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J155 武漢科技大學(xué) 畢 業(yè) 設(shè) 計 （ 論 文 ） 題 目 名 稱 浮頭式換熱器設(shè)計 題 目 類 型 畢業(yè)設(shè)計 系 部 繼續(xù)教育學(xué)院 專 業(yè) 班 級 2010 機(jī)電一體化（?？疲?學(xué) 生 姓 名 周何清 指 導(dǎo) 教 師 余震 輔 導(dǎo) 教 師 時 間 2012 年 3 月至 2012 年 4 月 - 目錄 摘要 .21 前言 .1 1 熱力計算 .1 1.2 定性溫度和物性參數(shù)計算 .2 1.3 初選結(jié)構(gòu) .2 1.4 管程換熱計算及流量計算 .3 1.5 殼程換熱計算 .4 1.6 傳熱系數(shù) .5 1.7 管程壓降 .6 1.8 殼程壓降 .7 1.9 壓強(qiáng)校核 .8 2 結(jié)構(gòu)設(shè)計 .9 2.1 換熱流程設(shè)計 .9 2.2 管子和傳熱面積 .9 2.3 管子排列方式 .9 2.4 殼體 .10 2.5 管箱 .11 2.5.1.封頭 .11 2.5.2.箱殼 .11 2.6 固定管板 .11 2.7 分程隔板 .12 2.7.1 管程分程隔板 .12 2.7.2 殼程分程隔板 .12 2.8 折流板 .12 2.9 拉桿 .13 2.10 進(jìn)出口管 .13 2.10.1.管程進(jìn)出管 .13 2.10.2.殼程進(jìn)出口管 .14 2.11 浮頭箱 .14 2.12 浮頭 .14 2.13 補(bǔ)強(qiáng)圈 .15 2.14 法蘭 .15 2.14.1 法蘭密封面的型式 .15 2.14.2 殼體法蘭 .16 2.14.3 接管法蘭 .16 2.15 支座 .17 3 強(qiáng)度校核 .18 - 3.1 管箱的強(qiáng)度校核及優(yōu)化 .18 3.2 殼體的強(qiáng)度校核及優(yōu)化 .20 4 制造工藝及安裝 .21 4.1 制造工藝 .21 4.1.1 封頭的成形 .21 4.1.2 筒節(jié)的彎卷成形 .22 4.1.3 其它 .22 4.2 安裝與拆卸 .22 5 AUTOCAD 二維模型圖 .23 總結(jié) .25 參考文獻(xiàn) .26 致謝 .27 附件： .27 - 武漢科技大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計）任務(wù)書 系 部： 專業(yè)： 班級： 學(xué)生姓名： 周何清 指導(dǎo)教師/職稱 ： 教授 1. 畢業(yè)論文（設(shè)計）題目： 浮頭式換熱器設(shè)計 2. 畢業(yè)論文（設(shè)計）起止時間：2012 年 3 月 22 日2010 年 4 月 22 日 3.畢業(yè)設(shè)計（論文）所需資料及原始數(shù)據(jù)（指導(dǎo)教師選定部分） 換熱器設(shè)計原始數(shù)據(jù) 殼體規(guī)格 600；管箱規(guī)格 620；換熱管規(guī)格 252.5 L=6000 項目 殼程 管程 設(shè)計壓力（Mp） 2.45 2.45 操作溫度（進(jìn)口/出口） 175/155 144/163 設(shè)計 溫度 200 125 介質(zhì) 急冷油 鍋爐給水 4.畢業(yè)設(shè)計（論文）應(yīng)完成的主要內(nèi)容 （1）換熱器的發(fā)展概況 （2）總體參數(shù)設(shè)計計算 （3）傳熱學(xué)計算 （4）換熱器的工程圖設(shè)計 - 5.畢業(yè)設(shè)計（論文）的目標(biāo)及具體要求 工程圖：總裝配圖 1 張，部件裝配圖和零件圖 5 張 6、完成畢業(yè)設(shè)計 （論文）所需的條件及上機(jī)時數(shù)要求 熟悉 autocad 上機(jī) 100 小時 任 務(wù) 書 批 準(zhǔn) 日 期 2012/3/20 系 主 任 /責(zé) 任 教 授 任 務(wù) 書 下 達(dá) 日 期 2012/3/22 指 導(dǎo) 教 師 完 成 任 務(wù) 日 期 2012/4/22 學(xué)生簽名 周何清 - 武漢科技大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計（論文）開題報告 題目名稱 浮頭式換熱器設(shè)計 系部 專業(yè)班級 學(xué)生姓名 周何清 指導(dǎo)教師 輔導(dǎo)教師 開題報告時間 2012 年 3 月-2012 年 4 月 - 浮頭式換熱器設(shè)計 學(xué) 生：周何清 武漢科技大學(xué) 指導(dǎo)教師： 武漢科技大學(xué) 一、題目來源及其類型 題目來源：生產(chǎn)實際 題目類別：畢業(yè)設(shè)計 二、研究目的和意義 換熱器是國民經(jīng)濟(jì)和工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中應(yīng)用十分廣泛的熱量交換設(shè)備 ，隨著現(xiàn)代 新工藝、 新技術(shù)、新材料的不斷開發(fā)和能源問題的日趨嚴(yán)重 ，世界各國已普遍把 石油化工深度加工和能源綜合利用擺到十分重要的位置。換熱器因而面臨著新的挑 戰(zhàn)。換熱器的性能對產(chǎn)品質(zhì)量、能量利用率以及系統(tǒng)運行的經(jīng)濟(jì)性和可靠性起著重 要的作用 ，有時甚至是決定性的作用。目前在發(fā)達(dá)的工業(yè)國家熱回收率已達(dá) 96% 。換熱設(shè)備在現(xiàn)代裝置中約占設(shè)備總重的 30% 左右，其中管殼式換熱器仍然占絕對 的優(yōu)勢，約 70% 。其余 30% 為各類高效緊湊式換熱器、新型熱管熱泵和蓄熱器等 設(shè)備，其中板式、螺旋板式、板翅式以及各類高效傳熱元件的發(fā)展十分迅速。在繼 續(xù)提高設(shè)備熱效率的同時，促進(jìn)換熱設(shè)備的結(jié)構(gòu)緊湊性 ，產(chǎn)品系列化、標(biāo)準(zhǔn)化和專 業(yè)化，并朝大型化的方向研究發(fā)展。 三、閱讀的主要參考文獻(xiàn)及資料名稱 1 史美中，王中錚 .熱交換器原理與設(shè)計M.北京：東南大學(xué)出版社，1996 2 錢頌文.換熱器設(shè)計手冊M.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003 3 鄭津洋，董其伍，桑芝富.過程裝備設(shè)計M.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005 4王志魁.化工原理 M.北京：化學(xué)工業(yè)出版社， 2000 5賀衛(wèi)國.化工容器及設(shè)備簡明設(shè)計手冊M.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003 6王志文.化工容器設(shè)計 M.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1990 - 7賀匡國.壓力容器分析設(shè)計基礎(chǔ)M.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1995 8潘家禎.壓力容器材料實用手冊M.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2000 9卓震. 化工容器及設(shè)備M.北京：中國石化出版社，1998 10GB 150-1998 鋼制壓力容器 S.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2003 11GB 151-1999 管殼式換熱器 S.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2004 12HG 20582-1998 鋼制化工容器強(qiáng)度計算規(guī)定S.化工部工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)編輯中 心出版，1998 13 JB 4732-1995 鋼制壓力容器分析設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)S.北京：新華出版社， 1995 四、國內(nèi)外現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢與研究的主攻方向 1、換熱器及傳熱研究的發(fā)展趨勢與現(xiàn)狀 換熱器是一種廣泛使用的工藝設(shè)備，在煉油、化土行業(yè)中是主要豹工藝設(shè)備之 一。因此，換熱器的研究倍受重視。從換熱鉗的設(shè)計、制造、結(jié)構(gòu)改進(jìn)到傳熱機(jī)理 的試驗研究一宣都在進(jìn)行。特別是七十年代初發(fā)生能源危機(jī)以來，各國都紛紛尋找 新的能源及節(jié)約能源的途徑，而換熱器是節(jié)約能源的有效設(shè)備。在親熱回收、利用 地?zé)帷⑻柲艿确矫娑茧x不開換熱器。因而各國都在致力于研究各種高性能換熱器 及換熱元件，其中不少是國家直接下達(dá)的重點課題。近年來換熱器及傳熱技術(shù)的發(fā) 展主要表現(xiàn)在下列幾個方面。 （1） 研究工作的動向 目前世界上每年發(fā)表有關(guān)傳熱及換熱設(shè)備方面的文獻(xiàn)約在六千篇以上。有關(guān)新 能源開發(fā)的文章日趨增多，研究的重點是傳熱機(jī)理、傳熱強(qiáng)化、兩相流、模擬及測 試技術(shù)、計算機(jī)應(yīng)用、振動、污垢以及與能源利用和環(huán)境保護(hù)有關(guān)的新型高效換熱 器。對傳熱基礎(chǔ)理論的研究探討 1分重視，一種新的動向是：從數(shù)學(xué)校型和物理 模型出發(fā)，用數(shù)學(xué)方法推導(dǎo)出精確的計算公式。 （2） 計算機(jī)的使用 應(yīng)用計算機(jī)不僅節(jié)省了入力、提高了效率，而且可以進(jìn)行最優(yōu)化設(shè)計與控制， 使其達(dá)到最大技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能。例如美國帕斯卡古拉煉油廠常減壓裝置的原油換熱系 統(tǒng)，由于采用了換熱系統(tǒng)的最佳化設(shè)計及其他改進(jìn)措施，平均傳熱系數(shù)達(dá)到 445 千 卡m 2小時。傳熱分析、應(yīng)力分析、信息儲存與檢索以及模擬和控制均編有 - 程序。有些程序從工藝設(shè)計開始，直到繪出圖紙。計算機(jī)自動繪圖機(jī)只需十幾分鐘 即可繪一張標(biāo)準(zhǔn)換熱器圖紙。目前，美國 HTRI 換熱器設(shè)計程序在國外無疑是具有 代表性的，已被許多國家所引進(jìn)。此外，其他國家也開發(fā)了一些自動設(shè)計系統(tǒng)和程 序。如英國 HTFS 開發(fā)的 TASC 等程序；1975 年英國國家工程實驗室(NEL)和劍橋 計算機(jī)輔機(jī)設(shè)備中心合作，按美國管殼式換熱器制造商協(xié)會(TEMA)標(biāo)準(zhǔn)，編制管完 式換熱器機(jī)械設(shè)計程序 STEM。這一程序不但可對 TEMA 標(biāo)準(zhǔn)中的所有“R” 、 “C”、 “B”三類換熱器進(jìn)行各種設(shè)計計算，列出二系列不同參數(shù)以供選擇，而且能自動 繪出換熱器的平面布置與管板布置圖，到 1978 年底己能提供全部 TEMA 標(biāo)準(zhǔn)投熱 器的制造施工圖。以后又結(jié)合英國標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(SBI)1976 年公布的壓力容器規(guī)范 BS5500 編制了換熱器的機(jī)械設(shè)計程序；蘇聯(lián)也有 CAHTA 自動設(shè)計系統(tǒng)； 日本 HEADS 自動設(shè)計系統(tǒng)是由三菱工程及造船有限公司研制的，使用該系統(tǒng)，僅僅輸入 最少的數(shù)據(jù)，就能迅速地得到機(jī)械的沒計圖表及圖紙，該系統(tǒng)除適用于日本的 JIS8234 壓力容器結(jié)構(gòu)及(日本)高壓氣體控制法規(guī)外，還適用干 ASME 規(guī)范第篇第 分篇以及 TEMA 的“R” 、 “B”、 “C”類；此外日本神戶制鋼的 HEXAPACKS 自 動設(shè)計繪圖系統(tǒng)以及用于換熱器動特模擬的三菱 HEDDY 數(shù)字模擬系統(tǒng)等也已推行 于世。 （3） 。高溫高壓換熱界的進(jìn)展 隨者工藝的進(jìn)展和大型化裝置的出現(xiàn)，大型高溫高壓換熱器的使用越來越多。 煉油廠加氫換熱器就是一個例子。近年來，高溫高壓換熱器在結(jié)構(gòu)、材料和制造方 面都有一些進(jìn)展，管箱和密封結(jié)構(gòu)均有一些改進(jìn)，管的進(jìn)口區(qū)的熱防護(hù)獲得一些改 善。另外還采用了薄管板或撓性管板結(jié)構(gòu)以減小熱應(yīng)力；使用小管子密排列，改善 了管子與管板的連接。 （4） 大力開展關(guān)于振動的研究 自 60 年代末，為了適應(yīng)大型化裝置的工藝要求，換熱器也隨之大型化。國外管 殼式換熱特最大直徑已達(dá) 4650 毫米，傳熱面積達(dá)到 6700 米 2，重達(dá) 260 噸。在大 型化過程中所遇到的一個復(fù)雜問題就是管束的振動。由于大型化而加劇了核電站換 熱器的振動破壞，因此人們對管殼式換熱器振動研究的興趣與日俱增。大型換熱器 在高流速下尤其容易產(chǎn)生振動，振動位管子破裂，損壞設(shè)備的就礎(chǔ)與管路，同時產(chǎn) 生噪音。迄今雖然有關(guān)振動方面的問題，還遠(yuǎn)未被人們認(rèn)識清楚，但是通過大量的 - 試驗研究，現(xiàn)在已經(jīng)能預(yù)測管束的自振頻率，從而在設(shè)計小可以確定出適當(dāng)?shù)牧魉?范圍，以防止流體的激振。此外，在結(jié)構(gòu)設(shè)計上也采用了一些防振措施，例如菲利 普斯石油公司設(shè)計了一種沒有普通折流板的管殼式換熱器，采用一組柵格式緊固控 置代缽折梳板，管束被井個型的柵格條緊緊固定，柵格條同管于外壁之間水留間隙。 使用納果表明，這種結(jié)構(gòu)有效地克服了管束的振動，延長了管子為壽命，而且結(jié)構(gòu) 緊湊，符合小管徑、密排列的原則，提高了工藝性能，使完程壓降降低丁二分之一， 且不易淤塞臟物，清洗方便。 （5） 發(fā)展強(qiáng)化傳熱管 傳熱管是管殼式換熱器的主要傳熱元件。國外對傳熱管的研究非常重視，通過 改進(jìn)傳熱管的性能，就能提高換熱器的性能。強(qiáng)化傳熱管的方法主要有兩種：一種 是盡量擴(kuò)大它的有效傳熱面積，但又不過分增大流阻，例如將管子的內(nèi)、外表面軋 制成各種不同的表面形狀，促進(jìn)流體產(chǎn)生湍流提高傳熱性能，如翅片管、螺紋管等。 有的國家已成批生產(chǎn)翅片管換熱器，并已標(biāo)誰化、系列化。我國也在煉油廠中使用 螺紋管換熱器，只要使用條件恰當(dāng)，工藝流程合理，總傳熱系數(shù)就可以大大提高。 1967 年蘭州煉油廠 12 單元仗用一臺螺紋管換熱器，K 廈高達(dá) 500 大卡米” 小時飛。1981 年南京煉油廠實行節(jié)能改造，使用了螺紋管換熱器，實測 K 值達(dá) 370 400 千卡米“小時 t。另一種方法是改良傳熱表面的性能，使之既符合傳 熱機(jī)理的要求，又能充分發(fā)揮其特點，如美國聯(lián)合碳化公司研制成功的一種表面多 孔管，可以使汽抱核心的數(shù)量大幅度增加，從而使拂騰給熱系數(shù)提高十倍乃至幾十 倍，總傳熱系數(shù)一般可提高五倍左右，并民還有很好的抗污垢能力。國內(nèi)一些單位 （如北京化工研究院等）也研究試制成功了表面多孔管，并得到了應(yīng)用（如在南京 煉油廠用于重沸器）取得了明顯效果。新的強(qiáng)化傳熱管還有單面縱槽管、雙面縱槽 管、周向波紋管、螺旋波紋管等。 （6） 采用新材料 由于工藝條件日趨苛刻，迫切需要一些新的材料。在換熱器制造中，由于欽具 有很高的抗腐蝕性能、高的強(qiáng)度限和屈服限，且比重小、重量輕，又有一走的杭污 塞性，因此西德在含氯溶液中采用了欽制換熱器，在煉油廠中使用欽制冷卻器和冷 凝器?，F(xiàn)在欽制換熱器的應(yīng)用有了迅速的增加。滲鋁管換熱器及鍍鋅鋼管換熱器的 使用也日益增多。非金屬材料方面最具有代表性的是聚四氟乙烯塑料，自美國杜邦 - 公司于六十年代中期研究成功這種塑料換熱器以來，由于它優(yōu)越的抗腐蝕抗污垢性 能，國外推廣使用很快，到了七十年代，凡是適用這種換熱器的場合，幾乎達(dá)到了 普及的地步。此外還有石墨換熱器，一般使用壓力為 3 公斤厘米 2，使用溫度為 150 170。 （7） 控制結(jié)垢及高效運行 美國傳熱研究公司對換熱器的污垢問題已進(jìn)行了多年的研究。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，從而為控制結(jié)垢、適時清洗 提供了途徑和依據(jù)。廣泛采用渦流測試技術(shù)來加強(qiáng)運行中的檢漏，使快要損壞的管 子能及早得到更換或堵漏，避免非計劃停工損失。在換熱器中采用有機(jī)涂層，能有 效地防止海水腐蝕，且不易結(jié)垢（若是涂于冷凝側(cè)還可以變成滴狀冷凝從而強(qiáng)化傳 熱） 。此外，國外對發(fā)展換熱器的清洗技術(shù)極為重視，組織專業(yè)的維修清洗公司，針 對不同條件，采取最適合的清洗方祛，并研究了專門的清洗設(shè)備和工具，如化學(xué)清 洗車、高壓水 清洗車及管束拔出裝置等。這樣就能保證換熱器高效率、低消耗、長周期的運行。 （8） 熱管換熱器的使用 熱管是利用小的表面積傳遞大的熱量，體現(xiàn)了一種優(yōu)良的設(shè)計方法。熱管是六 十年代中期在宇航工業(yè)中發(fā)展起來的新型傳熱元件，于七十年代進(jìn)入民用工業(yè)，由 于它具有效率高、壓降小、結(jié)構(gòu)簡單、緊湊性好等優(yōu)點，發(fā)展較為迅速。美國道 （Dow）化學(xué)公司采用瓊一多特（Q 一 Dot）公司生產(chǎn)的不銹鋼熱管空氣預(yù)熱器， 在一座 190 萬千卡小時的加熱爐上回收余熱，使煙氣出口溫度從原來的 3”t 降到 168t 以下，并使進(jìn)風(fēng)溫度提高了 230t ,每小時回收余熱 25 . 2 萬千卡，從而使加熱爐 的天然氣消耗量減少巧緯。1979 年美國卡特拉斯堡煉油廠的重整加熱爐上使用了熱 量為 80 萬千卡小時的熱管換熱器閉。美國杜邦化學(xué)公司在一套化工裝置上采用一 套由埃索舍默克斯（Isothermics）公司制造的鋁質(zhì)熱管空氣預(yù)熱器，其造價僅為普 通空氣預(yù)熱器的 25%，而安裝費用相同，故獲得了顯著的經(jīng)濟(jì)效果叻。國內(nèi)科學(xué)院 力學(xué)研究所、重慶大學(xué)等單位首先引進(jìn)和研究熱管技術(shù)。近幾年來，一些研究單位 及煉油廠都先后開展了熱管換熱器的試制研究工作。一些煉油廠開始采用熱管換熱 器來回收煙氣中的低溫余熱提高了熱效率，取得了較好的應(yīng)用效果。 2、換熱器及傳熱研究的主攻方向 - 當(dāng)前換熱器發(fā)展的基本動向是繼續(xù)提高設(shè)備的熱效率，促進(jìn)設(shè)備結(jié)構(gòu)的緊湊性， 加強(qiáng)生產(chǎn)制造的標(biāo)準(zhǔn)化、系列化和專業(yè)化，并在廣泛的范圍內(nèi)繼續(xù)向大型化的方向 發(fā)展。同時仍然注意基礎(chǔ)理論及測試方法的研究。 （1） 、新能源換熱器的研究 能源的充分供應(yīng)對發(fā)展生產(chǎn)，保持并提高人類的生活水平是必不JT 少的。盡 管能源的供應(yīng)前景仍不樂觀，但是工業(yè)和民用的需求卻在日益增長，這是世界范圍 內(nèi)極需解決的問題。要求集中力量研究各種形式的能量轉(zhuǎn)換技術(shù)，有效地利用能源。 核能是有前途能源，核電站的大型換熱器，要解決多項重大技術(shù)難關(guān)，也是換熱器 技術(shù)發(fā)展的尖端。太陽以輻射傳熱的方式將熱量傳給地球。太陽能的利用盡管受到 地理、氣候、晝夜、季節(jié)的限制，但它不影響地球大氣的熱量平衡，而且不消耗燃 料，沒有污染，很有開發(fā)價值。由于世界上能源日益緊張，許多國家在使用新技術(shù) 的基礎(chǔ)上，開發(fā)利用太陽能。美國制定了一項太陽能發(fā)展計劃，預(yù)期到公元 2000 年 要供給全國熱消耗的 20以上。但是太陽能比較分散，經(jīng)物質(zhì)吸收后，溫度不高， 如何提高轉(zhuǎn)換效率，在技術(shù)上有相當(dāng)難度，其中換熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計，是關(guān)鍵問題之 一。地?zé)嵋彩且环N豐富的能源，但是大都溫度不高（低于 100t)，用這種資源豐富、 低焙的熱能來發(fā)電在國內(nèi)外都是新課題。地?zé)釗Q熱器的熱介質(zhì)大部分是地?zé)崴?，?部分是蒸氣。換熱器應(yīng)具有耐污垢、耐腐蝕、高效率、易清洗的性能。地?zé)崂迷?很大程度上取決于換熱器的性能，因此必須加緊進(jìn)行地?zé)釗Q熱器的研究工作。 （2） 余熱回收裝置的研究 工業(yè)余熱的利用潛力很大，對生產(chǎn)影響顯著，主要是：1000左右的高溫?zé)崃?及其高壓能量的合理利用，這是石油化學(xué)工業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)之一。從換熱器的整體結(jié) 構(gòu)、各類管板的結(jié)構(gòu)設(shè)計、熱膨脹補(bǔ)償方法直到高溫側(cè)熱通量的控制，都有許多課 題極待解決；100 200t 的低溫余熱回收，對一般企業(yè)有普遍意義。企業(yè)的熱利用率 低的原因大多是低溫位熱能沒有很好地利用起來。這種熱能量大面廣，合理利用有 著巨大的現(xiàn)實意義。 （3） 緊湊式換熱器的研究 緊湊式換熱器包括板翅、板式、板殼式等換熱器，它們具有優(yōu)異的性能，在采 用多流道布置后，其優(yōu)越性更為顯著。板式換熱器需要改進(jìn)密封結(jié)構(gòu)，指強(qiáng)板片的 剛度，研究新的墊片材料以提高操作溫度和操作壓力是今后發(fā)展的重點。板殼式換 - 熱器由于從結(jié)構(gòu)上解決了耐溫、抗壓和高效之間的矛盾，因而在化學(xué)工業(yè)中很快得 到推廣應(yīng)用。但是，由于它的制造工藝比較復(fù)雜，焊接要求高，因而今后應(yīng)注重改 進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計，發(fā)展新的成型和焊接工藝。 （4） 強(qiáng)化傳熱管的研究 近年來國內(nèi)外在采用強(qiáng)化傳熱管改進(jìn)換熱器性能、提高傳熱效率、減少傳熱面 積、降低設(shè)備投資等方面，取得了顯著的成績。強(qiáng)化傳熱管同時也是利用低溫位熱 量的關(guān)鍵部件。表面多孔管可以在非常小的溫差下產(chǎn)生很多的飽核，使汽化核心增 加許多倍，但是制造工藝要求比較嚴(yán)格，且生產(chǎn)成本也高，這些都是今后有待解決 的問題。 （5） 換熱器基礎(chǔ)技術(shù)理論及測試技術(shù)的研究 發(fā)展基礎(chǔ)理論是指導(dǎo)推進(jìn)設(shè)計研究的必要前提。例如小溫差傳熱的強(qiáng)化是解決 低位新能源開發(fā)的關(guān)鍵；污垢和防蝕的研究對換熱器的設(shè)計、運行有重大的影響； 有相變傳熱的研究關(guān)系到能量的轉(zhuǎn)換及傳質(zhì)技術(shù)。 傳熱和換熱器測試技術(shù)的研究，可以使試驗分析工作進(jìn)行得更精確、更迅速。 高效換熱設(shè)備的研究，使得傳熱表面形狀更加復(fù)雜，流體流動更加不規(guī)律，因此需 要更加先進(jìn)的測試手段。 此外，兩相流動及傳熱；非牛頓型流體的流變特性的測定；核反應(yīng)堆的安全措 施等都是現(xiàn)在和今后研究的課題。 3、國內(nèi)換熱器發(fā)展前景 在我國換熱器的制造技術(shù)遠(yuǎn)落后于外國，由于制造工藝和科學(xué)水平的限制，早 期的換熱器只能采用簡單的結(jié)構(gòu)，而且傳熱面積小、體積大和笨重，如蛇管式換熱 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，長期以來在工業(yè)生產(chǎn)中成為一種典型的換熱 器。 在我國隨著經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的同時，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)。為了適應(yīng)發(fā)展的需要，我國對某些種類的換熱器 已經(jīng)建立了標(biāo)準(zhǔn)，形成了系列。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。 70 年代的世界能源危機(jī)，有力促進(jìn)了換熱強(qiáng)化技術(shù)的發(fā)展。為了節(jié)能將耗，提 高工業(yè)生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)效益，要求開發(fā)適用于不同工業(yè)過程要求的高效換熱設(shè)備。所以這 些年來，換熱器的開發(fā)和研究成了人們關(guān)注的課題。當(dāng)今換熱器技術(shù)的發(fā)展以 CFD（計算流體力學(xué)技術(shù)） 、模型化技術(shù)、強(qiáng)化傳熱技術(shù)等形成一個高技術(shù)體系。所 謂提高換熱器性能，就是提高其傳熱性能。狹義的強(qiáng)化傳熱系數(shù)指提高流體和傳熱 之間的傳熱系數(shù)。其主要方法歸結(jié)為下述兩個原理：溫度邊界層減勃和調(diào)換傳熱面 附近的流體。 因此最近十幾年來，強(qiáng)化傳熱技術(shù)受到了工業(yè)界的廣泛重視，得到了十分迅速 的發(fā)展，凝結(jié)是工業(yè)中普遍遇到的另一種相變換熱過程，凝結(jié)換熱系數(shù)很高，但經(jīng) 過強(qiáng)化措施還可以進(jìn)一步提升換熱效率。 1. 管外凝結(jié)換熱的強(qiáng)化 （1）冷卻表面的特殊處理 對冷卻表面的特殊處理，主要是為了在冷卻表面上產(chǎn)生珠狀凝結(jié)。珠狀凝結(jié)的 換熱系數(shù)可比通常的膜狀凝結(jié)高 510 倍，由于水和有機(jī)液體能潤濕大部分的金屬壁 面，所以應(yīng)采用特殊的表面處理方法（化學(xué)覆蓋法、聚合物涂層法和電鍍法等） ，使 冷凝液不能潤濕壁面，從而形成珠狀凝結(jié)。用電鍍法在表面涂一層貴金屬，如金、 鉑、鈀等效果很好，缺點是價格昂貴。 （2）冷卻表面的粗糙化 粗糙表面可增加凝結(jié)液膜的湍流度，亦可強(qiáng)化凝結(jié)換熱。實驗證明，當(dāng)粗糙高 度為 0.5mm 時，水蒸氣的凝結(jié)換熱系數(shù)可提高 90%。值得注意的是，當(dāng)凝結(jié)液膜增 厚到可將粗糙壁面淹沒時，粗糙度對增強(qiáng)凝結(jié)換熱不起作用。有時當(dāng)液膜流速較低 時，粗糙壁面還會滯留液膜，對換熱反而不利。 （3）采用擴(kuò)展表面 在管外膜狀凝結(jié)中常常采用低肋管，低肋管不但增加換熱面積，而且由于冷凝 流體的表面張力，肋片上形成的液膜較薄，因此其凝結(jié)換熱系數(shù)可比光管高 75%100%。 - 應(yīng)用螺旋槽管和管外加螺旋線圈。螺旋槽管，管子內(nèi)外壁均有螺紋槽，既可強(qiáng) 化冷凝換熱，又可強(qiáng)化冷卻側(cè)的單相對流換熱，與光管相比其凝結(jié)強(qiáng)度可提高 3550%。在管外加螺旋線圈，由于表面張力使凝結(jié)液流到金屬螺旋線圈的底部而排 出，上部及四周液膜變薄，從而凝結(jié)換熱系數(shù)有時甚至可提高 2 倍。 2. 管內(nèi)凝結(jié)換熱的強(qiáng)化 （1）擴(kuò)展表面法 采用內(nèi)肋管是強(qiáng)化管內(nèi)凝結(jié)的最有效的方法，試驗表明，其換熱系數(shù)比光管高 2040%。按光面計算則換熱系數(shù)可高 12 倍。 （2）采用流體旋轉(zhuǎn)法 采用螺旋槽管等流體旋轉(zhuǎn)法可以強(qiáng)化凝結(jié)換熱。換熱效率同比提升 30%，但此 時流動阻力也會增加。 （3）改變傳熱面形狀 改變傳熱面形狀的方法有多種，其中用于無相變強(qiáng)化傳熱的有橫波紋管、螺旋 螺紋管和縮放管，還有螺旋扁管和偏置折邊翅片管。都是高效換熱元件。 值得注意的是，在強(qiáng)化凝結(jié)換熱之前，應(yīng)首先保證凝結(jié)過程的正常進(jìn)行。例如， 排除不凝氣體的影響，順利地排除冷凝液等。改變實踐證明，在降低流體在殼程的 阻力并保證流體在湍流狀態(tài)下流動，這樣才能充分的提高介質(zhì)的換熱系數(shù)，內(nèi)翅片 管、橫螺紋管、螺旋螺紋管都一樣，不但可用于單相對流傳熱，也可以有效的用于 管內(nèi)流動沸騰傳熱（螺紋管在湍流時可使對流傳熱系數(shù)增加一倍多） 。當(dāng)然現(xiàn)在各式 換熱器的設(shè)計各有新穎之處，結(jié)構(gòu)上各具特色。原有的換熱器廠家最近也研制出一 種新型 Hybrid 換熱器，他克服了板式因密封問題而受到限制的弱點，很有發(fā)展前途。 近年來，隨著制造技術(shù)的進(jìn)步，強(qiáng)化換熱元件的開發(fā)，使得新型高效換熱器的 研究有了較大的發(fā)展，根據(jù)不同的工藝條件與工況設(shè)計制造了不同結(jié)構(gòu)形式的新型 換熱器，也取得了較大的經(jīng)濟(jì)效益。故我們在選擇換熱設(shè)備時一定要根據(jù)不同的工 藝、工況要求選擇。換熱器的作用可以是以熱量交換為目的。在即定的流體之間， 在一定時間內(nèi)交換一定數(shù)量的熱量；也可以是以回收熱量為目的，用于余熱利用； 也可以是以保證安全為目的，即防止溫度升高而引起壓力升高造成某些設(shè)備被破壞。 換熱器的作用不同，其設(shè)計、選型、運行工況也各不相同。對換熱器的基本要求是 - 換熱器要滿足換熱要求，即達(dá)到需求的換熱量和熱媒溫度;換熱器的熱損失要少，換 熱效率要高;流動阻力要小;要有足夠的機(jī)械強(qiáng)度，抗腐蝕和抗損壞能力要強(qiáng)，維護(hù)工 作量要少;結(jié)構(gòu)要合理，工作要安全可靠，即零部件之間因為溫升而產(chǎn)生的熱應(yīng)力不 會導(dǎo)致?lián)Q熱器破裂;要便于制造、安裝和檢修;經(jīng)濟(jì)上要合理，設(shè)奮全壽命期的總投資 要少（總投資包括設(shè)備及附屬裝置初投資費用和運行維護(hù)管理費用）;生活熱水系統(tǒng) 的換熱器應(yīng)易于清除水垢，以上要求常常相互制約，難于同時滿定，因此應(yīng)視具體 情況，在換熱器的選型和設(shè)計中有所側(cè)重，滿足工程對換熱器的主要要求。因為換 熱器故障率較低，并且供暖為季節(jié)性負(fù)荷，有足夠的檢修時間，生活熱水系統(tǒng)暫停 供熱也不會造成重大影響，所以可不設(shè)備用換熱器。換熱器臺數(shù)的選擇和單臺能力 的確定應(yīng)適應(yīng)熱負(fù)荷的分期增長，并考慮供熱的可靠性。 未來，國內(nèi)市場需求將呈現(xiàn)以下特點：對產(chǎn)品質(zhì)量水平提出了更高的要求，如 環(huán)保、節(jié)能型產(chǎn)品將是今后發(fā)展的重點；要求產(chǎn)品性價比提高；對產(chǎn)品的個性化、 多樣化的需求趨勢強(qiáng)烈；逐漸注意品牌產(chǎn)品的選用；大工程項目青睞大企業(yè)或企業(yè) 集團(tuán)產(chǎn)品。國內(nèi)經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來的良好機(jī)遇，以及進(jìn)口產(chǎn)品巨大的可轉(zhuǎn)化性共同預(yù)示 著我國換熱器行業(yè)良好的發(fā)展前景。同時，行業(yè)發(fā)展必須要注重高端產(chǎn)品的研發(fā)。 4、國外換熱器發(fā)展前景 在國外二十世紀(jì) 20 年代出現(xiàn)板式換熱器，并應(yīng)用于食品工業(yè)。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。30 年代初，瑞典首次 制成螺旋板換熱器。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。30 年代末，瑞典又制造出第一臺板殼式換熱器， 用于紙漿工廠。在此期間，為了解決強(qiáng)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。 60 年代左右，由于空間技術(shù)和尖端科學(xué)的迅速發(fā)展，迫切 需要各種高效能緊湊型的換熱器，再加上沖壓、釬焊和密封等技術(shù)的發(fā)展，換熱器 制造工藝得到進(jìn)一步完善，從而推動了緊湊型板面式換熱器的蓬勃發(fā)展和廣泛應(yīng)用。 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，這一類換熱器不但是從材料上有了較大的突破， 而且采用新穎的理念，增加強(qiáng)化傳熱。70 年代中期，為了進(jìn)一步減小換熱器的體積， 減輕重量和金屬消耗，減少換熱器消耗的功率，并使換熱器能夠在較低溫差下工作， 人們更是采用各種科學(xué)的辦法來增強(qiáng)換熱器內(nèi)的傳熱。 - 對國外換熱器市場的調(diào)查表明，管殼式換熱器占 64%。雖然各種板式換熱器的 競爭力在上升，但管殼式換熱器仍將占主導(dǎo)地位。隨著動力、石油化工工業(yè)的發(fā)展， 其設(shè)備也繼續(xù)向著高溫、高壓、大型化方向發(fā)展。而換熱器在結(jié)構(gòu)方面也有不少新 的發(fā)展?，F(xiàn)就幾種新型換熱器的特點簡介如下： （1） 、氣動噴涂翅片管換熱器 俄羅斯提出了一種先進(jìn)方法，即氣動噴涂法，來提高翅片化表面的性能。其實 質(zhì)是采用高速的冷的或稍微加溫的含微粒的流體給翅片表面噴鍍粉末粒子。用該方 法不僅可噴涂金屬還能噴涂合金和陶瓷（金屬陶瓷混合物） ，從而得到各種不同性能 的表面。 通常在實踐中翅片底面的接觸阻力是限制管子加裝翅片的因素之一。為了評估 翅片管換熱器元件進(jìn)行了試驗研究。試驗是采用在翅片表面噴涂 ac鋁，并添加了 24a 白色電爐氧化鋁。將試驗所得數(shù)據(jù)加以整理，便可評估翅片底面的接觸阻力。 將研究的翅片的效率與計算數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，得出的結(jié)論是：氣動噴涂翅片的底 面的接觸阻力對效率無實質(zhì)性影響。為了證實這一點，又對基部（管子）與表面 （翅片）的過渡區(qū)進(jìn)行了金相結(jié)構(gòu)分析。 對過渡區(qū)試片的分析表明，連接邊界的整個長度上無不嚴(yán)密性的微裂紋。所以， 氣動噴涂法促進(jìn)表面與基本相互作用的分支邊界的形成，能促進(jìn)粉末粒子向基體的 滲透，這就說明了附著強(qiáng)度高，有物理接觸和金屬鏈形成。 因而氣動噴涂法不但可用于成型，還可用來將按普通方法制造的翅片固定在換 熱器管子的表面上，也可用來對普通翅片的底面進(jìn)行補(bǔ)充加固?？梢灶A(yù)計，氣動噴 涂法在緊湊高效換熱器的生產(chǎn)中，將會得到廣泛應(yīng)用。 （2） 、螺旋折流板換熱器 在管殼式換熱器中，殼程通常是一個薄弱環(huán)節(jié)。通常普通的弓形折流板能造成 曲折的流道系統(tǒng)（z 字形流道） ，這樣會導(dǎo)致較大的死角和相對高的返混。而這些死 角又能造成殼程結(jié)垢加劇，對傳熱效率不利。返混也能使平均溫差失真和縮小。其 后果是，與活塞流相比，弓形折流板會降低凈傳熱。優(yōu)越弓形折流板管殼式換熱器 很難滿足高熱效率的要求，故常為其他型式的換熱器所取代（如緊湊型板式換熱器） 。 對普通折流板幾何形狀的改進(jìn)，是發(fā)展殼程的第一步。雖然引進(jìn)了密封條和附 - 加諸如偏轉(zhuǎn)折流板及采取其他措施來改進(jìn)換熱器的性能，但普通折流板設(shè)計的主要 缺點依然存在。 為此，美國提出了一種新方案，即建議采用螺旋狀折流板。這種設(shè)計的先進(jìn)性 已為流體動力學(xué)研究和傳熱試驗結(jié)果所證實，此設(shè)計已獲得專利權(quán)。此種結(jié)構(gòu)克服 了普通折流板的主要缺點。 螺旋折流板的設(shè)計原理很簡單：將圓截面的特制板安裝在“擬螺旋折流系統(tǒng)” 中，每塊折流板占換熱器殼程中橫剖面的四分之一，其傾角朝向換熱器的軸線，即 與換熱器軸線保持一傾斜度。相鄰折流板的周邊相接，與外圓處成連續(xù)螺旋狀。折 流板的軸向重疊，如欲縮小支持管子的跨度，也可得到雙螺旋設(shè)計。 螺旋折流板結(jié)構(gòu)可滿足相對寬的工藝條件。此種設(shè)計具有很大的靈活性，可針 對不同操作條件，選取最佳的螺旋角；可分別情況選用重疊折流板或是雙螺旋折流 板結(jié)構(gòu)。 （3） 、新型麻花管換熱器 Alares 公司開發(fā)了一種扁管換熱器，通常稱為麻花管換熱器。美國休斯頓的布 朗公司做了改進(jìn)。螺旋扁管的制造過程包括了“壓扁”與“熱扭”兩個工序。改進(jìn) 后的麻花管換熱器同傳統(tǒng)的管殼式換熱器一樣簡單，但有許多激動人心的進(jìn)步，它 獲得了如下的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益：改進(jìn)了傳熱，減少了結(jié)垢，真正的逆流，降低了成本， 無振動，節(jié)省了空間，無折流元件。 由于管子結(jié)構(gòu)獨特使管程與殼程同時處于螺旋運動，促進(jìn)了湍流程度。該換熱 器總傳熱系數(shù)較常規(guī)換熱器高 40%，而壓力降幾乎相等。組裝換熱器時也可采用螺 旋扁管與光管混合方式。 該換熱器嚴(yán)格按照 ASME 標(biāo)準(zhǔn)制造。凡是用管殼式換熱器和傳統(tǒng)裝置之處均可 用此種換熱器取代。它能獲得普通管殼式換熱器和板框式傳熱設(shè)備所獲得的最佳值。 估計在化工、石油化工行業(yè)中具有廣闊的應(yīng)用前景。 （4） 、非釬焊繞絲筋管螺旋管式換熱器 在管子上纏繞金屬絲作為筋條（翅片）的螺旋管式換熱器，一般都是采用焊接 方法將金屬絲固定在管子上。但這種方法對整個設(shè)備的質(zhì)量有一系列的影響，因為 釬焊法必將從換熱中“扣除”很大一部分管子和金屬絲的表面。更重要的是，由于 焊料迅速老化和破碎會造成機(jī)器和設(shè)備堵塞，隨之提前報損。 - 俄羅斯推薦一種新方法制造繞絲筋管，即借助在管子上纏繞和拉緊金屬絲時產(chǎn) 生的機(jī)械接觸來固定筋條。采用此法能促進(jìn)得到釬焊時的連續(xù)特性（即將金屬絲可 靠地固定在管子上，而管子的截面又不過分壓緊） ，故對于金屬絲僅用做隔斷時，可 以認(rèn)為是較釬焊更受歡迎的方法。但若利用金屬絲作為筋條（翅片）以增加換熱面 積時，只有當(dāng)非釬焊筋條的有效傳熱面不小于釬焊連接時，才應(yīng)更偏重于此方法。 試驗表明，當(dāng)金屬絲與管子為線性接觸時，有效傳熱面最大，但此時金屬絲會 沿管子滑動。所以關(guān)鍵是要選取最佳的接觸寬度，也就是繞絲時管子變形留下的痕 跡的寬度。這樣，非釬焊時的有效傳熱面要比釬焊時大。 該換熱器推薦用于氦技術(shù)和冷卻工藝。 5、主要研究內(nèi)容、需重點研究的關(guān)鍵問題及解決思路 （1） 、畢業(yè)設(shè)計應(yīng)完成的主要內(nèi)容 1）換熱器的發(fā)展概況 2）總體參數(shù)設(shè)計計算 3）傳熱學(xué)計算 4）換熱器的工程圖設(shè)計 （2） 、畢業(yè)設(shè)計的目標(biāo)及具體要求 工程圖：總裝配圖，部件裝備圖各一張；零件圖 3 張 （3） 、需重點研究的關(guān)鍵問題及解決思路 關(guān)鍵問題：換熱器總體設(shè)計計算及工程圖的設(shè)計繪制； 解決思路：借助相關(guān)的換熱器設(shè)計手冊及計算機(jī)輔助設(shè)計軟件進(jìn)行設(shè)計計算及 繪圖 6、完成畢業(yè)設(shè)計（論文）所必須具備的工作條件（如工具書、計算機(jī)輔助設(shè)計、某 類市場調(diào)研、實驗設(shè)備和實驗環(huán)境條件等）及解決的辦法 為完成本畢業(yè)設(shè)計，將運用在校學(xué)習(xí)的工程制圖，力學(xué)，材料學(xué)，過程裝備設(shè) 計及計算機(jī)等相關(guān)知識，結(jié)合在生產(chǎn)實習(xí)等實踐教學(xué)中，學(xué)習(xí)的換熱器及零部件的 加工制造和裝配知識，以及學(xué)習(xí)的有關(guān)換熱器的設(shè)計知識，通過對各種技術(shù)資料的 收集調(diào)研，分析計算，設(shè)計繪圖的實踐，學(xué)習(xí)掌握由原理方案的設(shè)想，轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu) 的設(shè)計思路及設(shè)計方法。熟練掌握各方面的知識。 - 計算機(jī)輔助設(shè)計軟件：SW6-1998 v6.0 、AutoCAD2004 、管殼式換熱器工藝計 算軟件(THecal Ver 1.3)、 換熱器工藝計算器 3.0、 MS office 等軟件 工具書：化工英漢詞典、化工設(shè)計手冊、GB 150-1998 鋼制壓力容器、GB 151- 1999 管殼式換熱器 7、工作的主要階段、進(jìn)度與時間安排 預(yù)計用 4 周完成畢業(yè)論文，具體時間安排如下： 第 1 周：選題及聯(lián)系導(dǎo)師，確定畢業(yè)設(shè)計任務(wù)書，查找資料，編寫開題報告； 第 2 周：與老師商討，確定開題報告根據(jù)論文題目進(jìn)一步查找材料完成論文大 綱交老師批閱，依據(jù)論文大綱完成論文一稿交老師批閱； 第 3 周：完成論文二稿交老師批閱，翻譯相關(guān)英文資料完成論文三稿； 第 4 周：完成相關(guān)論文簡介、答辯提綱等，定稿打印。 八、指導(dǎo)教師審查意見 - 浮頭式換熱器的設(shè)計 學(xué)生：周何清 武漢科技大學(xué) 指導(dǎo)老師： 武漢科技大學(xué) 摘要 本次設(shè)計的題目為浮頭式換熱器。浮頭式換熱器是管殼式換熱器系列中的一種， 它的特點是兩端管板只有一端與外殼固定死，另一端可相對殼體滑移，稱為浮頭。 浮頭式換熱器由于管束的膨脹不受殼體的約束，因此不會因管束之間的差脹而產(chǎn)生 溫差熱應(yīng)力，另外浮頭式換熱器的優(yōu)點還在于拆卸方便，易清洗。在化工工業(yè)中應(yīng) 用非常廣泛。本文對浮頭式換熱器進(jìn)行了整體的設(shè)計，按照設(shè)計要求，在結(jié)構(gòu)的選 取上，采用了 2-4 型，即殼側(cè)兩程，管側(cè)四程。首先，通過換熱計算確定換熱面積 與管子的根數(shù)初步選定結(jié)構(gòu)。然后按照設(shè)計的要求以及一系列國際標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè) 計，之后對有些部件結(jié)構(gòu)通過計算進(jìn)行強(qiáng)度優(yōu)化，最后提出一些制造與安裝方面的 問題。二維工程圖由 autocad 繪出。 關(guān)鍵詞：換熱器；浮頭；管殼 熱力計算 第 1 頁 (共 30 頁) 浮頭式換熱器的設(shè)計 前言 浮頭式換熱器是管殼式換熱器系列中的一種，管殼式換熱器以其對溫度、壓力、介質(zhì)的 適應(yīng)性，耐用性及經(jīng)濟(jì)性，在換熱設(shè)備中始終占有約 70%的主導(dǎo)地位。因此管殼式換熱器的 標(biāo)準(zhǔn)化工作為世界各工業(yè)發(fā)達(dá)國家所重視，也為 ISO 國際標(biāo)準(zhǔn)化組織的所重視。因此出現(xiàn)了 TEMA、API660 、JISB8249 等一批管殼式換熱器標(biāo)準(zhǔn)，ISO 目前也正在與 API 聯(lián)手并會同有 關(guān)國家編 ISO 管殼式換熱器標(biāo)準(zhǔn)?？偟膩碚f管殼式換熱器主要由換熱管束、殼體、管箱、分 程隔板、支座等組成。換熱管束包括換熱管、管板、折流板、支持板、拉桿、定距管等。換 熱管可為普通光管，也可為帶翅片的翅片管，翅片管有單金屬整體軋制翅片管、雙金屬軋制 翅片管、繞片式翅片管、疊片式翅片管等，材料有碳鋼、低合金鋼、不銹鋼、銅材、鋁材、 鈦材等。殼體一般為圓筒形，也可為方形。管箱有橢圓封頭管箱、球形封頭管箱和平蓋管箱 等。分程隔板可將管程及殼程介質(zhì)分成多程，以滿足工藝需要。管殼式換熱器主要有固定管 板式，U 型管式和浮頭式換熱器。 針對固定管板式與 U 型管式的缺陷，浮頭式作了結(jié)構(gòu)上的改進(jìn)，兩端管板只有一端與外 殼固定死，另一端可相對殼體滑移，稱為浮頭。浮頭式換熱器由于管束的膨脹不受殼體的約 束，因此不會因管束之間的差脹而產(chǎn)生溫差熱應(yīng)力。浮頭式換熱器的優(yōu)點還在于方便拆卸， 清洗方便，對于管子和殼體間溫差大、殼程介質(zhì)腐蝕性強(qiáng)、易結(jié)垢的情況很能適應(yīng)。其缺點 在于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、填塞式滑動面處在高壓時易泄露，這使其應(yīng)用受到限制，適用壓力為： 1.0Mpa6.4Mpa。 按照設(shè)計要求，在結(jié)構(gòu)的選取上，為了增大溫差校正系數(shù)，采用了 2-4 型，即殼側(cè)兩程 管側(cè)四程。首先，通過換熱計算確定換熱面積與管子的根數(shù)初步選定結(jié)構(gòu)。然后按照設(shè)計的 要求以及一系列國際標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計，在結(jié)構(gòu)設(shè)計時，要考慮許多因素，例如傳熱條件、 材料、介質(zhì)壓力、溫度、流體性質(zhì)以及便于拆卸等等。之后對有些部件用公式進(jìn)行了強(qiáng)度校 核并進(jìn)行對其優(yōu)化設(shè)計。由于時間和資料有限，本人的認(rèn)識也不夠全面，在設(shè)計過程中可能 還存在許多問題，望老師們給予批評和指正。 1 熱力計算 水進(jìn)口溫度： 2t=144 水出口溫度： =163 水工作壓力：P 2=2.45MPa 浮頭式換熱器的設(shè)計 第 2 頁 (共 30 頁) 油進(jìn)口溫度： =1751t 油出口溫度： =155 油工作壓力：P 1=2.45MPa 殼體內(nèi)徑：D S=600mm 管箱內(nèi)徑：D N=620mm 換熱管規(guī)格：252.5 L=6000 1.2 定性溫度和物性參數(shù)計算 水的定性溫度： （1）Ctt 5.1326422 水的密度： 2=913kg/m3 水的比熱：Cp 2=4.32kJ/kg 水的導(dǎo)熱系數(shù)：k 2=0.686W/m 水的粘度： 2=168.810-6 水的柏朗特數(shù)：Pr 2=1.08 油（柴油）的定性溫度： （2）Ctt 1652711 油的密度： 1=715 kg/m3 油的比熱：Cp 1=2.48 kJ/kg 油的導(dǎo)熱系數(shù)：k 1=0.133 W/m 油的粘度： 1=6.410-4 油的柏朗特數(shù)： （3） 93.113.046820Pr11 kCp 1.3 初選結(jié)構(gòu) 管排列方式 ：3232 正方形 管子外徑：d 0=0.025m 管子內(nèi)徑： di=d0-（23/1000）=0.019m（取 0.020m） （4） 管長：L=6m 熱力計算 第 3 頁 (共 30 頁) 管間距： s=1.5d0=1.50.025=0.0375m(取 0.032m) （5） 殼體內(nèi)徑：D s=0.6m 管束中心排管數(shù)：由公式 （6）scDdNs04)1( 得 Nc=16.625（取 17） 總管子數(shù)：由 （7）ct1. 得 Nt=238.84（取 239） 選型：采用 2-4 型即雙殼程四管程。 1.4 管程換熱計算及流量計算 試選傳熱系數(shù)：k 0=240 W/m2（查表） 傳熱面積：由 （8） tNldF0 得 F0=112.62 m2 逆流平均溫差： （9）CttN 5.1920ln)ln(小大 小大 參數(shù)： （10） 612.0391475621 tP （11） 5.2tR 溫差校正系數(shù)：按 2 殼程 4 管程查表得 8.0 有效平均溫差： （12）CttNm16.75.9. 設(shè)計傳熱量： （13）WtkFQ4382.206.100 浮頭式換熱器的設(shè)計 第 4 頁 (共 30 頁) 換熱效率：取 =0.98 油流量： （14）hkgtCpQG/5823109.248.67360)(101 水流量： （15）022367438/()4.190kghpt 管程流通截面（按 4 管程）： （16） 2222 13.4)()( mdNait 管程流速： （17）22 380.789/36091.6Gwsa 管程雷諾數(shù)： （18） 547810683.7.Re622 id 管程換熱系數(shù)： （19）CmW dthi/4.2385 )013./(789.0)5130.(6/(2.2.2 1.5 殼程換熱計算 折流板的設(shè)計：縱向折流板中間分程，橫向安置弓形折流板 弓形折流板弓高： （20）mDhs12.06.20. 折流板間距： （21）Bs.3/. 殼程流通截面： （22）201 17089.)2.051(6.21)(2 msdDa 殼程流速： 熱力計算 第 5 頁 (共 30 頁) （23）smaGw/083.179.5)6823()360(11 殼程量流速 （24）skgW21 /83.0 殼程當(dāng)量直徑： （25）mdNDtse 046.25.0396.2022 殼程雷諾數(shù)： （26）4310.6Re1efW 切去弓形面積所占比例：查圖得 （27）5.Tfa 殼程傳熱因子：查圖得 96sj 管外壁溫度： 假定后再復(fù)核，設(shè) =1601Wt 1Wt 壁溫下的粘度： （28）sPa 406.1 粘度修正系數(shù)： （29） 92.)6.1()(404.01W 殼程換熱系數(shù)： （30）CmWjdkhs 2311301 /5.8392.0.025.Pr 1.6 傳熱系數(shù) 水側(cè)污垢熱阻： m2/W517.210r 油側(cè)污垢熱阻： m2/W25. 管壁熱阻：r 忽略 總傳熱熱阻： 浮頭式換熱器的設(shè)計 第 6 頁 (共 30 頁) （31） 00122.190.19.7.52583385430.6/iidrrhhmCW 傳熱系數(shù)： （32）7.3062./1rkj 傳熱系數(shù)的比值： （33）8.4/7.306/j 合適 管外壁熱流密度： =4118W/m2 （34）8019.476201 ldNQqt 管外壁溫度： =167.2 （35）)(11rhqtW75(.0172)835 誤差校核： =167.2-160=7.2 （36）1Wtt 誤差不太大，不再重算。 1.7 管程壓降 壁溫： =161.3 （37）)1(2rhqtW153.480.7253（ ） 壁溫下水的粘度： SPaW 082 管程摩擦系數(shù)：查表得 .i 管子沿程壓降： （38）143Pa9.023.8912)7.0( )(2iinidLPi 回彎壓降： 熱力計算 第 7 頁 (共 30 頁) （39）trnWP4)2(Pa9.456913278.02）（ 進(jìn)出口管處質(zhì)量流速： （40）smkgwN 222 /7.2進(jìn) 出 口 進(jìn)出管口處壓降： （41）PaWPN 9.145.93215.)2( 管程結(jié)垢校正系數(shù)：根據(jù) r2 及 19 3 得 2.d 管程壓降： （42）PaPPNdri 3849.1.)94563.1(222 1.8 殼程壓降 當(dāng)量直徑： （43）mdND dtse 0427.19.407.2202 雷諾數(shù)： （44）365104.65eR1 edW 殼程摩擦系數(shù)：查表得 27.0 管束壓降： （45）Pad nDPeeBs 3.410)92.7(1370.1529)()(0210 ）（）（ 管嘴處質(zhì)量流量： （46）1222715.68./NWwkgms進(jìn) 出 口 進(jìn)出口管壓降： （47）PaPN 9.2714.520.121 浮頭式換熱器的設(shè)計 第 8 頁 (共 30 頁) 導(dǎo)流板阻力系數(shù)：取 5ip 導(dǎo)流板壓降： （48）PaWPipNip 8.90457128.612 殼程結(jié)垢修正系數(shù)：查表取 3.0d 殼程壓降： （49）PaPPNipd 68409.2718.943.1401 1.9 壓強(qiáng)校核 管程工作壓力 P2=2.5MP，查表得 MP. 殼程工作壓力 P1=2.5MP，查表得 62 壓強(qiáng)校核： 2 符合要求 符合要求1 結(jié)構(gòu)設(shè)計 第 9 頁 (共 30 頁) 2 結(jié)構(gòu)設(shè)計 2.1 換熱流程設(shè)計 采用 2 殼程 4 管程的 2-4 型換熱器。由于換熱器尺寸不大，可以用一臺，未考慮采用多 臺組合使用。管程分程隔板采用丁字型結(jié)構(gòu)，其主要優(yōu)點是布管緊密。殼體分程采用縱向隔 板。 管程的分程隔板采用丁字型結(jié)構(gòu)如圖 1 所示，其主要優(yōu)點是布管緊密。 圖 1 丁字形隔板 2.2 管子和傳熱面積 換熱管除要求具有足夠的強(qiáng)度外，當(dāng)采用脹管法固定時，還要求管子有良好的塑性，避 免因脹接而產(chǎn)生裂縫。焊接固定時，要求管子可焊性好，一般采用優(yōu)質(zhì)碳鋼，以保證管子質(zhì) 量，一般對于無腐蝕性或腐蝕性不大的流體可采用 10 號鋼和 20 號鋼管，在強(qiáng)腐蝕性流體的 情況下，可采用不銹鋼（ 18 9 ） 、鋼、鋁等無縫管，在強(qiáng)腐蝕性流體的情況下，可采rC1iNT 用石墨管、聚四氟乙烯管等。由于水、油腐蝕性不大，故可采用碳鋼，現(xiàn)選擇 20 號鋼的無 縫鋼管。 根據(jù)設(shè)計要求采用 的無縫鋼管319 管子總數(shù)為 400 根。其傳熱面積為： 20 91.0265. mLNdFt 2.3 管子排列方式 管子在管板上的排列方式，應(yīng)力求均布、緊湊并考慮清掃和整體結(jié)構(gòu)的要求。基本的排 列方式有五種： 等邊三角形。其一邊與流向垂直，是最常用的形式。與正方形排列相比傳熱系數(shù)高，可 節(jié)省 15%的管板面積。適用于不生污垢或可用化學(xué)清洗污垢以及允許壓降較高的工況； 轉(zhuǎn)角三角形。三角形的一邊與流向平行，其特點介于等邊三角行和正方形兩種排列之間， 不宜用于臥式冷凝器，因下方管子形成的厚度越來越厚的凝膜會使傳熱削弱； 正方形排列最不緊湊，但便于機(jī)械清掃，常用于殼程介質(zhì)易生污的浮頭式換熱器； 浮頭式換熱器的設(shè)計 第 10 頁 (共 30 頁) 同心圓排列。用于小殼徑換熱器時比正三角形排列還緊湊，靠近殼體的地方布管均勻。 對于多管程換熱器常采用組合排列法，每程均屬正三角形排列，而各層面間呈正方形排 列，以便于安排分程隔板。 綜合比較以上幾種布管方式，可采用組合排列形式，中間正方形，其余三角形。布管位 置如圖 2 示。十字形的走廊是為了裝設(shè)分程隔板，故有殼程流體的泄漏和旁流的問題，共有 239 個管孔，其中 6 個孔為安裝拉桿用。 圖 2 管子排列 2.4 殼體 殼體材料除要滿足一定的強(qiáng)度外，由于制造過程中經(jīng)過卷板、沖壓和焊接，故要求材料 有一定的塑性和可焊性，一般采用含碳量較低的 、 等，現(xiàn)選用 鋼。R3An16nR16 殼體內(nèi)徑 Ds=600mm 殼體壁厚： （50）cpDtS2 為殼體工作溫度下的許用應(yīng)力，已知殼程設(shè)計溫度為 220，則 tw220。根據(jù)碳t 鋼板許用應(yīng)力，表查得 =167t 為焊縫系數(shù)，取 =0.85 ，p 1 為工作壓力，等于 2.5MPa2. c=2mm 則 結(jié)構(gòu)設(shè)計 第 11 頁 (共 30 頁) 1.267026.885.1m 實取 ，之后要用有限元分析軟件 ANSYS 進(jìn)行強(qiáng)度校核。m10 2.5 管箱 2.5.1.封頭 根據(jù)壓力容器設(shè)計規(guī)范采用材質(zhì)為 16MnR 的標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭，在滿足強(qiáng)度要求的情況下， 其壁厚可用以下公式計算： （51）cpDtS5.02 已知管程設(shè)計溫度為 200，則 tw80mm 就必須加開孔補(bǔ)強(qiáng)， 當(dāng)殼體名義厚度小于或等于 12mm 時，接 管 Dg50mm 就必須加開孔補(bǔ)強(qiáng)， 。因此，對于 Dg100 的管箱接管和 Dg150 的殼體接管都必須進(jìn) 行開孔補(bǔ)強(qiáng)。 在補(bǔ)強(qiáng)圈標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了補(bǔ)強(qiáng)圈的尺寸，按標(biāo)準(zhǔn)尺寸 Dg100 的接管補(bǔ)強(qiáng)圈外直徑 D0=210mm，D g150 的接管補(bǔ)強(qiáng)圈外直徑 D0=300mm。補(bǔ)強(qiáng)圈的厚度可通過等面積補(bǔ)強(qiáng)法進(jìn)行計 算。這里不作具體計算，設(shè)定補(bǔ)強(qiáng)圈的厚度均為 15mm。在后面用公式進(jìn)行強(qiáng)度校核時再對 補(bǔ)強(qiáng)圈的厚度進(jìn)行優(yōu)化計算。 2.14 法蘭 2.14.1 法蘭密封面的型式 壓力容器和管道法蘭聯(lián)接中，常用的密封面型式有以下三種。 1.平面型密封面 密封表面是一個突出的光滑平面（又稱突平面） 。這種密封面結(jié)構(gòu)簡單，加工方便，便 于進(jìn)行防腐襯里。但螺栓上緊后，墊圈材料容易往兩側(cè)伸展，不易壓緊，用于所需壓緊力不 高且介質(zhì)無毒的場合。 2.凹凸型密封面 它是由一個凸面和一個凹面所組成，在凹面上放置墊圈，壓緊時，由于凹面的外側(cè)有擋 臺，墊圈不會擠出來。 3.榫槽型密封面 密封面是由一個榫和一個槽所組成，在墊圈放在槽內(nèi)。這種密封面規(guī)定不用非金屬軟墊 圈，可采用纏繞式金屬包墊圈，易獲得良好的密封效果。它適用于密封易燃、易爆、有毒介 質(zhì)。密封面的凸面部分容易破壞，運輸與裝拆時都應(yīng)注意。 在選取密封面時綜合考慮介質(zhì)因素和裝拆的因素，殼體法蘭均采用凹凸面型密封面，管 箱接管法蘭采用平面型密封面，殼體接管法蘭采用凹凸型密封面。 浮頭式換熱器的設(shè)計 第 16 頁 (共 30 頁) 2.14.2 殼體法蘭 殼體接管采用平頸對焊法蘭，由于管箱、殼體、浮頭箱直徑都不一樣，因此在選用法蘭 時，不能只按標(biāo)準(zhǔn)選取。如圖 6 為殼體與浮頭箱的對接法蘭，DN=800mm 的是按標(biāo)準(zhǔn)選取 的，而 DN=700 的法蘭是按 DN800 法蘭螺栓孔的位置來設(shè)計其尺寸的， 圖 6 凹凸面密封法蘭 大致尺寸如下: DN=800mm 的法蘭， D=960mm， D1=915mm，D 2=876mm，D 3=866mm，H=115mm， h=35mm， =48mm， 1=16 倒圓角 R=12mm，螺柱孔徑 r=26，配 M24 的雙頭螺柱。 DN=700mm 的法蘭， D=960mm，D 1=915mm，D 4=863mm， H=115mm， h=35mm， =46mm， 1=16，倒圓角 R=12mm，螺柱孔徑 r=26，配 M24 的雙頭螺柱。 其它的法蘭裝配尺寸見三維實體圖。 2.14.3 接管法蘭 管箱接管采用平頸對焊法蘭，如圖示： 圖 6 接管法蘭 設(shè)計尺寸按化工機(jī)械標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，其尺寸大致如下： 結(jié)構(gòu)設(shè)計 第 17 頁 (共 30 頁) 管箱接管：DN=100 PN=2.5MPa 時： N=132mm，K=190mm，D=235mm，H=66mm， H1=12mm，S=6mm，法蘭厚度