水—异丁烷换热器设计论文说明书(编辑修改稿)

水—异丁烷换热器设计论文说明书(编辑修改稿)内容摘要：

热系数小，效率低。 可靠性差。 生产周期长，金属耗量大。 组装、检修、维护困难。 无论是换热器的研制者，还是换热器的使用者，都追求换热器性能指标的完美。 当前发展的基本方向是：继续提高换热器的热效率，改进换热器结构的紧凑性，加速生产制造 的标准化、系列化和专门化。 管壳式换热器追求的目标是：综合传热系数 K 值高；两侧流体的压力损失 △ P 值低；体积的紧凑度 a 值高；低廉的成本和价格；性能持久和使用寿命长；制造容易和操作方便 [4]。 从什么角度分析中国管壳式换热器产业的发展状况。 以什么方式评价中国管壳式换热器产业的发展程度。 中国管壳式换热器产业的发展定位和前景是什么。 中国管壳式换热器产业发展与当前经济热点问题关联度如何 …… 诸如此类，都是管壳式换热器产业发展必须面对和解决的问题 ——中国管壳式换热器产业发展已到了岔口；中国管壳式换热器产业生产企业急需选择 发展方向。 中国管壳式换热器产业发展研究报告阐述了世界管壳式换热器产业的发展历程，分析了中国管壳式换热器产业发展现状与差距，开创性地提出了 “新型管壳式换热器产业 ” 及替代品产业概念，在此基础上，从四个维度即 “以人为本 ”、 “科技创新 ”、 “环境友好 ”和 “面向未来 ”准确地界定了 “新型管壳式换热器产业 ” 及替代产品的内涵。 根据 “新型管壳式换热器产业 ” 及替代品的评价体系和量化指标体系，从全新的角度对中国管壳式换热器产业发展进行了推演和精准预测，在此基础上，对中国的行政区划和四大都市圈的管壳式换热器产业发展进行了全面 的研究。 换热器的发展前景：换热器的所有种类中，管壳式换热器是一个量大而品种繁多西安石油大学本科毕业设计（论文） 3 的产品，由于国防工业技术的不断发展，换热器操作条件日趋苛刻，迫切需要新的耐磨损、耐腐蚀、高强度材料。 近年来，我国在发展不锈钢铜合金复合材料、铝镁合金及碳化硅等非金属材料等方面都有不同程度的进展，其中尤以钛材发展较快。 钛对海水、氯碱、醋酸等有较好的抗腐蚀能力，如再强化传热，效果将更好，目前一些制造单位已较好的掌握了钛材的加工制造技术。 对材料的喷涂，我国已从国外引进生产线。 铝镁合金具有较高的抗腐蚀性和导热性，价格比钛材便宜，应予注 意。 近年来国内在节能增效等方面改进换热器性能，提高传热效率，减少传热面积降低压降，提高装置热强度等方面的研究取得了显著成绩。 换热器的大量使用有效的提高了能源的利用率，使企业成本降低，效益提高。 根据国民经济和社会发展第十一个五年规划纲要，“十一五 ”期间我国经济增长将保持年均 ％的速度。 而石化及钢铁作为支柱型产业，将继续保持快速发展的势头，预计 2020 年钢铁工业总产值将超过 5000 亿元，化工行业总产值将突破 4000 亿元。 这些行业的发展都将为换热器行业提供更加广阔的发展空间。 未来，国内市场需求将呈现以下特点： 对产品质量水平提出了更高的要求，如环保、节能型产品将是今后发展的重点；要求产品性价比提高；对产品的个性化、多样化的需求趋势强烈；逐渐注意品牌产品的选用；大工程项目青睐大企业或企业集团产品。 据统计，在一般石油化工企业中，换热器的投资占全部投资的 40﹪ 50﹪；在现代石油化工企业中约占 30﹪ 40﹪；在热电厂中，如果把锅炉也作为换热设备，换热器的投资约占整个电厂总投资的 70﹪；在制冷机中，蒸发器的质量要占制冷机总质量的 30﹪ 40﹪，其动力消耗约占总值的 20﹪ 30﹪。 由此可见，换热器的合理设计和良好运行对企 业节约资金、能源和空间都十分重要。 提高换热器传热性能并减小其体积，在能源日趋短缺的今天更是具有明显的经济效益和社会效益 [5]。 换热器的国外发展概况 对国外换热器市场的调查表明，管壳式换热器占 64%。 虽然各种板式换热器的竞争力在上升，但管壳式换热器仍将占主导地位。 随着动力、石油化工工业的发展，其设备也继续向着高温、高压、大型化方向发展。 而换热器在结构方面也有不少新的发展。 现就几种新型换热器的特点简介如下： 自 20 世纪 70 年代世界爆发能源危机以来，对传统换热设备的强化传热研究逐渐兴起，并主要集中在 两大方向上：一是开发新品种的换热器，如板式、螺旋板式、振动盘式、板翅式等，这些换热器的设计思想都是尽可能地提高换热器的紧凑度和换热效率；二是对传统的管壳式换热器采取强化传热措施，也就是用各种异型强化管取代原来的光管，如螺纹管、横纹（槽）管、缩放管、翅片管，或者在管内插入扰流物，如螺旋扭带、静态混合器等 [6]。 现就几种新型换热器的特点简介如下： 1） 气动喷涂翅片管换热器 西安石油大学本科毕业设计（论文） 4 俄罗斯提出了一种先进方法，即气动喷涂法，来提高翅片化表面的性能。 其实质是采用高速的冷的或稍微加温的含微粒的流体给翅片表面喷镀粉末粒子。 用该方 法不仅可喷涂金属还能喷涂合金和陶瓷（金属陶瓷混合物），从而得到各种不同性能的表面。 将研究的翅片的效率与计算数据进行比较，得出的结论是：气动喷涂翅片的底面的接触阻力对效率无实质性影响。 为了证实这一点，又对基部管子与表面翅片的过渡区进行了金相结构分析。 2） 非钎焊绕丝筋管螺旋管式换热器 在管子上缠绕金属丝作为筋条翅片的螺旋管式换热器，一般都是采用焊接方法将金属丝固定在管子上。 但这种方法对整个设备的质量有一系列的影响，因为钎焊法必将从换热中 “扣除 ”很大一部分管子和金属丝的表面。 更重要的是，由于焊料迅速老化和 破碎会造成机器和设备堵塞，随之提前报损。 俄罗斯推荐一种新方法制造绕丝筋管，即借助在管子上缠绕和拉紧金属丝时产生的机械接触来固定筋条。 采用此法能促进得到钎焊时的连续特性即将金属丝可靠地固定在管子上，而管子的截面又不过分压紧，故对于金属丝仅用做隔断时，可以认为是较钎焊更受欢迎的方法。 但若利用金属丝作为筋条翅片以增加换热面积时，只有当非钎焊筋条的有效传热面不小于钎焊连接时，才应更偏重于此方法。 3） 螺旋折流板换热器 在管壳式换热器中，壳程通常是一个薄弱环节。 通常普通的弓形折流板能造成曲折的流道系统（ z 字形流道） ，这样会导致较大的死角和相对高的返混。 而这些死角又能造成壳程结垢加剧，对传热效率不利。 返混也能使平均温差失真和缩小。 其后果是，与活塞流相比，弓形折流板会降低净传热。 由于弓形折流板管壳式换热器很难满足高热效率的要求，故常为其他型式的换热器所取代（如紧凑型板式换热器）。 对普通折流板几何形状的改进，是发展壳程的第一步。 为此，美国提出了一种新方案，即建议采用螺旋状折流板。 这种设计的先进性已为流体动力学研究和传热试验结果所证实，此设计已获得专利权。 此种结构克服了普通折流板的主要缺点。 螺旋折流板换热器是最新发展起来的 一种管壳式换热器，是由美国 ABB 公司提出的。 其基本原理为：将圆截面的特制板安装在 “拟螺旋折流系统 ”中，每块折流板占换热器壳程中横剖面的四分之一，其倾角朝向换热器的轴线，即与换热器轴线保持一定倾斜度 [7]。 相邻折流板的周边相接，与外圆处成连续螺旋状。 每个折流板与壳程流体的流动方向成一定的角度，使壳程流体做螺旋运动，能减少管板与壳体之间易结垢的死角，从而提高了换热效率。 在气一水换热的情况下，传递相同热量时，该换热器可减少30 %40 %的传热面积，节省材料 20 %30 %。 相对于弓形折流板，螺旋折流板消除了弓形折流板的返混现象、卡门涡街，从而提高有效传热温差，防止流动诱导振动；在相同流速时，壳程流动压降小；基本不存在震动与传热死区，不易结垢。 对于低雷西安石油大学本科毕业设计（论文） 5 诺数下 Re 1 000 的传热，螺旋折流板效果更为突出 [8]。 4）折流杆式换热器 20 世纪 70 年代初，美国菲利浦公司为了解决天然气流动振动问题，将管壳式换热器中的折流板改成杆式支撑结构，开发出折流杆换热器。 研究表明，这种换热器不但能防振，而且传热系数高。 现在此种换热器广泛应用于单相沸腾和冷凝的各种工况。 在后来出现了一种外导流筒折流杆换热器，此种换热器能最 大限度地消除管壳式换热器挡板的传热不活跃区，增加了单位体积设备的有效传热面积。 目前，所有的浮头式换热器均采用了外导流筒。 换热器的分类 按用途分类 换热器按用途的不同可分为加热器、冷却器、冷凝器和蒸发器等。 按冷、热流体的传热方式分类 按冷热两种流体的传热方式可分为： ① 两流体直接接触式换热器； ② 蓄热式换热器； ③ 间壁式换热器。 工业上应用的换热器大多是两种流体不能直接接触的间壁式换热器。 间壁式换热器又可分为： ① 夹套式换热器； ② 沉浸式蛇管换热器； ③ 喷淋式换热器； ④ 套管式换热器；⑤ 螺旋板式换热器； ⑥ 板式换热器； ⑦ 板翅式换热器； ⑧ 热管式换热器； ⑨ 列管式换热器。 列管式换热器的详细分类 列管式换热器以其高度的可靠性和广泛的适应性，在长期的操作过程中积累了丰富的经验，其设计资料比较完备，在许多国家都有了系列化标准。 近年 来尽管列管式换热器也受到新型换热器的挑战，但反过来也促进了其自身的发展。 例如当流体的流速较大和压强较高时，若采用其他类型的换热器就有一定的困难。 所以列管式换热器目前仍是化工、石油和石油化工中使用的主要类型的换热器，在高温、高压条件下和大型换热器中，仍占绝对优势。 列管式换热器的种类很多，其结构形式与所受的温差应力以及是否需要温差补偿装置有着密切的联系。 按温差补偿结构来分，主要有以下四种： 1） 固定管板式换热器 如图 11（ a）所示，此种换热器的特点是管束以焊接或胀接方式固定在两块管板上， 管板分别焊接在外壳的两端并在其上连接有顶盖，顶盖和壳体上装有流体进出口接管。 与其他形式的换热器相比，结构简单，制造成本较低。 管内不易积累污垢，即西安石油大学本科毕业设计（论文） 6 使产生了污垢也便于清洗，但无法对管子的外表面进行检查和机械清洗，因而不适宜处理脏的或有腐蚀性的介质。 由于管子和管板与壳体的连接都是刚性的，当管子和壳体的壁温或材料的线膨胀系数相差较大时，在壳体和管子中将产生很大的温差应力，以至管子扭弯或从管板上松脱，甚至损坏整个换热器。 当管子和壳体的壁温差大于 50℃ 时，应在壳体上设置温差补偿 ——膨胀节，依靠膨胀节的弹性变形 可以减少温差应力，膨胀节的形式较多，常见的有Ｕ形、平板形和 Ω 形等几种。 由于Ｕ形膨胀节的挠性与强度都比较好，所以使用得最为普遍。 当要求较大的补偿量时，宜采用多波形膨胀节。 当管子和壳体的壁温差大于 60℃ 和壳程压强超过 时，由于补偿圈过厚，难以伸缩，失去温差补偿的作用，就应考虑其他结构。 2） 浮头式换热器 如图 11（ b）所示，换热器的一块管板用法兰与壳体连接，另一块管板不与壳体连接，且能自由移动。 当管束与壳体受热或受冷产生伸缩时，两者互不牵制，因而不会产生温差应力。 浮头部分由浮 头管板、钩圈与浮头端盖组成，为可拆连接，管束可以抽出，故管内外都能清洗，也便于检修。 由于结构复杂，其造价较高。 3） 填料函换热器 如图 11（ c）所示，浮头部分伸在壳体之外，它与壳体之间的空隙用一填料函密封，使换热器管束的一端可以自由伸缩。 当管束和壳体间的温差较大，管束腐蚀严重且需经常更换时，采用这种形式的换热器比较合适。 这种换热器以制造、清洗和检修都比较方便，造价也比浮头式的低。 4） Ｕ形管换热器 如图 11（ d）所示，换热器被弯成Ｕ形，管的两端固定在同一块管板上， 省去了一块管板和一个管箱（流道室）。 Ｕ形管具有自由伸缩的特点，可以完全消除热应力。 管束可以从壳体中抽出，管外清洗方便，但管内清洗困难，所以宜让不结垢的流体从管内流过。 因弯管时，必须保证一定的曲率半径，所以管束的中心部分存在较大的空隙，在相同直径的壳体中排列的管子数较固定管板式少，价格比固定管板式高 10％。 综观上述不同种类的换热器，由于本设计题目为水 异丁烷换热器的设计，水和异丁烷均为洁净流体，不易结垢，传热温度和热负荷都较小，且管壳程的压力较低，所以结合设计条件和项目经费，选择经济实用的固定管板式 换热器，这种换热器具有单位体积传热面积大，结构紧凑，坚固，传热效果好，而且能用多种材料制造，适用性较强，操作弹性大，结构简单，造价低廉，且适用于高温、高压的大型装置中。 并且固定管板式换热器能得到最小的壳体内径，管程可分多程，壳程也可分成双程，规格范围广，故在工程中广泛应用。 西安石油大学本科毕业设计（论文） 7 西安石油大学本科毕业设计（论文） 8 2 工艺结构的计算 设计任务和设计条件 题目：水 异丁烷换热器的设计 设计参数： 热负荷： Q=200KW； 介质流量：根据热负荷计算； 设计压力（ MPa） ：管程 ，壳程 ； 设计温度（ ℃ ）：管程入口 25，管程出口 35； 壳程温度 40，壳程入口 饱和气，壳程出口 饱和液； 介质：管程 水，壳程 异丁烷； 允许压降： ≤100000Pa。 确定设计方案 1）选择换热器的类型 异丁烷属于无色气体、无毒，。