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科研訓練論文(文獻綜述)（題 目：換熱器科研訓練報告學生姓名：郭堆學 號：201220506038學 院：化工學院班 級：過程裝備與控制工程專業(yè) 12-2班 2016 年1 月?lián)Q熱器科研訓練報告郭堆，王紅內蒙古工業(yè)大學化工學院，呼和浩特，010051 摘要換熱器是將熱流體的部分熱量傳遞給冷流體，實現(xiàn)化工生產(chǎn)過程中熱量交換和傳遞不可缺少的設備。隨著我國工業(yè)的不斷發(fā)展，對能源利用、開發(fā)的合理性與有效性的要求不斷提高，因而對換熱器性能的要求也日益加強。特別是對換熱器的研究必須滿足各種特殊情況和苛刻條件的要求，對它的研究也就顯得更為重要。本文在查閱國內外眾多文獻的基礎上，對換熱器的發(fā)展背景、分類和用途進行了探索和研究，以換熱器的-設計過程為主線，結構設計為主體，全面介紹換熱器的設計全過程。通過查閱換熱器設計相關標準得出的數(shù)據(jù)，對列管式換熱器的進行設計，具體分為換熱器的熱工計算，結構計算和強度計算。關鍵詞： 換熱器 壓力容器 固定管板式引言 列管式換熱器在化工產(chǎn)品的生產(chǎn)中應用非常廣泛, 是乙炔法生產(chǎn)氯乙烯不可缺少的, 或者說是最關鍵的設備, 它的質量的好壞直接影響到化工企業(yè)的經(jīng)濟效益和安全問題。列管式換熱器在設計時還是存在著很多問題。在列管式換熱器的使用過程中, 經(jīng)常會出現(xiàn)換熱管和接管之間泄漏等現(xiàn)象, 這種問題的出現(xiàn)肯定有使用過程、管道內流體質量等原因, 但是這里所要討論的主要是列管式換熱器在設計過程出現(xiàn)的問題。12一、換熱器的發(fā)展背景 換熱器由于其在化工、石油、動力和原子能等工業(yè)部門的廣泛應用,使得換熱器的強化傳熱技術一直以來受到研究人員的重視,各種研究成果不斷涌現(xiàn)。中國換熱器產(chǎn)業(yè)起步較晚。20世紀80年代后，中國出現(xiàn)了自主開發(fā)傳熱技術的新趨勢，大量的強化傳熱元件被推向市場，國內傳熱技術高潮時期的代表作有折流桿換熱器、新結構高效換熱器、高效重沸器、高效冷凝器、雙殼程換熱器、板殼式換熱器、表面蒸發(fā)式空冷器等一批優(yōu)良的高效換熱器。 因此 ,幾十年來 ,高效換熱器的開發(fā)與研究始終是人們關注的課題 ,國內外先后推出了一系列新型高效換熱器。隨著現(xiàn)代工業(yè)的迅速發(fā)展,以能源為中心的環(huán)境、生態(tài)等問題日益加劇。世界各國在尋找新能源的同時,也更加注重了節(jié)能新途徑的研發(fā)。強化傳熱技術的應用不但能節(jié)約能源、保護環(huán)境,而且能大大節(jié)約投資成本。換熱器由于其在化工、石油、動力和原子能等工業(yè)部門的廣泛應用,使得換熱器的強化傳熱技術一直以來受到研究人員的重視,各種研究成果不斷涌現(xiàn)。二、換熱器的分類適用于不同介質、不同工況、不同溫度、不同壓力的換熱器，結構型式也不同，換熱器的具體分類如下：（一）、按傳熱原理分類1、間壁式換熱器間壁式換熱器是溫度不同的兩種流體在被壁面分開的空間里流動，通過壁面的導熱和流體在壁表面對流，兩種流體之間進行換熱。間壁式換熱器有管殼式、套管式和其他型式的換熱器。間壁式換熱器是目前應用最為廣泛的換熱器。2、蓄熱式換熱器 蓄熱式換熱器通過固體物質構成的蓄熱體，把熱量從高溫流體傳遞給低溫流體，熱介質先通過加熱固體物質達到一定溫度后，冷介質再通過固體物質被加熱，使之達到熱量傳遞的目的。蓄熱式換熱器有旋轉式、閥門切換式等。3、流體連接間接式換熱器流體連接間接式換熱器，是把兩個表面式換熱器由在其中循環(huán)的熱載體連接起來的換熱器，熱載體在高溫流體換熱器和低溫流體之間循環(huán)，在高溫流體接受熱量，在低溫流體換熱器把熱量釋放給低溫流體。4、直接接觸式換熱器又被稱為混合式換熱器，這種換熱器是兩種流體直接接觸，彼此混合進行換熱的設備，例如，冷水塔、氣體冷凝器等。5、復式換熱器兼有汽水面式間接換熱及水水直接混流換熱兩種換熱方式的設備。同汽水面式間接換熱相比，具有更高的換熱效率；同汽水直接混合換熱相比具有較高的穩(wěn)定性及較低的機組噪音。（二）、按用途分類1、加熱器 加熱器是把流體加熱到必要的溫度，但加熱流體沒有發(fā)生相的變化。2、預熱器 預熱器預先加熱流體，為工序操作提供標準的工藝參數(shù)。3、過熱器 過熱器用于把流體（工藝氣或蒸汽）加熱到過熱狀態(tài)。4、蒸發(fā)器 蒸發(fā)器用于加熱流體，達到沸點以上溫度，使其流體蒸發(fā)，一般有相的變化。（三）、按結構分類 可分為：浮頭式換熱器、固定管板式換熱器、U形管板換熱器、板式換熱器等。3、 換熱器的用途換熱器的應用廣泛，日常生活中取暖用的暖氣散熱片、汽輪機裝置中的凝汽器和航天火箭上的油冷卻器等，都是換熱器。它還廣泛應用于化工、石油、動力和原子能等工業(yè)部門。它的主要功能是保證工藝過程對介質所要求的特定溫度，同時也是提高能源利用率的主要設備之一在石油化工行業(yè)中，換熱器的應用非常廣泛，是一種非常常見的換熱設施，它占石油化工行業(yè)所有工藝設施投資的1/3以上?；诖耍斜匾钊氲匮芯渴突ば袠I(yè)中換熱器的種類及用途原理，從而切實在一定程度上提升換熱器的傳熱效率、降低換熱設施的投資，最終實現(xiàn)石油化工行業(yè)經(jīng)濟效益和社會效益的最大化。隨著世界能源問題的日益嚴峻以及化工產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，換熱器的應用需求非常廣泛，同時也在石油化工領域占據(jù)了很大的比例。四、列管式換熱器的設計步驟(一)、流體通道的選擇1不潔凈和易結垢的流體宜走管程，以便于清洗管子；2腐蝕性流體宜走管程，以免管束和殼體同時受腐蝕，而且管內也便于檢修和清洗；3高壓流體宜走管程，以免殼體受壓，并且可節(jié)省殼體金屬的消耗量；4飽和蒸汽宜走殼程，以便于及時排出冷凝液，且蒸汽較潔凈，不易污染殼程；5被冷卻的流體宜走殼程，可利用殼體散熱，增強冷卻效果；6有毒流體宜走管程，以減少流體泄漏；7粘度較大或流量較小的流體宜走殼程，因流體在有折流板的殼程流動時，由于流體流向和流速不斷改變，在很低的雷諾數(shù)（Re100）下即可達到湍流，可提高對流傳熱系數(shù)。但是有時在動力設備允許的條件下，將上述流體通入多管程中也可得到較高的對流傳熱系數(shù)。(二)、流體流速的選擇 換熱器中流體流速的增加，可使對流傳熱系數(shù)增加，有利于減少污垢在管子表面沉積的可能性，即降低污垢熱阻，使總傳熱系數(shù)增大。然而流速的增加又使流體流動阻力增大，動力消耗增大。因此，適宜的流體流速需通過技術經(jīng)濟核算來確定。充分利用系統(tǒng)動力設備的允許壓降來提高流速是換熱器設計的一個重要原則。在選擇流體流速時，除了經(jīng)濟核算以外，還應考慮換熱器結構上的要求。(3) 、流體兩端溫度的確定若換熱器中冷、熱流體的溫度都由工藝條件所規(guī)定，則不存在確定流體兩端溫度的問題。若其中一流體僅已知進口溫度，則出口溫度應由設計者來確定。例如用冷水冷卻一熱流體，冷水的進口溫度可根據(jù)當?shù)氐臍鉁貤l件作出估計，而其出口溫度則可根據(jù)經(jīng)濟核算來確定；為了節(jié)省冷水量，可使出口溫度提高一些，但是傳熱面積就需要增加；為了減小傳熱面積，則需要增加冷水量。(四)、管徑、管子排列方式和殼體直徑的確定 小直徑管子能使單位體積的傳熱面積大，因而在同樣體積內可布置更多的傳熱面?；蛘哒f，當傳熱面積一定時，采用小管徑可使管子長度縮短，增強傳熱，易于清洗。但是減小管徑將使流動阻力增加，容易積垢。對于不清潔、易結垢或粘度較大的流體，宜采用較大的管徑。因此，管徑的選擇要視所用材料和操作條件而定，總的趨向是采用小直徑管子。 管子的排列方式有等邊三角形、正方形直列和正方形錯列三種。等邊三角形排列比較緊湊，管外流體湍動程度高，對流傳熱系數(shù)大；正方形直列比較松散，對流傳熱系數(shù)較三角形排列時低，但管外壁清洗方便，適用于殼程流體易結垢的場合；正方形錯列則介于上述兩者之間，對流傳熱系數(shù)較直列高。管子在管板上的間距t跟管子與管板的連接方式有關：脹管法一般取t=（1.31.5）do，且相鄰兩管外壁的間距不小于6mm；焊接法取t=1.25do。換熱器殼體內徑應等于或稍大于管板的直徑。(5) 管程和殼程數(shù)的確定當流體的流量較小而所需的傳熱面積較大時，需要管數(shù)很多，這可能會使流速降低，對流傳熱系數(shù)減小。為了提高流速，可采用多管程。但是管程數(shù)過多將導致流動阻力增大，平均溫差下降，同時由于隔板占據(jù)一定面積，使管板上可利用的面積減少。設計時應綜合考慮。采用多管程時，一般應使各程管數(shù)大致相同。當列管式換熱器的溫差修正系數(shù)時，可采用多殼程，如殼體內安裝與管束平行的隔板。但由于在殼體內縱向隔板的制造、安裝和檢修都比較困難，故一般將殼體分為兩個或多個，將所需總管數(shù)分裝在直徑相等而較小的殼體中，然后將這些換熱器串聯(lián)使用。(六)、折流板折流板又稱折流擋板，安裝折流板的目的是為了提高殼程流體的對流傳熱系數(shù)。其常用型式有弓形折流板、圓盤形折流板以及螺旋折流板等。常用型式為弓形折流板。折流板的形狀和間距對殼程流體的流動和傳熱具有重要影響。通常弓形缺口的高度約為殼體直徑的10%40%，一般取20%25%。兩相鄰折流板的間距也需選擇適當，間距過大，則不能保證流體垂直流過管束，流速減小，對流傳熱系數(shù)降低；間距過小，則流動阻力增大，也不利于制造和檢修。一般折流板的間距取為殼體內徑的20%100%。(七)、換熱器中傳熱與流體流動阻力計算 有關列管式換熱器的傳熱計算可按已選定的結構型式，按前一章相關內容，根據(jù)傳熱過程各個環(huán)節(jié)分別計算出兩側流體的對流傳熱熱阻及導熱熱阻，得到總傳熱系數(shù)，再按本章前述內容進行換熱器傳熱計算。列管式換熱器中流動阻力計算應按殼程和管程兩個方面分別進行。它與換熱器的結構型式和流體特性有關。一般對特定型式換熱器可按經(jīng)驗方程計算，計算式比較繁雜，具體內容可參閱有關的換熱器設計教科書或手冊。(八)、列管式換熱器的選用和設計的一般步驟：1.估算傳熱面積，初選換熱器型號（1）根據(jù)傳熱任務，計算傳熱速率；（2）確定流體在換熱器中兩端的溫度，并按定性溫度計算流體物性；（3）計算傳熱溫差，并根據(jù)溫差修正系數(shù)不小于0.8的原則，確定殼程數(shù)或調整加熱介質或冷卻介質的終溫；（4）根據(jù)兩流體的溫差，確定換熱器的型式；（5）選擇流體在換熱器中的通道；（6）依據(jù)總傳熱系數(shù)的經(jīng)驗值范圍，估取總傳熱系數(shù)值；（7）依據(jù)傳熱基本方程，估算傳熱面積，并確定換熱器的基本尺寸或按系列標準選擇換熱器的規(guī)格；（8）選擇流體的流速，確定換熱器的管程數(shù)和折流板間距。2計算管程和殼程流體的流動阻力根據(jù)初選的設備規(guī)格，計算管程和殼程流體的流動阻力，檢查計算結果是否合理和滿足工藝要求。若不符合要求，再調整管程數(shù)或折流板間距，或選擇其他型號的換熱器，重新計算流動阻力，直到滿足要求為止。3. 計算傳熱系數(shù)校核傳熱面積，計算管程、殼程的對流傳熱系數(shù)，確定污垢熱阻，計算傳熱系數(shù)和所需的傳熱面積。一般選用換熱器的實際傳熱面積比計算所需傳熱面積大10%25%，否則另設總傳熱系數(shù)，另選換熱器，返回第一步，重新進行校核計算。結論:在換熱器設計中要綜合考慮多種因素,如介質流速、壓力降、膜傳熱系數(shù)(如果內外側膜傳熱系數(shù)相差較大,則其中一側明顯成為傳熱的控制阻力,應盡量提高控制側的傳熱系數(shù),以提高總傳熱系數(shù))、以及面積余量等,并盡量選擇標準換熱器以減少投資。還應根據(jù)實際工程需要結合實際工作經(jīng)驗方可設計出經(jīng)濟合理的換熱器。 根據(jù)工程應用實際，換熱器的設計時應遵從如下規(guī)則: (1) 初始參數(shù)確定、換熱管尺寸、殼體類型、管束布置方式、折流板形狀等信息確定; (2) 選擇折流板切割率的初始值; (3) 結合 Poddar 給出的參考圖進行判斷。參考文獻1 支浩； 湯慧萍； 朱紀磊；換熱器的研究發(fā)展現(xiàn)狀2 鄭雪蘋； 孫俊杰； 李寶安；新型換熱器的發(fā)展趨勢3 支浩； 湯慧萍； 朱紀磊； 換熱器的研究發(fā)展現(xiàn)狀4 劉月芹 淺談?chuàng)Q熱器的分類和特點5 郭亞東 淺談?chuàng)Q熱器的分類及應用前景6 董旭宇 閻依強 李想 高鵬翔 石油化工行業(yè)中換熱器的種類及用途原理7 王瑤 石油化工行業(yè)中換熱器的種類及用途原理 8 李云花 U形管式換熱器的研究與優(yōu)化設計9 徐元敏；列管式換熱器設計的幾個問題10D. L. Astanovskii