浮頭式換熱器機械設計及三維造型畢業設計論文(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 61 參考文獻 .................................................................................................................................. 62 第一章 緒論 1 第一章 緒論 何為換熱器 換熱器是實現化工生產過程中熱量交換和傳遞不可缺少的設備。在熱量交換中常有一些腐蝕性、氧化性很強的物料，因此，要求制造換熱器的材料具有抗強腐蝕性能。換熱器的分類比較廣泛：反應釜 壓力容器 冷凝器 反應鍋 螺旋板式換熱器 波紋管換熱器 列管換熱器 板式換熱器 螺旋板換熱器 管殼式換熱器 容積式換熱器 浮頭式換熱器 管式換熱器 熱管換熱器 汽水換熱器 換熱機組 石墨換熱器 空氣換熱器 鈦換熱器 換熱設備，要求制造換熱器的材料具有抗強腐蝕 性能。它可以用石墨、陶瓷、玻璃等非金屬材料以及不銹鋼、鈦、鉭、鋯等金屬材料制成。但是用石墨、陶瓷、玻璃等材料制成的有易碎、體積大、導熱差等缺點，用鈦、鉭、鋯等稀有金屬制成的換熱器價格過于昂貴，不銹鋼則難耐許多腐蝕性介質，并產生晶間腐蝕。 換熱器的應用 換熱器在工、農業的各領域應用十分廣泛，在日常生活中傳熱設備也隨處可見，是不可缺少的工藝設備之一。 因此換熱設備的研究備受世界各國政府及研究機構的高度重視，在全世界第一次能源危機爆發以來 ,各國都在下大力量尋找新的能源及在節約能源上研究新途徑。 據統計，在現 代石油化工生產中，換熱器的投資約占總投資的 3O％～ 40％，正因如此 設計投資省，能耗低，傳熱系數高，維修方便的換熱器是大勢所趨， 在研究投人大、人力資源配備足的情況下 ,一批具有代表性的高效換熱器和強化傳熱元件誕生，如板翅式換熱器、大型板殼式換熱器和強化沸騰的表面多孔管、 T 形翅片管、強化冷凝的螺紋管、鋸齒管等都得到了國際傳熱界專家的首肯，社會效益非常顯著，大大緩解了能源的緊張狀況。 其中管殼式換熱器是目前應用最為廣泛的一種換熱設備， 已作為一種標準換熱設備。這種換熱器的特點是易于制造，生產成本較低，選用的材料范圍廣 ，換熱表面的清洗比較方便，適應性強，處理能力大，高溫和高壓下亦能應用。與各種換熱器相比，主要優點是單位體積所具有的傳熱面積較大以及傳熱效果較好；此外，結構簡單，操作彈性也較大等，因此在高溫、高壓和大型裝置上多采用管殼式換熱器。 換熱器分類 換熱器作為傳熱設備隨處可見，在工業中應用非常普遍，特別是耗能用量十分大的 浮頭式換熱器機械設計及三維 造型 2 領域，隨著節能技術的飛速發展，換熱器的種類開發越來越多。適用于不同介質、不同工況、不同溫度、不同壓力的換熱器，結構和型式亦不同，以下列舉其中的幾種分類 按材料分類 主要為金屬和非 金屬兩大類。金屬又可分為低合金鋼、高合金鋼、低溫鋼、稀有金屬等。 按傳熱種類分類 (1)無相變傳熱 一般分為加熱器和冷卻器。 (2)有相變傳熱 一般分為冷凝器和重沸器。重沸器又分為釜式重沸器、虹吸式重沸器、再沸器、蒸發器、蒸汽發生器、廢熱鍋爐。 按結構分類 分為浮頭式換熱器、固定管板式換熱器、填料函換熱器、 U 形管式換熱器、蛇管式換熱器、雙殼程換熱器、單套管換熱器、多套管換熱器、外導流筒換熱器、折流桿式換熱器、熱管式換熱器、插管式換熱器、滑動管板式換熱器。 按強化傳熱元件分 類 分為螺紋管換熱器、波紋管換熱器、異型管換熱器、表面多孔管換熱器、螺旋扁管換熱器、螺旋槽管換熱器、環槽管換熱器、縱槽管換熱器、翅管換熱螺旋繞管式換熱器、T形翅片管換熱器、新結構器、內插物換熱器、鋸齒管換熱器。 按傳熱原理分類 1） 直接接觸式換熱器 這類換熱器的主要工作原理是兩種介質經接觸而相互傳遞熱量，實現傳熱，接觸面積直接影響到傳熱量。這類換熱器的介質通常是一種是氣體，另一種為液體，主要是以塔設備為主體的傳熱設備，但通常又涉及傳質，故很難區分與塔器的關系，通常歸為塔式設備，電廠用涼水塔為最典 型的直接接觸式換熱器。 2） 蓄能式換熱器（簡稱蓄能器）這類換熱器用量極少，原理是通過一種固體物質，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，使之達到傳遞熱量的目的。 3） 板、管式換熱器 這類換熱器用量非常大，占總量的 99%以上，原理是熱介質通過金屬或非金屬將熱量傳遞給冷介質的傳熱設備，這類換熱器是我們通常稱為管殼式、板式、板翅式或板殼式換熱器。 換熱器的種類繁多，每 種換熱器各自適用于某一種工況。為此，應根據介質、溫度、壓力的不同選擇不同種類的換熱器，揚長避短，使之帶來更大的經濟效益。 換熱器的結構和使用特點 換熱器作為節能設備之一，在國民經濟中起到非常重要的作用。換熱器的結構決定了換熱器的性能，一種性能能否發揮作用取決于設計者如何選擇合理結構，任何一個場第一章 緒論 3 合都有適應于這個場合特點的換熱結構。 在換熱設備中應用最為廣泛的是管殼式換熱器。它具有選材范圍廣，換熱表面清洗比較方便，適用性較強，處理能力大，能承受高溫和高壓等特點。管殼式換熱器的結構設計，必須考慮諸多因素 ，如：材料、壓力、溫度、壁溫差、結垢情況、流體性質以及檢修與清理等。 管殼式換熱器雖然在換熱效率、設備的體積和金屬材料的消耗量等方面不如其它新型的換熱設備，但它具有結構堅固、操作彈性大、可靠程度高、使用范圍廣等優點，所以在各工程中仍得到普遍使用。 管殼式換熱器在煉油、石油化工、醫藥、化工以及其它工業中使用廣泛，它適用于冷卻、冷凝、加熱、蒸發和廢熱回收等各個方面。 管殼式換熱器的結構設計，必須考慮很多因素，如材料、壓力、溫度、壁溫差、結垢情況、流體性質以及檢修與清理等，通過各種因素的綜合考慮及比較來選擇某一種 適合的結構形式。 對同一種形式的換熱器，由于各種條件不同，往往采用的結構亦不相同。在工程設計中，按工藝特定的條件進行設計，以滿足工藝上的需要。 管殼式換熱器把換熱管與管板連接，再用殼體固定。它的形式大致分為固定管板式換熱器、浮頭式換熱器、 U 形管殼式換熱器、外填料函式換熱器、填料函滑動管板式換熱器、釜式重沸器等幾種。根據介質的種類、壓力、溫度、污垢和其它條件，管板與殼體的連接方式，換熱管的形式與傳熱條件，造價，維修檢查方便等情況，根據各種結構形式的特點來選擇設計制造各種管殼式換熱器。為了要使傳熱效率提高、能耗 下降，就必須了解管殼式換熱器的結構特點。下面著重介紹典型的管殼式換熱器的結構及使用特點。 浮頭式換熱器 浮頭式換熱器（見圖 ）是由管箱、殼體、管束、浮頭蓋、外頭蓋等零部件組成。它的最大的特點是管板一端的管束可以自由浮動，在使用過程中由溫差膨脹而不受殼體約束，不會產生溫差應力，即其不受溫差應力的困擾，但其結構復雜，內浮頭密封困難，鍛件多，造價高。維修時可只更換管束，適用于管、殼程溫差大但工作壓力不超過 10MPa的工況。它在相同的殼體直徑下，布管數越多，換熱面積越大。 其優點是： ① 管束可以抽出 ，以方便清洗管、殼程； ② 介質間溫差不受限制； ③ 可在高溫、高壓下工作，一般溫度 ≤ 450oC ，壓力 ≤ MPa； ④ 可用于結垢比較嚴重的場合； ⑤ 可用于管程易腐蝕場合。 缺點： 浮頭式換熱器機械設計及三維 造型 4 ① 小浮頭易發生內漏； ② 金屬材料耗量大，成本高 20%； ③ 結構復雜。 防沖板 擋板 浮頭管板 鉤圈 支耳 圖 浮頭式換熱器 固定管板式換熱器 固定管板式換熱器（見 圖 ）是由管箱、殼體、管板、管子等零部件組成。其結構較緊湊，排管較多，在相同直徑情況下面積較大，制造較簡單，但最后一道殼體與管板的焊縫無法用無損檢測。其兩端管板，采用焊接方式與殼體連接固定，管程可分成多程，殼程也可分成雙程，規格范圍廣，故在工程中廣泛應用。它適用于管、殼程溫差不大或管、殼程溫差大，但壓力不高，殼程介質干凈或雖結垢但通過化學清洗能清除的場合。在熱膨脹之差較大時，可在殼體上設置膨脹節，以減少因管、殼程溫差而產生的熱應力。 其優點是： ① 傳熱面積比浮頭式換熱器大 20%30%； ② 旁路漏流 較小； ③ 鍛件使用較少，成本低 20％ 以上； ④ 沒有內漏。 缺點： ① 殼體和管子壁溫差一般易小于等于 50，大于 50 時應在殼體上設置膨脹節； ② 管板與管頭之間易產生溫差應力而損壞； ③ 殼程無法機械清洗； ④ 管子腐蝕后造成連同殼體報廢，殼體部件壽命決定于管子壽命，故設備壽命相對較低； ⑤ 不適用于殼程易結垢場合。 第一章 緒論 5 防沖板 拉桿 弓形折流板 分流割板 旁路擋板 帶法蘭管板 換熱管 殼體 圖 固定管板式換熱器 形管換熱器 U 形管換熱器（見圖 ）是由管箱、殼體、管束等零部件組成。它是將換熱管彎成 U形，并將換熱管兩端固定在同一塊管板上，因此密封面較少。由于殼體與換熱管分開，管束可自由伸縮，可以不考慮熱膨脹。因 U形管式換熱器僅有一塊管板，且無浮頭，所以結構簡單，造價比其它換熱器低。管束可以從殼體內抽出，換熱管外壁便于清洗。但換熱管內清洗困難，所以換熱管內的介質必須是清潔且不易結垢的物料。由于換熱管的結構形式關系，換熱管的更換除外側一層外，內部換熱管大部分不可能更換。管束中心部分存在空隙，所以流體易短路， 影響傳熱效率。而且管板上排列的換熱管較少，結構不緊湊。 U形管的彎管部分曲率不同，換熱管長度不一致，因而物料分布不如固定管板式換熱器均勻。換熱管因滲漏而堵死后，將造成傳熱面積的損失。 U形管式換熱器一般用于高溫高壓的情況下。殼程里需要清洗的管束，則要求采用正方形排列，管程為偶數程。 殼程內一般可按工藝要求設置折流板和縱向隔板等。折流板用于提高換熱器的傳熱效率?？v向隔板是安裝在平行于換熱管方向的矩形平板上，以增加殼側介質流速。 其優點是： ① 管束可抽出來機械清洗； ② 殼體與管壁不受溫差限制； ③ 可在高溫、 高壓下工作，一般適用于溫度，壓力 （ 10MPa） ； ④ 可用于殼程結垢比較嚴重的場合； ⑤ 可用于管程易腐蝕場合。 缺點： ① 在管子的 U形處易沖蝕，應控制管內流速； ② 管程不適用結垢較重的場合； 浮頭式換熱器機械設計及三維 造型 6 ③ 單管程換熱器不適用； ④ 不適用于內導流筒，故死區較大。 中間擋板 U 型換熱管 內導流筒 圖 U 形管換熱器 填料函式換熱器 填料函式換熱器（見圖 ）的管束可自由伸縮，殼程和管程都可以拆開清洗，結構簡單，適用管、殼程溫差大 的工況。耐壓、耐溫及密封能力差，工作壓力不超過 40MPa，不宜處理易揮發、易燃、易爆、有毒及貴重介質。 圖 填料函式換熱器 釜式重沸器 釜式重沸器（見圖 ）的殼體上部作為蒸汽空間，相當于 1 塊理論塔盤，熱源由浮頭或 Ｕ 形管束提供，適用場合為管殼程溫差大，壓力不受限制，塔底空間較小，汽化率 30%~80%，重沸器工藝介質的液相作為產品或用于分離，但要求高，安裝空間受限制。用作蒸汽發生器時，對蒸汽品質要求不高。 第一章 緒論 7 圖 釜式重沸器（Ｕ形） 設計的思想 設計 是為生產服務，要設計出一臺能夠滿足生產需要的換熱器，必須做到設計要滿足生產需要，滿足換熱器安全可靠運行，滿足經濟合理等基本要求。 首先設計必須滿足生產需要 所設計的產品能夠進行穩定可靠得操作，從而滿足正常的生產需要，此外，還能夠適應生產負荷以及操作參數在一定范圍內的波動，所以產品的可操作性和可控制性是設計中應該考慮的重要問題。另外，設備與部件應便于運輸與裝拆，確保檢修和更換零件的便利。 設計必須安全可靠 一般來講 ,換熱器的失事 ,不僅僅使容器和設備本身遭到破壞 ,而往往會破壞周圍的其他設備及 建筑 ,甚至造成人身傷亡事故 ,而由于內部介質向外擴散帶來的化學爆炸、著火燃燒或惡性中毒等連鎖反應更會造成不可估量的災難性破壞。因此，根據壓力容器可能的失效形式，設計上應滿足強度、剛度、穩定性、密封性和耐蝕性等基本要求。 設計必須經濟合理 在競爭激烈的當代社會中，“經濟合理”的消費理念已成為了生產者的共識，一般情況下，生產者都追求所設計的設備總是以較少的投資獲取最大的經濟利潤，要求其經濟技術指標具有競爭性，因此，在各種方案的分析對比過程中，其經濟技術指標評價往往是最重要的決策因素之一。 要想設計一臺既 滿足要求又經濟合理的換熱器，不僅僅是必須嚴格