BES型浮頭式換熱器設(shè)計【含CAD圖紙全套+畢業(yè)答辯論文】

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下載文檔送完整 紙， 14951605 或 1304139763 下載論文送 紙， 14951605 或 1304139763 武漢科技大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計 （ 論文 ） 題 目 名 稱 浮頭式換熱器設(shè)計 題 目 類 型 畢業(yè)設(shè)計 系 部 繼續(xù)教育學(xué)院 專 業(yè) 班 級 2010 機電一體化（?？疲? 學(xué) 生 姓 名 周何清 指 導(dǎo) 教 師 余震 輔 導(dǎo) 教 師 時 間 2012 年 3 月至 2012 年 4 月 -Ⅰ - 目錄 [摘要 ] .............................................................................................................................................................. 21 前言 ................................................................................................................................................................... 1 1 熱力計算 ....................................................................................................................................................... 1 性溫度和物性參數(shù)計算 ..................................................................................................................... 2 選結(jié)構(gòu) ................................................................................................................................................. 2 程換熱計算及流量計算 ..................................................................................................................... 3 程換熱計算 ......................................................................................................................................... 4 熱系數(shù) ................................................................................................................................................. 5 程壓降 ................................................................................................................................................. 6 程壓降 ................................................................................................................................................. 7 強校核 ................................................................................................................................................. 8 2 結(jié)構(gòu)設(shè)計 ....................................................................................................................................................... 9 熱流程設(shè)計 ......................................................................................................................................... 9 子和傳熱面積 ..................................................................................................................................... 9 子排列方式 ......................................................................................................................................... 9 體 ....................................................................................................................................................... 10 箱 ........................................................................................................................................................ 11 ................................................................................................................................................. 11 ................................................................................................................................................. 11 定管板 ................................................................................................................................................ 11 程隔板 ............................................................................................................................................... 12 程分程隔板 ................................................................................................................................ 12 程分程隔板 ................................................................................................................................ 12 流板 ................................................................................................................................................... 12 桿 ....................................................................................................................................................... 13 出口管 ............................................................................................................................................. 13 .................................................................................................................................. 13 .............................................................................................................................. 13 頭箱 ................................................................................................................................................. 14 頭 ..................................................................................................................................................... 14 強圈 ................................................................................................................................................. 15 蘭 ..................................................................................................................................................... 15 蘭密封面的型式 ...................................................................................................................... 15 體法蘭 ...................................................................................................................................... 16 管法蘭 ...................................................................................................................................... 16 座 ..................................................................................................................................................... 17 3 強度校核 ..................................................................................................................................................... 18 -Ⅰ - 箱的強度校核及優(yōu)化 ....................................................................................................................... 18 體的強度校核及優(yōu)化 ....................................................................................................................... 20 4 制造工藝及安裝 ......................................................................................................................................... 21 造工藝 ............................................................................................................................................... 21 頭的成形 .................................................................................................................................... 21 節(jié)的彎卷成形 ............................................................................................................................ 22 它 ................................................................................................................................................ 22 裝與拆卸 ........................................................................................................................................... 22 5 維模型圖 .......................................................................................................................... 23 總結(jié) ................................................................................................................................................................. 25 參考文獻 ......................................................................................................................................................... 26 致謝 ................................................................................................................................................................. 27 附件： ............................................................................................................................................................. 27 -Ⅰ - 武漢科技大學(xué) 畢業(yè)論文 （ 設(shè)計 ） 任務(wù)書 系 部： 專業(yè)： 班級： 學(xué)生姓名： 周何清 指導(dǎo)教師 /職稱 ： 教授 1. 畢業(yè)論文 （ 設(shè)計 ） 題目： 浮頭式換熱器設(shè)計 2. 畢業(yè)論文 （ 設(shè)計 ） 起止時間： 2012 年 3 月 22 日～ 2010 年 4 月 22 日 論文 ） 所需資料及原始數(shù)據(jù) （ 指導(dǎo)教師選定部分 ） 換熱器設(shè)計原始數(shù)據(jù) 殼體規(guī)格 Φ600；管箱規(guī)格 Φ620；換熱管規(guī)格 ?25× L=6000 項目 殼程 管程 設(shè)計壓力 （ 作溫度 （ 進口 /出口 ） ℃ 175/155 144/163 設(shè)計溫度℃ 200 125 介質(zhì) 急冷油 鍋爐給水 論文 ） 應(yīng)完成的主要內(nèi)容 （ 1） 換熱器的發(fā)展概況 （ 2） 總體參數(shù)設(shè)計計算 （ 3） 傳熱學(xué)計算 （ 4） 換熱器的工程圖設(shè)計 論文 ） 的目標及具體要 求 工程圖：總裝配圖 1 張 ， 部件裝配圖 和零件圖 5 張 -Ⅰ - 6、完成畢業(yè)設(shè)計 （ 論文 ） 所需的條件及上機時數(shù)要求 熟悉 機 100 小時 任務(wù)書批準日期 2012/3/20 系 主任 /責(zé)任教授 任務(wù)書下達日期 2012/3/22 指導(dǎo)教師 完成任務(wù)日期 2012/4/22 學(xué)生簽名 周何清 -Ⅱ - 武漢科技大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計 （ 論文 ） 開題報告 題目名稱 浮頭式換熱器設(shè)計 系部 專業(yè)班級 學(xué)生姓名 周何清 指導(dǎo)教師 輔導(dǎo)教師 開題報告時間 2012 年 3 月 4 月 -Ⅱ - 浮頭式換熱器設(shè)計 學(xué) 生： 周何清 武漢科技大學(xué) 指導(dǎo)教師： ××××× 武漢科技大學(xué) 一 、題目來源及其類型 題目來源：生產(chǎn)實際 題目類別：畢業(yè)設(shè)計 二 、研究目的和意義 換熱器是國民經(jīng)濟和工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中應(yīng)用十分廣泛的熱量交換設(shè)備 ， 隨著現(xiàn)代新工藝、 新技術(shù)、新材料的不斷開發(fā)和能源問題的日趨嚴重 ， 世界各國已普遍把石油化工深度加工和能源綜合利用擺到十分重要的位置。換熱器因而面臨著新的挑戰(zhàn)。換熱器的性能對產(chǎn)品質(zhì)量、能量利用率以及系統(tǒng)運行的經(jīng)濟性和可靠性起著重要的作用 ， 有時甚至是決定性的作用 。目前在發(fā)達的工業(yè)國家熱回收率已達 96% 。換熱設(shè)備在現(xiàn)代裝置中約占設(shè)備總重的 30% 左右 ， 其中管殼式換熱器仍然占絕對的優(yōu)勢 ，約 70% 。其余 30% 為各類高效緊湊式換熱器、新型熱管熱泵和蓄熱器等設(shè)備 ， 其中板式、螺旋板式、板翅式以及各類高效傳熱元件的發(fā)展十分迅速。在繼續(xù)提高設(shè)備熱效率的同時 ， 促進換熱設(shè)備的結(jié)構(gòu)緊湊性 ， 產(chǎn)品系列化、標準化和專業(yè)化 ， 并朝大型化的方向研究發(fā)展。 三 、閱讀的主要參考文獻及資料名稱 [1] 史美中 ， 王中錚 M]南大學(xué)出版社 ， 1996 [2] 錢頌文 器設(shè)計手冊 [M]學(xué)工業(yè)出版社 ， 2003 [3] 鄭津洋 ， 董其伍 ， 桑芝富 M]學(xué)工業(yè)出版社 ， 2005 [4]王志魁 M]化學(xué)工業(yè)出版社 ， 2000 [5]賀衛(wèi)國 M]化學(xué)工業(yè)出版社 ， 2003 [6]王志文 M]化學(xué)工業(yè)出版社 ， 1990 [7]賀匡國 M]機械工業(yè)出版社 ， 1995 -Ⅱ - [8]潘家禎 M]化學(xué)工業(yè)出版社 ， 2000 [9]卓震 . 化工容器及設(shè)備 [M]中國石化出版社 ， 1998 [10]50制壓力容器 [S]國標準出版社 ， 2003 [11]51殼式換熱器 [S]國標準出版社 ， 2004 [12]0582制化工容器強度計算規(guī)定 [S] 1998 [13] 732制壓力容器 —— 分析設(shè)計標準 [S]華出版社 ， 1995 四 、國內(nèi)外現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢與研究的主攻方向 1、換熱器及傳熱研究的 發(fā)展趨勢與 現(xiàn)狀 換 熱器是一種廣泛使用的工藝設(shè)備，在煉油、化土行業(yè)中是主要豹工藝設(shè)備之一。因此，換熱器的研究倍受重視。從換熱鉗的設(shè)計、制造、結(jié)構(gòu)改進到傳熱機理的試驗研究一宣都在進行。特別是七十年代初發(fā)生能源危機以來，各國都紛紛尋找新的能源及節(jié)約能源的途徑，而換熱器是節(jié)約能源的有效設(shè)備。在親熱回收、利用地?zé)帷⑻柲艿确矫娑茧x不開換熱器。因而各國都在致力于研究各種高性能換熱器及換熱元件，其中不少是國家直接下達的重點課題。近年來換熱器及傳熱技術(shù)的發(fā)展主要表現(xiàn)在下列幾個方面。 （ 1） ．研究工作的動向 目前世界上每年發(fā)表有關(guān)傳熱及換熱設(shè) 備方面的文獻約在六千篇以上。有關(guān)新能源開發(fā)的文章日趨增多，研究的重點是傳熱機理、傳熱強化、兩相流、模擬及測試技術(shù)、計算機應(yīng)用、振動、污垢以及與能源利用和環(huán)境保護有關(guān)的新型高效換熱器。對傳熱基礎(chǔ)理論的研究探討 1‘分重視，一種新的動向是：從數(shù)學(xué)校型和物理模型出發(fā)，用數(shù)學(xué)方法推導(dǎo)出精確的計算公式。 （ 2） ．計算機的使用 應(yīng)用計算機不僅節(jié)省了入力、提高了效率，而且可以進行最優(yōu)化設(shè)計與控制，使其達到最大技術(shù)經(jīng)濟性能。例如美國帕斯卡古拉煉油廠常減壓裝置的原油換熱系統(tǒng)，由于采用了換熱系統(tǒng)的最佳化設(shè)計及其他改進措施，平均傳 熱系數(shù)達到 445 千卡／ 時·℃ 。 傳熱分析、應(yīng)力分析、信息儲存與檢索以及模擬和控制均編有程序。有些程序從工藝設(shè)計 開 始，直到繪出圖紙。計算機自動繪圖機只需十幾分鐘即可繪一張標準換熱器圖紙。目前，美國 熱器設(shè)計程序在國外無疑是具有代表性的， -Ⅱ - 已被許多國家所引進。此外，其他 國 家也開發(fā)了一些自動設(shè)計系統(tǒng)和 程 序。如英國發(fā)的 程序； 1975 年 英國國家工程實驗室 (劍橋計算機輔機設(shè)備中心合作，按美國管殼式換熱器制造商協(xié)會 (準，編制管完式換熱器機械設(shè)計程序 一程序 不但可對 準中的所有“ R” 、“ C”、“ B”三類換熱器進行各種設(shè)計計算，列出二系列不同參數(shù)以供選擇，而且能自動繪出換熱器的平面 布置 與管板布置圖，到 1978 年底己能提供全部 準投熱器的制造施工圖。以后又結(jié)合英國標 準 協(xié)會 (976 年公布的壓力容器規(guī)范 5500 編制了換熱器的機械設(shè)計程序；蘇聯(lián)也有 動設(shè)計系統(tǒng)； 日本 動設(shè)計系統(tǒng)是由三菱工程及造船有限公司研制的，使用該系統(tǒng)，僅僅輸入最少的數(shù)據(jù)，就能迅速地得到機械的沒計圖表及圖紙，該系統(tǒng)除適用于日本的 力 容器結(jié)構(gòu)及 (日 本 )高壓氣體控制法規(guī)外，還適用干 范第Ⅷ篇 第 — 分 篇 以及 “ R”、“ B”、“ C” 類 ；此外日本 神 戶制鋼的 動設(shè)計繪圖系統(tǒng)以及 用 于換熱 器動 特模擬 的 三 菱 字模擬系統(tǒng)等也 已推 行 于世。 （ 3） 。高溫高壓換熱界的進展 隨者工藝 的 進展和大型化裝置的 出 現(xiàn)，大型高溫高壓換熱器的使用越來越多。煉油廠加氫換熱 器 就是一個例子。近年來，高溫高壓換熱器 在 結(jié)構(gòu)、材料和制造方面都有一 些進展，管箱和密封結(jié)構(gòu)均有一些 改進，管 的進 口區(qū)的熱防護獲得一些改善。另外還采用了 薄 管板或 撓性管板結(jié)構(gòu)以 減小熱應(yīng)力；使用小管子 密排列，改善了管子與管板的連接。 （ 4） ．大力開展關(guān)于振動的研究 自 60 年 代末，為了適應(yīng)大型化裝置的工藝要求，換熱器也隨之大型化。國外管殼式 換熱特最大直徑已達 φ 4650 毫米， 傳 熱 面 積達到 6700 米 2，重達 260 噸。 在 大型化過程中所遇到的一個復(fù)雜問題就是 管 束的振動。由于大型化而加 劇 了核電站換熱器 的振動破壞， 因 此人們對管殼式換熱器振動研究 的 興趣與日俱 增 。大型換熱 器 在高流速 下 尤其容易產(chǎn)生振動，振動位管子破裂，損壞設(shè)備的就礎(chǔ)與管路，同時產(chǎn)生噪音。迄今雖然有關(guān)振動方面的問題，還遠 未 被人們 認 識清楚 ，但是通過大量 的 試驗研究，現(xiàn)在已經(jīng)能 預(yù) 測管束的自振頻率，從而在設(shè)計小可以確定出適當?shù)牧魉俜秶?，以防止流體的 激 振。此外，在結(jié)構(gòu)設(shè)計上 也采用 了一些防振措施，例如菲利普斯石油公司設(shè)計了一種沒有普通折流板的管殼式換熱器，采用一 組 柵格式緊固控置代缽折梳板，管 -Ⅱ - 束被井個型的柵格條緊緊固定，柵格條同管于外壁之間水留間隙。使用納果表明，這種結(jié)構(gòu)有效地克服了管束的振動，延長了管子為 壽 命， 而且結(jié)構(gòu)緊湊，符 合小 管 徑、密 排 列的原則，提 高了 工藝性能，使完程壓降降低丁 二分之一，且不易淤塞臟物，清洗 方便。 （ 5） ．發(fā)展強化傳熱管 傳熱管是 管殼式換熱器的主要傳熱元件。國外對傳熱管的研究非常重視，通過改進傳熱管的性能，就能提高換熱器的性能。強化傳熱管的方法主要有兩種：一種是盡量擴大它的有效傳熱面積，但又不過分增大流阻，例如將管子的內(nèi)、外表面軋制成各種不同的表面形狀，促進流體產(chǎn)生湍流提高傳熱性能，如翅片管、螺紋管等。有的國家已成批生產(chǎn)翅片管換熱器，并已標誰化、系列化。我國也在煉油廠中使用螺紋管換熱器，只要使用條件恰當，工藝流程合理，總傳熱系數(shù)就可以大大提高。 1967 年蘭州煉油廠 12 單元仗用一臺螺紋管換熱器， K 廈高達 500 大卡·／米”·小時·飛。 1981年南京煉油廠實行節(jié)能改造，使用了螺紋管換熱器，實測 K 值達 370 ~ 400 千卡／米“·小時· t。另一種方法是改良傳熱表面的性能，使之既符合傳熱機理的要求，又能充分發(fā)揮其特點，如美國聯(lián)合碳化公司研制成功的一種表面多孔管，可以使汽抱核心的數(shù)量大幅度增加，從而使拂騰給熱系數(shù)提高十倍乃至幾十倍，總傳熱系數(shù)一般可提高五倍左右，并民還有很好的抗污垢能力。國內(nèi)一些單位（如北京化工研究院等）也研究試制成功了表面多孔管，并得到了應(yīng)用（如在南京煉油廠用于重沸器）取得了明顯效果。新的強化傳熱管還有單面縱槽管、雙面縱槽管、周 向波紋管、螺旋波紋管等。 （ 6） ．采用新材料 由于工藝條件日趨苛刻，迫切需要一些新的材料。在換熱器制造中，由于欽具有很高的抗腐蝕性能、高的強度限和屈服限，且比重小、重量輕，又有一走的杭污塞性，因此西德 在 含氯溶液中采用了欽制換熱器，在煉油廠中使用欽制冷卻器和冷凝器?，F(xiàn)在欽制換熱器的應(yīng)用有了迅速的增加。滲鋁管換熱器及鍍鋅鋼管換熱器的使用也日益增多。非金屬材料方面最具有代表性的是聚四氟乙烯塑料，自美國杜邦公司于六十年代中期研究成功這種塑料換熱器以來，由于它優(yōu)越的抗腐蝕抗污垢性能，國外推廣使用很快，到了七十年代，凡 是適用這種換熱器的場合，幾乎達到了普及的地步。此外還有石墨換熱器，一般使用壓力為 3 公斤／厘米 2，使用溫度為 150 ~ 170℃ 。 -Ⅱ - （ 7） ．控制結(jié)垢及高效運行 美國傳熱研究公司對換熱器的污垢問題已進行了多年的研究。通過對污垢形成的機理、生長速度、影響因素的研究，預(yù)測污垢曲線，從而為控制結(jié)垢、適時清洗提供了途徑和依據(jù)。廣泛采用渦流測試技術(shù)來加強運行中的檢漏，使快要損壞的管子能及早得到更換或堵漏，避免非計劃停工損失。在換熱器中采用有機涂層，能有效地防止海水腐蝕，且不易結(jié)垢（若是涂于冷凝側(cè)還可以變成滴狀冷凝從而強化 傳熱）。此外，國外對發(fā)展換熱器的清洗技術(shù)極為重視，組織專業(yè)的維修清洗公司，針對不同條件，采取最適合的清洗方祛，并研究了專門的清洗設(shè)備和工具，如化學(xué)清洗車、高壓水 清洗車及管束拔出裝置等。這樣就能保證換熱器高效率、低消耗、長周期的運行。 （ 8）．熱管換熱器的使用 熱管是利用小的表面積傳遞大的熱量，體現(xiàn)了一種優(yōu)良的設(shè)計方法。熱管是六十年代中期在宇航工業(yè)中發(fā)展起來的新型傳熱元件，于七十年代進入民用工業(yè)，由于它具有效率高、壓降小、結(jié)構(gòu)簡單、緊湊性好等優(yōu)點，發(fā)展較為迅速。美國道（ 學(xué)公司采用瓊一多特（ Q 一 司生產(chǎn)的不銹鋼熱管空氣預(yù)熱器，在一座 190萬千卡／小時的加熱爐上回收余熱，使煙氣出口溫度從原來的 3” t 降到 168t 以下，并使進風(fēng)溫度提高了 230t ,每小時回收余熱 25 . 2 萬千卡，從而使加熱爐的天然氣消耗量減少巧緯。 1979 年美國卡特拉斯堡煉油廠的重整加熱爐上使用了熱量為 80 萬千卡／小時的熱管換熱器閉。美國杜邦化學(xué)公司在一套化工裝置上采用一套由埃索舍默克斯（ 司制造的鋁質(zhì)熱管空氣預(yù)熱器，其造價僅為普通空氣預(yù)熱器的25%，而安裝費用相同，故獲得了顯著的經(jīng)濟效果叻。國內(nèi)科學(xué) 院力 學(xué)研究所、重慶大學(xué)等單位首先引進和研究熱管技術(shù)。近幾年來，一 些研究單位及煉油廠都先后開展了熱管換熱器的試制研究工作。一些煉油廠開始采用熱管換熱器來回收煙氣中的低溫余熱提高了熱效率，取得了較好的應(yīng)用效果。 2、 換熱器及傳熱研究的 主攻方向 當前換熱器發(fā)展的基本動向是繼續(xù)提高設(shè)備的熱效率，促進設(shè)備結(jié)構(gòu)的緊湊性，加強生產(chǎn)制造的標準化、系列化和專業(yè)化，并在廣泛的范圍內(nèi)繼續(xù)向大型化的方向發(fā)展。同時仍然注意基礎(chǔ)理論及測試方法的研究。 （ 1） 、新能源換熱器的研究 能源的充分供應(yīng)對發(fā)展生產(chǎn)，保持并提高人類的生活水平是必不． 的。盡 -Ⅱ - 管能源的供應(yīng)前景仍不樂觀，但是工業(yè)和民用的需求卻在日益增長，這是世界范圍內(nèi)極需解決的問題。要求集中力量研究各種形式的能量轉(zhuǎn)換技術(shù)，有效地利用能源。核能是有前途能源，核電站的大型換熱器，要解決多項重大技術(shù)難關(guān)，也是換熱器技術(shù)發(fā)展的尖端。太陽以輻射傳熱的方式將熱量傳給地球。太陽能的利用盡管受到地理、氣候、晝夜、 季節(jié)的限制，但它不影響地球大氣的熱量平衡，而且不消耗燃料，沒有污染，很有開發(fā)價值。由于世界上能源日益緊張，許多國家在使用新技術(shù)的基礎(chǔ)上，開發(fā)利用太陽能。美國制定了一項太陽能發(fā)展計劃，預(yù)期到公元 2000 年要供給全國熱消耗的 20％以上。但是太陽能比較分散，經(jīng)物質(zhì)吸收后，溫度不高，如何提高轉(zhuǎn)換效率，在技術(shù)上有相當難度，其中換熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計，是關(guān)鍵問題之一。地?zé)嵋彩且环N豐富的能源，但是大都溫度不高（低于 100t)，用這種資源豐富、低焙的熱能來發(fā)電在國內(nèi)外都是新課題。地?zé)釗Q熱器的熱介質(zhì)大部分是地?zé)崴?，少部分是蒸氣。換熱器應(yīng)具有耐污垢、耐腐蝕、高效率、易清洗的性能。地?zé)崂迷诤艽蟪潭壬先Q于換熱器的性能，因此必須加緊進行地?zé)釗Q熱器的研究工作。 （ 2） ．余熱回收裝置的研究 工業(yè)余熱的利用潛力很大，對生產(chǎn)影響顯著 ，主要是： 1000℃左右的高溫?zé)崃考捌涓邏耗芰康暮侠砝?，這是石油化學(xué)工業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)之一。從換熱器的整體結(jié)構(gòu)、各類管板的結(jié)構(gòu)設(shè)計、熱膨脹補償方法直到高溫側(cè)熱通量的控制，都有許多課題極待解決； 100 ~200t 的低溫余熱回收，對一般企業(yè)有普遍意義。企業(yè)的熱利用率低的原因大多是低溫位熱能沒有很好地利用起來。這種熱能量大面廣，合理利用有著巨大的現(xiàn)實意義。 （ 3） ．緊湊式換熱器的研究 緊湊式換熱器包括板翅、板式、板殼式等換熱器，它們具有優(yōu)異的性能，在采用多流道布置后，其優(yōu)越性更為顯著。板式換熱器需要改進密封結(jié)構(gòu)，指 強板片的剛度，研究新的墊片材料以提高操作溫度和操作壓力是今后發(fā)展的重點。板殼式換熱器由于從結(jié)構(gòu)上解決了耐溫、抗壓和高效之間的矛盾，因而在化學(xué)工業(yè)中很快得到推廣應(yīng)用。但是，由于它的制造工藝比較復(fù)雜，焊接要求高，因而今后應(yīng)注重改進結(jié)構(gòu)設(shè)計，發(fā)展新的成型和焊接工藝。 （ 4） ．強化傳熱管的研究 近年來國內(nèi)外在采用強化傳熱管改進換熱器性能、提高傳熱效率、減少傳熱面積、 -Ⅱ - 降低設(shè)備投資等方面，取得了顯著的成績。強化傳熱管同時也是利用低溫位熱量的關(guān)鍵部件。表面多孔管可以在非常小的溫差下產(chǎn)生很多的飽核，使汽化核心增加許多倍，但 是制造工藝要求比較嚴格，且生產(chǎn)成本也高，這些都是今后有待解決的問題。 （ 5） ．換熱器基礎(chǔ)技術(shù)理論及測試技術(shù)的研究 發(fā)展基礎(chǔ)理論是指導(dǎo)推進設(shè)計研究的必要前提。例如小溫差傳熱的強化是解決低位新能源開發(fā)的關(guān)鍵；污垢和防蝕的研究對換熱器的設(shè)計、運行有重大的影響；有相變傳熱的研究關(guān)系到能量的轉(zhuǎn)換及傳質(zhì)技術(shù)。 傳熱和換熱器測試技術(shù)的研究，可以使試驗分析工作進行得更精確、更迅速。高效換熱設(shè)備的研究，使得傳熱表面形狀更加復(fù)雜，流體流動更加不規(guī)律，因此需要更加先進的測試手段。 此外，兩相流動及傳熱；非牛頓型流體的流變特性的測 定；核反應(yīng)堆的安全措施等都是現(xiàn)在和今后研究的課題。 3、 國 內(nèi) 換熱器發(fā)展前景 在我國換熱器的制造技術(shù)遠落后于外國 ， 由于制造工藝和科學(xué)水平的限制 ， 早期的換熱器只能采用簡單的結(jié)構(gòu) ， 而且傳熱面積小、體積大和笨重 ， 如蛇管式換熱器等。隨著制造工藝的發(fā)展 ， 逐步形成一種管殼式換熱器 ， 它不僅單位體積具有較大的傳熱面積 ， 而且傳熱效果也較好 ， 長期以來在工業(yè)生產(chǎn)中成為一種典型的換熱器。 在我國隨著經(jīng)濟快速發(fā)展的同時 ， 各種不同型式和種類的換熱器發(fā)展很快 ， 新結(jié)構(gòu)、新材料的換熱器不斷涌現(xiàn)。為了適應(yīng)發(fā)展的需要 ， 我國對某些種類的換熱器已經(jīng)建立了標準 ， 形成了系列。完善的換熱器在設(shè)計或選型時應(yīng)滿足以下基本要求： （ 1） 合理地實現(xiàn)所規(guī)定的工藝條件； （ 2） 結(jié)構(gòu)安全可靠； （ 3） 便于制造、安裝、操作和維修； （ 4） 經(jīng)濟上合理。 70 年代的世界能源危機 ， 有力促進了換熱強化技術(shù)的發(fā)展。為了節(jié)能將耗 ， 提高工業(yè)生產(chǎn)經(jīng)濟效益 ， 要求開發(fā)適用于不同工業(yè)過程要求的高效換熱設(shè)備。所以這些年來 ， 換熱器的開發(fā)和研究成了人們關(guān)注的課題。當今換熱器技術(shù)的發(fā)展以 計算流體力學(xué)技術(shù) ） 、模型化技術(shù)、強化傳熱技術(shù)等形成一個高技術(shù)體系。所謂提高換熱器性能 ， 就是提高其傳熱 性能。狹義的強化傳熱系數(shù)指提高流體和傳熱之間的傳熱 -Ⅱ - 系數(shù)。其主要方法歸結(jié)為下述兩個原理：溫度邊界層減勃和調(diào)換傳熱面附近的流體。 因此最近十幾年來 ， 強化傳熱技術(shù)受到了工業(yè)界的廣泛重視 ， 得到了十分迅速的發(fā)展 ， 凝結(jié)是工業(yè)中普遍遇到的另一種相變換熱過程 ， 凝結(jié)換熱系數(shù)很高 ， 但經(jīng)過強化措施還可以進一步提升換熱效率。 1. 管外凝結(jié)換熱的強化 （ 1） 冷卻表面的特殊處理 對冷卻表面的特殊處理 ， 主要是為了在冷卻表面上產(chǎn)生珠狀凝結(jié)。珠狀凝結(jié)的換熱系數(shù)可比通常的膜狀凝結(jié)高 5~10 倍 ， 由于水和有機液體能潤濕大部分的金屬壁面 ，所以應(yīng)采 用特殊的表面處理方法 （ 化學(xué)覆蓋法、聚合物涂層法和電鍍法等 ） ， 使冷凝液不能潤濕壁面 ， 從而形成珠狀凝結(jié)。用電鍍法在表面涂一層貴金屬 ， 如金、鉑、鈀等效果很好 ， 缺點是價格昂貴。 （ 2） 冷卻表面的粗糙化 粗糙表面可增加凝結(jié)液膜的湍流度 ， 亦可強化凝結(jié)換熱。實驗證明 ， 當粗糙高度為 ， 水蒸氣的凝結(jié)換熱系數(shù)可提高 90%。值得注意的是 ， 當凝結(jié)液膜增厚到可將粗糙壁面淹沒時 ， 粗糙度對增強凝結(jié)換熱不起作用。有時當液膜流速較低時 ，粗糙壁面還會滯留液膜 ， 對換熱反而不利。 （ 3） 采用擴展表面 在管外膜狀凝結(jié)中常常采用低肋管 ， 低肋 管不但增加換熱面積 ， 而且由于冷凝流體的表面張力 ， 肋片上形成的液膜較薄 ， 因此其凝結(jié)換熱系數(shù)可比光管高 75%~100%。 應(yīng)用螺旋槽管和管外加螺旋線圈。螺旋槽管 ， 管子內(nèi)外壁均有螺紋槽 ， 既可強化冷凝換熱 ， 又可強化冷卻側(cè)的單相對流換熱 ， 與光管相比其凝結(jié)強度可提高 35~50%。在管外加螺旋線圈 ， 由于表面張力使凝結(jié)液流到金屬螺旋線圈的底部而排出 ， 上部及四周液膜變薄 ， 從而凝結(jié)換熱系數(shù)有時甚至可提高 2 倍。 2. 管內(nèi)凝結(jié)換熱的強化 （ 1） 擴展表面法 采用內(nèi)肋管是強化管內(nèi)凝結(jié)的最有效的方法 ， 試驗表明 ， 其換熱系數(shù)比光管高20~40%。按光面計算則換熱系數(shù)可高 1~2 倍。 （ 2） 采用流體旋轉(zhuǎn)法 采用螺旋槽管等流體旋轉(zhuǎn)法可以強化凝結(jié)換熱。換熱效率同比提升 30%， 但此時 -Ⅱ - 流動阻力也會增加。 （ 3） 改變傳熱面形狀 改變傳熱面形狀的方法有多種 ， 其中用于無相變強化傳熱的有橫波紋管、螺旋螺紋管和縮放管 ， 還有螺旋扁管和偏置折邊翅片管。都是高效換熱元件。 值得注意的是 ， 在強化凝結(jié)換熱之前 ， 應(yīng)首先保證凝結(jié)過程的正常進行。例如 ，排除不凝氣體的影響 ， 順利地排除冷凝液等。改變實踐證明 ， 在降低流體在殼程的阻力并保證流體在湍流狀態(tài)下流動 ， 這樣才能充分的提高介質(zhì)的 換熱系數(shù) ， 內(nèi)翅片管、橫螺紋管、螺旋螺紋管都一樣 ， 不但可用于單相對流傳熱 ， 也可以有效的用于管內(nèi)流動沸騰傳熱 （ 螺紋管在湍流時可使對流傳熱系數(shù)增加一倍多 ） 。當然現(xiàn)在各式換熱器的設(shè)計各有新穎之處 ， 結(jié)構(gòu)上各具特色。原有的換熱器廠家最近也研制出一種新型熱器 ， 他克服了板式因密封問題而受到限制的弱點 ， 很有發(fā)展前途。 近年來 ， 隨著制造技術(shù)的進步 ， 強化換熱元件的開發(fā) ， 使得新型高效換熱器的研究有了較大的發(fā)展 ， 根據(jù)不同的工藝條件與工況設(shè)計制造了不同結(jié)構(gòu)形式的新型換熱器 ， 也取得了較大的經(jīng)濟效益。故我們在選擇換熱設(shè)備時 一定要根據(jù)不同的工藝、工況要求選擇。換熱器的作用可以是以熱量交換為目的。在即定的流體之間 ， 在一定時間內(nèi)交換一定數(shù)量的熱量；也可以是以回收熱量為目的 ， 用于余熱利用；也可以是以保證安全為目的 ， 即防止溫度升高而引起壓力升高造成某些設(shè)備被破壞。換熱器的作用不同 ， 其設(shè)計、選型、運行工況也各不相同。對換熱器的基本要求是換熱器要滿足換熱要求 ， 即達到需求的換熱量和熱媒溫度 ;換熱器的熱損失要少 ， 換熱效率要高 ;流動阻力要小 ;要有足夠的機械強度 ， 抗腐蝕和抗損壞能力要強 ， 維護工作量要少 ;結(jié)構(gòu)要合理 ， 工作要安全可靠 ， 即零部件之間因為 溫升而產(chǎn)生的熱應(yīng)力不會導(dǎo)致?lián)Q熱器破裂 ;要便于制造、安裝和檢修 ;經(jīng)濟上要合理 ， 設(shè)奮全壽命期的總投資要少 （ 總投資包括設(shè)備及附屬裝置初投資費用和運行維護管理費用 ） ;生活熱水系統(tǒng)的換熱器應(yīng)易于清除水垢 ， 以上要求常常相互制約 ， 難于同時滿定 ， 因此應(yīng)視具體情況 ， 在換熱器的選型和設(shè)計中有所側(cè)重 ， 滿足工程對換熱器的主要要求。因為換熱器故障率較低 ， 并且供暖為季節(jié)性負荷 ， 有足夠的檢修時間 ， 生活熱水系統(tǒng)暫停供熱也不會造成重大影響 ， 所以可不設(shè)備用換熱器。換熱器臺數(shù)的選擇和單臺能力的確定應(yīng)適應(yīng)熱負荷的分期增長 ， 并考慮供熱的可靠性。 未 來 ， 國內(nèi)市場需求將呈現(xiàn)以下特點：對產(chǎn)品質(zhì)量水平提出了更高的要求 ， 如環(huán) -Ⅱ - 保、節(jié)能型產(chǎn)品將是今后發(fā)展的重點；要求產(chǎn)品性價比提高；對產(chǎn)品的個性化、多樣化的需求趨勢強烈；逐漸注意品牌產(chǎn)品的選用；大工程項目青睞大企業(yè)或企業(yè)集團產(chǎn)品。國內(nèi)經(jīng)濟發(fā)展帶來的良好機遇 ， 以及進口產(chǎn)品巨大的可轉(zhuǎn)化性共同預(yù)示著我國換熱器行業(yè)良好的發(fā)展前景。同時 ， 行業(yè)發(fā)展必須要注重高端產(chǎn)品的研發(fā)。 4、 國外換熱器發(fā)展前景 在國外二十世紀 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 ， 用于飛機發(fā)動機的散熱。 30 年代末 ， 瑞典又制造出第一臺板殼式換熱器 ， 用于紙漿工廠。在此期間 ， 為了解決強腐蝕性介質(zhì)的換熱問題 ， 人們對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一步完善 ， 從而推動了緊湊型板面式換熱器的蓬勃發(fā)展和廣泛應(yīng)用。此外 ， 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一步的發(fā)展 ， 這一類換熱器不但是從材料上有了較大的突破 ， 而且采用新穎的理念 ， 增加強化傳熱。 70 年代中期 ， 為了進一步減小換熱器的體積 ， 減輕重量和金屬消耗 ， 減少換熱器消耗的功率 ， 并使換熱器能夠在較低溫差下工作 ， 人們更是采用各種科學(xué)的辦法來增強換熱器內(nèi)的傳熱。 對國外換熱器市場的調(diào)查表明 ， 管殼式換熱器占 64%。雖然各種板式換熱器的競爭力在上升 ， 但管殼式換熱器仍將占主導(dǎo)地位。隨著動力、石油化工工業(yè)的發(fā)展 ， 其設(shè)備也繼續(xù)向著高溫、高壓、大型化方向發(fā)展。而換熱器在結(jié)構(gòu)方面也有不少新的發(fā)展。現(xiàn) 就幾種新型換熱器的特點簡介如下： （ 1） 、氣動噴涂翅片管換熱器 俄羅斯提出了一種先進方法 ， 即氣動噴涂法 ， 來提高翅片化表面的性能。其實質(zhì)是采用高速的冷的或稍微加溫的含微粒的流體給翅片表面噴鍍粉末粒子。用該方法不僅可噴涂金屬還能噴涂合金和陶瓷 （ 金屬陶瓷混合物 ） ， 從而得到各種不同性能的表面。 通常在實踐中翅片底面的接觸阻力是限制管子加裝翅片的因素之一。為了評估翅片管換熱器元件進行了試驗研究。試驗是采用在翅片表面噴涂 ， 并添加了 24a -Ⅱ - 白色電爐氧化鋁。將試驗所得數(shù)據(jù)加以整理 ， 便可評估翅片底面的接觸阻力。 將研 究的翅片的效率與計算數(shù)據(jù)進行比較 ， 得出的結(jié)論是：氣動噴涂翅片的底面的接觸阻力對效率無實質(zhì)性影響。為了證實這一點 ， 又對基部 （ 管子 ） 與表面 （ 翅片 ）的過渡區(qū)進行了金相結(jié)構(gòu)分析。 對過渡區(qū)試片的分析表明 ， 連接邊界的整個長度上無不嚴密性的微裂紋。所以 ，氣動噴涂法促進表面與基本相互作用的分支邊界的形成 ， 能促進粉末粒子向基體的滲透 ， 這就說明了附著強度高 ， 有物理接觸和金屬鏈形成。 因而氣動噴涂法不但可用于成型 ， 還可用來將按普通方法制造的翅片固定在換熱器管子的表面上 ， 也可用來對普通翅片的底面進行補充加固?？梢灶A(yù)計 ， 氣動噴涂法在緊湊高效換熱器的生產(chǎn)中 ， 將會得到廣泛應(yīng)用。 （ 2） 、螺旋折流板換熱器 在管殼式換熱器中 ， 殼程通常是一個薄弱環(huán)節(jié)。通常普通的弓形折流板能造成曲折的流道系統(tǒng) （ z 字形流道 ） ， 這樣會導(dǎo)致較大的死角和相對高的返混。而這些死角又能造成殼程結(jié)垢加劇 ， 對傳熱效率不利。返混也能使平均溫差失真和縮小。其后果是 ， 與活塞流相比 ， 弓形折流板會降低凈傳熱。優(yōu)越弓形折流板管殼式換熱器很難滿足高熱效率的要求 ， 故常為其他型式的換熱器所取代 （ 如緊湊型板式換熱器 ） 。 對普通折流板幾何形狀的改進 ， 是發(fā)展殼程的第一步。雖然引進了密封條和附加諸如偏 轉(zhuǎn)折流板及采取其他措施來改進換熱器的性能 ， 但普通折流板設(shè)計的主要缺點依然存在。 為此 ， 美國提出了一種新方案 ， 即建議采用螺旋狀折流板。這種設(shè)計的先進性已為流體動力學(xué)研究和傳熱試驗結(jié)果所證實 ， 此設(shè)計已獲得專利權(quán)。此種結(jié)構(gòu)克服了普通折流板的主要缺點。 螺旋折流板的設(shè)計原理很簡單：將圓截面的特制板安裝在 “ 擬螺旋折流系統(tǒng) ” 中 ， 每塊折流板占換熱器殼程中橫剖面的四分之一 ， 其傾角朝向換熱器的軸線 ， 即與換熱器軸線保持一傾斜度。相鄰折流板的周邊相接 ， 與外圓處成連續(xù)螺旋狀。折流板的軸向重疊 ， 如欲縮小支持管子的跨度 ， 也可得到雙螺 旋設(shè)計。 螺旋折流板結(jié)構(gòu)可滿足相對寬的工藝條件。此種設(shè)計具有很大的靈活性 ， 可針對不同操作條件 ， 選取最佳的螺旋角；可分別情況選用重疊折流板或是雙螺旋折流板結(jié)構(gòu)。 -Ⅱ - （ 3） 、新型麻花管換熱器 司開發(fā)了一種扁管換熱器 ， 通常稱為麻花管換熱器。美國休斯頓的布朗公司做了改進。螺旋扁管的制造過程包括了 “ 壓扁 ” 與 “ 熱扭 ” 兩個工序。改進后的麻花管換熱器同傳統(tǒng)的管殼式換熱器一樣簡