1. 研究目的与意义（文献综述包含参考文献）

文 献 综 述

1.课题背景

换热器是一种实现物料之间热量传递的节能设备，是在石油化工、冶金、电力、轻工、食品等行业普遍应用的一种工艺设备。在炼油、化工装置中换热器占总设备数量的40左右，占总投资的30%-45%[1]。近年随着节能技术的发展，应用领域不断扩大，利用热器进行高温和低温热能回收带来了显著的经济效益。目前，在换热器设备中，使用量最大的是管壳式换热器，约占换热器设备量的70%。管式换热器是一种传统的标准换热设备而在许多工业部门得到保证。特点是适应性强、清洗方便、生产成本低、选材广。材料为低碳钢、低合金钢以及不锈钢。

浮头式换热器是管壳式换热器的一种由于浮头式换热器管束可以抽出来，清洗方便，管束在使用过程中由温差膨胀而不受壳体约束，不会产生温差应力等优点，广泛应用于石油、石化、制药、食品等行业，由于管程内外介质压力的不同、介质的腐蚀、冲刷、温度、焊接缺陷以及密封材料的损坏，使得换热器故障不断，影响着生产装置的正常运行和工厂的经济效益，造成了物料的浪费和环境的污染，已成为生产中不可忽视的问题。

2.国内外研究现状、发展动态

2.1国内情况

对国内换热器市场的调查表明，近年来，随着我国石化、钢铁等行业的快速发展换热器的需求水平大幅上涨。但国内企业的供给能力有限，导致换热器行业呈现供不应求的市场状态，巨大的供给缺口需要进口来弥补。换热器是一种高效紧凑的换热设备它的应用几乎涉及到所有的工业领域，而且其类型、结构和使用范围还在不断发展。近年来，焊接型板式换热器的紧凑性、重量轻、制冷性能好、运行成本低等优越性已越来越被人们所认识。随着我国经济的发展，换热器技术的发展，特别是各种大型的工业制冷装置和空调用制冷装置发展迅速，这为各种换热器的应用提供了广阔的市场。

近几十年来，换热器技术有所发展，但比较缓慢，综合传热系数始终在60左右徘徊，没有大幅度的飞跃。理论上也没有找到发展的明确方向，因而换热器技术进展不快。其主要问题表现在以下几个方面。1、单位体积换热面积小、紧凑性差。2、传热系数小，效率低。3、可靠性差。4、生产周期长，金属耗量大。5、组装、检修、维护困难。无论是换热器的研制者，还是换热器的使用者，追求换热器性能指标的完美。当前发展的基本方向是，继续提高换热器的热效率，改进换热器结构的紧凑性，加速生产制造的标准化、系列化和专门化。管壳式换热器追求的目标是，综合传热系数K值高，两侧流体的压力损失△P值低，体积的紧凑度a值高，低廉的成本和价格，性能持久和使用寿命长，制造容易和操作方便。

从什么角度分析中国管壳式换热器产业的发展状况？以什么方式评价中国管壳式换热器产业的发展程度？中国管壳式换热器产业的发展定位和前景是什么？中国管壳式换热器产业发展与当前经济热点问题关联度如何？诸如此类，都是管壳式换热器产业发展必须面对和解决的问题#8212;#8212;中国管壳式换热器产业发展已到了岔口，中国管壳式换热器产业生产企业急需选择发展方向。中国管壳式换热器产业发展研究报告阐述了世界管壳式换热器产业的发展历程，分析了中国管壳式换热器产业发展现状与差距，开创性地提出了”新型管壳式换热器产业” 及替代品产业概念。

换热器的发展前景，换热器的所有种类中，管壳式换热器是一个量大而品种繁多的产品，由于国防工业技术的不断发展，换热器操作条件日趋苛刻，迫切需要新的耐磨损、耐腐蚀、高强度材料。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。

2.2国外情况

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。现就几种新型换热器的特点简介如下：自20世纪70年代世界爆发能源危机以来，对传统换热设备的强化传热研究逐渐兴起，并主要集中在两大方向上，一是开发新品种的换器：如板式、螺旋板式、振动盘式、板翅式等。这些换热器的设计思想都是尽可能地提高换热器的紧凑度和换热效率：二是对传统的管壳式换热器采取强化传热措施,也就是用各种异型强化管取代原来的光管。如螺纹管、横纹、槽、管、缩放管、翅片管或者在管内插入扰流物，如螺旋扭带、静态混合器等。

3.实验研究

3.1 BES的定义

BES表示前端管箱为B型标准椭圆封头管箱，后端为S型的浮头式换热器，支座为鞍式支座。

3.2浮头式换热器

浮头式换热器是由管箱、壳体、管束、浮头盖、外头盖等零部件组成。其优点是：管束可以抽出，以方便清洗管、壳程；介质间温差不受限制；可在高温、高压下工作；一般温度小于等于4500，压力小于等于6 4MPa；1/4可用于结垢比较严重的场合；

1/2可用于管程易腐蚀场合。缺点是；小浮头易发生泄漏，金属材料耗量大，成本要高出 20%，结构复杂。浮头式换热器的一端管板固定在壳体与管箱之间，另一端管板可以在壳体内自由移动，这种换热器壳体和管束的热膨胀是自由的，管束可以抽出，便于清洗管间和管内。浮头式换热器适用于壳体和管束温差较大或壳程介质易结垢的条件。这类换热器壳体和管束对热膨胀是自由的，故当两种介质温差较大时，管束与壳体之间不产生温差应力。浮头端设计成可拆结构(也有设计成不可拆的)，使管束很容易地插入或抽出，这样为检修、清洗提供了方便[3]。

3.2.1浮头式换热器主要特点[4]

产品特点采用厚壁波纹换热管，传热系数比光管（列管）换热器提高50％－80％。分类内导流换热器；外导流换热器；冷凝器；公称直径内导流换热器DN325、426、500～1000、1200、400、1600、1800mm；外导流换热器DN500～1000mm；冷凝器DN325、426、500～1000、1200、1400、1600、1800mm；公称压力换热器P1.0～6.4Mpa；冷凝器 P1.0～4.0MPa适用于化工、石油工业用碳素钢、低合金钢和不锈耐酸钢制换热器，及其它工业部门用类似的换热器。

3.2.2浮头式换热器应用构造

浮头式换热器的缺点是结构复杂，价格较贵，而且浮头端小盖在操作时无法知道泄漏情况，所以装配时一定要注意密封性能[5]。

3.2.3浮头式换热器失效的主要因素分析

对浮头式换热器的故障树以及全部最小割集进行了分析，发现浮头式换热器故障主要是由以下原因引起的。

(1)腐蚀导致的泄漏和安装环节的影响

腐蚀主要是指环境囚索导致的材料的失效，是金属与周困介质作用的结果。这主要是环介质的影响，例如加工、清洗环节破坏了防腐材料；运行时只求经济效益，加快流速[6]。异致磨损加速；环境介质与管材的不匹配。这些不合理的做法均会导致防腐材料的失效、安装环竹管板焊接方法选择不当，焊接质量不合格，以及存在残余应力。因此，要提高焊接、制造、安装质量，避免在这些环节产生管材材质有缺陷，管材受到擦伤、划痕，以及残余应力的存在。还应提高清管质量，做好浮头式换热器的维护和防腐工作[7]。

(2)设计环节的影响

浮头式换热器的设计上作较复杂，可能在设计过程中出现失误。另外，有些设计方法可能本身存在缺陷，考虑的因素不够全面，从而导致在使用过程中屡次出现问题。例如法兰设计，法兰失效泄漏是浮头式换热器泄漏事故的主要原因[8]。

浮头法兰的设计通常采用SW6软件进行计算。老版SW6在浮头法兰设计中存在经常发生死循环的问题，使设计难于进行。而新版(98版)SW6软件进行了改造，可免于死循环的发生，但是也存在不安全的隐患，并且由于封头埋人法兰的深度为固定的，可能导致浮头法兰设计结果极不合理，甚至不能得到设计一结果[9]。设计选择的材料不符合土艺要求也会加速各部件的腐蚀失效。例如，胜利炼油厂减粘装置产品换热器EA,IA,IB,IC,ID浮头式换热器在检查中发现管箱与管板处密封泄漏，紧固中连接螺栓、更换热片等措施，仍达不到试压要求值[10]。最后对型号为BSE1200-4.0-375-6/ 25-6II密封失效分析，发现垫片与实际法兰密封l可不相匹配，无法起到密封作用。不相匹配的根源主要在于垫片设计宽度偏窄，法兰凹面外径过小，使得在安装件，垫片就被压坏，以致起不到密封作用，试压时也就达不到图纸要求的水压试验值[11]。

因此，在选择设计单位时应优先考虑有经验的公司，采用更合理的设计方案。

(3)热应力和压力的影响

浮头式换热器根据工艺要求，介质进出口温差较大。由于换热管与壳体、泞流层材质差异，由此产生的应力大部分集中在换热管上，每启动一次，换热管都要进行一次拉、压应力循环[12]。再加上有时开停机过快过猛，频繁的停开机等不稳定操作均会增加换热管所受的拉、压应力。这些热应力和压力波动产生的交变影响均会使材质热膨胀不均匀，管板承受较大的轴向载荷产生弯曲变形，法狡、垫片、螺栓产生变形、失效，密封效果受到影响，址终导致泄漏。因此，为了减少误操作，操作人员应严格按照设计规定的技术要求进行操作，必须进行岗位培动训，持证上岗[13]。

根据浮头式换热器故障树分析结果，可以得出以下结论。

（1）故障树分析法简明、直观，是进行换热器安全性与可靠性分析的有效工具[14]。

（2）以”浮头式换热器故障”为顶事件建立的故障树，共考虑45个基本事件，有45个最小割集，这些最小割集定性地描述了浮头式换热器系统中的薄弱环节[15]。

（3）通过最小割集可以求解顶事件发生的概率以及对基本书件进行重要度分析。

（4）对故障树的分析确定了影响浮头式换热器故障的主要原因,即腐蚀、设计缺陷、安装、操作运行环节，提出了相应得改进措施[16]。故障树分析的结果可为老浮头式换热器的维护和新浮头式换热器的设计提供理论指导。

3.3 水预热

目前运行的2吨/时及2吨/时以下的小型工业锅炉，由于不设置给水预热器(省煤器)，其排烟温度较高，常220-280℃之间，热能损失很大[17]。从一些单位的实践来看，在锅炉上安装给水预热器的节能效果是很好的，应予推广。为便于各单位合理设置常压式小型锅炉给水预热器,现将常压式预热器的结构特点及简易热力计算方法介绍如下[18]。

预热原理见图 1, 以移动锅炉或施工管道周边锅炉房为热源。

图1 .水预热原理

(1) 连接预热管段的管道要设置胀力弯,吸收预热管段的伸长量,防止预热设备位移或接口漏水[19]。

(2) 预热管段两端的盲板所接的各种进出口用焊接球阀隔开,这样打压有保证,连接预热设施方便。预热后保温、泄水方便[20]。

(3) 所有管道都要保温。

3.3.1 给水预热器的结构

常压式给水预热器的流程如图2。给水经过软化由水泵打入高于预热器1-2米的储水箱内，依靠水的静压力使水流过预热器并和管内的高温烟气进行热交换得到加热，然后在出口管处由水泵引出进人锅炉[21]。烟气则从烟箱进人管群区的管内，再在出口烟箱中汇集后排人烟囱。为了保证安全，常压式预热器筒体上必须设有透汽管，使筒体内有蒸气产生时得以导出，以保证筒体内不产生压力[22]。透汽管的排汽仍回收进人水箱，使蒸气不致浪费；为确保透汽管的通畅，管上不得装设闸门。

图2.常压式给水预热器结构系统示意图

1.预热器筒体 2.烟管 3.后管板 4.后烟箱 5.前烟箱 6.前管板 7.水箱 8.水位表

3.3.2预热器的主要结构尺寸[23]

筒体：l吨/时锅炉可取1.5-1.8米长，2吨/时炉可取1.8-2.5米长(不包括两端烟箱)。

筒体直径：1吨/时炉可选外径为50-700毫米，2吨/时沪可取70-900毫米。

烟气流程：由于小型炉炉房较小，一般用单迥程，如布置及风压许可，也可用双迥程。

烟管规格：为通灰方便，可取用口径稍大的管子，如：36.5、70、76等。

烟管中心距：可选用1.4-1.5管径。

烟管根数：2吨/时炉用价63.5管子时，可用45-55根，用70管子时可用35-45根，用价76管子时可用30-40根。对1吨/时炉管数可按上述的60-70外选取。

烟管总受热面：2吨/时炉可选用”14-18 ，1吨/时炉可选9-12。

气水箱容积：2吨/时炉选用0.6-0.8，l吨/时炉可选用0.4-0.6。

3.3.3用料规格筒体

因筒体不受压，故用一般普通碳素钢即可。1吨/时铝炉用6毫米厚度的钢板，2吨/时铝炉用8毫米厚度的钢板[24]。

烟管：管壁厚度为3-4毫米。

封头(即管板)：可用厚8-10毫米钢板.

3.3.4阻力情况

在原锅炉烟风道中设置给水预热器后，必然增加烟道阻力[25]。经对几台自装的1吨/时锅炉以及2吨/时锅炉预热器进行阻力计算，其阻力各为15及20毫米水柱左右，实测值为20及30毫米水柱左右，而现1-2吨/时快装锅炉的配套引风机的压头是有足够的余量的，一般在加装预热器后，不需更动鼓风机和引风机[26]。

4.设计方法研究

如下图图3所示为浮头端的装配图：包括碟形盖、钩圈法兰和浮动管板，由于浮动管板要与管子胀接后从壳体一端伸到另一端，因此管板的外直径要小于壳体的内直径[27]。

图3.浮头端的装配图

在设计时必须考虑浮头管板的外径Do。该外径应小于壳体内径Di，一般推荐浮头管板与壳体内壁的间隙b1=3~5mm。这样，当浮头出的钩圈拆除后，即可将管束从壳体内抽出。以便于进行检修、清洗。浮头盖在管束装入后才能进行装配，所以在设计中应考虑保证浮头盖在装配时的必要空间[28]。

钩圈对保证浮头端的密封、防止介质间的串漏起着重要作用[29]。随着幞头式换热器的设计、制造技术的发展，以及长期以来使用经验的积累，钩圈的结构形式也得到了不段的改进和完善。钩圈一般都为对开式结构，要求密封可靠，结构简单、紧凑、便于制造和拆装方便。浮头式换热器以其高度的可靠性和广泛的适应性，在长期使用过程中积累了丰富的经验[30]。尽管近年来受到不断涌现的新型换热器的挑战，但反过来也不断促进了自身的发展。故迄今为止在各种换热器中扔占主导地位。管子构成换热器的传热面，管子尺寸和形状对传热有很大影响[31]。采用小直径的管子时，换热器单位体积的换热面积大一些，设备比较紧凑，单位传热面积的金属消耗量少，传热系数也较高。但制造麻烦，管子易结垢，不易清洗。大直径管子用于粘性大或者污浊的流体，小直径的管子用于较清洁的流体。管子材料的选择应根据介质的压力、温度及腐蚀性来确定。换热器的管子在管板上的排列不单考虑设备的紧凑性，还要考虑到流体的性质、结构设计以及加工制造方面的情况。管子在管板上的标准排列形式有四种[32]，正三角形和转角正三角形排列，适用与壳程介质清洁，且不需要进行机械清洗的场合。正方形和转角正方形排列，能够使管间的小桥形成一条直线通道，便于用机械进行清洗，一般用于管束可抽出管间清洗的场合。另外对于多管程换热器，常采用组合排列方法，其每一程中一般都采用三角形排列，而各程之间则常常采用正方形排列，这样便于安排隔板位置。当换热器直径较大，管子较多时，都必须在管束周围的弓形空间内尽量配置换热管。这不但可以有效地增大传热面积，也可以防止在壳程流体在弓形区域内短路而给传热带来不利影响。管板上换热管中心距的选择既要考虑结构的紧凑性、传热效果，又要考虑管板的强度和清洗管子外表面所需的空间。除此之外，还要考虑管子在管板上的固定方法。若间距太小，当采用焊接连接时，相邻两根管的焊缝太近，焊缝质量受热影响不易得到保证，若采用胀接，挤压力可能造成管板发生过大的变形，失去管子和管板间的结合力。一般采用的换热管的中心距不小于管子外径的1.25倍。当换热器多需的换热面积较大，而管子又不能做的太长时，就得增大壳体直径，以排列较多的管子。此时为了提高管程流速，增加传热效果，须将管束分程，使流体依次流过各程管束。为了把换热器做成多管程，可在一端或两端的管箱中分别安置一定数量的隔板。

浮头式换热器的设计参数及结构形式如下：设计参数见表l, 结构形式如图4示。

表1 浮头式换热器的设计参数

项目	壳程	管程
设计压力/	4.0	0.5
工作压力/	3.588	0.4
设计温度/	180	50
工作温度
进口/	125.7	32
出口/	55	39
换热器型号	AES600-0.5/4.0-105-6/19-I

图4 浮头式换热器的结构形式

参考文献

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2. 研究的基本内容、问题解决措施及方案

第1部分：准备工作

查阅相关文献资料了浮头式换热器的基本原理、性质及应用。在化工生产中的地位和作用、换热器应用的现状和发展趋势、设计的理论基础、技术路线及其意义。

第2部分：工艺计算