【正文】 design of programmes, including CAD drawings. Key words： The heat exchanger。在整個設(shè)計過程中，還包括一些其他零部件的設(shè)計和選型，也對整體制造和安裝進(jìn)行了分析。其次，在換熱器內(nèi)部結(jié)構(gòu)方面進(jìn)行了換熱管的計算和管子的布置，按照正確的布管計算方法對換熱器公稱直徑為1000mm 的管板實施了單管程，單殼程條件下的人工計算布管并畫出了相應(yīng)的 CAD 布管圖。 I 本科生畢業(yè)設(shè)計說明書（畢業(yè)論文） 題 目： DN1000 二分加熱器機(jī)械設(shè)計 學(xué)生姓名： 蘇輝 學(xué) 號： 0964134133 專 業(yè)：過程裝備與控制工程 班 級：裝備 091 班 指導(dǎo)教師：孟智慧 II 摘要 本文是一篇關(guān)于固定管板式換熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計，主要用于尿液的冷卻。對固定管板式換熱器進(jìn)行了深入的研究，首先，在換熱器總體結(jié)構(gòu)方面，對其筒體、封頭進(jìn)行了厚度計算和強度校核，得到了在工稱直徑 DN1000，特定的公稱壓力下合理的筒體和封頭的厚度，并對筒 體和管箱的接管進(jìn)行了選型與開孔補強校核。同時用 BS 法對管板厚度進(jìn)行了計算和校核。最后得到一套完整的固定管板式換熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，包括 CAD 圖紙。 Fixed tube plate type heat interchanger 。 Intensity examination。 在石油、化工、輕工、制藥、能源等工業(yè)生產(chǎn)中，常常需要把低溫流體加熱或者把高溫流體冷卻，把液體汽化成蒸汽或者把蒸汽冷凝成液體。 隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，各種不同型式和種類的換熱器發(fā)展很快，新結(jié)構(gòu)、新材料的換熱器不斷涌現(xiàn)。完善的換熱器在設(shè)計或選型時 應(yīng)滿足以下基本要求： （ 1） 合理地實現(xiàn)所規(guī)定的工藝條件； （ 2） 結(jié)構(gòu)安全可靠； （ 3） 便于制造、安裝、操作和維修； （ 4） 經(jīng)濟(jì)上合理。近幾年由于新技術(shù)發(fā)展和新能源開發(fā)利用 ,各種類型的換熱器越來越受到工業(yè)界的重視 ,而換熱器又是節(jié)能措施中較為關(guān)鍵的設(shè)備 ,因此 ,無論是從工業(yè)的發(fā)展 ,還是從能源的有效利用 ,換 熱器的合理設(shè)計、制造、選型和運行都具有非常重要的意義。因此換熱設(shè)備的研究備受世界各國政府及研究機(jī)構(gòu)的高度重視，在世界第一次能源危機(jī)爆發(fā)以來，各國都在下大力量尋找新的能源及在節(jié)約能源上研究新的途徑。隨著研究的深入，工業(yè)應(yīng)用取得了令人矚目的成就，得到了大量的回報，大大緩解了能源的緊張狀況。在煉油、化工裝置中換熱器占總數(shù)的 40%左右。目前，在換熱設(shè)備中，使用量最大的是管殼式換熱器。 隨著環(huán)境保護(hù)要求的提高，近年來加氫裝置的需求越來越多，所需的高溫、高壓換熱器數(shù)量隨之增大。在這些場合，換熱器占有的投資占 50%以上。流程優(yōu)化軟件技術(shù)的發(fā)展帶來了換熱器應(yīng)用的增多。 換熱器作為 傳熱設(shè)備隨處可見，在工業(yè)中應(yīng)用非常普遍，特別是耗能用量十分大的領(lǐng)域，隨著節(jié)能技術(shù)的飛速發(fā)展，換熱器的種類開發(fā)越來越多。 一、 換熱器按傳熱方式的不同可分為混合式、蓄熱式和間壁式三類。由于兩流體混合換熱后必須及時分離，這類換熱器適合于氣、液兩流體之間的換熱。 （ 2） 蓄熱式換熱器是利用冷、熱流體交替流經(jīng)蓄熱室中的蓄熱體 (填料 )表面，從而進(jìn)行熱量交換的換熱器，如煉焦?fàn)t下方預(yù)熱空氣的蓄熱室。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。 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。 圖 2 蛇管的形狀 二、按傳熱種類分類 一般分為加熱器和冷卻器。 三、按結(jié)構(gòu)分類 分為浮頭式換熱器、固定管板式換熱器、填料函式換熱器、 U形管式換熱器、蛇管式換熱器、雙殼程換熱器、單套管換熱器、多套管換熱器、外導(dǎo)流筒換熱器、折流桿式 4 換熱器、熱管式換熱器、插管式換熱器、滑動管板式換熱器。 五、按板狀分類 分為螺旋板換熱器、板式換熱器、板翅式換熱器、板殼式換熱器、板式蒸發(fā)器、板式冷凝器、印刷電路板換熱器、穿孔換熱器。 七、非金屬材料換熱器分類 分為石墨換熱器、陶瓷纖維復(fù)合材料換熱器、玻璃鋼換熱器。 換熱器的種類繁多，還有按管箱分類等，各種換熱器各適用于某一種工況。 管殼式換熱器 管殼式換熱器 是最常用的普通結(jié)構(gòu) ,它包括 :固定管板式換熱器、 U 型管殼式換熱器、帶膨脹節(jié)式換熱器、浮頭式換熱器、分段式換熱器、套管式換熱器等。缺點就是由于熱膨脹而引起管子拉彎。 帶膨脹節(jié)式換熱器可解決膨脹問題 ,用膨脹接頭的結(jié)構(gòu) ,故適用溫差大的流體 和高壓流體 ,因為可將接頭拆下來進(jìn)行清洗 ,所以可處理易結(jié)垢流體 ,而對低壓氣體則不適宜 ,但其缺點就是制造復(fù)雜。對 U 型管殼式換熱器、浮頭式換熱器每一外殼容積為 1 3m 時 ,其傳熱面積為 70 2m 左右。 由于板式換熱器的結(jié)構(gòu)緊湊、空隙小、因而單位體積的傳熱面 積增大 ,其安裝面積約為管殼式的 1/ 2～ 1/ 3 ,可節(jié)省占地面積與施工費用 ,每一外殼容積為 1 3m 時 ,其傳熱面積為 80 2m 左右 ,另外 ,板式換熱器容易增減換熱面積 ,對于管殼式換熱器在需要增加液體的處理量時 ,原有熱交換器的傳熱面積幾乎不可能增加 ,但板式換熱器的傳熱面積卻很容易增加 ,從而增加處理能力 ,另外 ,板式換熱器只有傳熱板的外殼板暴露在大氣中 ,因此 ,散熱損失可忽略不計 ,也不需保溫措施。這對于換熱介質(zhì)容易產(chǎn)生沉積的物料就顯得尤為重要。另外 ,由于傳熱面之間的間隙小 ,傳熱面上有凹凸 ,因此比傳統(tǒng)的光滑的壓力損失大 ,另外 ,板式換熱器所承受的工作壓 力較低。一般沸水的給熱系數(shù)是 1 500～ 30 000 Kcal/ 2m . h. ℃。板翅式換熱器 6 較輕巧而牢固 ,由于翅片很薄 ,一般為 0. 2～ 0. 3 mm ,而由于結(jié)構(gòu)緊湊、體積小 ,一般有用鋁制造 ,因而重量很輕 ,同時 ,翅片既是主要的傳熱表面 ,又是兩隔板的支撐 ,故強度高。 主要缺點 :因流道狹小 ,容易引起堵塞而增大阻力降 ,當(dāng)換熱器結(jié)垢以后 ,清洗十分困難 ,而且由于換熱器的隔板和翅片都是很薄的鋁板 (箔 ) 作成 ,故要求介質(zhì)對鋁不產(chǎn)生腐蝕 ,若一旦腐蝕而造成內(nèi)部串漏 ,則很難 修補。用若干熱管作為換熱元件而組裝的換熱器稱為熱管式換熱器。熱管式換熱器優(yōu)點在于傳熱面基本上是等溫的 ,每單位體積的傳熱面積較大 ,選擇不同的工作工質(zhì) ,可使熱管在不同的溫度條件下使用 ,結(jié)構(gòu)比較簡單 ,由熱膨脹等引起的問題較小。 20 世紀(jì) 80 年代以來，換熱器技術(shù)飛速發(fā)展，帶來了能源利用率的提高。因而節(jié)能設(shè)備的研究與開發(fā)備受矚目。在地?zé)帷⑻柲?、核能、余熱回收、風(fēng)能的利用上，各國政府、民間研究 機(jī)構(gòu)和企業(yè)都加大了投入資金力度，主要表現(xiàn)在下列幾個方面。近年來，該公司在計算機(jī)應(yīng)用軟件開發(fā)上發(fā)展很快，所開發(fā)的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化軟件、各種換熱器工藝設(shè)計軟件計算精度準(zhǔn)確，不僅節(jié)省了人力，提高了效率，而且提高了技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能。 英國傳熱及流體服務(wù) 中心于 1967 年成立，隸屬于英國原子能管理局。它最大特點是與各大學(xué)和企業(yè)合作，進(jìn)行專門的課題研究，研究成果顯著。 國內(nèi)各研究機(jī)構(gòu)和高等院校研究成果不斷推陳出新，在強化傳熱元件方面華南理工大學(xué)相繼開發(fā)出多孔管、螺旋槽管、波紋管、縱橫管等；天津大學(xué)在流路分析法、振動等方面研究成果顯著 ；清華大學(xué)在板片傳熱方面有深入的研究；西安交大在板翅式換熱器研究方面已取得初步成果；重慶建工學(xué)院開發(fā)出翅管換熱器；在強度軟件方面化工設(shè)備設(shè)計技術(shù)中心站開發(fā)出 SW6；在液壓脹管方面江蘇化工學(xué)院開發(fā)出液壓脹管器；以換熱器起家的蘭州石油機(jī)械研究所率先開發(fā)出板式換熱器、板式冷凝器、板式蒸發(fā)器、螺旋板換熱器、外導(dǎo)流筒換熱器等一批實用價值的系列高效換熱器，近年來又在強度軟件上開發(fā)出 Lansys PV、在 CAD 軟件上開發(fā)出浮頭式換熱器 Lansys HF 、 U形管式換熱器，含標(biāo)準(zhǔn)圖 2020 余套；中國石化工程建設(shè)公司與蘭州石 油化工機(jī)器廠聯(lián)合開發(fā)出螺紋鎖緊環(huán)換熱器，這些技術(shù)成果為國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，為中國煉油、化工工業(yè)的發(fā)展起到了決定作用，也使中國的傳熱技術(shù)水平步入國際先進(jìn)水平。隨著制造工藝的發(fā)展，逐步形成一種管殼式換熱器，它不僅單位體積具有較大的傳熱面積，而且傳熱效果也較好，長期以來在工業(yè)生產(chǎn)中成為一種典型的換熱器。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)動機(jī)的散熱。在此期間，為了解決強腐蝕性介質(zhì)的換熱問題，人們對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。 換熱設(shè)備因其用途不同，類型繁多，性能不一，但均可歸結(jié)為管殼式結(jié)構(gòu)和板式結(jié)構(gòu)兩大類。因此，物性模擬一直為傳熱界重點研究課題之一，特別是兩相流物性的模擬。實驗室模擬實際工況很復(fù)雜，準(zhǔn)確性主要體現(xiàn)與實際工況的差別。為此，要求物性模擬在實驗手段上更加先進(jìn)，測試的準(zhǔn)確率更高。物性模擬將代表換熱器的經(jīng)濟(jì)技術(shù)水平。在超常規(guī)強度 計算中，可模擬出應(yīng)力的分布圖，使常規(guī)方法無法得到的計算結(jié)果能方便、快界、準(zhǔn)確地得到，使換熱器更加安全可靠。將會逐步取代強度試驗，擺脫實驗室繁重的勞動強度。隨著全球水資源的緊張，循環(huán)水將被新的冷卻介質(zhì)取代，循環(huán)將被新型、高效的空冷器所取代。 各種新型、高 效換熱器將逐步取代現(xiàn)有常規(guī)產(chǎn)品。同心管換熱器、高溫噴流式換熱器、印刷線路板換熱 9 器、穿孔板換熱器將在工業(yè)領(lǐng)域及其他領(lǐng)域得到研究和應(yīng)用。隨著稀有金屬價格的下降，鈦等稀有金屬使用量將擴(kuò)大， CrMo 鋼材料將實現(xiàn)不預(yù)熱和后熱的方向發(fā)展。四十年來，污垢研究技術(shù)發(fā)展緩慢。通過對污垢形成的機(jī)理、生長速度、影響因素的研究，預(yù)測污垢曲線，從而控制結(jié)垢，這對傳熱效率的提高將帶來重大的突破。 腐蝕技術(shù)的研究將會有所突破，低成本的防腐涂層特別是金屬防腐鍍層技術(shù)將得到發(fā)展，電化學(xué)防腐技術(shù)將成為主導(dǎo)。在工程設(shè)計中，除盡量選用定型系列產(chǎn)品外，也按其特定的條件進(jìn)行設(shè)計，以滿足工藝上的需要。 對于用鋼板卷焊的筒體，規(guī)定用筒體的內(nèi)徑作為它的公稱直徑。祥見下表。 11 表 無縫鋼管制作筒體時容器的公稱 159 219 273 325 377 426 （ 2）工作壓力與設(shè)計壓力 設(shè)計壓力是指設(shè)定的容器頂部的最高壓力，與相應(yīng)的設(shè)計溫度一起作為設(shè)計 載荷條件。工作壓力是由工藝過程決定的，在工作過程中工作中工作壓力可能是變動的，同時在容器的頂部和底部壓力也可能是不同的。 容器的設(shè)計壓力應(yīng)該高與其最大工作壓力，根據(jù)具體條件不同，可按如下規(guī)定確定。據(jù)此，容器的設(shè)計壓力可取 p=（ ~） pw。根據(jù)所選用爆破片形式的不同，可?。?~） pw 為設(shè)計壓力。 表 液化氣體壓力容器的設(shè)計壓力 液化氣化臨界溫度 設(shè)計壓力 無保冷設(shè)施 有可靠保冷設(shè)施 無試驗實測溫度 有試驗實測最高工作溫度且能保證低于臨界溫度 50 50 飽和蒸汽壓力 可能達(dá)到的最高工作溫度下的飽和蒸汽壓力 50 設(shè)計所規(guī)定的最大充裝量時，溫度為50 的氣體壓力 試驗實測最高溫度下的飽和蒸汽壓力 4. 固定式液化石油氣貯罐的設(shè)計壓力應(yīng)按不低于 50 時的混合液化石油氣組分的實際飽和蒸汽壓來確定，設(shè)計單位應(yīng)在單位應(yīng)在圖樣上注明限定的組分和對應(yīng)的壓力。 表 混合液化石油氣壓力容器的設(shè)計壓力 混合液化石油氣 50 飽和蒸汽壓力 設(shè)計壓力 無保冷設(shè)施 有可靠保冷設(shè)施 異丁烷 50 飽和蒸汽壓力 等于 50 異丁烷的飽和蒸汽壓力 可能達(dá)到的最高工作溫度下異丁烷的飽和蒸汽壓力 異丁烷 50 飽和 蒸汽壓力 丙烷 50 飽和蒸汽壓力 等于 50 丙烷的飽和蒸汽壓力 可能達(dá)到的最高工作溫度下丙烷的飽和蒸汽壓力 丙烷 50 飽和蒸汽壓力 等于 50 丙烷的飽和蒸汽壓力 可能達(dá)到的最高工作溫度下丙烯的飽和蒸汽壓力 以上設(shè)計壓力的規(guī)定均只限于固定式壓力容器，移動式壓力容器設(shè)計壓力另有規(guī)定。設(shè)計溫度從概念上說不同于容器工作時器壁的金屬溫度。其值不得低于容器工作時器壁金屬可能達(dá)到的最 高溫度。 設(shè)計溫度視不同情況按下法設(shè)定： 1. 若容器內(nèi)的介質(zhì)是用蒸汽直接加熱，或用電熱元件插入介質(zhì)加熱，或進(jìn)入容器的介質(zhì)已被加熱，這時可取介質(zhì)的最高溫度為設(shè)計溫度。 3. 設(shè)計儲存容器，當(dāng)殼體的金屬溫度受大氣環(huán)境氣溫條件所影響時，其最底設(shè)計溫度可按該地區(qū)氣象資料，取歷年來月平均最低氣溫的最低值。 13 （ 4）計算壓力 計算壓力是指在相應(yīng)設(shè)計溫度下，用以確定受壓元件厚度的壓力，其中包括液柱靜壓力。 在實際工作中要區(qū)分好設(shè)計壓力與計算壓力，并考慮到下述幾點。譬如夾套容器的內(nèi)筒，其設(shè)計壓力根據(jù)化工生產(chǎn)工藝要求可能出現(xiàn)正壓，也可能是負(fù)壓，然而 當(dāng)夾套中用蒸汽加熱時，內(nèi)筒的計算壓力應(yīng)該按生產(chǎn)中可能出現(xiàn)的最大壓差來確定，而且往往是要進(jìn)行穩(wěn)