換熱設(shè)備CAD系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)

內(nèi)容介紹

本書主要內(nèi)容換熱設(shè)備CAD系統(tǒng)的開發(fā)理論、建模、開發(fā)方法和過程以及與之先觀的數(shù)據(jù)庫技術(shù)、系統(tǒng)集成技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，收集了換熱設(shè)備CAD領(lǐng)域的新成就、新成果、新技術(shù)、對(duì)該領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)和需要解決的問題進(jìn)行了綜述和展望。

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本書共分五個(gè)部分：①Solidworks系統(tǒng)實(shí)訓(xùn)指導(dǎo)書；②MasterCAM系統(tǒng)實(shí)訓(xùn)指導(dǎo)書；③Pro/E系統(tǒng)實(shí)訓(xùn)指導(dǎo)書；④UG系統(tǒng)實(shí)訓(xùn)指導(dǎo)書；⑤機(jī)械CAD/CAM技術(shù)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書。該指導(dǎo)書所涉及的內(nèi)容廣泛，包含Solidworks、MasterCAM、Pro/E、UG等多個(gè)流行的三維CAD/CAM軟件系統(tǒng)，并通過具體實(shí)例介紹各軟件系統(tǒng)的功能特征，讀者可在較短的時(shí)間內(nèi)熟悉系統(tǒng)的主要功能，掌握系統(tǒng)的應(yīng)用。它具有針對(duì)性強(qiáng)、上手快的特點(diǎn)，非常適合初學(xué)者的實(shí)習(xí)訓(xùn)練。

管式換熱設(shè)備是以管壁為換熱間壁的換熱設(shè)備。這類換熱設(shè)備常用的有盤管式，套管式，列管式和翅片管式等。

換熱設(shè)備盤管式

盤管式換熱器有沉浸式和噴淋式兩種。沉浸式換熱器是將盤管浸沒在裝有流體的容器中，盤管內(nèi)通以另一種流體進(jìn)行熱交換。盤管可以做成各種形狀，有將若干段直管上下并列排列(稱排管)。有將長管彎曲成螺旋形 (稱盤香管)，此外還有其他的形式。

這種換熱器管外空間較大，因而管外流體流速較小，傳熱系數(shù)不高，傳熱效率低，是較古老的一種設(shè)備。其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，制造、維修方便，造價(jià)低，能承受較高壓力。由于管外有大量液體，故對(duì)操作條件的改變并不敏感。

噴淋式是將一種流體分散成液滴從上面噴淋下來，經(jīng)盤管外表面進(jìn)行換熱，通常用作冷卻器。這種換熱器常見的有兩種用法。一種用法是用于高壓液氨的冷卻，這時(shí)冷卻劑在管外噴淋。另一種是常壓下牛乳的冷卻，冷卻劑在管內(nèi)流動(dòng)，而牛乳則在盤管外表面上噴淋。

噴淋的方法可將上方噴淋管上鉆許多小孔，或采用邊緣成鋸齒形的小槽。這樣噴淋液體便自小孔或齒緣均勻分布到盤管上，并依次向下流動(dòng)。

噴淋式與沉浸式相比，管外流體傳熱系數(shù)有所提高，因此所需傳熱面積、材料消耗和制造成本都較低。此外，清洗消毒也較方便。同時(shí)，冷卻水消耗量只有沉浸式的一半。不過，這種設(shè)備占地面積大，操作時(shí)管外有水氣發(fā)生，對(duì)環(huán)境不利，故常安裝在室外。而且，管子氧化快，使用壽命短，噴淋的液體量有變化時(shí)，溫度反映極為敏感。

換熱設(shè)備套管式

套管式換熱器是用兩根口徑不同的管子相套而成的同心套管，再將多段套管連接起來，每一段套管稱為一程。各程的內(nèi)管用U形管相連接，而外管則用支管連接。這種換熱器的程數(shù)較多，一般都是上下排列，固定于支架上。若所需傳熱面積較大，則可將套管換熱器組成平行的幾排，各排都與總管相連。

操作時(shí)，一種流體在內(nèi)管中流動(dòng)，另一種流體則在套管間的環(huán)隙中流動(dòng)。用蒸汽加熱時(shí)，液體從下方進(jìn)入套管的內(nèi)管，順序流過各段套管由上方流出。蒸汽則從上方進(jìn)入，冷凝水由最下面的套管排出。

最新的套管式換熱器有三層同心套管。在這種換熱器中，里、外兩層通入加熱介質(zhì)，一般使用過熱水，中間一層通入產(chǎn)品。這樣做的好處是產(chǎn)品兩面都受到加熱，大大擴(kuò)大了傳熱面積。目前這種三層同心套管式換熱器廣泛使用于番茄醬無菌包裝前的物料殺菌和冷卻。

套管式換熱器每程的有效長度不能太長，否則管子易向下彎曲，并引起環(huán)隙層中的流體分布不均勻。通常采用的長度為4～6m。在安裝時(shí)，每程管子向上應(yīng)有一定傾斜度，產(chǎn)品從下方進(jìn)入，由下而上流過各程管子，從上方流出以避免由產(chǎn)品帶入的氣泡在管內(nèi)積聚而影響傳熱效果。

在套管式換熱器中，通過選擇合適的管徑，可將內(nèi)、外管間的環(huán)隙橫截面做得很小，這樣便于在載熱體用量不大的情況下，也可以獲得較高的流速，以保證內(nèi)管兩側(cè)都能獲得較高的傳熱系數(shù)，提高傳熱效率。

套管式換熱器的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，能耐高壓，可保證逆流操作，排數(shù)和程數(shù)可任意添減調(diào)節(jié)，伸縮性很大。它可用于加熱、冷卻或冷凝。特別適用于載熱體用量小或物料有腐蝕性時(shí)的換熱。缺點(diǎn)是管子接頭多，易泄漏，每單位管長的傳熱面積有限，因此往往設(shè)備體積較大，同時(shí)每平方米傳熱面積的金屬消耗量也是各種換熱器中最大的，可達(dá)150kg/m，而列管式換熱器的金屬消耗量只有30kg/m，因此，設(shè)備成本較高。套管式換熱器適合于傳熱面積不需要太大的情況。

換熱設(shè)備列管式

列管式換熱器又稱為管殼式換熱器。這種換熱器在工業(yè)上應(yīng)用最為廣泛，型式也比較多。

列管式換熱器由管束、管板、外殼、封頭，折流板等組成。管束兩端固定在管板上，管子可以脹接(將管子內(nèi)孔用機(jī)械方法擴(kuò)張，使管壁由內(nèi)向外擠壓而固定在管板上)或焊接在管板上。管束置于管殼之內(nèi)，兩端加封頭并用法蘭固定。這樣，一種流體從管內(nèi)流過，另一種流體從管外流過。兩封頭和管板之間的空間即作為分配或匯集管內(nèi)流體之用。兩種流體互不混合，只通過管壁相互換熱。

如果列管換熱器兩端封頭分別設(shè)流體的進(jìn)口和出口，同時(shí)封頭內(nèi)不另設(shè)隔板，則流體自一端進(jìn)入后，一次通過全部管子從另一端流出。這種列管換熱器稱為單程式。為了使管內(nèi)有一定流速，可將管束分為若干組，并在封頭內(nèi)加裝隔板，即成為多程式。例如國產(chǎn)列管式換熱器的系列有兩程、四程、六程等。對(duì)于程數(shù)為偶數(shù)時(shí)，流體進(jìn)出口在同一端。

對(duì)于管外殼間的流體，也有同樣的情況。為了使流體在管外分布均勻，或者為了當(dāng)流量小時(shí)提高流速，以保持較高的傳熱系數(shù)，就在管外裝設(shè)折流板(或擋板)。折流板形式常用的有兩種，一為弓形，另一為圓盤環(huán)形。折流板對(duì)較長的列管換熱器來說也同時(shí)起著中間支架的作用，以防止管子彎曲與震動(dòng)。這對(duì)臥式換熱器來說尤為重要。

列管式換熱器是一種簡單的剛性結(jié)構(gòu)。管子緊密地固定在管架上，兩塊管架又分別焊在外殼的兩端，然后再用螺栓與封頭的法蘭相連。這種結(jié)構(gòu)稱為固定管架式。

由于換熱器內(nèi)管內(nèi)、外溫度不同，管壁溫度和殼壁溫度也就不同，致使管束與殼體的熱膨脹程度不同。這種熱膨脹作用所產(chǎn)生的應(yīng)力往往使管子發(fā)生彎曲，或管子從管架上脫落，甚至?xí)箵Q熱器毀壞。所以當(dāng)殼壁和管壁溫差大于50℃時(shí)，應(yīng)考慮補(bǔ)償措施以消除這種應(yīng)力。

常用的補(bǔ)償措施有浮頭補(bǔ)償、補(bǔ)償圈補(bǔ)償和U形管補(bǔ)償。

浮頭補(bǔ)償是換熱器兩端的管架之一不固定在外殼上，此端稱為浮頭。當(dāng)管子受熱或受冷時(shí)，浮頭一端可以自由伸縮，不受外殼膨脹的影響。

補(bǔ)償圈補(bǔ)償是在外殼上焊上一個(gè)補(bǔ)償圈。當(dāng)外殼和管子熱脹冷縮時(shí)，補(bǔ)償圈發(fā)生彈性變形，達(dá)到補(bǔ)償目的。

U形管補(bǔ)償是將管子彎成U形，管子兩端均固定在同一管架上。因此，每根管子都可自由伸縮，而與其他管子及外殼無關(guān)。其缺點(diǎn)是彎管內(nèi)面清洗困難。

列管式換熱器是目前食品廠使用最多的換熱器。其優(yōu)點(diǎn)是易于制造，生產(chǎn)成本低，適用性強(qiáng)，可以選用的材料較廣，維修、清洗都較為方便，特別是對(duì)高壓流體更為適用。在食品工業(yè)中常用作制品的預(yù)熱器、加熱器和冷卻器，在冷凍系統(tǒng)中可以用作冷凝器和蒸發(fā)器。在用蒸汽加熱時(shí)，蒸汽在管外流動(dòng)。在考慮食品的衛(wèi)生要求時(shí)，可采用不銹鋼作為管子、封頭的材料。其缺點(diǎn)是結(jié)合面較多，易造成泄漏現(xiàn)象。

換熱設(shè)備翅片管式

在生產(chǎn)中常常會(huì)遇到這種情況，換熱器間壁兩側(cè)流體的傳熱系數(shù)相差頗為懸殊，這時(shí)可考慮采用翅片管式換熱器。例如食品工業(yè)中常見的干燥和采暖裝置中用蒸汽加熱空氣時(shí)，管內(nèi)的傳熱系數(shù)要比管外的大幾百倍，管外傳熱成了傳熱過程的主要阻力。這時(shí)采用翅片管式是很有利的。一般來說，當(dāng)兩種流體的傳熱系數(shù)相差 3倍以上時(shí)，就應(yīng)考慮采用翅片管式換熱器。

翅片管的形式很多，常見的有縱向翅片、橫向翅片和螺旋翅片三種。

翅片管式換熱器的安裝，務(wù)必使空氣能從兩翅片之間的深處穿過，否則翅片間的氣體會(huì)形成死區(qū)，使傳熱效果低下。

翅片管式換熱器既可以用來加熱空氣或氣體，也可利用空氣來冷卻其他流體。后者稱為空氣冷卻器。采用空氣冷卻比用水冷卻經(jīng)濟(jì)，而且可避免廢水處理和水源不足等問題，所以翅片管式空氣冷卻器的應(yīng)用十分廣泛。