不锈钢制换热器优化设计【字数：7531】
摘要：换热器是一种完成热量交换的设备，提高它的热交换效率，可以带来巨大的社会效益和经济效益。在工程界换热器的设计是一项关系十分重大的工作，它涉及到很多方面，包括换热器的成本投资、后期的运行状态及使用中的性能状况。结合当代对热交换器的要求，换热器的设计应做到投资成本少、维护费用低以及换热效率高等。众多学者长期致力于这个方面的研究，也取得了相应的成果。随着技术的不断发展以及工业生产很对换热器要求的不断的提高，对热换器的优化设计的研究不断的深入，并且提出了很多的优化设计的方案。同时由于水中氯离子对不锈钢造成的应力腐蚀，会大幅缩短不锈钢制换热器的使用寿命。通过对换热器进行优化设计，提高其热交换效率，减少氯离子应力腐蚀，增加热交换器使用寿命，具有良好的社会效益和经济效益。
针对上述问题文章首先对国内外关于不锈钢制热换器的研究情况进行了统计和分析，从而对本课题的研究背景有了更为深刻的了解。面对型号众多的换热器，如何根据工艺要求评选出最佳的换热器，是设计者们经常遇到的问题。随着科学技术的发展，人们也越来越希望利用现代技术，开发出不锈钢制换热器设计的优化计算和优化结构方法，能使换热器在给定换热量并满足所有约束条件的同时，具有更好的特性。且对于加快化工过程设计与开发，提高换热器设计的效率与准确度等都具有重大的应用价值。
同时不锈钢制热换器由于其所采用的材料的特殊性，在使用过程中容易产生很多的缺陷，其中最大的缺陷就是不锈钢材料在水中氯离子的作用下非常容易发生应力腐蚀，从而影响不锈钢制热换器的使用寿命。在此我们针对不锈钢制壳管式换热器提出了具体的优化方案，在提高效率的同时也减少了氯离子的应力腐蚀作用。
本文提出了新的换热器的优化设计方法，主要是从换热效率、流动特征与结构设计这三个方面对热换器进行了优化设计，同时力求能够寻找出热换器使用性能与运行费用间的关系。传统的传热学致力于研究热量传递的规律，且追求如何使传热效果更好或者是如何使热量不至于散失，而流体流动造成的损失以及采用装置的结构却不是关注的重点。
关键词：不锈钢制热换器；优化设计；氯离子；应力腐蚀
第1章绪论
作为工程技术领域中普遍的三种传递过程之一，热传导占据很重要地位。换热器是专门用来进行各种热传导过程的一种传热设备，在化工行业、石油行业、能源行业中有着非常广泛的应用，同时是应用非常广泛的单元之一。[1]目前从经济发展的总趋势来看能源会越来越短缺，而且可再生热源的有效温度也越来越低，这就决定了能用来热交换的允许温差将变得越来越小，这就决定了对换热技术的发展和换热器性能的要求也会越来越高。所以，换热器的开发设计与功能研究已经成为了人们关注的课题。
1.1换热器的重要性
在工业生产中，换热器的性能很多时候都起着决定性的作用，对所生产的产品的质量、生产中的能量利用效率以及整个生产系统的经济合理性和可靠性都有很大的作用。据统计，在化学工业中所用用于换热器的资金大约占整个设备所用资金的30％左右，在石油炼厂中换热设备所用资金则更是占全部的40％左右。[2]由于目前在地球上煤碳、石油、天然气等不可再生的资源存储量越来越少，世界上各个国家都非常重视新能源的开发。所以换热器的优化设计与合理的运用关系到能源的开发和发展的可持续性。而在这项工程中，换热器有着不可替代的角色，其结构设计的优化以及使用效率的高低也将影响到一个国家的社会经济使用的效益。
1.2本课题的研究现状及重要意义
换热器的优化设计要做到投资费用低、运行费用低和使用效果好。很多学者和研究者长期以来都致力于这项任务的研究，同时取得了很多喜人的成果，但是离满足社会经济效益的最大化的目标相差还比较远。因此更深入的研究是非常有必要的。
同时由于水中氯离子对不锈钢造成的应力腐蚀，会大幅缩短不锈钢制换热器的使用寿命。通过对换热器进行优化设计，提高其热交换效率，减少氯离子应力腐蚀，增加热交换器使用寿命，具有良好的社会效益和经济效益。
1.3国内外研究的现状
1.3.1国外研究的发展状况
早在1930年英国马尔斯顿•克歇尔瑟公司就用浸渍铅焊方法，用铜及其合会制成换热器用作航空发动机的散热器。[3]苏联一九五九年在莫斯科鲍曼高等工业技术学校和全苏制氧机研究院开始研究。除美、英、日以外，德国、法国、比利时、捷克等主要工业国家，对换热器也进行研究和制造。目前国外从事换热器生产的共同特点是为使其与石油化工设备产品配套而努力，并试制高工作压力和大尺寸规格的换热器。未来的发展趋势是换热器大量用于化工生产，其使用范围也必将日益扩大和发展。
1.3.2国内研究的发展状况
在六十年代我国相关的行业就已经开始生产和使用换热器，由于采用空气炉钎焊的生产工艺，所以只能生产小型产品。1963年我国已开始用盐浴浸沾钎焊试制铝制换热器的研究，经过多年努力，于1970获得成功，并在大型全低压空气分离设备和石油化工中应用。40多年来我国板翅式换热器技术取得了显著的进步，1983年杭氧和开封两厂开发出了大型中压的换热器，使我国的换热器的技术水平达到了一个新的高度。
1.4换热器设计研究的发展动向
目前在很多的领域不锈钢制换热器已得到广泛应用，并在利用热能、回收余热、节约原料、降低成本上取得了比较显著的经济效益。[4]其主要特点是：传热效率高、结构紧凑、轻巧、适应性强、制造工艺要求严格、制造研究开发费用高、结构复杂、工作压力温度有一定的限制、易堵塞和被腐蚀、工质要求比较洁净、加工工艺复杂等特点。近年来，不锈钢制换热器的设计理论、试验研究、制造工艺、开拓应用的研究正在蓬勃的发展大众，需要特别提出的是因为很多新技术的参与，使其热换器的应用范围更加广泛，进入了一个新的发展时期。目前热换器的研究主要集中在以下几个方面：
1.4.1表面特性及选择
表面选择是热换器设计当中很重要的一环，从分析的不同的方法来分类可分为定性和定量分析，而定量分析法又可以可分为筛法和性能比较法，性能比较法适用于管翅式换热器，而筛法则用于板翅式换热器。板翅式换热器中的传热过程主要是通过翅片来完成的。多孔翅片亦属于高效翅片，通过多种多孔翅片表面传热、压降和流动特性试验，提出了一些可供设计参考的结论。总之，可供使用的多种翅形，因子和因子数据已有不少，但可供设计计算使用的拟合关联式却很有限。应用计算流体力学、流动可视化技术和模拟测试来研究翅片流动和传热的本质，并建立因子和因子数据库将是今后十分重要的工作。
1.4.2传热和流动分析
换热器热传导的分析方法非常的多，其中用的比较多的是单元数法，该方法比较适用于手工计算，为了可以进行手工计算该方法假设了一些理想化的条件。换热器的设计会被这些假设条件严重影响，因此必须考虑进行修正。温度的影响有时需考虑，如试验数据通常在常温下获得，用于高温下时就要修正。如传热计算中确定流体物性的单一温度值，在冷端温降不是很大的情况下，可用平均温度计算物性。但若流体物性变化很大，则应将换热器按能量平衡分成几部分，假定各部分内的物性为一常数。应用物性比法计入了流体物性随温度变化的影响。物流不均匀会引起换热器性能显著下降，特别是大的换热器尤甚。简单的总管分配不均匀性分析可通过解析方法完成，如两股流板翅式换热器。对于两相流问题，不均匀分配问题显得尤为突出，物流的不均匀分配使得换热器严重偏离设计工况。
1.4.3结构设计
在不锈钢制换热器的热应力方面的研究，国外的研究者对一种大型复杂的换热器进行了热疲劳分析和寿命预测，并提出了三种热应力分析的有限元模型心。[5]改善换热器换热表面的几何形状，其中肋片的几何形状对紧凑式换热器的性能影响至关重要，对肋片性能(换热性能、流动阻力性能、强度等)的研究是紧凑式换热器研究的重要内容。流道布置是影响其性能另一重要因素，这是因为紧凑式换热器使用高度紧凑的换热表面，换热器的形状具有大的迎面面积和短的流道长度，因而，流道布置要求极为精确。物流分配的均匀性对其性能的影响不能忽视，由于其短的流道和大的迎面面积，紧凑式换热器导流器的设计对于介质流动的均匀分配是至关重要的，因此对导流器结构和性能的研究也是紧凑式换热器优化设计的重要内容。
1.5本课题研究的主要内容
1．研究换热器选型、优化设计基本思想及换热器性能和评价方法；
2．以不锈钢的腐蚀特性为基础，从换热器的结构设计组成方面入手，提出了不锈钢制热换器的防腐蚀的方法和工艺，针对水中氯离子对不锈钢的腐蚀对换热器的设计进行了优化；
3．重点研究介绍了管壳式换热器的相关特征并且提出了设计优化的方案；
1.6小结
1．阐述换热器开发研究的重要性；
2．介绍了不锈钢制换热器国内外研究的发展趋势；
3．论述了本课题的研究意义和主要研究内容。
第2章热交换器优化方案的选择
2.1概述
换热器的型号和类型非常多，这就对研究者和设计者提出了很高的要求。要求他们根据设计的工艺性、经济性以及实用性的要求设计出合适的换热器。同时随着科学技术的不断更新，很多高科技技术进入了工程技术领域，由于高科技具有高效与合理的优点，使其在换热器的设计当中的位置越来越重要，能使换热器在比较低的使用与维护成本的基础上有较高的换热效率并满足使用要求。
2.2热交换器类型概述
换热器型式多样，有板式换热器、板翅式换热器、管壳式换热器、板壳式换热器、折流杆换热器、螺旋板式换热器、热管换热器、超薄板换热器等等。[6]每
种型式的换热器都有其本身的结构特点和工作特性，有些结构形式，适用于某些情况，但是，在另外的情况下，可能不太合适，甚至是根本不能使用。所谓换热器选型就是面对日益增多的各种类型的换热器，在给定的工艺约束条件下，通过计算比较，得到能满足传热要求的最经济、最合理的几种换热器选用方案，供设计人员参考选择。
2．3换热器性能评价与优化方程评述
2.3.1优化设计的基本思想
热交换器的最优化设计是指从所有的设计方案中选择最优的一个，以达到某种目标。用它来解决问题的步骤通常分为三步：首先，建立数学模型，数学模型中应该包括设计变量、目标函数以及约束条件；其次，在建立的数学模型的基础上建立分析模型，并且选择最合理的求解问题的方法；第三，求解，很多时候由于相关的数学问题的复杂性，一般采用编写程序进行计算机求解。
2.3.2换热器性能的评价方法
一台设计良好的换热器必须满足以下的几项要求：在强度及结构合理的同时，保证满足生产过程中所要求的热负荷；便于生产制造、施工安装和工程检修；在经济上要求要合理、适用。同时换热器在技术上的创新性和经济上的合理性是综合考虑一个优秀的热换器设计的更高的要求。换热器的使用范围很广、类型多。
第3章不锈钢材料的腐蚀及防治
3.1概述
不锈钢材料的广泛使用对近代工业的发展有着极其大的推动作用。同时它在国民经济的各个行业中扮演着相当重要的角色。[7]因为不锈钢材料具有非常良好的综合性能，包括耐蚀性、成型性、外观好以及强度高等很多优良的性能，因此不锈钢产业的规模不断的扩大，尤其是在机械加工制造行业应用更是非常的广泛。但是我们知道任何事情都是有两面性的，不锈钢也不例外，其本身也具有很多不足的地方。最大的不足就是不锈钢会在使用过程中发生腐蚀，其腐蚀在局部更是非常的常见。[8]从对腐蚀的控制角度来看，全面腐蚀在一定程度上可以进行预测和比较及时的防止，对整个结构的危害性较小，但是局部腐蚀就不同了，由于其不确定性和不可察觉性，导致对其的防治与处理就出现了很多的问题。在这种原因下，导致因为局部腐蚀发生的破坏事故往往非常的突然，总是在没有明显的预兆下的突然破坏，其危害性相当大。
3.2不锈钢常见的腐蚀种类
3.2.1点腐
点腐是不锈钢腐蚀当中最常见的一种腐蚀形式，是一种比较隐蔽而且破坏性大的局部腐蚀形式，虽然因点腐而损失掉的不锈钢材料的重量很少，但是如果一直持续不断的发展，就会导致腐蚀点处一直腐蚀到穿孔，从而引起整个热换器设备的失效。造成巨大的经济损失，甚至产生危害性大的工程事故。点腐发生的位置一般在易钝化金属处，同时在有氯离子与氧化剂共存存在的条件下。[9]产生点腐的原因有很多，其中环境因素是主要因素，溶液中的氯离子对不锈钢的侵蚀性最强，当氯离子达到一定浓度时，不锈钢就会发生点蚀。不锈钢的点腐蚀在实践中最为常见，不锈钢在近中性的含氯离子的水溶液中可能发生局部溶解形成孔穴而遭到点蚀。不锈钢发生点腐蚀的氯离子的最低浓度可以通过测定溶液中氯离子的含量来确定。而溶液中的其他离子，有的对点蚀起加速作用，如漂白剂中的次氯酸根侵蚀性很强，也有很多离子，添加到含有氯离子的溶液中可以使点蚀电位变正，诱导期延长，腐蚀孔数目减少，从而起到点蚀缓蚀剂的作用。
3.2.2应力腐蚀
在拉应力和腐蚀介质的共同作用下，金属材料所发生的一种局部腐蚀破坏称为应力腐蚀破裂(简记为SCC)。破坏形态有三种，主要是裂纹、裂缝和断裂。同样这是一种危害性非常大的腐蚀现象，据研究者对不锈钢局部腐蚀破坏的调查统计分析得出SCC所造成的设备波坏位居第一位，至少占到一半以上。[10]有两种情况可能出现应力腐蚀开裂。不锈钢处于氯化物水溶液环境中时可能产生氯离子应力腐蚀开裂。例如，海雾环境，不锈钢又处于很高的拉应力作用下，而且气温又超过正常的环境温度时，在热交换器上使用不可能不存在影响，除非所使用的钢经过了的敏化处理。在较低温度下，在寻常的恶劣环境中，包括有机化学剂，也能产生应力腐蚀开裂，而这些条件在大多数情况下又是不可避免的。在交变应力和腐蚀性介质共同作用下，可使金属材料产生腐蚀疲劳破坏，这给工业生产和人们生活造成巨大的经济损失和社会危害，研究者对氯离子破坏的发生和发展进行了大量研究，对于不同的材料、介质和应力组合，其氯离子破坏机理是各不相同的，目前还没有将来都很难找到一种普遍适用的开裂分析机理。比NaCI体系的研究，论证了裂纹是从非金属夹杂物溶解而形成的点蚀处萌生，并提出裂缝开裂是材料的特定微观组织与应力和环境因素交互作用的结果。还有一些研究者认为，裂纹萌生源自金属表面钝化膜的破裂，或者是相对于母体材料呈阳极性的局部变形区优先溶解所制。不锈钢磨损腐蚀也是一种常见的腐蚀。
3.3常见腐蚀的防护与控制措施
3.3.1点蚀的防护与控制措施
根据裂纹源形成于循环水冷却壁这一点可说明起腐蚀作用的氯元素主要来自管内的工业废水，由于水中Cl很高，为不锈钢应力腐蚀开裂提供了环境介质．同时，145～150℃左右的工作温度也会加速氯离子应力腐蚀的倾向。不锈钢在氯化物介质中，在一定的应力作用下主要是由氯强烈地穿破钝化膜，而使基体金属破露新生面，形成微池作用，使金属基体形成正离子。点蚀是不锈钢明显腐蚀的通常形式。一般以针状腐蚀开始，由于腐蚀的产生，受腐蚀部位变黑色或变成深褐色。[11]大多数严重腐蚀环境中，点蚀的数量和深度增加，使表面呈现受腐蚀的外观。在弱腐蚀条件下，点腐蚀本身不可能从表面上明显减少，但是在表面上可能出现腐蚀产生一层薄膜，当锈斑渗出就可能使周围失去光泽。
3.3.2防止应力腐蚀破裂的措施
防止SCC最有效方法是控制应力。在设计设备时应使应力分布尽可能均匀，减小局部应力集中的程度。为了减少局部的应力集中现象的产生，要求不锈钢热换器的外形应尽量做成光滑的流线型。尽量避免截面的突变，切断口，沟槽和开孔等截面不规则形式的产生，对应力可能集中的关键部位，可适当增加部件壁厚。对于加工形成的残余应力，用热处理进行消除是一种普遍采用的方法。避免SCC的合金环境组合也是有效的方法。如果组合中的特定环境就是设备的服役环境，那么就不应选择这种合金材料制造设备。敏化作用也是一种不锈钢腐蚀的比较具有危害性的波坏形式，其原理是让钢中的碳与铬结合，在热处理过程中或在焊接过程中在晶界析出。[12]形成的碳化物使晶界出现贫铬，并在晶界形成抗腐蚀薄膜同时发生局部的晶界腐蚀，降低了材料的耐应力腐蚀性。从裂纹整体形貌来看，裂纹星树根状，主裂纹似主根，许多分叉裂纹形成根须；同时也可以看到，主裂纹较粗，内部充满了腐蚀产物。在制造过程中敏化环境，需在不锈钢钢做最终热处理时进行快速冷却，防止碳化铬质点的沉淀。在焊接过程中，薄断面的不锈钢通常冷却速度相当快，足以得到阻止碳化铬质点沉淀的相同效果，在厚断面的不锈钢焊接中，通过使用低碳不锈钢来可避免敏化问题。
第4章壳管式换热器的优化设计
换热器是制冷系统中必不可少的热交换设备，它的质量直接影响着制冷系统的制冷性能及其正常的工作。壳管式换热器以它占用空间小，换热面积大，造价低等优点而在大中型制冷系统中被广泛应用。在换热器进一步向小型化、大功率发展的过程中，它的制造工艺会遇到一些新的技术难题。只有把这些新的技术难题解决好，才能制造出高质量的换热器。壳管式换热器广泛用于大型动力电站、核电站、石油化工及制冷空调工程。统计数字表明，在工业用换热器中有近50％的换热器均在壳侧存在两相流动。由于其流动与换热非常复杂，包含转捩、湍流、漩涡以及相变等现象。目前对其内部具体流动认识尚不完全清楚。实验研究虽能较准确地测量换热器的流量、压力等平均参数，但无法获得其内部的流动细节、温度分布等参数，而且由于实验设备、实验条件以及经费的限制，实施困难。数值模拟在现有理论与数值方法基础上，能较准确模拟出内部流动细节，有助于对流动现象认识和指导设计与改进。
4.1壳管式换热器结构特点
4.1.1传统卧式壳管式蒸发器的结构特点
卧式壳管式蒸发器是一个圆柱形的钢制筒体，壳体内分布着许多高效换热管。壳体两端焊有管板，高效换热铜管用扩胀法固定在管板上，管板的另一端与带有分筋的隔板连接，隔板与管板问插入橡胶垫片紧紧地固定在一起(见图1)。[13]该结构的目的是使蒸发器分隔成互不相通的几个腔，从而达到完美的换热效果。
4.1.2新一代卧式壳管式蒸发器的结构特点
目前产品都在朝小体积、大功率方向发展。因此，设计者们设计小直径的简体和管板，在管孔直径、管孔数量及管板厚度不变的情况下，隔板上的分筋采用曲线形式(见图2分筋隔板)。
管板的关键值孔桥宽度B被缩小到GBl51-1999《钢制壳管式换热器》规定的最小理论值(见图3)，与此。相对应的橡胶垫片(见图4)也设计为曲线式分筋，腔与腔之间的密封性，要求达到最高。
4.2新产品加工工艺的六个要素
4.2.1传统的加工工艺
老一代卧式壳管式蒸发器的设计主题思想是安全性高、牢固性强、换热面积大、腔一腔之间密封性要求高、便于加工。在这思想理念下，设计的蒸发器结构特点是：在管孔直径、管孔数量一定的条件下，用大直径、大厚度的筒体和管板，管板的关键数值孔桥宽度B(AP换热管中心距)保证最大值，目的是保证管板的刚度；隔板上的分筋数量少，并采用易加工的直线式分筋。对应以上的结构特点，传统的加工工艺是：
•管板与筒体的焊接坡口选用强度大、熔敷金属量多，收缩变形量大的C类坡口形式。
原文链接：http://www.jxszl.com/lwqt/yzlw/179357.html
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