【正文】 ......................................................................Ⅱ 第一章 緒 論 ......................................................................................1 課題背景 ....................................................................................................1 國內(nèi)外發(fā)展及研究動態(tài) ............................................................................1 理論研究 ...........................................................................................1 實驗研究 ...........................................................................................5 設(shè)計方法研究 ....................................................................................7 課題研究的意義 ........................................................................................7 第二章 熱力計算 ....................................................................................8 流體走向選擇 ............................................................................................8 已知數(shù)據(jù) ....................................................................................................8 流體的物性參數(shù) ........................................................................................9 傳熱量與平均溫差 ...................................................................................10 估算傳熱面積與傳熱面結(jié)構(gòu) ...................................................................10 管 程計算 ...................................................................................................13 殼程結(jié)構(gòu)及殼程計算 ...............................................................................13 需用傳熱面積 ...........................................................................................16 阻力計算 ...................................................................................................17 第三章 結(jié)論與展望 ...............................................................................19 結(jié)論 ...........................................................................................................19 展望 ...........................................................................................................19 參考文獻 .................................................................................................21 符號表 .....................................................................................................22 致謝 .........................................................................................................23 第一章 緒論 2 第一章 緒論 課題背景 換熱器是一種實現(xiàn)物料之間熱量傳遞的節(jié)能設(shè)備，在石油、化工、冶金、電力、輕工、食品等行業(yè)應(yīng)用普遍、在煉油、化工裝置中換熱器占總設(shè)備數(shù)量的 40%左右，占總投資的 30%~45%。目前，在換熱設(shè)備中，管殼式換熱器使用量最大。管殼式換熱器由一個殼體和包含許多 管子的管束所構(gòu)成，冷、熱流體之間通過管壁進行換熱的換熱器。通常管殼式換熱器的工作壓力可達 4 兆帕，工作溫度 200℃以下，在個別情況下還可以達到更高的壓力和溫度。 國內(nèi)外發(fā)展及研究動態(tài) 理論研究 浮頭式冷卻器主要由管箱、管板、管子、殼體和折流板等構(gòu)成。為提高換熱器的傳統(tǒng)熱效能，也可采用螺紋管、翅片管等。和同心圓等多種形式，前三種形狀是最為常見的。管子端部與管板的連接有焊接和脹接兩種。浮頭式冷卻器根據(jù)其管束支承結(jié)構(gòu)不同可分為四種形式：板式支承，如折流板換熱器；桿式支承，如折流桿換熱器；空心環(huán)支承，如空心環(huán)換熱器；管子自支 承，如刺孔膜式換熱器。為本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 3 使折流板的性能得到改進，人們又提出了多弓形折流板，整圓形折流板，異形孔折流板、網(wǎng)狀板，偏心孔折流板。 [1]管殼式換熱器的失效 與材料、結(jié)構(gòu)、換熱介質(zhì)及工況等多種因素有關(guān)，有時是幾種因素共同作用的結(jié)果。 一種新型高效螺旋折流板換熱器有望成為管殼式換熱器升級換代的主導產(chǎn)品， 大型石油、化工企業(yè)將能以簡捷利低成本的方式實現(xiàn)節(jié)能。換熱器是石油化工、冶金、電力等行業(yè) 的主要設(shè)備，其設(shè)計制造水平的高低直接關(guān)乎換熱效果，影響能耗。國內(nèi)外絕人多數(shù)在役的管殼式換熱器還在采用垂直弓型折流板結(jié)構(gòu)，存在流動死區(qū)大、殼程流動阻力大、易積垢等不足，換熱器整體傳熱效率低，使用周期短，還容易誘發(fā)管束的振動噪音 [5] 。前 3 種應(yīng)用比較普通。浮頭由浮動管板、勾圈和浮頭端蓋組成，是可拆連接，管束可從殼體內(nèi)抽出。它的特點是殼體和管束的熱膨脹是自由的，管束可以抽出，便于清洗管間和管內(nèi)。浮頭式換熱器適用于殼體和管束溫差較大或殼程介質(zhì)易結(jié)垢的場合 [2]。浮頭式冷卻器設(shè)計的主要任務(wù) 是參數(shù)選擇和結(jié)構(gòu)設(shè)計、傳熱計算及壓降計算等 [7]。浮頭式冷卻器的工藝設(shè)計計算，依據(jù)設(shè)計任務(wù)的不同可分為設(shè)計計算和校核計算兩種，包括計算換熱面積和選型兩個方面 [9]。進出口溫度、壓力由工藝要求確定。設(shè)計計算是由已知數(shù)據(jù)計算換熱面積，進而決定換熱器的結(jié)構(gòu)， 可選定標準形式的浮頭式冷卻器；校核計算是對已有換熱器，核定一些運行參數(shù)，校核它是否滿足預(yù)定的換熱要求。 圖 11 冷卻器的基本設(shè)計流程 本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 5 冷卻器設(shè)計存在的常見問題如下：（ 1）管程試驗壓力高于課程試驗壓力時管頭的試壓（ 2）水壓試驗壓力的正確取值（ 3）避免換熱管與管板異種鋼焊接（ 4）高壓換熱器用換熱管標準的正確選用（ 5）換熱器受壓失穩(wěn)當量長度和最大無支撐跨距的取值問題（ 6）隔板槽面積取值的誤區(qū)（ 7） U形管換熱器中 U形管彎管處的支撐不容忽略（ 8）低溫換熱器 管板與殼體的連接結(jié)構(gòu) [1012]。 在管殼式換熱器設(shè)計工作中，管板上管孔數(shù)量是一個非常重要的設(shè)計數(shù)據(jù)，它是決定一臺換 熱器的換熱面積、管板的計算厚度、殼程殼體計算厚度等許多結(jié)果的一個重要參數(shù)，必須絕對準確 [14]。流速增大，還可減少污垢在管子表 面沉積的可能，管壁內(nèi)、外側(cè)表面上的污垢熱阻減??；但同時流體阻力增大，換熱面積減小，設(shè)備投資減少；但同時流體阻力增大，壓力降增大，動力消耗增大，操作費用增大。 在冷卻器的設(shè)計中，還有一些常規(guī)問題需要考慮。此外，在管內(nèi)空間裝設(shè)保護用的襯里或覆蓋層也比較方便，并容易檢查； 5．與外界溫差大的流體走管內(nèi)，因為可以減少熱量的逸散； 6．飽和蒸汽走殼程，因為蒸汽對流速和清理無甚要求，并易于排除冷凝液； 7． 粘度大的流體走殼程，殼程的流動截面和方向都在不斷變化，在低雷諾數(shù)下，管外給熱系數(shù)比管內(nèi)的大 [17]。負偏差的問題，在設(shè)計上錯誤出現(xiàn)頻率較高，可使殼體壁厚小一檔，還可能引起開孔補強不足，應(yīng)務(wù)必引起注意。鋼管負偏差問題，主要涉及到兩項內(nèi)容：管束的級別問題（采用普通級的碳素鋼、第合金鋼冷拔鋼管做換熱管為Ⅱ級，其余均為Ⅰ級），會影響到管板和折流板管孔的公差精度，還應(yīng)注意不同材質(zhì)的換熱管所對應(yīng)的管孔的公差精度，還應(yīng)注意不同材質(zhì)的換熱管所對 應(yīng)的管孔公差是不同的；影響到開孔補強效果，鋼管的負偏差均按壁厚的一定比例給出 [19]。這主要是為了保證殼體剛度，浮頭式和 U 形管式還要考慮一定的磨損量，所以，比固定管板式還厚。在設(shè)計管板時應(yīng)注意兩點：管板的布管數(shù)要足夠；延長部分兼做作法蘭的管板，其許用應(yīng)力的選取，一定要注意 GB1501998 第 4 章表 41 注 表45 注 2，即不得選用該行數(shù)據(jù)，否則，設(shè)計將出 現(xiàn)重大錯誤。有些設(shè)計計算書中，輸入的并不是 lcr 的最大值?，F(xiàn)實中，有甲型法蘭配纏繞墊和選用不銹鋼材料不經(jīng)過計算的錯誤。射 線檢測Ⅱ級合格，超聲檢測Ⅰ級合格。也就是說，當滿足上述使用條件時，環(huán)縫采用 100%的射線或超聲檢測時，可以不必強調(diào)這項要求，但如果除此環(huán)縫外，其他環(huán)縫與此有差別，該條一定特殊提出來 [20]。 20世紀 70年代的世界能源危機，有利地促進本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 7 了傳熱強化技術(shù)的發(fā)展。大部分的研究和成功地應(yīng)用都屬于無源技術(shù)，即從改變傳熱面形狀人手。改變管殼式換熱器換熱管型式，就能使換熱管的傳熱系數(shù)、傳熱面積和對數(shù)平均溫度差等參數(shù)發(fā)生改變，也就能改變換熱管的傳熱量，這對于我們尋求換熱管的最大換熱效率，實現(xiàn)節(jié)能減排具有重要意義 [23]。 通過對連續(xù)肋管殼式換熱器傳熱和阻力特性實驗研究的結(jié)果表明，管殼式換熱器以其對壓力、溫度、介質(zhì)的適應(yīng)性、耐用性及經(jīng)濟性，在換熱設(shè)備中仍處于主導地位，通過對連續(xù)肋片管殼式換熱器的傳熱與阻力特性進行實驗研究，得到了不同工況下殼側(cè)平均努賽爾數(shù)和阻力系數(shù)的變化規(guī)律，實驗結(jié)果初步表明， Pr數(shù)的變化對殼側(cè)流體的平均傳熱系數(shù)有顯著影響，而對阻 力系數(shù)影響不大 [25]。給定工況下在長寬比大于 可以實現(xiàn)深度換熱，小于 。隨著長寬比的銳減，并列分置管束模型中的殼 程流速分布越來越不均勻，這也是導致?lián)Q熱器傳熱性能降低的原因之一。由于在流道分區(qū)過程中，單元流路區(qū)域與殼程多通道管殼式換熱器的殼程流路具有極高的相似性，因此模擬結(jié)果對了解超大型管殼式換熱器的殼程的速度場分布有意義 [26]。根據(jù)折流板數(shù) Nb和管程數(shù) n，將換熱器劃分成 (Nb +1)個大單元， (Nb+1)n個子單元，管程流體順次流過子單元，殼程流體平行流過大單元。結(jié)果表明：相同操作條件下，該文模型和 Cell模型計算 BEU型換熱器管程溫度分布最大誤差分別為 ％和 ％ ；計算 AES型換熱器管程最大誤差分別為％和 ％ ，殼程最大誤差分別為 ％和 1． 69％ 。 管殼式換熱器作為一種傳統(tǒng)的標準換熱設(shè)備，它雖然在 換熱效率、設(shè)備的體積和金屬材料的消耗量等方面不如其他新型換熱設(shè)備，但它具有結(jié)構(gòu)堅固、操作彈性大、可靠度高、適用范圍廣等優(yōu)點，所以在化工、煉油、石油化工、動力、核能和其他工業(yè)裝置中得到普遍采用特別是在高溫高壓和大型換熱器中的應(yīng)用占據(jù)絕對優(yōu)勢。這時要考慮下述一些原則： (1)要盡量提高使傳熱系數(shù)受到限制的那一側(cè)的換熱系數(shù)，使傳熱面兩側(cè)的傳熱條件盡量接近； (2)盡量節(jié)省金屬材料 ，特別是貴重材料，以降低制造成本； (3)要便于清洗積垢，以保證運行可靠； (4)在溫度較高的熱交換器中應(yīng)減少熱損失，而在制冷設(shè)備中則應(yīng)減少冷量損失 (5)要減小殼體和管子因受熱不同而產(chǎn)生的溫差應(yīng)力，以便使結(jié)構(gòu)得到簡化； (6)在高壓下工作的熱交換器，應(yīng)盡量使密封簡單而可靠； (7)要便于流體的流入、分配和排出