【導(dǎo)讀】換熱器是化工、煉油工業(yè)中普遍應(yīng)用的典型的工藝設(shè)備?？傎M(fèi)用的10%～20%，在煉油廠(chǎng)約占總費(fèi)用35%～40%。換熱器在其他部門(mén)如動(dòng)力、原子能、冶金、食品、交通、環(huán)保、家電等也有著廣泛的應(yīng)用。因此，設(shè)計(jì)和選擇得到使用、高效的。換熱器對(duì)降低設(shè)備的造價(jià)和操作費(fèi)用具有十分重要的作用。熱量傳遞給冷流體的設(shè)備。換熱器的類(lèi)型按傳熱方式的不同可分為：混合式、蓄熱式和間壁式。器應(yīng)用最廣泛，如表2-1所示。由于殼程不易檢修和清洗，因此殼方流體應(yīng)是較為潔凈且不易結(jié)垢的物料。差較大時(shí)，應(yīng)考慮熱補(bǔ)償。壓縮），以適應(yīng)外殼和管束的不同的熱膨脹程度。制石油化工壓力容器設(shè)計(jì)規(guī)定》和《鋼制管殼式換熱器設(shè)計(jì)規(guī)定》等有關(guān)規(guī)定與標(biāo)準(zhǔn)。直立設(shè)備的安裝費(fèi)往往低于水平或傾斜的設(shè)備。設(shè)備與部件應(yīng)便于運(yùn)輸與拆卸，在廠(chǎng)房。移動(dòng)時(shí)不會(huì)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(shè)保溫層。有幾種換熱器都能完成生產(chǎn)任務(wù)的需要，這一標(biāo)準(zhǔn)就尤為重要了。

　　

【正文】 脈動(dòng)力的主頻率與管子的固有頻率重合之處。脈動(dòng)力的主頻率 fb為： ?????? ??? )1( TdoTLU d o? 式中 : fb——— 紊流脈動(dòng)的頻率 ,Hz U——— 相鄰兩管間的流體平均速度 ,m/s d0——— 管子的外徑 ,m T——— 管束的橫向管間距 ,m L——— 兩個(gè)連續(xù)管排間的中心線(xiàn)距離 ,m 紊流脈動(dòng)的頻率范圍較寬且具有很強(qiáng)的隨機(jī)性。由紊流抖振而誘發(fā)的振動(dòng)不很規(guī)律 ,較少導(dǎo)致大范圍的共振響應(yīng)。紊流抖振不是導(dǎo)致管子破壞的主要原因 ,而是產(chǎn)生流體彈性激振的重要因素。 通常認(rèn)為，當(dāng)管子間距較小時(shí)，由于沒(méi)有足夠的空間產(chǎn)生漩渦分離，紊流的影響是主要的。當(dāng)管子間距與管徑之比小于 ，漩渦分離一般不會(huì)引起管子大幅度振動(dòng)。 換熱器內(nèi)密集的管束中 ,任何一根管子的運(yùn)動(dòng)都會(huì)改變周?chē)牧鲌?chǎng)。流場(chǎng)的改變則使作用在相鄰管子上的流體發(fā)生相應(yīng)的改變 ,從而使受力作用的管子發(fā)生振動(dòng) ,從而進(jìn)一步改變了作用在其中的流體力。一根管子的位移會(huì)對(duì)相鄰的管子施加流體力而使其也產(chǎn)生位移。這種流體力與彈性位移的相互作用就叫做流體彈性激振。它一般是在已有其它機(jī)理誘發(fā)起管子運(yùn)動(dòng)的情況下產(chǎn)生的。其特點(diǎn)是流體速度一旦超過(guò)某一臨界速度值并稍有增加時(shí) ,振幅即有大幅度增加 ,若阻尼不太大時(shí) ,形成的振幅將一直增大到管子互相碰撞。這種振動(dòng)在流體速度減小到 遠(yuǎn)低于初始速度時(shí)仍會(huì)持續(xù)。 管束發(fā)生流體彈性不穩(wěn)定時(shí)候的臨界橫流速度 Vc可以按下面的公式進(jìn)行計(jì)算： bsoncc dfKV ?? 式子中： s? —— 質(zhì)量阻尼參數(shù)，無(wú)因次，可按公式 )/( oos dm ??? ? 進(jìn)行計(jì)算； do—— 換熱器的外徑， m： fn—— 換熱管的固有頻率， Hz； Kc—— 比例系數(shù) 研究表明 ,流體速度較低時(shí) ,振動(dòng)可能由漩渦脫落或紊流抖振引起 ,而在速度較高區(qū)域 ,誘發(fā)振動(dòng)機(jī)理主要是流體激振。 通過(guò)以上管束 振動(dòng)的分析可知，管子的振動(dòng)與管子的系統(tǒng)的固有頻率、系統(tǒng)的阻尼和流體流動(dòng)特性等因素有關(guān)。在換熱器中，換熱管兩端與管板連接，中間由等間距布置的多個(gè)折流板支撐，但靠近兩端管板的折流板與管板之間的跨距比中間跨距要大。換熱管與管板之間不論采用焊接、脹接或脹接焊接并用，都不能發(fā)生振動(dòng)和位移，因而在固有頻率分析時(shí)可看作剛性固定支撐；管束中間用弓形折流板支撐，管子與折流板管孔之間有很小的的間隙，管 子可以轉(zhuǎn)動(dòng)，但不能發(fā)生縱向位移，因而可以看作是簡(jiǎn)支。換熱管的簡(jiǎn)化模型為多跨度梁，因此，求解換熱管的固有頻率歸結(jié)為求解多跨度梁的固 有頻率，其理論基礎(chǔ)是梁的橫向振動(dòng)微分方程。 換熱器管束的管子具有多個(gè)固有頻率，每一種固有頻率對(duì)應(yīng)一種不同振型。當(dāng)受其中一種特定頻率的激發(fā)載荷作用時(shí)，就可以發(fā)生某種振型的共振。利用管子兩端的固定條件與管子在中間管子簡(jiǎn)支處的連續(xù)條件，求解方程組可得到換熱管的各階固有頻率。影響管子振動(dòng)關(guān)鍵是第一二階的固有頻率。對(duì)于多跨直管的固有頻率求解方程相當(dāng)復(fù)雜，為方便計(jì)算，美國(guó)的管殼式換熱器制造者協(xié)會(huì)設(shè)計(jì)了相應(yīng)的計(jì)算公式和振型常數(shù)，將等跨距直管的固有頻率簡(jiǎn)化為跨度數(shù)和兩端支撐條件決定的參數(shù)，由下面的式子計(jì)算： knn mlELCf 1 5 ? 換熱管發(fā)生振動(dòng)的基本條件是各種激振力的頻率等于或接近換熱管的固有頻率。因此，要想有效防振，必須分別算出漩渦脫流頻率 f紊流抖振頻率 f2和管子的固有頻率 fn，用下式判斷： a） 當(dāng)殼程流體是氣體或液體時(shí)， f1/fn。f2/fn。 b） 當(dāng)管程流體是氣體或蒸汽時(shí)， f1/fn。f2/fn。 c） 當(dāng)殼程流體是氣體或液體時(shí)，應(yīng)有橫向流速 vvc。 換熱器內(nèi)流體誘導(dǎo)振動(dòng)的機(jī)理相當(dāng)復(fù)雜 ,能夠有效地防止振動(dòng)的完整的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則尚未建立起來(lái)。這就需要在運(yùn)行過(guò)程中根據(jù)不同的操作情況 ,采用不同的措施來(lái)防止換熱器的振動(dòng)。振動(dòng)是不可避免的但是輕微的振動(dòng)不但不會(huì)帶來(lái)?yè)p壞 ,而且還有強(qiáng)化傳熱和減少結(jié)垢的作用。但是強(qiáng)烈的振動(dòng)應(yīng)該采取必要的防振措施以減緩振動(dòng) ,避免換熱器振動(dòng)破壞?？拐竦母就窘?jīng)是激振力頻率盡量避開(kāi)管子的固有頻率。工程實(shí)踐中常采用以下的抗振措施 : (1)制定合理的開(kāi)停工程序 ,加強(qiáng)在線(xiàn)監(jiān)測(cè) ,嚴(yán)格控制運(yùn)行條件 ,在流體入口前設(shè)置緩沖板或?qū)Я魍?,既可以避免流體直接沖擊管束 ,降低流速 ,又可以減小流體脈動(dòng)。 (2)降低換熱器殼側(cè)流體速度是防止管束振動(dòng)的最直接的方法。因?yàn)楫?dāng)傳熱元件的固有頻率不變時(shí) ,降低流速 ,可使流體脈動(dòng)的頻率降低 ,從而避免共振的產(chǎn)生 ,但同時(shí)傳熱效率也會(huì)隨之降低。 (3)提高傳熱元件的固有頻率是防止振動(dòng)的另一個(gè)關(guān)鍵因素 ,減少跨距與有效質(zhì)量 ,增加材料的彈性模量與慣性矩 ,都可以提高傳熱元件的固有頻率。適當(dāng)增大管壁厚度、增大圓管直徑和折流板厚度 ,折流板上的管孔與管子采用緊密配合 ,間隙不要過(guò)大 ,可以?xún)?yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等。 (4)改變管束支撐形式 ,采用新型的縱向流管束支撐 ,例如折流 桿式、空心環(huán)式、整圓形異形孔折流板 ,還可以用折流帶或折流棒來(lái)代替折流板等。這些方法都可以有效地防止管束振動(dòng)。 （ 5）在換熱管外表面沿周向纏繞金屬絲或沿軸向安裝金屬條，可抑制周期性漩渦的形成。 當(dāng)然。 振動(dòng)問(wèn)題最好是在事前預(yù)防 ,而不是待振動(dòng)出現(xiàn)后再去修正。這就要求我們能在設(shè)計(jì)過(guò)程中充分考慮各種因素 ,只有這樣才能使設(shè)計(jì)的產(chǎn)品更加完善 ,操作使用更加安全可靠。 167。 七 .設(shè)計(jì)結(jié)果表匯 換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計(jì)算結(jié)果表 參數(shù) 管程 殼程 進(jìn)、出口溫度，℃ 30/40 140/40 壓力， MPa 3314 2317 流量， kg/h 67056 12626 物 性 物性溫度，℃ 35 90 密度， kg/m3 994 825 定壓比熱容， kJ/（ kg?℃） 粘度， Pa?s 熱導(dǎo)率， W/m?℃ 結(jié) 構(gòu) 參 數(shù) 形式 管板式換熱器 殼程數(shù) 1 殼體內(nèi)徑， mm 600 臺(tái)數(shù) 1 管徑， mm ?? 管心距， mm 32 管長(zhǎng)， mm 6000 管子排列 △ 管數(shù)，根 232 折流板數(shù)，個(gè) 29 傳熱面積， m2 100 折流板間距， mm 200 管程數(shù) 2 材質(zhì) 碳鋼 主要計(jì)算結(jié)果 管程 殼程 流速， m/s 污垢熱阻， m2℃ /W 熱流量， KW 傳熱溫差，℃ 32 傳熱系數(shù)， W/(m2K) 390 裕度 /% 167。 八 .參考文獻(xiàn) [1] 夏清，姚玉英 ,陳常貴 ,等 . 化工原理 [M]. 天津：天津大學(xué)出版社， 2020 [2] 華南理工大學(xué)化工原理教研組 . 化工過(guò)程及設(shè)備設(shè)計(jì) [M]. 廣州：華南理工大學(xué)出版社， 1996 [3] 刁玉瑋 ,王立業(yè) . 化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)（第五版） [M]. 大連：大連理工大學(xué)出版社 , 2020 [4] 大連理工大學(xué)化工原理教研室．化工原理課程設(shè)計(jì) [M]. 大連：大連理工大學(xué)出版社， 1996 [5] 魏崇光，鄭曉梅 . 化工工程制圖 [M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社 ,1998 [6] 婁愛(ài)娟 ,吳志泉 . 化工設(shè)計(jì) [M].上海：華東理工大學(xué)出版社， 2020 [7] 華東理工大學(xué)機(jī)械制圖教研組 . 化工制圖 [M]. 北京：高等教育出版社， 1993 [8] 王靜康 . 化工設(shè)計(jì) [M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版， 1998 [9] 傅啟民 . 化工設(shè)計(jì) [M]. 合肥：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社， 2020 [10] 董大勤 . 化工設(shè)備機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ) [M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社 ,1999 [11] GB 1511999管殼式換熱器 [12] JB/T 471592 固定管板式換熱器與基本參數(shù) [13] 靳明聰 . 換熱器 [M]. 重慶：重慶大學(xué)出版社， 1990 [14] 蘭州石油機(jī)械研究所 . 換熱器 [M]. 北京：烴加工出版社， 1986 [15]GB15098鋼制壓力容器 [16]化工單元過(guò)程及設(shè)備課程設(shè)計(jì)，化學(xué)工業(yè)出版社， 2020 167。 附：化工原理課程設(shè)計(jì)之 心得體會(huì) 經(jīng)過(guò)連續(xù)三周緊鑼密鼓的奮戰(zhàn)，化工原理課程設(shè)計(jì)終于告一段落。 經(jīng)過(guò)這次化工原理課程設(shè)計(jì)，我充分認(rèn)識(shí)到以下幾點(diǎn)： （ 1） .實(shí)踐來(lái)自理論，又高于理論 這次專(zhuān)業(yè)性較強(qiáng)的課程設(shè)計(jì)，讓我認(rèn)識(shí)到：課堂上理論知識(shí)掌握的再好，沒(méi)有落實(shí)到實(shí)處，是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。換熱器的設(shè)計(jì)，從課本上簡(jiǎn)單的理論計(jì)算，到根據(jù)需求滿(mǎn)足一定條件的切實(shí)地進(jìn)行設(shè)計(jì)，不再僅僅包括呆板單調(diào)的計(jì)算，還要根據(jù)具體要求選擇、區(qū)分和確定所設(shè)計(jì)的換熱器的每一個(gè)細(xì)節(jié)，我覺(jué)得這是最大的一個(gè)挑戰(zhàn)。 （ 2） .化工制圖，要一絲不茍 初次見(jiàn)到往屆學(xué)生的課程設(shè)計(jì)所繪的圖紙，我感到很震驚！那么大的一個(gè)圖，還要仔細(xì)標(biāo)注每一個(gè)細(xì)枝末節(jié)，還要有很多的剖開(kāi)或放大的局部零件，這得需要多大的工作量?。? 當(dāng)我落實(shí)到圖紙上的時(shí)候，我再一次遇到 挫折感，零件尺寸的確定、繪制的簡(jiǎn)潔美觀、局部細(xì)節(jié)的準(zhǔn)確性，還有眼力、筆力、精力的多重考驗(yàn)，真的，既是體力活，又是腦力活啊。當(dāng)我看到參考書(shū)上的準(zhǔn)確、美觀的設(shè)計(jì)圖的時(shí)候，我總會(huì)告訴自己：化工制圖，一絲不茍。 （ 3） .圖書(shū)館的作用大，在資料的海洋里不再害怕 課程設(shè)計(jì)動(dòng)員會(huì)一結(jié)束，我就跑到本部圖書(shū)館，借了三本超厚的換熱器的設(shè)計(jì)相關(guān)的圖書(shū)，當(dāng)我把它們?nèi)M(jìn)書(shū)包的時(shí)候，我很擔(dān)心：我啥時(shí)候能把這么厚的書(shū)給翻完呢？ 沒(méi)想到啊沒(méi)想到，最后不僅看完了這三本里和設(shè)計(jì)相關(guān)的部分，而且還搶著看了其他同學(xué)借的好幾本書(shū)。當(dāng)我完成報(bào)告，再回頭看我看過(guò)的書(shū)的時(shí)候，一種成就感油然而生。圖書(shū)館的作用大，在資料的海洋中不再害怕。 （ 4） . 實(shí)踐報(bào)告，計(jì)算、打字都很辛苦 這次實(shí)踐報(bào)告，統(tǒng)一要求用電子稿打印裝訂。這對(duì)沒(méi)有電腦的我來(lái)說(shuō)，實(shí)在又是一個(gè)挑戰(zhàn)，不僅僅是硬件條件的缺乏，更是打字熟練程度的限制讓我痛苦不堪。我連續(xù)一周跑到電子閱覽室，將做好的草稿，輸入 word文檔。還記得第一天回寢室的時(shí)候，我的手指好累，腦子也很乏很困，這考驗(yàn)忒大了點(diǎn)。 （ 5） . 老師指導(dǎo)，團(tuán)隊(duì)合作，是勝利的催化劑 課程設(shè)計(jì)的前、中、后，指導(dǎo)老師多次給我們釋疑答惑，多次到科教北樓的六樓給我們的畫(huà)圖和設(shè)計(jì)做出指導(dǎo)。特別是教師節(jié)的那一天，邱運(yùn)仁老師還花了一個(gè)上午的時(shí)間給我們解決問(wèn)題，同學(xué)們雖然口頭上沒(méi)說(shuō)什么，但是心里挺感動(dòng)的，感謝老師。 還有一點(diǎn)我覺(jué)得非常重要，那便是團(tuán)隊(duì)合作。起初，老師布置班級(jí)的同學(xué)分為若干個(gè)組，然后攜手完成，我們起先不理解老師為何這樣安排，于是就各自為戰(zhàn)。但是，設(shè)計(jì)過(guò)程中，遇到的一些來(lái)不及問(wèn)老師的小疑問(wèn)，經(jīng)同學(xué)間的相互點(diǎn)醒和幫助，真的是“山重水復(fù)疑無(wú)路，柳暗花明又一村”。于是，我覺(jué)得，那句老生常談還是有道理的：團(tuán)結(jié)就是力量。 ?? 這次課程設(shè)計(jì)真的收獲良多。 ****** 2020/9/16