畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）浮頭式換熱器的設(shè)計(jì)

1、1摘摘 要要隨著石油化工行業(yè)的迅速發(fā)展，換熱器在石化行業(yè)設(shè)備中占據(jù)著重要的部分和地位。換熱器是一種實(shí)現(xiàn)物料之間能量傳遞的設(shè)備，本設(shè)計(jì)主要是針對(duì)的浮頭式換熱器，浮頭式換熱器屬于管殼式換熱器的一種，是利用間壁使高溫流體和低溫流體進(jìn)行對(duì)流傳熱從而實(shí)現(xiàn)物料間的熱量傳遞。在設(shè)計(jì)的整個(gè)過程中，嚴(yán)格按照 gb150-1998鋼制壓力容器和 gb151-1999管殼式換熱器等標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)和計(jì)算。以及對(duì)換熱器的強(qiáng)度，剛度和穩(wěn)定性的校核。本設(shè)計(jì)包括四個(gè)部分：說(shuō)明部分；計(jì)算部分；繪圖部分和翻譯部分。說(shuō)明部分主要闡述了浮頭式換熱器的工藝流程及其在煉油化工生產(chǎn)中的地位，換熱器設(shè)備及其發(fā)展現(xiàn)狀和國(guó)內(nèi)外換熱器的最新發(fā)展趨勢(shì)

2、，同時(shí)介紹了換熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，換熱器主要零部件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及壓力容器常用材料等。最后對(duì)壓力容器的制造，檢驗(yàn)和驗(yàn)收等問題也作了簡(jiǎn)單的介紹。計(jì)算部分主要針對(duì)筒體，封頭，和法蘭進(jìn)行了詳細(xì)計(jì)算，并對(duì)其進(jìn)行了水壓試驗(yàn)校核，還對(duì)換熱器的管板，折流板，鞍座等進(jìn)行了相關(guān)的設(shè)計(jì)計(jì)算。除此之外，還參閱相關(guān)的設(shè)計(jì)手冊(cè)及大量的文獻(xiàn)，完成了各個(gè)零件圖的繪制，還對(duì)兩萬(wàn)字符的外文進(jìn)行了翻譯等工作。因此，這是份比較具有創(chuàng)新性的畢業(yè)設(shè)計(jì)。關(guān)鍵詞：浮頭式換熱器；筒體；壓力試驗(yàn)；校核2abstractwith the oil of the rapid development of the chemical industry, hea

3、t exchanger equipment in the petrochemical industry occupies an important part and status. is a heat exchanger to achieve energy transfer between the materials of the equipment, mainly for the design of the floating head heat exchanger, floating head heat exchangers are shell and tube heat exchanger

4、 type is the use of partitions so that high-temperature fluid and low-temperature fluid for convective heat transfer in order to achieve the heat transfer between materials.in the design of the whole process, in strict accordance with gb150-1998 steel pressure vessels and gb151-1999 shell and tube h

5、eat exchanger and other standards for the design and calculation. as well as the heat exchanger strength, stiffness and stability of the check.the design includes four parts: that part of it; calculation part; mapping and translation of some parts. note on some of the main floating head heat exchang

6、er and its application in the process of refining the position of chemical production, heat exchanger and the development of equipment and heat exchangers at home and abroad the latest development trends, at the same time introduced the structure of heat exchanger design, heat exchanger design of th

7、e structure of the main components and pressure vessels commonly used materials. finally, pressure vessel manufacturing, testing and acceptance of other issues also made a brief introduction. calculated for some of the main cylinder, head, and carried out a detailed calculation of the flange, and 3i

8、ts hydraulic test checking, but also on the heat exchanger tube sheet, baffle, such as a saddle-related design calculation. in addition, see the related design manuals and a lot of literature, completed the mapping of various parts, but also on the20,000 foreign-language characters for the translati

9、on work. therefore, it is a comparison of graduates with innovative design.key words: : floating head heat exchanger; cylinder; pressure test; check4目錄目錄1 1 前言前言.1 11.1 管殼式換熱器的分類 .11.2 管殼式換熱器的結(jié)構(gòu) .21.2.1 管束 .21.2.2 殼程 .31.2.3 管子的排列方式 .31.2.4 管板 .31.2.5 折流板與折流桿 .31.3 管殼式換熱器相關(guān)分析 .41.3.1 傳熱系數(shù) .41.3.2 平均

10、溫差 .41.3.3 流體流速 .41.3.4 流體壓降 .41.3.5 振動(dòng) .41.3.6 其他 .41.4 提高管殼式換熱器傳熱能力的措施 .51.5 管殼式換熱器工作原理 .61.6 管殼式換熱器的發(fā)展 .71.6.1 板式支承結(jié)構(gòu)的發(fā)展 .71.6.2 桿式支承結(jié)構(gòu)的發(fā)展 .751.6.3 空心環(huán)支承結(jié)構(gòu) .81.6.4 管式自支承 .91.7 管殼式換熱器特點(diǎn) .101.8 管殼式與其他換熱器的比較 .111.9 腐蝕與防護(hù) .141.9.1 換熱器腐蝕的原因 .141.9.2 管殼式換熱器的防腐蝕措施 .161.10 換熱器設(shè)計(jì)軟件簡(jiǎn)介 .191.10.1htfs.201.10.

11、2 htri.211.10.3 aspen plus bjac.221.11 結(jié)語(yǔ).232 2 設(shè)計(jì)部分設(shè)計(jì)部分.24242.1 浮頭式換熱器筒體的計(jì)算： .242.1.1 計(jì)算條件 .242.1.2 厚度的計(jì)算 .242.2 前后端管箱封頭的計(jì)算 .252.2.1 設(shè)計(jì)條件 .252.2.2 厚度計(jì)算 .252.2.3 壓力試驗(yàn)應(yīng)力校核 .262.2.4 壓力試驗(yàn)應(yīng)力校核 .2762.3 帶法蘭無(wú)折邊球形封頭及法蘭計(jì)算 .272.3.1 設(shè)計(jì)條件 .272.3.2 厚度計(jì)算 .282.4 管子排列方式的設(shè)計(jì) .312.5 開孔補(bǔ)強(qiáng)的計(jì)算 .312.5.1 筒體開孔所需的補(bǔ)強(qiáng)面積要求 .322

12、.5.2 在有效補(bǔ)強(qiáng)范圍內(nèi)作為補(bǔ)強(qiáng)的截面積 .322.5.3 選擇補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng) .332.6 外頭蓋法蘭厚度計(jì)算 .332.6.1 設(shè)計(jì)條件 .332.6.2 厚度計(jì)算 .342.7 管板的厚度計(jì)算 .382.7.1 設(shè)計(jì)條件 .382.7.2 計(jì)算各參數(shù) .392.7.3 厚度計(jì)算 .412.7.4 校核換熱管軸向力 .423 3 致致 謝謝 .45454 4 參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn) .464671 前言換熱器是一種實(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 。尤其是換熱器在化工生產(chǎn)裝置中應(yīng)

13、用十分廣泛，是化工操作單元中的重要組成部分。隨著工業(yè)裝置的大型化和高效率化，換熱器也趨于大型化。目前在大型化工生產(chǎn)裝置中，各種換熱設(shè)備的數(shù)量占工藝設(shè)備數(shù)量的30以上。因此，了解換熱器各方面知識(shí)是很有必要的。換熱器種類繁多，形式各異，如管殼式、釜式、板式、板翅式、螺旋板式、空冷器、套管式、蛇管式、升降膜式等。由于管殼式換熱器易于制造、適應(yīng)性強(qiáng)、處理量大、成本較低以及可供選用的材料范圍廣泛，仍是當(dāng)前應(yīng)用最廣，理論研究和設(shè)計(jì)技術(shù)最完善，性能可靠的一類換熱器，所以這里我們重點(diǎn)研究這它們。1.1 管殼式換熱器的分類根據(jù)管殼式換熱器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可分為固定管板式、浮頭式、u形管式、填料函式及釜式重沸器等五類

14、，每種結(jié)構(gòu)形式各自發(fā)揮不同的作用。固定管板式換熱器它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊、造價(jià)低，往往是管板兼法蘭，適用于管、殼程溫差不大或管、殼程溫差大，但壓力不高，殼程介質(zhì)干凈或雖結(jié)垢但通過化學(xué)清洗能清除的場(chǎng)合。其主要缺點(diǎn)是當(dāng)殼體與管子的壁溫或材料的線膨脹系數(shù)相差較大時(shí)，在殼體與管中將產(chǎn)生很大的溫差應(yīng)力。浮頭式換熱器管束一端的管板可以自由移動(dòng)，不受溫差應(yīng)力的影響，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，內(nèi)浮頭密封困難，鍛件多，造價(jià)高。維修時(shí)可拆卸浮頭，抽出管束進(jìn)行檢修或更換，適用于管、殼程溫差大但工作壓力不超過10 mpa的工況，缺點(diǎn)是需要8抽出管束。還有一種浮頭式換熱器也稱為填料函式換熱器，其管束可自由伸縮，殼程和管程都可以拆開清洗，結(jié)

15、構(gòu)簡(jiǎn)單，適用管、殼程溫差大工況，但其耐壓、耐溫及密封能力差，目前只是在低壓與小直徑的場(chǎng)合下使用。u形管式換熱器管束可自由伸縮，只有一塊管板，密封面少，管束與殼體分離，消除了溫差應(yīng)力，可抽芯檢修更換。適用場(chǎng)合為管、殼程溫差大，高溫，高壓。殼程需抽芯清洗，要求管內(nèi)介質(zhì)干凈或雖會(huì)結(jié)垢但通過化學(xué)清洗能清除。其他類型就不予解釋。1.2 管殼式換熱器的結(jié)構(gòu)圖1.管殼式換熱器示意圖1.2.1 管束在管殼式換熱器中最簡(jiǎn)單的是單管程的換熱器，如需增加傳熱面，一般采用增加管數(shù)的方法，管數(shù)增加后可將管束分程，以防止管數(shù)增加后引起管內(nèi)流速以9及傳熱系數(shù)的降低，從制造、安裝、操作的角度考慮，一般采用偶數(shù)管程且程數(shù)不宜太

16、多。1.2.2 殼程圖2.列出了幾種代號(hào)的殼程型式。e型是最普通的一種，殼程是單程的，管程可為單程也可為多程；f型為二殼程的換熱器，是在殼體中裝入了一塊平行于管子軸線方向的縱向隔板；g型也為二殼程的換熱器，縱向隔板從管板的一段移開使殼程流體得以分流；h型與g型相似，但進(jìn)出口接管與縱向隔板均多一倍。圖2.換熱器的殼程型式1.2.3 管子的排列方式管子在管板上的排列方式最常見的有4種：正三角排列、轉(zhuǎn)角正三角形排列、正方形排列和轉(zhuǎn)角正方形排列。1.2.4 管板管板是換熱器的重要部件之一，用來(lái)排布換熱管并起著分隔管程、殼程空間的作用。薄管板有著節(jié)省材料的優(yōu)點(diǎn)，是用于中、低壓換熱器中；橢圓形管板與換熱器

17、的殼焊接在一起，受力條件較好，適用于高壓、大直徑的換熱器。1.2.5 折流板與折流桿折流板體有助于提高殼程的流速，增強(qiáng)湍動(dòng)，改善傳熱，在臥式換熱器中起支承管束的作用。常用的折流板有單弓形、雙弓形、三重弓形等。折流桿是一種10新型支承管子的結(jié)構(gòu)，其優(yōu)點(diǎn)：在傳熱量相同的情況下，其壓力降比弓形折流板的換熱器降低50 以上，沒有傳熱死區(qū)，結(jié)垢速率慢，防止了橫向流誘發(fā)的振動(dòng)。1.3 管殼式換熱器相關(guān)分析1.3.1 傳熱系數(shù)在管側(cè)熱阻、殼側(cè)熱阻、污垢熱阻和管壁熱阻中分析導(dǎo)致熱阻的主要原因。一般管殼式換熱器的管壁熱阻在總熱阻中只占很小的比例，對(duì)傳熱系數(shù)影響不大。如是管側(cè)熱阻或殼側(cè)熱阻起決定作用，應(yīng)該采取措施

18、有效地增強(qiáng)湍動(dòng)效果以提高傳熱系數(shù)，如是污垢熱阻起決定作用，應(yīng)該采取措施使換熱器有效除垢以提高傳熱系數(shù)。1.3.2 平均溫差平均溫差是對(duì)數(shù)平均溫差，但當(dāng)多管程或多殼程時(shí)，需要修正平均溫差。1.3.3 流體流速一般流體流速都有合理的范圍，特別是對(duì)于甲類和乙類流體還有安全流速，因此要分析流速是否合理，操作安全性是否可靠。1.3.4 流體壓降其實(shí)流體壓降與流速有密切關(guān)聯(lián)，要分析壓降是否合理，是否滿足工藝要求。1.3.5 振動(dòng)振動(dòng)對(duì)于操作的安全性十分重要，因此對(duì)振動(dòng)的分析也必不可少。1.3.6 其他11換熱器的長(zhǎng)徑比、介質(zhì)走向、防沖板的設(shè)置、折流板間距、換熱器清洗等問題也要在設(shè)計(jì)中加以注意。經(jīng)過結(jié)果分析

19、后，一切參數(shù)均能滿足工藝要求，換熱器的工藝設(shè)計(jì)才能完成。1.4 提高管殼式換熱器傳熱能力的措施管殼式換熱器的傳熱能力是由殼程換熱系數(shù)、管程換熱系數(shù)和換熱器冷、熱介質(zhì)的對(duì)數(shù)平均溫差決定的，因此，提高管殼式換熱器傳熱能力的措施包括以下幾點(diǎn)。a.提高管殼式換熱器冷、熱介質(zhì)的平均對(duì)數(shù)溫差。冷、熱介質(zhì)平均對(duì)數(shù)溫差除直接受冷、熱介質(zhì)進(jìn)出口溫度影響外，還受到冷、熱介質(zhì)的流動(dòng)方向和換熱流程的影響。當(dāng)換熱器冷、熱流體的溫度沿傳熱面變化時(shí)，兩種流體逆流平均溫差最大，順流平均溫差最小，在實(shí)際換熱器設(shè)計(jì)中，冷、熱流體多采用交錯(cuò)流方式，其平均對(duì)數(shù)溫差介于逆流和順流之間。因此，應(yīng)盡量增加換熱器冷、熱流體的逆流比例，提高冷

20、、熱流體的對(duì)數(shù)平均溫差，提高換熱器的傳熱能力。b.合理確定管程和殼程介質(zhì)。在換熱器設(shè)計(jì)中，對(duì)于殼程安裝折流板的換熱器來(lái)說(shuō)，re100時(shí)，殼程介質(zhì)即達(dá)湍流，因此，對(duì)于流量小或粘度大的介質(zhì)優(yōu)先考慮作為殼程換熱介質(zhì)；由于管程清洗相對(duì)于殼程清洗要容易，因此對(duì)于易結(jié)垢、有沉淀及雜物的介質(zhì)宜走管程；從經(jīng)濟(jì)性考慮，對(duì)于高溫、高壓或腐蝕性強(qiáng)的介質(zhì)，作為管程換熱介質(zhì)更加合理；對(duì)于剛性結(jié)構(gòu)的換熱器，若冷、熱介質(zhì)溫差大，因壁面溫度與換熱系數(shù)大的介質(zhì)溫度接近，為減小管束與殼體的膨脹差，換熱系數(shù)大的介質(zhì)走殼程更加合理，而冷、熱介質(zhì)溫差小，兩介質(zhì)換熱系數(shù)相差大，換12熱系數(shù)大的介質(zhì)走管程更加合理。c.采用強(qiáng)化管殼式換熱器

21、傳熱的結(jié)構(gòu)措施。在換熱器設(shè)計(jì)中，通常采用強(qiáng)化傳熱的措施來(lái)提高換熱器的傳熱能力。強(qiáng)化傳熱的常用措施有：采用高效能傳熱面、靜電場(chǎng)強(qiáng)化傳熱、粗糙壁面、攪拌等。1.5 管殼式換熱器工作原理圖3為固定管板式換熱器的構(gòu)造。a流體從接管1流入殼體內(nèi)，通過管間從接管2流出。b流體從接管3流入,通過管內(nèi)從接管4流出。如果a流體的溫度高于b流體,熱量便通過管壁由a流體傳遞給b流體；反之，則通過管壁由b流體傳遞給a流體。殼體以內(nèi)、管子和管箱以外的區(qū)域稱為殼程，通過殼程的流體稱為殼程流體 (a流體)。管子和管箱以內(nèi)的區(qū)域稱為管程,通過管程的流體稱為管程流體(b流體)。管殼式換熱器主要由管箱、管板、管子、殼體和折流板等

22、構(gòu)成。通常殼體為圓筒形;管子為直管或u形管。為提高換熱器的傳熱效能，也可采用螺紋管、翅片管等。管子的布置正如上面所提到的有等邊三角形、正方形、正方形斜轉(zhuǎn)45度和同心圓形等多種形式，前3種最為常見。按三角形布置時(shí)，在相同直徑的殼體內(nèi)可排列較多的管子，以增加傳熱面積，但管間難以用機(jī)械方法清洗，流體阻力也較大。管板和管子的總體稱為管束。管子端部與管板的連接有焊接和脹接兩種。在管束中橫向設(shè)置一些折流板，引導(dǎo)殼程流體多次改變流動(dòng)方向，有效地沖刷管子，以提高傳熱效能，同時(shí)對(duì)管子起支承作用。折流板的形狀有弓形、圓形和矩形等。為減小殼程和管程流體的流通截面、加快流速，以提高傳熱效能，可在管箱和殼體內(nèi)縱向設(shè)置分

23、程隔板，將殼程分為2程和將管程分為2程、4程、6程和8程等。管殼式換熱器的傳熱系數(shù)，在水-水換熱時(shí)為14002850瓦每平方米每攝氏度13w/(m();用水冷卻氣體時(shí),為10280w/(m()；用水冷凝水蒸汽,為5704000w/(m()。1.6 管殼式換熱器的發(fā)展1.6.1 板式支承結(jié)構(gòu)的發(fā)展傳統(tǒng)的管殼式換熱器采用單弓形折流板支承，由于殼程流體在轉(zhuǎn)折和進(jìn)出口兩端渦流的滯留區(qū)易產(chǎn)生傳熱死區(qū)，傳熱面積無(wú)法得到充分利用，并且當(dāng)流體橫向流過管束時(shí)，流體在管子后方形成的卡門旋渦產(chǎn)生周期性交變應(yīng)力，使管子發(fā)生流體誘導(dǎo)振動(dòng) 。為了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

24、、網(wǎng)狀板，偏心孔折流板。這些新型折流板支承結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)主要是為了使流體由橫向流動(dòng)變?yōu)榭v向流動(dòng)，從而盡可能消除死區(qū)，使得傳熱綜合性能得到提高，也使得管束的抗振性能得到增強(qiáng)。1.6.2 桿式支承結(jié)構(gòu)的發(fā)展美國(guó)菲利浦石油公司于2o世紀(jì)7o年代，為了改進(jìn)板式換熱器中管子與折流板14的切割破壞和流體誘導(dǎo)作用，開發(fā)了殼程流體縱流折流桿式換熱器，即在管子中插入網(wǎng)桿，不僅解決了誘導(dǎo)振動(dòng)問題，也使傳熱效率得到了提高。這種殼程流體縱流折流桿式換熱器 與傳統(tǒng)的板式換熱器相比，具有傳熱效率高、流體阻力小、有效消除流體誘導(dǎo)振動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)，且不易結(jié)垢、質(zhì)量輕、使用壽命長(zhǎng)、設(shè)備投資及操作費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn) 。 因此世界各同對(duì)該類型的換

25、熱器進(jìn)行了深入的研究，出現(xiàn)了一種新的抗振結(jié)構(gòu)的直扁鋼條；后來(lái)又有一些單位把圓桿變成波形扁鋼；由于圓桿在安裝上比較閑難，又有一些單位提出了把圓桿變?yōu)闄E圓截面的桿。1.6.3 空心環(huán)支承結(jié)構(gòu)空心環(huán)支承(圖4)是由華南理工大學(xué)化學(xué)工程研究所鄧先和等首先研究的，它是由直徑較小的鋼管截成短節(jié)，均勻分布在換熱管之間的同一截面上，呈線性接觸，在緊固裝置螺栓力的作用下，使管束對(duì)緊密固定。由于流體縱向沖刷管束，因此殼程具有流體阻力小、傳熱性能好及抗振能力強(qiáng)等特點(diǎn)。研究表明，當(dāng)支承同樣的強(qiáng)化管束(即橫紋管束)時(shí)，空心環(huán)支承結(jié)構(gòu)更能使粗糙管束獲得更好的強(qiáng)化效果，在同等殼程條件下給熱系數(shù)高50以上，并且殼程壓力更小。

26、空心環(huán)支承的繞流作用不如折流桿支承，而且管束固定工藝相對(duì)較復(fù)雜。15圖4.空心環(huán)支撐結(jié)構(gòu)1.6.4 管式自支承管子自支承的共同特點(diǎn)是靠管子自身變形的突出部位相互支承，無(wú)需其它支承物。因此，管子排列緊湊，單位體積內(nèi)的換熱面積增大，管子間距小，可提高殼程流速，支承點(diǎn)干擾流體并分割流體邊界層，從而增強(qiáng)湍流度，使傳熱邊界層減薄。傳熱管的截面形狀的變化對(duì)管內(nèi)、外流體的傳熱都具有強(qiáng)化作用。管式自支承結(jié)構(gòu)主要有三種形式：刺孔膜片式，螺旋扁管式和變截面管式。(1)刺孔膜片式(圖5a)。在每根換熱管兩側(cè)相距180。開溝槽，溝槽中嵌焊沖有孔和毛刺的膜片。膜片上的毛刺具有擾流作用，增大了流體湍流程度；同時(shí)，使得流體

27、通過ib-fl實(shí)現(xiàn)了昆合。由于刺孔膜片嵌焊在管壁上，是管壁的延伸，增大了單位體積的有效傳熱面積。刺和孔不斷使換熱表面上的邊界層更新，使層流厚度減薄，提高傳熱系數(shù)，殼程流體完全縱向流動(dòng)，阻力主要是液體的粘性力，因此殼程壓力變得很低。(2)螺旋扁管式(圖5b)。把圓管軋制或橢圓管扭曲成一定導(dǎo)程的螺旋扁管，16靠相鄰的管長(zhǎng)軸處的點(diǎn)接觸支承管子。殼程流體大體上呈縱向流動(dòng)，同時(shí)伴隨有橫向螺旋運(yùn)動(dòng)。這種流速和流向的周期性改變加強(qiáng)了流體的軸向混合和湍流度。同時(shí)，流體流經(jīng)相鄰管子的螺旋線接觸點(diǎn)后形成脫離管壁的尾流，增加了流體自身的湍流度，破壞了流體在管壁上的傳熱邊界層，從而強(qiáng)化了傳熱。(3)變截面管式(圖5c

28、)。變截面管是普通圓管壓制而成的，相隔一定間距管子被壓制成互成60度(三角形布管)或90度(正方形布管)的扁圓形截面。這種管通過變徑部分的點(diǎn)接觸支承管子，同時(shí)組成殼程的繞流元件。因此，管子排列緊湊，單位體積內(nèi)的換熱面積增大。由于管問距小，使得殼程流速得以提高，從而增強(qiáng)湍流度，使得管壁上的傳熱邊界層減薄。同時(shí)，換熱管的截面形狀的變化對(duì)管內(nèi)、外流體的傳熱都具有強(qiáng)化作用。圖5.自支承管及其自支承結(jié)構(gòu)17總體來(lái)說(shuō)，管殼式換熱器的發(fā)展總體上是支承形式的發(fā)展，從板式支承到折流桿式支承，再到空心環(huán)支承，最后到管子的自支承當(dāng)然其間也有交錯(cuò)發(fā)展的情況。隨著支承形式的發(fā)展，管殼式換熱器的殼程給熱系數(shù)呈現(xiàn)不斷提高的

29、趨勢(shì)，壓降呈現(xiàn)不斷下降的趨勢(shì)，換熱器的傳熱綜合性能得到很大的提高。從管殼式換熱器的發(fā)展可知，新的支承結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)，絕大多數(shù)是為了使流體的流動(dòng)方式盡可能變?yōu)榭v向流，這樣有利于管程和殼程的熱交換，從而提高傳熱系數(shù)，同時(shí)伴隨著壓降的降低，使得傳熱綜合性能得到很大的提高。1.7 管殼式換熱器特點(diǎn)管殼式換熱器是換熱器的基本類型之一，19世紀(jì)80年代開始就已應(yīng)用在工業(yè)上。這種換熱器結(jié)構(gòu)堅(jiān)固,處理能力大、選材范圍廣，適應(yīng)性強(qiáng)，易于制造,生產(chǎn)成本較低，清洗較方便，在高溫高壓下也能適用。但在傳熱效能、緊湊性和金屬消耗量方面不及板式換熱器、板翅式換熱器和板殼式換熱器等高效能換熱器先進(jìn)。1.8 管殼式與其他換熱器的比

30、較這里我們主要研究管殼式與板式換熱器的不同點(diǎn)。（1)流動(dòng)傳熱設(shè)計(jì)比較管殼式換熱器的管子是換熱器的基本構(gòu)件，它為在管內(nèi)流過一種流體和穿越管外的另一種流體之間提供傳熱面。根據(jù)兩側(cè)流體的性質(zhì)決定管子材料，將具有腐蝕性，水質(zhì)差的介質(zhì)放在管內(nèi)流動(dòng)，水質(zhì)較好的介質(zhì)放在管子外殼側(cè)，這樣管子只需采用耐海水腐蝕的銅官或鈦管，同時(shí)清洗污垢較為方便，管徑從傳熱流體力學(xué)角度考慮，在給定殼體內(nèi)使用小直徑管子，可以得到更大的表面密度，但大18多數(shù)流體會(huì)在管子表面上沉積污垢層，尤其管內(nèi)水質(zhì)較差，可能會(huì)在管壁上形成沉積物，將傳熱惡化并使定期的清洗工作成為必要，管子清洗限制管徑最小約為 17mm。對(duì)給定的流體，污垢形成主要受管

31、壁溫度和流速的影響，為得到合理的維修周期，管內(nèi)側(cè)水的流速應(yīng)在2m/s左右。對(duì)管殼式換熱器，應(yīng)根據(jù)水質(zhì)含雜量情況需設(shè)置膠球清洗裝置進(jìn)行定期清洗。板式換熱器的兩種熱交換介質(zhì)分別在波紋板的兩側(cè)對(duì)流，波紋采用人字形波紋，這樣既增強(qiáng)了剛度以防止板片受壓變形，同時(shí)也增強(qiáng)了流體的湍流程度，并加大了傳熱面積。這些傳熱板的波紋斜交，即在相鄰的傳熱板上具有傾斜角相同而方向不同的波紋。沿流動(dòng)方向橫截面積是恒定的，但是由于流動(dòng)方向不斷變化致使流道形狀改變，而引起湍流。板片是傳熱元件，一般由0.60.8mm的金屬板壓制成波紋狀，傳熱板的波紋深度為35mm，湍流區(qū)流速約為030.8m/s，相鄰板間要有許多接觸點(diǎn)，以承受正

32、常的工作壓力，相鄰的板有相反方向的人字形溝槽，兩種溝槽的交叉點(diǎn)就形成接觸點(diǎn)，這樣還可消除振動(dòng)，并且在促進(jìn)湍流和熱交換的同時(shí)，消除了由于疲勞裂縫引起的內(nèi)部泄漏。人字形波紋板湍流度較高，高湍流還能充分發(fā)揮清洗作用，可以特別有效的將沉積污垢減至最小，但是波紋板的接觸點(diǎn)較多，當(dāng)液體水質(zhì)差，含有懸浮的固體顆粒、雜物和水草等時(shí)，由于板間隙很窄，所以要盡可能地保證將所有2 mm以上顆粒在進(jìn)人換熱器以前，都要過濾掉,假如濾網(wǎng)不能有效地發(fā)揮作用，就容易發(fā)生堵塞。(2)傳熱系數(shù)的比較管殼式換熱器中，一種流體橫向掠過管子通過管壁與管內(nèi)流動(dòng)的另一種流體彼此垂直交叉流動(dòng)，其傳熱系數(shù)k值一般為10003000 w(m2k

33、)。板式換熱器19中，冷卻水側(cè)與被冷卻水側(cè)流動(dòng)均勻湍流，兩種流體逆向流動(dòng)，由于波紋的作用引起湍流，從而產(chǎn)生高傳熱率，并抑制了污垢在傳熱面上形成。其傳熱系數(shù)一般為35005600 w(m2k)，故傳熱系數(shù)高，而阻力損失并不大。此外，污垢熱阻也較小。(3)占地面積比較用于同一工況的板式換熱器的占地面積，約為管殼式換熱器的五分之一左右，這是因?yàn)榘迨綋Q熱器的總傳熱系數(shù)高，減少了換熱面積，并且板式換熱器本身結(jié)構(gòu)緊湊，單位體積內(nèi)的換熱面積，約為管殼式換熱器的2倍，又不需附加的檢修場(chǎng)地。(4)多種介質(zhì)換熱管殼式換熱器不能進(jìn)行多種介質(zhì)操作。在一臺(tái)板式換熱器中，只要設(shè)置中間隔板，就可以進(jìn)行多種介質(zhì)的換熱，這一特

34、點(diǎn)是管殼式換熱器難以達(dá)到的。乳品、飲料行業(yè)中，利用板式換熱器這一優(yōu)點(diǎn)，可用同一臺(tái)板式換熱器來(lái)實(shí)現(xiàn)加熱、殺菌、熱回收等幾種操作。另外，可根據(jù)需要用調(diào)節(jié)板片數(shù)目的辦法來(lái)增減傳熱面積，或利用板片排列方式不同來(lái)調(diào)節(jié)流道長(zhǎng)短的辦法，來(lái)適應(yīng)冷熱流體流量和溫度變化的要求。(5)對(duì)數(shù)平均溫差t1m冷、熱流體在板式換熱器的板間流動(dòng)，是平行的流動(dòng)，且一般可以設(shè)計(jì)成逆流的方式，因此溫差修正系數(shù)高于管殼式換熱器以錯(cuò)流為主的流動(dòng)方式的溫差修正系數(shù)，其結(jié)果是板式換熱器的對(duì)數(shù)平均溫差大于管殼式換熱器。(6)末端溫差的比較20末端溫差是指一流體人口溫度與另一流體出口溫度之差。管殼式換熱器傳熱末端差難以達(dá)到5以下。板式換熱器的

35、流道是相互平行的，一程內(nèi)的流體(程內(nèi)有多個(gè)流道)雖然流量分配并不十分均勻，但程與程之間不會(huì)有短路、旁路等現(xiàn)象，流體在流道內(nèi)的運(yùn)動(dòng)不會(huì)有任何影響末端溫差的現(xiàn)象。由于它的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可以經(jīng)濟(jì)地做到低至l的端差。(7)水量比較管殼式換熱器一般冷卻水量和被冷卻水量之比為1.22.5:1。板式換熱器，由于2種介質(zhì)流道基本相同且傳熱效率高，因此板式換熱器可大大降低冷卻水量，一般冷卻水量和被冷卻水量之比為0.81.1:1，這樣可以降低管道閥門和泵的安裝運(yùn)行費(fèi)用。(8)安裝檢修的比較管殼式換熱器是由管束組成，自身重量體積都較大，在檢修抽管時(shí)需要留出管束一樣長(zhǎng)的距離，故占地較多，還需配備必要的起吊檢修設(shè)施。管殼式換

36、熱器的設(shè)計(jì)壽命一般為30年，大修周期4年，當(dāng)換熱器發(fā)生泄漏時(shí)，(可能是管子與管板間的泄漏或是管子破裂引起的泄漏)可以采用堵管的辦法在短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)工作性能，管殼式換熱器允許有7的堵管裕量。對(duì)于管內(nèi)的清洗可以根據(jù)需要采用膠球清洗裝置進(jìn)行定期的機(jī)械清洗。板式換熱器具有體積小，重量輕的特點(diǎn)，檢修方便，不需設(shè)檢修起吊設(shè)施，故安裝占地較少。板式換熱器的人工維護(hù)包括將整機(jī)折開，用噴水槍和刷子清洗板和墊片，檢查板片和墊片，如有必要，更換板片和墊片。板式換熱器一般每年21要清洗1次，并且無(wú)論是否實(shí)際需要都要做。當(dāng)應(yīng)用河水、海水等水質(zhì)較差的冷卻水時(shí)，由于泥沙和污物的存在，以及微生物的快速生長(zhǎng)有引起表面污染和堵塞的

37、危險(xiǎn)。在國(guó)外，應(yīng)用河水作冷卻水時(shí)，清洗頻率很高，平均每年3.3次。1.9 腐蝕與防護(hù)1.9.1 換熱器腐蝕的原因管殼式換熱器和板式換熱器腐蝕的類型基本相同,如表1所列。由表1可見換熱器中最嚴(yán)重的腐蝕隱患之一是孔蝕,在換熱管內(nèi)外常會(huì)產(chǎn)生由于污垢附著而引起的孔蝕?？孜g產(chǎn)生的原因多與鹵素有關(guān),特別是cl-和含cl的離子,其中以cufe、hg等金屬的氯化物危害最為嚴(yán)重。介質(zhì)的流動(dòng)條件和管子的表面狀況也影響孔蝕的產(chǎn)生,介質(zhì)流速高可以消除局部地方高濃度的cl-從而降低腐蝕的傾向,管子表面光潔可增強(qiáng)其耐孔蝕的能力。22對(duì)于采用脹接形式的接頭,由于脹接過程中存在殘余應(yīng)力，在已脹和未脹管段間的過渡區(qū),管子內(nèi)外壁

38、都存在拉應(yīng)力,對(duì)應(yīng)力腐蝕非常敏感。一旦具備發(fā)生應(yīng)力腐蝕的溫度、介質(zhì)條件,換熱器就會(huì)發(fā)生應(yīng)力腐蝕破壞。應(yīng)力腐蝕破裂是由于腐蝕和拉應(yīng)力的共同作用而造成的材料斷裂。只有當(dāng)拉應(yīng)力超過該體系的臨界壓力,才會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕破裂。腐蝕介質(zhì)和循環(huán)應(yīng)力的共同作用也能形成腐蝕疲勞。如果換熱器中的介質(zhì)是電解質(zhì)溶液,氫以原子狀態(tài)在金屬表面析出,向金屬內(nèi)部滲透,就會(huì)有氫破壞的可能,既可能產(chǎn)生氫鼓泡,又有可能導(dǎo)致氫脆。含固體懸浮物的液體容易產(chǎn)生沖刷腐蝕,被沖刷腐蝕的部位,常有典型的溝狀、洼狀或波紋狀等外觀特征。換熱器入口管端,就存在沖刷腐蝕,發(fā)生在管殼式換熱23器管程流體入口部分,距傳熱管管端34倍管徑長(zhǎng)度處。我國(guó)換熱器的

39、接頭多采用焊接形式,管子與管板之間存在間隙,殼程介質(zhì)進(jìn)入到間隙死角中,就會(huì)形成縫隙腐蝕。在換熱器中,污垢的附著部位也會(huì)產(chǎn)生縫隙腐蝕。縫隙腐蝕與介質(zhì)在這些部位的滯流有關(guān)。縫隙腐蝕與孔蝕的機(jī)理相似,一般出現(xiàn)孔蝕的地方也常有縫隙腐蝕發(fā)生。縫隙腐蝕和孔蝕都有一個(gè)孕育期,一旦過了孕育期,速度就會(huì)逐步增加。 換熱管若采用奧氏體不銹鋼管,如果在450850保溫一定時(shí)間,將造成敏化,使不銹鋼具有晶間腐蝕的傾向,這可能與晶間的“貧鉻”有關(guān)。1.9.2 管殼式換熱器的防腐蝕措施（1）操作工藝控制換熱器開車時(shí),應(yīng)首先用噴管將容器內(nèi)的氣體和冷凝水完全排出,而后將冷流體充滿容器,關(guān)閉入口,然后緩慢注入熱流體,注意不要使

40、加熱速度超過0.06s-1,并使長(zhǎng)度方向的溫度梯度不大于30.4m-1,總之,應(yīng)盡量使導(dǎo)入流體而形成的管子與殼體之間的熱膨脹差為最小。停車時(shí),應(yīng)先將熱流體流速逐漸減小至零,然后快速停止冷流體流動(dòng),這樣可使冷卻過程中的不等量收縮減至最小。停機(jī)后,用干燥的壓縮空氣將換熱器中的所有流體排出。這樣的開停車工序,可以將拉應(yīng)力降至最小,避免產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕。在換熱器運(yùn)行中,應(yīng)嚴(yán)格控制操作條件,避免驟冷驟熱導(dǎo)致溫差應(yīng)力,產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕。采用定期清洗的方法降低污垢腐蝕。在運(yùn)行中,可在規(guī)定的時(shí)間內(nèi),用瞬時(shí)增加流速的操作,或者采用逆流清洗的操作,也可用化學(xué)清洗的方法;停工時(shí)可采用噴射洗滌、機(jī)械清洗和化學(xué)清洗的方法。24

41、（2）維修工藝控制在試壓或操作中發(fā)現(xiàn)接頭泄漏時(shí),對(duì)接頭脹管修復(fù)要慎重。脹管時(shí),對(duì)其周圍的管子也要進(jìn)行再次脹管,以免形成間隙。管子泄漏時(shí)采取堵管方法也應(yīng)慎重,在可以更換管子時(shí)盡量換管,以免造成很大的溫差應(yīng)力,導(dǎo)致應(yīng)力腐蝕。保溫層破損后,應(yīng)盡早使用防止水分的施工方法修復(fù),以免殼體外積附水分,腐蝕殼體。用化學(xué)清洗清除換熱器污垢時(shí),清洗后需將殘留液排出,因?yàn)闅埩粢簳?huì)腐蝕換熱器,換熱器長(zhǎng)期不用時(shí)也要在換熱器清洗后,將殘留液完全排出。為避免管端磨損沖蝕,可用尼龍襯套防護(hù)。（3）水處理工藝控制在循環(huán)冷卻淡水中,可添加緩蝕劑以降低腐蝕。通常將阻垢分散劑、殺菌滅藻劑與緩蝕劑合用,稱為水質(zhì)穩(wěn)定劑。cro2-4是一

42、種陽(yáng)極抑制劑,與適當(dāng)?shù)年帢O抑制劑合用時(shí),可得到滿意的防腐蝕效果,因此,常在水系統(tǒng)中使用。鉻酸鹽-鋅-聚磷酸鹽處理冷卻水,常用于低碳鋼、不銹鋼、海軍銅和銅鎳合金換熱器,但不能用于鋁合金制換熱器。水處理方法還有軟化、除氧、除銨、除磷酸鹽及硫等,以控制水中的ph值和氧含量,以免腐蝕。（4）電化學(xué)保護(hù)電化學(xué)保護(hù)分為陽(yáng)極保護(hù)和陰極保護(hù)。陽(yáng)極保護(hù)多用于換熱器中工藝物料一側(cè)。陽(yáng)極保護(hù)即通過外加電流使金屬電位向正向移動(dòng),促使金屬鈍化以進(jìn)入鈍化區(qū),可以大大降低腐蝕速度。硫酸工業(yè)中已廣泛使用配有陽(yáng)極保護(hù)的不銹鋼換熱器。在人造絲生產(chǎn)中使用了陽(yáng)極保護(hù)來(lái)防止鈦制換熱器的腐蝕。陰極保護(hù)常與保護(hù)性涂層聯(lián)合使用,如使用淡水的

43、冷卻器采用富鋅涂料,與陽(yáng)極保護(hù)聯(lián)合使用,簡(jiǎn)25化了輔助陽(yáng)極的布置,降低所需的電流,取得了很好的效果,被認(rèn)為是最經(jīng)濟(jì)的防腐蝕方法。大型換熱器常采用外加電流陰極保護(hù),小型海水換熱器則多用犧牲陽(yáng)極的陰極保護(hù)。（5）設(shè)計(jì)、制造及安裝工藝控制設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)將蒸汽放在管程側(cè)并避免高速氣體流經(jīng)殼程。因?yàn)檎羝睦淠褐腥芙庥衞2和co2,具有較強(qiáng)的腐蝕性。安裝制造時(shí)管排應(yīng)略微傾斜,以便冷凝液及時(shí)排出。1.9.3板式換熱器的防腐蝕措施板式換熱器的防腐蝕措施除可以采用以上方法外,還可采用以下措施: (1)設(shè)計(jì)板片的成形模時(shí),應(yīng)采用殘余應(yīng)力小的結(jié)構(gòu)。板片的波紋斷面、波紋的高度和節(jié)距要合理。所有斷面要圓弧過渡,欽板圓角一般

44、在r2r2.5。為減小內(nèi)部殘余應(yīng)力,應(yīng)采用整體切邊或高頻振蕩等措施。 (2)為減輕對(duì)板片表面的劃傷,要對(duì)模具表面進(jìn)行拋光。成形時(shí)要涂潤(rùn)滑劑或加潤(rùn)滑膜,以減輕對(duì)板片的劃痕。 (3)板片與墊片的粘結(jié)劑,不要采用過期的和含有cl-的粘結(jié)劑,防止析出cl-而引發(fā)腐蝕。 (4)選擇正確合理的板片結(jié)構(gòu)和正常流速,一般板間平均流速為0.20.8ms-1(主流線上的流速要比平均值高45倍)。流速低于0.2ms-1時(shí),流體達(dá)不到湍流狀態(tài)且會(huì)形成較大的死角區(qū)。正確合理選用流速,也可減輕入口處的板片腐蝕。 (5)增加板片觸點(diǎn)的接觸率,減少磨振對(duì)觸點(diǎn)的破壞。人字形波紋板片的兩相鄰板片互相倒置組合后,波紋相互接觸在11

45、.6cm2的面積內(nèi)(視波紋節(jié)距而定)就有一個(gè)支點(diǎn),且分布均勻,所以板片觸點(diǎn)接觸率較高。水平直波紋的支點(diǎn)較稀疏。26日阪制作的ex型板片,為了增加支點(diǎn),研制出格子狀的水平平直波紋板片。(6)板片換熱器的密封墊片也是關(guān)鍵的零部件。取密封周邊的長(zhǎng)度(m)是換熱面積(m)的68倍。由于在板片和密封壓緊板的邊緣,墊片溝槽和墊片之間存在縫隙,造成缺氧形成陽(yáng)極而發(fā)生腐蝕破壞。所以墊片槽和墊片形狀的設(shè)計(jì)要合理,密封墊片的截面必須與板片溝槽截面吻合。目前,密封墊片廣泛采用彈性橡膠材料,對(duì)其力學(xué)性能和抗腐蝕性能有一定的要求,永久壓縮變形量控制在20%,并熱時(shí)效。墊片和板片夾緊后要盡量減少縫隙。這類墊片槽一般采用“

46、粘貼型”密封結(jié)構(gòu)。 目前還發(fā)展了易裝卸的“按扣”和“搭扣”密封結(jié)構(gòu),可直接扣在板片上,定位正確、牢固,無(wú)需粘結(jié)劑。此密封結(jié)構(gòu)是借助彈性材料的過盈量將其壓緊總之設(shè)計(jì)合理的密封結(jié)構(gòu)和墊片形狀,可減少縫隙腐蝕?？傊S著換熱器應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)大,介質(zhì)多種多樣,這就需要研制更多的能抗各種介質(zhì)腐蝕的板材,并采取前述幾方面的防腐措施,才能在各行各業(yè)中廣泛應(yīng)用,使換熱器發(fā)揮出更大的經(jīng)濟(jì)效益。1.10 換熱器設(shè)計(jì)軟件簡(jiǎn)介在初步選定換熱器形式后，就要確定換熱器的幾何參數(shù)。目前國(guó)內(nèi)使用的換熱器計(jì)算軟件主要是hrfs(heat transfer and huid how service)和htri(heat transf

47、er research，inc)，也可以應(yīng)用aspen plus中的bjac對(duì)換熱器進(jìn)行設(shè)計(jì)、核算和模擬，此外還有如換熱器設(shè)計(jì)大師等。1.10.1 htfs(1)軟件介紹 htfs是英國(guó)傳熱及流體流動(dòng)學(xué)會(huì)推出的兩相流管殼式換熱器計(jì)算程序。27可以進(jìn)行冷卻器、冷凝器、加熱器、再沸器或冷凝冷卻器、過熱器等不同作用的管殼式換熱器的計(jì)算。該程序有三種計(jì)算模式：設(shè)計(jì)型(design)、校核型(check)和模擬型(simulation).設(shè)計(jì)型，在一定限制條件下按面積最小進(jìn)行設(shè)計(jì). 校核型，核算已知換熱器是否能滿足換熱要求，計(jì)算結(jié)果為實(shí)際面積所需面積。模擬型，模擬已知換熱器，在給定的兩側(cè)流體的人口條件下

48、，模擬物料的出口條件。htfs程序中殼體形式為tema標(biāo)準(zhǔn)的e、i、j、g和k型；管子有光管和翅片管兩種類型，管程數(shù)為116；折流板有單弓形、雙弓形、無(wú)折流板和折流桿等多種形式。在tema標(biāo)準(zhǔn)中有r、c和b三種級(jí)別的管殼式換熱器：r級(jí)適用于石油及相關(guān)工藝工程中的一般嚴(yán)格要求的非直接受火的管殼式換熱器；c級(jí)適用于工業(yè)一般工藝過程的中等程度要求的非直接受火的管殼式換熱器；b級(jí)適用于一般化工過程的非直接受火的管殼式換熱器。根據(jù)具體情況來(lái)選擇不同級(jí)別的換熱器。（2）應(yīng)用在進(jìn)行換熱器設(shè)計(jì)時(shí)，一般先用設(shè)計(jì)型初步計(jì)算出合適的換熱器形式和規(guī)格，然后經(jīng)過圓整，選擇具體的換熱器的幾何尺寸，用校核型進(jìn)行核算，計(jì)算結(jié)

49、果中實(shí)際面積/所需面積一般為11 12。28經(jīng)核算表明能完全滿足工藝要求并具有良好傳熱性能的換熱器并不能保證操作中的安全性，因?yàn)樵趽Q熱器中流體流動(dòng)可能會(huì)引起管子的振動(dòng)，進(jìn)而引起換熱器的機(jī)械故障。因此還需對(duì)所選換熱器進(jìn)行振動(dòng)計(jì)算，這就需要用到該程序的模擬型計(jì)算模式。如有明顯的振動(dòng)則需調(diào)整換熱器的某些幾何參數(shù)甚至改變其結(jié)構(gòu)形式，經(jīng)過反復(fù)的性能核算和振動(dòng)計(jì)算，直至傳熱性能和振動(dòng)這一機(jī)械性能同時(shí)滿足要求，換熱器的工藝設(shè)計(jì)才算完成。htfs程序中有常用組分的物性數(shù)據(jù)庫(kù)，在計(jì)算時(shí)可根據(jù)物料組成的不同利用數(shù)據(jù)庫(kù)中的物性數(shù)據(jù)，如數(shù)據(jù)庫(kù)不足或數(shù)據(jù)不夠準(zhǔn)確，用戶也可自己輸入物料的物性數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。1.10.2 h

50、trihtri是美國(guó)熱傳遞研究公司推出換熱器計(jì)算程序，可以進(jìn)行管殼式換熱器、板式換熱器、套管式換熱器、加熱爐、空冷器、螺旋板式換熱器等不同形式換熱的計(jì)算。htri程序中殼體形式為tema標(biāo)準(zhǔn)的e、f、g、h、j12、j21、x和k型，換熱管有光管、低翅片管、縱向翅片管和維蘭德“gewaks”管等多種形式，管程數(shù)為116，折流板形式單弓形、雙弓形、窗口不布管形、拉桿形、螺旋板形、雙螺旋板形等多種形式。同樣，htri程序也有設(shè)計(jì)、校核、模擬三種計(jì)算模式，使用條件和方法與htfs程序基本相同。htri的物性數(shù)據(jù)庫(kù)比較豐富，它有一百余種常用單組分和混合物的物性數(shù)據(jù)，同時(shí)也能使用用戶自定義物性數(shù)據(jù)。1.

51、10.3 aspen plus bjac29aspen bjac是aspen工程軟件包的一部分，該軟件包是一套用于工藝過程設(shè)計(jì)、模擬及分析的綜合工具，它由三個(gè)程序組成的集成軟件：aspen hetran、aspen aerotran和aspen teams。aspen bjac程序是用來(lái)設(shè)計(jì)在成本和性能方面最有效的換熱器。程序提供詳細(xì)的投資成本估算，包括材料及建筑成本。換熱器部件的設(shè)計(jì)與國(guó)際設(shè)計(jì)代碼是一致的。設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果和圖形可以直接給制造者用來(lái)?yè)Q熱器的制造。aspen bjac程序提供了一整套工具用來(lái)設(shè)計(jì)、核算及模擬各種管殼式、空冷式換熱器。aspen hetran和aspen teams能

52、夠模擬所有主要的tema管殼式換熱器的加熱、冷凝及蒸發(fā)過程。aspen aerotran能夠模擬矩形管束換熱器包括強(qiáng)制式或吸入式空冷器以及加熱爐及煙氣節(jié)能器的對(duì)流段。aspen hetr an 和aspen aer0tr an有三種應(yīng)用方式：設(shè)計(jì)方式，程序搜索滿足熱負(fù)荷規(guī)定及操作約束的最佳換熱器；核算方式，它用于核算在指定操作條件下?lián)Q熱器是如何表現(xiàn)的；模擬方式，它確定在使用了所有傳熱面積情況下，冷熱側(cè)流體出口狀況。aspen hetr an 和aspen aerotran有一個(gè)高級(jí)的優(yōu)化算法能夠找到滿足所有工藝要求的、成本最低的換熱器。程序可進(jìn)行詳細(xì)的成本計(jì)算。用戶可以交互式分析優(yōu)化路徑和評(píng)價(jià)

53、可選的設(shè)計(jì)方案。aspen teams做一個(gè)完整的機(jī)械設(shè)計(jì)包括綜合應(yīng)力分析及外部負(fù)載計(jì)算，它包括詳細(xì)的代碼依從計(jì)算，詳細(xì)材料及人工成本估算、比例放大制造圖。aspen bjac程序與aspen plus集成在一起，使得用戶可以在aspen plus流程中輸人一個(gè)aspen bjac模型。與aspenplus集成使得用戶能夠確定換熱器瓶30頸，預(yù)測(cè)當(dāng)工藝條件發(fā)生變化的換熱器的性能，降低維護(hù)費(fèi)用。換熱器的性能是根據(jù)在aspen bjac的輸人文件中指定的詳細(xì)的換熱器幾何尺寸以及用船n plus提供的物流及物性數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算的。流程結(jié)果可從aspen plus中瀏覽，詳細(xì)結(jié)果可以從aspen bjac中

54、瀏覽。1.11 結(jié)語(yǔ)換熱器是石油、化工中重要的熱工設(shè)備，其中管殼式換熱器的發(fā)展已經(jīng)取得了巨大進(jìn)步。我們?cè)诹私夤軞な綋Q熱器各方面性質(zhì)后，也應(yīng)該注意到設(shè)計(jì)過程中可能出現(xiàn)的問題，在實(shí)際應(yīng)用過程中，還應(yīng)該結(jié)合工程實(shí)際情況，輔之以工程經(jīng)驗(yàn)才能設(shè)計(jì)出更合理的換熱器，使設(shè)計(jì)的產(chǎn)品向安全、經(jīng)濟(jì)的方向發(fā)展。312 設(shè)計(jì)部分2.1 浮頭式換熱器筒體的計(jì)算：2.1.1 計(jì)算條件計(jì)算壓力：pc=2.45mpa 設(shè)計(jì)溫度：200c內(nèi)徑：di=700mm 鋼板負(fù)偏差：c1=0.3mm材料名稱：q345r 腐蝕裕度： c2=2mm操作溫度許用應(yīng)力 =170mpa 設(shè)計(jì)溫度下許用應(yīng)力 =170mpa t常溫下屈服強(qiáng)度=345

55、mpas焊接系數(shù)=0.852.1.2 厚度的計(jì)算計(jì)算厚度：2.45 7005.982 2 1700.852.45tpcdimmpc 設(shè)計(jì)溫度：25.9827.98dcmm名義厚度：110ndcmm有效厚度：127.7enccmm2.1.3 壓力試驗(yàn)應(yīng)力校核試驗(yàn)類型：水壓試驗(yàn)水壓試驗(yàn)校核1.25 1.25 2.45 1703.06 170ttppmpa32()2.5(7007.7)114.80.922 7.7ttesep di 170 0.85144.5tt 2.2 前后端管箱封頭的計(jì)算2.2.1 設(shè)計(jì)條件計(jì)算壓力：2.45cpmpa內(nèi)徑=700mm id前800mmid后設(shè)計(jì)溫度：200c 材

56、料名稱：q345r腐蝕裕度： 鋼板負(fù)偏差：22mmc 10.3mmc 常溫下許用應(yīng)力 170mpa設(shè)計(jì)溫度下許用應(yīng)力：t 170mpa焊接系數(shù)：0.852.2.2 厚度計(jì)算a前端 i700mmd ii22hd根據(jù)化工設(shè)備手冊(cè)查表得橢圓形封頭形狀系數(shù) k=1計(jì)算厚度2.45 7005.952 0.52 170 0.850.5 2.45tkpcdimmpc 33設(shè)計(jì)厚度：25.9527.95dcmm名義厚度：110ndcmm有效厚度：127.7enccmm2.2.3 壓力試驗(yàn)應(yīng)力校核類型：水壓試驗(yàn)允許最大壓力twi2 2 170 0.85 7.73.39mpa0.57000.5 7.7eepkd

57、水壓試驗(yàn)校核twt1.25 1.25 2.45 1703.06mpa44aa預(yù)緊狀態(tài)下的螺栓載荷mbab5289.367518 212135780.1622aawn操作狀態(tài)下的螺栓載荷p952085.68wn浮頭法蘭內(nèi)徑 f664mmd 法蘭螺栓圓直徑 b730mmd 法蘭外徑 f0780mmd f110.5arcsinarcsin0.5533.4r0.5nd22dfif0.7850.785 6642.45847953cd pn 2222tgfif0.785(dd )0.785 (678.5664 ) 2.4537438cpnggf6.28d bm6.28 678.5 6 2.5 2.4515

58、6591cpn 38rd1ff cot847953 cot33.41285496onbf()/2(730664)/233dlddmm()/2(3325.75)/229fdglllmmbg()/2(730678.5)/225.75glddmm操作工況下法蘭力矩預(yù)緊法蘭力矩2.4 管子排列方式的設(shè)計(jì)無(wú)縫鋼管 19 26000lmm材料：#10設(shè)計(jì)溫度下許用應(yīng)力： 101tmpa按正方形旋轉(zhuǎn) 45排列由于換熱器用于煉油化工制品中，流體會(huì)給換熱器內(nèi)部留有殘余物質(zhì)核材料和本身腐蝕產(chǎn)生銹垢，需要用酸洗，因此用正方形旋轉(zhuǎn) 45排列。換熱面積=換熱管外徑3.146000nn=461 根2.5 開孔補(bǔ)強(qiáng)的計(jì)算2

59、798244910870075292268282809126080812pddttggrrmflflflf ln mm205525 25.755292268aggmfln mm2222cosfnrllmm 392.5.1 筒體開孔所需的補(bǔ)強(qiáng)面積要求2(1)etradf圓筒開孔處的計(jì)算厚度=6mm 開孔直徑：d=273mm接管材料：q345r 鋼2 123 170 / 123/1700.72273 62 6 6.7(1 0.72)1649tnntrnnmpampafamm 補(bǔ)強(qiáng)有效寬度max(2 ,22)22 273546nntbd dbdmm有效高度： 1273 950thdmm20h 補(bǔ)強(qiáng)截

60、面積：123eaaaa2.5.2 在有效補(bǔ)強(qiáng)范圍內(nèi)作為補(bǔ)強(qiáng)的截面積12()()2()(1)(546273)(106)2 6.7(106)(1 0.72)1077eeterabdfmm 接管計(jì)算厚度： 2.45 2733.22 2 123 0.852.45cftncpdmmp40接管有效厚度：9nmm212222321232 ()2()2 50(6.73.2) 0.7202522 9 9 0.5811410ettretreahfhcfmmammaaaamm 2.5.3 選擇補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng)參照 jb/t4736 選取補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng)圈外徑:d=480mm內(nèi)徑:d=273+5=278mm厚度 8mmb=d-d