管壳式换热器设计.doc

理工学院毕 业 设 计学生姓名： 石 静 学 号： 09L0503216 专 业： 过程装备与控制工程 题 目： 气-液介质专用换热器设计 指导教师： 郭彦书(教授) 评阅教师： 刘庆刚（副教授) 2013年5月 毕 业 设 计 中 文 摘 要管壳式换热器是化工产业中最常见的换热设备。管壳式换热器具有多种功能使其被广泛使用，具有一定的稳定性和可靠性。尽管其他类型换热器都取得了技术上的进步，但是管壳式换热器在未来几年的发展中仍然保持着核心地位。在本次设计中，首先对管壳式换热器和螺旋板式换热器进行了简要的介绍。之后，在老师的指导下，通过查阅相关的国家标准和行业标准，进行了固定管板式换热器和螺旋板式换热器的工艺计算、结构设计和强度计算，并对所设计的换热器从经济、技术等方面进行比较评价。最后，确定了换热器的工艺尺寸、几何尺寸和接管位置，进行了对封头、筒体和管板等的强度校核，利用计算机绘制固定管板式换热器与螺旋板式换热器装配图和零件图，并编制有关技术文件。关键词 管壳式换热器 螺旋板式换热器 结构设计 强度计算毕 业 设 计 外 文 摘 要Title Design of the Gas-liquid media heat exchanger AbstractShell-and-tube heat exchangers are the most commontype of thermal employed inchemical process industries.This widespread use can be justified by its versatility, robustness and reliability. Desoite the technologicaladvances of other excanger types,shell-and-tube heat exchanges will maintain a central position in industrial activities in the next years.First, we briefly introduced the design of shell-and-tube heat exchangers and spiral plate heat exchanger . Then, under the guidance of their teachers, through access to relevant national standards and industry standards,we finished the process calculation of tube sheet heat exchanger and spiral plate heat exchanger, including structural design and strength calculation .And from the economic, technical and other aspects ,we compared the heat exchanger . Finally, we determined the heat exchanger size, geometry and take over the position, the head, cylinder and tube sheet strength check, using computer mapping of the fixed tube sheet heat exchanger and spiral heat exchanger assembly diagram and parts diagram, and the preparation of the technical documentation.Key Words Shell-and-tube widespread calculation heat exchanger第 页 共 页 本 科 毕 业 设 计 目 录 1 引言11.1 管壳式换热器的研究11.2 管壳式换热器的研究趋势11.3 螺旋板式换热器的研究21.3.1 螺旋板式换热器国内研究进展21.3.2 螺旋板式换热器国外研究进展21.4 本课题的目的和意义22管壳式换热器的工艺计算32.2 确定管程软水的物性参数32.2.1 定性温度32.2.2 热容42.2.3 黏度42.2.4 导热系数42.2.5 密度42.3 确定壳程气氨的物性参数42.3.1 定性温度42.3.2 热容42.3.3 黏度42.3.4 导热系数42.3.5 密度42.4 估算传热面积42.4.1 热负荷Q按大的传热量42.4.2 平均有效温差：52.4.3 传热面积52.5 工艺结构尺寸52.5.1 决定通入空间，确定管径52.5.3 确定管程(数)、传热管数n、管长 L及壳体内径52.5.4 拉杆52.5.5 折流板52.5.6 画布管图6第 页 共 页 本 科 毕 业 设 计2.5.7 接管62.6 换热器核算72.6.1 传热能力的核算72.6.2 换热器内流体阻力计算93 管壳式换热器的结构设计及强度计算123.1 换热器筒体及封头的设计123.1.1 筒体设计123.1.2 封头与管箱设计123.2 换热器水压试验及其壳体应力校核133.2.1 压力试验的目的133.2.2 试验压力及应力校核133.3 开孔补强133.3.1 对管程接管的补强计算133.3.2对壳程接管的补强计算153.4 法兰的选用173.4.1 筒体法兰的选用173.4.2 管法兰的选用173.5 折流板设计173.6 管板设计173.6.1换热气的设计条件173.6.2结构尺寸参数173.6.3各元件材料及其设计数据193.6.4设计计算193.7 支座形式的确定303.7.1 已知条件303.7.2 校核313.7.3 计算支座承受的实际载荷313.7.4 计算支座处圆筒所受的支座弯矩314 螺旋板式换热器的设计314.1 传热工艺计算314.1.1 传热量计算324.1 .2 冷却水的出口温度324.1.3 螺旋通道截面积与当量直径de的计算324.1.4 雷诺数和普朗特数32第 页 共 页 本 科 毕 业 设 计4.1.5 给热系数的计算334.1.6 总传热系数K334.1.7 对数平均温差344.1.8 换热器传热面积F344.1.9 螺旋通道长度L344.1.10 螺旋圈数n与螺旋体外径344.2 流体压力降P计算354.2.1 按直管压力降的计算公式354.2.2 按大连工学院等单位推荐的公式计算364.3 螺旋板的强度、挠度与校核364.3.1 强度计算364.3.2 螺旋板的挠度374.3.3 螺旋板式换热器的稳定性384.4 螺旋板式换热器的结构尺寸384.4.1 密封结构384.4.2 定距柱尺寸384.4.3 换热器外壳384.4.4 进出口接管直径394.4.5 中心隔板的尺寸394.4.6 水压试验时应力校核40结束语41致 谢42参考文献43 第 44 页 共 43页 本 科 毕 业 设 计 1 引言 换热设备是化工、炼油、动力、能源、冶金、食品、机械、建筑工业中普遍应用的典型设备。一般换热设备在化工、炼油装置中的建设费用比例达20%50%因此无论从能源利用，还是从工业的投资来看，合理地选择和设计换热器，都具有重要意义。换热器按照传送热量的方法来分：间壁式、混合式、蓄热式等三大类，其中间壁式换热器是工业生产中应用最为广泛地换热器。其中适用于气-液介质的间壁式换热器主要有管壳式换热器和螺旋板式换热器。1.1 管壳式换热器的研究 目前, 我国的管壳式换热器仍以弓形折流板加光滑管为主, 效率低, 能耗高，难以满足生产要求。因此, 积极进行管壳式换热器的强化研究是非常必要的。强化传热技术的应用就是为了进一步提高换热设备的效率, 减少能量传递过程中的不可逆失, 更合理更有效地利用能源, 减少换热面积, 降低金属消耗。强化传热已被学术界称为第二代传热技术，其强化途径主要有:提高传热系数,扩大传热面积,增大传热温差等。其中提高传热系数是当今强化传热的重点。在实际的操作过程中可以通过强化管程传热和强化壳程传热两个方面强化换热器的传热。 （1）强化管壳式换热器管程的传热, 主要是通过增加流体湍流度、扩展传热面积和提高流体流等方法实现, 即在内表面加工凸肋或翅片结构、在管内加插入物以及提高流速，强化传热机理及主要研究如下所述。 （2）传统的管壳式换热器, 流体在壳侧流动存在着转折和进出口两端涡流的影响区, 影响了壳程的传热系数。为了强化壳程传热，目前的研究途径主要有两种，包括管型与管间支撑物的研究。1.2 管壳式换热器的研究趋势 作为一种高效紧凑式换热器，在加热、冷却、冷凝、蒸发和热回收过程中，除了高温、高压和特殊介质条件外,随着强化传热理论的研究,加强管壳式换热器的改进,将高效传热管与壳程强化传热的支撑结构相结合是今后换热器发展的一个重要方向。 无论是管程强化传热技术还是壳程强化传热技术，其结构的复杂性都将直接影响该技术的推广和发展，为此，强化传热技术的研究会朝着结构简化、传热效率高的方向发展。而如何提高传热效率的同时不使流体压降有明显升高，在增加有效传热面积的同时使换热器结构紧凑，以及如何在保证换热器具有较低生产如何成本的同时保证其有较高的使用寿命也将成为将来研究的重要内容。基于石油、化工、电力、冶金、船舶、机械、食品、制药等行业对换热器稳定的需求增长，我国换热器产业在未来一段时期内将保持稳定增长。另外，航天飞行器、半导体器件、核电站、风力发电机组、太阳能光伏发电及多晶硅生产等高新技术领域都需要大量的专业换热器。展望板式换热器的未来，它会在更广泛的领域大有作为。1.3 螺旋板式换热器的研究 螺旋板换热器是由两个长板卷在一起，形成一个螺旋构成的，是一种高效换热设备，适用汽汽、汽液、液液，对液传热。是发展较早的一种板式换热器，不用管材，价格比较便宜，其传热系数大，结构紧凑，不易结垢，容易清洗。该换热器主要由两张平行的薄钢板卷制成，构成一对互相隔开的螺旋形通道，冷热两流体以螺旋形板面为传热面相间流动。1.3.1 螺旋板式换热器国内研究进展 我国从五十年代中期开始使用螺旋板式换热器,当时主要用于烧碱厂中的电解液加热和浓碱液冷却。1966年我国开始研制螺旋板式换热器,设计。制造部门研制了卷制螺旋板的专用卷床,使卷制的工效提高了几十倍,为推广应用螺旋板换热器创造了良好的条件。 但目前的问题是如何进一步提高承压能力的途径可采用增加螺旋板厚度，增加定距柱的数目或提高板材的强度。但如采用增加板厚的方法，则势必要求提高卷板机的能力，这样消耗的功率相应增加，还会给制造工艺带来困扰，并使成本提高。目前提高其承受能力的方法主要以改进结构和选用较好的材料。1.3.2 螺旋板式换热器国外研究进展 螺旋板换热器最初是由瑞典罗森勃来特161(Rosemblad)首先提出,1932年以此人命名的Rosemblad公司就成批组织生产并形成专利自问世以来,由于其结构紧凑,传热系数高;尤其是两种介质温差小的情况下,可以回收低位热量;自洁能力强;设备造价低,占地面积小等优点,得到了越来越广泛的应用。随后许多国家根据这个公司乏的专利相继仿造，其中有英国APV公司、美国AHRCO公司、西德ROCA公司等。国外螺旋板式换热器的发展无论材料、工艺、结构、设计理论都已日臻成熟。国外螺旋板式换热器共有四种型式：1型、2型、3型和3H型。1型为最普通结构型式，两个通道内的流体均作螺旋流动。国外螺旋板式换热器最常见的是应用于冷凝场合，所有型式的螺旋板式换热器均可应用于冷凝场合。1.4 本课题的目的和意义 实际生产中，在设计气-液介质换热器（特别是中、低压气-液换热器）时，为了保证气、液两侧的热负荷平衡，就要使气体的体积流量远大于液体的体积流量，即形成典型的大气量、小液量换热工况。设计这类换热器要解决的关键问题是，合理选择换热器的形式与结构，既要使气、液介质均在经济流速下流动，同时又能获得较大的传热系数。这正是本文的研究目的所在。 本设计课题要求我们在详细分析工艺条件的基础上，对适用于气-液介质的换热器进行比较选型，按照所选的形式进行结构设计、工艺计算、强度设计。完成本课题后，不仅可使我们获得综合运用所学基础理论、专业知识、基本技能，提高分析与解决工程实际问题的能力和初步科学研究的能力，使得遵照国家标准和规范进行工程设计的能力有较大提高。2管壳式换热器的工艺计算2.1 确定设计方案 固定管板式换热器 管壳式换热器是一种传统的标准换热设备，具有制造方便、选材面广、适应性强、处理量大、清洗方便、运行可靠、耐高温高压等一系列优点，在许多工业部门中大量使用，尤其是在石油、化工、热能、动力等工业部门所使用的换热器中，管壳式换热器占主体地位。选定的设计方案必须满足：工艺要求，达到指定的产量和质量；操作平稳、易于调节；经济合理；生产安全。其中，固定管板式换热器由于其自身具有的结构简单、紧凑，能承受较高的压力，造价低，管程清洗方便，管子损坏时易于堵管或更换等优点。由以上可知固定管板式换热器能够满足本课题的工艺要求，所以气液介质专用换热器的设计采用固定管板式换热器。 本课题要求设计的是气氨与软水两种流体介质的换热器。根据两种流体的性质以及操作压力选择软水走管程，气氨走壳程。既可以节省壳体的材料，又可以及时排除冷凝液、清洗方便。2.2 确定管程软水的物性参数 2.2.1 定性温度设计参数如下： 软水入口温度：25 软水流量：66 软水压力：0.4Mpa（表压） 气氨入口温度：-10。C 气氨出口温度：5 气氨流量： 53000Kgh 气氨压力：0.38Mpa（绝压） 热流量Q： 已知软水流量： 由 推出： 故可知软水的定性温度为：2.2.2 热容根据文献7,表1.10.1 ，可得21.43定性温度下的水的定压比热容为：。2.2.3 黏度根据文献7 表1-3-1 ，可得21.43定性温度下的水的黏度为：。2.2.4 导热系数根据文献7 表1.11.1 ，可得21.43定性温度下的水的导热系数为：2.2.5 密度根据文献7 表1.2.2 ，可得21.43定性温度下的水的密度为：2.3 确定壳程气氨的物性参数2.3.1 定性温度气氨的定性温度为：2.3.2 热容 根据文献7 表2.28.3 ，可得-2.5定性温度下的气氨的定压比热容为为：。2.3.3 黏度根据文献7 表2.3.26，可得-2.5定性温度下的气氨的黏度为：。2.3.4 导热系数根据文献7 表2.9.8，可得-2.5定性温度下的气氨的导热系数为：2.3.5 密度根据文献7 表2.2.19 ，可得-2.5定性温度下的气氨的密度为：2.4 估算传热面积2.4.1 热负荷Q按大的传热量由以上可知：2.4.2 平均有效温差： 2.4.3 传热面积 根据文献8，表12-1-5a，得K的取值范围为：350-450,取，则所以 考虑到10%的面积裕度：则2.5 工艺结构尺寸2.5.1 决定通入空间，确定管径 为便于水垢清理，决定水走管内，气氨走壳程。并选用252.5的20号钢。考虑到主要热阻在管间气氨侧，故管内热流体的流速大致维持在0.5m/s.2.5.2 换热管排列方式 正三角形排列可以在同样的管板面积上排列最多的管数，故用得最为普遍。因此，本设计的换热管排列方式选用正三角形排列。管间距t32mm,取管间距t=45mm。2.5.3 确定管程(数)、传热管数n、管长 L及壳体内径 考虑管内空间分为两程，管长取4.5m. (1)传热管数： 根 根据化工设备设计全书换热器设计， 取壳体内径：(2) 排管：按正三角形错列排布，具体见管板图。 实际排管数为248根，另有6根折流板固定杆位置。2.5.4 拉杆根据文献9表43、表44得：Di=800mm，其拉杆直径为=16 mm,拉杆个数为6。2.5.5 折流板 采用单弓形折流板，取弓形折流板的圆缺高度为壳体内径的45%：h=0.45800=360mm折流板间距应不小于壳体内径的1/5且不大于壳体内径Di=800mm，故取板间距B=800mm折流板数：NB=-1= 实取折流板数N=4块，则靠近两管板端的间距为650mm，其余中间的板间距均为800mm。2.5.6 画布管图 绘制布管图（可参照管板图）,知实际布管根数为248根，除去拉杆数6根，得实际换热管数为NT=242根。2.5.7 接管管程接管 取壳程进、出口流速为，则接管内径为： 根据文献10.表，选用规格为的接管。根据文献11表，取接管外伸长度。 (2)壳程接管 取管程进、出口流速为，则接管内径为： 根据文献10.表，选用规格为的接管。根据文献11表，取接管外伸长度。2.6 换热器核算2.6.1 传热能力的核算 (1) 管程给热系数管程的实际水速： 雷诺数： Rei故管程流体流动为湍流普朗特数： Pri则管程给热系数为： (2) 壳程给热系数壳程的当量直径： 流体横过管束时的流通面积： 折流板切除高度 由此得 所以 折流板弦长 弓形面积 管子截面积与壳体截面积之比 圆缺区内的流通面积 几何平均流通面积 单位面积的质量流量 雷诺数 普朗特数 壳程给热系数 (3) 污垢热阻和管壁热阻由文献8查得：壳程氨气的污垢热阻为: 管程合成气的污垢热阻为： 管壁材料20号钢的导热系数为： (4) 传热系数 (5)传热面积核算 理论传热面积为： 实际传热面积为： 面积裕度： 此设计，面积裕度为9.5 ，满足要求，不需要重算。2.6.2 换热器内流体阻力计算 （1）管程压力降管内摩擦系数 直管沿程阻力引起的压力降 管程回弯压力降 取管箱进出口流速为则管箱进出口压力降 故管程压力降为 满足条件。(2) 壳程压力降采用Bell法计算： a. 与管束垂直流动的压力降：接近中心线管排处的最小错流截面积 此处垂直流动的单位面积最大质量流速 此处的雷诺数 根据Re，壳程摩擦系数为。管束外缘与壳体内壁之间的间隙的流通截面积 此处旁流的修正系数 横过管束的错流压力降 b. 通过折流板缺口处流动的压力降：折流板缺口处的流通截面积 其中由文献12表2-22查得。折流板缺口处的流速 最小错流面积上的流速 几何平均流速 故 c. 间隙流动的修正系数折流板的管孔（选孔径为d=26mm）和传热管外径之间的间隙的流通截面积折流板（选其直径）和壳体内壁之间的间隙的流通截面积 根据，由文献8图2-74查得压力降修正系数 故间隙流动修正系数为： d. 壳程压力降 如取壳程进出口管中的流速为25m/s，则壳程进出口管中的压力降为 这样，壳程全部压力降应为 所以，满足条件。3 管壳式换热器的结构设计及强度计算3.1 换热器筒体及封头的设计3.1.1 筒体设计 根据壳程流体的温度和压强，选择壳体圆筒材料为Q345R。因为设计压力，由 GB150-1998钢制压力容器,假设筒体壁厚为6-16mm查得：设计温度(45)下圆筒材料的许用应力。按文献12查得取名义厚度。3.1.2 封头与管箱设计 选择标准椭圆形封头，封头材料为Q345R低合金钢。封头内径=800,封头内曲面高度,计算压力=0.5MPa,标准椭圆封头系数K=1。 根据文献12假设壁厚为616mm查表得：设计温度下材料的许用应力,焊缝系数=0.85。封头计算壁厚 对于低合金钢管：腐蚀裕量C2=2mm,则设计厚度为 由文献12查得：厚度负偏差C1=0.3，则封头名义厚度为 取封头名义厚度为则封头有效厚度为 管箱选用与封头相同材料Q345R ，管箱内径，计算压力。 根据文献12假设壁厚为6-16mm查表得：设计温度下材料的许用应力,焊缝系数=0.85。管箱计算壁厚 同理腐蚀裕量，厚度负偏差C1=0.3mm,则管箱名义厚度为 取管箱名义厚度为 有效厚度为 取管箱长度为 3.2 换热器水压试验及其壳体应力校核3.2.1 压力试验的目的 除材料本身的缺陷外，容器在制造（特别是焊接过程）和使用中会产生各种缺陷。为考虑缺陷对压力容器安全性的影响。压力容器制造完毕后或定期检查时，都要进行压力试验。3.2.2 试验压力及应力校核 耐压试验有液压试验和气压试验两种，是容器在使用前的第一次承压，且试验压力要比容器最高工作压力高。容器发生爆破的可能性比使用时大。由于在相同压力和容积下，试验介质的压缩系数越大，容器所储存的能量就越大。爆炸也就越危险，故应选用压缩系数小的流体作为实验介质。只有因结构或支撑等原因不能向容器内充灌水或其他液体，以及运行条件不允许残留液体时，才用气压实验。本设计只需进行液压试验。对于壳程的水压试验如下由文献12查得许用应力： 内压容器试验压力为： 为使液压试验时容器材料处于弹性状态，在压力试验前必须按下式校核实验时圆筒的薄膜应力。 故满足要求。3.3 开孔补强3.3.1 对管程接管的补强计算 接管选材为Q345R，受内压的圆筒，设计温度为45，由文献12查得设计温度下的许用应力=174MPa，管箱材料许用应力=189MPa，筒体和接管的厚度附加量C取为2.3 mm。 (1) 开孔所需补强面积 开孔直径：且d=206mm2mm管程侧腐蚀裕量 2mm 分程隔板槽深4mm2mm管板有效厚度，即校核中的计算厚度换热管的有效长度（2）管子加强系数K(3) 管板周边不布管区无量纲宽度 3.6.4.7 旋转刚度无量纲参数（1）壳体法兰与圆筒旋转刚度参数已知壳体法兰（管板延长部分）厚度由文献9图26 ，查得=0.0005（2）旋转刚度无量纲参数3.6.4.8确定系数由 查查文献3 图27，管板第一弯矩系数 图29， 由 查文献3 图28， 图30 法拉力矩折减系数令管板边缘力矩系数法兰力矩变化系数:3.6.4.9设计条件不同危险组合工况的应力计算以第一组危险组合工况为例，即只有壳程设计压力，不计膨胀变形差，按文献9顺序计算： 查文献9图30以下为各项应力计算及校核：令 = = 根根据文献9第5，8,23胀接长度取第二组危险组合工况： 应力校核：=第三组危险组合工况： 应力校核： = = 第四组危险组合工况： 以下为各项应力计算及校核： = = 应力校核： = = 3.7 支座形式的确定3.7.1 已知条件 已知壳体内径，总高度，支座底板距地面高度3000mm，h=1000mm,设置地区基本风压，地震设防烈度为7度，取a=0.08；设计压力0.5MPa，设计温度45； 支座材料为16MnR，垫板材料，底板材料； 圆筒名义厚度8mm，厚度附加量； 设备总重量5000kg。3.7.2 校核 根据文献18，选用4个A3耳式支座，支座允许载荷。3.7.3 计算支座承受的实际载荷 地震载荷： 风载荷： 安装尺寸 支座承受的实际载荷Q： 所以，满足支座本体允许载荷要求。3.7.4 计算支座处圆筒所受的支座弯矩 筒体有效厚度 根据和P查JB/T4710表B.4得所以，满足要求。4 螺旋板式换热器的设计设计参数见上文4.1 传热工艺计算 螺旋板式换热器的部件选用Q345R材料。 由于是气液热交换，所以按型换热器确定各部件的结构和尺寸。流体流向的选择软水有螺旋管道流进中心，再由中心从螺旋管道流出；气体从轴向流出。4.1.1 传热量计算传热量计算见上文。4.1 .2 冷却水的出口温度冷却水的出口温度计算见上文。4.1.3 螺旋通道截面积与当量直径de的计算液氨通道设气体流速为：通道的截面积：选螺旋板宽度：H=1.2mm通道宽度：则当量直径为：软水通道设软水流速为：通道的截面积：通道宽度：则当量直径为： 4.1.4 雷诺数和普朗特数氨气（冷程）通道： 将已知数据代入得： 将已知数据代入得：软水（热程）通道： 将已知数据代入得： 将已知数据代入得：4.1.5 给热系数的计算两种介质的雷诺数均大于6000，即均在湍流范围内，故用下面的公式计算： 冷程通道设中心直径：螺旋体外径：平均直径：4.1.6 总传热系数K 应用串联热阻推导出的公式计算： 螺旋板为碳钢，板厚：导热系数：污垢热阻：将数据代入上式，可得： 4.1.7 对数平均温差 按纯逆流计算，平均传热温差： 4.1.8 换热器传热面积F 已知传热量 由传热方程式，得：将已知数据Q、K、tm代入上式得： 4.1.9 螺旋通道长度L 4.1.10 螺旋圈数n与螺旋体外径 前述，已知板厚，螺旋中心直径。不等通道宽度的螺旋圈数按下式计算： 式中， 代入上式得，螺旋体外径为： 前面假设之螺旋体外径： 计算之值与假设之值两者相差为： 说明所设螺旋体外径是可行的。4.2 流体压力降P计算 由于螺旋板换热器流体压力降的计算没有一个较准确的计算公式，本设计采用两种公式进行计算，以便于比较。4.2.1 按直管压力降的计算公式 用螺旋通道的当量直径代替管径，并考虑粘度的影响，用下式计算： 由图5-19的曲线查得： 冷程摩擦系数 热程摩擦系数为求壁温下下之粘度，需按下式求出壁温的大小： 将各数据代入得： 在的粘度： 气体通道的压力降：将已知数据代入上式得，水侧通道的压力降：将已知数据代入上式得，4.2.2 按大连工学院等单位推荐的公式计算气体通道和进出口的压力降按下式计算： 软水通道和进出口的压力降按下式计算： 设定距