【正文】 應(yīng)首先保證凝結(jié)過程的正常進(jìn)行。改變實(shí)踐證明，在降低流體在殼程的阻力并保證流體在湍流狀態(tài)下流動(dòng)，這樣才能充分的提高介質(zhì)的換熱系數(shù)，內(nèi)翅片管、橫螺紋管、螺旋螺紋管都一樣，不但可用于單相對(duì)流傳熱，也可以有效的用于管內(nèi)流動(dòng)沸騰傳熱（螺紋管在湍流時(shí)可使對(duì)流傳熱系數(shù)增加一 倍多）。原有的換熱器廠家最近也研制出一種新型 Hybrid 換熱器，他克服了板式因密封問題而受到限制的弱點(diǎn)，很有發(fā)展前途。故我們?cè)谶x擇換熱設(shè)備時(shí)一定要根據(jù)不同的工藝、工況要求選擇。在即定的流體之間，在一定時(shí)間內(nèi)交換一定數(shù)量的熱量；也可以是以回收熱量為 目的，用于余熱利用；也可以是以保證安全為目的，即防止溫度升高而引起壓力升高造成某些設(shè)備被破壞。對(duì)換熱器的基本要求是換熱器要滿足換熱要求，即達(dá)到需求的換熱量和熱媒溫度 。流動(dòng)阻力要小 。結(jié)構(gòu)要合理，工作要安全可靠，即零部件之間因?yàn)闇厣a(chǎn)生的熱應(yīng)力不會(huì)導(dǎo)致?lián)Q熱器破裂 。經(jīng)濟(jì)上要合理，設(shè)奮全壽命期的總投資要少（總投資包括設(shè)備及附屬裝置初投資費(fèi)用和運(yùn)行 維護(hù)管理費(fèi)用） 。因?yàn)閾Q熱器故障率較低，并且供暖為季節(jié)性負(fù)荷，有足夠的檢修時(shí)間，生活熱水系統(tǒng)暫停供熱也不會(huì)造成重大影響，所以可不設(shè)備用換熱器。 未來，國內(nèi)市場(chǎng)需求將呈現(xiàn)以下特點(diǎn)：對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量水平提出了更高的要求，如環(huán)保、節(jié)能型產(chǎn)品將是今后發(fā)展的重點(diǎn)；要求產(chǎn)品性價(jià)比提高；對(duì)產(chǎn)品的個(gè)性化、多樣 化的需求趨勢(shì)強(qiáng)烈；逐漸注意品牌產(chǎn)品的選用；大工程項(xiàng)目青睞大企業(yè)或企業(yè)集團(tuán)產(chǎn)品。同時(shí)，行業(yè)發(fā)展必須要注重高端產(chǎn)品的研發(fā)。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。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。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。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，這一類換熱器不但是從材料上有了較大的突破，而且采用新穎的理念，增加強(qiáng)化傳熱。 對(duì)國外換熱器市場(chǎng)的調(diào)查表明，管殼式換熱器占 64%。隨著動(dòng)力、石油化工工業(yè)的發(fā)展，其設(shè)備也繼續(xù)向著高溫、高壓、大型化方向發(fā)展?，F(xiàn)就幾種新型換熱器的特點(diǎn)簡介如下： 一、氣動(dòng)噴涂翅片管換熱器 俄羅斯提出了一種先進(jìn)方法，即氣動(dòng)噴涂法，來提高翅片化表面的性能。用該方法不僅可噴涂金屬還能噴涂合金和陶瓷（金屬陶瓷混合物），從而得到各種不同性能的表面。為了評(píng)估翅片管換熱器元件進(jìn)行了試驗(yàn)研究。將試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)加以整理，便可評(píng)估翅片底面的接觸阻力。為了證實(shí)這一點(diǎn)，又對(duì)基部（管子）與表面（翅片） 的過渡區(qū)進(jìn)行了金相結(jié)構(gòu)分析。所以，氣動(dòng)噴涂法促進(jìn)表面與基本相互作用的分支邊界的形成，能促進(jìn)粉末粒子向基體的滲透，這就說明了附著強(qiáng)度高，有物理接觸和金屬鏈形成?？梢灶A(yù)計(jì)，氣動(dòng)噴涂法在緊湊高效換熱器的生產(chǎn)中，將會(huì)得到廣泛應(yīng)用。通常普通的弓形折流板能造成曲折的 流道系統(tǒng)（ z 字形流道），這樣會(huì)導(dǎo)致較大的死角和相對(duì)高的返混。返混也能使平均溫差失真和縮小。優(yōu)越弓形折流板管殼式換熱器很難滿足高熱效率的要求，故常為其他型式的換熱器所取代（如緊湊型板式換熱器）。雖然引進(jìn)了密封燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 條和附加諸如偏轉(zhuǎn)折流板及采取其他措施來改進(jìn)換熱器的性能，但普通折流板設(shè)計(jì)的主要缺點(diǎn)依然存在。這種設(shè)計(jì)的先進(jìn) 性已為流體動(dòng)力學(xué)研究和傳熱試驗(yàn)結(jié)果所證實(shí)，此設(shè)計(jì)已獲得專利權(quán)。 螺旋折流板的設(shè)計(jì)原理很簡單：將圓截面的特制板安裝在“擬螺旋折流系統(tǒng)” 中，每塊折流板占換熱器殼程中橫剖面的四分之一，其傾角朝向換熱器的軸線，即與換熱器軸線保持一傾斜度。折流板的軸向重疊，如欲縮小支持管子的跨度，也可得到雙螺旋設(shè)計(jì)。此種設(shè)計(jì)具有很大的靈活性，可針對(duì)不同操作條件，選取最佳的螺旋角；可分別情況選用重疊折流板或是雙螺旋 折流板結(jié)構(gòu)。美國休斯頓的布朗公司做了改進(jìn)。改進(jìn)后的麻花管換熱器同傳統(tǒng)的管殼式換熱器一樣簡單，但有許多激動(dòng)人心的進(jìn)步，它獲得了如下的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益：改進(jìn)了傳熱，減少了結(jié)垢，真正的逆流，降低了成本，無振動(dòng)，節(jié)省了空間，無折流元件。該換熱器總傳熱系數(shù)較常規(guī)換熱器高 40%，而壓力降幾乎相等。 該換熱器嚴(yán)格按照 ASME 標(biāo)準(zhǔn)制造。它能獲得普通管殼式換熱器和板框式傳熱設(shè)備所獲得的最佳值。 四、非釬焊繞絲筋管螺旋管式換熱器 在管子上纏繞金屬絲作為筋條（翅片）的螺旋管式換熱器，一般都是采用焊接方法將金屬絲固定在管子上。第一章 緒論 7 更重要的是，由于焊料迅速老化和破碎會(huì)造成機(jī)器和設(shè)備堵塞，隨之提前報(bào)損。采用此法能促進(jìn)得到釬焊時(shí)的連續(xù)特性（即將金屬絲可靠地固定在管子上，而管子的截面又不過分壓緊），故對(duì)于金屬絲僅用做隔斷時(shí)，可以認(rèn)為是較釬焊更受歡迎的方法。 試驗(yàn)表明，當(dāng)金屬絲與管子為線性接觸時(shí)，有效傳熱面最大，但此時(shí)金屬絲會(huì)沿管子滑動(dòng)。這樣 ，非釬焊時(shí)的有效傳熱面要比釬焊時(shí)大。 研究的目的和意義 換熱器是國民經(jīng)濟(jì)和工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中應(yīng)用十分廣泛的熱量交換設(shè)備 ，隨著現(xiàn)代新工藝、 新技術(shù)、新材料的不斷開發(fā)和能源問題的日趨嚴(yán)重 ，世界各國已普遍把石油化工深度加工和能源綜合利用擺到十分重要的位置。換熱器的性能對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量、能量利用率以及系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和可靠性起著重要的作用 ，有時(shí)甚至是決定性的作用。換熱設(shè)備在現(xiàn)代裝置中約占設(shè)備總重的 30% 左右 ，其中管殼式換熱器仍然占絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)，約 70% 。在繼續(xù)提高設(shè)備熱效率的同時(shí)，促進(jìn)換熱設(shè)備的結(jié)構(gòu)緊湊性 ，產(chǎn)品系列化、標(biāo)準(zhǔn)化和專業(yè)化，并朝大型化的方向研究發(fā)展。因此管殼式換熱器的標(biāo)準(zhǔn)化工作為世界各工業(yè)發(fā)達(dá)國家所重燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 視，也為 ISO 國際標(biāo)準(zhǔn)化組織的所重視。 總的來說 管殼式換熱器主要由換熱管束、殼體、管箱、分程隔板、支座等組成。換熱管可為普通光管，也可為帶翅片的翅片管，翅片管有單金屬整體軋制翅片管、雙金屬軋制翅片管、繞片式翅片管、疊片式翅片管等，材料有碳鋼、低合金鋼、不銹鋼、銅材、鋁材、鈦材等。管箱有橢圓封頭管 箱、球形封頭管箱和平蓋管箱等。管殼式換熱器主要有固定管板式， U型管式和浮頭式換熱器。浮頭式換熱器由于管束的膨脹不受殼體的約束，因此不會(huì)因管束之間的差脹而產(chǎn)生溫差熱應(yīng)力。其缺點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、填塞式滑動(dòng)面處在高壓時(shí)易泄露，這使其應(yīng)用受到 限制，適用壓力為：～ 。首先，通過換熱計(jì)算確定換熱面積與管子的根數(shù)初步選定結(jié)構(gòu)。由于時(shí)間和資料有限，本人的認(rèn)識(shí)也不夠全面，在設(shè)計(jì)過程中可能還存在許多問題，望老師們給予批評(píng)和指正。在化工廠中，換熱設(shè)備的投資約占總投資的 10%～ 20%；在煉油廠中，約占總投資的 35%～ 40%。 由于制造工藝和科學(xué)水平的限制，早期的換熱器只能采用簡單的結(jié)構(gòu)，而且傳熱面積小 、體積大和笨重，如蛇管式換熱器等。 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)。 30 年代初，瑞典首次制成螺旋板換熱器。 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。 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。 近二三十年來，化工、石油、輕工等過程工業(yè)得到了迅猛發(fā)展。因此，要求提供尺寸小，重量輕、換熱燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 能力大的換熱設(shè)備。世界各國十分重視傳熱強(qiáng)化和熱能回收利用的研究和開發(fā)工作，開發(fā)適用于不同工業(yè)過程要求的高效能換熱設(shè)備來提高工業(yè)生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)效益，并取得了豐碩成果。為了強(qiáng)化傳在研究和發(fā)展熱管的基礎(chǔ)上又創(chuàng)制出熱管式換熱器。 按作 用原理或傳熱方式分類 ： 按換熱設(shè)備熱傳遞原理或傳熱方式進(jìn)行分類，可分為以下幾種主要形式。如冷卻塔、冷卻冷凝器等。直接接觸式換熱器具有傳熱效率高、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)，但僅適用于工藝上允許兩種流體混合的場(chǎng)所。例如， 化工廠和發(fā)電廠所用的涼水塔中，熱水由上往下噴淋，而冷空氣自下而上吸入，在填充物的水膜表面或飛沫及水滴表面，熱水和冷空氣相互接觸進(jìn)行換熱，熱水被冷卻，冷空氣被加熱，然后依靠兩流體本身的密度差得以及時(shí)分離。它是借助于由固體 (如固體調(diào)料或多孔性格子磚等 )構(gòu)成的蓄熱體與熱流體和冷流體交替接觸，把熱量從熱流體傳遞給冷流體的換熱器。由于兩種流體交替第二章 換熱器的應(yīng)用及發(fā)展和分類特點(diǎn) 11 與蓄熱體接觸，因此不可避免地會(huì) 使兩種流體少量混合。蓄熱式換熱器結(jié)構(gòu)緊湊、價(jià)格便宜、單體體積傳熱面積大，故較適合用于氣 氣熱交換的場(chǎng)合。這類換熱器主要用于回收和利用高溫廢氣的熱量。 ⑶ 間壁式換熱器 這種換熱器又稱表面式換熱器。間壁式換熱器是工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用最為廣泛的換熱器，其形式多種多樣。載熱體在高溫流體換熱器和低溫流體換熱器之間循環(huán)，在高溫流體換熱器中吸收熱量，在低溫流體換熱器中把熱量釋放給低溫流體，如熱管式換熱器。 （ 1） 管式換熱器 這類換熱器都是通過管子壁面進(jìn)行傳熱的換熱器。 （ 2） 板面式換熱器 此類換熱器都是以板面作為傳熱面， 按傳熱板面的結(jié)構(gòu)形式可分分為以下五種：螺旋板式換熱器、板式換熱器、板翅式換熱器、板殼式換熱器和傘板換熱器。板面式換熱器采用板材制造，在大規(guī)模組織成產(chǎn)時(shí)，可降低設(shè)備成本，但其耐壓性能比管式換熱器差。 第三章 換熱器的設(shè)計(jì)方案確定 13 第三章 換熱器設(shè)計(jì)方案確定 本次的設(shè)計(jì) 要求 設(shè)計(jì)一種換熱器，要求將 15t/h 的 T1煤油由 150℃冷卻到 50℃。 流程安排 本設(shè)計(jì)中的兩流體均不發(fā)生相變的傳熱過程，因水的對(duì)流傳熱系數(shù)一般較大，冷卻水一般為循環(huán)水，而循環(huán)水易結(jié)垢，為便于清洗，應(yīng)采用冷卻水走換熱器的管程，煤油走殼程。由于該換熱器的管壁溫度和殼體溫度有較大溫差，大于 50℃，因此需要考慮熱補(bǔ)償，設(shè)煤油壓力 1MPa，冷卻水壓力也為 1MPa。 完成設(shè)計(jì)所具備的工作條件及解決辦法 為完成本畢業(yè)設(shè)計(jì)，將運(yùn)用在校學(xué)習(xí)的工程制圖，力學(xué)，材料學(xué)，過程裝備設(shè)計(jì)及計(jì)算機(jī)等相關(guān)知識(shí)，結(jié)合在生產(chǎn)實(shí)習(xí)等實(shí)踐教學(xué)中，學(xué)習(xí)的換熱器及零部件的 加工制造和裝配知識(shí)，以及學(xué)習(xí)的有關(guān)換熱器的設(shè)計(jì)知識(shí)，通燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 14 過對(duì)各種技術(shù)資料的收集調(diào)研，分析計(jì)算，設(shè)計(jì)繪圖的實(shí)踐，學(xué)習(xí)掌握由原理方案的設(shè)想，轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)思路及設(shè)計(jì)方法。 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件： SW61998 、 AutoCAD2021 、 Solid works 、 ANSYS、 MS office等軟件。 第四章 研究步驟、方法及設(shè)計(jì)產(chǎn)品的確定 15 第四章 研究步驟、方法及 設(shè)計(jì)產(chǎn)品的確定 原始數(shù)據(jù) 水進(jìn)口溫度： 2t? =29℃ 水出口溫度： 2t? =39℃ 水工作壓力： P2=1MPa 煤油進(jìn)口溫度： 1t? =150℃ 煤油出口溫度： 1t? =50℃ 油工作壓力： P1=1MPa 煤油流量： 15t/h 流體的物性參數(shù) 查物性表得： 煤油的定性溫度： 1001?mt ℃ 煤油的密度： 31 /763 mkg?? 煤油的比熱： )/( ℃?? kgkJC p 煤油的導(dǎo)熱系數(shù)： )/(1 3 0 ℃?? mW? 煤油的粘度 : )/(10772 61 smkg ??? ?? 煤油的普蘭德數(shù)： ? 水的定性溫度： ℃342 ?mt 水的密度： 32 /994 mkg?? 水的比熱 : )/(1 7 ℃?? kgkJC p 水的導(dǎo)熱系數(shù)： )/( ℃?? mW? 水的粘度： )/(10801 62 ℃??? ? mW? 水的普蘭德數(shù)： ?rP 傳熱量及平均溫差 傳熱量 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 16 確定熱損失系數(shù) ?l? （ 41） 冷卻水用量 （ 42） 逆流時(shí)的對(duì)數(shù)平均溫差 （ 43） 參數(shù) P及 R （ 44） （ 45） 有效平均溫差 確定溫差修正系數(shù)ψ： （ 46） 則有效平均溫差 ℃,1 ???? cmm tt ? 估算傳熱面積及傳熱面結(jié)構(gòu) 估算傳熱面積 查參考資料初選傳熱系數(shù) )/(230 2 ℃?? mWk （ 47） KWttCpMQ l 935)( 39。239。239。2 39。139。1 39。39。039。 因?yàn)樗x擇的流速要使流體呈湍流狀態(tài)，所以保證設(shè)備在較大的傳熱系數(shù)下進(jìn)行熱交換，所以選用管程內(nèi)水的流速 smw / ? 。 按等邊三角形排列時(shí)，流體流動(dòng)方向與三角形的一條邊 垂直，最內(nèi)側(cè)六邊形的邊長等于 S，通常在管板周邊與六邊形的邊之間的六個(gè)弓形部分內(nèi)部排列管子，但當(dāng)層數(shù) a6 時(shí)，則在這些弓形部分也應(yīng)排列管子，這時(shí)最外層管子的中心不應(yīng)超出最大六邊形的外接圓周。 2222 0 22 5 mwMAt ?? ?724 2 ??itdAn ?39。 一臺(tái)管子數(shù) 144?tn 。 一臺(tái)傳熱面積： 239。1 mdlnF t ?? ? 兩臺(tái)傳熱面積： 239。139。 3 52 mFF ??? 管束中心至最外層管中心距離： 管束外緣直徑 mD L ???? 殼體內(nèi)徑 （ 412） 且 mmb 83? ，故 （ 413）