【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用的10%～20%，在煉油廠約占總費用35%～40%。換熱器在其他部門如動力、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)計和選擇得到使用、高效的。換熱器對降低設(shè)備的造價和操作費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，應(yīng)考慮熱補償。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)計規(guī)定》和《鋼制管殼式換熱器設(shè)計規(guī)定》等有關(guān)規(guī)定與標(biāo)準(zhǔn)。直立設(shè)備的安裝費往往低于水平或傾斜的設(shè)備。設(shè)備與部件應(yīng)便于運輸與拆卸，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(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】 脈動力的主頻率與管子的固有頻率重合之處。脈動力的主頻率 fb為： ?????? ??? )1( TdoTLU d o? 式中 : fb——— 紊流脈動的頻率 ,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——— 兩個連續(xù)管排間的中心線距離 ,m 紊流脈動的頻率范圍較寬且具有很強的隨機性。由紊流抖振而誘發(fā)的振動不很規(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，由于沒有足夠的空間產(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 ，漩渦分離一般不會引起管子大幅度振動。 換熱器內(nèi)密集的管束中 ,任何一根管子的運動都會改變周圍的流場。流場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 ,從而進(jìn)一步改變了作用在其中的流體力。一根管子的位移會對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理誘發(fā)起管子運動的情況下產(chǎn)生的。其特點是流體速度一旦超過某一臨界速度值并稍有增加時 ,振幅即有大幅度增加 ,若阻尼不太大時 ,形成的振幅將一直增大到管子互相碰撞。這種振動在流體速度減小到 遠(yuǎn)低于初始速度時仍會持續(xù)。 管束發(fā)生流體彈性不穩(wěn)定時候的臨界橫流速度 Vc可以按下面的公式進(jìn)行計算： bsoncc dfKV ?? 式子中： s? —— 質(zhì)量阻尼參數(shù)，無因次，可按公式 )/( oos dm ??? ? 進(jìn)行計算； 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 ,振動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)振動機理主要是流體激振。 通過以上管束 振動的分析可知，管子的振動與管子的系統(tǒng)的固有頻率、系統(tǒng)的阻尼和流體流動特性等因素有關(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)生振動和位移，因而在固有頻率分析時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，但不能發(fā)生縱向位移，因而可以看作是簡支。換熱管的簡化模型為多跨度梁，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)是梁的橫向振動微分方程。 換熱器管束的管子具有多個固有頻率，每一種固有頻率對應(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，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。影響管子振動關(guān)鍵是第一二階的固有頻率。對于多跨直管的固有頻率求解方程相當(dāng)復(fù)雜，為方便計算，美國的管殼式換熱器制造者協(xié)會設(shè)計了相應(yīng)的計算公式和振型常數(shù)，將等跨距直管的固有頻率簡化為跨度數(shù)和兩端支撐條件決定的參數(shù)，由下面的式子計算： knn mlELCf 1 5 ? 換熱管發(fā)生振動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， f1/fn。f2/fn。 b） 當(dāng)管程流體是氣體或蒸汽時， f1/fn。f2/fn。 c） 當(dāng)殼程流體是氣體或液體時，應(yīng)有橫向流速 vvc。 換熱器內(nèi)流體誘導(dǎo)振動的機理相當(dāng)復(fù)雜 ,能夠有效地防止振動的完整的設(shè)計準(zhǔn)則尚未建立起來。這就需要在運行過程中根據(jù)不同的操作情況 ,采用不同的措施來防止換熱器的振動。振動是不可避免的但是輕微的振動不但不會帶來損壞 ,而且還有強化傳熱和減少結(jié)垢的作用。但是強烈的振動應(yīng)該采取必要的防振措施以減緩振動 ,避免換熱器振動破壞?？拐竦母就窘?jīng)是激振力頻率盡量避開管子的固有頻率。工程實踐中常采用以下的抗振措施 : (1)制定合理的開停工程序 ,加強在線監(jiān)測 ,嚴(yán)格控制運行條件 ,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。 (2)降低換熱器殼側(cè)流體速度是防止管束振動的最直接的方法。因為當(dāng)傳熱元件的固有頻率不變時 ,降低流速 ,可使流體脈動的頻率降低 ,從而避免共振的產(chǎn)生 ,但同時傳熱效率也會隨之降低。 (3)提高傳熱元件的固有頻率是防止振動的另一個關(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 ,間隙不要過大 ,可以優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計等。 (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代替折流板等。這些方法都可以有效地防止管束振動。 （ 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。 振動問題最好是在事前預(yù)防 ,而不是待振動出現(xiàn)后再去修正。這就要求我們能在設(shè)計過程中充分考慮各種因素 ,只有這樣才能使設(shè)計的產(chǎn)品更加完善 ,操作使用更加安全可靠。 167。 七 .設(shè)計結(jié)果表匯 換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計算結(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 臺數(shù) 1 管徑， mm ?? 管心距， mm 32 管長， mm 6000 管子排列 △ 管數(shù)，根 232 折流板數(shù)，個 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 . 化工過程及設(shè)備設(shè)計 [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 [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] 婁愛娟 ,吳志泉 . 化工設(shè)計 [M].上海：華東理工大學(xué)出版社， 2020 [7] 華東理工大學(xué)機械制圖教研組 . 化工制圖 [M]. 北京：高等教育出版社， 1993 [8] 王靜康 . 化工設(shè)計 [M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版， 1998 [9] 傅啟民 . 化工設(shè)計 [M]. 合肥：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社， 2020 [10] 董大勤 . 化工設(shè)備機械設(shè)計基礎(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]化工單元過程及設(shè)備課程設(shè)計，化學(xué)工業(yè)出版社， 2020 167。 附：化工原理課程設(shè)計之 心得體會 經(jīng)過連續(xù)三周緊鑼密鼓的奮戰(zhàn)，化工原理課程設(shè)計終于告一段落。 經(jīng)過這次化工原理課程設(shè)計，我充分認(rèn)識到以下幾點： （ 1） .實踐來自理論，又高于理論 這次專業(yè)性較強的課程設(shè)計，讓我認(rèn)識到：課堂上理論知識掌握的再好，沒有落實到實處，是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。換熱器的設(shè)計，從課本上簡單的理論計算，到根據(jù)需求滿足一定條件的切實地進(jìn)行設(shè)計，不再僅僅包括呆板單調(diào)的計算，還要根據(jù)具體要求選擇、區(qū)分和確定所設(shè)計的換熱器的每一個細(xì)節(jié)，我覺得這是最大的一個挑戰(zhàn)。 （ 2） .化工制圖，要一絲不茍 初次見到往屆學(xué)生的課程設(shè)計所繪的圖紙，我感到很震驚！那么大的一個圖，還要仔細(xì)標(biāo)注每一個細(xì)枝末節(jié)，還要有很多的剖開或放大的局部零件，這得需要多大的工作量??！ 當(dāng)我落實到圖紙上的時候，我再一次遇到 挫折感，零件尺寸的確定、繪制的簡潔美觀、局部細(xì)節(jié)的準(zhǔn)確性，還有眼力、筆力、精力的多重考驗，真的，既是體力活，又是腦力活啊。當(dāng)我看到參考書上的準(zhǔn)確、美觀的設(shè)計圖的時候，我總會告訴自己：化工制圖，一絲不茍。 （ 3） .圖書館的作用大，在資料的海洋里不再害怕 課程設(shè)計動員會一結(jié)束，我就跑到本部圖書館，借了三本超厚的換熱器的設(shè)計相關(guān)的圖書，當(dāng)我把它們?nèi)M(jìn)書包的時候，我很擔(dān)心：我啥時候能把這么厚的書給翻完呢？ 沒想到啊沒想到，最后不僅看完了這三本里和設(shè)計相關(guān)的部分，而且還搶著看了其他同學(xué)借的好幾本書。當(dāng)我完成報告，再回頭看我看過的書的時候，一種成就感油然而生。圖書館的作用大，在資料的海洋中不再害怕。 （ 4） . 實踐報告，計算、打字都很辛苦 這次實踐報告，統(tǒng)一要求用電子稿打印裝訂。這對沒有電腦的我來說，實在又是一個挑戰(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候，我的手指好累，腦子也很乏很困，這考驗忒大了點。 （ 5） . 老師指導(dǎo)，團隊合作，是勝利的催化劑 課程設(shè)計的前、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圖和設(shè)計做出指導(dǎo)。特別是教師節(jié)的那一天，邱運仁老師還花了一個上午的時間給我們解決問題，同學(xué)們雖然口頭上沒說什么，但是心里挺感動的，感謝老師。 還有一點我覺得非常重要，那便是團隊合作。起初，老師布置班級的同學(xué)分為若干個組，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)計過程中，遇到的一些來不及問老師的小疑問，經(jīng)同學(xué)間的相互點醒和幫助，真的是“山重水復(fù)疑無路，柳暗花明又一村”。于是，我覺得，那句老生常談還是有道理的：團結(jié)就是力量。 ?? 這次課程設(shè)計真的收獲良多。 ****** 2020/9/16