【正文】 有望達(dá)到1500億元。其它地區(qū)換熱器企業(yè)較少，比較知名的還有以佛山市潤石傳熱設(shè)備廠為龍頭企業(yè)的廣東佛山地區(qū)，該地區(qū)主要以板式換熱器為主。 我國換熱器產(chǎn)業(yè)主要集團(tuán)中于東北地區(qū)、西北地區(qū)、華北地區(qū)和華東地區(qū)。基于石油、化工、電力、冶金、船舶、機(jī)械、食品、制藥等行業(yè)對換熱器穩(wěn)定的需求增長，我國換熱器產(chǎn)業(yè)在未來一段時(shí)期內(nèi)將保持穩(wěn)定增長。 換熱器實(shí)物圖 換熱器產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢近年來，隨著我國石化、鋼鐵等行業(yè)的快速發(fā)展，換熱器的需求水平大幅上漲，但國內(nèi)企業(yè)的供給能力有限，導(dǎo)致?lián)Q熱器行業(yè)呈現(xiàn)供不應(yīng)求的市場狀態(tài)，巨大的供給缺口需要進(jìn)口來彌補(bǔ)。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%。BES500浮頭式換熱器設(shè)計(jì)畢業(yè)論文1 前言 換熱器的概述[1] 換熱設(shè)備是使熱量從熱流體傳遞到冷流體的設(shè)備。它是化工，煉油，動(dòng)力，食品，輕工，原子能，制藥，機(jī)械，及其他許多工業(yè)部門廣泛使用的一種通用設(shè)備。在工業(yè)生產(chǎn)中，換熱設(shè)備的主要作用是使熱量又溫度較高的流體傳遞給溫度較低的流體，使流體溫度達(dá)到工藝過程規(guī)定的指標(biāo)，以滿足工藝過程上的需要?！?011中國換熱器市場趨勢觀察研究預(yù)測報(bào)告》分析：目前，我國換熱器產(chǎn)業(yè)的市場規(guī)模大概為420億人民幣。預(yù)計(jì)到2010年年底，我國換熱器的市場需求將達(dá)到500億元。其中，東北地區(qū)是我國規(guī)模最大的換熱器產(chǎn)業(yè)基地，特別是吉林四平地區(qū)在集中供熱、鋼鐵和電力行業(yè)板式換熱器市場領(lǐng)域具有較為明顯的優(yōu)勢；西北地區(qū)則以某肅蘭州為中心，依托蘭州石油機(jī)械研究所和蘭石集團(tuán)的研發(fā)和生產(chǎn)力量，形成了較強(qiáng)的換熱器產(chǎn)業(yè)，尤其是在石油化工和食品領(lǐng)域；《2011中國換熱器市場趨勢觀察研究預(yù)測報(bào)告》中數(shù)據(jù)表明：華北地區(qū)在原北京京海、天津換熱裝備總廠等原機(jī)械部換熱設(shè)備定點(diǎn)生產(chǎn)企業(yè)的基上，通過引入大量外資企業(yè)，獲得了較快的發(fā)展；華東地區(qū)依托其巨大的市場，在輕工食品領(lǐng)域的換熱器市場和面向石油化工的特殊材質(zhì)換熱器領(lǐng)域占據(jù)了重要地位。 據(jù)《2011中國換熱器市場趨勢觀察研究預(yù)測報(bào)告》預(yù)測，2010年至2020年期間，我國換熱器產(chǎn)業(yè)將保持年均10～15%左右的速度增長。2 換熱器的分類及其工作原理 換熱器的分類及工作原理 在工業(yè)生產(chǎn)中，由于用途、工作條件和物料特性的不同，出現(xiàn)了各種不同形式和結(jié)構(gòu)的換熱設(shè)備。為增加兩流體的接觸面積，以達(dá)到充分換熱，在設(shè)備中常放置填料和柵板，通常采用塔狀結(jié)構(gòu)。為增加兩流體的接觸面積，已達(dá)到充分換熱，在設(shè)備中常放置填料和柵板。在換熱器內(nèi)首先由熱流體通過，把熱量積蓄在蓄熱體中，然后由流體通過，由蓄熱體把熱量釋放給冷流體。若兩種流體不允許有混合，則不采用蓄熱式換熱器。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，其形式多樣，如管殼式換熱器和板式換熱器都屬于間壁式換熱器。載流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，如熱管式換熱器等。材料性能對壓力容器運(yùn)行的安全性有顯著的影響。因此，合理選材是壓力容器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵之一。改善鋼材性能的途徑主要有化學(xué)成分的設(shè)計(jì)，組織結(jié)構(gòu)的改變和零件表面改性。提高碳含量可能使強(qiáng)度增加，但是可焊性變差，焊接時(shí)易在熱影響區(qū)出現(xiàn)裂紋。在鋼中加入釩，鈦，鈮等元素，可提高鋼的強(qiáng)度和韌性。硫能促進(jìn)非金屬夾雜物的形成，使塑性和韌性降低。將硫和磷等有害元素含量控制在很低水平，大大提高鋼材的純凈度，可提高鋼材的韌性，抗中子輻照脆化能力，改善抗應(yīng)變時(shí)效性能，抗回火脆化性能和耐腐蝕性能。例如，中國壓力容器用鋼的硫和磷含量分別應(yīng)低于0，020%%。另外，化學(xué)成分對熱處理也有決定性的影響，如果對成分控制不嚴(yán)，就達(dá)不到預(yù)期的熱處理效果。鋼材的力學(xué)行為，不僅與鋼材的化學(xué)成分，組織結(jié)構(gòu)有關(guān)，而且與材料所處的應(yīng)力狀態(tài)和環(huán)境有密切的關(guān)系。壓力容器設(shè)計(jì)中，常用的強(qiáng)度判據(jù)包括抗拉強(qiáng)度，屈服點(diǎn)，持久強(qiáng)度，蠕變極限和疲勞極限；塑性判據(jù)包括延伸率，斷面收縮率；韌性判據(jù)包括吸收功，韌脆轉(zhuǎn)變溫度，斷裂韌性等。在載荷作用下，壓力容器中的缺陷常會(huì)發(fā)生擴(kuò)展，當(dāng)裂紋擴(kuò)展到某一臨界尺寸時(shí)將會(huì)引起斷裂事故，此臨近裂紋尺寸的大小主要取決于鋼的韌性。因此，為防止發(fā)生脆性斷裂和裂紋快速擴(kuò)展，壓力容器常選用韌性好的鋼材。制造過程中進(jìn)行冷卷，冷沖壓加工的零部件，要求鋼材有良好的冷加工成型性能和塑性，其延伸率應(yīng)在15%20%以上。的彎曲實(shí)驗(yàn)。 各部分結(jié)構(gòu)及材料的選擇[3] 　管程結(jié)構(gòu) 流體流經(jīng)換熱管內(nèi)的通道及與其相通部分稱為管程。當(dāng)管內(nèi)外兩側(cè)給熱系數(shù)相差較大時(shí)，翅片管的翅片應(yīng)布置在給熱系數(shù)低的一側(cè)。,。但小管徑流體大，不便清洗，易結(jié)垢堵塞。 換熱管材料：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，用來排布換熱管，將管程和殼程的流體分隔開來，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)流體物腐蝕性較弱或有輕微腐蝕時(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。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。 圖 1 實(shí)體照片 管箱殼體直徑較大的換熱器大多采用管箱結(jié)構(gòu)。在多管程換熱器中，管箱還起改變流體流向的作用。 圖2 管箱實(shí)體圖 殼程結(jié)構(gòu) 殼程主要由殼體，折流板或折流桿，支持板，縱向隔板，拉桿，防沖擋板，放短路結(jié)構(gòu)等元件組成 (1) 殼體 殼體一般是一個(gè)圓筒，在殼壁上焊有接管，供殼程流體進(jìn)入和排出之用。當(dāng)殼體法蘭采用高頸法蘭或殼程進(jìn)出口接管直徑較大或采用活動(dòng)管板時(shí)，殼程進(jìn)出口接管距管板較遠(yuǎn)，流體停滯區(qū)過大，靠近兩端管板的傳熱面積利用率很低，為克服這一缺點(diǎn)，可采用導(dǎo)流筒結(jié)構(gòu)。 (2) 折流板 設(shè)置折流板的目的是為了提高殼程流體的流速，增加湍動(dòng)程度，并使殼程流體垂直沖刷管束，以改善傳熱，增大殼程流體的傳熱系數(shù)，同時(shí)減少結(jié)構(gòu)。 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)直徑的百分比來確定。 對于臥式換熱器，殼程為單相清潔液體時(shí)，折流板缺口應(yīng)水平上下布置。臥式換熱器的殼程介質(zhì)為氣液相共存或液體中含有固體顆粒，折流板缺口應(yīng)垂直左右布置，并在折流板最低處開通液口。折流板最小間距宜不下于內(nèi)直徑的1/5，且不小于50mm；最大間距應(yīng)不大于恰提內(nèi)直徑。從傳熱角度考慮，有些換熱器使不需要設(shè)置折流板的。折流板與支持板一般用拉桿和定距管連接在一起，在大直徑的換熱器中，如折流板的間距較大，流體繞道折流板背后接近殼體處，會(huì)有一部分流體停滯起來，形成了對傳熱不利的死去。如雙弓形折流板，因流體分為兩股流動(dòng)，在折流板之間的流速相同時(shí)，其間距只有單弓形的一半。（3）折流桿傳統(tǒng)的裝有折流板的管殼式換熱器存在著影響傳熱的死區(qū)，流體阻力大，且易發(fā)生換熱管振動(dòng)與破壞。該支撐結(jié)構(gòu)有折流圈和焊在折流圈上的支承桿所組成。一半4塊折流圈為一組，也可采用2塊折流圈為一組。因而能牢固地將換熱管支承住，提高管束的剛性。常用的放短路結(jié)構(gòu)主要有旁路擋板，擋板，中間擋板。旁路擋板可用鋼板或扁鋼制成，其厚度一般與折流板相同。② 擋管 當(dāng)換熱器采用多管程時(shí)，為了安排管箱分程隔板，在管中心不排列換熱管，導(dǎo)致管間短路，影響傳熱效率。擋管一般與換熱管的規(guī)格相同，可與折流板電焊固定，也可用拉桿代替。擋管伸出第一塊及最近一塊折流板或支持板的長度應(yīng)不大于50mm。為此在U形管束的中間通道處設(shè)置中間擋板。通常當(dāng)殼體公稱直徑DNDN≤500mm時(shí)，設(shè)置一塊擋板；500mm≤DN≤1000mm時(shí)，設(shè)置兩塊擋板；DN≥500mm時(shí)，設(shè)置不少于三塊擋板。 　開孔和開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)由于各種工藝和結(jié)構(gòu)上的要求，不可避免的要在容器上開孔并安裝接管。(1)補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)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%。（2）開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)就是指采取適當(dāng)增加殼體或接管厚度的方法將應(yīng)力集中系數(shù)減少到某一允許值。但隨著各國對開孔補(bǔ)強(qiáng)研究的深入，出現(xiàn)了許多新的設(shè)計(jì)思想，形成了新的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，如建立了以塑性失效準(zhǔn)則為基礎(chǔ)的極限分析方法。設(shè)計(jì)時(shí)，對于不同的使用場合和載荷性質(zhì)可采用不同設(shè)計(jì)方法。該方法是以雙向受拉伸的無限的大平板上開有小孔時(shí)孔邊的應(yīng)力集中作為理論基礎(chǔ)的，僅考慮殼體中存在的拉伸薄膜應(yīng)力，且以補(bǔ)強(qiáng)殼體的一次應(yīng)力強(qiáng)度作為設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，故對小直徑的開孔安全可靠。由于該補(bǔ)強(qiáng)法未計(jì)及開孔處的應(yīng)力集中的影響，補(bǔ)強(qiáng)后對不同接管會(huì)得到不同的應(yīng)力集中系數(shù)，即安全裕量，因此有時(shí)顯得富裕，有時(shí)顯得不足。(3) 允許不另行補(bǔ)強(qiáng)的最大開孔直徑壓力容器常常存在各種強(qiáng)度裕量，例如接管和殼體實(shí)際厚度往往大于強(qiáng)度需要的厚度；接管根部有填角焊縫；焊接接頭系數(shù)小于1但開孔位置不再焊縫上。因此，對于滿足一定條件的開孔接管，可以不予接管。 密封裝置設(shè)計(jì)壓力容器的可拆密封裝置形式很多，如中低壓容器中的螺紋連接，承插式連接和螺栓法蘭連接等，其中以結(jié)構(gòu)簡單，裝備比較方便的螺栓法蘭連接最為普通。墊片裝在兩個(gè)法蘭中間，作用是防止容器發(fā)生泄漏。螺栓力，墊片反力與作用在筒體中面上的壓力載荷不再同一直線上，法蘭受到彎矩的作用，會(huì)發(fā)生彎曲變形。 圖5 法蘭示圖(1)密封機(jī)理 流體在密封口泄漏有兩條途徑，一是滲透泄漏，即通過墊片材料本體毛細(xì)管的滲透泄漏，除了受介質(zhì)壓力，溫度，粘度，分子結(jié)構(gòu)等流體狀態(tài)性質(zhì)影響外，主要與墊片的結(jié)構(gòu)與材料性質(zhì)有關(guān)，可通過對滲透性墊片材料添加某些填充劑進(jìn)行改良，或與不透性材料組合成型來避免滲透泄漏；二是界面泄漏，即沿著墊片與壓緊面之間的泄漏，泄漏量大小主要與界面間隙尺寸有關(guān)。加工時(shí)壓緊面上凹凸不平的間隙及壓緊力不足時(shí)造成界面泄漏的直接原因。 防止流體泄漏的基本方法是密封口增加流體流動(dòng)的阻力，當(dāng)介質(zhì)通過密封口的阻力越大，約有利于密封。 　焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 壓力容器各受壓部件的組裝大多采用焊接方式，焊縫的接頭形式和坡口形式的計(jì)算直接影響到焊接的質(zhì)量與容器的安全，因而必須對容器焊接接頭的結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)。焊接接頭形式一般由被焊接兩金屬件的相互結(jié)構(gòu)位置來決定，通常分為對接接頭，角接接頭及T字接頭，搭接接頭。這種焊接接頭受熱均勻，受力對稱，便于無損檢測，焊接質(zhì)量容易得到保證，因此，是壓力容器中最常用的焊接結(jié)構(gòu)形式。兩構(gòu)件成T字形焊接在一起的接頭，叫T型接頭。角接接頭和T型接頭，在街頭處構(gòu)件結(jié)構(gòu)是不連續(xù)的，承載后受力狀態(tài)不如對連接頭，應(yīng)力集中比較嚴(yán)重，且焊接質(zhì)量也不易得到保證。③ 搭接接頭 系兩個(gè)相互連接零件在接頭處有部分重合在一起，中間相互平行，進(jìn)行焊接接頭。在壓力容器中，搭接接頭主要用于加強(qiáng)圈與殼體，支座墊板與器壁以及凸緣與容器的焊接。不同的焊接坡口，適用于不同的焊接方法和焊件厚度。壓力容器用對接接頭，角接接頭和T型接頭，施焊前，一般應(yīng)開設(shè)坡口，而搭接接頭無需開坡口即可焊接?！　んw部分的環(huán)向接頭，錐形封頭小端與接管連接接頭，長頸法蘭與接管連接的接頭，均屬Ｂ類焊接接頭，但已規(guī)定為A，C，D類的焊接接頭除外。均屬Ｃ類焊接接頭。 換熱設(shè)備的制造工藝[4] 封頭的形成 　風(fēng)頭的成形方法主要有沖壓成形，旋壓成形和爆炸成形，其中后面兩種方法適用大型封頭的成形，且爆炸成形對操作環(huán)境的要求比較高，因此，對于公稱直徑不是很