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1、1绪论.课题介绍本次设计为余热回收装置中软水预热器的设计，主要任务是设计一台立式管壳式换热器。管壳式换热器又称列管式换热器，它适用于冷却，冷凝，加热、蒸发及废热回收等方面。是理论研究水平最高、设计技术最完善、标准化和规范化历史最悠久以及计算机程序软件开发最早的换热设备，在石油、化工生产中应用十分广泛。它的工艺设计一般是指传热设计和压降（或流动）设计，传热尤为复杂UL目前在食品行业中，粮食干燥作业中多用列管式换热器，这种换热器结构简单，制造容易，检修方便。干燥行业中，换热器的热介质是烧烟煤与无烟煤混合燃料产生的高温烟道气。在管内流动，冷介质是空气，在管外横向冲刷管子流动。固定管板式换热器的两端管
2、板和壳体制成一体，当两流体的温度差较大时，在外壳的适当位置上焊上一个补偿圈，（或膨胀节）。当壳体和管束热膨胀不同时，补偿圈发生缓慢的弹性变形来补偿因温差应力引起的热膨胀。特点：结构简单，造价低廉，壳程清洗和检修困难，壳程必须是洁净不易结垢的物料。固定管板式换热器主要有外壳、管板、管束、封头压盖等部件组成。固定管板式换热器的结构特点是在壳体中设置有管束，管束两端用焊接或胀接的方法将管子固定在管板上，两端管板直接和壳体焊接在一起，壳程的进出管直接焊在壳体上，管板外圆周和封头法兰用螺栓紧固，管程的进出口管直接和封头焊在一起，管束内根据换热管的长度设置了若干块折流板。这种换热器管程可以用隔板分成任何程
3、数。固定管板式换热器结构简单，制造成本低，管程清洗方便，管程可以分成多程，壳程也可以分成双程，规格范围广，故在工程上广泛应用。壳程清洗困难，对于较脏或有腐蚀性的介质不宜采用。当膨胀之差较大时，可在壳体上设置膨胀节，以减少因管、壳程温差而产生的热应力。固定管板式换热器的特点是：旁路渗流较小、造价低、无内漏。固定管板式换热器的缺点是，壳体和管壁的温差较大，易产生温差力，壳程无法清洗，管子腐蚀后连同壳体报废，设备寿命较低，不适用于壳程易结垢场合。本次设计的是一台立式管壳式换热器如（图1.1）所示。图1.1立式管壳式换热器1.2 研究余热回收装置的意义对于余热回收装置来说就是尽可能的把设备生产中产生的
4、余热进行回收和利用，例如将空压机出口压缩空气产生的热量回收到生产工艺的流程上的加热系统，作为补充热量。对于在节能和环保的工作上有这巨大的意义，它不但回收利用高温烟气中的大部分的显热和潜热，提高燃料利用率，同时极大地降低了烟气中污染物的排放量，节能降耗减排效果十分明显，具有重要的环境保护意义。1.3 余热回收装置中换热器的研究意义在余热回收装置中换热器是一个主体设计，对于换热器的研究主要也是在与节能上的考虑，在石化和化工制药设备的换热器系统中，管壳式换热器以其结构坚固、可靠性高、适应性强等优点在化工生产和使用中一直占主导地位，被广泛使用在精微塔的塔顶冷凝器、冷却器和塔底再沸器等。在管壳式换热器的
5、设计和使用中，积极考虑强化传热的新技术、新工艺，以提高能源利用率、减少金属材料的消耗，对推进石油化工制药行业的节能减排工作有着重要意义。1.4 国内外的研究进展与主要成果由于近代科学的发展，从化学工业到宇宙开发都需要热交换，并且对换热器提出了越来越多的要求，而换热设备与传热过程的机理密切的相关，因此各国都对传热设备和传热学进行了研究工作，如美国早在1962年就成立了“热传递研究公司”(HTRI),从事传热学理论和换热设备方面的研究。下面就谈谈近代的一些研究成果。近年来，为了强化换热设备，一面对旧有的结构形式加以改进，同时也提出了一些新的结构形式，所采用的技术有。1.4.1 利用扰动促进物如螺旋
6、线、入口涡流发生器，参绕带,位移促进器和螺旋沟槽等W.J.MarnerH1和AERergIeSS曾在小尺寸的设备中，在不变热通量的条件下，研究了螺旋带插入物对热传递系数和压力降的影响，认为本质上均有增加，且增加程度差不多。1.4.2 扩大传递表面如在换热器表面上嵌入翅片表面，这种情况，一般是采用具有外翅片的管,也有具有内翅片的管，过去很少使用，但近年来这种形式的翅片的发展和研究都很快。近年来对操作在高温和高压的换热器的结构给予了更多的关注，虽然管壳式换热器是一种比较理想的结构，但从传递的观点来说，较厚的管壁是不利的。因此，为了促进光管热传递表面的特性，而采取了增加流体流速和使用小直径管与紧凑的
7、管束等措施，但也只适用于淀流体阻力的范围中，为了补偿厚壁带来热阻的不利影响，而采用扩大表面的翅片，它比光管表面可增大510倍，而翅片的壁厚比管壁的厚度要小得多网。还有就是对壳程的结构进行改变，壳程传热强化研究包括管型与管间支撑物的研究。根据不同的管束支承结构可分为板式支承、杆式支承、空心环支承、管子自支承等几种形式。传统的管壳式换热器大多采用弓形隔板支撑，这种结构形式存在一些弊端：阻力大、死角多、传热面积无法被充分利用，还可能引发流体流动振动等等。为了使折流板的性能得到改进，又研发出了多弓形折流板、整圆形折流板、异形孔折流板、网状板等。这些新型折流板支承结构的出现主要是为了使流体由横向流动变为
8、纵向流动，从而尽可能地消除死区，使得传热综合性能得到提高，也使得管束的抗振性能得到增强。螺旋折流板换热器，国外称HelieXellangel换热器，是ABB公司的新产品，它突破了壳程介质Z形折返的传统方式。从结构上看该换热器主要包括2大类：一类是没有中心管，折流板为非整体连续的螺旋结构，其设计原理为：将圆截面的特制板安装在“虚拟螺旋折流系统”中，每块折流扳占换热器壳程横剖面的1/4,倾角朝向换热器的轴线，使壳程流体做螺旋运动，减少了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%.另一类是设有中心管
9、，折流板为整体连续的螺旋结构。其设计形式是折流板围绕中心管螺旋缠绕，形成整体连续的螺旋折流板结构，这种结构文献中报道较少，张正国等和英国公司均有相关专利。另外辽宁石油化工大学陈世醒又提出了一特殊形式的折流板。商利艳等分别对螺旋角为12、18、30、40oC的单螺旋板折流换热器性能进行了实验研究，随着螺旋角的减小传热效果增强，但压降增大的综合性能最好。王树立等实验结果表明最佳的螺旋角与壳程流体的雷诺数有关。1.5 设计方法和计算的改进对于换热器设计的方法和研究，一方面考虑到在进行换热器最佳设计时，需要进行许多复杂的设计。如果采用人工计算，一半都需要若干反复测试，这不仅仅难以找出最佳值，而且既费时
10、有容易出错。因此近年来采用电子计算技术来计算换热器，同时也应用到了换热器网络的设计。其次，通过研究对管壳式换热器和其它形式换热器的设计计算公式进行了修正，以减少其误差。另外也提出了一些有关特殊条件下所使用的换热器的设计方法，如超高容量换热器的特殊设计等。在这方面美国发展较快，他们所开发的一种广泛的计算机设计程序，可以用来计算按照美国的规范所设计的管壳式换热器的所有部件。使用计算机来计算，不仅可以缩短计算时间，减少人为的差错，而且能进行最佳设计，求出重量最轻和价格最低的部件。美国传递研究公司结合近年来在管壳式换热器方面的研究成果，对通用的设计方法中所使用的一些计算公式进行了修改。在过去的换热器设
11、计中，对流体流动所引起换热器中传热管的震动问题，一直未能重视，近年来对这方面的计算公式进行了研究和修整。此外，在换热器设计中，由于过去对污垢形成机理研究很少，但对于它的热阻影响在设计中必须考虑到，为此，对过去往往凭经验所计算的传热系数加以修整，降低其数值，但更具经验估算一个污垢层的厚度，在结合污垢的导热系数，来计算传热系数值。1.6 生产制造工艺上的改进换热器的发展与制造工艺水平有着密切相关的水平，任何高效紧凑式的结构设备，都必须有一定的先进制造工艺水平来保证它的质量，运行时的可靠，并能扩大产量，降低制造成本，这样才有推广的生命力。近年来，主要采取了以下几个措施口叫1.6.1 采用新技术、新工
12、艺和新材料近年来，为了适应强腐蚀性介质之间的换热，而较快发展了采用新的结构材料来制造换热设备，其中如钛等其它合金及石墨和碳化硅陶瓷等。这些材料的加工制造常常需要新技术。如在换热器的制造中，管子与管板的连接方面，已有若干新的方法，如爆炸胀接、液压胀接、橡胶胀接等。其中橡胶胀接是日本研究出的新技术，这种方法操作简单，胀管条件容易掌握，操作安全可靠，且胀管处表面光滑，无加工硬化现象，强度与腐蚀性优良，可靠性高度提高。另外，各种复合材料被广泛的使用，其加工技术一般已经掌握。此外，还发展了各种管子的表面处理技术和各种新型翅片管的制造工艺。1.6.2 有限元应力分析在换热器中的应用换热器结构复杂，种类繁多
13、，分析计算难度大，而且随着工业技术的发展，高参数、非常规的固定管板式换热器不断涌出。借助分析设计方法、采用有限元手段是解决固定管板式换热器强度分析的有效途径。目前虽然有ANSYS、ABAQUSADINA及NASTRAN等众多通用有限元软件，但固定管板式换热器结构复杂，建模工作量大，因此现有的有限元分析软件不便于工程应用。开发一种专用于固定管板式换热器的有限元分析工具是十分必要的。ANSYS是基于有限元程序自动生成系统(FEPG)这有限元软件开发平台而开发出来的一个专业有限元软件U”(图1.2)。采用ANSYS有限元软件对管箱上连接的物料进出口的开孔进行强度校核。具体步骤是首先定义单元类型和材料
14、属性、定义单元类型和材料属性、创建有限元模型、创建网格、施加约束和载荷并求解。IPDEjCHl口上口|ISBT文件IINFE文件、CMDX件、IO文件I IlfnX件I I败据文件IIGm文件（寺加序白幼卞电稼唾丽自看生涯序自动生涯交（元TH甫）（求号t ） C 蛙目序J（处双妣）有限元程序计算结果用形显示图1.2有限元程序自动生成系统框图1.7 创新点及难点分析对于任何一部设备来说随着使用时间的加长，在生产中都会遇到一系列问题，对于换热起来说最常见的就是发生泄漏，那么我本次设计换热器的创新点就是把发生这种故隙的因素降到最低。首先要了解发生故障的原因，原因之一：发生泄漏的部位多发生在换热器的上
15、部,此处是压缩空气出口与换热器接触的位置。由于压缩空气的出口温度较高,因此换热器上部的换热管外壁温度也最高，机组长期运行特别是重载运行的时候，容易造成换热管受热，机械强度下降。但管壳式换热器的结构形式决定了这种情况是难以克服的。具体机械强度的影响有多大，难以准确判断，这里只能作定性分析。原因之二：管壳式换热器在加工工艺中，换热换热管被穿过两头的管板和中间的折流板，然后用机械涨管的方法将换热管与管板固定。折流板和换热管之间为了穿管方便，一般折流板的孔洞都会留有公差配合，这就使得折流板与换热管之间存在一定的间隙（见图1.3）。也就是说折流板和换热管之间实际上是松动的。当空压机重载运行时，被压缩的高
16、温高速液体进入换热器后持续的冲刷换热管，由于换热管两端是固定的，压缩空气的冲击力作用在换热管上，导致换热管受力扰动变形；当空压机空载运行时，空气进口阀门关闭，没有压缩液体进入换热器，换热管的受力消失，换热管恢复原状；当空压机频繁加卸载时，换热管就会交替出现受力变形和恢复原状的变化过程，这就会引起换热管与折流板之间的不停的碰撞和摩擦。长时间的刚性碰撞和摩擦导致与折流板接触部位的换热管壁逐渐变薄，从而导致局部穿孔或裂缝，使泄漏现象产生。因此折流板与换热管之间碰撞、摩擦是造成换热管局部泄漏的主要原因。图13换热器局部示意图通过上面分析，我们知道折流板与换热管接触的地方是受力比较集中的地方，其刚性的碰撞和摩擦是导致泄漏的主要原因，因此解决泄漏问题的关键是降低或避免折流板和换热管之间的刚性接触。根据上述思路，可以在换热换热管与折流板接触的地方增
