【正文】 3. 根據(jù)以熱力學(xué)第一定律為基礎(chǔ)的幾種換熱器性能評(píng)價(jià)方法對(duì)所研究的換熱器進(jìn)行性能評(píng)價(jià)和比較。 三、研究步驟、方法及措施： 1. 根據(jù)熱能與動(dòng)力原理，對(duì)換熱器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，并得到換熱器的殼程傳熱準(zhǔn)則關(guān)系式和流阻準(zhǔn)則關(guān)系式 。殼程支撐結(jié)構(gòu)在作為管束支撐的同時(shí)又起到擾動(dòng)殼程流體、強(qiáng)化殼程傳 熱的作用，因此合理的殼程支撐結(jié)構(gòu)不僅影響換熱器的機(jī)械性能，對(duì)其傳熱和流動(dòng)阻力性能的提高也起著很重要的作用。 二、研究的基本內(nèi)容，擬解決的主要問題： 管殼式換熱器是工業(yè)生產(chǎn)中廣泛使用的一種換能設(shè)備，如何有效地改善其傳熱性能一直為人們所關(guān)心，強(qiáng)化傳熱則是改善其傳熱性能的重要手段。 由于制造技術(shù)、材料科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步和傳熱理論研究的不斷完善，有關(guān)換熱器的節(jié)能設(shè)計(jì)和應(yīng)用越來越引起關(guān)注，特別是近年來，能源與材料附錄 1 37 費(fèi)用的不斷增長(zhǎng)極大地推動(dòng)了對(duì)高效節(jié)能換熱器的 研究，地下工程空間有限，高效率的換熱器能節(jié)約地下工程的使用空間和能源。 我國(guó)現(xiàn)行服役的換熱器大多采用 20 世紀(jì) 50 年代國(guó)外早期的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，換熱效率較低、阻力降大、易結(jié)垢，停工檢修頻繁。為進(jìn)一步提高殼程傳熱能力，于是產(chǎn)生了螺旋折流板式列管換熱器。折流桿的夾持作用又抑制了破壞性振動(dòng)，使換熱器大型化成為可能。于是美國(guó)人首先發(fā)明了折流桿列管式換熱器。首先在換熱器兩個(gè)傳熱界面之一的管程采用了螺紋管、異形管、內(nèi)插物等強(qiáng)化傳熱新技術(shù)，使管程傳熱有了較大的突破。因 此換熱器技術(shù)水平是煉油廠先進(jìn)程度的重要標(biāo)志之一。以煉油廠為例，換熱器占設(shè)備總金屬消耗量的 20%左右。他一絲不茍的作風(fēng)是我學(xué) 習(xí)中的榜樣； 他 循循善誘的教導(dǎo)思路給予我無盡的啟迪 。每次遇到做得不好的地方，老師都給我耐心的講解和分析。燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 32 參考文獻(xiàn) [1] 朱聘冠 .換熱器原理及計(jì)算 [M].北京 ：清華大學(xué)出版社， 1987 [2] 史美中，王中錚 .熱交換器原理與設(shè)計(jì) [M].北京：東南大學(xué)出版社， 1996 [3] 錢頌文 .換熱器設(shè)計(jì)手冊(cè) [M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社， 2021 [4] 莊俊，徐通明，石壽椿 .熱管與熱管換熱器 [M].上海：上海交通大 學(xué)出版社， 1987 [5] 董大勤 .化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ) [M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社， 1990 [6] 化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)編 寫組 .化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ) [M].北京：石油化學(xué) 工業(yè)出版 社， 1978 [7] 趙克勤，王秀珍，王正 .石油化工容器及設(shè)備 [M].武漢：華中理工 大學(xué)出版社， 1990 [8] [美 ]賈瓦特 [M].北京：中國(guó)石化出版 社， 2021 [9] 顧芳珍，陳國(guó)桓 .化工設(shè)備設(shè)計(jì)基礎(chǔ) [M].天津：天津大學(xué)出版社， 1997 [10] 黃振仁，魏新利 .過程裝備成套技術(shù) ,北京：化學(xué)工業(yè)出版社 ,2021 [11] 黃振仁，魏新利 .過程裝備成套技術(shù)設(shè)計(jì)指南 [M].北京：化學(xué) 工業(yè) 出版社， 2021 [12] 鄭津洋，董其伍，桑芝富 .過程裝備設(shè)計(jì) [M].北京：化學(xué)工業(yè)出版 社， 2021 [13] 鄒廣華，劉強(qiáng) .過程裝備制造與檢測(cè) [M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社， 2021 [14] [美 ]James Maan ， ASME 壓力容器設(shè)計(jì)指南第二 [M].北京： 化學(xué)工業(yè)出版社， 2021 [15] 濮良貴，紀(jì)名剛 .機(jī)械設(shè)計(jì)第八版 [M].北京：高等教育出版社 ， 2021 [16] 鄧文英 .金屬工藝學(xué)第四版 [M].北京：高等教 育出版社 2021 [17] 教育部高等學(xué)校機(jī)械學(xué)科過程裝備與控制工程專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)分委參考文獻(xiàn) 33 員會(huì) .過程裝備與控制工程 [M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社， 2021 [18] 成大先 .機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)第五版 [M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社， 2021 [19] GB [S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社， 2021 [20] GB [S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社， 2021 [21] HG [S].化工部工程建設(shè) 標(biāo)準(zhǔn)編輯中心出版， 1998 [22]JB —— 分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn) [S].北京：新華出 版社， 1995 [23] 史美中 王中錚，《熱交換器原理與設(shè)計(jì)》（第二版），東南大學(xué)出 版社； [24] 錢頌文，《換熱器設(shè)計(jì)手冊(cè)》，化學(xué)工業(yè)出版社， 2021； [25] 楊崇麟，《板式換熱器工程設(shè)計(jì)手冊(cè)》，機(jī)械工業(yè)出版社， 1994； 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 34 致謝 在整個(gè)設(shè)計(jì)過程中 我的 于老師給了我很大的幫助和支持。將理論知識(shí)和生產(chǎn)實(shí)際相結(jié)合，為以后的工作和學(xué)習(xí)打下了很好的基礎(chǔ)，但是，設(shè)計(jì)過程中仍然存在不足之處，有的問題還需要進(jìn)一步展開研究。具體表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：通過在設(shè)計(jì) 中經(jīng)常查資料提高了我們檢索和查閱資料的能力；進(jìn)一步扎實(shí)了所學(xué)的理論知識(shí)，對(duì)所學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)和專業(yè)知識(shí)進(jìn)行了一次綜合應(yīng)用和系統(tǒng)復(fù)習(xí)；思維方式和設(shè)計(jì)思想更加全面化和系統(tǒng)化。雖然做的過程很辛苦，但是看到自己的成果，我感到很欣慰。 管程數(shù) Np（ N） 2 管長(zhǎng) l（ L） 管數(shù) n 144 管排列方式 正三角形排列 傳熱面積 39。換熱器的主要數(shù)據(jù)如表 43所示。 ?? 。CL 相近，如圖 49所示。 如圖 48所示 圖 48 鞍式支座 δ 4Ⅰ型Ⅱ型第四章 研究步驟、方法及設(shè)計(jì)產(chǎn)品的確定 29 本換熱器為臥室內(nèi)壓容器，應(yīng)該選用鞍式支座，依照 JB/T471292 雙鞍式支座標(biāo)準(zhǔn)，選用 mmDN 600? B1 型鞍式支座，具體尺寸如表 42 所示。 采用雙支座時(shí)，一個(gè)鞍座為固定支座，地腳螺栓為圓孔；另一個(gè)鞍座為活動(dòng)支座，地腳螺栓為 長(zhǎng)圓孔，配合兩個(gè)螺母，第一個(gè)螺母擰緊后，倒退一圈，然后再用第二個(gè)螺母鎖緊。 圖 43 殼體與封頭連接法蘭（兩個(gè)） 第四章 研究步驟、方法及設(shè)計(jì)產(chǎn)品的確定 27 圖 44 殼體與浮頭箱連接法蘭（殼體側(cè)） 圖 45 殼體與浮頭箱連接法蘭（浮頭箱側(cè)） 圖 46 殼程接管法蘭 圖 47 管程接管法蘭 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 28 表 41 管口表 臥式設(shè)備一般采用兩個(gè)鞍座。 在選取密封面時(shí)綜合考慮介質(zhì)因素和裝拆的因素，殼體法蘭均采用凹凸面型密封面，管箱接管法蘭采用平面型密封面，殼體接管法蘭采用凹凸型密封面。它適用于密封易燃、易爆、有毒介質(zhì)。 （ 3）榫槽型密封面 密封面是由一個(gè)榫和一個(gè)槽所組成，在墊圈放在槽內(nèi)。但螺栓上緊后，墊圈材料容易往兩側(cè)伸展，不易壓緊，用于所需壓緊力不高且介質(zhì)無毒的場(chǎng)合。 （ 1）平面型密封面 密封表面是一個(gè)突出的光滑平面（又稱突平面）。 查 GB1511999 可知：分程隔板槽槽深 4mm? ，槽寬為 12mm，且分程隔板的最小厚度為 8mm， 厚度選為 10mm。 ???? ???mmmmDD N 7 0 01 0 01 ???第四章 研究步驟、方法及設(shè)計(jì)產(chǎn)品的確定 25 外頭蓋同樣采用材質(zhì)為 20Ⅱ的標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭，δ =8mm，箱體長(zhǎng)為 430mm 曲面高度： （ 451） 如圖示為浮頭端的裝配圖，包括碟形蓋，鉤圈法蘭和浮動(dòng)管板，由于浮動(dòng)管板要與管子脹接后從殼體一端伸到另一端，因此管板的外直徑應(yīng)小于殼體內(nèi)徑，其主要尺寸如圖 42所示。換熱管在管板內(nèi)的脹接長(zhǎng)度 L=38mm。 管子與管板的連接必須牢固、不泄漏，不產(chǎn)生大的應(yīng)力變形，最常見的連接方法為脹接，脹接只能用于工作壓力低與 4MPa 和溫度低于 300℃ 的場(chǎng)合；對(duì)于高溫、高壓、易燃、易爆的運(yùn)行條件多采用焊接，但采用焊接容易產(chǎn)生熱應(yīng)力且間隙中流體不流動(dòng)很容易造成間隙腐蝕，采用脹焊并用的方法可以避免。 ??? ,長(zhǎng)度取 5768mm 固定管板的尺寸確定 外徑： mmD 6401 ? 板厚： mmb 50? 管板上開孔數(shù)與孔間距與管的排列一致。 殼體厚度： （ 449） ? 8mm，所以初步確定的殼體可以使用。 ???? ???燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 24 實(shí)取 8mm 曲面高度： （ 448） D— 封頭的平均直徑 封頭箱的也取公稱直徑為 600mm 的 標(biāo)準(zhǔn)無縫鋼管，厚度為 8mm，長(zhǎng)度為530mm。39。 封頭、殼體和固定管板的尺寸確定 根據(jù)壓力容器設(shè)計(jì)規(guī)范采用材質(zhì)為 20Ⅱ的標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭，在滿足強(qiáng)度要求的情況下，已知管程設(shè)計(jì)溫度為 ℃，則 wt ℃，根據(jù)碳鋼板需用應(yīng)力查表得 ? ? MPa17039。 長(zhǎng)徑比： ??SDl 合理 32bDD LS ??mD S ????第四章 研究步驟、方法及設(shè)計(jì)產(chǎn)品的確定 19 管程計(jì)算 管程接管直徑 （ 414） 取標(biāo)準(zhǔn)無縫鋼管 61402 ??d mm 管程雷諾數(shù) （ 415） 管程換熱系數(shù) （ 416） 殼程結(jié)構(gòu)及殼程計(jì)算 折流板形式選為弓形 折流板缺口高度： mDh S ?? 折流板的圓心角為 120176。39。39。39。 估計(jì)殼體直徑在 400~700mm 之間，所以由《熱交換器原理與設(shè)計(jì)》的表 可知一臺(tái)拉桿數(shù)為 4。 ?? ndFL ? ??? lLZ t燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 18 圖 41 管子排列草圖 由草圖可知 六邊形層數(shù) a=6。 由《熱交換器原理與設(shè)計(jì)》中表 可知管中心距 s=32mm 分程隔板槽處管中心距 El =44mm 平行于流向的管距 s 0 ??? ssP mm 垂直于流向的管距 1630sin 0 ??? ssn mm 由《熱交換器原理與設(shè)計(jì)》中的 節(jié)得出拉桿直徑為 16mm 作管子排列草圖 ,如圖 41 所示。 管程所需流通截面 （ 48） 每程管數(shù) （ 49） 每根管長(zhǎng) （ 410） 現(xiàn)取每根管長(zhǎng)為 6m 則 （ 411） 所以選用兩臺(tái) 12型浮頭式換熱器 管子排列 管子的排列方式常用友：等邊三角形排列法（或稱正六角形排列）、同心圓排列法和正方形排列法，本次管子排列方式選為等邊三角形。 mtk QFm ???第四章 研究步驟、方法及設(shè)計(jì)產(chǎn)品的確定 17 管子材料、規(guī)格及管內(nèi)水的流速選擇 管子材料及規(guī)格選用碳Φ 25* 的碳鋼無縫鋼管。2 ???? tt ttP)11(2)11(2ln11ln11222??????????????RRPRRPPRPRR?239。239。1 ???? tt ttR39。39。39。111 ??? ?skgM / ?39lnm inm a xm inm a x,1 ??? ?????tt ttt cm1039。39。 工具書： 化工英漢詞典、化工設(shè)計(jì)手冊(cè) GB 1501998 鋼制壓力容器、 GB 1511999 管殼式換熱器 本章小結(jié) 初步確定本次設(shè)計(jì)為浮頭式換熱器（Ⅱ型），循環(huán)冷卻水 走管程，煤油走殼程。熟練掌握各方面的知識(shí)。該換熱器用循環(huán)冷卻水冷卻，冬季操作時(shí)，其進(jìn)口溫度會(huì)降低，考慮到這一因素，估計(jì)該換熱器的管壁溫和殼體壁溫之差較大，因此初步選用浮頭式換熱器（Ⅱ型）。 換熱器的類型設(shè)計(jì) 兩流體溫度變化情況：熱流體進(jìn)口溫度： 150℃，出口溫度 50℃，冷流體進(jìn)口溫度 29℃，出口溫度 39℃。本次設(shè)計(jì)需要進(jìn)行： 總體參數(shù)設(shè)計(jì)計(jì)算 傳熱學(xué)計(jì)算 結(jié)構(gòu)的三維設(shè)計(jì) 換熱器的工程圖設(shè)計(jì)：總裝配圖一張；零件圖 3張 確定設(shè)計(jì)方案 冷卻劑的選用 因?yàn)樗亲钊菀撰@得，并且廉價(jià)，所以本次設(shè)計(jì)中選用的冷卻劑為水。 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 （ 3） 其他型式換熱器 這類換熱器是指一些具有特殊結(jié)構(gòu)的換熱器，一般是為滿足某些工藝特殊要求而設(shè)計(jì)的，如石墨換熱器、聚四氟乙烯換熱器和熱管換熱器等。 板面式換熱器的傳熱性能要比管式換熱器優(yōu)越，由于其結(jié)構(gòu)上的特點(diǎn)，使流體能在較低的速度下就達(dá)到湍流狀態(tài)，從而強(qiáng)化了傳熱。按傳熱管的結(jié)構(gòu)形式不同大致可以分為蛇管式換熱器、套管式換熱器、管殼式換熱器和纏繞管式換熱器等。 間壁式換熱器分類 ： 間壁式換熱器根據(jù)傳熱面的結(jié)構(gòu)不同可分為管式、板面式和其他型式。 ⑷ 中間 載熱體式換熱器 這類換熱器是把兩個(gè)間壁式換熱器由在其中循環(huán)的載熱體連接起來的換熱器。它是利用間壁（固體壁面）將進(jìn)行熱交換的冷、熱兩種流體隔開，互不接觸，熱量由熱流體通過間壁傳遞給冷流體的換熱器。以回收冷量為目的的同類設(shè)備稱蓄冷器，多用于空氣分離裝置中。如煉焦?fàn)t下方預(yù)熱空氣的蓄熱室。若兩種流體不允許混合，則不能采用蓄熱