《殼式熱交換器工藝設(shè)計(jì)6100字（論文）》

殼式熱交換器分類及工藝設(shè)計(jì)TOC\o"1-3"\h\u8757摘要 4121351引言 554732殼式熱交換器簡(jiǎn)介 526743熱交換器的分類及不同特點(diǎn) 518423.1按工作原理或傳熱方式進(jìn)行分類 6190203.2不同間壁式熱交換器 6116133.3殼式熱交換器的種類 6137614強(qiáng)化傳熱技術(shù) 791534.1管程強(qiáng)化傳熱技術(shù) 8123934.2殼程強(qiáng)化傳熱技術(shù) 94884.3整體強(qiáng)化 10298765殼式熱交換器工藝設(shè)計(jì) 11157175.1設(shè)計(jì)條件 11151735.2定性溫度確定 12184975.3熱交換器選型 128740總結(jié) 135094參考文獻(xiàn) 15

摘要該設(shè)備在當(dāng)前比較常用，比如在化工、能源等等方面用的都比較多。換熱設(shè)備有很多種，對(duì)于它的分類是根據(jù)它的用途、工作條件等等進(jìn)行劃分的。在當(dāng)前用的比較多的換熱設(shè)備是殼式熱交換器。它與其他熱交換器相比優(yōu)點(diǎn)有很多，比如易制造、效率高等等。本文在設(shè)計(jì)殼式熱交換器時(shí)分為四個(gè)部分：第一部分殼式熱交換器研究現(xiàn)狀；第二部分是工藝設(shè)計(jì)；第三部分是機(jī)械設(shè)計(jì)；第四部分是校核。關(guān)鍵詞：殼式熱交換器；化工機(jī)械；工藝設(shè)計(jì)1引言目前世界各國(guó)在熱交換器理論研究、新技術(shù)和新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)方面已經(jīng)進(jìn)入高層次的探索階段，涉及領(lǐng)域非常廣，近年來(lái)我國(guó)加大了對(duì)各種熱交換器的研發(fā)，但在一些高效熱交換器相關(guān)技術(shù)方面與世界先進(jìn)水平還存在不小的差距。我國(guó)應(yīng)努力學(xué)習(xí)借鑒國(guó)外先進(jìn)技術(shù)，努力趕上超越國(guó)際先進(jìn)水平。管殼式熱交換器的發(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。隨著支承形式的發(fā)展,管殼式熱交換器的殼程給熱系數(shù)呈現(xiàn)不斷提高壓降呈現(xiàn)不斷下降的趨勢(shì)，熱交換器的傳熱綜合性能得到很大的提高。無(wú)論是選型還是設(shè)計(jì)都給我們帶來(lái)很大的方便。2殼式熱交換器簡(jiǎn)介熱交換器是實(shí)現(xiàn)熱量傳遞，可以將高溫?zé)崃總鹘o低溫?zé)崃?。熱交換器當(dāng)前在化工、動(dòng)力等等方面用的比較多。熱交換器在化工廠中投資比較大，約占15%左右。對(duì)于能量?jī)?chǔ)存、轉(zhuǎn)化、回收方面來(lái)說(shuō)，熱交換器都起到了至關(guān)重要的作用。換熱設(shè)備主要作用就是把熱量由高溫物體傳遞給低溫物體。另外換熱設(shè)備還可以進(jìn)行低溫余熱的回收，比如煙道氣的余熱就能用余熱鍋爐進(jìn)行回收，這些余熱就可以用來(lái)發(fā)電，這樣就可以提高發(fā)電效率，提高經(jīng)濟(jì)性。目前世界各國(guó)在換熱器理論研究、新技術(shù)和新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)方面已經(jīng)進(jìn)入高層次的探索階段，涉及領(lǐng)域非常廣，近年來(lái)我國(guó)加大了對(duì)各種換熱器的研發(fā)，但在一些高效換熱器相關(guān)技術(shù)方面與世界先進(jìn)水平還存在不小的差距。我國(guó)應(yīng)努力學(xué)習(xí)借鑒國(guó)外先進(jìn)技術(shù)，努力趕上超越國(guó)際先進(jìn)水平。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。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。無(wú)論是選型還是設(shè)計(jì)都給我們帶來(lái)很大的方便。3熱交換器的分類及不同特點(diǎn)3.1按工作原理或傳熱方式進(jìn)行分類直接接觸式換熱器。它也可以稱為混合式換熱器。該換熱器進(jìn)行換熱時(shí)采用的方式是直接接觸。只有當(dāng)工藝上允許兩換熱流體直接混合時(shí)才能選取此類換熱器，這種結(jié)構(gòu)的設(shè)備不僅換熱高效而且所用設(shè)備也相對(duì)簡(jiǎn)單。如涼水塔是用換熱器里面的冷卻循環(huán)水的來(lái)實(shí)現(xiàn)換熱，在涼水塔內(nèi)空氣與水直接接觸進(jìn)行熱交換。蓄熱式換熱器。它是一種借助由固體構(gòu)成的蓄熱體與冷熱流體交替接觸從而實(shí)現(xiàn)熱量傳遞的一類設(shè)備。此種設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可耐高溫，缺點(diǎn)是體積較大并且兩種流體交替難免存在混合。間壁式換熱器。它又稱作表面式換熱器，它是通過(guò)溫度不同的兩種流體在被一固體壁面分的不同空間里流動(dòng)，兩種流體互不接觸。間壁式換熱器現(xiàn)在已發(fā)展各種各樣的形式，現(xiàn)在已成為應(yīng)用最為廣泛的一類換熱設(shè)備。3.2不同間壁式熱交換器（1）夾套式此類換熱器由夾套和器壁組成，結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單。但也由于結(jié)構(gòu)的限制，這種換熱器傳熱系數(shù)不是很大。對(duì)于容器能安裝有攪拌器或者其他換熱器不方便使用的場(chǎng)合，該換熱器是很好的選擇。（2）蛇管式此類換熱器又分為沉浸式和噴淋式。特點(diǎn)是在熱體通過(guò)細(xì)長(zhǎng)的蛇形管與外部流體進(jìn)行熱交換。此類換熱器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)便宜。（3）套管式將兩種直徑不同的直管裝成同心套管，換熱時(shí)一種流體在內(nèi)管流動(dòng)一種流體在外管流動(dòng)。此種換熱器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單適用于傳熱面積不多的場(chǎng)合。（4）管殼式它又叫做列管式換熱器，是目前化工及其他工業(yè)生產(chǎn)中使用最廣泛的的換熱器，管殼式管熱器由管子、封頭、殼體、接管、管板、折流板以及其他附件組成。此類換熱器結(jié)構(gòu)緊湊，有較高的可靠性能同時(shí)處理能力大，在高溫、高壓及大型換熱器中具有明顯的優(yōu)勢(shì)。3.3殼式熱交換器的種類根據(jù)在結(jié)構(gòu)上有無(wú)熱膨脹補(bǔ)償和補(bǔ)償方法的不同，我們將管殼式換熱器又簡(jiǎn)單分為以下三種：（1）固定管板式換熱器，如圖1所示。（2）U型管式換熱器，如圖2所示。（3）浮頭式換熱器，如圖3所示。圖1固定管板式換熱器結(jié)構(gòu)示意圖圖2U型管換熱器結(jié)構(gòu)示意圖圖3浮頭式換熱器結(jié)構(gòu)示意圖4強(qiáng)化傳熱技術(shù)由對(duì)流傳熱機(jī)理分析可知，對(duì)流傳熱系數(shù)取決于熱邊界層內(nèi)的溫度梯度。而溫度梯度或熱邊界層的厚度與流體的物性、溫度、流動(dòng)狀態(tài)以及壁面幾何形狀等諸多因素有關(guān)。由于流體的種類、特性、溫度等都是設(shè)計(jì)條件，不可改變，但我們可以改變其他影響傳熱的因素來(lái)強(qiáng)化傳熱。這主要在以下幾點(diǎn)：湍流的對(duì)流傳熱系數(shù)比層流大，因此我們使冷熱流體在流動(dòng)時(shí)盡量做湍流流動(dòng)。由泵、攪拌器等外力引起的強(qiáng)制對(duì)流比自然對(duì)流大十幾倍到幾十倍，因此我們可以通過(guò)增加強(qiáng)制對(duì)流來(lái)強(qiáng)化傳熱。除以上兩點(diǎn)外，通過(guò)改變傳熱面的形狀、大小、位置等也可提高傳熱。由于換熱器分管程和殼程因此我們可以通過(guò)分別對(duì)管程和殼程的合理設(shè)計(jì)來(lái)強(qiáng)化傳熱。4.1管程強(qiáng)化傳熱技術(shù)波紋管的強(qiáng)化傳熱效果可以達(dá)到相同條件下直管的3倍，當(dāng)雷諾數(shù)在Re=16000附近強(qiáng)化傳熱效果最佳，并且和管徑及波紋尺寸無(wú)關(guān)；波峰處回流區(qū)的存在和表現(xiàn)是波紋管傳熱強(qiáng)化的關(guān)鍵；波紋管的波紋尺寸對(duì)管內(nèi)傳熱性能有較大影響，在選擇波紋管管型時(shí)應(yīng)適當(dāng)選擇大小圓弧半徑較小的管子。圖4波紋管結(jié)構(gòu)示意圖螺旋槽管是通過(guò)專用軋管設(shè)備將圓管在其表面滾壓出螺旋線形的凹槽，管子內(nèi)部形成螺旋線形凸起。如圖5所示。流體在螺旋槽管內(nèi)流動(dòng)時(shí)由于螺旋槽的作用將產(chǎn)生旋流，減薄了熱邊界層厚度，因而會(huì)產(chǎn)生明顯的傳熱強(qiáng)化作用。在相同的換熱面積和泵功率消耗情況下，使用螺旋槽管可使換熱量提高14％到19％。圖5螺旋槽管結(jié)構(gòu)示意圖內(nèi)插物管是通過(guò)在管內(nèi)插入物能使介質(zhì)產(chǎn)生渦旋運(yùn)動(dòng)來(lái)強(qiáng)化傳熱的方法，如圖所示內(nèi)插物管尤其對(duì)低雷諾數(shù)、高黏度流體的傳熱更為有效。就它們的應(yīng)用領(lǐng)域來(lái)講,管內(nèi)插物最大的優(yōu)點(diǎn)是:在強(qiáng)化傳熱的同時(shí),又能起到清除污垢的作用。選擇哪一種管內(nèi)插物取決于兩個(gè)因素:換熱性能和成本。圖6內(nèi)插物管結(jié)構(gòu)示意圖4.2殼程強(qiáng)化傳熱技術(shù)在殼程介質(zhì)為液體的工況下，傳統(tǒng)弓形折流板換熱器的流體流動(dòng)阻力和振動(dòng)較大，能量損失嚴(yán)重，因此，殼程強(qiáng)化傳熱顯得尤為重要。近年來(lái)，人們采用了各種各樣的折流支撐結(jié)構(gòu)來(lái)改善殼程流體的強(qiáng)化傳熱。螺旋折流板換熱器與傳統(tǒng)的弓形折流板換熱器相比具有換熱效果好、殼側(cè)壓降小、管束不易結(jié)垢以及能防止管束流體誘導(dǎo)振動(dòng)等其他許多優(yōu)點(diǎn)。其結(jié)構(gòu)如圖7所示。由研究可知，在同殼側(cè)流量下，螺旋角為15°的連續(xù)螺旋折流板換熱器的殼側(cè)換熱系數(shù)和壓降略大于弓形折流板換熱器，其余各連續(xù)螺旋折流板換熱器的殼側(cè)換熱系數(shù)和壓降均小于弓形折流板換熱器。同殼側(cè)流量下，隨螺旋角的增大，連續(xù)螺旋折流板換熱器的殼側(cè)換熱系數(shù)和壓降均減小。圖7連續(xù)螺旋折流板換熱器結(jié)構(gòu)示意圖常見(jiàn)折流桿如圖所示。隨著Re的增加，折流桿會(huì)產(chǎn)生更加強(qiáng)烈擾流作用,因此可以使傳熱得到強(qiáng)化。此外,隨著折流桿間距的增大，換熱系數(shù)和流動(dòng)阻力均有所下降,間距為1200mm時(shí)綜合效果達(dá)到最佳效果。相關(guān)研究表明，變截面設(shè)計(jì)的折流桿進(jìn)行，不僅能夠有效減少流體阻力,提高換熱器的綜合性能,還可節(jié)省材料，同時(shí)減輕設(shè)備重量，降低成本。圖8折流桿換熱器結(jié)構(gòu)示意圖4.3整體強(qiáng)化整體強(qiáng)化通常是將管程和殼程強(qiáng)化聯(lián)合起來(lái)，從而使強(qiáng)化傳熱更加高效。還有一種就是通過(guò)改變管子形狀使得管殼程傳熱均得以強(qiáng)化。從管殼式換熱器的各種研究中可以看出，管殼式換熱器的換熱效果和殼程壓降始終是兩個(gè)難以同時(shí)兼顧的因素，在提高換熱器傳熱效率的同時(shí)總會(huì)伴隨著殼側(cè)壓降的增大，反之，把殼程壓降減小傳熱效率不可避免會(huì)減小。設(shè)計(jì)一種在增大管殼式換熱器換熱效率的同時(shí)也降低殼程能耗的管殼式換熱器今后也是此次設(shè)計(jì)研究的主要任務(wù)。5殼式熱交換器工藝設(shè)計(jì)5.1設(shè)計(jì)條件題目所給設(shè)計(jì)條件及相關(guān)參數(shù)如表1所示：查閱相關(guān)資料得知煤油純品為無(wú)色透明液體

，含有雜質(zhì)時(shí)呈淡黃色。略具臭味。沸程180～310℃（不是絕對(duì)的，在生產(chǎn)時(shí)常需根據(jù)具體情況變動(dòng)），凝固點(diǎn):-47℃。平均分子量在200～250之間。密度0.8g/cm3。熔點(diǎn)-40℃以上。運(yùn)動(dòng)黏度40℃為1.0～2.0mm2/s。燃燒完全，亮度足，火焰穩(wěn)定，不冒黑煙，不結(jié)燈花，無(wú)明顯異味。換熱器振動(dòng)與防振。管殼式換熱器的管束振動(dòng)分為縱向流誘振和橫向流誘振。橫向流誘振在正常的流速下會(huì)引起很大的振幅，使換熱器產(chǎn)生振動(dòng)而破壞。主要可以表現(xiàn)為以下特點(diǎn)：相鄰管子、管子與折流板或殼體之間發(fā)生撞擊、摩擦，使管和殼體受到磨損而變薄，甚至使管子破裂。使管子產(chǎn)生交變應(yīng)力，從而引起管子的疲勞，管子與管板連接處發(fā)生泄漏。殼程空間發(fā)生強(qiáng)烈的噪聲。增加殼程壓力降等。目前由于振動(dòng)的復(fù)雜性及技術(shù)條件的限制，對(duì)換熱器振動(dòng)尚無(wú)完善的方法。管殼式換熱器殼程流體橫流速度過(guò)高、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理、制造質(zhì)量差都會(huì)引起設(shè)備異常振動(dòng)。一般認(rèn)為橫向流振動(dòng)主要原因?yàn)椋盒D(zhuǎn)脫落、流體彈性擾動(dòng)、湍流顫振、聲振動(dòng)、射流轉(zhuǎn)換等。對(duì)于可能發(fā)生振動(dòng)的換熱設(shè)備，我們應(yīng)采取適當(dāng)?shù)拇胧┮苑涝斐纱蟮奈：?。一般情況主要從以下幾個(gè)方面考慮改變流體流速通過(guò)減少殼程流量來(lái)防止或消除振動(dòng)，但會(huì)因此而降低傳熱效率。如殼程流量不能改變，可以通過(guò)增加管間距來(lái)降低流速。改變管子固有頻率管子固有頻率與管子跨距平方成反比。因此可以可以通過(guò)增加跨距來(lái)降低固有頻率。其次也可以在管子之間插入管狀物來(lái)限制管子的運(yùn)動(dòng)。5.2定性溫度確定根據(jù)設(shè)計(jì)條件可知煤油進(jìn)出口溫度分別是140℃/40℃,冷卻水的進(jìn)出口溫度為20℃/40℃。所以煤油定性溫度。冷卻水的定性溫度。兩流體定性溫差。煤油定性條件下的物性參數(shù)如下表所示：表2冷卻水在定性溫度下的物性參數(shù)如下表所示：表35.3熱交換器選型根據(jù)已知條件可知，兩流體平均溫差大于50℃，而且兩流體腐蝕性較小，流體不易產(chǎn)生難以清洗的雜質(zhì)，此外兩流體在換熱過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生高壓。參考各換熱器的特點(diǎn)。因此可以選擇帶膨脹節(jié)的固定管板式容器。流體流通通道的選擇查閱相關(guān)資料得知，流體流通通道選擇一般遵循以下幾個(gè)原則：不潔凈或者易結(jié)構(gòu)分解的物料應(yīng)走易清洗的一側(cè)。對(duì)于直管管束結(jié)構(gòu)的換熱器來(lái)說(shuō)，這一類物質(zhì)一般走管程。但當(dāng)管束可以拆出清洗時(shí)也可走管外。需要提高流速來(lái)增加對(duì)流傳熱系數(shù)的需要走管程。壓力高的物料走管內(nèi)。溫度先對(duì)較高（或較低）的物料走管程以減少熱量損失。粘度大的流體（）走殼程以減少壓力降。綜上可知，我們可以初步選擇煤油走殼程，冷卻水走管程。估算傳熱面積初選則估算傳熱面積為了強(qiáng)化傳熱，提高傳熱效率，我們選擇波紋管作為換熱管。參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《GB/T28713.2管殼式換熱器強(qiáng)化傳熱元件第二部分：不銹鋼波紋管》選用換熱管型號(hào)為：BGB32/24×20×0.6×3500×0Cr18Ni9-GB/T28713.2-2012表4接頭形式：漲接或漲焊并用波峰外徑：30管胚外徑：24波距：20壁厚1mm長(zhǎng)度：5000mm此型號(hào)換熱管換熱面積。因此單根管單位換熱面積。則管子根數(shù)。選擇管子排列方式為正三角形。實(shí)際傳熱面積總結(jié)隨著市場(chǎng)和需求的不斷擴(kuò)大，資源和能源的消耗也不斷擴(kuò)大。就我國(guó)目前來(lái)說(shuō)，工業(yè)能耗在全國(guó)能耗的占比已經(jīng)大于70%，遠(yuǎn)高于發(fā)達(dá)國(guó)家的1/3；與此同時(shí)，我國(guó)單位國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值能耗約為世界平均水平的2.8倍；重化工行業(yè)單位產(chǎn)品能耗也遠(yuǎn)高于世界先進(jìn)水平。其中，我國(guó)原油加工、乙烯、合成氨等產(chǎn)品的平均能耗與國(guó)際先進(jìn)水平存在5%～15%的差距。為此，國(guó)家工信部提出到2015年我國(guó)單位工業(yè)增加值能耗要比2010年降低18%，節(jié)能工作依然任重道遠(yuǎn)?；谑?、化工、電力、冶金、船舶、機(jī)械、食品、制藥等行業(yè)對(duì)換熱器穩(wěn)定的需求增長(zhǎng)，我國(guó)換熱器行業(yè)在未來(lái)一段時(shí)期內(nèi)將保持穩(wěn)定增長(zhǎng)，2011年至2020年期間，我國(guó)換熱器產(chǎn)業(yè)將保持年均10-15%左右的速度增長(zhǎng)，到2020年我國(guó)換熱器行業(yè)規(guī)模有望達(dá)到1500億元。煉油化工是高耗能高污染排放行業(yè)，在節(jié)能減排目標(biāo)過(guò)程中擔(dān)當(dāng)著非常重要角色。煉油化工節(jié)能涉及生產(chǎn)、工藝、技術(shù)、設(shè)備、管理等各個(gè)方面的一項(xiàng)復(fù)雜的工程，其中最為關(guān)鍵是優(yōu)先采用先進(jìn)生產(chǎn)工藝、先進(jìn)節(jié)能技術(shù)和節(jié)能設(shè)備，降低能耗物耗，提高能源資源利用率。因此對(duì)換熱器進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)就尤為重要，我們不僅要滿足設(shè)備的功能,同時(shí)要更加注重效率，提高能源資源的利用率，并且同時(shí)要考慮各方面因素使效益達(dá)到最大化。換熱器是實(shí)現(xiàn)熱量傳遞，可以將高溫?zé)崃總鹘o低溫?zé)崃?。換熱器當(dāng)前在化工、動(dòng)力等等方面用的比較多。換熱器在化工廠中投資比較大，約占15%左右。對(duì)于能量?jī)?chǔ)存、轉(zhuǎn)化、回收方面來(lái)說(shuō)，換熱器都起到了至關(guān)重要的作用。換熱設(shè)備主要作用就是把熱量由高溫物體傳遞給低溫物體。另外換熱設(shè)備還可以進(jìn)行低溫余熱的回收，比如煙道氣的余熱就能用余熱鍋爐進(jìn)行回收，這些余熱就可以用來(lái)發(fā)電，這樣就可以提高發(fā)電效率，提高經(jīng)濟(jì)性。換熱設(shè)備在當(dāng)前比較常用，比如在化工、能源等等方面用的都比較多。換熱設(shè)備有很多種，對(duì)于它的分類是根據(jù)它的用途、工作條件等等進(jìn)行劃分的。在當(dāng)前用的比較多的換熱設(shè)備是管殼式換熱器。它與其他換熱器相比優(yōu)點(diǎn)有很多，比如易制造、效率高等等。因此本文展開(kāi)設(shè)計(jì)：根據(jù)設(shè)計(jì)條件，參照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，選用帶膨脹節(jié)的殼式換熱器滿足設(shè)計(jì)要求。設(shè)計(jì)預(yù)設(shè)傳熱系數(shù)為，傳熱校核計(jì)算得實(shí)際傳熱系數(shù)。在給定設(shè)計(jì)條件下基本滿足設(shè)計(jì)要求。參照最新的國(guó)家設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)GB151-2014《管殼式換熱器》和GB150-2011《鋼制壓力容器》等進(jìn)行機(jī)械和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，最后用校核軟件校核，校核合格。總的來(lái)說(shuō)此次設(shè)計(jì)合格，基本滿足設(shè)計(jì)前所想要達(dá)到的要求。參考文獻(xiàn)[1]李誠(chéng),唐叔建,路廣遙,周建明,葉亮.小型螺旋管式熱交換器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].石油化工設(shè)備,2021,50(05):27-31.[2]張浩.渤海某油田原油換熱器堵塞原因淺析及清洗工藝改進(jìn)研究[J].清洗世界,2021,37(05):3-5.[3]陳龍豪,朱從健.內(nèi)部螺旋線型管式熱