【正文】 ............................................................ 39 4 結(jié)論 ......................................................................................................................... 42 參考文獻(xiàn) ..................................................................................................................... 43 謝辭 ............................................................................................................................. 44 1 1 換熱器概述 換熱器是一種實(shí)現(xiàn)物料之間熱量傳遞的節(jié)能 設(shè)備， 又稱熱交換器。它還廣泛應(yīng)用于化工、石油、動(dòng)力和原子能等工業(yè)部門。 換熱器既可是一種單獨(dú)的設(shè)備，如加熱器、冷卻器和凝汽器等；也可是某一工藝設(shè)備的組成部分，如氨合成塔內(nèi)的熱交換器。 另外， 又對(duì)換熱器提出了新的節(jié)能要求，如煉油工業(yè)中 ,為了提高換熱系統(tǒng)有效能的利用，要求降低換熱器的平均溫差，這就需要開發(fā)新型換熱器。 換熱器的特點(diǎn) 一般換熱器都用金屬材料制成，其中碳素鋼和低合金鋼大多用于制造中、低壓換熱器；不銹鋼除主要用于不同的耐腐蝕條件外，奧氏體不銹鋼還可作為耐高、低溫的材料；銅、鋁及其合金多用于制造低溫?fù)Q熱器；鎳合金則用于高溫條件下；非金屬材料除制作墊片零件外，有些已開始用于制作非金屬材料 的耐蝕換熱器，如石墨換熱器、氟塑料換熱器和玻璃換熱器等。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(zhǎng)期以來(lái)在工業(yè)生產(chǎn)中成為一種典型的換熱器。 混合式換熱器是通過冷、熱流體的直接接觸、混合進(jìn)行熱量交換的換熱器，又稱接觸式換熱器。例如，化工廠和發(fā)電廠所用的 冷 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?jī)闪黧w本身的密度差得以及時(shí)分離。這類換熱器主要用于回收和利用高溫廢氣的熱量。 間壁式換熱器的冷、熱 流體被固體間壁隔開，并通過間壁進(jìn)行熱量交換的換熱器，因此又稱表面式換熱器，這類換熱器應(yīng)用最廣。管式換熱器以管子表面作為傳熱面，包括蛇管式換熱器、套管式換熱器和管殼式換熱器等；板面式換熱器以板面作為傳熱面，包括板式換熱器、螺旋板換熱器、板翅式換熱器、板殼式換熱器和傘板換熱器等；其他型式換熱器是為滿足某些特殊要求而設(shè)計(jì)的換熱器，如刮面式換熱器、轉(zhuǎn)盤式換熱器和空氣冷卻器等。盡管近年來(lái)受到不斷涌現(xiàn)的新型換熱器的 挑戰(zhàn)，但反過來(lái)也不斷促進(jìn)了自身的發(fā)展。 浮頭式換熱器兩端的管板，一端不與殼體相連，該端稱浮頭。 換熱器的管子在管板上的排列不單考慮設(shè)備的緊湊性，還要考慮到流體的性質(zhì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及加工制造方面的情況。正方形和轉(zhuǎn)角正方形排列，能夠使管間 的小橋形成一條直線通道，便于用機(jī)械進(jìn)行清洗，一般用于管束可抽出管間清洗的場(chǎng)合。這些優(yōu)點(diǎn)表明對(duì)于管子和殼體間溫差大、殼程介質(zhì)腐蝕性強(qiáng)、易結(jié)垢的情況，浮頭式換熱器很能適應(yīng)。 浮頭式換熱器 適用范圍 ： 浮頭式換熱器適用于壓力溫度范圍較大，特別是殼體和換熱管壁溫相差較大或介質(zhì)易結(jié)垢的場(chǎng)合。 浮頭式換熱器簡(jiǎn)圖 4 換熱器的研究熱點(diǎn) 在工業(yè)制冷裝置換熱器的選擇方面需要根據(jù)工礦企業(yè)自身的自然條件、現(xiàn)場(chǎng)條件、運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)等因素進(jìn)行綜合考慮，并且堅(jiān)持高效率、低能耗、運(yùn)行安全穩(wěn)定、便于檢修維護(hù)的原則，進(jìn)而取得滿意的經(jīng)濟(jì)效益。 各種新型、高效換熱器逐步取代現(xiàn)有常規(guī)產(chǎn) 品。同心管換熱器、高溫噴流式換熱器、印刷線路板換熱器、穿孔板換熱器、微尺度換熱器、微通道換熱器、流化床換熱器、新能源換熱器將在工業(yè)領(lǐng)域及其它領(lǐng)域得到研究和應(yīng)用。強(qiáng)化傳熱研究的主要任務(wù)是改善熱傳遞速率，以達(dá)到用最經(jīng)濟(jì)的設(shè)備來(lái)傳遞規(guī)定的熱量，用最經(jīng)濟(jì)的冷卻方式保護(hù)高溫元件的安全，即用最佳的熱效率實(shí)現(xiàn)能源的合 理利用。 傳熱強(qiáng)化技術(shù)是一項(xiàng)能顯著改善傳熱性能的節(jié)能新技術(shù)。 增大傳熱系數(shù)、妥善布置傳熱面、增大平均溫度差是強(qiáng)化傳熱的三種途徑，其中提高傳熱系數(shù)是當(dāng)今強(qiáng)化傳熱的重點(diǎn)。管殼式換熱器強(qiáng)化傳遞通常是對(duì)光管進(jìn)行加工得到各種結(jié)構(gòu)的異型管，如波紋管、螺紋管、螺旋 槽紋管、橫槽紋管、翅片管、針翅管、多孔表面管等，通過這些異型管進(jìn)行強(qiáng)化傳熱，提高工作效率，達(dá)到節(jié)能減排效果。主動(dòng)強(qiáng)化傳熱以消耗外部能量為代價(jià)的，如采用電場(chǎng)、光照射、攪拌、流體振動(dòng)、機(jī)械表面振動(dòng)等手段，由于受到外加能量限制，因而工程主要采用被動(dòng)強(qiáng)化傳熱技術(shù)，即通過增加單位體積內(nèi)的傳熱面積或者提高傳熱系數(shù)增加產(chǎn)熱量。 6 2 浮頭式換熱器的設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)參數(shù)的確定 壓力容 器設(shè)計(jì)參數(shù)主要有設(shè)計(jì)壓力，設(shè)計(jì)溫度，厚度， 厚度 附加量，焊接接頭系數(shù)和許用應(yīng)力等。最高工作壓力系指容器頂部在正常工作過程中可能產(chǎn)生的最高表壓。 當(dāng)內(nèi)壓容器上裝有安全泄放裝置時(shí)，其設(shè)計(jì)壓力應(yīng)根據(jù)不 同形式的安全泄放裝置確定。 對(duì)于盛裝液化氣體的容器，由于容器內(nèi)介質(zhì)壓力 為液化氣體的飽和蒸汽壓，在規(guī)定的裝量系數(shù)范圍內(nèi)，與體積無(wú)關(guān)，僅取 絕于溫度的變化，故設(shè)計(jì)壓力與周 圍的大氣環(huán)境溫度密切相關(guān)。 設(shè)計(jì)溫度 設(shè)計(jì)溫度也為壓力容器的設(shè)計(jì)載荷條件之一，它是指容器在正常情況下，設(shè)定元件的金屬溫度。 GB150規(guī)定設(shè)計(jì)溫度等于或低于 20℃的容器屬于低溫容器。 7 設(shè)計(jì)溫度與設(shè)計(jì)壓力存在對(duì)應(yīng)關(guān)系。 厚度及厚度附加量 設(shè)計(jì)時(shí)要考慮厚度附加量 C由鋼材的厚度負(fù)偏差 C1和腐蝕裕量 C2組成 ， C=C1+C2 ,不包 括加工減薄量 C3。 設(shè)計(jì)厚度（ dδ ）是 計(jì)算厚度與腐蝕裕量之和。 有效厚度（ eδ ）為名義厚度減去腐蝕裕量和鋼材負(fù)偏差。與腐蝕介質(zhì)直接接觸的筒體，封頭，接管，等受壓元件，均應(yīng)考慮材料的腐蝕裕量。在無(wú)特殊腐蝕情況下，對(duì)于碳素鋼和低合金鋼， C2 不小于 1mm；對(duì)于不銹鋼，當(dāng)介質(zhì)的腐蝕性極微時(shí)，可取 C2=0。為彌補(bǔ)焊縫對(duì)容器整體的強(qiáng)度削弱，在強(qiáng)度計(jì)算中需引入焊接接 頭系數(shù)。 許用應(yīng)力 許用應(yīng)力是容器殼體，封頭等受壓元件的材料許用強(qiáng)度，取材料強(qiáng)度失效判據(jù) 8 的極限值與相應(yīng)的材料設(shè)計(jì)系數(shù)之比，設(shè)計(jì)時(shí)必須合理的選擇材料的許用應(yīng)力，采用過小的許用應(yīng)力，會(huì)使設(shè)計(jì)的部分過分笨重而浪費(fèi)的材料，反之則使部件過于單薄而容易破損。應(yīng)根據(jù)失效類型來(lái)確定極限值。因?yàn)閷?duì)韌性材料制作的容器，按彈性失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，容器總體部位的最大應(yīng)力強(qiáng)度應(yīng)低于材料的屈服點(diǎn)，故許用應(yīng)力應(yīng)以屈服點(diǎn)為基準(zhǔn)。 當(dāng)碳素鋼和低合金鋼的設(shè)計(jì)溫度超過 420℃，鉻鉬合金鋼的設(shè)計(jì)溫度高于450℃，奧氏體不銹鋼設(shè)計(jì)溫度高于 550℃時(shí)，有可能產(chǎn)生蠕變，因而必須同時(shí)考慮基于高溫蠕變極限 tn? 或持久強(qiáng)度 tD? 的許用應(yīng)力。螺栓的許用應(yīng)力應(yīng)根據(jù)材料的不同狀態(tài)和直徑大小而定。一般情況下，螺栓材料的許用應(yīng)力取值比其他受壓元件材料低；同時(shí)為防止小直徑螺栓在安裝時(shí)斷裂，小直徑螺栓的許用應(yīng)力也比大直徑的低。要進(jìn)行換熱的容器要用導(dǎo)熱系數(shù)較高的材料達(dá)到節(jié)省材料的目的。壓力容器的本體主要采用板材、管材和鍛件，其緊固件采用 棒材。 16MnR 是一種低合金鋼，它是在碳素鋼的基礎(chǔ)上加入一種或數(shù)種合金元素（不超過 5%）以提高鋼材的強(qiáng)度，耐高溫、耐低溫、耐腐蝕等性能，各種合金元素在低合金鋼中起著不同的作用，錳能有效的提高強(qiáng)度，降低冷脆性能。要求螺栓材料具有高的強(qiáng)度，好的韌性。使用有不同的硬度。因此，螺栓材料選用A3鋼 [16]。墊片的耐用溫度應(yīng)大于操作溫度，要有一定的機(jī)械強(qiáng)度和適當(dāng)?shù)娜彳浶?。檢修更換墊片是否容易。 結(jié)構(gòu)的選擇與論證 換熱管 除光管外，換熱管還可采用各種各樣的強(qiáng)化換熱管，如翅片管，螺旋槽管，螺紋管等。 換熱管尺寸換熱管尺寸主要為 φ 19mm 2mm, φ 25mm , φ 38mm ,無(wú)縫鋼管以及 φ 25mm 2mm, φ 38mm 。采用小管徑，可使單位體積的傳熱面積增大，結(jié)構(gòu)緊湊，金屬耗量減少，傳熱系數(shù)提高。但小管徑流體大，不便清洗，易結(jié)垢堵塞。 常用材料有碳素鋼，低合金鋼，不銹鋼，銅銅鎳合金，鋁合金，鈦等。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)工作壓力，溫度和介質(zhì)腐蝕性等選用合適材料。正三角形排列形式可以在同樣的管板面積上排列最多的管數(shù)，故用的最為普遍，但管外不一清洗。 管板 管板是管殼式換熱器最重要的零件之一，用來(lái)排布換熱管，將管程和殼程的流體分隔開來(lái)，避免冷熱流體混合，并同時(shí)受管程，殼程壓力和溫度的作用。當(dāng)流體物腐蝕性或有輕微腐蝕時(shí)，管板一般采用壓力容器用碳素鋼或低合金鋼板或鍛件制造。但對(duì)于較厚的管板，若整體采用價(jià)格昂貴的耐腐蝕性，造價(jià)很高。為節(jié)約耐腐蝕材料，工程上常采用不銹鋼 和 鋼，鈦 和 鋼，銅 和 鋼等符合板，或堆焊襯里。增大管板厚度，可以提高承受能力，但當(dāng)管板兩側(cè)流體溫差很大時(shí)，管板內(nèi)部沿厚度方向的熱應(yīng)力。因此，在滿足強(qiáng)度的前提下，應(yīng)盡量減少管板厚度。 當(dāng)要求嚴(yán)格禁止管程和殼程中的介質(zhì)互相混合時(shí)，可采用雙管板結(jié)構(gòu)。 封頭 壓力容器的封頭種類較多，分為凸形封頭、錐殼、變徑段、平蓋及緊縮口等。采用什么樣的封頭要根據(jù)工藝條件的要求、制造的難易程度和材料的消耗等情況來(lái)決定。受均勻內(nèi)壓作用封頭強(qiáng)度計(jì)算，由于封頭和圓筒相連接。連接處總應(yīng)力的大小與封頭的幾何形狀尺寸，封頭與圓筒厚度的比值大小有關(guān)，但在導(dǎo)出分頭厚度計(jì)算公式時(shí)，主要利用內(nèi)薄膜應(yīng)力作為依據(jù)，而將因不連續(xù)效應(yīng)產(chǎn)生的應(yīng)力增強(qiáng)影響以應(yīng)力增強(qiáng)的系數(shù)形式引入厚度計(jì)算式中。由于封頭的橢圓部分經(jīng)線曲率變化平滑連續(xù)，故應(yīng)力分布比較均勻，采用橢圓形封頭還易于制造。在臥式換熱器中，折流板還起支撐管束的作用。 常用的折流板形式有弓形和圓盤 圓環(huán)形兩種，其中弓形折流板有單弓形，雙弓形和三弓形三種，根據(jù)需要也可采用其他形式的折流板與支持板，如堰形折流板。缺口大小用切去 的弓形弦高占?xì)んw內(nèi)直徑的百分比來(lái)確定。 折流板一般應(yīng)按等間距布置，管束兩端的折流板應(yīng)盡量靠近殼程進(jìn)出口接管。折流板上管孔與換熱管之間的間隙以及折流板與殼體內(nèi)壁之間的間隙應(yīng)合乎要求，間隙過大，泄漏嚴(yán)重，對(duì)傳熱不利，還易引起振動(dòng)；間隙過小，安裝困難。為了消除這個(gè)弊病，宜采用多弓形折流板。不僅減少了傳熱死去，而且提高了傳熱效率。因此，壓力容器的設(shè)計(jì)必須充分考慮 13 開孔的補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)。因此，我們所設(shè)計(jì)的固定管板式換熱器選擇圓形開孔。 壓力容器接管補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)通常采用局部補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)主要有補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng)，厚壁接管補(bǔ)強(qiáng)和整鍛件補(bǔ)強(qiáng)三種形式。它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造方便，使用經(jīng)驗(yàn)豐富，但補(bǔ)強(qiáng)圈與殼體金屬之間不能完全貼合，傳熱結(jié)果差，在中溫以上使用時(shí)，二者存在較大的熱膨脹差，因而使補(bǔ)強(qiáng)局部區(qū)域產(chǎn)生較 大的熱應(yīng)力；另外，補(bǔ)強(qiáng)圈去殼體采用搭接連接，難以與殼體形成整體，所以抗疲勞性能差。 （ 2） 厚壁接管補(bǔ)強(qiáng) 即在開孔處焊上一段厚壁接管。接管補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，焊縫少，焊接質(zhì)量容易檢查，因此補(bǔ)強(qiáng)效果較好。 （ 3） 整鍛件補(bǔ)強(qiáng) 該補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)是將接管和部分殼體連同補(bǔ)強(qiáng)部分金屬集中開孔應(yīng)力最大部位，能有效地降低應(yīng)力集中系數(shù)；可采用對(duì)焊焊縫，并使焊縫極其熱影響區(qū)離開最大應(yīng)力點(diǎn)，抗疲勞性能好，疲勞壽命只降低 10%15%。 法蘭 由于法蘭間表面總是粗糙不平，若在其間放一軟軟的墊片， 用螺栓擰緊，使墊片受壓而產(chǎn)生變形（局部表面為塑性變形，整體是彈性變形）填滿兩密封面的凹凸不平的間隙，就可以阻止介質(zhì)漏出，達(dá)到密封的目的。 煉廠常用的法蘭形式有平焊法蘭、對(duì)焊法蘭及螺紋法蘭。相比之下，對(duì)焊法蘭由于其鋼度較大，在較大壓力下，溫度波動(dòng)是也能保證密封。對(duì)焊法蘭密封選擇是否合理，對(duì)密封有很大影響。 15 3 計(jì)算部分 殼體圓筒計(jì)算 計(jì)算條件 計(jì)算壓力 ： MPaPc ? 設(shè)計(jì)溫度 ： Ct ??200 材料名稱： RMn16 (熱軋 )(板材 ) 內(nèi)徑 ： mmDi 1100? 設(shè)計(jì)溫度許用應(yīng)力 ： ? ? MPat 170?? 試驗(yàn) 溫度許用應(yīng)力 ： ? ? MPa170?? 試驗(yàn)溫度下屈服點(diǎn) ： MPas 345?? 鋼板負(fù)偏差 ： mmC 01 ? 腐蝕裕量 ： mmC 32 ? 焊接接頭系數(shù) ： ?? 厚度計(jì)算 計(jì)算厚度 : ? ? mmPDP ct ic ???? ???? ??? （ 3— 1） 設(shè)計(jì)厚度： mmCd ????? ?? （ 3— 2） 名義厚度 : mmCdn ????????? ?? （ 3— 3） 按 GB151表 8中規(guī)定，取 mmn 14?? 有效厚度： mmCCne 11301421 ??????? ?? （ 3— 4） 16 壓力試驗(yàn)時(shí)應(yīng)力校核 壓力試驗(yàn)類型 : 液壓