文 献 综 述

一、课题的来源、目的、意义和基本内容

节约能源是当今世界的一种重要社会意识，是指尽可能的减少能源的消耗、增加能源利用率的一系列行为。加强用能管理，采用技术上可行、经济上合理以及环境和社会上可以承受的措施，从能源生产到消费的各个环节，降低消耗、减少损失和污染物排放、制止浪费，有效合理地利用能源。目前，在我国石油化工产业换热器受到普遍的重视，而换热器的广泛应用性，决定了换热器换热性能的改善设计理论的不断创新，企业经济收益和工业飞速发展都具有一定的积极作用为节约能源和保护环境有显著的贡献。

换热器是过程设备的典型结构，在生产中有着非常广泛的应用。本设计题目来自于生产实践，主要涉及浮头式换热器的机械设计，主要解决的问题是浮头式换热器的设备结构设计、机械设计计算和计算机辅助工程设计的能力。通过换热器设计过程的综合训练，正确系统地认识浮头式换热器，了解其设计过程，掌握其设计方法。运用所学到的专业知识解决生产中的实际问题。学会查阅和熟练使用参考文献，为以后的实践工作积累宝贵经验。^{[1][2][3][4][5]}

二、国内、外现状及发展趋势

当今换热器技术的发展以CFD(Computational Fluid Dynamics)、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^[6]。随着工艺装置的大型化和高效率化，换热器也趋于大型化^[7]，国内首台超大型管壳式换热器(E一6111型)已经通过最终检查和验收。该换热器尺寸庞大，结构复杂，是首台国内自主研制的超大型固定管板式换热器，其成功研制打破了国外长期对大型换热器的垄断格局，大大提高了我国石化装备制造业的创新能力，推进了我国每年100万吨乙烯成套装备国产化的进程^[8]。同时，各国为了满足工艺装置的高效率化，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、空分及制药各行业得到应用与推广，取得了较大的经济效益。例如，国外推出的新型换热器有：ABB公司的螺旋折流板换热器^[9](HelixchangerTM)；瑞典Allares公司的麻花扁管换热器^[10]；法国Secatnen公司开发，CacDregamont 设计、制造的PACKINOX 板壳式换热器^[11][12]；英国CalGavinLtd.公司开发HiTRAN绕丝花环换热器^[13]，这些新型换热器均改进和提高了换热器的传热效率和性能，使企业节省了投资、节约了能源并且提高了生产能力。

近年来，我国在发展不锈钢铜合金复合材料、铝镁合金及碳化硅等非金属材料等方面都有不同程度的进展，其中尤以钛材发展较快。钛对海水、氯碱、醋酸等有较好的抗腐蚀能力，如再强化传热，效果将更好。目前一些制造单位已较好的掌握了钛材的加工制造技术。对材料的喷涂，我国已从国外引进生产线。铝镁合金具有较高的抗腐蚀性和导热性，价格比钛材便宜，应予注意。近年来国内在节能增效等方面改进换热器性能，提高传热效率，减少传热面积降低压降，提高装置热强度等方面的研究取得了显著成绩。换热器的大量使用有效的提高了能源的利用率，使企业成本降低，效益提高。根据国民经济和社会发展第十一个五年规划纲要。”十一五”期间我国经济增长将保持年均7.5%的速度。而石化及钢铁作为支柱型产业，将继续保持快速发展的势头预计2010年钢铁工业总产值将超过5000亿元，化工行业总产值将突破4000亿元。这些行业的发展都将为换热器行业提供更加广阔的发展空间。未来，国内市场需求将呈现以下特点：对产品质量水平提出了更高的要求，如环保、节能型产品将是今后发展的重点，要求产品性价比提高、对产品的个性化、多样化的需求趋势强烈、逐渐注意品牌产品的选用、大工程项目青睐大企业或企。^[14][15]

据统计，在一般石油化工企业中，换热器的投资占全部投资的40%#8212;50%在现代石油化工企业中约占30%#8212;40%在热电厂中。如果把锅炉也作为换热设备，换热器的投资约占整个电厂总投资的70%，在制冷机中，蒸发器的质量要占制冷机总质量的30%#8212;40%其动力消耗约占总值的20%#8212;30%。由此可见，换热器的合理设计和良好运行对企业节约资金、能源和空间都十分重要。提高换热器传热性能并减小其体积，在能源日趋短缺的今天更是具有明显的经济效益和社会效益。^{[16][17][18][19]}

对国外换热器市场的调查表明，管壳式换热器占64%。虽然各种板式换热器的竞争力在上升，但管壳式换热器仍将占主导地位。随着动力、石油化工工业的发展。其设备也继续向着高温、高压、大型化方向发展。而换热器在结构方面也有不少新的发展。螺旋折流板换热器是最新发展起来的一种管壳式换热器，是由美国ABB公司提出的。其基本原理为:将圆截面的特制板安装在”拟螺旋折流系统”中，每块折流板占换热器壳程中横剖面的四分之一，其倾角朝向换热器的轴线即与换热器轴线保持一定倾斜度。相邻折流板的周边相接与外圆处成连续螺旋状。每个折流板与壳程流体的流动方向成一定的角度，使壳程流体做螺旋运动能减少管板与壳体之间易结垢的死角，从而提高了换热效率。在气#8212;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%。相对于弓形折流板螺旋折流板，消除了弓形折流板的返混现象、卡门涡街从而提高有效传热温差防止流动诱导振动;在相同流速时壳程流动压降小;基本不存在震动与传热死区不易结垢。对于低雷诺数下的传热螺旋折流板效果更为突出。

换热器广泛地应用在工农业各个领域，在炼油、化工装置中换热器占总设备量和设备投资的40%左右。在换热器设备中，因管壳式换热器具有结构坚固、可靠性高、适应性大、材料范围广等优。