氨氣換熱器設(shè)計(jì)【說(shuō)明書+CAD】

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氨氣變換氣換熱器的設(shè)計(jì) 學(xué) 生： 陳愛(ài)，長(zhǎng)江大學(xué)機(jī)械學(xué)院 指導(dǎo)教師：謝麗芳，長(zhǎng)江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 【摘要】本設(shè)計(jì)說(shuō)明書是關(guān)于換熱器的設(shè)計(jì)，主要是進(jìn)行了換熱器的工藝計(jì)算、換熱器的結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)的前半部分是工藝計(jì)算部分，主要是根據(jù)給定的設(shè)計(jì)條件估算換熱面積，從而進(jìn)行換熱器的選型，校核傳熱系數(shù)，計(jì)算出實(shí)際的換熱面積，最后進(jìn)行壓力降和壁溫的計(jì)算。設(shè)計(jì)的后半部分則是關(guān)于結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度的設(shè)計(jì)，主要是根據(jù)已經(jīng)選定的換熱器型式進(jìn)行設(shè)備內(nèi)各零部件（如接管、折流板、定距管、鉤圈、管箱等）的設(shè)計(jì)，包括：材料的選擇、具體尺寸確定、確定具體位置、管板厚度的計(jì)算、浮頭蓋和浮頭法蘭厚度的計(jì)算、開孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算等。最后設(shè)計(jì)結(jié)果可通過(guò)4張圖表現(xiàn)出來(lái)。 【關(guān)鍵詞】 換熱器 接管 折流板 定距管 畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）任務(wù)書 院（系） 機(jī)械工程學(xué)院 專業(yè) 過(guò)程裝備與控制工程 班級(jí) 裝備10901班 學(xué)生姓名 陳愛(ài) 指導(dǎo)教師/職稱 謝麗芳/講師 1. 畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）題目： 氨氣換熱器設(shè)計(jì) 2. 畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）起止時(shí)間：2013年4月1日～2013年6月23日 3．畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）所需資料及原始數(shù)據(jù)（指導(dǎo)教師選定部分） （1）氨氣體積流率：7000Nm3/h；進(jìn)口溫度：144℃； （2）氨氣出口溫度：57℃；允許壓降：△P=3920N/m2 （3）換熱介質(zhì)為水，進(jìn)口溫度30℃；出口溫度37℃ 4．畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）應(yīng)完成的主要內(nèi)容 （1）完成一篇與設(shè)計(jì)相關(guān)的英文翻譯，譯后中文不少于3000字； （2）針對(duì)換熱介質(zhì)特性選擇合適的換熱器類型； （3）換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)； （4）繪制換熱器的裝配圖及主要零部件圖（零部件圖至少3張）。 （5）繪制設(shè)備及主要零部件的三維效果圖。 5．畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）的目標(biāo)及具體要求 （1）學(xué)會(huì)查閱文獻(xiàn)資料的方法 （2）知道換熱器的類型及各自優(yōu)缺點(diǎn)，選擇合適的形式 （3）能夠運(yùn)用《傳熱學(xué)》相關(guān)知識(shí)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)合理的換熱器 （4）會(huì)用繪圖軟件繪制裝配圖、零件圖繪制和三維效果圖 （5）學(xué)會(huì)文檔排版的基本知識(shí) 6、完成畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）所需的條件及上機(jī)時(shí)數(shù)要求 （1）設(shè)計(jì)手冊(cè)等相關(guān)資料 （2）上機(jī)200小時(shí)，用于繪圖和撰寫論文 任務(wù)書批準(zhǔn)日期 年 月 日 教研室（系）主任（簽字） 任務(wù)書下達(dá)日期 年 月 日 指導(dǎo)教師（簽字） 完成任務(wù)日期 年 月 日 學(xué)生（簽名） Heat Exchanger Design 【Abstract】：The design manual is about heat exchanger, which included technology calculate of heat exchanger, the structure and intensity of heat exchanger. The first part of design is the technology calculation process. Mainly, the process of technology calculate is according to the given design conditions to estimate the heat exchanger area, and then, select a suitable heat exchanger to check heat transfer coefficient ,just for the actual heat transfer area .Meanwhile the process above still include the pressure drop and wall temperature calculation . The second half of the design is about the structure and intensity of the design. This part is just on the selected type of heat exchanger to design the heat exchanger’s components and parts ,such as vesting ,baffled plates, the distance control tube, circle hook, tube boxes. This part of design mainly include：the choice of materials，identify specific size, identify specific location, the thickness calculation of tube sheet, the thickness calculation of floating head planting and floating head flange, the opening reinforcement calculation etc. In the end, the final design results through four maps to display. 【Keywords】：heat exchanger ,vesting ,baffled plates, the distance control tube 基于構(gòu)建理論的管殼式換熱器的經(jīng)濟(jì)優(yōu)化 文章歷史： 2010年6月30日收到初稿，2010年11月24日收到修改后的文章，2010年11月28日接受通過(guò)，2011年1月3日可以在網(wǎng)上下載（看到）。 關(guān)鍵詞：管殼式換熱器，優(yōu)化，構(gòu)形理論，遺傳算法 摘要 該論文中，建構(gòu)理論的新方法被用于設(shè)計(jì)管殼式換熱器。在工程應(yīng)用中建構(gòu)理論是一種新的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。該論文的目的是利用建構(gòu)理論來(lái)降低總成本以達(dá)到管殼式換熱器的優(yōu)化。換熱器的總成本包括操作成本和基本成本。通過(guò)建構(gòu)理論的應(yīng)用，管殼式換熱器的總傳熱系數(shù)得到了提高。因此，用于制作換熱器表面的基本成本降低了。此外，為了克服摩擦壓力的損失，包括泵運(yùn)輸在內(nèi)的操作成本也是是用這種方法最小化。用遺傳算法優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)（用于管殼式換熱器成本計(jì)算的數(shù)學(xué)模型）是基于構(gòu)形理論。研究結(jié)果表明換熱器成本可降低%50以上。 1.簡(jiǎn)介 換熱器是用于流體（氣體或液體）之間進(jìn)行有效熱交換的裝置，其在諸多領(lǐng)域（如空調(diào)，食品，動(dòng)力，輕工）等，得到廣泛的應(yīng)用。由于這些設(shè)備的廣泛使用,人們已從不同的角度對(duì)其進(jìn)行高效的設(shè)計(jì) ,例如由吳先生做的能源分析?！?】專注于研究一個(gè)基于能量轉(zhuǎn)移效率方法的設(shè)備，并定義了一個(gè)孤立的熱交換器作為一個(gè)組件。【2】用于熱交換器在余熱回收的過(guò)程，利用第二法優(yōu)化?！?】評(píng)估在橫流的配置中能源損失的分析模型,，他們?cè)谠囼?yàn)中已經(jīng)對(duì)操作參數(shù)和交叉流換熱器上的非均勻流進(jìn)行了大量的研究，薩特佩西已經(jīng)進(jìn)行了螺旋管換熱器的熱力學(xué)第二定律不可逆性的分析?！?】在層流和湍流條件下，再生換熱器的第二法優(yōu)化顯示了最大第二定律效率和熱容量等級(jí)的比值關(guān)系?！?】管殼式換熱器是在工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的的一種換熱器。盡管大量的換熱器有可用性，但管殼式仍然最最受歡迎的類型。由于其在行業(yè)的重要貢獻(xiàn)，大量論文和研究了都致力于管殼式換熱器的設(shè)計(jì)，采用不同的優(yōu)化技術(shù)，如非線性目標(biāo)函數(shù)的角度數(shù)值方法的優(yōu)化設(shè)計(jì)【6，7】，圖解法【8,，9】，進(jìn)化優(yōu)化方法如模擬退火和遺傳算法【11-13】。這些技術(shù)已經(jīng)從目標(biāo)函數(shù)的角度得到應(yīng)用，包括表面?zhèn)鳠?，年總成本，?yōu)化設(shè)計(jì)的約束，壓力損失，速度的限制，熱傳導(dǎo)方程，流體的缺陷，決策變量，管道直徑，管道數(shù)量，擋板數(shù)量，殼層厚度等等方面。 2. 建構(gòu)理論 該理論中，建構(gòu)理論已被用來(lái)提高總傳熱系數(shù)和減少管殼式換熱器的壓力損失。該理論是由葛蘭妮教授提出的?！敖?gòu)”一詞也是由他創(chuàng)造的?！皹?gòu)造”一詞，來(lái)自拉丁語(yǔ)的動(dòng)詞construere，構(gòu)造是從構(gòu)形理論的角度來(lái)指定自然優(yōu)化的形式，如河流，樹木和樹枝，綠地，也從設(shè)計(jì)形式的角度，設(shè)計(jì)形式源于在時(shí)間流上最大化的構(gòu)造演化過(guò)程。 A 區(qū)域傳熱面積 Q 熱負(fù)荷(W) a1 常數(shù) Qc 建構(gòu)的熱負(fù)荷基礎(chǔ)設(shè)計(jì) a2 常數(shù) R 分支點(diǎn)的直徑比 a3 常數(shù) Re 雷諾數(shù) B 擋板間距(m) T 管側(cè)溫度 CE 能量消耗 (V/kW h) T 殼側(cè)溫度 Ci 基本投資 (V) Tci 冷流輸入溫度 Cl 空隙 (m) Tco 冷流輸出溫度 Co 年運(yùn)行費(fèi)用 (V/yr) Thi 熱流輸入溫度 Co 總折扣運(yùn)營(yíng)成本 (V) Tho 熱流輸出溫度 Cp 熱容量 (kJ/kg K) ti 管厚 (m） Cte 定值 U 傳熱系數(shù)(W/m K) Ctot 總成本 (V) Ut 總傳熱系數(shù) (W/m K) D 管內(nèi)徑 (m) Uct 建構(gòu)換熱器的總傳熱系數(shù) dh 水力直徑 (m) V 流速 Ds 殼內(nèi)徑(m) Z 分支點(diǎn)出的長(zhǎng)度 De 等效殼直徑（m） ΔT 溫差 F 校正因子 μ 粘度 Fct 基于設(shè)計(jì)構(gòu)形校正因子 ρ 密度 H 對(duì)偶熱系數(shù) ν 常數(shù) H 年度營(yíng)業(yè)時(shí)間(h/yr) λ 常數(shù) I 年度折扣率 (%) ΔP 壓力損失 K 導(dǎo)熱系數(shù) (W/m K) ξ 常數(shù) k1 常數(shù) ΔTlmtd 平均對(duì)數(shù)溫差 L 管長(zhǎng) (m) η 泵浦效率 m 質(zhì)量流率 ΔPt 總壓力損失 n1 常數(shù) ΔPtb 管側(cè)壓力損失 Nt 管程數(shù) ΔPｅb 軸頸壓力損失 Nu 努塞爾特?cái)?shù) Ny 設(shè)備壽命 (y) P 泵功率 (W) Pit 管心距(m) PT 普朗特?cái)?shù) 構(gòu)形理論認(rèn)為，如果一個(gè)系統(tǒng)有自由改變它的演變發(fā)展的時(shí)間流程架構(gòu)，那么就能提供更容易的途徑來(lái)獲得流經(jīng)它的電流，在流動(dòng)系統(tǒng)中，提高該系統(tǒng)的元素的訪問(wèn)流量水平，可提高其穩(wěn)定性，耐久性和系統(tǒng)的保護(hù)性。一個(gè)流系統(tǒng)的最佳狀態(tài)是它的元素有流量最高的訪問(wèn)。 在關(guān)系到流系統(tǒng)方面，這一理論定義了訪問(wèn)一個(gè)系統(tǒng)的流程和最佳狀態(tài)的概念。當(dāng)有流體在管道和通道中流過(guò)時(shí)，壓力損失路徑會(huì)減小，系統(tǒng)的元素將有更多的訪問(wèn)流量。在一個(gè)系統(tǒng)中，流是熱、冷流之間的熱通量，冷流的熱氣流的熱能量流的訪問(wèn)越多，系統(tǒng)的熱效率就越高。因此，一旦減少熱能的損失和熱電阻，該系統(tǒng)將更接近最優(yōu)狀態(tài)。到目前為止，建構(gòu)理論已被用于自然現(xiàn)象，科技和工程應(yīng)用中的流系統(tǒng)最優(yōu)化。例如，在自然的流系統(tǒng)中應(yīng)用建構(gòu)理論，首先我們假設(shè)流系統(tǒng)是不存在的。利用構(gòu)形理論和自由訪問(wèn)流量?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程后，發(fā)現(xiàn)所設(shè)計(jì)的最優(yōu)狀態(tài)與自然中已存在的相對(duì)應(yīng)?！?6-18】這證明了理論的有效性。在自然的流系統(tǒng)中，我們還能想到呼吸系統(tǒng)的氣流，血管中的血流【19】，經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)中的信息流，河流中的水流，烏云中的電子流，韌皮部的樹液流，在靜脈和動(dòng)脈以及動(dòng)物的皮膚中的熱流【19】，等等。在工程和設(shè)計(jì)應(yīng)用中，一些例子是對(duì)設(shè)備冷卻部分的散熱片的設(shè)計(jì)【20】，例如板式換熱器【21】，盤換熱器【22】，燃料電池【23】等等。建構(gòu)理論的其他應(yīng)用【24】也許更突出，這表明建構(gòu)理論可以通過(guò)更高的設(shè)計(jì)。作者應(yīng)該對(duì)此做出鄭重聲明以及在工作和城市交通中它們是如何被反映出來(lái)的。優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的是增加一個(gè)系統(tǒng)中的元素對(duì)流動(dòng)的流體的訪問(wèn)量，這就常常會(huì)導(dǎo)致在流途經(jīng)中形成樹突【25】和樹狀【26】。 該論文中，構(gòu)形理論是用來(lái)獲得設(shè)計(jì)管殼式換熱器的模型。總成本包括資金成本和熱交換器構(gòu)成該模型的目標(biāo)函數(shù)的運(yùn)營(yíng)成本。遺傳算法用于優(yōu)化（最小化）模型的目標(biāo)函數(shù)。最后，就得到了基于構(gòu)形理論的管殼式換熱器最優(yōu)經(jīng)濟(jì)設(shè)計(jì)。 3.構(gòu)形的管殼式換熱器 在本文中，一個(gè)由構(gòu)形理論設(shè)計(jì)的熱交換器被稱為構(gòu)形換熱器。根據(jù)構(gòu)造理論的定義， 在一個(gè)管殼式換熱器中，為了最大化訪問(wèn)的冷流熱通量的熱流、熱電阻必須最小化。換句話說(shuō)，冷熱流體間的傳熱系數(shù)越高，我們就越接近建構(gòu)理論的目標(biāo)。同時(shí)在熱交換器中，由于元素對(duì)液體流訪問(wèn)的最大化，壓力損失降至最小 。 Fig1 首先，在簡(jiǎn)單的雙層管熱交換器中，熱交換已經(jīng)被建模并且優(yōu)化。并且其結(jié)果被用于管殼式熱交換器。在圖1中，考慮兩個(gè)同心管，冷熱流體在管層和管內(nèi)按相反的方向流動(dòng)。冷熱流體間的傳熱速率可以由公式（1）得到。 （1） A是傳熱面積（具有管直徑di和管長(zhǎng)L的管內(nèi)面積），ΔT是冷熱流之間的溫差，參數(shù)μ是換熱器的傳熱系數(shù)，通過(guò)公式（2）得到，其中hi和ho分別是管內(nèi)和管之間的對(duì)流換熱系數(shù)。 (2) hi通過(guò)下式得到 (3) Nui,ki,di分別是努塞爾特?cái)?shù)，熱傳導(dǎo)率和管內(nèi)徑。 (4） Rei，Pri分別代表雷諾數(shù)和普朗特?cái)?shù)，通過(guò)將這些數(shù)字代入到公式（3）的物理參數(shù)中，我們可以得到 (5) b是常數(shù). (6) mi，μi，ρi分別代表管道中流體的質(zhì)量流率，粘度以及密度。 因此，我們可以得出結(jié)論，通過(guò)增加內(nèi)直徑（di）可以降低對(duì)偶熱系數(shù)(hi)。管道之間間隙的努塞爾特?cái)?shù)和對(duì)偶熱系數(shù)可以通過(guò)（7），（8）式得到。 (7) (8) dh,ko,Nuo,Pro,Reo分別代表管道間流體的水力直徑，傳導(dǎo)傳熱系數(shù)，努塞爾特?cái)?shù)，普朗特?cái)?shù)以及雷諾數(shù)。水力直徑的值可依據(jù)【26】得， (9) 同前，將參數(shù)代入（8）式中可得 (10) q是常數(shù), (11) 將（10）和（5）代入公式（2）可以得到： （12） 通過(guò)（12）我們可以得出結(jié)論，通過(guò)減小直徑，雙層管換熱器的總傳熱系數(shù)會(huì)增加，反之亦然。因此，本設(shè)計(jì)是基于構(gòu)形理論進(jìn)行的，其基礎(chǔ)是提高傳熱系數(shù)，減小熱阻，我們需要減少內(nèi)部管直徑。換句話說(shuō)，當(dāng)我們降低內(nèi)管的直徑，由于增加了傳熱系數(shù)和增加的冷流訪問(wèn)的熱流的熱流量，我們也就實(shí)現(xiàn)了構(gòu)造理論概念的含義。然而，減小直徑對(duì)雙管換熱器有另一個(gè)影響。根據(jù)darcyeweisbach方程，內(nèi)部流和管間流的壓力損失與管流與內(nèi)管的直徑有如下關(guān)系： (13) (14) (15) (16) （17） ΔPtotal, ΔPi ,ΔPo分別表示總壓力差，管道間壓力差以及管內(nèi)壓力差。 通過(guò)比較前面兩部分的結(jié)果，我們可以得出結(jié)論，減小內(nèi)管直徑對(duì)增加總傳熱系數(shù)有理想的結(jié)果。此外，增加的總傳熱系數(shù)可減小傳熱面積，從而降低了換熱器長(zhǎng)度。如果我們降低熱交換器的長(zhǎng)度，壓力損失就會(huì)減小。因此，要選擇一個(gè)合適的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)計(jì)算最佳狀態(tài)。在該論文中，目標(biāo)函數(shù)是換熱器的總成本?？偝杀景▊鳠崦娣e的成本和包括抽水成本在內(nèi)的運(yùn)營(yíng)成本，抽水成本的加入是為了克服換熱器內(nèi)的壓力損失。可分別通過(guò)減少和增加直徑來(lái)減少上述的資本和運(yùn)營(yíng)成本。熱交換器的長(zhǎng)度減少，也能降低運(yùn)營(yíng)成本（抽）和資本成本（對(duì)傳熱所需要的面積成本）。圖2說(shuō)明了最優(yōu)狀態(tài)，運(yùn)行（泵）成本，資本成本（熱轉(zhuǎn)移成本）和直徑變化之間的關(guān)系。 在本文中，我們建議管道直徑沿?fù)Q熱器變化，使傳熱系數(shù)增大，壓力損失有一個(gè)較低的增強(qiáng)。用于此目的的換熱器長(zhǎng)度分為幾段，以便每段管的直徑有一個(gè)比其他段管的不同的值。管道內(nèi)徑隨熱交換器從較低值到最大值。對(duì)于每一段管長(zhǎng)的適當(dāng)選擇可通過(guò)增加傳熱系數(shù)和降低換熱器壓力損失來(lái)達(dá)到減少投資成本（傳熱面）和運(yùn)營(yíng)成本（泵送液體）的目的。在優(yōu)化方法和建構(gòu)理論的案例研究中，樹形結(jié)構(gòu)被認(rèn)為是最佳流量結(jié)構(gòu)，如優(yōu)化高效的傳導(dǎo)渠道分布【20】?jī)?yōu)化傳導(dǎo)位在提示【27】模型如盤狀區(qū)域模式【28】點(diǎn)圓模型樹，點(diǎn)線模型和平面模型【29】，三維模型【30】以及熱電阻【31-33 】和[【34】降溫時(shí)間的最小化。 我們提出了一種基于構(gòu)形理論的“樹枝狀網(wǎng)絡(luò)”的構(gòu)形方法，優(yōu)化設(shè)計(jì)了一個(gè)雙套管換熱器，管直徑沿?fù)Q熱器減少（圖3） 在第一部分中（圖4），內(nèi)管直徑為d1,第二部分中，直徑d2，d2小于di。第一部分的長(zhǎng)度為L(zhǎng) 1，第二部分為L(zhǎng) 2。在這種情況下，通過(guò)選擇合適的d1,d2,L1,L2的值，可在運(yùn)營(yíng)和資本成本之間得到一個(gè)折中，它被用于決定總成本的最優(yōu)值。 Fig2 Fig3 Fig4 Fig5 使用這種方法，我們可以達(dá)到圖2所示的最佳點(diǎn)。在液體流被分成兩股的地方稱為分支點(diǎn)。這個(gè)圖形有一個(gè)分支點(diǎn)。不過(guò)，通過(guò)增加分支點(diǎn)的數(shù)量，可以提高優(yōu)化過(guò)程中的自由度。每個(gè)分歧都有助于樹型結(jié)構(gòu)。正如上面提到的，樹型結(jié)構(gòu)在構(gòu)形理論是一種常見(jiàn)的形式。 該方法也適用于管殼式換熱器的優(yōu)化。管殼式換熱器類似于一個(gè)雙重管熱交換器管。外殼是類似的雙重管熱交換器的外管。為了推廣這種針對(duì)管殼式換熱器方法，增加換熱器第一部分的管道數(shù)量就足夠了。在這種情況下，如果第一部分有n支管，第二部分將有2n支管，因?yàn)槊總€(gè)管流是在分支點(diǎn)分成兩條支流。在該論文中，使用上面的方法得到的管殼式換熱器稱為構(gòu)形的管殼式換熱器。因此，在構(gòu)形的管殼式換熱器，熱交換器由若干后續(xù)部分（與樹型分支的數(shù)量相同）構(gòu)成，并且各部分管數(shù)量在每個(gè)分支點(diǎn)翻了一番。 然而，建立這樣一個(gè)換熱器，還要對(duì)其進(jìn)行維修和清理污垢，這將是一個(gè)挑戰(zhàn)。為了解決這個(gè)問(wèn)題，該論文建議我們用串聯(lián)換熱器的方法對(duì)管殼式換熱器的不同部分進(jìn)行設(shè)計(jì)進(jìn)。在這種方法中，一個(gè)雙分支結(jié)構(gòu)的管殼式換熱器是一種具有兩個(gè)串聯(lián)段的換熱器，第二部分的管數(shù)是第一部分管數(shù)的兩倍（圖5）。圖5是一個(gè)構(gòu)形換熱器的示意圖，在本次調(diào)查的審議中這種熱交換器可節(jié)省50%成本。一個(gè)普通的管殼式換熱器和構(gòu)形的管殼式換熱器的相關(guān)方程，會(huì)在下一部分中給出。 長(zhǎng)江大學(xué) Yangtze University 畢業(yè)論文(設(shè)計(jì)) 題目名稱： 氨氣換熱器的設(shè)計(jì) 題目類型： 畢業(yè)設(shè)計(jì) 學(xué)生姓名： 陳愛(ài) 院 （系）： 機(jī)械工程學(xué)院 專業(yè)班級(jí)： 裝備10901 指導(dǎo)教師： 謝麗芳 輔導(dǎo)教師： 謝麗芳 時(shí) 間： 2013年3月 至 2013年6月 長(zhǎng)江大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)開題報(bào)告  題 目 名 稱 氨氣換熱器的設(shè)計(jì) 院 系 機(jī)械工程學(xué)院 專 業(yè) 班 級(jí) 裝備10901 學(xué) 生 姓 名 陳愛(ài) 指 導(dǎo) 教 師 謝麗芳 輔 導(dǎo) 教 師 謝麗芳 開題報(bào)告日期 2013.4.19 氨氣變換氣換熱器的設(shè)計(jì) 一．題目來(lái)源 本課題來(lái)源于化工工業(yè)的重要設(shè)備。 二．研究目的和意義 換熱器是將熱流體的部分熱量傳遞給冷流體的設(shè)備，又稱熱交換器。換熱器是化工、石油、動(dòng)力、食品及其它許多工業(yè)部門的通用設(shè)備，在生產(chǎn)中占有重要地位。在化工生產(chǎn)中換熱器可作為加熱器、冷卻器、冷凝器、蒸發(fā)器和再沸器等，應(yīng)用更加廣泛。換熱器的種類很多，但根據(jù)冷、熱流體熱量交換的原理和方式基本上可分為三大類：間壁式、混合式和蓄熱式。在三類換熱器中，間壁式換熱器應(yīng)用最多。 換熱器設(shè)計(jì)的最終目的是為了得到適合工況的換熱器。換熱器的設(shè)計(jì)分為工藝選項(xiàng)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，工藝選項(xiàng)是為了得到適合工況的最合理最有效也是最經(jīng)濟(jì)的換熱器，一個(gè)有經(jīng)驗(yàn)的工程師設(shè)計(jì)的換熱器可使成本節(jié)省10%到50%，甚至更多。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師為了保證換熱器的質(zhì)量和運(yùn)行壽命。 三．閱讀的主要參考文獻(xiàn)及資料名稱 [1]李功樣等.常用化工單元設(shè)備設(shè)計(jì)[M].廣州：華南理工大學(xué)出版社，2008； [2]楊世銘、陶文銓.傳熱學(xué)[M].第四版.北京：高等教育出版社，2006. 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[15]徐元敏.列管式換熱器設(shè)計(jì)的幾個(gè)問(wèn)題[J].貴州化工 1997,(4):34-45 四．國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)與研究的主攻方向 1.換熱器發(fā)展歷史 二十世紀(jì)20年代出現(xiàn)板式換熱器，并應(yīng)用于食品工業(yè)。以板代管制成的換熱器，結(jié)構(gòu)緊湊，傳熱效果好，因此陸續(xù)發(fā)展為多種形式。30年代初，瑞典首次制成螺旋板換熱器。接著英國(guó)用釬焊法制造出一種由銅及其合金材料制成的板翅式換熱器，用于飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的散熱。30年代末，瑞典又制造出第一臺(tái)板殼式換熱器，用于紙漿工廠。在此期間，為了解決強(qiáng)腐蝕性介質(zhì)的換熱問(wèn)題，人們對(duì)新型材料制成的換熱器開始注意。60年代左右，由于空間技術(shù)和尖端科學(xué)的迅速發(fā)展，迫切需要各種高效能緊湊型的換熱器，再加上沖壓、釬焊和密封等技術(shù)的發(fā)展，換熱器制造工藝得到進(jìn)一步完善，從而推動(dòng)了緊湊型板面式換熱器的蓬勃發(fā)展和廣泛應(yīng)用。自60年代開始，為了適應(yīng)高溫和高壓條件下的換熱和節(jié)能的需要，典型的管殼式換熱器也得到了進(jìn)一步的發(fā)展。70年代中期，為了強(qiáng)化傳熱，在研究和發(fā)展熱管的基礎(chǔ)上又創(chuàng)制出熱管式換熱器。 換熱器的種類很多，但根據(jù)冷、熱流體熱量交換的原理和方式基本上可分為三大類：間壁式、混合式和蓄熱式。在三類換熱器中，間壁式換熱器應(yīng)用最多。混合式換熱器是通過(guò)冷、熱流體的直接接觸、混合進(jìn)行熱量交換的換熱器，又稱接觸式換熱器。由于兩流體混合換熱后必須及時(shí)分離，這類換熱器適合于氣、液兩流體之間的換熱。例如，化工廠和發(fā)電廠所用的涼水塔中，熱水由上往下噴淋，而冷空氣自下而上吸入，在填充物的水膜表面或飛沫及水滴表面，熱水和冷空氣相互接觸進(jìn)行換熱，熱水被冷卻，冷空氣被加熱，然后依靠?jī)闪黧w本身的密度差得以及時(shí)分離。蓄熱式換熱器是利用冷、熱流體交替流經(jīng)蓄熱室中的蓄熱體(填料)表面，從而進(jìn)行熱量交換的換熱器，如煉焦?fàn)t下方預(yù)熱空氣的蓄熱室。這類換熱器主要用于回收和利用高溫廢氣的熱量。以回收冷量為目的的同類設(shè)備稱蓄冷器，多用于空氣分離裝置中。間壁式換熱器的冷、熱流體被固體間壁隔開，并通過(guò)間壁進(jìn)行熱量交換的換熱器，因此又稱表面式換熱器，這類換熱器應(yīng)用最廣。間壁式換熱器根據(jù)傳熱面的結(jié)構(gòu)不同可分為管式、板面式和其他型式。管式換熱器以管子表面作為傳熱面，包括蛇管式換熱器、套管式換熱器和管殼式換熱器等；板面式換熱器以板面作為傳熱面，包括板式換熱器、螺旋板換熱器、板翅式換熱器、板殼式換熱器和傘板換熱器等；其他型式換熱器是為滿足某些特殊要求而設(shè)計(jì)的換熱器，如刮面式換熱器、轉(zhuǎn)盤式換熱器和空氣冷卻器等。 換熱器中流體的相對(duì)流向一般有順流和逆流兩種。順流時(shí)，入口處兩流體的溫差最大，并沿傳熱表面逐漸減小，至出口處溫差為最小。逆流時(shí)，沿傳熱表面兩流體的溫差分布較均勻。在冷、熱流體的進(jìn)出口溫度一定的條件下，當(dāng)兩種流體都無(wú)相變時(shí)，以逆流的平均溫差最大順流最小。在完成同樣傳熱量的條件下，采用逆流可使平均溫差增大，換熱器的傳熱面積減小；若傳熱面積不變，采用逆流時(shí)可使加熱或冷卻流體的消耗量降低。前者可節(jié)省設(shè)備費(fèi)，后者可節(jié)省操作費(fèi)，故在設(shè)計(jì)或生產(chǎn)使用中應(yīng)盡量采用逆流換熱。當(dāng)冷、熱流體兩者或其中一種有物相變化(沸騰或冷凝)時(shí)，由于相變時(shí)只放出或吸收汽化潛熱，流體本身的溫度并無(wú)變化，因此流體的進(jìn)出口溫度相等，這時(shí)兩流體的溫差就與流體的流向選擇無(wú)關(guān)了。除順流和逆流這兩種流向外，還有錯(cuò)流和折流等流向。 在傳熱過(guò)程中，降低間壁式換熱器中的熱阻，以提高傳熱系數(shù)是一個(gè)重要的問(wèn)題。熱阻主要來(lái)源于間壁兩側(cè)粘滯于傳熱面上的流體薄層(稱為邊界層)，和換熱器使用中在壁兩側(cè)形成的污垢層，金屬壁的熱阻相對(duì)較小。增加流體的流速和擾動(dòng)性，可減薄邊界層，降低熱阻提高給熱系數(shù)。但增加流體流速會(huì)使能量消耗增加，故設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)在減小熱阻和降低能耗之間作合理的協(xié)調(diào)。為了降低污垢的熱阻，可設(shè)法延緩污垢的形成，并定期清洗傳熱面。一般換熱器都用金屬材料制成，其中碳素鋼和低合金鋼大多用于制造中、低壓換熱器；不銹鋼除主要用于不同的耐腐蝕條件外，奧氏體不銹鋼還可作為耐高、低溫的材料；銅、鋁及其合金多用于制造低溫?fù)Q熱器；鎳合金則用于高溫條件下；非金屬材料除制作墊片零件外，有些已開始用于制作非金屬材料的耐蝕換熱器，如石墨換熱器、氟塑料換熱器和玻璃換熱器等。 中國(guó)換熱器產(chǎn)業(yè)起步較晚。1963年撫順機(jī)械設(shè)備制造有限公司按照美國(guó)TEMA標(biāo)準(zhǔn)制造出中國(guó)第一臺(tái)管殼式換熱器，1965年蘭州石油機(jī)械研究所研制出我國(guó)第一臺(tái)板式換熱器，蘇州新蘇化工機(jī)械有限公司（原蘇州化工機(jī)械廠）在20世紀(jì)60年代研制出我國(guó)第一臺(tái)螺旋板式換熱器。之后，蘭州石油機(jī)械研究所首次引進(jìn)德國(guó)斯密特?fù)Q熱器技術(shù)，原四平換熱器總廠引進(jìn)法國(guó)維卡勃換熱器技術(shù)，國(guó)內(nèi)換熱器行業(yè)在消化吸收國(guó)外技術(shù)的基礎(chǔ)上，開始獲得較快發(fā)展。20世紀(jì)80年代后，中國(guó)出現(xiàn)了自主開發(fā)傳熱技術(shù)的新趨勢(shì)，大量的強(qiáng)化傳熱元件被推向市場(chǎng)，國(guó)內(nèi)傳熱技術(shù)高潮時(shí)期的代表作有折流桿換熱器、新結(jié)構(gòu)高效換熱器、高效重沸器、高效冷凝器、雙殼程換熱器、板殼式換熱器、表面蒸發(fā)式空冷器等一批優(yōu)良的高效換熱器。 2.換熱器國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀 進(jìn)入21世紀(jì)后，大量的強(qiáng)化傳熱技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)裝置，我國(guó)換熱器產(chǎn)業(yè)在技術(shù)水平上獲得了快速提升，板式換熱器日漸崛起。如蘭石換熱設(shè)備公司板式換熱器成功進(jìn)入國(guó)內(nèi)核電建設(shè)項(xiàng)目常規(guī)島和核島領(lǐng)域，并陸續(xù)將板式換熱器用于大乙烯項(xiàng)目、鈦白粉生產(chǎn)線等領(lǐng)域。四平巨元瀚洋板式換熱器公司也成功進(jìn)入大亞灣二期嶺澳核電站的常規(guī)島和核島領(lǐng)域。 最近幾年，我國(guó)還在大型管殼式換熱器、大直徑螺紋鎖緊環(huán)高壓換熱器、高效節(jié)能板殼式換熱器、大型板式空氣預(yù)熱器方面獲得了重大突破。飛速發(fā)展的柏恩品牌（BHE）誕生于2004年。2008年8月，由中國(guó)石化集團(tuán)上海工程公司與中國(guó)第一重型機(jī)械公司、蘭州石油機(jī)械研究所、鎮(zhèn)海煉化公司共同承擔(dān)研制的鎮(zhèn)海煉化百萬(wàn)噸/年乙烯項(xiàng)目-EO/EG裝置大型管殼式換熱器國(guó)產(chǎn)化研制通過(guò)技術(shù)鑒定，標(biāo)志著我國(guó)在大型管殼式換熱器領(lǐng)域獲得了重大突破。該換熱器是國(guó)內(nèi)正在制造的首臺(tái)換熱面積超過(guò)10000㎡的超大型管殼式換熱器。 2009年4月，中國(guó)石化組織專家對(duì)“大直徑螺紋鎖緊環(huán)高壓換熱器國(guó)產(chǎn)化研制攻關(guān)”項(xiàng)目進(jìn)行了科學(xué)技術(shù)成果鑒定。該項(xiàng)目是依托中國(guó)石化青島煉油化工有限責(zé)任公司千萬(wàn)噸級(jí)煉油項(xiàng)目中的320萬(wàn)噸/年加氫處理裝置開展的，由中國(guó)石化工程建設(shè)公司、中國(guó)石化青島煉油化工有限責(zé)任公司、蘭州蘭石機(jī)械設(shè)備有限責(zé)任公司、撫順機(jī)械設(shè)備制造有限公司聯(lián)合承擔(dān)。該換熱器的國(guó)產(chǎn)化標(biāo)志著我國(guó)已經(jīng)具備設(shè)計(jì)和制造DN2000以下的螺紋鎖緊環(huán)高壓換熱器的能力，大大降低了石化工程建設(shè)成本，單臺(tái)即可節(jié)約采購(gòu)資金1400萬(wàn)元，且縮短了交貨期，打破了國(guó)外公司壟斷地位。2009年6月，由甘肅藍(lán)科石化高新裝備股份有限公司研制開發(fā)的國(guó)產(chǎn)首臺(tái)10500㎡高效節(jié)能板殼式換熱器暨國(guó)產(chǎn)首臺(tái)100萬(wàn)噸/年P(guān)X裝置10910㎡板式空氣預(yù)熱器在上海通過(guò)出廠驗(yàn)收。該10500㎡高效節(jié)能板殼式換熱器將應(yīng)用在中國(guó)石油烏魯木齊石化分公司100萬(wàn)噸/年芳烴聯(lián)合裝置，是目前國(guó)內(nèi)單臺(tái)換熱面積最大的國(guó)產(chǎn)板殼式換熱器，其采用的RZ4板型、T型分布器等多項(xiàng)技術(shù)屬國(guó)際領(lǐng)先，換熱器整體已達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。10500㎡高效節(jié)能板殼式換熱器的研制成功是國(guó)產(chǎn)板殼式換熱器發(fā)展的一個(gè)重要里程碑，標(biāo)志著國(guó)產(chǎn)板殼式換熱器已跨入國(guó)際領(lǐng)先行列，并將結(jié)束同類產(chǎn)品依靠進(jìn)口的歷史。 國(guó)產(chǎn)首臺(tái)總傳熱面積達(dá)10910㎡板式空氣預(yù)熱器將應(yīng)用于中國(guó)石油烏魯木齊石化分公司100萬(wàn)噸 /年對(duì)二甲苯（PX）芳烴聯(lián)合裝置，是國(guó)內(nèi)首套加熱爐空氣預(yù)熱器全部采用全焊接波紋板空氣預(yù)熱器的對(duì)二甲苯裝置，也是首套排煙溫度低至100℃的裝置，整體技術(shù)達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。這臺(tái)空氣預(yù)熱器屬高效、環(huán)保節(jié)能型熱交換器，其研制成功標(biāo)志著國(guó)產(chǎn)全焊接波紋板空氣預(yù)熱器的研制邁上了一個(gè)新臺(tái)階。 3.換熱器產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢(shì) 隨著我國(guó)工業(yè)化和城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快，以及全球發(fā)展中國(guó)家經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)和出口市場(chǎng)對(duì)換熱器的需求量將會(huì)保持增長(zhǎng)，客觀上為我國(guó)換熱器產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展提供了廣闊的市場(chǎng)空間。從市場(chǎng)需求來(lái)看，在國(guó)家四萬(wàn)億投資的刺激下，我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)仍將保持較快發(fā)展。石油化工、能源電力、環(huán)境保護(hù)等行業(yè)仍然保持穩(wěn)定增長(zhǎng)，大型乙烯項(xiàng)目、大規(guī)模的核電站建設(shè)、大型風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)的建設(shè)、太陽(yáng)能光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)中多晶硅產(chǎn)量的迅速增長(zhǎng)、大型環(huán)境保護(hù)工程的開工建設(shè)、海水淡化工程的日益成熟，都將對(duì)換熱器產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生巨大的需求拉動(dòng)。從產(chǎn)品結(jié)構(gòu)來(lái)看，由于石油化工、食品醫(yī)藥、海水淡化等領(lǐng)域?qū)Q熱器使用的材料有特殊要求，以及特殊材料換熱器利潤(rùn)空間相對(duì)較大等因素，未來(lái)特殊材料換熱器所占比例將會(huì)增加，而該類產(chǎn)品價(jià)格較高，也會(huì)使市場(chǎng)規(guī)模進(jìn)一步放大。 目前，我國(guó)換熱器產(chǎn)業(yè)的市場(chǎng)規(guī)模大概為360億人民幣?；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)換熱器產(chǎn)業(yè)在未來(lái)一段時(shí)期內(nèi)將保持穩(wěn)定增長(zhǎng)。 4.研究的主攻方向 盡管我國(guó)在部分重要換熱器產(chǎn)品領(lǐng)域獲得了突破，但我國(guó)換熱器技術(shù)基礎(chǔ)研究仍然薄弱。與國(guó)外先進(jìn)水平相比較，我國(guó)換熱器產(chǎn)業(yè)與西方發(fā)達(dá)國(guó)家最大的技術(shù)差距在于換熱器產(chǎn)品的基礎(chǔ)研究和原理研究，尤其是缺乏介質(zhì)物性數(shù)據(jù)，對(duì)于流場(chǎng)、溫度場(chǎng)、流動(dòng)狀態(tài)等工作原理研究不足。在換熱器制造上，我國(guó)目前還以仿制為主，雖然在整體制造水平上差距不大，但是在模具加工水平和板片壓制方面與發(fā)達(dá)國(guó)家還有一定的差距。在設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)上，我國(guó)換熱器設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)較為滯后。目前，我國(guó)的管殼式換熱器標(biāo)準(zhǔn)的最大產(chǎn)品直徑還僅停留在2.5米，而隨著石油化工領(lǐng)域的大型化要求，目前對(duì)管殼式換熱器直徑已經(jīng)達(dá)到4.5米甚至5米，超出了我國(guó)換熱器設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)范圍，使得我國(guó)換熱器設(shè)計(jì)企業(yè)不得不按照美國(guó)TEMA標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)。更為嚴(yán)重的是，我國(guó)在大型專業(yè)化換熱器設(shè)計(jì)軟件方面嚴(yán)重滯后。目前我國(guó)在換熱器設(shè)計(jì)過(guò)程中還不能實(shí)現(xiàn)虛擬制造、仿真制造，缺乏自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的大型專業(yè)計(jì)算軟件。由于在換熱器的相關(guān)工藝計(jì)算、傳熱計(jì)算和振動(dòng)模型的計(jì)算方面缺少大型專業(yè)化軟件支持，使得我國(guó)對(duì)設(shè)計(jì)出來(lái)的換熱器產(chǎn)品無(wú)法準(zhǔn)確預(yù)計(jì)其使用效果，這使得我國(guó)企業(yè)在換熱器產(chǎn)品招標(biāo)過(guò)程中處于不利地位。因此在未來(lái)必須重視換熱器產(chǎn)品的基礎(chǔ)研究和原理研究，制作出我國(guó)自己的換熱器標(biāo)準(zhǔn)。 五．主要研究?jī)?nèi)容、需重點(diǎn)研究的關(guān)鍵問(wèn)題 主要研究?jī)?nèi)容 (1）設(shè)計(jì)方案的確定； （2）換熱器的設(shè)計(jì)計(jì)算，包括：熱負(fù)荷計(jì)算、平均溫差的計(jì)算、傳熱面積計(jì)算、換熱管的選擇、管數(shù)計(jì)算與排列、殼體直徑與殼體厚度的確定、管程和殼程壓力降的計(jì)算、總傳熱系數(shù)的計(jì)算與校核； （3）主體構(gòu)件的設(shè)計(jì)和連接，包括：管束分程及管殼分程情況，管板、管箱與封頭、折流板、支承板、拉桿與定距管等； （4）輔助結(jié)構(gòu)的選用； （5）完成設(shè)備裝配圖及重要零部件圖； 六. 設(shè)計(jì)時(shí)間安排 時(shí) 間 階段 內(nèi)容與任務(wù) 成果 5-7周 畢業(yè)實(shí)習(xí) 了解設(shè)計(jì)相關(guān)的技能 資料收集、實(shí)習(xí)日志、實(shí)習(xí)報(bào)告 8-9周 設(shè)計(jì)準(zhǔn)備 進(jìn)行深入的調(diào)查和國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)查閱、確定設(shè)計(jì)思路和步驟 外文翻譯、開題報(bào)告 9-11周 方案設(shè)計(jì) 完成氨氣換熱器的數(shù)據(jù)計(jì)算和分析,進(jìn)行廣泛的設(shè)計(jì)方案構(gòu)思 計(jì)算數(shù)據(jù)，工藝結(jié)構(gòu) 12-14周 深入設(shè)計(jì) 進(jìn)行fluent模擬實(shí)驗(yàn)并完成零件圖和裝配圖 電子圖與設(shè)計(jì)說(shuō)明書綱要 15-16周 末期設(shè)計(jì) 完成設(shè)計(jì)所有環(huán)節(jié)，定型打包，設(shè)計(jì)說(shuō)明書的編寫 設(shè)計(jì)說(shuō)明書 17周 答辯準(zhǔn)備 設(shè)計(jì)過(guò)程中所有文件的檢查修改、答辯用材料的編寫 畢業(yè)設(shè)計(jì)、電腦演示、論文答辯提綱、視頻課件制作 七．指導(dǎo)老師審核意見(jiàn) 簽 字： 年 月 日 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