套管換熱器設(shè)計(jì)說明

1、. . . . 生物工程學(xué)院畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))題 目：套管式換熱器的設(shè)計(jì)學(xué) 生：吳洋系 別：化學(xué)與環(huán)境工程系專業(yè)班級(jí)：0905420202 指導(dǎo)教師：宋 紅 輔導(dǎo)教師：宋 紅 時(shí) 間： 2011-09-12至 2012-05-30 目錄摘 要II關(guān)鍵字IIAbstractIIKeywordII1. 前 言11.1套管式換熱器11.2套管式換熱器的分類11.2.1固定管板式換熱器11.2.2浮頭式換熱器11.2.3填料函式換熱器11.2.4 U型管式換熱器11.3其他形式的換熱器11.3.1石墨換熱器11.3.2容器式換熱器21.3.3板翅式換熱器21.4套管式換熱器的特點(diǎn)21.4.1套管式換熱器

2、的優(yōu)點(diǎn)21.4.2國外研究存在的問題21.5套管式換熱器的發(fā)展趨勢22.換熱器的設(shè)計(jì)32.1換熱器的設(shè)計(jì)題目32.2設(shè)計(jì)方案32.2.1選擇換熱器的類型32.2.2流動(dòng)路徑與流速的確定32.3換熱器的計(jì)算32.3.1初算換熱器的傳熱面積S032.3.2主要工藝與結(jié)構(gòu)基本參數(shù)的計(jì)算42.3.3換熱器主要構(gòu)件尺寸與接管尺寸的確定52.3.4管、殼程壓力降的校驗(yàn)62.3.5總傳熱系數(shù)的校驗(yàn)83. 設(shè)計(jì)結(jié)果匯總表9參考文獻(xiàn)10致 11文獻(xiàn)綜述1216 / 21學(xué)位論文作者聲明 本人重聲明：所呈交的學(xué)位論文是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究所取得的研究成果。除了文中特別加以標(biāo)注引用的容外，本論文不包含任何

3、其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。 本人完全了解有關(guān)保障、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校保留并向有關(guān)學(xué)位論文管理機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，同意本論文被編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索和查閱。本學(xué)位論文容不涉與國家。 論文題目：套管式換熱器的設(shè)計(jì) 作者單位：生物工程學(xué)院 作者簽名： 2012年05月10日套管式換熱器的設(shè)計(jì)摘 要套管式換熱器是一種交換熱能的設(shè)備，在制冷、石化、化工、新能源、食品、藥品等行業(yè)中廣泛的使用。套管式換熱器的設(shè)計(jì)包括類型的選擇、流動(dòng)路徑的確定、流速的選定、冷卻劑和加熱劑的選擇，換熱器熱負(fù)荷的計(jì)算、加熱劑或冷卻劑用量的計(jì)算、平均溫差的計(jì)算、傳熱面積的估算、換熱管的選擇、管子的

4、排列方式、管子數(shù)目與管長的計(jì)算、排管圖與實(shí)際管子數(shù)、殼體直徑的計(jì)算、殼體壁厚的計(jì)算、管程和殼程壓力降的計(jì)算、總傳熱系數(shù)的計(jì)算和校核。本文根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與計(jì)算數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)一臺(tái)適宜的套管式換熱器。關(guān)鍵字換熱器；傳熱系數(shù)；平均溫度差；壓力降The design of tube heat exchanger AbstractThe tube heat exchanger is a heat-exchange equipment, widely used in refrigeration, petrochemical, chemical, energy, food, pharmaceuticals and

5、other industries. Tube heat exchanger design includes the choice of the type, the flow path to determine the flow rate selected, the choice of coolant and heating agent, the calculation of the heat exchanger heat load, heating agent or cooling dosage calculation, the average temperature difference c

6、alculations, estimates of the heat transfer area, the choice of heat exchange tubes, the tube arrangement, tube number and tube length calculations, pipe diagram with the actual tube number, the calculation of the shell diameter, shell wall thickness calculation, tube and the shell side pressure dro

7、p calculation, the overall heat transfer coefficient calculation and verification. Based on experimental data and calculated data, design a suitable and tube heat exchanger.KeywordHeat exchanger; heat transfer coefficient; Mean temperature difference; pressure drop1前 言1.1 套管式換熱器套管式換熱器是目前石油化工生產(chǎn)上應(yīng)用最廣的

8、一種換熱器1。它主要由殼體（包括內(nèi)殼和外殼）、U型肘管、填料函等組成2。所需管材，可分別采用普通碳鋼、鑄鐵、銅、鈦、瓷玻璃等制作3。管子一般被固定在支架上。兩種不同介質(zhì)可在管逆向流動(dòng)（或同向）以達(dá)到換熱的目的。在進(jìn)行逆向換熱時(shí)，熱流體由上部進(jìn)入，而冷流體由下部進(jìn)入，熱量通過管管壁由一種流體傳遞給另一種流體。熱流體由進(jìn)入端到出口端流過的距離稱之為管程4；流體由殼體的接管進(jìn)入，從殼體上的一端引入到另一端流出，通過這種方式傳熱的換熱器稱為殼程套管式換熱器5。由于套管式換熱器被廣泛的應(yīng)用在石油化工、制冷等工業(yè)部門，原本單一的傳熱方式和傳熱效率已經(jīng)不能滿足實(shí)際工作和生產(chǎn)，目前國外研究者對(duì)套管式換熱器提出

9、了很多種改進(jìn)方案，以延長套管式換熱器的使用壽命，加強(qiáng)其使用效率6。1.2 套管式換熱器的分類1.2.1固定管板式換熱器這類換熱器的結(jié)構(gòu)比較簡單、緊湊、造價(jià)便宜，但管外不能機(jī)械清洗。此種換熱器管束連接在管板上，管板分別焊在外殼兩端，并在其上連接有頂蓋，頂蓋和殼體裝有流體進(jìn)出口接管7。通常在管外裝置一系列垂直于管束的擋板。同時(shí)管子和管板與外殼的連接都是剛性的，而管管外是兩種不同溫度的流體。因此，當(dāng)管壁與殼壁溫差較大時(shí)，由于兩者的熱膨脹不同，產(chǎn)生了很大的溫差應(yīng)力，以至管子扭彎或使管子從管板上松脫，甚至毀壞換熱器。 為了克服溫差應(yīng)力必須有溫差補(bǔ)償裝置，一般在管壁與殼壁溫度相差50以上時(shí)，為安全起見，換

10、熱器應(yīng)有溫差補(bǔ)償裝置8。但補(bǔ)償裝置（膨脹節(jié)）只能用在殼壁與管壁溫差低于6070和殼程流體壓強(qiáng)不高的情況。一般殼程壓強(qiáng)超過0.6MPa時(shí)由于補(bǔ)償圈過厚，難以伸縮，失去溫差補(bǔ)償?shù)淖饔茫蛻?yīng)考慮其他結(jié)構(gòu)。1.2.2浮頭式換熱器換熱器的一塊管板用法蘭與外殼相連接，另一塊管板不與外殼連接，以使管子受熱或冷卻時(shí)可以自由伸縮，但在這塊管板上連接一個(gè)頂蓋，稱之為“浮頭”，所以這種換熱器叫做浮頭式換熱器9。其優(yōu)點(diǎn)是：管束可以拉出，以便清洗；管束的膨脹不變殼體約束，因而當(dāng)兩種換熱器介質(zhì)的溫差大時(shí)，不會(huì)因管束與殼體的熱膨脹量的不同而產(chǎn)生溫差應(yīng)力。其缺點(diǎn)為結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價(jià)高。1.2.3填料函式換熱器這類換熱器管束一端可

11、以自由膨脹，結(jié)構(gòu)比浮頭式簡單，造價(jià)也比浮頭式低10。但殼程介質(zhì)有外漏的可能，殼程中不應(yīng)處理易揮發(fā)、易燃、易爆和有毒的介質(zhì)。1.2.4U型管式換熱器U形管式換熱器，每根管子都彎成U形，兩端固定在同一塊管板上，每根管子皆可自由伸縮，從而解決熱補(bǔ)償問題11。管程至少為兩程，管束可以抽出清洗，管子可以自由膨脹。其缺點(diǎn)是管子壁清洗困難，管子更換困難，管板上排列的管子少。優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，質(zhì)量輕，適用于高溫高壓條件。1.3其他形式的換熱器1.3.1石墨換熱器石墨換熱器是傳熱組件用石墨制成的換熱器12。制造換熱器的石墨應(yīng)具有不透性，常用浸漬類不透性石墨和壓型不透性石墨。石墨換熱器按其結(jié)構(gòu)可分為塊孔式石墨換熱器

12、管殼式石墨換熱器和板式石墨換熱器3種類型。（1）塊孔式石墨換熱器由若干個(gè)帶孔的塊狀石墨組件組裝而成。（2）管殼式石墨換熱器管殼式換熱器在石墨換熱器中占有重要地位，按結(jié)構(gòu)又分為固定式和浮頭式兩種13。（3）板式石墨換熱器板式換熱器用石墨板粘結(jié)制成。石墨換熱器耐腐蝕性能好傳熱面不易結(jié)垢傳熱性能良好。但石墨易脆裂抗彎和抗拉強(qiáng)度低，因而只能用于低壓即使承壓能力最好的塊孔狀結(jié)構(gòu)其工作壓力一般也僅為0.30.5MPa。石墨換熱器的成本高，體積大，使用不多。它主要用于鹽酸硫酸醋酸和磷酸等腐蝕性介質(zhì)的換熱，如用作醋酸和醋酸酐的冷凝器等14。1.3.2容器式換熱器容積式換熱器又叫表面式換熱器。容積式換熱器是利用

13、冷、熱流體交替流經(jīng)蓄熱室中的蓄熱體(填料)表面，從而進(jìn)行容積式換熱器熱量交換的換熱器，容積式換熱器間壁式換熱器的冷、熱流體被固體間壁隔開，并通過間壁進(jìn)行熱量交換的換熱器15。1.3.3板翅式換熱器板翅式換熱器的傳熱元件由板和翅片組成的換熱器16。板翅式換熱器傳熱效率高，由于翅片對(duì)流體的擾動(dòng)使邊界層不斷破裂，因而具有較大的換熱系數(shù)；同時(shí)由于板翅式換熱器的隔板、翅片很薄，具有高導(dǎo)熱性，所以得板翅式換熱器可以達(dá)到很高的效率。板翅式換熱器緊湊，由于板翅式換熱器具有擴(kuò)展的二次表面，使得它的比表面積可達(dá)到1000 m2/m3。板翅式換熱器輕巧，是因?yàn)榘宄崾綋Q熱器的部件緊湊且多為鋁合金制造17。板翅式換熱器

14、適應(yīng)性強(qiáng)，板翅式換熱器可適用于：氣-氣、氣-液、液-液、各種流體之間的換熱以與發(fā)生集態(tài)變化的相變換熱。板翅式換熱器通過流道的布置和組合能夠適應(yīng)：逆流、錯(cuò)流、多股流、多程流等不同的換熱工況。通過單元間串聯(lián)、并聯(lián)、串并聯(lián)的組合可以滿足板翅式換熱器制造工藝要求，工藝過程復(fù)雜。板翅式換熱器容易堵塞，不耐腐蝕，清洗檢修很困難，故只能用于換熱介質(zhì)干凈、無腐蝕、不易結(jié)垢、不易沉積、不易堵塞的場合18。1.4 套管式換熱器的特點(diǎn)1.4.1 套管式換熱器的優(yōu)點(diǎn)有一定的溫度補(bǔ)償能力；處理量大；能承受高壓；可應(yīng)用于各種傳熱場合優(yōu)點(diǎn)。1.4.2國外研究存在的問題套管式換熱器雖然具備了很多其他換熱器所沒有的優(yōu)勢，但是依

15、然有很多缺點(diǎn)和不足，依然有很多有待改進(jìn)的地方19。（1）改進(jìn)后的套管式換熱器，如固定管板式換熱器20、浮頭式換熱器、填料函式換熱器、U型管式換熱器雖然在傳熱性能上有所提升，但是研究方向忽視了流體對(duì)換熱器效率本身的影響，不同流體速率下套管換熱器的換熱系數(shù)存在差異21。如何通過改進(jìn)流體流動(dòng)速率，從而改變換熱系數(shù)提高換熱效率未被大家所重視。從改變換熱器性能指標(biāo)上出發(fā)，采用多種方式綜合提升換熱器效率是更加有效的改進(jìn)方向22。（2）換熱器設(shè)計(jì)時(shí)管子與管子的連接、管板結(jié)構(gòu)、溫差應(yīng)力、拉脫力以與換熱器材料和冷卻介質(zhì)的選擇23。1.5 套管式換熱器的發(fā)展趨勢套管式換熱器作為一種主流的換熱器，被廣泛的用于制冷、

16、石化、化工，新能源等工業(yè)領(lǐng)域。由于套管式換熱器是被廣泛使用的，其本身的傳熱效率的提高能為我們的工業(yè)生產(chǎn)提供更為高效和節(jié)能的生產(chǎn)方式，提高生產(chǎn)率，減少能源消耗，對(duì)于制冷、石化、化工、新能源等工業(yè)領(lǐng)域的生產(chǎn)率能起到至關(guān)重要的作用24。隨著國家環(huán)保節(jié)能、可持續(xù)發(fā)展政策的提出，人們環(huán)保意識(shí)的增長，新技術(shù)的日益更新，新材料的不斷出現(xiàn)，國家和企業(yè)對(duì)新型高效環(huán)保節(jié)能的套管式換熱器的要求將會(huì)越來越高25。通過對(duì)套管式換熱器的傳熱過程和傳熱系數(shù)的研究，套管式換熱器的實(shí)際工作環(huán)境、安全可靠性、安裝、操作、維修等方面的研究，提出新的方法和理論，改進(jìn)換熱器的工作效率26。傳熱性能更好，造價(jià)更低的各種新型材料將會(huì)在套管

17、式換熱器的設(shè)計(jì)和制造量出現(xiàn)和使用。在設(shè)備工程中，節(jié)能環(huán)保始終排在優(yōu)先地位27。套管式換熱器的設(shè)計(jì)也不例外，如何利用更小的能耗更低的污染來試驗(yàn)熱量傳導(dǎo)的最大化是套管式換熱器以后發(fā)展的重中之重28。2 換熱器的設(shè)計(jì)2.1換熱器的設(shè)計(jì)題目合成氨車間用冷水冷卻變換氣， 變換氣體積流量為7000m3/h從145進(jìn)一步冷卻至57，允許壓強(qiáng)降為3920N/m2。水的入口溫度為30，出口溫度為36。物性特征：變換氣密度0.925kg/m3，定壓比熱容1.9kJ/(kg.)，熱導(dǎo)率0.058w/(m.k)，粘度1.5510-5Pa.s，循環(huán)水在33下的物性數(shù)據(jù)：密度994.7kg/m3，定壓比熱容4.174kJ

18、(/kg.)，熱導(dǎo)率62.210-2w/(m.k)，粘度0.75710-5Pa.s，熱導(dǎo)率0.624w/m，粘度0.74210-3Pa.s。設(shè)計(jì)一臺(tái)列管式換熱器。2.2設(shè)計(jì)方案2.2.1選擇換熱器的類型兩流體溫度變化情況：混合氣體進(jìn)口溫度145，出口溫度57冷流體，循環(huán)水進(jìn)口溫度30，出口溫度36。該換熱器用循環(huán)冷凝水冷卻，冬季操作時(shí)進(jìn)口溫度會(huì)降低，考慮到這一因素，估計(jì)該換熱器的管壁溫和殼體壁溫之差較大，因此初步確定選用帶膨脹節(jié)的固定管板式換熱器。2.2.2流動(dòng)路徑與流速的確定由于變換氣被冷卻且要求壓力將不允許超過3920N/m2，所以考慮變換氣走管；而冷卻水為處理過的軟水，結(jié)垢不嚴(yán)重，安排走

19、管間（即殼程）。變換氣在管流動(dòng)，流速選取ui=30m/。2.3換熱器的計(jì)算2.3.1初算換熱器的傳熱面積S0（1） 熱負(fù)荷與冷卻介質(zhì)消耗量的計(jì)算 標(biāo)準(zhǔn)狀況下變換氣的密度 變換氣的質(zhì)量流 qm1=qVr=70000.759=5313kg/h 熱負(fù)荷 Q=qmhCph(T1-T2)=53131.9(145-57) =888333.6kJ/h =246.76kW 冷卻水的消耗量 (2)計(jì)算平均溫度差tm，并確定管程數(shù)選取逆流流向，先按單殼程單管程考慮，計(jì)算出平均溫度差tm：58.6有關(guān)參數(shù)， 根據(jù)R，P值，查溫度校正系數(shù)圖可讀得，溫度校正系數(shù)=0.9750.8，可見用單殼程單管程合適。因此平均溫度差

20、tm=tm=58.6（3）按經(jīng)驗(yàn)數(shù)值初選總傳熱系數(shù)K0（估）選取 K0（估）=120W/（m2.K）（4）初算出所需傳熱面積S0；2.3.2主要工藝與結(jié)構(gòu)基本參數(shù)的計(jì)算（1）換熱器規(guī)格與材質(zhì)的選定。選用25mm2.5mm鋼管。（2）換熱管數(shù)量與長度的確定。 管數(shù) 管長 按照商品管長系列規(guī)格，取管長L=3m。（3）管子的排列方式與管子與管板的連接方式的選定管子的排列方式，采用正三角形排列；管子與管板的連接，采用焊接法。（4）計(jì)算外殼直徑Di。 Di=t（nc-1）+2b由于管中心距 t=1.25d0=1.2525=32mm橫過管束中心線的管數(shù) 取整 nc=14 管束中心線上最外層管的中心至殼體壁

21、的距離 b=1.5d0=1.50.025=0.038m所以 Di=0.032（14-1）+20.038=0.492m按殼體直徑標(biāo)準(zhǔn)系列尺寸圓整，取D=500mm因?yàn)?，管長徑比合適。（5）管子的排列方式根據(jù)殼體徑Di、管中心距t、橫過管束中心線的管數(shù)nc與其排列方式繪出排管圖。由圖知，中心排有14根管時(shí)，按正三角形排列，可排154根，若在六角形每邊各加4根，總共排178根，除去8根拉桿位置，實(shí)際派出170根，與上述計(jì)算相符。因此，實(shí)際管子數(shù)N=n=170根。（6）計(jì)算實(shí)際傳熱面積S0與過程的總傳熱系數(shù)K0（選）。（7）折流板直徑Dc、數(shù)量與其有關(guān)尺寸的確定選取折流板與殼體間的間隙為3.5mm，因

22、此，折流板直徑 Dc=500-23.5=493mm切去弓形高度 h=0.25D=0.25500=125mm折流板數(shù)量取折流板間距h0=300mm，那么取整的 NB=9（塊）實(shí)際折流板間距（8）拉桿的直徑和數(shù)量與定管距的選擇選用12mm鋼拉桿，數(shù)量8條。定管距采用與換熱器一樣的管子，即25mm2.5mm鋼管。（9）溫度補(bǔ)償圈的選用由于6850，故需考慮設(shè)置溫度補(bǔ)償圈。具體結(jié)構(gòu)尺寸可從有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)查取。（10）列出所設(shè)計(jì)換熱器的結(jié)構(gòu)尺寸表2-1的結(jié)構(gòu)尺寸管子規(guī)格： 25mm2.5mm（鋼管） 換熱管數(shù)量： N=170根管長： L=3000mm拉桿數(shù)量： 8根拉桿直徑： 12mm管中心距： t=32mm

23、管子排列方式： 正三角形管程數(shù)： 1殼程數(shù)： 1折流板數(shù)量： NB=9（塊）折流板間距： h=290mm外殼直徑： Di=500mm換熱面積： S0=38.7m2定距管： 與換熱管一樣規(guī)格通過管板中心的管子數(shù)： nc=14(根)2.3.3換熱器主要構(gòu)件尺寸與接管尺寸的確定換熱器的只要構(gòu)件有封頭、筒體法蘭、管板、筒體、折流板（或支撐板）、支座等。主要接管有：流體進(jìn)、出口接管，排氣管，排液管等。（1）筒體（殼體）壁厚的確定。選取設(shè)計(jì)壓力p=0.6MPa，殼體材料為Q235，查得其相應(yīng)的許用應(yīng)力；焊縫系數(shù)（單面焊），腐蝕裕度C=3+0.5=3.5mm，所以根據(jù)鋼板厚度標(biāo)準(zhǔn)，取厚度為6mm鋼板，即。（

24、2）封頭、筒體法蘭、管板、支座均有標(biāo)準(zhǔn)供選用，具體結(jié)構(gòu)尺寸可從有關(guān)手冊(cè)所列標(biāo)準(zhǔn)中查取。（3）流體進(jìn)、出口接管的直徑計(jì)算。變換氣進(jìn)、出口接管d1，取u1=20m/s，那么經(jīng)圓整采用299mm6mm熱軋無縫鋼管（YB231-64），實(shí)際變換氣進(jìn)、出口管流速為冷卻水進(jìn)、出口接管d2，取u=1.5m/s，那么經(jīng)圓整采用95mm6mm熱軋無縫鋼管（YB231-64），實(shí)際冷卻水進(jìn)、出口管流速為2.3.4管、殼程壓力降的校驗(yàn)（1）管程壓強(qiáng)降據(jù)上述結(jié)果可知：管程數(shù)，串聯(lián)殼程數(shù)；對(duì)于25mm2.5mm的換熱管，結(jié)構(gòu)校正系數(shù)為.換熱器為單管程， p2=0；流體流經(jīng)直管段（包括進(jìn)、出口）的壓力降為由于取，那么，可

25、查得，故所以3920 N/m2管程流體壓強(qiáng)降滿足要求。（2）殼程壓強(qiáng)降（冷卻水走殼程）其中流體流經(jīng)管束的壓強(qiáng)降由于管子排列方式對(duì)壓強(qiáng)降的校正因子：F=0.5（正三角形排列）殼程流體的摩擦系數(shù)：f0=5Re-0.228橫過管子中心的管子數(shù)：Nc=14根折流板數(shù)：NB=9塊500（液體）所以 =1.15（1613+544）=2481N/m23920N/m2殼程壓強(qiáng)降滿足題給要求。2.3.5總傳熱系數(shù)的校驗(yàn)總傳熱系數(shù)由以下式計(jì)算：其中，管變換氣的傳熱系數(shù)的計(jì)算管間水的傳熱系數(shù)的計(jì)算由于水被加熱，取黏度校正系數(shù) 取水側(cè)與氣側(cè)污垢熱阻均為0.2610-3（m2.K）/W，鋼管導(dǎo)熱系數(shù)=51W/（m2.K

26、），故所以， 一般K0（計(jì)）/K0（選）應(yīng)在1.151.25之間。本設(shè)計(jì)的換熱器可適用，但傳熱面積稍大，要取得更合理的設(shè)計(jì)，可重復(fù)上述步驟，直至滿足為止。3設(shè)計(jì)結(jié)果匯總表表3-1 列管式換熱器設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)表管子規(guī)格： 25mm2.5mm（鋼管） 換熱管數(shù)量： N=170根管長： L=3000mm拉桿數(shù)量： 8根拉桿直徑： =12mm管中心距： t=32mm管子排列方式： 正三角形管程數(shù)： 1殼程數(shù)： 1折流板數(shù)量： NB=9（塊）折流板間距： h=290mm外殼直徑： Di=500mm換熱面積： S0=38.7m2定距管： 與換熱管一樣規(guī)格通過管板中心的管子數(shù)： nc=14(根)換熱器型式： 列管

27、式換熱器折流板數(shù)量： 9個(gè)折流板間距： 290mm熱負(fù)荷： 246.76kw傳熱溫差： 58.6冷卻水的消耗量：35.47t/h變換氣的傳熱系數(shù)：292W/(m2.K)冷卻水的傳熱系數(shù)：1868W/（m2.K）總傳熱系數(shù)： 161W/（m2.K）變換氣進(jìn)、出口接管規(guī)格：299mm6mm (無縫鋼管)變換氣流速：24.7m/s冷卻水進(jìn)、出口規(guī)格：95mm6mm(無縫鋼管)冷卻水流速：1.83m/s管程壓強(qiáng)降：3230 N/m2殼程壓強(qiáng)降：2481 N/m2參考文獻(xiàn)1 兵.化工單元操作課程設(shè)計(jì). 第二版.：化學(xué)工業(yè)，2009.8：49-542 功樣，蘭英，英德.常用化工單元設(shè)備設(shè)計(jì).第二版.：華南

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31、流動(dòng)的數(shù)值模擬J.工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào). 2004.26(2)：81一8426大為，人杰，高曉東，等.螺旋折流板換熱器數(shù)值模與入口結(jié)構(gòu)改進(jìn)J.高?；瘜W(xué)工程學(xué)報(bào).2005.19(5)：697227 管海清，馬一太，俊蘭，等.集成管箱型管殼式換熱器的設(shè)計(jì)分析J.壓力容器，2003，20(9)：172028 波，學(xué)院，芳璽，等.一種新型自由活塞式膨脹機(jī)的研制與試驗(yàn)研究J.交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，40(7)：76-80致 本課題在選題與研究過程中得到宋紅老師的細(xì)心指導(dǎo)。宋紅老師多次詢問研究進(jìn)程，并為我指點(diǎn)迷津，提出了許多建設(shè)性的意見和建議，幫助我開拓思路、精心點(diǎn)撥、熱忱鼓勵(lì)。宋紅老師一絲不茍的作風(fēng)，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度

32、，認(rèn)真負(fù)責(zé)的精神，不僅是我學(xué)習(xí)上的標(biāo)桿，更是我以后生活、工作中的榜樣，為我將來從事的工作奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，使我終生受益。在這里我深深感宋老師！感宋紅老師、望喜老師、舟老師等對(duì)我的專業(yè)知識(shí)的培養(yǎng)。感我的同班同學(xué)四年來對(duì)我學(xué)習(xí)、生活上的關(guān)心和幫助；感我的家人，感他們對(duì)我的理解與支持；最后感我的母校生物工程學(xué)院，是她養(yǎng)育了我，歷練了我，為我以后的生活和工作打下了一個(gè)堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。！文獻(xiàn)綜述套管式換熱器的概述摘 要：由于套管式換熱器被廣泛的應(yīng)用于石油、石油化工動(dòng)力、制冷、食品、鋼鐵等工業(yè)部門，且它們是這些行業(yè)的通用設(shè)備，并且有十分重要的地位。在化工廠，換熱器的費(fèi)用約占總費(fèi)用的10%-20%，在煉油廠約占

33、總費(fèi)用的35%-40%。隨著我國工業(yè)的不斷發(fā)展，對(duì)能源利用、開發(fā)和節(jié)約的要求不斷提高，因而對(duì)換熱器的要求也日益加強(qiáng)。原本單一的傳熱方式和傳熱效率已經(jīng)不能滿足實(shí)際工作和生產(chǎn)，目前國外研究者對(duì)套管式換熱器提出了多種改進(jìn)方案，以加強(qiáng)套管式換熱器的傳熱效率，降低能耗，保護(hù)環(huán)境，節(jié)約能源。從結(jié)構(gòu)上看套管式換熱器主要包括兩類：一類是帶擾性構(gòu)件的：管間不能清洗，只可通清潔流體，可降低溫差應(yīng)力。另外一類是管束類的：可以自由伸縮管間可清洗，能消除溫差應(yīng)力。關(guān)鍵詞：套管式換熱器；傳熱效率；溫差應(yīng)力1前言套管式換熱器是目前化工、制冷、石化與酒精生產(chǎn)上應(yīng)用最廣的一種換熱器1。它主要以同心套管中的傳熱元件的換熱器，兩種

34、不同直徑的管子套在一起組成同心套管，每一段套管稱為“一程”，程的管（傳熱管）借U型肘管，而外管用短管依次連接成排，固定于支架上，熱量通過管管壁由一種液體傳遞給另一種液體 2。套管式被廣泛應(yīng)用于制冷、石化、化工等工業(yè)等領(lǐng)域。由于套管式換熱是被廣泛使用的，其本身的傳熱效率的提高能為我們的工業(yè)生產(chǎn)提供更為高效的和節(jié)能的生產(chǎn)方式，提高生產(chǎn)率，減少能源消耗。對(duì)于制冷、石化、化工等工業(yè)領(lǐng)域能起到的生產(chǎn)率的提高能起到至關(guān)重要的作用3。目前國外研究者對(duì)套管式換熱器提出了多種改進(jìn)方案，以加強(qiáng)套管式換熱器的傳熱效率4。2套管式換熱器的研究現(xiàn)狀 由于套管式換熱器被廣泛的應(yīng)用石油、石油化工等工業(yè)部門，原本單一的傳熱方

35、式和傳熱效率已經(jīng)不能滿足實(shí)際工作和生產(chǎn)，目前國外研究者對(duì)套管換熱器提出了多種改進(jìn)方案，以加強(qiáng)套管式換熱器的傳熱效率5。主要有以下幾種方式：2.1固定管板式換熱器這類換熱器的結(jié)構(gòu)比較簡單、緊湊、造價(jià)便宜，但管外不能機(jī)械清洗。此種換熱器管束連接在管板上，管板分別焊在外殼兩端，并在其上連接有頂蓋，頂蓋和殼體裝有流體進(jìn)出口接管6。通常在管外裝置一系列垂直于管束的擋板。同時(shí)管子和管板與外殼的連接都是剛性的，而管管外是兩種不同溫度的流體。因此，當(dāng)管壁與殼壁溫差較大時(shí)，由于兩者的熱膨脹不同，產(chǎn)生了很大的溫差應(yīng)力，以至管子扭彎或使管子從管板上松脫，甚至毀壞換熱器7。 為了克服溫差應(yīng)力必須有溫差補(bǔ)償裝置，一般在

36、管壁與殼壁溫度相差50以上時(shí)，為安全起見，換熱器應(yīng)有溫差補(bǔ)償裝置。但補(bǔ)償裝置（膨脹節(jié)）只能用在殼壁與管壁溫差低于6070和殼程流體壓強(qiáng)不高的情況。一般殼程壓強(qiáng)超過0.6Mpa時(shí)由于補(bǔ)償圈過厚，難以伸縮，失去溫差補(bǔ)償?shù)淖饔?，就?yīng)考慮其他結(jié)構(gòu)。2.2填料函式換熱器這類換熱器管束一端可以自由膨脹，結(jié)構(gòu)比浮頭式簡單，造價(jià)也比浮頭式低8。但殼程介質(zhì)有外漏的可能，殼程中不應(yīng)處理易揮發(fā)、易燃、易爆和有毒的介質(zhì)。2.3 U型管式換熱器U型管式換熱器，每根管子都彎成U形，兩端固定在同一塊管板上，每根管子皆可自由伸縮，從而解決熱補(bǔ)償問題。管程至少為兩程，管束可以抽出清洗，管子可以自由膨脹9。其缺點(diǎn)是管子壁清洗困難

37、，管子更換困難，管板上排列的管子少。優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，質(zhì)量輕，適用于高溫高壓條件。3.4 套管式換熱器的特點(diǎn)3.4.1 套管式換熱器的優(yōu)點(diǎn)結(jié)構(gòu)簡單、傳熱面積大、傳熱效果好以與適應(yīng)性強(qiáng)。3.4.2國外研究存在的問題套管式換熱器雖然具備了很多其他換熱器所沒有的優(yōu)勢，但是依然有很多缺點(diǎn)和不足，依然有很多有待改進(jìn)的地方10。（1）改進(jìn)后的套管式換熱器，如固定管板式換熱器11、浮頭式換熱器、填料函式換熱器、U型管式換熱器雖然在傳熱性能上有所提升，但是研究方向忽視了流體對(duì)換熱器效率本身的影響，不同流體速率下套管換熱器的換熱系數(shù)存在差異12。如何通過改進(jìn)流體流動(dòng)速率，從而改變換熱系數(shù)提高換熱效率未被大家所重視

38、。從改變換熱器性能指標(biāo)上出發(fā)，采用多種方式綜合提升換熱器效率是更加有效的改進(jìn)方向13。（2）換熱器設(shè)計(jì)時(shí)管子與管子的連接、管板結(jié)構(gòu)、溫差應(yīng)力、拉脫力以與換熱器材料和冷卻介質(zhì)的選擇14。4 其他形式換熱器4.1 板翅式換熱器板翅式換熱器的傳熱元件由板和翅片組成的換熱器。板翅式換熱器傳熱效率高，由于翅片對(duì)流體的擾動(dòng)使邊界層不斷破裂，因而具有較大的換熱系數(shù)；同時(shí)由于板翅式換熱器的隔板、翅片很薄，具有高導(dǎo)熱性，所以得板翅式換熱器可以達(dá)到很高的效率15。板翅式換熱器緊湊，由于板翅式換熱器具有擴(kuò)展的二次表面，使得它的比表面積可達(dá)到1000 m2/m3。板翅式換熱器輕巧，是因?yàn)榘宄崾綋Q熱器的部件緊湊且多為鋁

39、合金制造16。板翅式換熱器適應(yīng)性強(qiáng)，板翅式換熱器可適用于：氣-氣、氣-液、液-液、各種流體之間的換熱以與發(fā)生集態(tài)變化的相變換熱。板翅式換熱器通過流道的布置和組合能夠適應(yīng)：逆流、錯(cuò)流、多股流、多程流等不同的換熱工況。通過單元間串聯(lián)、并聯(lián)、串并聯(lián)的組合可以滿足板翅式換熱器制造工藝要求，工藝過程復(fù)雜。板翅式換熱器容易堵塞，不耐腐蝕，清洗檢修很困難，故只能用于換熱介質(zhì)干凈、無腐蝕、不易結(jié)垢、不易沉積、不易堵塞的場合17。板翅式換熱器日常維護(hù)： （1）嚴(yán)格執(zhí)行操作規(guī)程，來確保板翅式換熱器進(jìn)出口溫度、壓力與流量控制在操作指標(biāo)，防止急劇變化，并認(rèn)真填寫板翅式換熱器日常維護(hù)記錄。（2）定期檢查板翅式換熱器的殼

40、體、封頭、管子和法蘭連接處是否無異響、腐蝕與泄漏，部有無跑冷現(xiàn)象，以與板翅式換熱器保冷珍珠巖是否缺少。（3）監(jiān)測板翅式換熱器冷箱進(jìn)出口壓差。定點(diǎn)檢查板翅式換熱器各部分儀表與安全裝置是否符合要求，發(fā)現(xiàn)板翅式換熱器缺陷要與時(shí)消除18。（4）勤擦拭板翅式換熱器、勤打掃，保持板翅式換熱器設(shè)備與板翅式換熱器環(huán)境的整潔，做到板翅式換熱器無污垢、無垃圾、無泄漏。（5）嚴(yán)格執(zhí)行板翅式換熱器交接班制度，未排除的故障應(yīng)與時(shí)上報(bào)，板翅式換熱器故障未排除不能盲目開車。4.2 浮頭式換熱器新型浮頭式換熱器浮頭端結(jié)構(gòu)包括圓筒、外頭蓋側(cè)法蘭、浮頭管板、鉤圈、浮頭蓋、外頭蓋與絲孔、鋼圈組成19，浮頭式換熱器在外頭蓋側(cè)法蘭側(cè)面

41、設(shè)凹型或梯型密封面，并在靠近密封面外側(cè)鉆孔并套絲或焊設(shè)多個(gè)螺桿均布，浮頭處取消鉤圈與相關(guān)零部件，浮頭管板密封槽為原凹型槽并另在同一端面開一個(gè)以該管板中心作為圓心，浮頭式換熱器半徑稍大于管束外徑的梯型凹槽，且浮頭式換熱器管板分程凹槽只與梯型凹槽相連通，而不與凹型槽相連通；在凹型和梯型凹槽之間鉆孔并套絲或焊設(shè)多個(gè)螺桿均布，設(shè)浮頭法蘭為凸型和梯型凸臺(tái)雙密封，分程隔板與梯型凸臺(tái)相通并位于同一端面的寬面法蘭，且凸型和梯型凸臺(tái)與分程隔板分別與浮頭管板凹型和梯型凹槽與凹槽相對(duì)應(yīng)匹配，浮頭式換熱器浮頭法蘭與無折邊球面封頭組配焊接為浮頭蓋，其法蘭螺孔與浮頭管板的絲孔或螺桿相組配，用螺栓或螺帽緊固壓緊浮頭管板凹型

42、和梯型凹槽與分程凹槽與其墊片，浮頭式換熱器可適當(dāng)加大浮頭管板的厚度和直徑與圓筒的徑，同時(shí)相應(yīng)變更加大相關(guān)零部件的尺寸；浮頭式換熱器另外配置一無外力輔助鋼圈，浮頭式換熱器圈體徑大于浮頭管板外徑，鋼圈一端用法蘭與外頭蓋側(cè)法蘭側(cè)面凹型或梯型密封面連接并密封，浮頭式換熱器另一端設(shè)法蘭或其他結(jié)構(gòu)與浮頭管板原凹型槽與其墊片或外圓密封20。4.3 容積式換熱器 容積式換熱器又叫表面式換熱器。容積式換熱器是利用冷、熱流體交替流經(jīng)蓄熱室中的蓄熱體(填料)表面，從而進(jìn)行容積式換熱器熱量交換的換熱器，容積式換熱器間壁式換熱器的冷、熱流體被固體間壁隔開，并通過間壁進(jìn)行熱量交換的換熱器21。4.4 石墨換熱器石墨換熱器

43、是傳熱組件用石墨制成的換熱器。制造換熱器的石墨應(yīng)具有不透性，常用浸漬類不透性石墨和壓型不透性石墨22。石墨換熱器按其結(jié)構(gòu)可分為塊孔式石墨換熱器管殼式石墨換熱器和板式石墨換熱器3種類型23。（1）塊孔式石墨換熱器由若干個(gè)帶孔的塊狀石墨組件組裝而成24。（2）管殼式石墨換熱器管殼式換熱器在石墨換熱器中占有重要地位，按結(jié)構(gòu)又分為固定式和浮頭式兩種。（3）板式石墨換熱器板式換熱器用石墨板粘結(jié)制成。石墨換熱器耐腐蝕性能好，傳熱面不易結(jié)垢，傳熱性能良好20。但石墨易脆裂，抗彎和抗拉強(qiáng)度低，因而只能用于低壓，即使承壓能力最好的塊孔狀結(jié)構(gòu)，其工作壓力一般也僅為0.30.5MPa。石墨換熱器的成本高，體積大，使

44、用不多。它主要用于鹽酸、硫酸、醋酸和磷酸等腐蝕性介質(zhì)的換熱，如用作醋酸和醋酸酐的冷凝器等25。5 發(fā)展趨勢 套管式換熱器作為一種主流的換熱器，被廣泛的用于制冷、石化、化工，新能源等工業(yè)領(lǐng)域。由于套管式換熱器是被廣泛使用的，其本身的傳熱效率的提高能為我們的工業(yè)生產(chǎn)提供更為高效和節(jié)能的生產(chǎn)方式，提高生產(chǎn)率，減少能源消耗，對(duì)于制冷、石化、化工、新能源等工業(yè)領(lǐng)域的生產(chǎn)率能起到至關(guān)重要的作用26。隨著國家環(huán)保節(jié)能、可持續(xù)發(fā)展政策的提出，人們環(huán)保意識(shí)的增長，新技術(shù)的日益更新，新材料的不斷出現(xiàn)，國家和企業(yè)對(duì)新型高效環(huán)保節(jié)能的套管式換熱器的要求將會(huì)越來越高。通過對(duì)套管式換熱器的傳熱過程和傳熱系數(shù)的研究，套管式換熱器的實(shí)際工作環(huán)境、安全可靠性、安裝、操作、維修等方面的研究，