1、單位代碼：11414學(xué) 號：題目固定管板式熱交換器的設(shè)計學(xué)院名稱化學(xué)工程學(xué)院專業(yè)名稱過程裝備與控制工程學(xué)生姓名張越指導(dǎo)教師陳鴻海 講師起止時間： 2015 年 4 月 2 日 至 2015 年 6 月 10 日摘 要固定管板式熱交換器是管殼式熱交換器的一種典型結(jié)構(gòu)，也是目前應(yīng)用比較廣泛的一種熱交換器。由已經(jīng)給出的數(shù)據(jù)，首先進(jìn)行熱力計算，對換熱管根數(shù)和管徑等進(jìn)行選擇，使熱交換器能滿足換熱需求。再根據(jù)GB151-2014和GB150-2011對殼程、管程、管板等零部件進(jìn)行了結(jié)構(gòu)的設(shè)計和強(qiáng)度計算，包括了材料的選擇、具體尺寸的確定、開孔補(bǔ)強(qiáng)的計算和一些標(biāo)準(zhǔn)件的選用等，在校核計算符合要求之后才確定各項數(shù)

2、據(jù)。最后用AUTO CAD進(jìn)行裝配圖和各個零件圖的繪制，在陳老師的多次審圖之后出正式圖紙。關(guān)鍵詞：熱交換器；固定管板式；標(biāo)準(zhǔn)The Design of Fixed-plate heat exchanger tubeABSTRACTFixed tube plate heat exchanger is a typical structure of the shell and tube heat exchanger and a wide range of heat exchanger. By the given data ,first of all ,carrying out thermodynam

3、ic calculation ,to choice the heat exchanger tubes number and diameter to meet the demand of heat transfer.Then use GB151-2014 and GB150-2011 on the shell tube, tube sheetofstructure design and strength calculation includes material selection, determine the concrete size,the calculationto the openin

4、g reinforcement andsome standard parts of the selection.In thecalculationto meet the requirements before determining thedata. Finally use the AUTOCAD take the assembly drawing and parts drawing, a formal drawings after the teacher approvaled.Key words:heat exchanger; Fixed tube plate; Standards目 錄摘要

5、IABSTRACTII前言1第1章 文獻(xiàn)綜述31.1 熱交換器介紹31.2 固定管板式熱交換器結(jié)構(gòu)簡介41.3 熱交換器的優(yōu)化7第2章 熱力計算92.1 原始數(shù)據(jù)和基本符號92.1.1 原始數(shù)據(jù)表92.1.2 基本符號92.2 設(shè)計方案的確定132.2.1 換熱器類型的選擇132.2.2 冷流體通道選擇132.2.3 流速選擇132.2.4 設(shè)備的結(jié)構(gòu)形式132.3 工藝計算142.3.1 求原油的流量142.3.2 熱流量142.3.3 平均傳熱溫度142.3.4 傳熱面積142.4 工藝結(jié)構(gòu)尺寸152.4.1 管徑管內(nèi)流速及管長152.4.2 管程數(shù)和傳熱管數(shù)152.4.3 平均傳熱溫差校

6、正及殼程數(shù)152.4.4 傳熱管排列和分程方法162.4.5 殼體內(nèi)徑162.4.6 折流板162.4.7 接管172.4.8 其他附件172.5 換熱器核算172.5.1 熱流量核算172.5.1 熱流量核算172.5.2 壁溫計算202.5.3 換熱器內(nèi)流體的流動阻力20第3章 強(qiáng)度計算223.1 基本零部件223.1.1 接管法蘭223.1.2 接管233.1.3 支座233.2 殼程圓筒253.3 管箱253.3.1 封頭253.3.2 管箱法蘭273.4 管板計算323.4.1 初始數(shù)據(jù)323.4.2 面積系數(shù)計算343.4.3 強(qiáng)度影響系數(shù)計算363.5 膨脹節(jié)設(shè)置判斷413.6

7、接管補(bǔ)強(qiáng)判斷41第4章 結(jié)論43參考文獻(xiàn)44致謝45附錄46 熱交換器裝配圖46 入口管板零件圖47 出口管板零件圖48 管箱零件圖49 鞍式支座零件圖50 頂絲零件圖51 吊耳零件圖52前 言用于大于等于兩種流體之間、固體和流體之間、固體粒子之間，或有熱接觸但溫度不同的同種流體之間的熱量（或焓）傳遞的裝置，叫做換熱設(shè)備，是實現(xiàn)化工生產(chǎn)過程中熱量傳遞和交換的設(shè)備。1課題研究背景及目的在工業(yè)生產(chǎn)中，熱交換器的主要作用是使熱量（或焓）由溫度相對較高的流體傳到溫度相對較低的流體，使流體的溫度指標(biāo)達(dá)到工藝過程的規(guī)定，以滿足工藝過程的需求。石油、化工、制藥、能源等工業(yè)生產(chǎn)，需要經(jīng)常加熱低溫流體或冷卻高溫

8、流體。這些過程與熱量的傳遞有著非常密切的聯(lián)系，都要用熱交換設(shè)備來完成這些過程。在化工廠的設(shè)備里，熱交換器的投資占總投資的10%到20%；在煉油廠中，約占設(shè)備總投資的35%到40%；海水淡化工藝?yán)镄枰玫降难b置幾乎全部是由熱交換設(shè)備組成的。近20年來，換熱設(shè)備在能量的轉(zhuǎn)化、儲藏、回收以及新能源的利用和污染物的治理中有著普遍的應(yīng)用1。隨著熱交換器節(jié)能技術(shù)的高速發(fā)展，應(yīng)用領(lǐng)域也擴(kuò)大了很多，利用熱交換器對多余的熱量進(jìn)行回收利用給公司帶來了較為顯著的經(jīng)濟(jì)效益。熱交換器也是國民經(jīng)濟(jì)和工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用極其廣泛的熱交換設(shè)備，隨著現(xiàn)代化的新工藝、新材料、新技術(shù)的開發(fā)和能源危機(jī)的來臨，世界各國都把石油化工的深度加工

9、和綜合高效利用能源放在了首要的位置，由此可見熱交換器面臨著巨大的挑戰(zhàn)。熱交換器的性能對能源的利用率、產(chǎn)品的質(zhì)量以及整套設(shè)備或者系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性、經(jīng)濟(jì)性起著至關(guān)重要的作用，有時候甚至起著決定性作用。隨著熱交換器的地位和作用的提高，為了適應(yīng)多種工作環(huán)境和工作要求，熱交換器也開發(fā)出了越來越多的類型，不同類型的熱交換器有不同的性能，也具有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。管殼式熱交換器是屬于表面式換熱器的一類，是熱交換器中使用最廣的一種，雖然在傳熱效率、結(jié)構(gòu)的緊湊性和單位傳熱面積金屬消耗量等方面不如一些新型的高效緊湊式熱交換器，但它結(jié)構(gòu)堅固、可靠性高、易于制造、適應(yīng)性廣、生產(chǎn)成本低、處理能力大、選用的材料范圍廣、能承受較

10、高的操作壓力和溫度、換熱表面的清潔比較方便。在高溫、高壓和大型換熱器中，管殼式熱交換器仍具有絕對優(yōu)勢。管殼式熱交換器主要又分為：固定管板式熱交換器、U型管式熱交換器、浮頭式熱交換器等，而固定管板式又是管殼式熱交換器是使用最為廣泛的一種，具有結(jié)構(gòu)簡單，管程清洗方便等特點(diǎn)。因此對固定管板式熱交換器的研究和設(shè)計具有很大的意義，也是為了實現(xiàn)以下目的：1、減小設(shè)計傳熱面積的熱交換器來減小質(zhì)量和體積；2、提高現(xiàn)有熱交換器的換熱效率；3、使熱交換器能夠工作在溫差較低的環(huán)境中；4、減小熱交換器的流體阻力來減少換熱器的動力消耗。2設(shè)計主要流程本設(shè)計首先搜集資料，查閱了相關(guān)的二十多篇文獻(xiàn)，了解了熱交換器詳細(xì)結(jié)以及

11、作用原理，全面考慮設(shè)計過程中需要注意的因素，并總結(jié)了一些現(xiàn)代化的創(chuàng)新型設(shè)計方案，同時詳細(xì)介紹了本設(shè)計的主體固定管板式熱交換器的結(jié)構(gòu)，對管程、殼程的各個主要部件作用做了介紹，最后介紹了本設(shè)計要用到的各個標(biāo)準(zhǔn)，完成了第一章的文獻(xiàn)綜述。在第二章，通過給定的設(shè)計要求，首先確定了設(shè)計方案，即初步選定熱交換器的容器類型、流體的通道、流速、管束的排布方式以及管徑等。然后便開始了工藝計算，對原油的流量、平均傳熱溫度和傳熱面積進(jìn)行計算。接下來通過工藝結(jié)構(gòu)尺寸計算確定了管長、管程數(shù)殼程數(shù)、傳熱管根數(shù)、殼體內(nèi)徑、折流板數(shù)以及接管內(nèi)徑等。最后進(jìn)行了熱交換器的傳熱和阻力計算完成了整個熱交換器的熱力計算。第三章首先確定了

12、接管法蘭、接管以及支座的尺寸，然后就分別開始了對殼程圓筒、封頭、管箱法蘭、管板等的選材和強(qiáng)度校核，最后進(jìn)行是否需要膨脹節(jié)和接管補(bǔ)強(qiáng)的判斷，完成了熱交換器的整個強(qiáng)度計算及校核。第四章進(jìn)行了對整個熱交換器的主要零部件的匯總，得出了設(shè)計結(jié)論第1章 文獻(xiàn)綜述1.1熱交換器介紹換熱設(shè)備是用于兩種及其以上的流體之間、一種流體和一種固體之間、固體粒子之間或有熱接觸且具有不同溫度的同種流體間的熱量（或焓）傳遞的裝置。它是化工、煉油、食品、輕工、能源、機(jī)械以及其他許多工業(yè)部門被廣泛使用的一種通用設(shè)備。在化工廠的設(shè)備里，熱交換器的投資占總投資的10% 到20%；在煉油廠中，約占設(shè)備總投資的35% 到40%；海水淡

13、化工藝?yán)镄枰玫降难b置幾乎全部是由熱交換設(shè)備組成的。近20年來，熱交換設(shè)備在能量的轉(zhuǎn)化、儲藏、回收以及新能源的利用和污染物的治理中有著普遍的應(yīng)用。工業(yè)生產(chǎn)中，熱交換設(shè)備的主要作用是讓熱量（或焓）由溫度較高的流體傳遞給溫度較低的流體，使流體的溫度達(dá)到工藝過程中規(guī)定的指標(biāo)，從而滿足工藝過程的需要。熱交換設(shè)備也是回收余熱、廢熱以及低品位熱能的有效裝置。工業(yè)生產(chǎn)中，由于工作條件、用途、物料特性等不同，出現(xiàn)了各種不同形式和結(jié)構(gòu)的換熱設(shè)備。在此，主要研究了管殼式固定管板熱交換器。管殼式熱交換器屬于間壁式熱交換器（又稱表面式熱交換器），它是利用間壁將需要交換的冷熱兩種流體隔開，互不接觸，熱量從熱流體通過間壁

14、傳遞給冷流體的一種熱交換器。這類熱交換器是目前使用最為廣泛的一種換熱設(shè)備。它的基本結(jié)構(gòu)是在一個或多個圓筒形的殼程（殼體）中放置管束（由多個管子組成），該管子的兩端或者一端要固定于管板上面，其中管子上的軸線要和殼體上的軸線相平行。是為了增加流體在殼程的流速并支承管子，改善傳熱的性能，在筒體內(nèi)間隔安裝多塊折流板（也可以是其他新型的折流元件），用拉桿和定距管將折流板和管子組裝在一起。換熱器的殼體和兩側(cè)的端蓋上（偶數(shù)管程則是一側(cè)）裝有流體的進(jìn)出口，也有根據(jù)要求在其上裝設(shè)檢查孔，為安置測量儀表用的接口管、排氣孔和排液空等。管殼式熱交換器雖然在傳熱效率、結(jié)構(gòu)的緊湊性和單位傳熱面積金屬消耗量等方面比不上一些

15、新型高效的緊湊式換熱器，但它也有明顯的優(yōu)點(diǎn)，如結(jié)構(gòu)堅固、可靠性高、易于制造、適應(yīng)性廣、生產(chǎn)成本低、處理能力大、選用的材料范圍廣、能承受較高的操作壓力和溫度、換熱表面的清潔比較方便等。在高溫、高壓和大型熱交換器中，管殼式熱交換器仍具有絕對優(yōu)勢，是目前使用最廣泛的一類換熱器。根據(jù)管殼式換熱器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，分為固定管板式熱交換器、浮頭式熱交換器、U形管式熱交換器、填料函式熱交換器和釜式重沸器五類。在本設(shè)計論文中是對固 定管板式熱交換器的設(shè)計計算，則著重介紹固定管板式熱交換器。1.2固定管板式熱交換器結(jié)構(gòu)簡介固定管板式熱交換器由管板、管箱、殼程、管子等零部件組成，管束連接在管板上，管板和殼體之間焊接，管

16、束兩端用脹接或焊接的方法將管子固定在管板上，殼體進(jìn)出口管直接焊接在筒體上，管板外圓周和封頭法蘭直接用螺栓緊固，管程的進(jìn)出口管直接焊接在管箱上，管束內(nèi)根據(jù)換熱管長度設(shè)置多塊折流板，這類換熱器的管程可以用隔板分程多個程數(shù)。固定管板式熱交換器的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，并可以承受較高的壓力，造價低，管程的清洗方便，管子損壞的時候易于堵管或者更換；缺點(diǎn)是當(dāng)管束和殼體的壁溫或者材料的線膨脹系數(shù)差別較大時，殼體和管束中的熱應(yīng)力較大。這種熱交換器適用于殼側(cè)介質(zhì)比較清潔而且不容易結(jié)構(gòu)并能進(jìn)行清洗，管、殼程兩側(cè)的溫差較小或溫差較大但是殼側(cè)的壓力不高的場合。在管殼式熱交換器的基本設(shè)計方法中，要在滿足工藝過程要求的前提

17、下，達(dá)到安全和經(jīng)濟(jì)的目標(biāo)。熱交換器的設(shè)計中的主要任務(wù)有參數(shù)選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計、傳熱計算和壓降計算等。設(shè)計主要包括了管子排列、管子支承結(jié)構(gòu)、管程數(shù)、管長、殼體形式、熱交換器類型、冷熱流體流動通道等工藝計算和殼體、封頭、管板等零部件的結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度設(shè)計計算。熱交換器的工藝設(shè)計計算依據(jù)設(shè)計任務(wù)的不同可以分為設(shè)計計算和校核計算，包括換熱面積的計算與選型兩方面。一般情況下已知冷流體和熱流體的物性和處理量。進(jìn)出口壓力和溫度由工藝方面的要求來確定。在設(shè)計中需要選擇或確定的有三大類數(shù)據(jù)：結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)、物性數(shù)據(jù)和工藝數(shù)據(jù)。設(shè)計計算是根據(jù)已知的數(shù)據(jù)來計算熱交換器的換熱面積，從而來決定這個熱交換器所需要的結(jié)構(gòu)，可以來選定已有的

18、標(biāo)準(zhǔn)熱交換器；而校核計算則是對已經(jīng)有的熱交換器進(jìn)行一些運(yùn)行參數(shù)的核定，校核它是否滿足預(yù)定的要求。熱交換器的各零部件的設(shè)計和選擇依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)是GB151-20142熱交換器。熱交換器分為管程和殼程，流經(jīng)換熱管的內(nèi)通道以及其相貫通的部分稱之為管程，流經(jīng)換熱管外通道以及與其相貫通的部分稱為殼程。整個熱交換器的設(shè)計過程中，由于熱交換器是壓力容器的一種，則GB150-20113鋼制壓力容器也是一個運(yùn)用較多的標(biāo)準(zhǔn)，其他對法蘭、墊片的標(biāo)準(zhǔn)則選用新的能源部發(fā)布的HG/T20615-20094 鋼制管法蘭，螺紋的選擇用到了GB/T196-20035螺紋規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)，而在制作過程中的選用則用到的是JBT4712.1JB

19、T4712.4-20076容器支座，在整體的設(shè)計中，熟練運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)是一項非常重要的技能。在管程結(jié)構(gòu)當(dāng)中，換熱管占了整個熱交換器的大部分重量，換熱管除了光管之外還能采用各式各樣的強(qiáng)化傳熱管，比如翅片管、螺紋管、螺旋槽管等。當(dāng)管內(nèi)外兩側(cè)的給熱系數(shù)較大的時候，翅片管的翅片布置應(yīng)在給熱系數(shù)較低的一側(cè)。換熱管是具有標(biāo)準(zhǔn)的尺寸（外徑壁厚）的鋼管，主要分為無縫鋼管和不銹鋼管。在設(shè)計熱交換器的時候，采用小管徑的換熱管時，可使傳熱系數(shù)提高、單位面積的傳熱面積增大、金屬耗量減少、結(jié)構(gòu)緊湊。據(jù)簡單的估算，將同直徑熱交換器的換熱管尺寸由25mm改為19mm，傳熱面積便可以增加40% 左右，同時節(jié)約20% 以上的金屬。但

20、小管徑的流體有較大阻力，且不方便清洗，容易結(jié)垢堵塞。通常情況下，大直徑的管子用于黏性較大或污濁的流體，小管徑的管子則用于相對較清潔的流體。換熱管常用的材料通常有碳素鋼、銅、銅鎳合金、鋁合金、低合金鋼、不銹鋼、鈦等。除此之外，也能夠用一些非金屬材料，如陶瓷、石墨、聚四氟乙烯等。換熱管的排列方式主要有正方形、轉(zhuǎn)角正三角形、正三角形、轉(zhuǎn)角正方形等。正三角形的排列方式能夠在相同的管板上排列最多的管數(shù)，所以用的最普遍，但是管外不便于清洗。為便于管外清洗，可采用正方形或轉(zhuǎn)角正方形排列的管束。管板是管殼式熱交換器里面最重要的零部件之一，其作用是排布換熱管。將管程和殼程的流體分開，避免冷熱流體的混合，同時受到

21、管程、殼程的壓力和溫度的作用。管板在選材的時候不僅要考慮力學(xué)性能，還要考慮管程和殼程流體的腐蝕性，以及管板和換熱器之間存在的電位差對腐蝕的影響。當(dāng)流體腐蝕較低或者基本沒有腐蝕性的時候，管板一般采用壓力容器用的碳素鋼或者鍛件或低合金鋼板來制造。當(dāng)流體的腐蝕性較強(qiáng)時，管板應(yīng)采用耐腐蝕材料，如不銹鋼鈦、鋁、銅、等。對于厚度較大的管板，為達(dá)到降低造價，工程上常采用鈦+鋼、不銹鋼+鋼、鈦+鋼等復(fù)合板，或堆焊襯里。在熱交換器承受高溫、高壓時，高溫、高壓對管板的要求是具有矛盾的。增大管板的厚度，管板便可以承受更大的壓力，但是當(dāng)管板兩側(cè)的溫差較大的時候，沿管板內(nèi)部厚度方向的熱應(yīng)力會增大；若減小管板的厚度，可以

22、適當(dāng)?shù)慕档退臒釕?yīng)力，但是承壓能力會下降一些。而且，在開車和停車的時候，由于厚管板的溫度變化較慢，換熱管壁厚薄，溫度變化較快，所以在換熱管和管板的連接處會產(chǎn)生出較大的熱應(yīng)力，大的熱應(yīng)力往往會導(dǎo)致?lián)Q熱管和管板連接的地方發(fā)生破壞。因此，在滿足強(qiáng)度的要求下，應(yīng)盡量減少管板的厚度。管板設(shè)計時的基本考慮是：把實際復(fù)雜的管板簡化為承受均勻分布的載荷，置于彈性的基礎(chǔ)上并且受到在管孔有平均削弱作用的當(dāng)量圓板。同時也在這個基礎(chǔ)上考慮管束對于管板的撓度有約束作用，但忽略對于管板的轉(zhuǎn)角具有約束作用；管板周邊沒有布管區(qū)域?qū)馨逵袘?yīng)力影響，把管板劃分成為兩個區(qū)，即靠近中央的布管區(qū)和靠近周邊較窄的不布管區(qū)；不同結(jié)構(gòu)形式的

23、熱交換器，管板邊緣處具有不同形式的連接結(jié)構(gòu)，根據(jù)具體的情況，考慮了殼體、法蘭、管箱、封頭、墊片等元件對管板邊緣轉(zhuǎn)角產(chǎn)生的約束作用；管板兼做法蘭時，法蘭力矩對管板應(yīng)力的影響。管板的設(shè)計思路包括管板的彈性分析、危險工況、管板應(yīng)力校核、管板應(yīng)力調(diào)整。總體下來，管板的計算非常復(fù)雜，手算的工作量很大，目前我國已開發(fā)出過程設(shè)備強(qiáng)度計算的軟件，比如SW6，在實際工程計算中運(yùn)用軟件計算便會大大縮短設(shè)計計算的工作量7。管箱位于換熱器的兩端，其作用是將管道輸送過來的流體均勻分布到各個換熱管，把管內(nèi)的流體匯聚在一起并送出熱交換器。在多管程熱交換器里，管箱還能起到改變流體流向的作用。管程是在管內(nèi)流動著的流體從一端流到

24、另一端，在管殼式熱交換器中，最簡單的是單管程的熱交換器。根據(jù)工藝設(shè)計要求，需要增加換熱面積的時候，可采用增加換熱管的長度或管數(shù)的方法。過于加長換熱管的長度會受到加工、運(yùn)輸、安裝及維修等多方面的限制，因此經(jīng)常用增加管數(shù)的方法來實現(xiàn)換熱面積的增加。管板與換熱管的連接是管殼式熱交換器的設(shè)計、制造中最關(guān)鍵的技術(shù)之一，也是熱交換器出事故率最高的部位，所以，熱交換器中管板和換熱管的連接質(zhì)量的好壞直接影響了熱交換器的使用效果和使用壽命。主要有采用強(qiáng)度脹接、強(qiáng)度焊、脹焊并用的方法8。在殼程結(jié)構(gòu)中主要由殼體、折流板或折流桿、拉桿、防沖擋板、縱向隔板、防短路結(jié)構(gòu)等元件組成。殼體一般情況下是個圓筒，在筒壁上焊有接管

25、，可以流入和排出流體。折流板的設(shè)置是為了提高殼程流體的流速并增加湍動，使殼程流體垂直地沖刷管束，改善傳熱，增加殼程流體的傳熱系數(shù)，減少結(jié)垢。在臥式熱交換器中，折流板的還有支承作用。折流板一般是等間距布置，管束兩端的折流板應(yīng)放置在靠近殼程進(jìn)出口接管。折流板上的管孔和換熱管之間的間隙、折流板和殼體內(nèi)壁之間的間隙應(yīng)該符合要求，間隙過大會泄漏嚴(yán)重，對傳熱不利，還會引起振動；間隙過小，會使安裝困難。折流板一般采用拉桿和定距管連接在一起9。其他零部件可根據(jù)需求來設(shè)定或者選用，如折流桿、防短路結(jié)構(gòu)（擋管、旁路擋板、中間擋板）、防沖板、支座、靜電接地板、銘牌等。上述基本設(shè)計主要在工程設(shè)計中用到的為主，當(dāng)今社會

26、是一個不斷發(fā)展和進(jìn)步的社會，能源和資源的緊缺讓人們不得不努力開發(fā)新型的熱交換器，研究新型的高效的熱交換器元件，各工業(yè)部門都在努力發(fā)展大容量、高性能的設(shè)備，減少設(shè)備的投資和使用費(fèi)用。當(dāng)今的化工等生產(chǎn)中的環(huán)境更加惡劣，介質(zhì)的腐蝕、毒性等情況會更加突出，所以新型材料也不斷的加入熱交換器的設(shè)計制造中。在這樣的世界大環(huán)境下，各國都加快了先進(jìn)熱交換技術(shù)和節(jié)能技術(shù)的發(fā)展。我國十分重視傳熱強(qiáng)化和熱能的回收利用這些方面的研究和開發(fā)工作，開發(fā)了適用于不同的工業(yè)生產(chǎn)過程要求的高效熱交換設(shè)備來提高經(jīng)濟(jì)效益，并且取得了豐碩的成果。其中，傳熱強(qiáng)化和節(jié)能技術(shù)是熱交換技術(shù)研究的主體方向。傳熱強(qiáng)化是改善傳熱性能的技術(shù)，可以通過

27、提高和改善傳熱速率，來達(dá)到使用最經(jīng)濟(jì)的傳熱設(shè)備來傳遞一定熱量的目的，也可以通過提高傳熱系數(shù)、增加平均傳熱溫差、擴(kuò)大換熱面積等來實現(xiàn)。目前還普遍用槽管、翅片管、螺紋管、波紋管等新型管子來擴(kuò)展表面以達(dá)到強(qiáng)化傳熱。同時也常會有通過改變殼程擋板結(jié)構(gòu)、改變管束支承結(jié)構(gòu)等方法來減少或者消除殼程的流動和傳熱的滯留死區(qū)，從而使換熱面積能夠得到充分得利用，達(dá)到殼程強(qiáng)化傳熱的效果10?？傊?，在這個能源緊缺的時代，對熱量的充分利用顯得尤為重要。在這個大發(fā)展的背景下，我國的熱交換器也取得了巨大的突破，但是由于我國的熱交換器起步相對較晚，在一些高端熱交換器領(lǐng)域，比如模型化技術(shù)、電腦程序應(yīng)用于設(shè)計計算、高新材料在熱交換器

28、的運(yùn)用等方面相對于發(fā)達(dá)國家較薄弱。而且我國的化工、煉油、輕工業(yè)等正處于快速發(fā)展的階段，提高熱交換器的本土效率和產(chǎn)量便可以減少大量的熱交換器進(jìn)口，并能有效的減少國內(nèi)大多數(shù)需要用到熱交換器公司的開支，同時也能促進(jìn)我國熱交換器的大發(fā)展。1.3熱交換器的優(yōu)化熱交換器的優(yōu)化升級是重要的研究方向。祁飛，劉國振，賈曉艷在固定管板式換熱器熱處理有關(guān)問題的探討11一文中分析道，設(shè)備是否進(jìn)行焊后熱處理選用哪種熱處理，應(yīng)首先分析其熱處理的目的，充分理解標(biāo)準(zhǔn)中含義，再做出正確的選擇，從而才能設(shè)計且制造出合格產(chǎn)品。熱交換器的優(yōu)化主要從結(jié)構(gòu)設(shè)計、制作工藝、熱處理、新技術(shù)開發(fā)應(yīng)用等方面出發(fā)，用以提高換熱效率、延長使用壽命、

29、升級控制方案。劉執(zhí)彬、徐勇在固定管板換熱器傳熱效率影響因素分析12一文中，總結(jié)固定管板換熱器傳熱效率的影響因素有：流動路線及防短路設(shè)置、折流板間距、管束在殼程接管進(jìn)口或出口處的流通面積。并建議，根據(jù)工藝設(shè)計參數(shù)（介質(zhì)流速、壓力降等）依據(jù)伯努利方程確定介質(zhì)在換熱器內(nèi)的流速，再以此流速來設(shè)計折流板弓高和間距。周蕾在固定管板式換熱器的研究與優(yōu)化13中，對固定管板式熱交換器的固定管板厚度隨工作壓力(殼程與管程壓力)改變的變化情況和不同熱交換器公稱直徑條件下的管板布管情況進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，采用線性加權(quán)法對固定管板式熱交換器的整體進(jìn)行了優(yōu)化。陳文星，陳士瑋在換熱器優(yōu)選的灰靶決策法14一文中，灰靶理論應(yīng)用到

30、熱交換器設(shè)計方案的評價與優(yōu)選中，取得了與采用其他方法分析一致的結(jié)果，顯示了它的有效性和實用性。而且整個分析過程簡便，為其他一般化工設(shè)計方案優(yōu)選提供 了一種實用的方法。王偉，商玉坤，王立剛在焦化廠粗煤氣冷卻用固定管板式換熱器改進(jìn)15提出了結(jié)構(gòu)設(shè)計上 的改進(jìn)和制造過程中的幾個問題。王武超，趙競?cè)诶淠鲃討B(tài)性能仿真研究16一文中應(yīng)用移動邊界法（MB)對冷凝器建立了動態(tài)仿真數(shù)學(xué)模型，模型體現(xiàn)了冷凝器內(nèi)各個相區(qū)長度隨時間的變化，模型最終可以化為常微分線性方程組的形式，在求解上更為方便且兼顧了仿真的效率和精度，模型可提供冷凝器詳細(xì)的性能參數(shù)；研究了在系統(tǒng)不同的控制參數(shù)階躍情況下冷凝器的動態(tài)響應(yīng)，獲得了冷

31、凝器的動態(tài)特性，冷凝器的動態(tài)特性是冷凝器動態(tài)優(yōu)化設(shè)計和編制系統(tǒng)控制規(guī)律的基礎(chǔ)。該文中的冷凝器建模方法適合于系統(tǒng)級仿真研究。況莉在循環(huán)水換熱器泄漏故障分析和對策17一文中，提出了循環(huán)水換熱器泄漏故障分析和對策，使得換熱器運(yùn)行效果良好，達(dá)到了降低維修費(fèi)用，保證裝置長周期穩(wěn)定運(yùn)行的目的，為以后類似換熱器的維護(hù)改造提供了有益的經(jīng)驗。劉維亭，張冰，朱志宇在主冷凝器模糊控制系統(tǒng)設(shè)計18一文中，從主冷凝器的特性出發(fā)，對真空凝水過冷度控制系統(tǒng)進(jìn)行了深入地研究，詳細(xì)闡述了系統(tǒng)的設(shè)計準(zhǔn)則、設(shè)計模型及實現(xiàn)方法。該系統(tǒng)硬件采用了數(shù)字信號處理芯片，以保證系統(tǒng)的實時性，軟件采用了模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法以克服系統(tǒng)模型的不確定性。

32、設(shè)計出了工作穩(wěn)定可靠，具有較強(qiáng)的魯棒性的換熱系統(tǒng)。第2章 熱力計算2.1 原始數(shù)據(jù)和基本符號2.1.1 原始數(shù)據(jù)表表2.1 原始數(shù)據(jù)表 Table 2.1 Raw data table管程殼程工作介質(zhì)流體名稱回流液原油氣相密度流體密度（kg/）701798k污垢熱阻值(/W)0.00020.0004物性（kg/(ms)）(kJ/(kg)2.892.2（W/（m）0.1510.131操作壓力 正常/最大 MPa（G）0.8MPa1.0MPa進(jìn)/出口操作溫度（）194/101.853.7/122.1環(huán)境溫度 （）壁溫 （）147.987.9進(jìn)口管流體流速（m/s）主要材料 （推薦）碳素鋼碳素鋼腐蝕

33、速率 （mm/a）0.10.12.1.2基本符號殼程圓筒的內(nèi)徑橫截面積，；在布管區(qū)，由于設(shè)置隔板槽和拉桿的需要，而沒被換熱管支承的面積，；管板開孔之后剩下的面積，；圓筒壁金屬的橫截面積，；換熱管管壁金屬的橫截面積，；設(shè)備法蘭的寬度，對于c型連接方式為管板延長部分做法蘭形成的凸緣寬度，mm；系數(shù)，按和查GB151-20142圖25；系數(shù)，按和查GB151-20142圖25；設(shè)備法蘭上的外徑，對于c型連接方式為管板延長部分做法蘭形成的凸緣外直徑，mm；換熱器中的殼程圓筒以及管箱圓筒的內(nèi)直徑，mm；換熱器管板上的布管區(qū)當(dāng)量直徑，mm；換熱器里換熱管擁有的外徑，mm；換熱器殼體法蘭使用的材料擁有的彈性

34、模量，MPa；換熱器管箱法蘭使用的材料擁有的彈性模量，MPa；換熱器管板使用的材料擁有的彈性模量，MPa；換熱器殼程圓筒使用的材料擁有的彈性模量，MPa；換熱器換熱管選用材料擁有的彈性模量，MPa；系數(shù)，當(dāng)時，取和其中較大的值；當(dāng)時，取值；系數(shù)，只適用于時，；系數(shù)，當(dāng)時，按和查GB151-20142圖31（a）實線；當(dāng)時，按和查GB151-20142圖31（b）；系數(shù)，按和查GB151-20142里圖29；系數(shù)，按和Q查GB151-20142圖30；熱交換器中換熱管擁有的加強(qiáng)系數(shù)；熱交換器管束模數(shù)，MPa；熱交換器換熱管的有效長度，mm；換熱管與管板的焊腳高度或者脹接長度，mm；熱交換器管板邊

35、緣上的力矩系數(shù)；系數(shù)；邊界效應(yīng)壓力組合系數(shù)；熱交換器管程在操作工況下所擁有的法蘭力矩，按GB150-20113規(guī)定，取其計算壓力是，；熱交換器中換熱管的數(shù)量；熱交換器有效壓力的組合，MPa；熱交換器邊界效應(yīng)上的壓力組合，MPa；熱交換器當(dāng)量壓力的組合，MPa；熱交換器殼程上的設(shè)計壓力，MPa；熱交換器管程上的設(shè)計壓力，MPa；換熱管與管板連接時的拉脫力，MPa；熱交換器許用拉脫應(yīng)力，MPa；設(shè)備制造的環(huán)境溫度，；熱交換器殼程圓筒沿長度的平均金屬溫度，；熱交換器換熱管沿長度的平均金屬溫度，；熱交換器管板邊緣上的剪切系數(shù)；系數(shù)，見GB150-20113，按查?。粺峤粨Q器殼程圓筒上的材料隨溫度的線性

36、膨脹系數(shù)；換熱管換熱管上的材料隨溫度的線性膨脹系數(shù)；系數(shù)；殼程圓筒與換熱管的熱膨脹變形差；管板的計算厚度，mm；殼體的法蘭厚度，對于c型連接方式，為管板延長部分做法蘭形成的凸緣厚度，mm；管箱法蘭厚度，mm；熱交換器管箱圓筒的厚度，mm；熱交換器殼程圓筒材料的厚度，mm；熱交換器里換熱管的壁厚，mm；管板上的剛度方面削弱系數(shù)，一般可以取值；系數(shù)；管板上的強(qiáng)度方面削弱系數(shù)，一般可以取；熱交換器殼程圓筒上的軸向應(yīng)力，MPa；熱交換器殼體法蘭上的應(yīng)力，MPa；熱交換器管板上的徑向應(yīng)力，MPa；熱交換器管板上的布管區(qū)旁邊位置徑向應(yīng)力，MPa；熱交換器管板上徑向擁有的應(yīng)力系數(shù)；熱交換器管板上的布管區(qū)周圍

37、位置的徑向擁有的應(yīng)力系數(shù)；熱交換器的換熱管上的軸向應(yīng)力，MPa；熱交換器管板的布管區(qū)周圍位置的剪切應(yīng)力，MPa；熱交換器管板的布管區(qū)周邊位置的剪切應(yīng)力系數(shù)；熱交換器殼程圓筒的裝配環(huán)向焊縫系數(shù)；系數(shù)，按和查GB151-20142圖26；系數(shù)，按和查GB151-20142圖26；2.2設(shè)計方案的確定2.2.1.換熱器類型的選擇回流液進(jìn)口溫度為194 出口溫度為101.8原油進(jìn)口溫度為53.7 出口溫度為122.1已知條件以給定為設(shè)計固定管板式熱交換器，故選擇固定管板式熱交換器。2.2.2.冷熱流體通道選擇根據(jù)任務(wù)書回流液走管程，原油走殼程。2.2.3.流速的選擇熱交換器內(nèi)流體的流速，不僅與對流傳熱

38、系數(shù)有直接影響，而且與污垢熱阻有關(guān)，從而會影響到總傳熱系數(shù)。特別是對于含有混沙等易沉積的顆粒物料，流速過低可能使管路堵塞，嚴(yán)重影響了設(shè)備的使用，但增大流速又會使流體阻力有明顯的增大。一般的流體都盡可能使Re 10-4初步選定速度為1.0m/s，根據(jù)計算確定具體值。2.2.4.設(shè)備的結(jié)構(gòu)形式（1）結(jié)構(gòu)類型管束一般采用正三角形排列，管程應(yīng)為偶數(shù)程，又由于殼程需要經(jīng)常清洗，管束可采用正方形排列，折流板用縱向隔板，這些要根據(jù)后面的具體計算要求設(shè)計。（2）流體設(shè)備內(nèi)的流向在無相變過程中，進(jìn)出口溫度確定時，逆流推動力大于并流傳遞，同樣熱流量所需的傳熱面積較小，因而逆流總是優(yōu)于并流，但在實際換熱器中純的逆并

39、流并不多見，其流動形態(tài)較為復(fù)雜，因此根據(jù)純逆流的平均推動力和修正系數(shù)來計算實際的推動力，值應(yīng)當(dāng)大于0.8。（3）設(shè)備的材料選擇和保溫初選f192mm的碳鋼管，需要的熱補(bǔ)償根據(jù)計算結(jié)果再具體確定2.3工藝計算2.3.1.求原油的流量2.3.2.熱流量2.3.3.平均傳熱溫度2.3.4.傳熱面積根據(jù)流體情況，假設(shè)2.4工藝結(jié)構(gòu)尺寸2.4.1管徑管內(nèi)流速及管長選用f192mm的碳鋼管，管長選為6m管內(nèi)徑取管內(nèi)流速2.4.2管程數(shù)和傳熱管數(shù)安單程換熱計算，管束長度L為按單程管設(shè)計管長太長，一般采用多程管，選管程，每管程為6m所以選6管程，每管程為6m傳熱管總根數(shù)為根2.4.3平均傳熱溫差校正及殼程數(shù)查

40、GB151-20142圖B.3得到則平均傳熱溫度為： 由于0.8，故取單殼程合適2.4.4傳熱管排列和分程方法采用組合排列法，即每層內(nèi)均按正三角形排列，隔板兩側(cè)選用正方形排列，取管心距,則隔板中心到其最近一排管中心距離各程相鄰管的管心距為24mm管數(shù)的分程方法：每一程的管數(shù)應(yīng)大致相等，因為是6管程，且每一種的管數(shù)為121根，應(yīng)采用平方分法，此方法便于接管。2.4.5殼體內(nèi)徑采用多管程結(jié)構(gòu)，取管板利用率，則殼體內(nèi)徑為： 按卷制殼體的進(jìn)檔級，可取2.4.6折流板采用弓形折流板，取弓形折流板圓缺高度為殼體內(nèi)徑的25%，則切去的圓缺高度,取折流間距，可取折流板數(shù)目塊折流板圓缺面水平裝配2.4.7接管殼

41、程流體進(jìn)出口接管：取接管內(nèi)流體流速為，則接管內(nèi)徑為： 管程流體進(jìn)出口接管：取接管內(nèi)流體流速為，則接管內(nèi)徑為： 2.4.8其他附件該熱交換器殼體內(nèi)徑為800mm，則其拉桿直徑為，最少拉桿數(shù)為4，殼程入口處，應(yīng)設(shè)置防沖擋板2.5換熱器核算2.5.1熱流量核算（1）殼程對流傳熱系數(shù)對圓缺形折流板，可采用凱恩公式有： 當(dāng)量直徑為： 殼程流通面積為： 殼程流體流速及雷諾數(shù)為： 普朗特數(shù)為： 又由黏度校正： （2）管內(nèi)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為： 管程流體流通截面積為： 管程流體流速為： 普朗特數(shù)為： （3）污垢熱阻和管壁熱阻為：管外側(cè)污垢熱阻管內(nèi)側(cè)污垢熱阻 碳鋼在該條件下的熱導(dǎo)率為50，所以: （4）傳熱系數(shù)為：

42、（5）傳熱面積裕度計算傳熱面積為： 該換熱器的實際傳熱面積為: 該換熱器的面積裕度為： 15%15.8%25% 1.151.166.4mm則有： 墊片壓緊力中心直徑為： 墊片比壓力為：y=52.4MPa（見GB150-20113表9-2）以上數(shù)值代入式（3-3）得： 操作狀態(tài)下需要的最小墊片壓緊力按GB150-2011式（9-5）計算：（3-4）式中有：由上已知b=8 mm，DG=847 mm墊片系數(shù)m=3.75管程設(shè)計壓力p=0.8 MPa以上數(shù)值代入式（9-5）得：預(yù)緊狀態(tài)下需要的最小螺栓面積按GB150-2011式（7-7）計算得：（3-5）操作狀態(tài)下需要的最小螺栓面積按GB150-2011式（7-8）計算得：（3-6）式中有：常溫下螺栓材料許用應(yīng)力=228MPa在設(shè)計溫度220下螺栓材料許用應(yīng)力代入式（3-5）、式（3-6）得：需要的螺栓面積按GB 150-2011第七章需要的螺栓面積取預(yù)緊狀態(tài)下需要的螺栓最小面積和操作狀態(tài)下需要的最小螺栓面積的最大值，則有：實際