì)或生產(chǎn)使用中應(yīng)盡量采用逆流換熱。 當(dāng)冷、熱流體兩者或其中一種有物相變化 (沸騰或冷凝 )時(shí)，由于相變時(shí)只放出或吸收汽緒論 8 化潛熱，流體本身的溫度并無變化，因此流體的進(jìn)出口溫度相等，這時(shí)兩流體的溫差就與流體的流向選擇無關(guān)了。除順流和逆流這兩種流向外，還有錯(cuò)流和折流等流向。在傳熱過程中，降低間壁式換熱器中的熱阻，以提高傳熱系數(shù)是一個(gè)重要的問題。熱阻主要來源于間壁兩側(cè)粘滯于傳熱面上的流體薄層 (稱為邊界層 )，和換熱器使用中在壁兩側(cè)形成的污垢層，金屬壁的熱阻相對(duì)較小。 增加流體的流速和擾動(dòng)性，可減薄邊界層，降低熱阻提高給熱系數(shù)。但增加流體流速會(huì)使能量消耗增加，故設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)在減小熱阻和降低能耗之間作合理的協(xié)調(diào)。為了降低污垢的熱阻，可設(shè)法延緩污垢的形成，并定期清洗傳熱面。 一般換熱器都用金屬材料制成，其中碳素鋼和低合金鋼大多用于制造中、低壓換熱器；不銹鋼除主要用于不同的耐腐蝕條件外，奧氏體不銹鋼還可作為耐高、低溫的材料；銅、鋁及其合金多用于制造低溫?fù)Q熱器；鎳合金則用于高溫條件下；非金屬材料除制作墊片零件外，有些已開始用于制作非金屬材料的耐蝕換熱器，如石墨換熱器、氟塑料換熱器和 玻璃換熱器等。 換熱器的分類及其特點(diǎn) 在工業(yè)生產(chǎn)中，由于用途、工作條件（溫度、壓力）和物料特性（介質(zhì)）的不同，出現(xiàn)了各種不同形式和結(jié)構(gòu)的換熱器。 按作用原理或傳熱方式分類 按傳熱原理以及傳熱方式進(jìn)行分類，換熱器可進(jìn)行以下幾種方式分類。 （ 1）表面式換熱器（間壁式） 表面式換熱器是溫度不同的兩種流體在被壁面分開的空間里流動(dòng)，通過壁面的導(dǎo)熱和流體在壁表面對(duì)流，兩種流體之間進(jìn)行換熱。表面式換熱器有管殼式、套管式和其他型式的換熱器。 （ 2）蓄熱式換熱器 蓄熱式換熱器通過固體物質(zhì)構(gòu)成的蓄熱 體，把熱量從高溫流體傳遞給低溫流體，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)到熱量傳遞的目的。蓄熱式換熱器有旋轉(zhuǎn)式、閥門切換式等。 蓄熱式換熱器通過結(jié)構(gòu)緊湊、價(jià)格便宜、單位體積傳熱面積大，故適合氣 — 氣熱交換場(chǎng)合。 （ 3） 流體連接間接式換熱器（中間載體式） 流體連接間接式換熱器，是把兩個(gè)表面式換熱器由在其中循環(huán)的熱載體連接起來的換熱器，熱載體在高溫流體換熱器和低溫流體之間循環(huán)，在高溫流體接受熱量，在低溫流體換熱四川理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 器把熱量釋放給低溫流體 圖 11 圖 12 （ 4）直接接觸式換熱器 直接接觸式換熱器是兩種流體直接接觸進(jìn)行換熱的設(shè)備，例如，冷水塔、氣體冷凝器等。具有傳熱效率高、單位容積提供的傳熱面積大、設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，但不適用于流體混合的場(chǎng)合。 按用途分類 （ 1） 加熱器 加熱器是把流體加熱到必要的溫度，但加熱流體沒有發(fā)生相的變化 （ 2）預(yù)熱器 預(yù)熱器預(yù)先加熱流體，為工序操作提供標(biāo)準(zhǔn)的工藝參數(shù)。 （ 3）過濾器 過熱器用于把流體（工藝氣或蒸汽）加熱到過熱狀態(tài)。 （ 4）蒸發(fā)器 蒸發(fā)器用于加熱流體，達(dá)到沸 點(diǎn)以上溫度，使其流體蒸發(fā)，一般有相的變化。 管殼式換熱器 管殼式換熱器又稱列管式換熱器。管殼式換熱器是一個(gè)量大而品種繁多的產(chǎn)品，迫切需要新的耐磨損、耐腐蝕、高強(qiáng)度材料。我國在發(fā)展不銹鋼銅合金復(fù)合材料、鋁鎂合金及碳化硅等非金屬材料等方面都有不同程度的進(jìn)展，其中尤以鈦材發(fā)展較快。鈦對(duì)海緒論 10 水、氯堿、醋酸等有較好的抗腐蝕能力，如再強(qiáng)化傳熱，效果將更好，目前一些制造單位已較好的掌握了 圖 13 管殼式換熱器 鈦材的加工制造技術(shù)。對(duì)材料的噴涂，我國已從國外引進(jìn)生產(chǎn)線。鋁鎂合金具有較高的抗腐蝕性和導(dǎo)熱性，價(jià)格比鈦材便宜，應(yīng)予注意。近年來國內(nèi)在節(jié)能增效 等方面改進(jìn)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(qiáng)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。 管殼式換熱器管殼式換熱器是管殼式換熱器主要有殼體、管束、管板和 封頭 等部分組成，殼體多呈圓形，內(nèi)部裝有平行管束或者螺旋管，管束兩端固定于管板上。在管殼換熱器內(nèi)進(jìn)行換熱的兩種流體，一種在管內(nèi)流動(dòng)，其行程稱為管程；一種在管外流動(dòng)，其行程稱為殼 程。管束的壁面即為傳熱面。管子的型號(hào)不一，過程一般為直徑 16mm 19mm 或者 25mm 三個(gè)型號(hào)，管壁厚度一般為 1mm， ， 2mm 以及 。進(jìn)口換熱器，直徑最低可以到 8mm，壁厚僅為 。大大提高了換熱效率，今年來也在國內(nèi)市場(chǎng)逐漸推廣開來。管殼式換熱器，螺旋管束設(shè)計(jì)，可以最大限度的增加湍流效果，加大換熱效率。內(nèi)部殼層和管層的不對(duì)稱設(shè)計(jì)，最大可以達(dá)到 。這種不對(duì)稱設(shè)計(jì)，決定其在汽 水換熱領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。最大換熱效率可以達(dá) 14000w/，大大提高生產(chǎn)效率，節(jié)約成本。 同時(shí)，由于管 殼式換熱器多為金屬結(jié)構(gòu)，隨著中國新版 GMP 的推出，不銹鋼 316L 為主體的換熱器，將成為飲料，食品，以及制藥行業(yè)的必選。 基本類型 根據(jù)管殼式換熱器的特點(diǎn)，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，如圖所示。 （ 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 14 所示，管束連接在管板上，管板與殼體焊接。其優(yōu)點(diǎn)式結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，能承受較高的壓力，造價(jià)低，管程清洗方便，管子損壞時(shí)易于堵管四川理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 或更換；缺點(diǎn)是管束與殼體的壁溫或材料的線膨脹系數(shù)相差較大時(shí)，殼體與管束中將產(chǎn)生較大的熱 應(yīng)力。這種換熱器使用于殼側(cè)介質(zhì)清洗且不易結(jié)垢并能進(jìn)行清洗，管、殼程兩側(cè)溫差不大或溫差較大但是殼程壓力不高的場(chǎng)合。 圖 14 固定管板式換熱器 為減少熱應(yīng)力，通常在固定管板式換熱器中設(shè)置柔性元件（如膨脹節(jié)、撓性管板等），來吸收膨脹差。 （ 2）浮頭式換熱器 浮頭式換熱器的典型結(jié)構(gòu)見圖 14 所示，兩端管板只有一段與殼體固定，另一端可相對(duì)殼體自由移動(dòng)，稱為浮頭。浮頭由浮動(dòng)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(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力。 鉤圈對(duì)保證浮頭端的密封、防止介質(zhì)間的串漏起著重要作用。隨著浮頭式換熱器的設(shè)計(jì)、制造技術(shù)的發(fā)展，以及長期以來使用經(jīng)驗(yàn)的積累，鉤圈的結(jié)構(gòu)形式也得到了不段的改進(jìn)和完善。 鉤圈一般都為對(duì)開式結(jié)構(gòu)，要求密封可靠，結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、便于制造和拆裝方便。 浮頭式換熱器的優(yōu)點(diǎn)是管間與管內(nèi)清洗方便，不會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力；但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價(jià)比固定管板式換熱器高，設(shè)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(shí)密封要求高。適