萬能換熱器畢業(yè)設計綜述外文翻譯開題報告

1、燕山大學畢業(yè)設計任務書學院：車輛與能源學院系級教學單位：熱能與動力工程系學 號學生 姓名業(yè)級 專班熱能與動力工程08級2班題 目題目名稱浮頭式換熱器（ii型）設計題目類型畢業(yè)設計題目性質工程設計題口來源科研實際主 要 內 容1. 熱交換器技術與裝置資料檢索、收集；2. 參閱相關資料確定設計方案與關鍵參數計算，主要是換熱面的計算。 3圖紙繪制。4編制設計計算說明書，文獻綜述、開題報告等。基 本 要 求1. 將15t/h的t-1煤油由150°c冷卻到50°c,冷卻劑選為循環(huán)冷卻水。進口 溫度為39°c,出口溫度為29°c。2. 設計浮頭式換熱器（ii型）的換

2、熱器3 .進行總體參數設計計算傳熱學計算結構的三維設計換熱器的工程圖設計： 總裝配圖一張；零件圖3張參考資料1、熱交換器原理與設計（第二版），史美屮王屮錚，東南大學出版社；2、換熱器設計手冊，錢頌文，化學工業(yè)出版社，2002；3、板式換熱器工程設計手冊，楊崇麟，機械工業(yè)出版社，1994；周次14周58周912 周1316 周17周應完成內容熟悉課題檢索 資料，完成外文 資料翻譯、文獻 綜述、開題報告完成初步方案 設計，進行裝 置技術參數計 算技術設計及 相關計算繪制技術工 程圖零部件圖技 術設計繪圖 撰寫、完善畢 業(yè)論文答辯指導教師：于敏之 職稱：副教授2012年3月6日系級教學單位審批：年

3、月 日換熱設備是煉油廠的典型設備，主要用于原有和油品等的換熱或冷卻。 換熱器種類很多，根據冷、熱流體熱量交換的原理和方式基本上可分三大類 即：間壁式、混合式和蓄熱式。在三類換熱器屮，間壁式換熱器應用最多， 管売式換熱器是間壁式換熱器的主要類型。本次我的設計題目是減二中/原 油冷卻器，換熱器形式選用管殼式換熱器中的浮頭式。首先是根據給定的工藝參數進行前期的工藝計算，這部分的主要目的是 確定浮頭式換熱器的具體型號，以及一些對接下來的結構設計有影響的關鍵 數據。工藝計算的大體內容為傳熱面積計算、初步選型、傳熱系數校核、有 效平均溫度差、校核傳熱面積、流體助力計算、壁溫計算。其屮初步選型后 要對初選的

4、傳熱系數進行校核，如果不合格要要重新選型、反復試算。在流 體阻力校核部分要考慮操作成本與制造成本的平衡關系。其次是結構計算。這部分是對管板、接管、法蘭等具體零件的設計和選 用。材料選用方面：對于主要承壓元件選用q345r為材料。由于介質腐蝕性 不高，所以選用20鋼為換熱管的材料。材料的選用與制造成本緊密相連， 所以應該在保證設計要求的前提下盡量降低成本。關鍵詞浮頭式換熱器；換熱管；選材abstractheat exchanger is a typical refinery equipment, mainly for the original and the heat transfer oil,

5、 etc., or cooling. many types of heat exchangers, according to the cold, the thermal fluid heat exchange principles and methods are basically divided into three main categories namely: partitions type, hybrid and regenerative. in the three types of heat exchangers, the partitions heat exchangers mos

6、t widely used shell and tube heat exchanger is the partitions of the main types of heat exchangers the subject of my design is to reduce ii / oil coolers, heat exchangers in the form of shell and tube heat exchangers used in the floating head.first, according to the given process parameters pre-proc

7、ess calculation, the main purpose of this section is to determine the specific floating head heat exchanger models, and some impact on the structural design of the next key data. process in general terms the contents of the heat transfer area calculation, the initial selection, checking the heat tra

8、nsfer coefficient, effective mean temperature difference, check the heat transfer area, fluid power calculations, the wall temperature calculation. which after the initial selection of the heat transfer coefficients of primary check, if failed to be re-selection, repeated the spreadsheet. check the

9、fluid resistance part of operating costs and to consider the balance between manufacturing cost.followed by in calculations. this part is the management board to take over, flanges and other specific parts of the design and selection. material selection: the selection of components for the main pres

10、sure for the material q345r. as corrosive media is not high, so use 20 steel for the tubes of the material. selection of materials and manufacturing costs are closely linked, so the design should ensure that the premise of minimizing costs.keywords floating head heat exchanger design check摘要iia o+ k

11、i i第一章緒論11課題背景11.2研究的目的和意義71.3本次設計簡介7第二章換熱器的應用及發(fā)展和分類特點92換熱器的應用及發(fā)展92.2換熱器的分類及特點10第三章 換熱器設計方案確定133本次的設計要求133.2確定設計方案133.3完成設計所具備的工作條件及解決辦法133.4本章小結14第四章 研究步驟、方法及設計產品的確定154原始數據154.2流體的物性參數154.3傳熱量及平均溫差154.4估算傳熱面積及傳熱面結構164.5管程計算194.6殼程結構及殼程計算194.7需用傳熱面積224.8阻力計算234.9封頭、殼體和固定管板的尺寸確定234.10浮頭箱和浮頭的尺寸確定244.1

12、1殼體法蘭和支座的確定264.12本章小結30結論31參考文獻32致謝34附錄1開題報告35附錄2文獻綜述40附錄3譯文44附錄4譯文原文52第一章緒論1.1課題背景（1）我國換熱器發(fā)展前景換熱器（熱交換器）是將熱流體的部分熱量傳遞給冷流體的設備，換熱 器按傳熱方式的不同可分為混合式（混合式換熱器是通過冷、熱流體的直接 接觸、混合進行熱量交換的換熱器，又稱接觸式換熱器）、蓄熱式（蓄熱式 換熱器是利用冷、熱流體交替流經蓄熱室中的蓄熱體（填料）表面，從而進 行熱量交換的換熱器）和間壁式（隨間壁式換熱器的冷、熱流體被i古i體間壁 隔開，并通過間壁進行熱量交換的換熱器，因此又稱表面式換熱器，這類換 熱

13、器應用最廣）三類。在我國換熱器的制造技術遠落后于外國，由于制造工藝和科學水平的限 制，早期的換熱器只能采用簡單的結構，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) 生產中成為一種典型的換熱器。在我國隨著經濟快速發(fā)展的同時，各種不同型式和種類的換熱器發(fā)展很 快，新結構、新材料的換熱器不斷涌現。為了適應發(fā)展的需要，我國對某些 種類的換熱器已經建立了標準，形成了系列。完善的換熱器在設計或選型時 應滿足以下基本要求：合理地實現所規(guī)定的工藝條件；結構安全可靠；便于制造、安裝、操作和維

14、修；經濟上合理。70年代的世界能源危機，有力促進了換熱強化技術的發(fā)展。為了節(jié)能將 耗，提高工業(yè)生產經濟效益，耍求開發(fā)適用于不同工業(yè)過程耍求的高效換熱 設備。所以這些年來，換熱器的開發(fā)和研究成了人們關注的課題。當今換熱 器技術的發(fā)展以cfd （計算流體力學技術）、模型化技術、強化傳熱技術等 形成一個高技術體系。所謂提高換熱器性能，就是提高其傳熱性能。狹義的 強化傳熱系數指提高流體和傳熱之間的傳熱系數。其主要方法歸結為下述兩 個原理：溫度邊界層減勃和調換傳熱面附近的流體。因此最近十幾年來，強化傳熱技術受到了工業(yè)界的廣泛重視，得到了十 分迅速的發(fā)展，凝結是工業(yè)中普遍遇到的另一種相變換熱過程，凝結換熱

15、系 數很高，但經過強化措施還可以進一步提升換熱效率。管外凝結換熱的強化對冷卻表面的特殊處理，主要是為了在冷卻表面上產生珠狀凝結。珠狀 凝結的換熱系數可比通常的膜狀凝結高5、10倍，由于水和有機液體能潤濕 大部分的金屬壁面，所以應采用特殊的表面處理方法（化學覆蓋法、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。用電鍍 法在表面涂一層貴金屬，如金、鉗、耙等效果很好，缺點是價格昂貴。冷卻表面的粗糙化粗糙表面可增加凝結液膜的湍流度，亦可強化凝結換熱。實驗證明，當 粗糙高度為0.5伽時，水蒸氣的凝結換熱系數可提高90%。值得注意的是， 當凝結液膜增厚到可將粗糙壁面淹沒吋，粗糙度對增

16、強凝結換熱不起作用。 有吋當液膜流速較低吋，粗糙壁面還會滯留液膜，對換熱反而不利。采用擴展表面在管外膜狀凝結中常常采用低肋管，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，因此其凝結換熱系數可比 光管高75%100%。應用螺旋槽管和管外加螺旋線圈。螺旋槽管，管子內外壁均有螺紋槽， 既可強化冷凝換熱，又可強化冷卻側的單相對流換熱，與光管相比其凝結強 度可提高35、50%。在管外加螺旋線圈，由于表面張力使凝結液流到金屬螺 旋線圈的底部而排出，上部及四周液膜變薄，從而凝結換熱系數有時甚至可 提高2倍。管內凝結換熱的強化擴展表面法采用內肋管是強化管內凝結的最有效的方法，試

17、驗表明，其換熱系數比 光管高20、40%。按光面計算則換熱系數可高廣2倍。采用流體旋轉法采用螺旋槽管等流體旋轉法可以強化凝結換熱。換熱效率同比提升30%, 但此時流動阻力也會增加。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，在強化凝結換熱之前，應首先保證凝結過程的正常進行。 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 的換熱系數，內翅片管、橫螺紋管、螺旋螺紋管都一樣，不但可用于單相對

18、流傳熱，也可以有效的用丁管內流動沸騰傳熱（螺紋管在湍流時可使對流傳 熱系數增加一倍多）。當然現在各式換熱器的設計各有新穎之處，結構上各 具特色。原有的換熱器廠家最近也研制岀一種新型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，隨著制造技術的進步，強化換熱元件的開發(fā)，使得新型高效換 熱器的研究有了較大的發(fā)展，根據不同的工藝條件與工況設計制造了不同結 構形式的新型換熱器，也取得了較大的經濟效益。故我們在選擇換熱設備時 一定要根據不同的工藝、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，在一定時間內交換一定數量的熱量；也可以是以 回收熱量

19、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備被破壞。換熱器的作用不同，其設計、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，換熱效率耍高;流動 阻力要小;耍有足夠的機械強度，抗腐蝕和抗損壞能力要強，維護工作量耍 少;結構要合理，工作要安全可靠，即零部件之間因為溫升而產生的熱應力 不會導致換熱器破裂;要便丁-制造、安裝和檢修;經濟上要合理，設奮全壽命 期的總投資要少（總投資包括設備及附屈裝置初投資費用和運行維護管理費 用）；生活熱水系統的換熱器應易于清除水垢，以上要求常常相互

20、制約，難 于同時滿定，因此應視具體情況，在換熱器的選型和設計中有所側重，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)性負荷, 有足夠的檢修吋間，生活熱水系統暫停供熱也不會造成重大影響，所以可不 設備用換熱器。換熱器臺數的選擇和單臺能力的確定應適應熱負荷的分期增 長，并考慮供熱的可靠性。未來，國內市場需求將呈現以下特點：對產品質量水平提出了更高的要 求，如環(huán)保、節(jié)能型產品將是今后發(fā)展的重點；要求產品性價比提高；對產 品的個性化、多樣化的需求趨勢強烈；逐漸注意品牌產品的選用；大工程項 0青睞大企業(yè)或企業(yè)集團產品。國內經濟發(fā)展帶來的良好機遇，以及進口產品巨大的可轉化性共同預示

21、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品的 研發(fā)。（2）國外換熱器發(fā)展前景在國外二十世紀20年代出現板式換熱器，并應用于食品工業(yè)。以板代 管制成的換熱器，結構緊湊，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-種由銅及 其合金材料制成的板翅式換熱器，用于飛機發(fā)動機的散熱。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，為了解決強腐 蝕性介質的換熱問題，人們對新型材料制成的換熱器開始注意。60年代左 右，由于空間技術和尖端科學的迅速發(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

22、技術的發(fā)展，換熱器制造工藝得到進一步 完善，從而推動了緊湊型板面式換熱器的蓬勃發(fā)展和廣泛應用。此外，自 60年代開始，為了適應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，增加強化傳熱。70年代中期，為了進一步 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的辦法來增強換熱器內 的傳熱。對國外換熱器市場的調查表明，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地位。隨著動力、石油化 工工業(yè)的發(fā)展，

23、其設備也繼續(xù)向著高溫、高壓、大型化方向發(fā)展。而換熱器 在結構方面也有不少新的發(fā)展?，F就幾種新型換熱器的特點簡介如下：一、氣動噴涂翅片管換熱器俄羅斯提出了一種先進方法，即氣動噴涂法，來提高翅片化表面的性能。 其實質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屈還能噴涂合金和陶瓷（金屈陶瓷混合物）， 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。將試驗所得數據加以整理，便可評 估翅片底面的接觸阻力。將研究的翅

24、片的效率與計算數據進行比較，得出的結論是：氣動噴涂翅 片的底面的接觸阻力對效率無實質性影響。為了證實這一點，又對基部（管 子）與表面（翅片）的過渡區(qū)進行了金相結構分析。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密性的微裂 紋。所以，氣動噴涂法促進表面與基本相互作用的分支邊界的形成，能促進 粉末粒子向基體的滲透，這就說明了附著強度高，有物理接觸和金屈鏈形成。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i古i 定在換熱器管子的表面上，也可用來對普通翅片的底面進行補充加i古i?？梢?預計，氣動噴涂法在緊湊高效換熱器的生產中，將會得到廣泛應用。二、螺旋折流板換熱器在管殼式換熱器

25、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（z字形流道），這樣會導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，是發(fā)展殼程的第一步。雖然引進了密封 條和附加諸如偏轉折流板及采取其他措施來改進換熱器的性能，但普通折流 板設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。這種設計的 先進性已為流體動力學

26、研究和傳熱試驗結果所證實，此設計已獲得專利權。 此種結構克服了普通折流板的主要缺點。螺旋折流板的設計原理很簡單：將圓截面的特制板安裝在“擬螺旋折流 系統”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 到雙螺旋設計。螺旋折流板結構可滿足相對寬的工藝條件。此種設計具有很大的靈活 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構。三、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

27、休斯 頓的布朗公司做了改進。螺旋扁管的制造過程包括了 “壓扁”與“熱扭”兩 個工序。改進后的麻花管換熱器同傳統的管殼式換熱器一樣簡單，但有許多 激動人心的進步，它獲得了如下的技術經濟效益：改進了傳熱，減少了結垢, 真正的逆流，降低了成本，無振動，節(jié)省了空間，無折流元件。由于管子結構獨特使管程與殼程同時處于螺旋運動，促進了湍流程度。 該換熱器總傳熱系數較常規(guī)換熱器高40%,而壓力降幾乎相等。組裝換熱器 吋也可采用螺旋扁管與光管混合方式。該換熱器嚴格按照asme標準制造。凡是用管殼式換熱器和傳統裝置之 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備所 獲得的最佳值。估計在化工、石

28、油化工行業(yè)中具有廣闊的應用前景。四、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備的質量有一系列 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，由丁焊料迅速老化和破碎會造成機器和設備堵塞，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屈 絲時產生的機械接觸來固定筋條。采用此法能促進得到釬焊時的連續(xù)特性 （即將金展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 金屈絲僅用做隔斷時，可以認為是較釬焊更受歡迎的方法。但若利用金

29、屈絲 作為筋條（翅片）以增加換熱面積時，只有當非釬焊筋條的有效傳熱面不小 于釬焊連接時，才應更偏重于此方法。試驗表明，當金屬絲與管子為線性接觸時，有效傳熱面最大，但此時金 屈絲會沿管子滑動。所以關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 熱器推薦用于氨技術和冷卻工藝。1.2研究的目的和意義換熱器是國民經濟和工業(yè)生產領域中應用十分廣泛的熱量交換設備， 隨著現代新工藝、新技術、新材料的不斷開發(fā)和能源問題的日趨嚴重，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)。換熱器的性能對產品質

30、量、能量利用率以及系統 運行的經濟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)達的工業(yè)國家熱回收率已達96% o換熱設備在現代裝置中約占設備總 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)提高設備熱效率 的同時，促進換熱設備的結構緊湊性，產品系列化、標準化和專業(yè)化，并 朝大型化的方向研究發(fā)展。1.3本次設計簡介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、介質的適應性，耐用性及經濟性，在換熱設備中始終占有

31、約70% 的主導地位。因此管殼式換熱器的標準化工作為世界各工業(yè)發(fā)達國家所重 視，也為tso國際標準化組織的所重視。因此岀現了 tema.apt660.jtsb8249 等一批管殼式換熱器標準,iso目前也正在與api聯手并會同有關國家編iso 管殼式換熱器標準?？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。

32、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，浮頭式作了結構上的改進，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生溫差 熱應力。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、殼程介質腐蝕性強、易結垢的情況很能適應。其缺點在于結構復 雜、填塞式滑動面處在高壓時易泄露，這使其應用受到限制，適用壓力為： 1. ompa6. 4mpa0按照設計要

33、求，在結構的選取上，為了增大溫差校正系數，采用了 1-2 型，即殼側一程管側二程。首先，通過換熱計算確定換熱面積與管子的根數 初步選定結構。然后按照設計的要求以及一系列國際標準進行結構設計，在 結構設計吋，要考慮許多因素，例如傳熱條件、材料、介質壓力、溫度、流 體性質以及便于拆卸等等。由于時間和資料有限，本人的認識也不夠全面， 在設計過程中可能還存在許多問題，望老師們給予批評和指正。第二章 換熱器的應用及發(fā)展和分類特點2.1換熱器的應用及發(fā)展它是化工、煉油、動力、食品、輕工、原子能、制藥、機械及其它許多 工業(yè)部門廣泛使用的一種通用設備。在化工廠中，換熱設備的投資約占總投 資的10%20%；在煉

34、油廠中，約占總投資的35%40%。例如，如煙道氣（約200300°c）、高爐爐氣（約1500°c）需耍冷卻 的化學反應工藝氣（3001000°c）等的余熱，通過余熱鍋爐可生產壓力蒸 汽，作為供熱、供氣、發(fā)電和動力的輔助能源，從而提高熱能的總利用率， 降低燃料消耗和電耗，提高工業(yè)生產經濟效益。由于制造工藝和科學水平的限制，早期的換熱器只能采用簡單的結構， 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)生產中成為一種典型的換熱器。二十世紀20年代出現

35、板式換熱器，并應用于食品工業(yè)。以板代管制成 的換熱器，結構緊湊，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，用于飛機發(fā)動機的散熱。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 決強腐蝕性介質的換熱問題，人們對新型材料制成的換熱器開始注意。60年代左右，由于空間技術和尖端科學的迅速發(fā)展，迫切需耍各種高效 能緊湊型的換熱器，再加上沖壓、釬焊和密封等技術的發(fā)展，換熱器制造工 藝得到進一步完善，從而推動了緊湊型板面式換熱器的蓬勃發(fā)展和廣泛應 用。此外，自60年代開始，為了適應高

36、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一步的發(fā)展。近二三十年來，化工、石油、輕工等過程工業(yè)得到了迅猛發(fā)展。能源緊 缺己成為世界性重大問題之一，各工業(yè)部分都在大力發(fā)展大容量、高性能設 備，以減少設備的投資和運轉費用。因此，要求提供尺寸小，重量輕、換熱 能力大的換熱設備。特別是20世紀70年代的世界能源危機，加速了當代先 進換熱技術和節(jié)能技術的發(fā)展。世界各國十分重視傳熱強化和熱能回收利用 的研究和開發(fā)工作，開發(fā)適用于不同工業(yè)過程要求的高效能換熱設備來提高 工業(yè)生產經濟效益，并取得了豐碩成果。到目前為止，已研究和開發(fā)岀多種 新的強化傳熱技術和高效傳熱元件。為了強化傳在研究和

37、發(fā)展熱管的基礎上 又創(chuàng)制出熱管式換熱器。2.2換熱器的分類及特點在工業(yè)生產中，由于用途、工作條件和物料特性的不同，出現了各種不 同形式和結構的換熱設備。按作用原理或傳熱方式分類：按換熱設備熱傳遞原理或傳熱方式進行分類，可分為以下幾種主要形 式。直接接觸式換熱器這類換熱器又稱混合式換熱器，它是通過冷、熱流體的直接接觸、混合 進行熱量交換的換熱器。如冷卻塔、冷卻冷凝器等。為增加兩流體的接觸面 積，以達到充分換熱，在設備中常放置填料和柵板，通常采用塔狀結構。直 接接觸式換熱器具有傳熱效率高、單位容積提供的傳熱面積大、設備結構簡 單、價格便宜等優(yōu)點，但僅適用于工藝上允許兩種流體混合的場所。由于兩 流體

38、混合換熱后必須及時分離，這類換熱器適合于氣、液兩流體之間的換熱。 例如，化工廠和發(fā)電廠所用的涼水塔中，熱水由上往下噴淋，而冷空氣自下 而上吸入，在填充物的水膜表面或飛沫及水滴表面，熱水和冷空氣相互接觸 進行換熱，熱水被冷卻，冷空氣被加熱，然后依靠兩流體本身的密度差得以 及時分離。（2）蓄熱式換熱器這類換熱器又稱冋熱式換熱器。它是借助于由固體（如固體調料或多孔 性格子磚等）構成的蓄熱體與熱流體和冷流體交替接觸，把熱量從熱流體傳 遞給冷流體的換熱器。在換熱器內首先由熱流體通過，把熱量積蓄在蓄熱體 中，然后由冷流體通過，由蓄熱體把熱量釋放給冷流體。由于兩種流體交替 與蓄熱體接觸，因此不可避免地會使兩

39、種流體少量混合。若兩種流體不允許 混合，則不能采用蓄熱式換熱器。蓄熱式換熱器結構緊湊、價格便宜、單體 體積傳熱面積大，故較適合用于氣-氣熱交換的場合。如煉焦爐下方預熱空 氣的蓄熱室。這類換熱器主要用于回收和利用高溫廢氣的熱量。以回收冷量 為目的的同類設備稱蓄冷器，多用于空氣分離裝置中。（3）間壁式換熱器這種換熱器又稱表面式換熱器。它是利用間壁（固體壁面）將進行熱交 換的冷、熱兩種流體隔開，互不接觸，熱量由熱流體通過間壁傳遞給冷流體 的換熱器。間壁式換熱器是工業(yè)生產中應用最為廣泛的換熱器，其形式多種 多樣。（4）中間載熱體式換熱器這類換熱器是把兩個間壁式換熱器由在其中循環(huán)的載熱體連接起來的 換熱

40、器。載熱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。間壁式換熱器分類：間壁式換熱器根據傳熱面的結構不同可分為管式、板面式和其他型式。（1）管式換熱器這類換熱器都是通過管子壁面進行傳熱的換熱器。按傳熱管的結構形式 不同大致可以分為蛇管式換熱器、套管式換熱器、管殼式換熱器和纏繞管式 換熱器等。（2）板面式換熱器此類換熱器都是以板面作為傳熱面，按傳熱板面的結構形式可分分為以 下五種：螺旋板式換熱器、板式換熱器、板翅式換熱器、板殼式換熱器和傘 板換熱器。板面式換熱器的傳熱性能要比管式換熱器優(yōu)越，由于其結構上的特點，

41、 使流體能在較低的速度下就達到湍流狀態(tài)，從而強化了傳熱。板面式換熱器 采用板材制造，在大規(guī)模組織成產時，可降低設備成本，但其耐壓性能比管 式換熱器差。(3)其他型式換熱器這類換熱器是指一些具有特殊結構的換熱器，一般是為滿足某些工藝特 殊要求而設計的，如石墨換熱器、聚四氟乙烯換熱器和熱管換熱器等。第三章換熱器設計方案確定3.1本次的設計要求設計一種換熱器，要求將15t/h的t-1煤油由150°c冷卻到50°co本次設 計需要進行：總體參數設計計算傳熱學計算結構的三維設計換熱器的工程圖設計：總裝配圖一張；零件圖3張3.2確定設計方案冷卻劑的選用因為水是最容易獲得，并且廉價，所以

42、本次設計中選用的冷卻劑為水。流程安排本設計中的兩流體均不發(fā)生相變的傳熱過程，因水的對流傳熱系數一般 較大，冷卻水一般為循環(huán)水，而循環(huán)水易結垢，為便于清洗，應采用冷卻水 走換熱器的管程，煤油走殼程。換熱器的類型設計兩流體溫度變化情況：熱流體進口溫度:150°c,岀口溫度50°c,冷流 體進口溫度29°c,出口溫度39°co由于該換熱器的管壁溫度和殼體溫度有較 大溫差，大于50°c,因此需要考慮熱補償，設煤油壓力impa,冷卻水壓力 也為impa。該換熱器用循環(huán)冷卻水冷卻，冬季操作時，其進口溫度會降低, 考慮到這一因素，估計該換熱器的管壁溫和殼體壁

43、溫之差較大，因此初步選 用浮頭式換熱器（ii型）。3.3完成設計所具備的工作條件及解決辦法為完成本畢業(yè)設計，將運用在校學習的工程制圖，力學，材料學，過程 裝備設計及計算機等相關知識，結合在生產實習等實踐教學中，學習的換熱 器及零部件的加工制造和裝配知識，以及學習的有關換熱器的設計知識，通 過對各種技術資料的收集調研，分析計算，設計繪圖的實踐，學習掌握由原 理方案的設想，轉化為結構的設計思路及設計方法。熟練掌握各方面的知識。計算機輔助設計軟件：sw6-1998 v6. 0、autocad2004、solid works、ansys、ms office 等軟件。工具書：化工英漢詞典、化工設計手冊g

44、b 150-1998鋼制壓力容器、gb 151-1999管殼式換熱器3.4本章小結初步確定本次設計為浮頭式換熱器（ii型），循環(huán)冷卻水走管程，煤油 走売程。第四章研究步驟、方法及設計產品的確定4.1原始數據水進口溫度：'；=29°c 水出口溫廢：z2 =39°c水工作壓力：p2=lmpa 煤油進口溫度：z>=150°c 煤油出口溫廢：=50°c 油工作壓力：pflmpa 煤油流量:15t/h4.2流體的物性參數查物性表得：煤油的定性溫度：5=100 °c 煤油的密度：p=763kgl卅 煤油的比熱：c刃=2.292/伙°

45、c) 煤油的導熱系數：人=o.13o3w/(加°c) 煤油的粘度:從=ti2xfkgl(ms) 煤油的普蘭徳數：pr, =13.57水的定性溫度:rw2=34°c 水的密度：p2 =994kglm 水的比熱：cp2 = 475kj /(kg °c) 水的導熱系數：/l2 =0.624w/(m-oc) 水的粘度：jn2 =801xl06w/(m-°c) 水的普蘭徳數：pr2=5a4.3傳熱量及平均溫差傳熱量確定熱損失系數7=0.98q = mxcpx (r/ -t'2 )77, = 935kw冷卻水用量m2 = 224kg/s逆流吋的對數平均溫差a

46、zarminmaxa/min=39參數p及rp = 早= 0.083l；»l»r = = 02 f2有效平均溫差確定溫差修正系數巾:7/?2+i=0.849r_1山2-戶(1 + /?-jp+l)2-p(l + /? +麗+ 1)(4-1)(4-2)(4-3)(4-4)(4-5)(4-6)則有效平均溫差4 tm =y/atlmc= 33.1°c4.4估算傳熱面積及傳熱面結構估算傳熱面積查參考資料初選傳熱系數k = 230w/(m2-v)(4-7)f = = 122.82m2 仙“管子材料、規(guī)格及管內水的流速選擇管子材料及規(guī)格選用碳25*2. 5的碳鋼無縫鋼管。因為

47、所選擇的流速要使流體呈湍流狀態(tài)，所以保證設備在較大的傳熱系數下進行熱交換，所以選用管程內水的流速管程所需流通截面每程管數每根管長a =衛(wèi) = 0.02254/ 處24a=72fl = 21.77idn現取每根管長為6m= = 3.616-4(4-8)(4-9)(4-10)(4-11)所以選用兩臺1-2>型浮頭式換熱器管子排列管子的排列方式常用友：等邊三角形排列法（或稱正六角形排列）、同 心圓排列法和正方形排列法，本次管子排列方式選為等邊三角形。按等邊三角形排列吋，流體流動方向與三角形的一條邊垂直，最內側六 邊形的邊長等于s,通常在管板周邊與六邊形的邊之間的六個弓形部分內部 排列管子，但當

48、層數a>6吋，則在這些弓形部分也應排列管子，這吋最外層 管子的中心不應超出最大六邊形的外接圓周。由熱交換器原理與設計中表2. 3可知管中心距s=32mm分程隔板槽處管中心距l(xiāng)e =44mni平行于流向的管距=5-cos 30° = 27.2 mm垂直于流向的管距兀=5-sin 30° = 16 mm由熱交換器原理與設計中的2.1.5節(jié)得出拉桿直徑為16mm作管子排列草圖，如圖4-1所示。圖4-1管子排列草圖由草圖可知六邊形層數a=6o 一臺管子數® =144 o估計殼體直徑在400700nui)之間，所以由熱交換器原理與設計的表 2. 7可知一臺拉桿數為4。

49、一臺傳熱面積：fj = nt7idl = 67.82m2 兩臺傳熱面積：2x = 135.64m2 管束中心至最外層管中心距離：0. 226m 管束外緣直徑 dl = 0.226 + 2x0.025 = 0.502/7? 殼體內徑ds=dl+2b,(4-12)且 b. > 8mm ,故ds. =0.502+ 2x0.008 = 0.518m(4-13)按gb151-1999規(guī)定，取標準直徑dn=0. 6m 630x16mm的無縫鋼管作為殼 體。長徑比：7/d5 =6/0.6 = 10 合理4.5管程計算管程接管直徑(4-14)取標準無縫鋼管d2 = 140x6mm管程雷諾數re叫 = 2

50、2064a(4-15)管程換熱系數d2 二迢x 0.023 re： pr畀=42054-(4-16)4.6殼程結構及殼程計算折流板形式選為弓形折流板缺口高度：h = 0.25ds=0.15m 折流板的圓心角為120°折流板間距：zv =（0.2 l）dn = 0.120.6 取 0. 3m折流板數目：n, =- = -1=20-1 = 194 0.3折流板上管孔數：146個折流板上管孔直徑由gb151-1999查得為0. 0254m 通過折流板上管子數為136個折流板缺口處管子數為8根(4-17)(4-18)折流板肓徑由gb151-1999規(guī)定為:(4-19)dh =0.614-0.

51、0045=0.6095/?/折流板缺口面積:dn訂&八 廠（i需)硝=o1o23w(4-20)錯流區(qū)內管數占總管數的百分數:71龍+ 2= 0.71dn - 2hsinarccosdn -2h'q丿-2arccos'dn -2h%(4-21)缺口處管子所占面積：初2九=竺 4 （1 心）=0.01096加 2 8流體在缺口處流通而積：4嚴 a咚-"091 莎流體在兩折流板間錯流流通截而積：(4-22)(423)4 = a dn_d/ +2_%_do) =0.061",(4-24)殼程流通截而積：殼程接管直徑:& = 74-a- = 0.074

52、5m2(4-25)(4-26)取煤油的流速為lm/s取標準無縫鋼管為d =88x4mm 錯流區(qū)管排數由草圖可知他.=10 每一缺口內的有效錯流管排數：旁流通道數ne = 旁路擋板數選3對錯流面積中旁流面積所占分數:fbp=酗-2+扣叢%廣059-塊折流板上管子和管孔間泄露面積:九=加仏-屈(1 +訕=0.0039赤折流板外緣打殼體內壁之間泄露面積：dn®n _ d、卜 _ arccos(l - 竺= 0.002512m2 sb2 li dn)_殼程雷諾數：心二如1 = 2212理想管束傳熱因子由熱交換器原理與設計中圖2. 28得： 折流板缺口校正因子由熱交換器原理與設計中圖2. 29

53、得: 折流板泄露校正因子丿 “(4-27)(4-28)(4-29)(4-30)(4-31)ih =0.021厶=108煤油污垢熱阻: 傳熱系數：k =傳熱面積:土% = 0051a- = 0.4asb + 血查圖2. 30得:久=0.79旁通校正因子:w = 0-3及"0.59查熱交換器原理與設計圖2.31得：人=0.91 殼程傳熱因子：人二加jj廠0.0163殼程質量流速：=56kg ! m s殼側壁面溫度幾假定為40°c 壁溫下煤油粘度經查物性表得：血=1080x10和g/(w) 殼側換熱系數：291=7ogvc.-i(/z/aj°14=35o4.7需用傳熱面

54、積水垢熱阻：.2 = 0.0003w-cc/vv) ,；1 = 0.00017m2-(°c/w)-1-1y +1 + 壯+ 斗牛 =2s9w /(m2 °c)didj o2 dj(4-32)(4-33)(4-34)(4-35)(4-36)(4-37)(4-38)(4-40)f = - = 97.74加 $傳熱面積之比:f7f = 1.387稍大(4-41)檢查殼側壁溫:(4-42)4.8阻力計算0.0065管內摩擦系數/；查熱交換器原理與設計圖2. 35得:管側壁溫心假定為40°c壁溫下水的粘度：兒龍=653.3xlo“£g/（加訂）兩臺換熱器沿程阻力：

55、j2(4-43)乂 =仃 丁譽（ / 心）一° 15041 巾 di 2兩臺換熱器冋彎阻力：昭4兮乙=7952巾(4-44)進口連接管阻力:2(4-45)（4-46） 所以此設計方案apv=1.5 = 745.5p6/j 2兩臺管程阻力:乂 =*+£ +耳=2373&5r?煤油穿過熱交換器原理與設計中表2. 10的規(guī)定, 可行。4.9封頭、殼體和固定管板的尺寸確定根據壓力容器設計規(guī)范采用材質為2011的標準橢圓封頭，在滿足強度耍 求的情況下，已知管程設計溫度為468°c,則<46. 8°c,根據碳鋼板需用 應力查表得b =170mrz, p二i.2mpa所以其壁厚可用以下公式計算：(4-47)8 =了。"c = 2.5mm2(7(/)-0.5p實取8nim 曲而高度:d d.+3 44