论文总字数：17745字

摘 要

本设计的课题是20T/h导热油蒸发器的设计，用换热器将导热油的余热间接加热给水，产生满足生产工艺需求的热水和蒸汽。本设计采用的换热器类型为U型管式换热器，由管箱、壳体及管束等主要部件构成。这类换热器的特点是管束可以自由伸缩，不会因管壳之间的温差而产生热应力，热补偿性能好；管程为双管程，流程较长，流速较高，传热性能较好；承压能力强；管束可从壳体内抽出，便于检修和清洗，且结构简单，造价便宜。并且由于导热油的洁净度比较高，弥补了U型管式换热器换热管内清洗不便的弊端。

本设计的U型管式换热器为圆筒状卧式容器，筒内有多层盘旋管，管内为放热介质导热油的流动空间，管外与筒壳之间为吸热介质水或蒸汽的流动空间。同时发生器上装有配套的安全附件及显示仪表。发生器的热源管与有机热载体系统管网连接，并配有控制和调整阀门。当需要蒸汽或热水时，只要打开发生器热源管控制阀门，高温导热油便通过蒸发器强制循环流动，向吸热介质水或蒸汽放热，从而不断产生热水或蒸汽。通过调整控制阀门、仪表，改变导热油的流量和水与水蒸汽的流量，可得到不同压力、不同温度的饱和蒸汽。

本设计参照GB151—2012、压力容器设计手册和换热器设计手册，综合考虑各种因素，结构设计需要选择适用合理、经济的结构形式，同时满足制造、检修、装配、运输和维修等要求；而强度计算的内容包括换热器的材料，确定主要结构尺寸，满足强度、刚度和稳定性等要求，根据设计压力确定壁厚，使得换热器有足够的腐蚀裕度，从而使的设计结果达到最优化组合。本设计结果满足任务书的设计要求，安全性和经济性及环保要求均合格。

关键词：导热油 余热回收 蒸汽发生器 U型管式换热器 自然循环

The design of evaporator for recovering heat from heat transfer

oil to produce 20T/h steam

abstract

Subject of the design is 20T/h design of conductive oil evaporator, heat exchanger, heat transfer oils heat indirectly heats water, hot water and steam to meet production needs. This type of heat exchanger design for u-tube heat exchangers, tube, shell and tube, main component. Characteristic of this type of heat exchanger is a bundle can be extended without thermal stress due to temperature difference between the shell and tube, thermal compensation well side for double tube side, a long process, higher velocity, and better heat transfer properties; pressure-bearing ability; tubes can be drawn from the shell for easy maintenance and cleaning, and the structure is simple and cheap cost. And because of heat-conducting oil high cleanliness, makes up the u-tube heat exchanger tube cleaning disadvantages of inconvenience.

The design of u-tube heat exchanger for cylindrical horizontal vessels, multilayer spiral tube within a tube, tube as a heat transfer medium heat transfer oil flowing space, between tube and tube shell heat medium water or steam flow space. While generator is equipped with a complete set of secure attachment and display instruments. Generator heat organic heat carrier system with network connectivity, and equipped with control and adjustment valve. When steam or hot water is needed, just turn on the generator heat-pipe controls valve, heat conducting oil will flow through evaporator with forced circulation, water or steam to heat medium heat, to produce hot water or steam. By adjusting the control valves, instrumentation, change the oil flow and the flow of water and steam, can be different pressure and temperature of saturated steam.

This design reference GB151-2012, and pressure container design manual and heat exchanger design manual, integrated consider various factors, structure design need select applies reasonable, and economic of structure form, while meet manufacturing, and maintenance, and Assembly, and transport and maintenance, requirements; and strength calculation of content including heat exchanger of material, determine main structure size, meet strength, and stiffness and stability, requirements, according to design pressure determine wall thick, makes heat exchanger has enough of corrosion margin, to makes of design results reached most combination. Results meet the design requirements of the mission statement of the design, safety and economy, and environmental requirements were qualified.

Key words: Heat transfer oil; Waste heat recovery; Steam generator; U tube heat exchanger; Natural cycle

目 录

摘 要 I

第一章 绪论 1

1.1导热油蒸发器 1

1.1.1 导热油的定义 1

1.1.2 导热油的特性 1

1.1.3导热油的应用领域 2

1.1.4导热油的余热利用 2

1.2导热油蒸发器的结构与运行机理 2

1.3导热油蒸发器运行注意事项 3

1.3.1 引起不安全运行的主要因素 3

1.3.2 造成喷油原因分析 3

1.3.3 导热油蒸发器外部检验时应注意的重点 3

1.3.4 导热油蒸发器内部检验时应注意的重点 3

1.3.5 导热油蒸发器火灾诱因 4

1.4导热油蒸发器操作注意事项 4

1.4.1运行前排气 4

1.4.2缓慢升温 4

1.4.3供热量调整 5

1.4.4供热量调整 5

1.5导热油蒸发器使用年限 5

1.6监测系统 5

1.7导热油蒸发器使用特点 6

1.8小结 6

第二章 20T/h 导热油蒸发器的设计 8

2.1 设计要求 8

2.2 导热油蒸发器设计中要考虑的问题 8

2.3 热力计算中遇到的问题 8

第三章 热力计算及结构设计 10

3.1 原始设计参数 10

3.2 换热器热平衡计算 10

3.2.1 传热量的计算 10

3.2.2 导热油的质量流量以及对数平均温差 11

3.2.3 导热油蒸发器的总传热系数 12

3.2.4 导热油蒸发器总传热面积 13

3.3 导热油蒸发器内阻力计算 13

3.4 自然循环回路的设计 14

3.5 导热油蒸发器的结构设计 18

3.5.1 管箱的结构设计 18

3.5.2 蒸发器筒体的设计 19

3.5.3 管板的设计 20

3.5.4 拉杆的确定 22

3.5.5 设备法兰的确定 22

3.5.6 设备支座的选取 22

3.5.7 导热油蒸发器水循环系统的汽包设计 23

3.6 蒸发器的强度校核 23

3.6.1 管箱筒体的强度校核 23

3.6.2 汽包圆筒以及壳程圆筒的强度校核 24

3.7 施工图设计 25

第四章 总结 26

致谢 29

第一章 绪论

能源资源是人类社会生存和经济发展的重要物质基础条件之一，推进节能减排是贯彻落实科学发展观、确保经济社会又好又快地发展、建设资源节约型环境友好型社会的现实需要，这一点已经形成了越来越多的人的共识、从中央到地方各级政府都越来越重视节能工作，采取了一系列有利于节能降耗的政策措施和工作部署，许多企业为积极应对能源成本土涨控制费用支出，在节能方面采取了许多较好的措施^[1]。

导热油蒸发器具有低温高压的工作特性，采用导热油供热比水蒸气供热可节省投资并节约能源，因此在石油化工、纺织印染、木材加工、建材生产、筑路养路、油漆、塑料、橡胶、食品加工、制药等众多行业得到广泛的使用。

1.1导热油蒸发器

导热油蒸发器是利用导热油作为传热载体，通过热面，使水蒸发产生变成蒸汽^[2]。

1.1.1 导热油的定义

导热油是填充在间接加热系统中的一种热载体，用于高温加热过程中精确控制温度、同一系统中加热和冷却过程控制或单一冷却目的。目前，对此称法不一，比较普遍的有热载体、热媒、热介质、道生或导生、加热油等^[3]。导热油称法更为全面、明了，即显示出该种热载体是一种油又概括了其作用为导热而不仅仅是加热。

1.1.2 导热油的特性

导热油是一种低压高温的优良热传导介质，与蒸汽、热水介质相比，它具有传热效率高、温度场均匀、温度易控制、可循环利用、运行成本低等特点导热油根抓化学成分可分为矿物油型和合成型两种根抓GB23971-2009《有机热载体》标准的规定，常用的矿物型导热油有:石蜡基、环烷基和芳香烃碳氢化合物的混合物;常用的合成型导热油有:烷基苯型(苯环型)、烷基茶型、烷基联苯型、联苯和联苯醚低熔混合物型等^[4]。

1.1.3导热油的应用领域

导热油加热工艺以其加热效果好、作业成本低和系统易于操控等特点，在道路工程、橡胶工业、船舶生产中得到了广泛的应用^[5-8]。

1.1.4导热油的余热利用

有机热载体在280℃时，其饱和蒸汽压只有0.07Mpa^[9]，这种高温低压的特性是水所不能比的，因此目前国内外均把导热油普遍地应用于高温换热系统，并且收到了良好的效果。国内的木材加工、汽车、印染、沥青砼加工等行业均广泛地应用了导热油加热技术。但是如何扩大其应用领域，尤其是如何应用生产工艺加热后的余热，则是一个尚未完全解决的问题。在一些单位，即使用有机热载体炉用于生产工艺加热，同时还要用常规锅炉供暖，生产工艺加热后的余热没有充分利用，供热设备增加，管理复杂，浪费能源的现象很普遍，因此急需解决问题的办法。

1.2导热油蒸发器的结构与运行机理

发生器为圆筒状容器，有立、卧式两种^[10,11]，体积随着换热参数不同而各异。筒内有多层盘旋管，管内为放热介质导热油的流动空间，管外与筒壳间为吸热介质水或蒸汽的流动空间。发生器上装有配套的安全附件及显示仪表。发生器的热源管与有机热载体系统管网连接，并配有控制和调整阀门。

图1-1卧式导热油蒸发器简图

1.3导热油蒸发器运行注意事项

导热油作为锅炉运行的传热介质，确保导热油的安全稳定性对于提高导热油锅炉的热效率以及安全稳定性具有重要意义。下面给将对导热油锅炉使用过程中出现的若干状况进行分析.在此基础上针对导热油使用过程中检验的若干指标进行了详细的论述^[12]。

1.3.1 引起不安全运行的主要因素

从事故技术因素分析，主要由以下几方面引发，即设备故障引起导热油泄漏、锅炉超温、超压、系统设备老化、导热油炭化，长时间未清洗引发盘管爆裂，其它如雷击、撞击、加油过量等。因此对整个加热系统必须进行定期检测和及时清洗^[13]。

1.3.2 造成喷油原因分析

① 清晰方案存在问题;

② 新购导热油质量差;

③ 作业人员操作不当^[14]。

1.3.3 导热油蒸发器外部检验时应注意的重点

(1)排查泄漏点及设备的腐蚀渗漏情祝，确认导热油系统有无泄漏。导热油一旦泄漏，易引起火灾，因此应检查锅炉房内是否备有消防设备。

(2)山于导热油易腐蚀橡胶石棉垫片，所以导热油锅炉必须使用耐油、耐压、耐高温的金属网加强的石墨垫片或金属缠绕的石墨复合垫片，不能采用橡胶石棉垫片。除仪器仪表用螺纹连接以外，系统内不应采用螺纹连接。

(3)为确保高温状态时，导热油循环良好，防止导热油流速过低或循环停滞，造成导热油超温、过热引起油品变质。锅炉的出口油压与进口油压要有一定的压差，因此应检查锅炉是否装有灵敏可靠的差压报警及联锁装置^[15]。

1.3.4 导热油蒸发器内部检验时应注意的重点

(1)燃烧室盘管、对流管是导热油锅炉应该重点检查的高温部位，检查盘管、对流管是否有严重变形、胀粗或泄漏的痕迹;管子对接焊缝及热影响区有无裂纹等缺陷;管子表面是否有严重的腐蚀或磨损减薄。必要时应对变形量进行定量测量。

(2)年检停炉时，应拆下过滤器进行清洗;检查过滤器、月彭胀节、油气分离器以及系统内各个阀体的外部是否有裂纹或泄漏的痕迹，防止锅炉运行时因导热油泄漏引起火灾和人员伤亡等重大安全事故的发生。

(3)系统上至少应设置一个导热油取样冷却器。锅炉停炉内部检验时，必须从取样冷却器取出不少于2升的系统内导热油样品。注意取样时，应先放掉取样器内滞留的油，取能够代表当前系统在用油品的均匀样品。

(4)在用锅炉的导热油每年至少取样检验一次。通过化验导热油的残碳、酸值、粘度、闪点、熔点等理化指标，及时掌握其品质变化情祝，分析变化原因，以防导热油变质引起结焦、积碳，引发导热油锅炉金属高温腐蚀或垢下腐蚀损伤，严重时，会使炉管金属产生裂纹或腐蚀坑，引起过热爆管。

1.3.5 导热油蒸发器火灾诱因

① 鼓包爆管引起火灾;

② 泄漏引起火灾;

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