【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。在化工廠，換熱器的費(fèi)用約占總費(fèi)用的10%～20%，在煉油廠約占總費(fèi)用35%～40%。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。在不同溫度的流體間傳遞熱能的裝置稱為熱交換器，即簡(jiǎn)稱換熱器，是將熱流體的部分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。換熱器是壓力容器，在進(jìn)行強(qiáng)度、剛度、溫差應(yīng)力以及疲勞壽命計(jì)算時(shí)，應(yīng)遵循我國(guó)《鋼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。煤油：入口溫度160℃，出口溫度60℃；該換熱器用循環(huán)冷卻自來水進(jìn)行冷卻，冬季操作時(shí)，其進(jìn)口溫度會(huì)降低，考略到這一因素，估計(jì)所需換熱器的管壁溫度和殼體溫度之差較大，需考慮熱膨脹的影響，故從安全方便考慮可以采用帶有膨脹節(jié)的管板式換熱器

　　

【正文】 o——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： 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。這就需要在運(yùn)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(dòng)。振動(dòng)是不可避免的但是輕微的振動(dòng)不但不會(huì)帶來損壞,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)制定合理的開停工程序,加強(qiáng)在線監(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,間隙不要過大,可以優(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。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，℃30/40140/40壓力，MPa33142317流量，kg/h6705612626物性物性溫度，℃3590密度，kg/m3994825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，mm600臺(tái)數(shù)1管徑，mm管心距，mm32管長(zhǎng)，mm6000管子排列△管數(shù)，根232折流板數(shù)，個(gè)29傳熱面積，m2100折流板間距，mm200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。[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，2001[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(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, 2000[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] 婁愛娟,吳志泉. 化工設(shè)計(jì)[M].上海：華東理工大學(xué)出版社，2002[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，2000[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]化工單元過程及設(shè)備課程設(shè)計(jì)，化學(xué)工業(yè)出版社，2003167。附：化工原理課程設(shè)計(jì)之心得體會(huì)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(jì)終于告一段落。經(jīng)過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)踐來自理論，又高于理論這次專業(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)，還要有很多的剖開或放大的局部零件，這得需要多大的工作量啊！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，我就跑到本部圖書館，借了三本超厚的換熱器的設(shè)計(jì)相關(guān)的圖書，當(dāng)我把它們?nèi)M(jìn)書包的時(shí)候，我很擔(dān)心：我啥時(shí)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(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。當(dāng)我完成報(bào)告，再回頭看我看過的書的時(shí)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(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)沒有電腦的我來說，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)間給我們解決問題，同學(xué)們雖然口頭上沒說什么，但是心里挺感動(dòng)的，感謝老師。 還有一點(diǎn)我覺得非常重要，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(diǎn)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(tuán)結(jié)就是力量。 …… 這次課程設(shè)計(jì)真的收獲良多。******2010/9/16