畢業設計-浮頭式換熱器的設計(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 慮，在給定殼體內使用小直徑管子，可以得到更大的表面密度，但大多數流體會在管子表面上沉積污垢層，尤其管內水質較差，可能會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 Φ 17mm。對給定的流體，污垢形成主要受管壁溫度和流速的影響，為得到合理的維修周期，管內側水的流速應在 2m/s左右。對管殼式換熱器，應根據水質含雜量情況需設置膠球清洗裝置進行定期清洗。 板式換熱器的兩種熱交換介質分別在波紋板的兩側對流，波紋采用人字形波紋，這樣既增強了剛度以防止板片受壓變形，同時也增強了流體的湍流程度，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。沿流動方向橫截面積是恒定的，但是由于流動方向不斷變化18 致使流道形狀改變，而引起湍流。板片是傳熱元件，一般由 ～ 壓制成波紋狀，傳熱板的波紋深度為 3～ 5mm，湍流區流速約為 0． 3～ ，相鄰板間要有許多接觸點，以承受正常的工作壓力，相鄰的板有相反方向的人字形溝槽，兩種溝槽的交叉點就形成接觸點，這樣還可消除振動，并且在促進湍流和熱交換的同時，消除了由于疲勞裂縫引起的內部泄漏。人字形波紋板湍流度較高，高湍流還能充分發揮清洗作用，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較多，當液體水質差，含有懸浮的固體顆粒、雜物和水草等時，由于板間隙很窄，所以要盡可能地保證將所有 2 mm以上顆粒在進人換熱器以前，都要過濾掉 ,假如濾網不能有效地發揮作用，就容易發生堵塞。 (2)傳熱系數的比較 管 殼式換熱器中，一種流體橫向掠過管子通過管壁與管內流動的另一種流體彼此垂直交叉流動，其傳熱系數 k值一般為 1000～ 3000 w／ (m2． k)。板式換熱器中，冷卻水側與被冷卻水側流動均勻湍流，兩種流體逆向流動，由于波紋的作用引起湍流，從而產生高傳熱率，并抑制了污垢在傳熱面上形成。其傳熱系數一般為3500～ 5600 w／ (m2． k)，故傳熱系數高，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，這是因為板式換熱器的總傳熱系數高，減少 了換熱面積，并且板式換熱器本身結構緊湊，單位體積內的換熱面積，約為管殼式換熱器的 2倍，又不需附加的檢修場地。 19 (4)多種介質換熱 管殼式換熱器不能進行多種介質操作。 在一臺板式換熱器中，只要設置中間隔板，就可以進行多種介質的換熱，這一特點是管殼式換熱器難以達到的。乳品、飲料行業中，利用板式換熱器這一優點，可用同一臺板式換熱器來實現加熱、殺菌、熱回收等幾種操作。另外，可根據需要用調節板片數目的辦法來增減傳熱面積，或利用板片排列方式不同來調節流道長短的辦法，來適應冷熱流體流量和溫度變化的要求。 (5)對數平均溫 差△ t1m 冷、熱流體在板式換熱器的板間流動，是平行的流動，且一般可以設計成逆流的方式，因此溫差修正系數高于管殼式換熱器以錯流為主的流動方式的溫差修正系數，其結果是板式換熱器的對數平均溫差大于管殼式換熱器。 (6)末端溫差的比較 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到 5℃以下。 板式換熱器的流道是相互平行的，一程內的流體 (程內有多個流道 )雖然流量分配并不十分均勻，但程與程之間不會有短路、旁路等現象，流體在流道內的運動不會有任何影響末端溫差的現象。由于它的結構特點可以 經濟地做到低至 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。 板式換熱器，由于 2種介質流道基本相同且傳熱效率高，因此板式換熱器可大20 大降低冷卻水量，一般冷卻水量和被冷卻水量之比為 ～ :1，這樣可以降低管道閥門和泵的安裝運行費用。 (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，在檢修抽管時需要留出管束一樣長的距離，故占地較多，還需配備必要的起吊檢修設施。管殼式換熱器的設計壽命一般為 30年，大修周期 4年，當換熱器發生泄漏時， (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間內恢復工作性能，管殼式換熱器允許有 7％的堵管裕量。對于管內的清洗可以根據需要采用膠球清洗裝置進行定期的機械清洗。 板式換熱器具有體積小，重量輕的特點，檢修方便，不需設檢修起吊設施，故安裝占地較少。板式換熱器的人工維護包括將整機折開，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要清洗 1次，并且無論是否實際需要都要做。當應用河水、海水等水質較差的冷卻水時，由于泥沙和污物的存在，以及微生物的快速生長有引起表 面污染和堵塞的危險。在國外，應用河水作冷卻水時，清洗頻率很高，平均每年 。 腐蝕與防護 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可見換熱器中最嚴重的腐蝕隱患之一是孔蝕 ,在換熱管內外常會產生由于污垢附著而引起的孔蝕。孔蝕產生的原因多與鹵素有關 ,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重。介質的流動條件和管子的表面狀況也影響孔蝕的21 產生 ,介質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其 耐孔蝕的能力。 對于采用脹接形式的接頭 ,由于脹接過程中存在殘余應力 ， 在已脹和未脹 管 段間的過渡區 ,管子內外壁都存在拉應力 ,對應力腐蝕非常敏感。一旦具備發生應力腐蝕的溫度、介質條件 ,換熱器就會發生應力腐蝕破壞。應力腐蝕破裂是由于腐蝕和拉應力的共同作用而造成的材料斷裂。只有當拉應力超過該體系的臨界壓力 ,才會產生應力腐蝕破裂。腐蝕介質和循 環應力的共同作用也能形成腐蝕疲勞。如果換熱器中的介質是電解質溶液 ,氫以原子狀態在金屬表面析出 ,向金屬內部滲透 ,就會有氫破壞的可能 ,既可能產生氫鼓泡 ,又有可能導致氫脆。 22 含固體懸浮物的液體容易產生沖刷腐蝕 ,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 ,發生在管殼式換熱器管程流體入口部分 ,距傳熱管管端 3~4倍管徑長度處。 我國換熱器的接頭多采用焊接形式 ,管子與管板之間存在間隙 ,殼程介質進入到間隙死角中 ,就會形成縫隙腐蝕。在換熱器中 ,污垢的附著部位也會產生縫隙腐蝕。縫隙 腐蝕與介質在這些部位的滯流有關。縫隙腐蝕與孔蝕的機理相似 ,一般出現孔蝕的地方也常有縫隙腐蝕發生。縫隙腐蝕和孔蝕都有一個孕育期 ,一旦過了孕育期 ,速度就會逐步增加。 換熱管若采用奧氏體不銹鋼管 ,如果在 450~850℃ 保溫一定時間 ,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。 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 ,應首先用噴管將容器內的氣體和冷凝水完全排出 ,而后將冷流體充滿容器 ,關閉入口 ,然后緩慢注入熱流體 ,注意不要使加熱速度超過℃ s 1,并使 長度方向的溫度梯度不大于 ℃ m 1,總之 ,應盡量使導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 ,應先將熱流體流速逐漸減小至零 ,然后快速停止冷流體流動 ,這樣可使冷卻過程中的不等量收縮減至最小。停機后 ,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 ,可以將拉應力降至最小 ,避免產生應力腐蝕。 在換熱器運行中 ,應嚴格控制操作條件 ,避免驟冷驟熱導致溫差應力 ,產生應力腐蝕。采用定期清洗的方法降低污垢腐蝕。在運行中 ,可在規定的時間內 ,用瞬23 時增加流速的操作 ,或者采用逆流清洗的操作 ,也可用化學清 洗的方法 。停工時可采用噴射洗滌、機械清洗和化學清洗的方法。 （ 2）維修工藝控制 在試壓或操作中發現接頭泄漏時 ,對接頭脹管修復要慎重。脹管時 ,對其周圍的管子也要進行再次脹管 ,以免形成間隙。管子泄漏時采取堵管方法也應慎重 ,在可以更換管子時盡量換管 ,以免造成很大的溫差應力 ,導致應力腐蝕。 保溫層破損后 ,應盡早使用防止水分的施工方法修復 ,以免殼體外積附水分 ,腐蝕殼體。用化學清洗清除換熱器污垢時 ,清洗后需將殘留液排出 ,因為殘留液會腐蝕換熱器 ,換熱器長期不用時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。 （ 3）水處理工藝控制 在循環冷卻淡水中 ,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 ,稱為水質穩定劑。 CrO24是一種陽極抑制劑 ,與適當的陰極抑制劑合用時 ,可得到滿意的防腐蝕效果 ,因此 ,常在水系統中使用。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）電化學保護 電化學保護分為陽極保護和陰極保護。陽極保護多用于換熱器中工 藝物料一側。陽極保護即通過外加電流使金屬電位向正向移動 ,促使金屬鈍化以進入鈍化區 ,可以大大降低腐蝕速度。硫酸工業中已廣泛使用配有陽極保護的不銹鋼換熱器。24 在人造絲生產中使用了陽極保護來防止鈦制換熱器的腐蝕。陰極保護常與保護性涂層聯合使用 ,如使用淡水的冷卻器采用富鋅涂料 ,與陽極保護聯合使用 ,簡化了輔助陽極的布置 ,降低所需的電流 ,取得了很好的效果 ,被認為是最經濟的防腐蝕方法。大型換熱器常采用外加電流陰極保護 ,小型海水換熱器則多用犧牲陽極的陰極保護。 （ 5）設計、制造及安裝工藝控制 設計時應將蒸汽放在管程側并避免高 速氣體流經殼程。因為蒸汽的冷凝液中溶解有 O2和 CO2,具有較強的腐蝕性。安裝制造時管排應略微傾斜 ,以便冷凝液及時排出。 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)設計板片的成形模時 ,應采用殘余應力小的結構。板片的波紋斷面、波紋的高度和節距要合理。所有斷面要圓弧過渡 ,欽板圓角一般在 R2~。為減小內部殘余應力 ,應采用整體切邊或高頻振蕩等措施。 (2)為減輕對板片表面的劃傷 ,要對模具表面進行拋光。成形時要涂潤滑劑或加潤滑膜 ,以減輕 對板片的劃痕。 (3)板片與墊片的粘結劑 ,不要采用過期的和含有 Cl的粘結劑 ,防止析出Cl而引發腐蝕。 (4)選擇正確合理的板片結構和正常流速 ,一般板間平均流速為~s 1(主流線上的流速要比平均值高 4~5倍 )。流速低于 s 1時 ,流體達不到湍流狀態且會形成較大的死角區。正確合理選用流速 ,也可減輕入口處的板片腐蝕。 25 (5)增加板片觸點的接觸率 ,減少磨振對觸點的破壞。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 1~ (視波紋節距而定 )就有一個支點 ,且分布均勻 ,所以板片觸點接觸率較高。水平直波紋的支點較稀疏。日阪制作的 EX型板片 ,為了增加支點 ,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鍵的零部件。取密封周邊的長度 (m)是換熱面積 (m)的 6~8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 ,造成缺氧形成陽極而發生腐蝕破壞。所以墊片槽和墊片形狀的設計要合理 ,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 ,對其力學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 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 “ 粘貼型 ” 密封結構。 目前還發展了易裝卸的 “ 按扣 ” 和 “ 搭扣 ” 密封結構 ,可直接扣在板片上 ,定位正確、牢固 ,無需粘結劑。此密封結構是借助彈性材料的過盈量將其壓緊總之設計合理的密封結構和墊片形狀 ,可減少縫隙腐蝕。 總之， 隨著換熱器應用領域擴大 ,介質多種多樣 ,這就需要研制更多的能抗各種介質腐蝕的板材 ,并采取前述幾方面的防腐措施 ,才能在各行各業中廣泛應用 ,使換熱器發揮出更大的經濟效益。 換熱器設計軟件簡介 在初步選定換熱器形式后，就要確定換熱器的幾何參數。目前國內使用的換熱器計算軟件主要是 HRFS(Heat Transfer and Huid How Service)和 HTRI(Heat Transfer Research， Inc． )，也可以應用 ASPEN PLUS中的 B— JAC對換熱器進行設計、核算和模擬，此外還有如換熱器設計大師等。 26 HTFS (1)軟件介紹 HTFS是英國傳熱及流體流動學會推出的兩相流管殼式換熱器計算程序。可以進行冷卻器、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算。 該程序有三種計算模式：設計型 (DESIGN)、校核型 (CHECK)和模擬型(SIMULATION). ①設計型，在一定限制條件下按面積最小進行設計 . ②校核型，核算已知換熱器是否能滿足換熱要求，計算結果為實際面積／所需面積。 ③模擬型，模擬已知換熱器，在給定的兩側流體的人口條件下，模擬物料的出口條件。 HTFS程序中殼體形式為 TEMA標準的 E、 I、 J、 G和 K型；管子有光管和翅片管兩種類型，管程數為 1～ 16；折流