【正文】 ....................................................Ⅰ ABSTRACT............................................................................................Ⅱ 第一章 緒 論 ......................................................................................1 課題背景 ....................................................................................................1 國(guó)內(nèi)外發(fā)展及研究動(dòng)態(tài) ............................................................................1 理論研究 ...........................................................................................1 實(shí)驗(yàn)研究 ...........................................................................................5 設(shè)計(jì)方法研究 ....................................................................................7 課題研究的意義 ........................................................................................7 第二章 熱力計(jì)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(jì)算 ...................................................................................................13 殼程結(jié)構(gòu)及殼程計(jì)算 ...............................................................................13 需用傳熱面積 ...........................................................................................16 阻力計(jì)算 ...................................................................................................17 第三章 結(jié)論與展望 ...............................................................................19 結(jié)論 ...........................................................................................................19 展望 ...........................................................................................................19 參考文獻(xiàn) .................................................................................................21 符號(hào)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(shí)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(gè)殼體和包含許多 管子的管束所構(gòu)成，冷、熱流體之間通過(guò)管壁進(jìn)行換熱的換熱器。通常管殼式換熱器的工作壓力可達(dá) 4 兆帕，工作溫度 200℃以下，在個(gè)別情況下還可以達(dá)到更高的壓力和溫度。 國(guó)內(nèi)外發(fā)展及研究動(dòng)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(jiàn)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(jì)（論文） 3 使折流板的性能得到改進(jìn)，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(shí)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(jí)換代的主導(dǎo)產(chǎn)品， 大型石油、化工企業(yè)將能以簡(jiǎn)捷利低成本的方式實(shí)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(jì)制造水平的高低直接關(guān)乎換熱效果，影響能耗。國(guó)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(dòng)死區(qū)大、殼程流動(dòng)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(dòng)噪音 [5] 。前 3 種應(yīng)用比較普通。浮頭由浮動(dòng)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(diǎn)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(chǎng)合 [2]。浮頭式冷卻器設(shè)計(jì)的主要任務(wù) 是參數(shù)選擇和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、傳熱計(jì)算及壓降計(jì)算等 [7]。浮頭式冷卻器的工藝設(shè)計(jì)計(jì)算，依據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)的不同可分為設(shè)計(jì)計(jì)算和校核計(jì)算兩種，包括計(jì)算換熱面積和選型兩個(gè)方面 [9]。進(jìn)出口溫度、壓力由工藝要求確定。設(shè)計(jì)計(jì)算是由已知數(shù)據(jù)計(jì)算換熱面積，進(jìn)而決定換熱器的結(jié)構(gòu)， 可選定標(biāo)準(zhǔn)形式的浮頭式冷卻器；校核計(jì)算是對(duì)已有換熱器，核定一些運(yùn)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(jì)流程 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 冷卻器設(shè)計(jì)存在的常見(jiàn)問(wèn)題如下：（ 1）管程試驗(yàn)壓力高于課程試驗(yàn)壓力時(shí)管頭的試壓（ 2）水壓試驗(yàn)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(biāo)準(zhǔn)的正確選用（ 5）換熱器受壓失穩(wěn)當(dāng)量長(zhǎng)度和最大無(wú)支撐跨距的取值問(wèn)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?fù)Q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(jì)工作中，管板上管孔數(shù)量是一個(gè)非常重要的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，它是決定一臺(tái)換 熱器的換熱面積、管板的計(jì)算厚度、殼程殼體計(jì)算厚度等許多結(jié)果的一個(gè)重要參數(shù)，必須絕對(duì)準(zhǔn)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(shí)流體阻力增大，換熱面積減小，設(shè)備投資減少；但同時(shí)流體阻力增大，壓力降增大，動(dòng)力消耗增大，操作費(fèi)用增大。 在冷卻器的設(shè)計(jì)中，還有一些常規(guī)問(wèn)題需要考慮。此外，在管內(nèi)空間裝設(shè)保護(hù)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?yàn)榭梢詼p少熱量的逸散； 6．飽和蒸汽走殼程，因?yàn)檎羝麑?duì)流速和清理無(wú)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(dòng)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(fù)偏差的問(wèn)題，在設(shè)計(jì)上錯(cuò)誤出現(xiàn)頻率較高，可使殼體壁厚小一檔，還可能引起開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)不足，應(yīng)務(wù)必引起注意。鋼管負(fù)偏差問(wèn)題，主要涉及到兩項(xiàng)內(nèi)容：管束的級(jí)別問(wèn)題（采用普通級(jí)的碳素鋼、第合金鋼冷拔鋼管做換熱管為Ⅱ級(jí)，其余均為Ⅰ級(jí)），會(huì)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(duì)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(duì) 應(yīng)的管孔公差是不同的；影響到開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)效果，鋼管的負(fù)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(jì)管板時(shí)應(yīng)注意兩點(diǎn)：管板的布管數(shù)要足夠；延長(zhǎng)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(jì)將出 現(xiàn)重大錯(cuò)誤。有些設(shè)計(jì)計(jì)算書中，輸入的并不是 lcr 的最大值?，F(xiàn)實(shí)中，有甲型法蘭配纏繞墊和選用不銹鋼材料不經(jīng)過(guò)計(jì)算的錯(cuò)誤。射 線檢測(cè)Ⅱ級(jí)合格，超聲檢測(cè)Ⅰ級(jí)合格。也就是說(shuō)，當(dāng)滿足上述使用條件時(shí)，環(huán)縫采用 100%的射線或超聲檢測(cè)時(shí)，可以不必強(qiáng)調(diào)這項(xiàng)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(lái) [20]。 20世紀(jì) 70年代的世界能源危機(jī)，有利地促進(jìn)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 了傳熱強(qiáng)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(wú)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(duì)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(duì)于我們尋求換熱管的最大換熱效率，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排具有重要意義 [23]。 通過(guò)對(duì)連續(xù)肋管殼式換熱器傳熱和阻力特性實(shí)驗(yàn)研究的結(jié)果表明，管殼式換熱器以其對(duì)壓力、溫度、介質(zhì)的適應(yīng)性、耐用性及經(jīng)濟(jì)性，在換熱設(shè)備中仍處于主導(dǎo)地位，通過(guò)對(duì)連續(xù)肋片管殼式換熱器的傳熱與阻力特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)結(jié)果初步表明， Pr數(shù)的變化對(duì)殼側(cè)流體的平均傳熱系數(shù)有顯著影響，而對(duì)阻 力系數(shù)影響不大 [25]。給定工況下在長(zhǎng)寬比大于 可以實(shí)現(xiàn)深度換熱，小于 。隨著長(zhǎng)寬比的銳減，并列分置管束模型中的殼 程流速分布越來(lái)越不均勻，這也是導(dǎo)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(guò)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(duì)了解超大型管殼式換熱器的殼程的速度場(chǎng)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(gè)大單元， (Nb+1)n個(gè)子單元，管程流體順次流過(guò)子單元，殼程流體平行流過(guò)大單元。結(jié)果表明：相同操作條件下，該文模型和 Cell模型計(jì)算 BEU型換熱器管程溫度分布最大誤差分別為 ％和 ％ ；計(jì)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(biāo)準(zhǔn)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(jiān)固、操作彈性大、可靠度高、適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，所以在化工、煉油、石油化工、動(dòng)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(duì)優(yōu)勢(shì)。這時(shí)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(yùn)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)