（化学工程专业论文）二甲胺换热器设计.pdf

大连理工大学专业学位硕士学位论文 摘要 换热器是实现不同介质之间能量交换的通用设备，其研究和应用受到世界各国的普 遍重视，是传热技术中最活跃的研究领域之一。 固定管板式换热器是目前应用最为广泛的换热设备，具有可靠性高、适应性广等优 点，在各工业领域中得到最为广泛的应用。其投资费用常常在工厂实际总投资中占有很 大比例。因此固定管板式换热器设计的好坏，对工业生产有着直接的影响。 本文依据g b l 5 0 钢制压力容器和g b l 5 1 管壳式换热器设计标准，对二甲胺 处理量为1 1 9 8 5 k g n a 的固定管板式换热器进行设计。本文的主要内容及结论如下： ( 1 ) 对换热器的种类和类型进行了调查和总结。详细介绍了几种典型结构的换热 器，对固定管板式换热器的设计思路进行了叙述； ( 2 ) 对本设计条件的换热器设计方案进行了论证。确定换热方式为逆流，换热器 类型为固定管板式换热器，管子及壳体选用o c r l 8 n i 9 材料避免介质腐蚀。二甲胺蒸气 由换热器顶部进入壳程，冷却水由底部进入管程。确定了介质的进出口温度； ( 3 ) 对换热器的工艺进行了而设计，确定采用一壳程四管程换热器。校核了传热 量、壳体和管壁的温差以及压降。结果发现：换热面积裕度为1 6 4 ，满足设计要求。 换热器不需要设置膨胀节。换热器管程和壳程的压降满足要求。初步确定了换热器的结 构参数及布管情况； ( 4 ) 根据g b l 5 0 和g b l 5 1 对换热器的壳体、封头、管箱、管板进行了强度设计， 并对其进行了校核。然后对在壳程和管程压力作用下进行了校核计算，校核结果满足设 计要求，最后对开孔补强进行了设计计算； ( 5 ) 对换热器其他部件如分程隔板槽、法兰、折流板、鞍座、吊耳、焊条进行了 设计和选用； ( 6 ) 最后对设计后该换热器在实际应用中出现的问题进行了说明。 关键词：换热器；固定管板；换热面积；应力； 二甲胺换热器设计 d e s i g no fd i m e t h y l a m i n eh e a te x c h a n g e r a b s tr a c t h e a te x c h a n g e r sa r et h eg e n e r a le q u a m e n tt oa c h i e v ee n e r g ye x c h a n g eb e t w e e nt h e d i f f e r e n tm e d i a ，r e s e a r c ha n da p p l i c a t i o na r eo fg r e a ti m p o r t a n c eb ya l lc o u n t r i e si nt h ew o r l d ， a n di ti st h em o s ta c t i v ef i l e do fh e a tt r a n s f e rt e c h n o l o g yr e s e a r c h f i x e dt u b e s h e e th e a te x c h a n g e r sa r et h em o s tw i d e l yu s e dh e a tt r a n s f e re q u i p m e n t w i t h h i 曲r e l i a b i l i t ya n dw i d ea d a p t a b i l i t y , a n do t h e ra d v a n t a g e s ，i th a sb e e nt h em o s tw i d e l yu s e d i nt h ei n d u s t r y o f t e nt h ec o s to fh e a te x c h a n g e r si nt h ea c t u a lf a c t o r yc a nb eal a r g e p r o p o r t i o ni nt h et o t a li n v e s t m e n to ff a c t o r y t h e r e f o r e ，w h e t h e rf i x e d s h e e th e a te x c h a n g e r d e s i g ni sg o o do rb a d ，i fh a sad i r e c ti m p a c tt oi n d u s t r i a lp r o d u c t i o n i nt h i sp a p e r ，b a s e do nt h eg b15 0 ”s t e e lp r e s s u r ev e s s e l ”a n dg b 151 ”s h e l l a n d - t u b e h e a t e x c h a n g e r ”d e s i g ns t a n d a r d s ，t h e f i x e d s h e e th e a te x c h a n g e rf o rt h ed i m e t h y l a m i n e h a n d l i n gc a p a c i t yo f119 8 5 k g hi sd e s i g n e d t h em a i nf i n d i n g sa n dc o n c l u s i o n sa r ea s f o l l o w s ( 1 ) t y p e so fh e a te x c h a n g e r sa r ei n v e s t i g a t e da n ds u m e du p s e v a r a lk i n d so ft y p i c a l h e a te x c h a n g e ra r ei n t r o d u c e di nd e t a i l s ，t h ed e s i g np r o c e s so ff i x e d s h e e th e a te x c h a n g e rw a s d e s c r i b e d ( 2 ) t e c h n i c so fh e a te x c h a n g e ra tg i v e nc o n d i t i o n si sd e s i g n e d w a yo fa d v e r s e c u r r e n ti s s e l e c t e d ，t h ef i x e dt u b e s h e e th e a te x c h a n g e ri ss e l e c t e d i no r d e rt oa v o i dc o r r o s i o n ，p i p ea n d s h e l lo fe x c h a n g e ra r ec h o s e nw i t ht h em a t e r i a lo fs t a i n l e s ss t e l l0 c r l8 n i 9 t h es t e a mo f d i m e t h y l a m i n eg o e si n t ot h et o po ft h es h e l lo fh e a te x c h a n g e r ，a n dt h ec o o l i n gw a t e ri sf r o m t h eb o t t o mo ft h et u b e t h et e m p e r a t u r eo fi m p o r ta n de x p o r ta r ed e t e r m i n e d ； ( 3 ) h e a te x c h a n g e rt e c h n o l o g yw a sd e s i g n e dt od e t e r m i n et h eu s eo fa4 - s h e l lh e a t e x c h a n g e r t h eh e a t ，t e m p e r a t u r ed i f f e r e n c ea n dp r e s s u r ed r o pa e rc h e c k e d t h er e s u l t s s h o w e dt h a t ：h e a tt i a n s f e ra r e at o16 4p e r c e n tm a r g i nt om e e tt h ed e s i g nr e q u i r e m e n t s h e a t e x c h a n g e rd on o tn e e dt os e te x p a n s i o nj o i n t h e a te x c h a n g e rt u b e a n ds h e l l s i d ep r e s s u r e d r o pm e e tt h er e q u i r e m e n t s 。t h es t r u c t u r ea n dp a r a m e t e r sa n dt u b e ss i t u a t i o na r ei n i t i a l d e t e r m i n e d ； ( 4 ) a c c o r d i n gt og b 15 0a n dg b151 ，t h es t r e n g t ho fs h e l l ，h e a d ，t u b eb o x ，t u b ep a n e lo f f i x e dt u b e s h e e th e a te x c h a n g e ri sd e s i g n e da n dv e r i f i c a t i o ni sc a r r i e do u t t h e nr i s ko f c r o s s s e c t i o nu n d e rt h ep r e s s u r eo ft h es h e l l a n d t u b ei sc a l c u l a t e d ，a n ds t r e s so fr i s k i i 大连理工大学专业学位硕士学位论文 c r o s s s e c t i o ni sc h e c k e d t h er e s u l e st u r no u tt h a td e s i g ni sf o u n dt om e e tt h er e q u i r e m e n t s o p e n i n gr e i n f o r c e m e n ti sc a l c u l a t e di nt h ee n d ( 5 ) a u x i l i a r yf a c i l i t i e so fh e a te x c h a n g e rs u c ha ss u b p a r t i t i o ns l o t ，f l a n g e ，b a f f l e d ， s a d d l e s ，h a n g i n ge a r s ，w e l d i n g ，c l e a n i n gs y s t e m sa n dp r o t e c t i o ns y s t e mi sd e s i g n e da n d s e l e c t e d ( 6 ) s o m eq u e n t i o n s i nu s i n go ft h i sh e a te x c h a n g e ra r ef o u n da n dg i v e na tl a s t k e yw o r d s ：h e a te x c h a n g e r ；f i x e dt u b e s h e e t ；h e a tt r a n s f e ra r e a ；s t r e s s i i i 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目：三里壁逸热墨遮i 土 作者签名：纽j 茎i 一 日期：丝年卫月二鲨日 大连理工大学专业学位硕士学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题目：三里壁逸热墨遮让 作者签名： 坌j 茎盔差 日期：墨堕年旦月兰曼日 导师签名：童卫生垄垒日期：皇竺墨年上生月三兰日 火连理工人学专业学位硕士学位论文 引言 过程工业如化学、石油、化工、食品、动力、冶金和原子能等工业部门直接创造着 社会财富，对一个国家的经济起着至关重要的作用。今年来，石油、煤化工工业已经在 我国国民经济中成为一个重要的支柱产业，并在我国国民经济中占有越来越重要的地 位。因此，掌握我国石油、煤化工行业的知识，进行石油、煤化工行业领域内的技术革 新，特别是在国内化工设备方面远落后于欧美发达国家、能源问题越来越突出的前提下， 显得尤为重要。 在石油、煤加工的工艺过程中，绝大多数化学反应或传质过程都伴随热量的变化， 为了保证这些过程能继续进行，就必须排除多余的热量或补充不足热量；并且为了最大 限度的利用和节约能源，工艺过程中的废热或余热也要回收利用；以及为了便于存储和 运输，反应过程中得到的产品也必须进行冷却或冷凝。总之，几乎所有的工艺工程都有 加热、冷却或冷凝的过程，而热量的传递和交换都必须通过换热设备进行。换热设备不 仅是石油化工中的重要工艺设备，而且是重要节能设备。 换热器是一种实现物料之间热量传递的节能工艺设备，在炼油、化工装置中换热器 占总数量的4 0 左右，占总投资的1 0 4 5 。近年来随着节能技术的发展，应用领域 的不断扩大，利用换热器进行高温和低温热能回收，从而提高热能利用率提高经济效益。 固定管板式换热器是目前应用最为广泛的换热设备，具有可靠性高、适应性广等优 点，在各工业领域中得到最为广泛的应用。尽管受到了其他新型换热器的挑战，但反过 来也促进了其自身的发展，在换热器向高参数、大型化发展的今天，管壳式换热器仍占 主导地位。 固定管板式换热器结构简单、紧凑、能承受较高的压力，可靠性高，易于制造，处 理能力大，造价低，选用的材料范围广，管程清洗方便，能承受较高的操作压力和温度， 管子损坏时易于堵管或更换等优点，在高温、高压和大型换热器中，管壳式换热器占有 绝对优势，研究与开发新型的换热器，对工业发展与经济增长具有重大意义。 我国对管壳式换热器的设计工作非常重视。先后颁布的几项国家标准，如g b l 5 0 钢制压力容器和g b l 5 1 管壳式换热器，都是换热器设计过程中需要遵守的设计 准则。深刻理解和掌握这些标准，并依据这些标准进行换热器设计，是工程人员需要做 的事情。 本文依据g b l 5 0 和g b l 5 1 设计标准，对二甲胺处理量为1 1 9 8 5 k g h 的固定管板式 换热器进行了设计。 二甲胺换热器设计 1 文献综述 在过程工业生产中，合理而有效地利用热( 冷) 量是十分重要的。为了实现工艺物 料间的热量传递，人们常采用各种类型的换热器，它是化工、炼油、动力、食品、冶金、 制药等诸多行业部门广泛应用的一种工艺设备。对于迅速发展的化工、石油化工来说， 换热器尤为重要。在化工厂中，换热设备的投资约占总投资的1 5 。在炼油厂中，换热 器约占全部工艺设备投资的4 0 i 。换热器设计的先进性、合理性，运转的可靠性和热 量回收的经济性等，将直接影响到产品的质量、产量和成本。 在过程工业生产中，进行着各种不同的换热过程，其主要作用是使热量由温度较高 的流体向温度较低的流体传递，使流体温度达到工艺规定的指标，以满足生产过程的需 要。此外，换热设备也是回收余热、废热特别是低品位热能的有效装置。 1 1 换热器分类 换热器的分类方法主要有以下几种。 1 1 1 按作用原理和实现传热的方式分类 ( 1 ) 直接接触式换热器 它是利用两种换热流体的直接接触与混合来进行热量交换的，其传热效果最好。为 了获得大的接触面积，可在设备中放置格栅或填料，也可将液体设计成喷淋形式。 ( 2 ) 蓄热式换热器 它是让两种温度不同的流体交替通过同一种载热体表面，使载热体相应的被加热或 冷却，而进行冷、热流体之间的热量传递。根据工艺的需要，在连续生产过程中，该换 热器需成对使用。 ( 3 ) 间壁式换热器 它是利用一种固体壁面将两种流体隔开，使它们通过壁面进行热量交换。这类换热 器应用最为广泛。 1 1 2 按使用目的分类 ( 1 ) 冷却器 冷却工艺物料的设备。冷却剂一般多采用水，若冷却温度较低时，可采用氨或氟里 昂为冷却剂。 ( 2 ) 加热器 大连理工大学专业学位硕士学位论文 加热工艺物料的设备。加热介质一般采用水蒸气、热水和烟道气等，当温度要求高 时，可采用导热油、熔盐等。 ( 3 ) 再沸器 用于蒸馏塔底汽化物料的设备。 ( 4 ) 冷凝器 用于将气态物料冷凝变成液态物料的设备。 ( 5 ) 过热器 用于对饱和蒸汽再加热升温的设备。 ( 6 ) 废热锅炉 用于回收高温物流或废气的热量，而产生蒸汽的设备。 1 1 3 按传热面的形状和材料分类 ( 1 ) 管壳式换热器 管壳式换热器【2 】是通过管子壁面进行传热的换热设备，在换热设备中应用最为广泛。 虽然在换热效率、结构紧凑和金属消耗量方面不及其它类型的换热器，但它具有结构坚 固，可靠性高，选材范围广，耐压，耐温，操作弹性大等独特的优点。换热管形状有蛇 管式、套管式、缠绕管式、列管式等。 管壳式换热器中流体的相对流向一般有顺流和逆流两种。顺流时，入口处两流体的 温差最大，并沿传热表面逐渐减小，至出口处温差为最小。逆流时，沿传热表面两流体 的温差分布较均匀。在冷、热流体的进出口温度一定的条件下，当两种流体都无相变时， 以逆流的平均温差最大顺流最小管式换热器在完成同样传热量的条件下，采用逆流可使 平均温差增大，换热器的传热面积减小；若传热面积不变，采用逆流时可使加热或冷却 流体的消耗量降低。前者可节省设备费，后者可节省操作费，故在设计或生产使用中应 尽量采用逆流换热。 管式换热器当冷、热流体两者或其中一种有物相变化( 沸腾或冷凝) 时，由于相变时 只放出或吸收汽化潜热，流体本身的温度并无变化，因此流体的进出口温度相等，这时 两流体的温差就与流体的流向选择无关了。除顺流和逆流这两种流向外，还有错流和折 流等流向。管式换热器在传热过程中，降低间壁式换热器中的热阻，以提高传热系数是 一个重要的问题。热阻主要来源于间壁两侧粘滞于传热面上的流体薄层( 称为边界层) ， 和换热器使用中在壁两侧形成的污垢层，金属壁的热阻相对较小管式换热器增加流体的 流速和扰动性，可减薄边界层，降低热阻提高给热系数【3 1 。但增加流体流速会使能量消 耗增加，故设计时应在减小热阻和降低能耗之间作合理的协调。为了降低污垢的热阻， 二甲胺换热器设计 可设法延缓污垢的形成，并定期清洗传热面管式换热器都用金属材料制成，其中碳素钢 和低合金钢大多用于制造中、低压换热器：不锈钢除主要用于不同的耐腐蚀条件外，奥 氏体不锈钢还可作为耐高、低温的材料；铜、铝及其合金多用于制造低温换热器；镍合 金则用于高温条件下；非金属材料除制作垫片零件外，有些已开始用于制作非金属材料 的耐蚀换热器，如石墨换热器、氟塑料换热器和玻璃换热器等【4 1 。 ( 2 ) 板式换热器 板式换热器【5 j 是通过板面进行传热的换热设备。该换热器具有传热效率高、结构紧 凑，材耗低，传热系数大，热损失小等优点，但缺点是承压能力低，处理量小，制造加 工较复杂，成本较高。按其结构形式又分为板翅式换热器，螺旋板式换热器，型板式 换热器，板壳式换热器，伞板式换热器，波面板换热器等。 ( 3 ) 热管式换热器 热管式换热器【6 】是一种新型的传热设备，以热管作为传热元件。其特点是：结构简 单、重量轻；在极小的温差下，具有较大的传热能力；适用温度范围广：没有运动部件， 不需维修，使用寿命长等。六十年代始用于宇宙航空，至今在石油、化工、冶金、建材、 电力、电子等领域得到广泛的应用。 ( 4 ) 新材料换热器 目前绝大多数换热器采用碳钢材料制造，少数采用不锈钢材料。但有时为了满足工 艺特殊要求而设计的具有特殊结构或特殊材料的换热器【7 、8 】，如玻璃、石墨、聚四氟乙 烯等非金属材料和钛、钽和锆等稀有金属制作的换热器，主要用于耐压、耐热和强腐蚀 性的环境中。玻璃换热器用于高纯度硫酸蒸馏以及含有腐蚀性介质的气体预热。石墨换 热器用于处理盐酸、硫酸、醋酸和磷酸等腐蚀性介质及有机合成和农药等工业中。聚四 氟乙烯换热器用于硫酸冷却，氯化物溶液、苛性介质等加热。钛制换热器用于硝酸和氯 碱工业。 在新材料换热器中，石墨换热裂9 】较为常见。石墨换热器耐腐蚀性能好。聚丙烯具 有优良的耐化学药品性，对于无机化合物，不论酸碱盐溶液，除氧化性外几乎直到1 0 0 ，都对其无破坏作用：对几乎所有溶剂在室温下均不溶解，有好的耐腐蚀。一般烷烃 及醇粉，醅醛类等介质均可使用本设备。体积小，重量轻：由于聚丙烯【lo 】的比重仅为 o 9 1 0 9 3 ，是树脂中最轻的材料，所以本设备非常轻便，对设备的安装，维修均有利。 石墨换热器耐温较高：本品融点为1 6 4 1 7 4 。因此一般使用温度可达1 0 0 1 2 0 ，在无 外力情况下达1 5 0 时也不变形。无毒性、不结垢、不污染介质，也可用于食品工业。 大连理工大学专业学位硕士学位论文 由于具有以上特点，所以适于在化工、轻工、冶金、制药、食品、化纤等工业中做各种 用途的换热设备，尤宜于做冷凝器，代替原有的不锈钢、搪瓷、石墨、玻璃冷凝器【1 1 - 1 5 。 1 2 典型换热器介绍 1 2 1 列管式换热器 列管式换热器【1 6 1 7 】又称管壳式换热器，是目前石油化工生产中应用最广泛的一种换 热器。它与其它换热器相比，主要优点是单位体积所具有的传热面积大，传热效果好， 结构比较简单，处理能力大，适应性强，操作弹性大，尤其在高温、高压和大型装置中 应用更为普遍。 1 2 1 1 结构 列管换热器【1 8 1 9 】主要由壳体、管束( 换热管) 、管板( 又称花板) 、顶盖( 又称封头) 和连 接管等部件组成。壳体内装有管束，管束是由许多无缝钢管两端固定在管板上组成的， 固定的方法可用胀接法，也可用焊接法。 流体在换热器内运行时，一种流体通过管内流动，其行程称为管程，另一种流体在 壳体与管束间的空隙流动，其行程称为壳程【1 9 】。流体一次通过管程的称为单管程列管换 热器。当换热器的传热面积较大时，管子数目较多，为提高管程的流体流速，常将管子 平均分成若干组，使流体在管内依次往返多次通过，称为多管程。 增加管程数虽然可以提高流速使对流传热系数增大，但随着管程数增加，流体流动 阻力增大，动力费用增加，结构也变得复杂，故管程数不宜过多，通常多为2 、4 、6 程。 同样，为提高壳程的流体流速，增大壳程侧的对流传热系数。当常在壳程安装折流挡板， 以常见的折流挡板有圆缺形( 或称弓形) 和圆盘形两种，如图1 i 和1 2 所示，前者应用较 为广泛。 图1 1 弓形折流板 f i g ll a r cc r o s sb a f f l e 二甲胺换热器设计 入口 图1 2 圆盘形折流板 f i g 1 2 c i r c l ec r o s sb a f f l e 豳口 1 2 1 2 列管式换热器基本型式 列管式换热器操作时，由于冷、热两流体温度不同，使壳体和管束的温度也不同， 其膨胀程度就不同。如果两流体的温度相差较大( 如5 0 c 以上) 时，就可能由于热应力 而引起设备的变形，甚至弯曲和断裂，或管子从管板上松脱，因此就必须从结构上采取 适当的温差补偿措施，以消除或减小热应力。根据采取热补偿的措施不同，列管式换热 器常有以下几种基本形式【2 3 1 。 ( 1 ) 固定管板式换热器 心 知目胛王蛋i 慕 匝 一一 t 1 f 力峭unmnn ij 上 刀工1 廿一。 一一爿， 心碰r厂雹罗过 图1 3 固定管板式换热器 f i g 1 3d i x e dt u b e s h e e th e a te x c h a n g e r 固定管板式换热器是管壳式换热器的最基本形式之一，其典型的结构见图1 3 所示。 它是由许多管子组成管束，管束两端通过焊接或胀接固定在两块管板上，管板与简体采 用焊接连接在一起的一种形式。其特点是： 在同样壳体直径内，布管最多。使其结构简单、紧凑，制造费用低： 大连理工大学专业学位硕士学位论文 两端管板固定，当管束与壳体的壁温或材料线膨胀系数相差较大时，为了吸收 热膨胀差，需要在换热器上设置柔性元件( 如膨胀节、挠性管板等) 以降低温差应力； 壳程设置法兰盘，适用于耐泄漏的场合； 由于管束不能拉出，壳程、管程清洗不方便，管间不能机械清洗。 固定管板换热器适用于壳程介质清洁，不易结垢；管程需要清洗或壳程虽有污垢， 但能进行溶液清洗，以及管、壳程两侧温差不大或温差较大，但壳程压力不高的场合。 ( 2 ) 浮头式换热器 豺日最日王q k绦及j 丸 一 雁南讯：毛讯 翌 1 中7 卜、 嘲3223i 醚鬃烈飞 - 、 心飞ei k l 龟k点置i 商一一一一周庐k 阿孽纩 口i 1龄一 l 7u 图1 4 浮头式换热器 f i g 1 4 f l o a th e a dh e a te x c h a n g e r 浮头式换热器其结构见图1 4 所示。它的一块管板与壳体用螺栓固定，另一块管板 与壳体可相对移动，称为浮头。浮头由浮头管板、钩圈和浮头端盖组成，是可拆连接。 其装置特点为： 管板一端固定，而另一端沿着导向片可以自由移动，即管束和壳体的变形不受 约束，不会产生温差应力； 如果卸下安装螺栓，可将管束从简体内取出，有利于管束内外的清洗； 结构复杂，金属消耗量大，制造成本较高( 价格比固定管板式高约2 0 ) ； 浮头端小盖在操作中无法检查，如发生内漏，无法发现，管束与壳体间较大的 环隙易引起壳程流体短路，影响传热。 浮头式换热器适用于管、壳程温差较大和介质易结垢需清洗的场合。 ( 3 ) “u 行管式换热器 “u ”形管式换热器其结构为图1 5 所示。它只有一块管板，管束由多根“u ”字形 管组成，管的两端固定在管板上，其特点为： “u 形管以管板为基点，可以自由伸缩，当壳体与“u 形换热管问有温差 时，不会产生温差应力； 二甲胺换热器设计 只有一个管板，因此加工费低； 由于受弯管曲率半径的限制，管板上布管少，结构不紧凑，管板利用率低； 由于管束内层间距较大，壳程流体易形成短路，影响传热效果； 内层管束损坏后无法更换，只能堵管。而坏一根“u 形管相当于两根管，堵 管后，管子报废率高； 管束可取出，有利于管外部的清洗和检查，内管由于是“u 形因此清洗困难。 图1 5 “u ”行管式换热器 f i g 1 5 “u 1 s h a p et u b eh e a te x c h a n g e “u 形管换热器适用于管、壳程温差较大或壳程介质易结垢，需要清洗，又不适 宜采用浮头或固定管板式的场合，特别适用于管内走清洁而不易结垢的高温、高压、介 质腐蚀性大的场合。 ( 4 ) 填料函式换热器 图1 6 填料函式换热器 f i g 1 6s t u f f i n gb o xh e a te x c h a n g e r 一8 一 大连理工大学专业学位硕士学位论文 填料函式换热器结构如图1 6 所示。其结构与浮头式换热器相类似，浮头部分露在 壳体以外，在浮头与壳体滑动接触面处，采用填料函式密封结构，其特点为： 管束可自由移动伸缩，不会产生管壳间温差应力； 结构简单，制造方便，造价低； 管束可从壳体内取出，管内、管间都可以清洗，维修方便； 填料处易泄漏，且壳程的适用温度受填料函性能的限制。 填料函式换热器适用于压力较低的工作条件，且不宜处理易挥发、易燃、易爆、有 毒及贵重的介质。生产中往往不是为了消除温差应力，而是为了便于清洗壳程才选用这 类换热器。 ( 5 ) 釜式重沸器 图1 7 釜式重沸器 f i g 1 7 p o tb o i l i n gh e a te x c h a n g e r 釜式重沸器结构如图8 5 所示，其特点为： 该换热器的管束可以为浮头式、u 形管式和固定管板式结构。所以它具有浮头 式、“u 形管式和固定管板式的特点，在结构上与其它换热器不同之处在于壳体上设 置一个蒸发空间，蒸发空间的大小与产汽量及所要求的蒸汽品质成正比； 作为废热锅炉，其结构最为简单； 釜式重沸器适用于管、壳程温差较大的场合，清洗、维修方便。尤其适用于不清洁、 易结垢介质，并能承受高温、高压的场合。 1 2 2 板式换热器 板式换热器( 如图1 8 所示) 是由一组矩形金属薄板平行排列、相邻板之间衬以垫 片并用框架央紧组装而成。板片四角开有圆孔，形成流体通道，冷、热流体分别在同一 二甲胺换热器设计 板片两侧流过，通过板片进行换热。为其组装流。板片厚度为0 5 - - 一3 m m ，通常压制成 各种波纹形状。 板式换热器的主要优点是结构紧凑；单位体积设备提供的传热面积大，约为2 5 0 - - 1 0 0 0 m 2 m 3 ，而列管式换热器只有4 0 - 1 5 0 m 2 m 3 ；传热系数高，对低粘度液体传热，传 热系数可达1 5 0 0 - - 4 7 0 0 w ( m 2 ) ，最高可达7 0 0 0 w ( m 2 ) ，操作灵活，适应性大，可 以根据需要增减板数以调整传热面积，加工制造容易、检修清洗方便、热损失少。其主 要缺点是：因受到板片刚度、垫片种类及沟槽结构的限制，允许的操作压力较低；因受垫 片材质的限制，操作温度不能太高，对合成橡胶垫片，操作温度不超过1 3 0 c ，对压缩 石棉垫片也应低于2 5 0 ；因板间距小，流道截面小，流速不能过大，所以处理量较小， 不易密封，易泄漏，易于堵塞。 图1 8 流体流向及水平波纹板 f i g 1 8 f l u i df l o wa n dl e v e lc o r r u g a t e db o a r d 1 2 3 热管换热器 热管换热器是一种新型、高效、节能换热器，广泛使用于航天航空业，并逐步用于 加热炉对流室烟气余热回收中。它是由数根热管组成的。热管外部装有翅片以提高传热 效果。热管管束中间装有隔板，冷、热流体分别在隔板的两侧流动，通过热管进行热量 传递。 大连理工大学专业学位硕士学位论文 1 管壳2 管芯3 凝液流4 蒸气流5 隔板 图1 9 热管的结构及工作原理 f i g 1 9 s t r u c t u r ea n dw o r kt h e o r yo f h e a tt u b e 其工作原理为：当热管的两端分别被加热( 与热流体接触) 和冷却( 与冷流体接触) 时，被加热的一端( 称为蒸发段) 管中的液体吸热蒸发成为蒸气，蒸气沿管中心通道向 另一端( 称为冷凝段) 并在此冷凝放出热量，由于多孔管芯毛细作用，冷凝下来的液体 又会自动地沿管芯流回蒸发段。如此循环往复，通过工作介质的蒸发、冷凝，将热量由 热流体传递至冷流体。热管换热器具有传热效率高、结构紧凑、操作简单、使用寿命长 等优点。 1 2 4 其他类型换热器 除了上述集中在炼油及化工行业生产中普遍应用的换热器外，还有其他类型的换热 器。目前应用虽然不太普遍，但由于这些换热器具有设备紧凑单位体积传热面积大、金 属材料耗量少及传热效果好等优点，其使用范围正日益扩大。下面简单介绍几种1 2 5 】。 ( 1 ) 翅片式换热器 为了增加传热面，提高传热效果，在换热管表面上加上纵向( 轴向) 或横向( 径向) 翅片，成为翅片换热器【2 6 1 。常见的几种翅片形式如图1 1 0 所示。 二甲胺换热器设计 豢漆器黎 珊，册皋 图1 1 0 翅片形式 f i g 1 1 0 s t y l eo f f i n 当相互换热的两流体的对流传热系数相差较大时，如用水蒸气加热空气或粘性大的 液体，用空气冷却热的液体时，则空气或粘性大的液体一侧的热阻为控制性热阻。此时， 如在换热管的气体或粘性大的液体- - n 增设翅片，既可增大了气体一侧的对流传热面积 ( 翅片的面积为光滑管面积的2 - - 9 倍) ，又可增强气体流动的湍动程度，从而提高了 换热器的传热效果。一般来说，当两流体的对流传热系数之比等于或大于3 时，为强化 传热，宜采用翅片式换热器。 翅片的种类很多，按其高度可分为高翅片和低翅片两种。高翅片适用于冷、热流体 的对流传热系数相差大的场合，如气体的加热或冷却。低翅片多为螺纹管，适用于冷、 热流体的对流传热系数相差不太大的场合，如粘度较大流体的加热或冷却等。 目前，在炼油和石油化工中，翅片式换热器较为重要的应用是空气冷却器( 简称空 冷器) ，由翅片管束、风机和支架组成。热流体进入各管束中，经冷却后汇集于排出管 排出。冷空气由轴流式通风机吹过管束，通风机装在管束下方称为强制式空冷器；通风 机装在管束上方称为引风式空冷器。 由于管外增设了翅片，这样既增大了传热面积，同时又增强了管外空气的端流程度， 因而就减少了管子内、外对流传热系数过于悬殊的影响，从而提高了换热器的传热效果。 空冷器的优点是不用冷却水，动力消耗较水冷低。 主要缺点是：热介质入口温度较低( 例如 7 0 8 0 ) 用空冷温差太小：介质凝点 太高( 例如高于5 。c ) ，用空冷时可能在局部地方易于造成管子堵塞；介质出口温度要 求较低，用空冷在夏季难于满足要求。 ( 2 ) 螺旋板式换热器 大连理工大学专业学位硕士学位论文 ，y ij? 靴 o 篇熟lr，3 彰1 r - - ，1一i - l 。 上 小 7 么江 l i 警 1 、2 金属片3 隔板4 、5 冷流体连接管6 、7 热流体连接管 图1 1 1 螺旋板式热交换器 f i g i 1 1s p i r a lh e a te x c h a n g e r 螺旋板式换热器是一种新型换热器，是由两张平行的薄钢板焊接在一块分隔板( 中 心隔板) 上，并卷制成一对互相隔开的螺旋形流道。两板之间焊有定距柱以维持流道的 问距，同时也增强螺旋板的刚度。螺旋板的两端焊有盖板，两端面及螺旋板上设有冷、 热流体进、出口接管。冷、热流体分别在两个螺旋形流道中流动，通过螺旋板进行热量 交换。如图1 1 1 所示。 螺旋板式换热器的直径一般在1 6 m 以内，板宽为2 0 0 - - 1 2 0 0 m m ，极厚为2 - - - 4 m m ， 两板间距为5 - 2 5 m m 。常用材料为碳钢或不锈钢。螺旋板式换热器的主要优点是结构 紧凑，单位体积所提供的传热面积大( 约为列管式换热器的三倍) ；流体允许有较高的流 速( 液体可达2 m s ，气体可达2 0 m s ) ，湍流程度大，传热系数较大( 约为列管换热器 的1 - - 2 倍) ；可实现纯逆流操作；不易结垢，不易堵塞。其主要缺点是操作压力和温 度不宜太高，流体流动阻力较大，不易检修，且对焊接质量要求很高。故一般操作压力 低于2 0 k g f c m 2 ，温度在3 0 0 - 4 0 0 以下。 1 3 换热器设计方法及发展 对换热器设计方法的研究，可以追溯到2 0 世纪4 0 年代早期，几乎所有的研究都把 平均温差作为设计参数，对数平均温差法( l m t d ) 是最普遍使用的方法。所以，针对 平均温差法的某些不足，努赛尔特提出了有效能传热单元数法( 毛- n t u ) 。l m t d 和；n t u 在很大范围内一直被广泛使用。 二甲胺换热器设计 换热器设计方法和相关技术的研究和开发受到世界各国的高度重视，尤其是发达国 家，相应的研究中心不断建立。具有代表性的国外研究机构【2 7 2 9 1 有美国传热研究公司 ( h e a tt r a n s f e rr e s e a r c hi n e ) 、英国传热及流体流动服务中心( h e a tt r a n s f e r f l u i d f l o ws e r v i c e ) 和法国换热器技术研究中心( h e a re x c h a n g e rt e c h n o l o g yr e a s e a r c h c e n t e r ) 等。它们的工作基本上体现了当前世界热交换技术的发展状况。其中，美国传 热研究公司是1 9 6 2 年发起组建的一个国际性合作研究机构，其代表性的工作是开发考 虑了细小几何结构，能够定量得出传热系数和压降的h t r i 设计法。这种方法可以在考 虑制造成本之后进行合理的换热器设计，为许多规范指定使用，是目前换热器设计的主 流方法。 目前，我国在换热器设计与制造方面还基本处于低水平重复和简单模仿的状况，换 热器设计方法较落后，缺乏具有自主知识产权的研究成果。在一些应用技术中，我国与 国际先进水平相比有很大的差距。以化工换热设备的换热系数进行比较，目前国外发达 国家换热设备的换热系数是我国同类换热设备换热系数的2 倍至5 倍。由于发达国家长 期对换热器技术研究的垄断，在换热器设计与制造方面留给我们发展自主知识产权的空 间已经很小，离开传统的研究思路，则有可能在更广阔的思路上使换热器技术得到新的 发展。 在对换热器传统设计方法的描述来看，无论是l m t d ，还是毛- n t u ，其阻力设计 都是对热力设计的校核。事实上，传热能力与阻力损失是换热器设计过程中两个矛盾的 设计目标。热力设计的方向是强化传热能力，但是，传热得到强化的同时，使得流动阻 力会增加，从而消耗了很多的高品质能源。怎样才能做到既强化传热而阻力增加较少， 甚至不增加是十分迫切而重要的问题。如果从节能的角度来评价强化传热技术，综合考 虑热量传递能力与泵送功耗的关联，就能达到“高效低耗 的设计目标。清华大学过增 元教授提出的传热过程强化的场协同理论为高效节能的传热强化新技术同功耗下 传热增强的节能技术的研究提供了理论基础。突破传统的换热器设计方法所沿用的 设计路线，才能适应新的强化传热理论和强化传热技术的发展。 基于传统的对数平均温差法和有效能一传热单元数法，综合考虑传热过程的热力设 计与阻力设计，建立两者的关联，包容其他不确定参数带来的偏差，从而能够确定具体 换热器的传热性能与合理结构。 当前，对换热器的研究与设计主要集中在以提高换热器的性能，实现节能降耗为目 标的强化传热研究，以单个元件强化传热、单个换热器的强化传热为主要内容。然而， 对换热器的强化传热研究半个世纪以来，学术界一般认识到强化传热常常引起流动阻力 大连理工大学专业学位硕士学位论文 的增加，流动阻力的大小则反映了流体压力损失的程度，从而使得泵送功耗增大。从节 能的角度分析，要求在传热增强的同时，还要降低管壳程阻力损失。在强化传热研究的 初期，人们单纯的关心换热系数的提高，n u n u , , ( 采用强化传热技术后的传热量与强化 前的传热量之比) 成为一种评价准则。随后，研究人员发现流动阻力随换热系数的提高 1r ， 而迅速增加，因此有了竺毒( 传热增加量与阻力增加量的比值) 这一评价的准则【1 6 】。 n u o | j o 但是对于绝大多数现有强化技术来说这一比值远小于1 。从相同的输送功率条件下增加 a l ，1 传热量的观点来看，可以用尝兰( 毒) ，是否大小1 作为评价准则，国内外学术界曾广泛 n u o1) o 采用这一指标。 按照这种思路研究换热器设计方法，显然应当突破原有的设计思路，将传热过程的 热力设计与阻力设计建立更为直接和有效的关联。1 9 8 6 年，e r i cm s m i t h 3 0 】曾首次提出 了换热器直接设计法( d i r e c t s i z i n g ) 。该方法通过对换热器传热过程的热力设计与阻 力设计的联合求解，获得换热器的最佳尺寸，并且无须校核计算。目前，对换热器直接 设计法的研究还有很大的空间，进一步深入分析和研究，将为该方法的广泛应用奠定坚 实的基础。 在换热器的设计过程中，物性参数取决于流体的性质，其值随温度和压力等的变化 而变化，同时也直接影响着流体的流动和换热状况，是导致换热器设计中某些不确定性 的主要因素，会影响到换热器设计的准确度。考虑流体的物性变化，建立一种换热器分 段设计的方法，会取得突破性的成果。 流体物性参数是换热器设计过程中至关重要的因素。在传统的换热器设计方法中， 往往是假设流体的物性参数不随温度、压力等的变化而变化。事实上，流体物性参数的 数值会随着温度和压力的直接影响而变化。特别在低温换热器中更是不能忽略物性参数 的变化。并且，在传热过程中流体物性的不确定性会对换热器的运行产生某些不同程度 的影响。在换热器中，当流体的物性随温度变化不大时，如非饱和水，往往其物性参数 的数值是选取整个换热过程的平均值，能够达到工程设计的精度要求。但在工程应用很 多领域，换热器所选用的流体物性会随着压力、温度等变化而出现较大的变化，比如在 石油化工行业中，往往是以水和石油作为换热介质，石油的物性会随着温度的变化而发 生较大变化，此时选用物性参数的平