固定管板式换热设计

-Ⅷ-选题背景第1页（共33页）固定管板式换热器1选题背景本设计课题来源于生产实际。换热器是把热量从一种介质传给另一种介质的设备。换热器是化工、石油、制药及能源等行业中应用相当广泛的单元设备之一。据统计，在现代化学工业中所用换热器的投资大约占设备总投资的30%，在炼油厂中换热器占全部工艺设备的40%左右，海水淡化工艺装置则几乎全部是由换热器组成的。上个世纪70年代初发生的世界性能源危机，有力地促进了传热强化技术的发展。为了节能降耗，提高工业生产经济效益，要求开发适用于不同工业过程要求的高效能换热设备。这是因为，随着能源的短缺(从长远来看，这是世界的总趋势)，可利用热源的温度越来越低，换热允许温差将变得更小，当然，对换热技术的发展和换热器性能的要求也就更高。所以，这些年来，换热器的开发与研究成为人们关注的课题。1.1研究的目的换热器为石油，化工、食品、原子能及其它化工部门所广泛使用的一种工艺设备。一般情况换热器约占石油化工装置设备总重量的40%，其中又以管壳式换热器为主，因此管壳式换热器的研究开发和标准制订一向受到各国的重视，例如美国的TEMA和日本的JISB8249就是管壳式换热器的专用标准。近年来，随着制造技术的进步，强化传热元件的开发，使得新型高效换热器的研究有了较大的发展，根据不同的工艺条件与换热工况设计制造了不同结构形式的新型换热器，并已在化工、炼油、石油化工、制冷及制药各行业得到应用与推广，取得了较大的经济效益。各式换热器的设计思想各有新颖之处，结构上各具特色。有的在于强化管内传热，有的着眼于壳程强化传热，有的改进了管箱设计，有的着重防止管板诱导振动，有的紧凑了设备结构，有的在于防腐防垢。其中最先进的要数PACKINOX、SRCTM、HelixchangerTM、Twisted-tubeExchanger、HiTRAN、Hybrid、ExoticHeatExchanger几种换热器。固定管板式换热器的两端管板采用焊接方法与壳体连接固定。换热管可为光管或低翅管。其结构简单，制造成本低，能得到较小的壳体内径，管程可分成多样，壳程固定管板式换热器第2页（共33页）也可用纵向隔板分成多程，规格范围广，故在工程中广泛应用。1.2研究的意义换热器是合理利用与节约现有能源、开发新能源的关键设备。当今世界，现有能源主要为煤、石油、天然气等资源。有限的储量难以满足工业及人们生活日益增长的需要，因此，合理利用现有能源及开发新能源已成为世界性的研究课题。在生产中大部分燃料释放的能量是通过换热设备传递的，换热器的合理设计、性能改善将直接关系着现有能源的合理利用。可供开发的新能源：核能、太阳能、地热能等要提供工业及生活使用，无一不需要大量符合使用要求的各式换热器。换热器的正确设置、合理设计、性能改善等对能源的有效利用及开发有着十分重要的意义。1.3国内外现状和发展趋势与研究主攻方向换热器是化工、石油、制药及能源等行业中应用相当广泛的单元设备之一。据统计，在现代化学工业中所用换热器的投资大约占设备总投资的30%，在炼油厂中换热器占全部工艺设备的40%左右，海水淡化工艺装置则几乎全部是由换热器组成的。上个世纪70年代初发生的世界性能源危机，有力地促进了传热强化技术的发展。为了节能降耗，提高工业生产的经济效益，要求开发适用不同工业过程要求的高效能换热设备。因此，几十年来，高效换热器的开发与研究始终是人们关注的课题，国内外先后推出了一系列新型高效换热器。世界爆发能源危机，有力地促进了传热强化技术的发展。为了节能降耗，提高工业生产经济效益，要求开发适用于不同工业过程要求的高效能换热设备。这是因为，随着能源的短缺(从长远来看，这是世界的总趋势)，可利用热源的温度越来越低，换热允许温差将变得更小，当然，对换热技术的发展和换热器性能的要求也就更高。所以，这些年来，换热器的开发与研究成为人们关注的课题。换热器是国民经济和工业生产领域中应用十分广泛的热量交换设备，随着现代新工艺、新技术、新材料的不断开发和能源问题的日趋严重，世界各国已普遍把石油化工深度加工和能源综合利用摆到了十分重要的位置，换热器因而面临着新的挑战。换热器的性能对产品质量、能量利用率以及系统运行的经济性和可靠性起着重要的作用，有时甚至是决定性的作用。目前在发达的工业国家热回收率已达96%。换热设备在现代装置中约占设备总重的30%左右，其中管壳式换热器仍然占绝对的优势，约占选题背景第3页（共33页）70%，其余30%为各类高效紧凑式换热器、新型热管热泵和蓄热器等设备，其中板式、螺漩板式、板翅式以及各类高效传热元件的发展十分迅速。在继续提高设备热效率的同时，也促进了换热设备结构的紧凑性、产品系列化、标准化和专业化，并朝大型化的方向发展。近年来，国内已经进行了大量的强化传热技术的研究，但在新型高效换热器的开发方面与国外差距仍然较大，并且新型高效换热器的实际推广和应用仍非常有限。尚需从事换热器专业的技术人员在制造工艺方面加大力度进行研究，使我国换热器技术从各个方面赶上国际水平，也需要各换热设备使用厂家勇于引进和推广新型高效换热器，为我国的节能事业做出贡献。其次，新技术普遍应用。普遍采用电子设计自动化（EDA）、计算机辅助制造(CAM)、计算机辅助测试(CAT)、数字信号处理(DSP)、专用集成电路(ASIC)及表面贴装技术等。并且，产品结构发生变化。在重视高档仪器开发的同时，注重高新技术和量大面广产品的开发与生产。注重系统集成，不仅着眼于单机，更注重系统、产品软件化。随着各类仪器装上CPU，实现了数字化后，软件上投入了巨大的人力、财力。今后的仪器设计归纳成一个简单的公式：仪器=AD/DA+CPU+软件，AD芯片将模拟信号变成数字信号，在经过软件处理变换后用DA输出。随着工艺装置的大型化和高效率化，换热器也趋于大型化，并向低温差设计和低压力损失设计的方向发展。同时，对其一方面要求成本适宜，另一方面要求高精度的设计技术。当今换热器技术的发展以CFD(ComputationalFluidDynamics)、模型化技术、强化传热技术及新型换热器开发等形成了一个高技术体系发展趋势：进入21世纪以来，国外仪器行业的发展呈现出一些新的特点，引起了我国仪表业界的关注。一是新技术普遍应用。普遍采用电子设计自动化（EDA）、计算机辅助制造(CAM)、计算机辅助测试(CAT)、数字信号处理(DSP)、专用集成电路(ASIC)及表面贴装技术等。二是产品结构发生变化。在重视高档仪器开发的同时，注重高新技术和量大面广产品的开发与生产。注重系统集成，不仅着眼于单机，更注重系统、产品软件化。随固定管板式换热器第4页（共33页）着各类仪器装上CPU，实现了数字化后，软件上投入了巨大的人力、财力。今后的仪器设计归纳成一个简单的公式：仪器=AD/DA+CPU+软件，AD芯片将模拟信号变成数字信号，在经过软件处理变换后用DA输出。三是产品开发准则发生变化。从技术驱动转为市场驱动，从一味追求高精尖转为恰到好处。开发一项成功产品的准则是：满足用户明确的需求；用最短的时间投放市场；功能与性能要恰到好处。四存在问题：今年来，国内已经进行了大量的强化传热技术的研究，但在新型高效换热器的开发方面与国外差距仍然较大，并且新型高效换热器的实际推广和应用仍非常有限。尚需从事换热器专业的技术人员在制造工艺方面加大力度进行研究，使我国换热器技术从各个方面赶上国际水平，也需要各换热设备使用厂家勇于引进和推广新型高效换热器，为我国的节能事业做出贡献.总之，在产品开发准则上所发生的变化是不容忽视的。从技术驱动转为市场驱动，从一味追求高精尖转为恰到好处。开发一项成功产品的准则是：满足用户明确的需求；用最短的时间投放市场；功能与性能要恰到好处2方案论证2.1概述换热设备(或称换热器或称热交换器)就是用来实现热量传递。在石油、化学工业生产中，常常需要把低温流体加热或者把高温流体冷却，把液体汽化成蒸汽或者把蒸汽冷凝成液体。这些过程均和热量的传递有着密切的关系，因而全都可以通过换热设备来完成。当把换热设备用于上述不同过程时，通常把它们分别叫做加热器，冷却器，汽化器和冷凝器。判断一台换热设备好坏的标准是(1)传热效率高；(2)流体阻力小；(3)各部件强度足够，结构可靠；(4)节省材料，便于制造，成本低；(5)安装、维修方便。2.2传热原理热的传递是由于物体内部或物体之间的温度不同而引起的。根据热力学第二定方案论证第5页（共33页）律，当无外功输入时，热量总是自动地从温度较高的物体传给温度较低的物体。只有在消耗机械功的条件下，才有可能由低温物体向高温物体传递热量。传热的基本方式有三种：热传导、对流和辐射。而换热器是根据流体间对流达到传热目的的。对流是指流体各部分质点发生相对位移而引起的热量传递过程，只能发生在流体中。冷、热流体分别处在固体壁面的两侧，热流体把热量传到壁面的一侧，通过管壁后，再从壁面的另一侧把热量传给冷流体。这称为热交换。如图1中，冷流体定管内，其温度沿壁面由1t逐渐上升到2t；热流体走管外，其温度由1T逐渐下降到2T。冷、热流体沿壁面平行流动，而流动方向彼此相反，即逆流。在热交换过程中，不但要考虑经过固体间壁的热传导，而且往往更重要的是要考虑到间壁两侧的对流传热。热量自热流体传到间壁表面的一侧，或自间壁另一例表面传给冷流体，都属于对流传热。对流传热是在流体流动的过程中发生的热量传递现象，所以和流动的情况密切相关。即使是在湍流流动的情况下．流体主流由于旋涡丛生，流体各部分相关。图1换热器传热示意图即使是在湍流流动的情况下．流体主流印由于旋涡丛生，流体各部分相互混合，所以热阻很小，从而在和流体流动方向垂直的截面上，湍流中心区各点流体之间的温度趋于一致；但在紧靠壁面处，总有一层流体膜顺着固定管板式换热器第6页（共33页）壁面作层流流动，称为层流底层。在冷流体一侧，热量在传入冷流体主体之前，必须首先通过它。由于通过这层流体膜的传热是以导热方式进行的，所以流体膜虽薄，却是对流传热的主要热阻，温度降也主要集中在层流底层中。分析一下图1中距离热流体入口为Z处而与流体流动垂直的截面上BWAW21的温度分布，如图2所示。图中11FF与22FF为层流底层的界面。'T为热流体的中心温度，也是最高温度，'t为冷流体的中心温度也即最低温度。在热流体的湍流主体中，由于流体质点充分混合，温度基本上是一致的，即图中'T。在层沉底层内，由于热阻较大，温度急剧由bT下降到wT。在层流底层和湍流主体之间，存在一个温度逐渐变化的区域，称为过渡区，其中温度图2对流传热时沿热流方向的温度分布情况由'T下降到bT。再往左通过管壁，因其材料通常为金属，热阻很小，因此，管壁两侧的温度wT和wt相差很小。此后在冷流体内，又顺次通过层流底层、过渡区而到达湍流主体，温度由wt经bt下降到't。传热方程式为：mtKFQ。换热器中进行的传热过程按照热路分析方法是一条由对流换热—导热—对流换热等传热环节组成的串联热路。2.3换热器的选型每种形式的换热器都有它本身的特点，明确它们各自的特点，将有助于对换热器的选型。在设计换热器时，对于形式的选择是很重要的。一般通过各种计算对所选形式进行技术经济对比，以便确定最佳条件下换热器的形式。在换热器选型时，考虑的因素是很多，如材料、压力、温度、温度差、压力降、结垢的情况、流体的状态、应用方式、检修和清理等。有些结构形式在某种情况下使用是好的，但是在另外的情况下，却不能令人满意，或根本就不能使用。因此在选型时应仔细分析所有的要求和条件，在许多相互制约的因素中应全面考虑，找出其中的主要矛盾，给予妥善解决。根据上述在选型时所要考虑的各种因素看来，其目的就是要使所选换热器的形式，能保证达到工艺所规定的换热条件，强度足够和结构可靠，便于制造、安装、检修以及经济上的合理等。根据设计任务书上给的已知参数，操作温度在200℃左右，不是很高，两种流体分别为柴油和锅炉给水，较易清洗，不易结垢，管、壳壁温差不大且设计的最高压力2MPa，这些条件都在管壳式换热器的适用的范围内，而管壳式换热器可