F170固定管板式換熱器設(shè)計(jì)含9張CAD圖,f170,固定,板式,換熱器,設(shè)計(jì),cad F170固定管板式換熱器設(shè)計(jì) 摘 要 換熱器是實(shí)現(xiàn)能量間的傳遞與轉(zhuǎn)換的設(shè)備，通俗講，就是能量高的流體介質(zhì)向能量低的進(jìn)行傳遞。 固定管板換熱器是物料間傳熱的節(jié)能裝置。固定管板式換熱器作為換熱設(shè)備之一，具有各種優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)。優(yōu)點(diǎn)是旁路滲漏流量小、大傳熱面積、結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、結(jié)構(gòu)穩(wěn)固、可靠性高、適用范圍廣、成本低廉；缺點(diǎn)就是管殼與管壁之間的溫差大、管板與管頭之間容易產(chǎn)生溫差應(yīng)力、殼側(cè)不可以采用機(jī)械清潔、設(shè)備的使用壽命相對較低。雖然缺點(diǎn)存在，才能突出優(yōu)點(diǎn)。管板式換熱器就是因?yàn)檫@些優(yōu)點(diǎn)的存在，才會(huì)得到廣大人名群眾的信賴以及使用。通常情況下，為了節(jié)省經(jīng)濟(jì)，需要對換熱器的強(qiáng)度以及使用壽命格外注意，在設(shè)計(jì)過程中，就需要設(shè)計(jì)出最合理的結(jié)構(gòu)；并且在考慮壓力、溫度、材料、流體性質(zhì)以及溫差等方面的因素下，選擇最適合的結(jié)構(gòu)。在設(shè)計(jì)過程中，也分為管形、管徑的設(shè)計(jì)，換熱管排列形式、管程殼程分程設(shè)計(jì)及進(jìn)出口設(shè)計(jì)、折流板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；在計(jì)算方面，換熱器的熱力計(jì)算，穩(wěn)態(tài)傳熱方程，換熱系數(shù)、壓降等方面的計(jì)算，最后還要對換熱器的安裝與維護(hù)。可以了解，換熱器的設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜的過程。 在實(shí)際生產(chǎn)中，每個(gè)行業(yè)的生產(chǎn)條件各不相同，為能得到合適的設(shè)備需要設(shè)計(jì)出不同形式、結(jié)構(gòu)的換熱器。選擇適合工況的設(shè)備，可以增大經(jīng)濟(jì)效益。 關(guān)鍵詞：換熱器；使用范圍；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；強(qiáng)度計(jì)算；材料 ABSTRACT Heat Heat exchanger is a device to transfer and convert energy. Generally speaking, it means that fluid medium with high energy transfers to fluid medium with low energy. Fixed tubesheet heat exchanger is an energy-saving device for heat transfer between materials. As one of the heat exchange equipments, fixed tube-plate heat exchanger has various advantages and disadvantages. The invention has the advantages of small bypass leakage flow, large heat transfer area, simple structure, convenient manufacture, stable structure, high reliability, wide application range and low cost. Disadvantages are that the temperature difference between the shell and the tube wall is large, the temperature difference stress is easily generated between the tube plate and the tube head, the shell side cannot be cleaned mechanically, and the service life of the equipment is relatively low. Although the shortcomings exist, the advantages can be highlighted. It is because of these advantages that the tube-plate heat exchanger can be trusted and used by the masses. Under normal circumstances, in order to save economy, special attention should be paid to the strength and service life of the heat exchanger. In the design process, the most reasonable structure should be designed. In addition, considering the factors of pressure, temperature, material, fluid property and temperature difference, the most suitable structure is selected. In the design process, it is also divided into the design of pipe shape and pipe diameter, the arrangement form of heat exchange tubes, the split design of shell side and inlet and outlet, and the structural design of baffle plates. In terms of calculation, the thermal calculation of the heat exchanger, the steady heat transfer equation, the calculation of heat transfer coefficient, pressure drop and other aspects, and finally the installation and maintenance of the heat exchanger. It can be understood that the design of heat exchanger is a complicated process. In actual production, the production conditions of each industry are different. In order to obtain suitable equipment, heat exchangers with different forms and structures need to be designed. Selecting equipment suitable for working conditions can increase economic benefits. Key words: heat exchanger; scope of use; structural design; strength calculation; materials 目 錄 1 前言 1 1.1概述 1 1.1.1換熱器 1 1.1.2換熱器的類型 1 1.1.3固定管板式換熱器 2 1.2固定管板式換熱器設(shè)計(jì)的目的 2 1.3管殼式換熱器現(xiàn)今發(fā)展情況 2 1.4強(qiáng)化換熱器傳熱能力的方法 3 1.4.1擴(kuò)展傳熱面積 3 1.4.2加大傳熱溫差 3 1.4.3增強(qiáng)傳熱系數(shù) 3 2 換熱器結(jié)構(gòu)論述 4 2.1換熱器管形的設(shè)計(jì) 4 2.2換熱器管徑的設(shè)計(jì) 4 2.3換熱管排列形式的設(shè)計(jì) 4 2.4管、殼程分程設(shè)計(jì) 4 2.5折流板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 5 2.6管、殼程進(jìn)、出口的設(shè)計(jì) 5 2.7 選材方法 6 2.7.1 管殼式換熱器的選型 6 2.7.2 流體空間的選擇 8 2.7.3 流速的選擇 8 2.7.4 材質(zhì)的選擇 9 2.7.5 管子的排列型式 9 3 管殼式換熱器的熱力計(jì)算 10 3.1確定參數(shù) 10 3.2穩(wěn)態(tài)傳熱方程 10 3.2.1熱負(fù)荷 11 3.2.2總傳熱系數(shù) 11 3.2.3總傳熱面積 12 3.2.4平均溫差 12 3.3結(jié)構(gòu)初步設(shè)計(jì) 12 3.4管程換熱系數(shù)計(jì)算 13 3.5殼程換熱系數(shù)計(jì)算 13 3.6管壁溫度計(jì)算 14 3.7管程壓降計(jì)算 15 3.8殼程壓降計(jì)算 16 4 換熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 17 4.1換熱器殼體壁厚計(jì)算 17 4.2換熱器封頭的選擇 17 4.3容器法蘭的選擇 18 4.4管板 19 4.5計(jì)算是否安裝膨脹節(jié) 19 4.6折流板設(shè)計(jì) 20 5 強(qiáng)度壓力計(jì)算和校核 22 5.1殼體厚度校核 22 5.2管子拉脫力校核 23 5.3開孔補(bǔ)強(qiáng)的計(jì)算 24 6 換熱器的維護(hù) 26 6.1換熱器的防腐 26 6.2換熱器的使用及注意事項(xiàng) 26 小 結(jié) 27 參考文獻(xiàn) 28 致 謝 29 1 前言 1.1概述 1.1.1換熱器 換熱器（heat exchanger），又稱熱交換器，是進(jìn)行能量的轉(zhuǎn)換的設(shè)備。 換熱器作為節(jié)能裝置，通常是在不同溫度下多種流體介質(zhì)之間交換能量。一般在工作條件的限制中，通常要滿足工藝條件的需求，避免呢能量的流失。這也是提高能源效率的主要手段之一。 管板式換熱器最大的特點(diǎn)就是結(jié)構(gòu)簡單、制造過程也相對于簡單，因此在社會(huì)實(shí)際運(yùn)用中普遍。并且在相同的管徑下具有較大的換熱效果，因此換熱效率能夠得到較大的提升，各大供應(yīng)商與需求商都會(huì)傾向于此，帶來更大的經(jīng)濟(jì)效益。在換熱器中為了加快流體介質(zhì)的流動(dòng)速度，設(shè)置折流板就能改變。而折流板的作用也是非常重要，可以改變流體的流動(dòng)速度及其方向，并且也能夠減少流體介質(zhì)之間的短路情況。 1.1.2換熱器的類型 換熱器在工業(yè)領(lǐng)域中作為換熱裝備一直都運(yùn)用非常廣泛，而且在其他能量傳遞消耗的領(lǐng)域也會(huì)運(yùn)用普遍，需要量一直很多，由于生產(chǎn)規(guī)模、生產(chǎn)條件及生產(chǎn)材料的性質(zhì)不同，供應(yīng)商與需求商的需求也就不同，因此各有各的特點(diǎn)，在現(xiàn)如今，也需要某些創(chuàng)新，設(shè)計(jì)出更加優(yōu)良更加符合實(shí)際工作情況的換熱器，達(dá)到廠家的需求與要求。 換熱器種類繁多，由于換熱條件、傳熱原理等因素的影響，使換熱器得結(jié)構(gòu)各相徑庭。而結(jié)構(gòu)的不同也會(huì)由此制造出不同的換熱器。 板、管式換熱器。它的換熱使熱的傳遞給冷的，通俗的講就是溫度高的傳遞給溫度低的，并且這兩種介質(zhì)不可以直接接觸，得通過某些物件給隔離，達(dá)到換熱目的。 直接接觸式換熱器。顧名思義，該換熱器的兩種介質(zhì)或兩種以上的介質(zhì)是可以直接通過接觸，就是面對面零距離進(jìn)行傳熱，達(dá)到換熱的目的，管內(nèi)的兩種或兩種以上的介質(zhì)可以是相同的也可以是不同的。 蓄能式換熱器。“蓄能”顧名思義就是要將能量儲(chǔ)存一段時(shí)間，然后將能量在流體介質(zhì)間傳遞。蓄能式換熱器由于某些原因?qū)е略谏鐣?huì)中運(yùn)用較少，使用方法和操作流程較為復(fù)雜，應(yīng)用相對也就比較少了點(diǎn)。 對于按照傳熱原理不同而劃分，在實(shí)際使用中，各大廠家需求最多的也是板、管式換熱器，根據(jù)結(jié)構(gòu)的不同可以分為管殼式與板式換熱器。 而管殼式換熱器在單位面積上具有傳熱面積大、效果好，架構(gòu)簡單，便于制造在實(shí)際運(yùn)用中普遍，并且適應(yīng)性也很強(qiáng)。符合廠家的需求，應(yīng)用使用方面自然就廣了。 此次，是對固定管板式換熱器的設(shè)計(jì)（F170）。 1.1.3固定管板式換熱器 它是由管板和殼體組成?？雌饋砗唵?，倒是內(nèi)部也是較為復(fù)雜，包含了管束、殼程、封頭等各種零件。在設(shè)計(jì)過程中，也需要按部就班，一個(gè)一個(gè)慢慢設(shè)計(jì)。 固定管板換熱器的管程可分為多道，殼程也可分為多道，按照數(shù)學(xué)原理，這可以有很多種結(jié)構(gòu)排列方式，致使種類繁多，在社會(huì)中一直都是廣泛得到運(yùn)用的。由于清洗困難，不使用骯臟或腐蝕性介質(zhì)。有的時(shí)候，在膨脹差變得比較大的時(shí)候，通常情況下都會(huì)在殼體上面設(shè)置膨脹節(jié)，這樣就可以減小管道與殼體側(cè)溫差引起的熱應(yīng)力變化，從而解決此類問題。 固定管板換熱器的優(yōu)點(diǎn): 1.旁路滲漏流量小； 2.大傳熱面積； 3.結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，成本低廉。 固定管板換熱器的缺點(diǎn)； 1.管殼與管壁之間的溫差大； 2.管板與管頭之間容易產(chǎn)生溫差應(yīng)力； 3.殼側(cè)不可以采用機(jī)械清潔； 4.設(shè)備的使用壽命相對較低。 1.2固定管板式換熱器設(shè)計(jì)的目的 目的就是為了獲得適合各種工作條件并且經(jīng)濟(jì)效益更高的的熱交換器。換熱器的設(shè)計(jì)過程可分為工藝選擇以及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。工藝選擇是根據(jù)工作條件而決定的，為了就是得到更具有效益的換熱器。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是為了保證換熱器的質(zhì)量和使用壽命。 為使換熱器中兩種或多種溫度不同的或能量高低的介質(zhì)可以達(dá)到換熱的目的讓能力得到最大程度的利用，就需要設(shè)計(jì)出能夠做到這一目的的換熱器。 雖然管殼式換熱器因?yàn)槠淙秉c(diǎn)的存在，與其他新型換熱器相比仍然有著很大差距，但是它的有點(diǎn)仍然存在，具有結(jié)構(gòu)勞固、制造簡單、換熱面積大、使用普遍等一些優(yōu)越點(diǎn)，使它在社會(huì)中可以得到廣泛的使用。 1.3管殼式換熱器發(fā)展的情況 在生產(chǎn)車間里，有高溫高壓的生產(chǎn)條件，也不是好也不能說壞，在其結(jié)構(gòu)制造方面仍然有很大缺陷。在能量的流失，使換熱效率降低，結(jié)構(gòu)復(fù)雜使換熱器體積偏大，生產(chǎn)制造的規(guī)模化，生產(chǎn)空間與發(fā)展空間的日益增大 ，新型換熱器的研究仍然需要改善。在當(dāng)今發(fā)展中，最為重要的就是提高換熱效率，加強(qiáng)對技術(shù)的研究與分析。 我們一般都是根據(jù)管殼式換熱器獨(dú)具有的優(yōu)點(diǎn)，而選擇使用，使它在實(shí)際運(yùn)用中一直很普遍。尤其是在高溫高壓和大型化的場合下和機(jī)器設(shè)備的自動(dòng)化和機(jī)械化。 熱交換器是化學(xué)、石油、制藥和能源行業(yè)。在現(xiàn)代工業(yè)中，有統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，在換熱器這一領(lǐng)域中的投入占總投資的一半左右，在煉油廠工廠中，換熱器占總廠全部工作設(shè)備中的40%，特別是在海水淡化這一塊，使用的工藝設(shè)備大都是由換熱設(shè)備構(gòu)成的。20世紀(jì)能源危機(jī)有利也有弊，當(dāng)時(shí)就工業(yè)能源苦難，只有改變原來的發(fā)展方式，改革創(chuàng)新才能尋求生機(jī)，有效的促進(jìn)了化學(xué)技術(shù)的發(fā)展。在社會(huì)的進(jìn)步，生活水平的提高，人們對更先進(jìn)的技術(shù)的向往更加強(qiáng)烈，也要求對能量的利用更標(biāo)準(zhǔn)化。 近年來，我國對強(qiáng)化傳熱技術(shù)進(jìn)行了大量的研究，但是與國外相比，對于新技術(shù)的開發(fā)、新型高效換熱設(shè)備的研究仍有差距，在推廣方面也趕不上國外，因此也是很有限的。在國內(nèi)加強(qiáng)對換熱器專業(yè)技術(shù)的研究是很有必要的，加強(qiáng)制造技術(shù)的研究和技術(shù)人員的進(jìn)步，促使換熱技術(shù)在國內(nèi)蒸蒸日上，更快趕上國際的步伐，只有強(qiáng)大才有話語權(quán)。在制造商供應(yīng)商上要大膽引進(jìn)國外的先進(jìn)技術(shù)與設(shè)備，從中汲取精華，為中國節(jié)能事業(yè)，可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略做出貢獻(xiàn)，也為自己尋找更大的經(jīng)濟(jì)效益。 1.4強(qiáng)化換熱器傳熱能力的方法 1.4.1擴(kuò)大傳熱面積F 由于在單位體積的傳熱面積越大，傳熱能力就越高，因此可以憑借這一點(diǎn)來增強(qiáng)傳熱效率。而加大傳熱面積可以改變傳熱面的外部形狀，比如將換熱管面設(shè)計(jì)成螺紋狀或波紋狀等，但是也要符合成產(chǎn)條件的要求。 1.4.2加大傳熱溫差△t 我們只能把兩種介質(zhì)的溫差搞大一點(diǎn)，而這種方式也是現(xiàn)如今最常用的；但是，做任何事情都要符合實(shí)際，不能夠超越實(shí)際現(xiàn)狀，傳熱溫差也不能無限制的增大，設(shè)計(jì)過程中也要根據(jù)實(shí)際現(xiàn)狀來要求，并且不是所有的工藝上都符合其原理。 1.4.3增強(qiáng)傳熱系數(shù)K 傳熱系數(shù)越低，換熱器傳熱效果越差，因此最有效最可行的方法就是提高傳熱系數(shù)。 強(qiáng)化傳熱能力的三種方法都在實(shí)際中得到了應(yīng)用，在發(fā)展過程中也要實(shí)踐中求真知，斌且還需要切合實(shí)際狀況，在場地、資金以及效果等因素的干擾下，則需要與實(shí)際相通的方法，當(dāng)前換熱器強(qiáng)化傳熱研究方向是通過控制換熱器傳熱系數(shù)(K)值來提高換熱器傳熱能力。 2 換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)論述 2.1換熱器管形的設(shè)計(jì) 管子表面是傳熱面，作為傳熱表面，設(shè)計(jì)出一種能擴(kuò)大傳熱面積能提高傳熱效率的管子是很重要的。管子的外部形狀在實(shí)際運(yùn)用中通常有兩種，一種是在管子外部上刻有螺紋的，另一種就是對管子的外部形狀不做處理，表面光滑。螺紋管與不做處理的管子在相同條件下，傳熱面積的大小上進(jìn)行比較，螺紋管管束比光管管束的表面面積就大了很多，由于在單位體積的傳熱面積大傳熱效率高，因此兩者相比較就可以得出螺紋管管束的換熱面積就比不作處理的管束大得多，換熱效率也就大得多了。由于結(jié)構(gòu)的不同，流體流過其表面上是也會(huì)發(fā)生變化，比如流動(dòng)狀態(tài)由直流變成了向上或向下的改變，速度的改變等等，但是這些改變都有利于提高換熱器的傳熱能力，所以這是一種可以提高傳熱能力而采用的方法，應(yīng)該得到應(yīng)用。 如果在某些特殊情況下需用不清潔、易結(jié)垢的流體介質(zhì)，那么螺紋管上的螺紋就可以發(fā)揮較大的作用。 2.2 換熱器管徑的設(shè)計(jì) 在實(shí)際生產(chǎn)中可以了解到，在換熱器這類換熱裝備中，采用管徑小的可以提高換熱效率，并且小管徑可以節(jié)省一些材料，也可以減小換熱器的外部形態(tài)結(jié)構(gòu)，使零部件看起來更加緊湊。一般采用小管徑是在管束中的流體介質(zhì)符合清潔且不容易結(jié)垢的情況下，達(dá)到換熱效率的提高。在人們做的實(shí)驗(yàn)中可以得出一些結(jié)論，條件相同情況下，對于兩種直徑相差6mm的換熱管管子的換熱能力進(jìn)行比較，其傳熱面積因?yàn)橹睆蕉l(fā)生變化，使得前一種管子比后一種管子傳熱效率大百分之三十以上四十一下，能夠節(jié)省的材料在百分之二十以上。由此可見，對管徑的設(shè)計(jì)對換熱效率的影響也很大。 2.3換熱管排列形式的設(shè)計(jì) 在工業(yè)生產(chǎn)日常應(yīng)用中，眾所周知管子的排列型式有三角形、正方形和同心圓三種排列形式，采用不同的排列形式所引起變化也很大，排列形式也與一些因素有關(guān)，就像流體的流向、折流板缺口方向都會(huì)影響其排列方法及排列形式，流體的流動(dòng)方向是垂直于折流板的缺口。在選擇的殼程中，會(huì)因?yàn)榻橘|(zhì)的性質(zhì)或清理方式的不同而選擇不同的管子排列形式，清潔方式的不同也會(huì)影響其結(jié)構(gòu)排列，在殼程的清潔方式為機(jī)械清潔時(shí)，就可以采用正方形排列；而換熱器殼程小于一定的數(shù)值時(shí)采用同心圓排列，可以讓讓管束之間的排列結(jié)構(gòu)看起來更為緊密，在視覺上更可觀，也能夠減小換熱器的體積，安裝運(yùn)用更方便。 2.4 管、殼程分程設(shè)計(jì)及程數(shù)選擇 選擇合適的管程數(shù)殼和殼程數(shù)是很重要的。當(dāng)換熱面積大的不行時(shí)而管子不可以過長時(shí)，為了讓流體流動(dòng)的速度更快，我們就得想辦法，因此就將管束分程。而有時(shí)候程數(shù)數(shù)目多了時(shí)，也會(huì)導(dǎo)致管程中的流動(dòng)時(shí)的阻力和動(dòng)力消耗能量變大，也會(huì)是換熱器平均傳熱過程的溫差降低，因此在設(shè)計(jì)過程中就需要考慮這些因素。 我們在想管子內(nèi)流體流速加快，一般都會(huì)增加管程數(shù)，從而產(chǎn)生多種不同的變化，換熱器傳熱膜系數(shù)會(huì)因此變大，流體介質(zhì)流動(dòng)速度也會(huì)因?yàn)楣艹涕g的壓力降而被限制。安裝平行于管束的隔板也可以完成殼方多程這一過程，但是在現(xiàn)實(shí)這一方面，殼程隔板在制造、安裝和檢修等一些方面很是困難，還沒有比較先進(jìn)的技術(shù)可以解決這一問題，因此不宜采用。通常采用的方法就是串聯(lián)幾個(gè)換熱器代替殼方多程。 換熱器串聯(lián)也可以增加殼程數(shù)，但是這樣的方式會(huì)使其成本增加，通常不采用；添加縱向隔板，可以增加殼程數(shù)，也可以加快流體介質(zhì)的流動(dòng)速動(dòng)，從而提高換熱器的換熱效率，所以傳統(tǒng)上常常這種方式增加殼程數(shù)。 在本次設(shè)計(jì)中，我認(rèn)為管程數(shù)和殼程數(shù)都采用雙管程和雙殼程。 2.5折流板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 通常情況下，設(shè)置折流板的主要目的就是為了增加殼程中流體介質(zhì)的流速，提高殼程的傳熱膜系數(shù)，達(dá)到提高傳熱系數(shù)的目的。設(shè)置折流板在對換熱器的換熱管具有支撐作用，換熱管比實(shí)際生產(chǎn)現(xiàn)狀要求長時(shí)，管子間所承受的壓力比平常要大一點(diǎn)時(shí)，換熱器殼程允許壓力降在滿足設(shè)計(jì)要求這一要求的情況下，適度的增加折流板的數(shù)量和的減小折流板間的間距，可以起到很多作用，就像可以在一定程度上緩解換熱管的受力情況，在流體之間產(chǎn)生的振動(dòng)大道不行時(shí)就要減小其振動(dòng)頻率，通常就需要合理的控制折流板間的間距，然而這樣也有利于安裝，折流板在起到這些作用下的情況里，綜合各方面，考慮選擇合適的折流板這也是很重要的一點(diǎn)。 在一些特殊情況下使用折流板不會(huì)起到效果，殼程蒸發(fā)、冷凝操作以及傳熱膜系數(shù)很低等情況下，僅僅只能支撐管子，因此在這些情況下不采用折流板。在冷凝操作時(shí)不等間距使用折流板可以達(dá)到高效傳熱的效果，但是在大多數(shù)通情況下折流板都是等間距使用的。 2.6進(jìn)、出口的設(shè)計(jì) 一般情況下，換熱器的進(jìn)出口是各種流體介質(zhì)進(jìn)出的地方，為了方便流體的投放于取樣，進(jìn)出口通常設(shè)置在易操作的地方，而殼體管箱就是一個(gè)不錯(cuò)的選擇，這也是這種設(shè)備普遍安裝進(jìn)出口的地方。設(shè)置進(jìn)出口就不可避免會(huì)造成殼體與管箱的結(jié)構(gòu)不穩(wěn)，局部位置的不穩(wěn)定等等。而在工作條件的影響下，也需要考慮其材料的強(qiáng)度問題，管內(nèi)得我壓降問題，也必須在安裝是更加的方便，外觀更加美妙等等。 通常情況下是將管程進(jìn)、出口放在殼測的頂部或底部，可以讓流體在流過的時(shí)候分布更加均勻，達(dá)到高效傳熱。 管殼程中的流體介質(zhì)在流動(dòng)速度太快，流體介質(zhì)為處理，使包含其中的固體物質(zhì)與管殼程進(jìn)、出口進(jìn)去或活出來時(shí)，發(fā)生碰撞、摩擦，在長期作用會(huì)損壞設(shè)備，我們就只能想各種辦法來防止這一現(xiàn)象的發(fā)生，通常我們都會(huì)在進(jìn)出口處設(shè)置防沖板，顧名思義，防沖板就是防止流體因流速過快而損壞管殼程的進(jìn)出口，減慢流體流動(dòng)速度，減小沖擊，增加換熱器的使用壽命。 2.7 選材方法 2.7.1 管殼式換熱器的選型 管殼式換熱器根據(jù)結(jié)構(gòu)的不同，可以分為其他幾種換熱器，通常都是管子與管板相連接，殼體進(jìn)行固定換熱器，結(jié)構(gòu)簡單，應(yīng)用廣泛。對換熱器的優(yōu)缺點(diǎn)和結(jié)構(gòu)方面進(jìn)行一些介紹。 （1）固定管板式換熱器： 根據(jù)圖1就可以看出來,該換熱器的結(jié)構(gòu)就比較簡單，并且比較緊湊。但是內(nèi)部復(fù)雜，流體介質(zhì)流動(dòng)經(jīng)過是會(huì)發(fā)生各種不可控的事情，內(nèi)部所包含的固體顆粒物與內(nèi)部管板的碰撞，造成振動(dòng)。由于內(nèi)部管板較多，在清洗時(shí)就不是很方便了，尤其是在管板間更難，這就可以知道，這種換熱器不可以采用那種容易結(jié)垢的和不是很方便清潔的流體。在溫差的影響下，會(huì)降低傳熱效率，產(chǎn)生熱膨脹這一變化，就需要設(shè)置另外一種裝置膨脹節(jié)。所以啊，這有多了一種零件也是很復(fù)雜了，他可以減少它們所產(chǎn)生的熱應(yīng)力，但是不能夠消除。所以，該換熱器不適合用于高溫的情況下，尤其是在溫差較大的情況下。采用的流體介質(zhì)也需要慎重選擇。 圖1 固定管板式換熱器 （2） 浮頭式換熱器 該換熱器含有一個(gè)浮頭，而這一浮頭是可以自由自在的移動(dòng)，對熱膨脹沒有限制也沒有要求，所以可以適用于溫差較大的工作條件下，并且也不會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力。由此可以看出，這種換熱器與固定管板式換熱器相比，它的不足之處就變成了浮頭式換熱器的有點(diǎn)。而在設(shè)計(jì)過程中，也需要互相吸取精華才能設(shè)計(jì)出更加出眾的作品。流體介質(zhì)也可以選擇易結(jié)垢的，不易清潔的以及容易腐蝕的，集固定管板式換熱器的缺點(diǎn)與一身，都變成了優(yōu)點(diǎn)。而該換熱器體積大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜得多，重量較大，制造成本也相應(yīng)較高，所以在實(shí)際運(yùn)用就比較少了，比較是要賺錢的，誰都不想在起點(diǎn)就要花費(fèi)重大的開支，大家都可以理解。 圖2 浮頭式換熱器 （3） U型管式換熱器 從圖中可以看出來，它的管子就是一個(gè)U形，可以說很具有特點(diǎn)了，殼體與管是分離的，所以對熱膨脹的影響是可以忽視的，熱應(yīng)力也就不會(huì)產(chǎn)生，可謂一舉兩得，熱補(bǔ)償這效果也是比較出從的，管子U形，流體介質(zhì)的流動(dòng)速度的變化較大，因此可以增大傳熱效率。管束可以抽出，是其他換熱器都不具有的，特別的存在肯定是有特別的原因，抽出來的管束在清洗方面就比較簡單了，但是管子內(nèi)部的清洗就是一個(gè)大問題，一次在選擇流體介質(zhì)的時(shí)候需要選擇那種易清洗、不易結(jié)垢的介質(zhì)， 圖3 U型管式換熱器 （4）填料函式換熱器 該換熱器與U形管事?lián)Q熱器一樣，不要考慮熱膨脹的影響，以及熱應(yīng)力的產(chǎn)生。填料應(yīng)該就是把流體介質(zhì)直接放進(jìn)去，由此可見操作簡單，在清洗方面也是比較容易的，沒有浮頭造價(jià)相對于就比較低了。但是填料這一過程，介質(zhì)的性質(zhì)方面，不呢能夠泄露污染環(huán)境，就需要采用那些無毒、無味的介質(zhì)，在不易燃燒、不易爆炸、不易揮發(fā)的填料場所。 2.7.2 流體空間的選擇 換熱器現(xiàn)如今主要是解決傳熱效率的缺陷，然而提高傳熱系數(shù)低的，在管內(nèi)流體流經(jīng)的管道也是重中之重，減少流體流動(dòng)過程中的傳熱能量流失，增大傳熱效率，就要防止流體流動(dòng)時(shí)的能量流失，想辦法去減小。換熱器在殼體內(nèi)部清洗維修都困難，因此在在選擇流體介質(zhì)的時(shí)候就要選擇易清洗、不易結(jié)垢的流體走管程。 要使換熱器正常而有效地操作，就必須慎重地選擇流體的流體空間。 （1） 溫度的影響 高溫流體走管程可節(jié)省保溫層以及殼體的厚度，降低成本。 （2） 在高壓作用下的流體應(yīng)該走管程，這樣就可以減少殼體的厚度，降低成本。 （3） 流體介質(zhì)粘度大和流量小走殼程。 （4） 腐蝕性 腐蝕性強(qiáng)的流體介質(zhì)走管程，以節(jié)省耐腐蝕材料。 （5） 管程間壓力降。 （6） 清潔性 較臟和易結(jié)垢的流體介質(zhì)應(yīng)走管程，以便于清洗和控制結(jié)垢。 （7） 流體流動(dòng)速度。 （8） 傳熱膜系數(shù)。 此次設(shè)計(jì)，水走殼程，煙道氣則走管程。 2.7.3 流速的選擇 換熱器中流體流速會(huì)影響傳熱效果，在流速小時(shí)，會(huì)降低傳熱系數(shù)，還會(huì)增加污垢的沉積，致使堵塞，對傳熱存在不利，但是也會(huì)增大傳熱面積，增加傳熱，流經(jīng)管道時(shí)就比較容易完整的緩慢的通過，不會(huì)對管壁撞擊，可增加使用壽命，選擇適宜的流速還需通過 經(jīng)濟(jì)衡算才能定出，并且還需考慮結(jié)構(gòu)上的要求。 表1 常用介質(zhì)流速的范圍 常用介質(zhì) 水 新鮮水 常見液體 易結(jié)垢液體 低粘度油 高粘度油 氣體 管程流速，m/s 1.0～2.0 0.8～1.5 0.5～3 >1.0 0.8～1.8 0.5～1.5 5～30 殼程流速，m/s 0.5～1.5 0.5～1.5 0.2～1.5 >0.5 0.4～1.0 0.3～0.8 2～15 此次設(shè)計(jì)中選擇煙道氣的流速為2m/s。 2.7.4材質(zhì)的選擇 選擇合適的材料，是對任何零件制造的基礎(chǔ)步驟，換熱器設(shè)計(jì)過程，零件復(fù)雜，各種零件不同材料也相應(yīng)不同，工作條件的不同。有溫度、壓力、流體的性質(zhì)，材料的工藝性能，經(jīng)濟(jì)效益等方面的的影響，選擇合適的材料也是重中之重。一般為了滿足這些要求,從換熱設(shè)備的強(qiáng)度或剛度、耐久性使用壽命的角度來考慮,材料的耐腐蝕性能,一直都是一個(gè)比較復(fù)雜的問題。如果有些輕微的不足之處,都會(huì)影響換熱器使用壽命,也會(huì)提高設(shè)備成本，降低經(jīng)濟(jì)效益。在某些方面，材料的性能也會(huì)影響換熱器的結(jié)構(gòu)。 碳鋼和不銹鋼時(shí)所用設(shè)備常采用的材料。由于含碳適中，綜合性能較好，強(qiáng)度、塑性和焊接性能可較好配合，用途廣泛。 根據(jù)這些條件限制最符合設(shè)計(jì)的材料選擇Q235材料（A3鋼）。 2.7.5 換熱管的管子排列型式 根據(jù)下面的圖4，了解到管程結(jié)構(gòu)的三種基本排列方式，換熱器的結(jié)構(gòu)不同就會(huì)選擇不同的排列方式，在實(shí)際中的就是三角形排列，因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)穩(wěn)固緊湊。 等邊三角形排列用得最普遍，因?yàn)楣茏娱g距都相等，所以在同一管板面積上可排列最多的管子數(shù)，而且便于管板的劃線與鉆孔。但管間不易清洗，TEMA標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，殼程需要機(jī)械清洗時(shí)，不得采用三角形排列型式。在殼程需要進(jìn)行機(jī)械清洗時(shí)，一般采用正方形排列，管間通道沿整個(gè)管束應(yīng)該是連續(xù)的，且要保證6mm的清洗通道 以下幾種排列方式的優(yōu)越性，正方形排列看起來很規(guī)范，便于使用機(jī)械清洗，正三角形才常識(shí)中就知道具有結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，所以三角形排列可以使結(jié)構(gòu)更加緊固，看起來更加緊湊，而同心圓在外觀上看起來更好，分布均勻，結(jié)構(gòu)也更加緊湊了一點(diǎn)。選擇合理的排列型式，也是一個(gè)很重要的設(shè)計(jì)步驟，考慮的方面也有很多，設(shè)計(jì)過程也是復(fù)雜的，了解其排列結(jié)構(gòu)的重要性，也不容忽視。 (a) 正方形排列???? ?? (c) 三角形排列? ? （c）同心圓排列 圖4 換熱管管板上的排列方式 38 3 管殼式換熱器的熱力計(jì)算 3.1確定已知參數(shù) 此次設(shè)計(jì)選擇殼程流體水的溫度為：t=95℃ 選擇管程流體介質(zhì)煙道氣的溫度為：T=320℃。 水在95℃的有關(guān)物性參數(shù)如下： 密度 = 定壓比熱容 熱導(dǎo)率 粘度 煙道氣在320℃的有關(guān)物性參數(shù)如下： 密度 3 定壓比熱容 熱導(dǎo)率 粘度 流量 = 3.2穩(wěn)態(tài)傳熱方程 熱流體將熱量通過某固定壁面?zhèn)鹘o冷流體的過程稱為傳熱，穩(wěn)態(tài)傳熱方程的基本公式為：Q=KA?t 式中 Q---熱負(fù)荷，W K--總傳熱系數(shù)，W/(㎡℃) A---總傳熱面積，㎡ ?tm--進(jìn)行換熱的流體之間的平均溫度差，℃ 3.2.1熱負(fù)荷 根據(jù)能量平衡原理可以得出，煙道氣所釋放的能量等于水所吸收呢能量。取換熱器熱效率為η=0.98 煙道氣冷卻所釋放的能量： Q1=G?γ?η3600 #1 =1.3×1.986×103×1025.04×0.98/3600 =739.4KW 水所吸收的熱量： Q1C=G1?CP1C?t3-t1''?η3600 #2 =1.3×1.986×103×2.55×(70-45)×0.98/3600 = 53.3KW 所以，總傳熱量=739.4+53.3=792.7KW 3.2.2總傳熱系數(shù) 煙道氣側(cè)污垢熱阻： 水側(cè)污垢熱阻： 水吸收系數(shù)： Kj=11α1+γ1+γ2d0di+1α2d0di #3 = = 936 煙道氣冷卻系數(shù)： KjC=11α1c+γ1+γ2d0di+1α2cd0di #4 = = 284.8 傳熱系數(shù)比值： KjK0=936/850=1.10 合理 Kjc/KJ0=284.8/250=1.14 合理 總傳熱系數(shù):K=Kj+Kjc=936+284.8=1220.8 3.2.3總傳熱面積 水吸收熱這一過程的傳熱系數(shù):K0=850W/m 煙道氣冷卻這一過程的傳熱系數(shù):K0C=250W/m 冷凝段的傳熱面積:F0=Q1K0??tm=739400850×23.4= 23.9m2 #5 冷卻段的傳熱面積:F0c=Q1cK0??tmc=53300250×36.5=8.04m2 所以，綜上可得：A=F0+F0c=23.9+8.04=31.94m2 3.2.4平均溫差 冷卻水的流量： G2=Q0Cp2?t2''-t2'=792.74.214×35-25=18811 kg/h #6 設(shè)定冷凝段和冷卻段分界處水的溫度為t3 G2=Q0cCp2c?t2''-t3=5330004.214×35-t3=18811 kg/h #7 可解出 t3=28.3℃ 冷凝段溫差： ?tN=t1'-t2''-t1'-t3lnt1'-t2''t1'-t3=36.4℃ #8 對于冷凝方面，冷凝溫度基本一定，故溫差校正系數(shù)為1，因此可以得出有效平均溫差 ?tm=36.4℃ 冷卻段溫差： ?tNc=(t1'-t3)-(t1''-t2')ln(t1'-t3)(t1''-t20'=26.5℃ 由于熱流體出口溫度小于冷流體出口溫度，出現(xiàn)了溫度交叉現(xiàn)象 為避免出現(xiàn)溫度交叉現(xiàn)象，最佳設(shè)計(jì)的溫度交叉點(diǎn)應(yīng)正好在第二管程的終端。 查得溫差校正系數(shù)Φ=0.82 所以有效平均溫差?tm=Φ??tNc=0.82×26.5=21.73℃ 綜上，穩(wěn)態(tài)傳熱量： Q=KA?tm#9 代入已知數(shù)據(jù)解得:Q=1220.8×31.94×21.73=847.3KW 3.3結(jié)構(gòu)初步設(shè)計(jì) 選用無縫鋼管作換熱管 由此可以知道管子外徑 d0=25mm ，內(nèi)徑 di=20mm 初步可取管子的長度為 l=3mm 計(jì)算管子總數(shù)： Nt=F0+F0Cπ?d?l=23.9+8.043.14×0.025×3=135.6根 #10 取管子數(shù)146根 管間距: S=1.25d0=1.25×0.025=0.032m 管束中心的排管數(shù)：Nc=1.1Nt=1.1×146=13.2根 由此可以取管數(shù)為14根 我們可以取殼體的內(nèi)徑為Di=0.6m 由此計(jì)算出長度與內(nèi)徑之比：lDi=30.6 =5 合理 弓形折流板弓高：h=Di=0.25×0.6=0.15m 折流板間距： B=Di3=0.63=0.2m 折流板數(shù)量：Nb=1B-1=30.2-1=14 塊 根據(jù)設(shè)計(jì)條件及工藝方面折流板數(shù)目取13塊。 3.4管程換熱系數(shù)計(jì)算 管程流通截面:a2=Nt2?π4?0.022=1462×π4×0.022=0.0229 #11 管程流速：ω2=G2ρ1?a2?3600=18811961.9×0.0229×3600=0.237 m/s #12 管程雷諾數(shù)：Rε2=ρ1ω2diμ2=961.9×0.237×0.02614.46×10-6=7420.2Re #13 管程質(zhì)量流量:W2=ρ2?ω2=961.9×0.237=227.9 kg/s #14 水吸收段的溫度：t2=t2'+t3=41.2+322=36.6℃ 煙道氣冷卻段的溫度： =(+t3)/2=(41.2+29)/2=34.75℃ 水吸收段傳熱系數(shù)：α2=3605(1+0.015t2')ω20.8(100di) =3605×(1+0.015×36.6)×0.2370.8(100×0.02)2 =1537.1 煙道氣冷卻段傳熱系數(shù)：α2c=3605(1+0.015t2c')ω20.8(100di) =3605×(1+0.015×34.75)×0.2370.8(100×0.02)2 =1509.6 3.5殼程換熱系數(shù)計(jì)算 殼程流通面積： f1=B?Di?1-d0S=0.200×0.6×1-0.0250.032=0.0263m2#15 殼體當(dāng)量直徑： dz=Di2-Ntd02Ntd0=0.62-146×0.0252146×0.025=0.0736m#16 水吸收段： ω1=G1ρ1f1*3600=1.3×1.986×1032.13×0.0263×3600=11.8 m/s#17 煙道氣冷卻段：ω1c=G1ρ1cf1*3600=1.3×1.986×103777.87×0.0263×3600=0.035m/s 我們可以假設(shè)煙道氣在釋放熱能的冷卻過程中管外壁低的溫度為：tw1=58℃ 所以可以根據(jù)公式計(jì)算 膜溫： tm=t1'+tw12=70+582=64℃ 在膜溫下煙道氣的物性參數(shù)： λm=0.1607W/m?℃ ρm=765.41Kg/m3 μm=0.3166×10-3Pa/s 水吸收段管壁所承受的負(fù)荷：Γ=G1 =1.3×1.986×1033.14×3600×0.025×184=0.0497 kg/m?s#18 水吸收熱量的雷諾數(shù)： Re1=4Γμm=4×0.04970.3166×10-3Pa=627.9Re#19 碳帶器釋放熱量段的雷諾數(shù)：Rε1C=ρ1cw1cdεμ1c=777.87×0.035×0.05330.3351×10-3=4300Re 我們可以假設(shè)水在釋放熱能的冷卻過程中管外壁低的溫度為： tw1c=42℃ 壁溫下煙道氣粘度：μw1=0.3519×10-3Pa?s 粘度修正系數(shù):Φ1=μ1μw10.14=0.3315×10-30.3519×10-30.14=0.993 #20 殼程傳熱因子查得js=75 水吸收段管壁所承受的負(fù)荷:Γ=GB'=GlNt23=1.3×1.986×1033×14623=24.3 kg/m?s #21 3.6管壁溫度計(jì)算 因?yàn)椴磺宄?，只能根?jù)情況假設(shè)取水吸收段管傳熱長度l1=1.8m，煙道氣冷卻段傳熱長度l1c=1.2m 水吸收段管傳熱外壁的熱流密度： q1=Q1Ntπd0l1=739400146×3.14×0.025×1.8=35841.4 W/m2?℃#22 管外壁溫度： tw1'=tm-q11α1+γ1=64.4-35841.4×131394+0.0001762=59℃#23 進(jìn)行校核：tw1-tw1'=58-59.7=-1.7℃ 誤差不大,符合溫差要求。 煙道氣冷卻段傳熱外壁熱流密度： q1c=Q1cNtπd0l1c=53300146×3.14×0.025×1.2=3875.5Wm2?℃ #24 管外壁溫度： tw12=tm-q1c1α1c+γ1=51.2-3875.5×1400.7+0.0001762=43.4℃ 誤差校核：tw1c-tw12=42-43.4=-1.4℃ 誤差不大,符合溫差要求 。 3.7管程壓降計(jì)算 管內(nèi)壁溫度： tw2=t2+q1cd0di1α2c+γ2=37+3875.5×0.0250.0211509.6+0.000344=41.9℃ 在溫下水的物性參數(shù)粘度 μw2=659×10-6Pa?s#25 粘度修正系數(shù):μw2=μ2μw20.14=697.76×10-6659×10-60.14=1.008 #26 查閱書籍可知管程摩擦系數(shù):ξ2=0.042 #27 管程數(shù)：nt=2 管內(nèi)沿程壓降： ΔPi=W222ρ22?lntdi?ξ2?2 =523.242×993.252×3×20.02×0.0421.008=1722.75Pa #28 回彎壓降:?pb=wN222ρ2×4nt=523.2422×993.25×4×2=1102.6Pa #29 取煙道氣進(jìn)口管處質(zhì)量流速： WN2=1600kg/m?s 進(jìn)出口管處壓降： ?P2=WN222ρ2×1.5=160022×993.25×1.5=1933.05Pa #30 管程結(jié)垢校正系數(shù)：?d2=1.4 管程壓降?P2=?Pi+?Pb?d2+?PN2 #31 =1722.75+1102.6×1.4+1933.05=5888.54Pa 3.8殼程壓降計(jì)算 殼程當(dāng)量直徑： dε=Di-Nt?d02Di+Nt?d0=0.62-146×0.02520.6+146×0.025=0.0632m #32 雷諾數(shù)：Re11=W1cdεμ1c=777.87×0.035×0.06320.3351×10-3=5136.3Re 參閱書籍可得殼程摩擦系數(shù)：ξ2=0.8 管束壓降 :ΔPi=W12ρ12?Dinb+1dε?ξ1?1 #33 =（777.87×0.035）22×777.87×0.6×（13+1）0.0471×0.80.993=68.46Pa 取煙道氣進(jìn)出口質(zhì)量流速：WN1=1000Kg/m2s 進(jìn)出口管壓降：?P1=WN122ρ1×1.5=100022×993.25×1.5=779.7Pa #34 導(dǎo)流板阻力系數(shù)：ξd=5 殼程結(jié)垢修正系數(shù)：φd=5 殼程壓降： ?P1=?P0?d2+?PN1+?Pd=1722.75+1102.61.4+1933.05=5888.54Pa#35 殼程允許壓降：?P1=20000Pa 管程允許壓降：?P2=50000Pa ?P1 < ?P1 ?P20.25mm，取C1=0.25mm 該殼體采用20鋼8mm厚的鋼板制造。 4.2 換熱器封頭的選擇 在設(shè)計(jì)中，封頭通常是橢圓形，所以上下封頭均選用標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭，封頭的尺寸及質(zhì)量按選取，《換熱器設(shè)計(jì)手冊》表1-6-5先去封頭直徑為600.壁厚為8。質(zhì)量為120，表1-6-3選取封頭為DN600×8。 標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭計(jì)算厚度： δ=PcDi2σt?-0.5pc=1.0×6002×92×0.9-0.5×1.0=3.63mm#37 Pw=2σt?δεKDi+0.5δε=2×92×0.9×6.551×600+0.5×6.55=1.79MPa#38 封頭尺寸如下圖： 圖5 封頭尺寸 4.3容器法蘭的選擇 材料的選用是根據(jù)《工程材料使用手冊》選用DN600，榫槽密封面長頸對焊法蘭。法蘭也是個(gè)重要元件，選擇設(shè)計(jì)時(shí)也需要認(rèn)真考慮，它的尺寸大小，內(nèi)外徑等等。 表2 法蘭尺寸 公稱直徑DN/mm 法蘭尺寸/mm 螺柱 d 規(guī)格 數(shù)量 600 740 690 590 643 600 44 23 M22 28 圖6 容器法蘭 4.4 管板 管板，可以根據(jù)名字就可以看出，作為一塊板子，肯定是用來受壓的，一般強(qiáng)度要求很高，要滿足工藝條件，在設(shè)計(jì)時(shí)也要考慮這塊板子的結(jié)構(gòu)與換熱器相匹配，才能夠最大的展現(xiàn)實(shí)用性。 管板的最小厚度除滿足強(qiáng)度計(jì)算要求外，當(dāng)管板和換熱管采用焊接時(shí)，應(yīng)滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造的要求，且不小于12mm，當(dāng)管板采用復(fù)合管板，其復(fù)層的厚度應(yīng)不小于3mm。當(dāng)管板和換熱器采用脹接時(shí)，管板的最小厚度滿足表4，若管板采用復(fù)合管板，其復(fù)層最小厚度應(yīng)不小于10mm。并應(yīng)保證復(fù)層表面深度不小于8mm的復(fù)層化學(xué)成分和金相組織符合復(fù)層材料的要求。 表3 固定管板式換熱器的管板的主要尺寸 公稱直徑/mm b c d 螺栓孔數(shù) 600 730 690 598 643 36 10 23 28 下圖就是設(shè)計(jì)管板的基本尺寸： 圖7 管板 4.5 計(jì)算是否安裝膨脹節(jié) 管殼壁溫差所產(chǎn)生的軸向力為： F1=αEtt-tsAs+AtAsAt 代入數(shù)據(jù)計(jì)算得：F1=11.8×10-6×0.21×10-6×4515273+37268×15273×37268 =1.38×106N 作用于殼體上的軸向力： F2=QAsAs+At 其中Q=π4Di2-nd02Ps+nd0-2δt2Pt #39 =π4[(6002-211×252)×0.78+211×25-2×2.52×0.82] =0.194×106N 代入數(shù)據(jù)計(jì)算：F2=0.194×106×1527315273+37268=0.56×106N #40 作用于管子上的軸向力為：F3=QAsAs+At=0.194×106×1527315273+37268=0.56×106N#41 則σs=F1+F2As=1.38×106+0.056×10615273=94MPa