炼油厂常减压装置空气预热器设计及部件优化 1.docx
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炼油厂常减压装置空气预热器设计及部件优化1
毕业设计说明书（论文）
作者：
学号：
系部：
机械工程学院
专业：
过程装备与控制工程
题目：
炼油厂常减压装置
空气预热器设计及部件优化
指导者：
评阅者：
2013年5月南京
热管是一种高导热性能的传热元件，它是一种能快速将热能从一点传至另一点的装置。
将热管元件按一定行列间距、成束装在框架内，用中间隔板等密封元件将加热段和散热段隔开，构成热管换热器。
由于其具有传热量大、热响应迅速、温差小等特点，热管换热器越来越受到人们的重视，是一种应用前景非常好的换热设备。
本文从热力计算着手，确定了热管空气预热器的传热量、换热面积、管排数等。
然后进行了设备结构的设计，并在合理地选择元件参数的基础上结合实际情况设计出了热管式换热器。
针对低温酸露点腐蚀的问题，本文提出了采用并联热管组件和表面涂防腐涂料的双保险措施，并对密封方式进行了一定的改进，有效地提高了换热器的使用寿命。
关键字并联热管热管换热器热力计算密封
毕业设计说明书（论文）中文摘要
毕业设计说明书（论文）外文摘要
TitleTheDesignandComponentsOptimizationofAir
PreheaterinRefineryCrudeOilDistillationUnit
Abstract
Heatpipeisahighlyefficientheattransfercomponents,itisafastheatdevicetospreadheatfromonepointtoanother.Accordingtotheranksofcertainspacing,theheatpipes,whichoftheheatingandcoolingsectionseparatedfromthesealingelementsuchastheintermediatepartitionplate,aremountedwithintheframe,toconstitutetheheatpipeexchanger.Becauseofitslargeamountofheattransfer,rapidthermalresponse,smalltemperaturedifference,etc,peoplearepayingmoreandmoreattentiontotheheatpipeexchanger.Consequently,itisaverygoodprospectheattransferequipment.First,theheat,heattransferarea,thenumberofrowsaredeterminedbythermodynamiccalculationsinthisartical.Afterdesigningofthestructureofthedeviceandreasonableselectionoftheelementsparameters,withtheactualsituation,theheatpipeexchangerwasproposed.Forlow-temperatureaciddewpointcorrosionproblems,theparallelheatpipeandcoatingoftheanti-corrosioncoatingsonthesurfaceareused,withcertainimprovementofthesealstoimprovethelifeoftheheatexchangereffectively.
KeywordsParallelheatpipeHeatpipeexchangerThermalcalculationSeal
4.7换热器纵深排数
4.8通过热管换热器的压力降
（1）求换热器的净自由面积NFV
（2）求容器当量直径
在本次设计条件下：
（3）求
烟气侧：
空气侧：
（4）求摩擦系数f
烟气侧：
空气侧：
（5）求平均管壁温度
烟气侧：
空气侧：
（6）求管壁温度下的流体粘度
经查表可得[16]
烟气侧：
空气侧：
（7）求通过热管换热器的压降
烟气侧：
空气侧：
第五章热管设计
本设计采用的是无吸液芯重力热管，由前可知：
热管蒸发段L1=1.0m，冷凝段L2=1.0m，外径do=0.032m，内径di=0.027m。
其制造流程如下图5-1所示：
图5-1热管制造流程图
5.1热管工作温度的选择
热管工作温度是指热管在正常工作状态下蒸汽腔中蒸汽的温度。
作为传热元件的热管能在-200-2000℃的温度内工作，在此温度范围内可有多种工质供选择，而这些工质都有它自己能工作的温度范围，该温度范围必须在所选工质的凝固点和临界点之间（见表5-1）。
表5-1几种常见工质的适用范围
热管
工质
0.1MPa（常压）下沸点（℃）
熔点
（凝点）（℃）
临界点
（℃）
合适的工作温度范围
（℃）
对应的压力
范围
（MPa）
低温热管
-30—100℃
氨
氟利昂-11
氟利昂-113
丙酮
甲醇
33
24
48
57
64
-78
-111
-35
-98
-99
132.3
135.5
240
-40—60
-20—120
0—70
20—120
30—130
0.076—2.98
0.016—1.32
0.012—0.204
0.027—0.67
0.026—0.786
中温热管
100—350℃
水
Thermex导热物
100
287
0
12
374.2
497
60—250
200—350
0.012—3.98
0.025—0.858
高温热管
350—1200℃
汞
锌
钠
锂
361
774
892
1340
-39
62
98
179
300—550
550—850
600—1200
800—1600
0.044—1.603
0.01—0.234
0.004—0.059
0.007—0.33
由前可知：
，
故热管的工作温度为：
5.2热管工质的选择
热管是靠壳体内工作流体（工质）的相变和流动过程中质量的转移传送热量的。
工质的各种理化性能必然对热管的工作特性有着重要的影响。
工质的选择除考虑工作温度的适应范围外，还应考虑下面几个问题：
（1）工质与热管材质间的相容性及工质的热稳定性。
工质与材质间一旦发生不相容将导致热管的性能变坏或失效。
因此，要求工质在工作温度范围内必须具有良好的热稳定性，即不变质、不发生化学反应和分解反应，不产生不凝结气体和沉淀物等。
（2）工质的热物理性质。
包括：
①汽化潜热高；②导热系数大；③粘度低；④表面张力系数大；⑤润湿能力高；⑥沸点适当。
（3）安全及经济性。
对于以传热为主的热管，尽量不采用易燃、易爆和有毒的工质，否则一旦管壳烧坏或发生泄露将会造成严重后果。
热管的成本也是考虑的重要因素，尽管热管中所用工质数量较少，但由它所确定的管壳及管芯材料对热管的成本影响很大[17]。
根据以上的选择原则，本设计采用水作为热管的工质。
因为水的热物理性能、安全性等都很好，且价廉易得，其工作温度范围：
30-200℃。
固然碳钢-水重力式热管虽然结构简单，价格便宜，但应注意的是，碳钢和水在一定的条件下会发生化学反应产生氢气。
随着反应的进行，热管中的氢气浓度不断升高，在热管的冷凝段形成不凝性气区，导致热管传热能力下降甚至失效。
而目前国内解决的办法是通过在工质水中加入一定剂量的钝化剂来减缓可凝性气体的产生，其主要机理是：
钝化剂本身作为强氧化剂使金属表面钝化形成一层致密的氧化物薄膜，从而减轻金属与水的反应[18]。
这就大大提高了碳钢-水热管的寿命，保证了其功效的正常发挥。
5.3热管材料的选择
热管工质选择与热管的材质以及封口焊接材料的性质密切相关，因为材质与工质间存在相容与否的问题。
除此之外，壳体材料应当满足耐高温高压、耐腐蚀性等极端条件，并且要具备良好的导热性和化学稳定性以及价廉易得。
因此本设计选用钢号为Q235-B（GB912）的碳素钢为管材[19]，其在210℃条件下，
热管最大允许工作压力为：
经查表得：
水在210℃时的饱和蒸汽压为P=
，即P
，故选用壁厚为2.5mm的碳素钢是合理的，在此状态下，热管工作是安全带的。
5.4热管的封头设计计算
封接是热管制作的最后一道工序，因为要在真空的情况下把热管与充装系统断开并封闭，封接后无法直接检查封头口是否泄露，而只能从热管的性能好坏来判断，所以封接是一道很重要的工序。
小直径热管一般都采用平板封头，封头的厚度按下式计算（K：
与端盖形式有关的系数，有孔取0.45，无孔取0.4），本设计中K取0.45。
5.5热管长度的确定
热管换热器中的热管长度比应保证两端热通量相等：
该长度比是：
（1）基于考虑强化热管外换热系数和降低热管束阻力的对立因素综合选择的迎风质量流速的保证条件而得；
（2）是基于热管总传热热阻最小，即热管单位表面积相应的传热量最大的保证条件；（3）是基于根据许用蒸气温度来核算蒸发段吸热与冷凝段放热基本平衡的保证条件。
基于这个原则，
基于
式中
，得到：
综上知：
热管长度比值取1∶1可以使设备工作安全且经济合理。
5.6热管传热极限的影响
热管的传热能力虽然很大，但也不可能无限地加大热负荷，事实上有许多因素制约着热管的工作能力。
换言之，热管的传热存在着一系列的传热极限，限制热管传热能力的因素主要有:
管内蒸汽流通截面的大小、毛细力、声速、流体黏度、蒸汽压力及冷凝等，这些传热极限与热管尺寸、形状、工作介质、吸液芯结构、工作温度等有关，限制热管传热量的类型是由该热管在某工作温度下各传热极限的最小值所决定的。
热管的传热受到一些因素的限制，即它具有一定的传热极限，超出这些极限的限制，热管就会散失传热的能力。
因此，在热管的设计过程中应把各个因素都考虑进去，才能使热管发挥其最大功效。
在本设计中，由于采用无吸液芯重力热管，故对热管传热传热影响较大的极限是声速极限和携带极限。
第六章设备的结构设计
6.1材料的选择
压力容器用材的主要选择依据：
（1）容器的使用条件，如温度、压力、介质、操作条件和结构特点；
（2）材料的力学性能；（3）材料的耐腐蚀性能，包括选材，防腐蚀结构、防腐蚀衬里、腐蚀裕量、条件控制等；（4）材料的加工性能，如可焊性、冷热加工成型性等；（5）材料的价格及来源；（6）同一工程设计中用材应尽量统一[20]。
在本设计中：
材料为Q235-B（GB3274）碳钢；使用温度范围：
0-350℃；设计压力为：
≤1.6MPa；壳体钢板厚度：
≤20mm。
6.2箱体的设计温度、压力选择
设计温度系指容器在工作过程中在相应的设计压力下壳壁或元件金属可能达到的最高或最低温度。
本设计的设计温度为210℃，且在此温度下Q235-B（GB3274）碳钢的许用应力为
，使用温度范围为-20℃—450℃。
设计压力是容器顶部的最高压力，与相应的设计温度一起作为设计载荷条件，其值不低于正常工作情况下容器顶部可能达到的最高压力。
本设计的蒸发段的设计压力为0.1Mpa，冷凝段的设计压力为0.1MPa。
6.2.1箱体厚度的确定
由于本设计的设计压力只是一个大气压力，所以箱体厚度取为6mm时满足刚度要求就足够了。
6.3开孔补强
容器制造时，所取壁厚远大于所需壁厚，因此容器强度足够满足强度要求，再加上接管孔直径比较小，容器工作压力较低，所以不需要开孔补强。
6.4管板的设计计算
6.4.1管板的厚度计算
目前我国换热器的矩形管板计算方法通常采用GB151—1998附录D（非圆形截面容器）所推荐的方法。
计算时首先假定管板的厚度，然后按规定进行应力校核，直至满足要求为止。
此种方法不但繁琐，数值不精确，而且没有考虑管板的开孔削弱和管子的加强作用。
当然矩形管板的计算方法很多，其中《西德AD压力容器规范》中关于换热器的矩形管板计算方法相对来说简单、经济得多。
按《AD规范》（B5篇6.2.1节）计算，《AD规范》中管板的计算式为：
式中：
C—参数，取C=0.45；
CE—矩形管板的计算系数；
s—管板的计算厚度，mm；
f—矩形管板的短边，mm；
P—设计压力，bar（1bar=105Pa）；
e—矩形管板的长边，mm；
S—安全系数；
K—材料的强度指标，N/mm2；
v—开孔削弱系数或横向收缩系数，
—设计温度下材料的许用应力，
=123N/mm2。
由
，查《AD规范》（B5篇，即这里的图6-1，得
图6-1矩形管板的计算系数查询图
CE=1.24。
根据工式
计算得S=44.4mm，取整为50mm。
6.4.2管板管孔直径的确定
管子外径为62mm时，管孔直径为62.25mm，允许偏差为：
0--+1.2mm
图6-2管板管孔大小
6.4.3管板与热管的连接
管板与壳体的连接依照换热器的结构形式分为可拆连接及不可拆连接[21]，由于水与碳钢管的不相容性，热管需定期清洗，又本设计采用的是双隔板形式，所以本设计采用一块可拆，另一块不可拆的连接方式。
如图6-3和6-4所示。
图6-3上下隔板连接方式图6-4双隔板连接方式
6.4.4管板与管子的连接
管子与管板的连接形式有强度胀接、强度焊接与胀焊接混合结构。
无论采用何种连接形式，都必须满足以下两个条件：
（1）连接处保证介质无泄露的充分气密性；
（2）承受介质压力的充分结合力。
本设计采用如图6-5所示的连接方式：
套环直接焊在热管上，套环上下两面均开有凹槽，槽内放置密封圈。
安装时，分别用上、下管板将所有热管的套环压住，用螺栓将上、下管板拉紧。
管板压紧密封圈即可实现良好的密封。
这种密封结构亦很简单，方便。
但应注意：
上、下管板应加工平整，具有足够刚性。
6.5热管换热器设计模型图
图6-5隔板与管子连接方式图6-6热管换热器设计模型图
6.6箱体结构设计
6.6.1工字钢的选择
由于本设计是常压设备设计，箱体壁厚只有6mm，所以箱体重量不是很大。
综合经济方面考虑，框架选用100×68×6mm的工字钢，如图6-7。
而支座需要承受整个设备的重量，还需要设置地脚螺栓孔将设备固定在地基上，所以选用200×102×9mm的工字钢，如图6-8。
图6-7框架工字钢图6-8支座工字钢
6.6.2进出口设计
为了设备结构简单且易于制造，设计时采用了左右结构完全对称的形式。
烟气进出口和空气进出口也统一采用相同尺寸的结构，这样也便于后期的维修工作。
进出口壁厚也是与箱体统一选用6mm的钢板卷制。
为方便安装，先将面板与锥壳先焊接，然后将接管法兰一起焊接上去，最后再作为一个整体直接焊接到箱体上，如图6-9和图6-10。
图6-9进出口结构图6-10进出口与箱体连接方式
6.6.3上封头结构设计
由于箱体是矩形箱体，所以不能选用传统的压力容器封头。
本设计中的封头也是由工字钢和钢板焊接连接构成的。
为了与箱体结构保持一致，也为了节约材料和资金，封头壁厚也选用为6mm。
考虑到方便维修和拆卸，封头与箱体采用螺栓法兰连接，如图6-11和6-12。
图6-11上封头结构图6-12上封头与箱体连接方式
6.6.4检查口和维修口设计
该装置是烟气余热回收设备，由于翅片式热管容易积灰造成传热效果下降，所以箱体上需要开设维修口，能够定期打开用高压水枪清洗积垢。
维修口采用螺栓法兰连接能够满足上述要求。
为了方便检查又不妨碍生产线工作，所以在温度较低也相对来说干净的空气侧箱体上开设检查口。
维修口尺寸与检查口尺寸统一采用500×500mm的规格，如图6-13。
图6-13检查口（维修口）结构
6.6.5箱体结构
本设计选用的是矩形结构箱体，整体是由工字钢和钢板焊接连接组成的，特定部位由螺栓法兰连接构成，如图6-14和图6-15。
图6-14箱体结构二维图图6-15箱体结构三维图
第七章换热器防腐设计
在低温烟气余热回收系统中，低温露点腐蚀是一个很麻烦的的问题。
目前主要有两种方法解决低温露点腐蚀，一是选用不锈钢等抗腐材料来制造换热器，二是采用换热器表面涂防腐涂料的方法。
对于采用表面涂防腐涂料的方法，缺点是随着换热热阻增加，会使它的体积也相应的增大。
而且换热器经过一段时间的运行之后，烟气中的粉尘会磨薄磨掉防腐涂料，从而使换热器产生局部暴露的现象，造成换热的失效。
局部腐蚀后，整台换热器也就不能正常运行了。
对于另一种方法，其缺点更明显，一是造价昂贵，二是由于存在低温问题，大量的烟尘会被换热器表面凝结的酸液吸附，从而会加速加重换热器表面积灰，最终造成换热能力显著下降，直到使换热器不能正常运行。
而且由酸液引起的积灰，通常是很难清除的[22]。
综上所述，低温烟气露点引发的问题，就是在低温下凝结的酸液导致换热器能力下降或损坏，造成换热器不能正常工作。
因此，解决低温露点腐蚀的问题，本质就是要解决烟气的低温问题。
所以，本设计采用并联热管组件，和表面涂防腐涂料的双保险措施，能有效的减少低温露点腐蚀带来的损害。
图7-1并行热管连接组件结构
7.1组件结构及原理
并行热管连接组件结构如图7-1所示。
由图可以看出，并联热管组件是把若干根单个重力式热管的一端并联起来，所以，各热管之间是相互连通的。
热管内部的工质可以自由地进行相互交换。
即，与单根热管相比，组件单根热管截面流量一般不为零。
在烟气入口侧（前部热管），因为烟气温度很高，所以较多的蒸汽会在管内蒸发段部位产生。
一部分蒸汽会在冷凝段冷凝然后再返回到蒸发段，另一部分蒸汽则通过顶部连接管流向蒸汽产量较小但冷凝能力较大的后部热管。
另外，根据热管热阻的特点可知，热管壁温与工质温度较为接近，因此整个热管组件的壁温也就几乎相等了。
同样，与单个热管相比，前部热管壁温虽然降低了，但后部热管壁温却得到提高。
通常换热器尾部壁温较低，容易腐蚀。
但本组件尾部壁温较高，就能够阻止烟气中酸液的形成，从而保护了换热器不被腐蚀。
7.2表面防腐措施
聚四氟乙烯（Teflon或PTFE），俗称“塑料王”，是由四氟乙烯自由基聚合而生成的高分子化合物。
它具有高度的化学稳定性、和卓越的耐化学腐蚀能力，如耐强酸、强碱、强氧化剂等，有突出的耐热、耐寒及耐磨性。
用作工程塑料，可制成聚四氟乙烯管、棒、带、板、薄膜等。
一般应用于性能要求较高的耐腐蚀的管道、容器、泵、阀以及制雷达、高频通讯器材、无线电器材等。
将聚四氟乙烯涂料涂在换热管上生产出的氟塑料管壁热管，化学性能极其稳定，抗腐蚀性能尤好。
除此之外，氟塑料管壁表面光滑，有适度的挠性，所以使用时会有轻微的振动，不容易结垢。
第八章结论
总体而言，热管式换热器相比传统的管壳式换热器，在传热效能方面是非常高效的，在这基础上我又对本文中的设计进行了一定程度的改进。
8.1设计上的改进
（1）为了减少露点腐蚀造成换热器使用寿命大大降低的影响，本设计采用了并联热管的新型热管结构。
（2）在热管结构改进的基础上，结合现在发展比较迅猛的表面防腐技术，采用在热管表面涂一层防腐能力非常强的聚四氟乙烯涂料，来减少腐蚀的影响。
（3）本设计采用了双隔板的密封方式，在传统的密封方式上进行了一定程度的改进。
使密封结构拥有上下两个静密封面，使密封效果更加可靠。
8.2制造上的改进
本设计在二维CAD设计的基础上，又进行了UG三维的建模，并进行了模拟装配，结果显示设计是可以进行真实制造的。
参考文献
[1]JieZ，YanR，HongZL，KangZ.Performanceevaluationofheatpipeheatexchanger[A].THIRDINTERNATIONALCONFERENCEONKNOWLEDGEDISCOVERYANDDATAMINING[C]，2010：
11-15
[2]董其伍，张晋等.换热器[M].北京：
化学工业出版社（第一版），2009：
349-351
[3]庄骏，张红.热管技术及其工程应用[M].北京：
化学工业出版社（第一版），2000：
5-6
[4]董其伍，张晋等编.换热器[M].北京：
化学工业出版社（第一版），2009：
351-358
[5]马永昌.热管技术的原理应用与发展[A].2008年中国电工技术学会电力电子学会第十一届学术年会论文集[C]，2008
[6]李永赞，胡明辅，李勇.热管技术的研究进展及其工程应用[J].应用能源技术，2008，（6）：
45-48
[7]罗林，陈如冰，姚寿广.热管技术在动力工程中的应用[J].华东船舶工业学院学报，2003，（3）：
55-57
[8]徐彬.无机热传导热管空气预热器在加热炉的应用[J].石油炼制与化工，2004，（5）：
16-18
[9]李亭寒，华诚生等.热管设计与应用[M].北京：
化学工业出版社（第一版），1987：
252-255
[10]黄庆军，任俊超，苏是等.中国换热器产业现状及发展趋势[J].石油和化工设备，2010，13
（1）：
5-8
[11]巩爱真，张爱群.气-气热管换热器的传热计算[J].炼油设计，1989，19
（1）：
18-21
[12]ZhangJie，RenYan，ZhangLihong，LiangHuimin.AnalysisofInfluencingFactorsofHeatTransferPerformanceofHeatPipeHeatExchanger[J].EnergyandEnvironmentTechnology，2009：
37-40
[13]方彬，白文彬.锅炉和窑炉节能热管换热器[M].哈尔滨：
哈尔滨工业大学出版社（第一版），1985：
155
[14]夏清，陈常贵.化工原理（上）[M].天津：
天津大学出版社，2005：
330
[15]庄骏，张红.热管技术及其工程应用[M].北京：
化学工业出版社（第一版），2000：
194
[16]庄骏，张红.热管技术及其工程应用[M].北京：
化学工业出版社（第一版），2000：
410-411
[17]秦叔经，叶文邦.换热器[M].北京：
化学工业出版社，2003：
364-364
[18]庄骏，张红.热管技术及其工程应用[M].北京：
化学工业出版社（第一版），2000：
132-133
[19]刁玉玮，王立业，喻健良.化工设备机械基础[M].大连：
大连理工大学出版社（第六版），2006：
311
[20]刁玉玮，王立业，喻健良.化工设备机械基础[M].大连：
大连理工大学出版社（第六版），2006：
47
[21]董大勤，袁凤隐.压力容器设计手册[M].北京：
化学工业出版社，2006
[22]邹琳江，段锋.重力式热管并联组件的实验研究[D].安徽：
安徽工业大学，2004
致谢
毕业设计已经接近尾声，在这里我要感谢我们的指导老师刘友英。
在这次毕业设计中，由于我没有按照传统的结构进行设计，而是加入了自己一定的想法，因此在很多结构上的细节不是很
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