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壳式热交换器分类及工艺设计TOC\o"1-3"\h\u8757摘要 4121351引言 554732壳式热交换器简介 526743热交换器的分类及不同特点 518423.1按工作原理或传热方式进行分类 6190203.2不同间壁式热交换器 6116133.3壳式热交换器的种类 6137614强化传热技术 791534.1管程强化传热技术 8123934.2壳程强化传热技术 94884.3整体强化 10298765壳式热交换器工艺设计 11157175.1设计条件 11151735.2定性温度确定 12184975.3热交换器选型 128740总结 135094参考文献 15
摘要该设备在当前比较常用,比如在化工、能源等等方面用的都比较多。换热设备有很多种,对于它的分类是根据它的用途、工作条件等等进行划分的。在当前用的比较多的换热设备是壳式热交换器。它与其他热交换器相比优点有很多,比如易制造、效率高等等。本文在设计壳式热交换器时分为四个部分:第一部分壳式热交换器研究现状;第二部分是工艺设计;第三部分是机械设计;第四部分是校核。关键词:壳式热交换器;化工机械;工艺设计1引言目前世界各国在热交换器理论研究、新技术和新产品开发方面已经进入高层次的探索阶段,涉及领域非常广,近年来我国加大了对各种热交换器的研发,但在一些高效热交换器相关技术方面与世界先进水平还存在不小的差距。我国应努力学习借鉴国外先进技术,努力赶上超越国际先进水平。管壳式热交换器的发展总体上是支承形式的发展,从板式支承,到折流杆式支承,再到空心环支承,最后到管子的自支承。随着支承形式的发展,管壳式热交换器的壳程给热系数呈现不断提高压降呈现不断下降的趋势,热交换器的传热综合性能得到很大的提高。无论是选型还是设计都给我们带来很大的方便。2壳式热交换器简介热交换器是实现热量传递,可以将高温热量传给低温热量。热交换器当前在化工、动力等等方面用的比较多。热交换器在化工厂中投资比较大,约占15%左右。对于能量储存、转化、回收方面来说,热交换器都起到了至关重要的作用。换热设备主要作用就是把热量由高温物体传递给低温物体。另外换热设备还可以进行低温余热的回收,比如烟道气的余热就能用余热锅炉进行回收,这些余热就可以用来发电,这样就可以提高发电效率,提高经济性。目前世界各国在换热器理论研究、新技术和新产品开发方面已经进入高层次的探索阶段,涉及领域非常广,近年来我国加大了对各种换热器的研发,但在一些高效换热器相关技术方面与世界先进水平还存在不小的差距。我国应努力学习借鉴国外先进技术,努力赶上超越国际先进水平。管壳式换热器的发展总体上是支承形式的发展,从板式支承,到折流杆式支承,再到空心环支承,最后到管子的自支承。随着支承形式的发展,管壳式换热器的壳程给热系数呈现不断提高压降呈现不断下降的趋势,换热器的传热综合性能得到很大的提高。无论是选型还是设计都给我们带来很大的方便。3热交换器的分类及不同特点3.1按工作原理或传热方式进行分类直接接触式换热器。它也可以称为混合式换热器。该换热器进行换热时采用的方式是直接接触。只有当工艺上允许两换热流体直接混合时才能选取此类换热器,这种结构的设备不仅换热高效而且所用设备也相对简单。如凉水塔是用换热器里面的冷却循环水的来实现换热,在凉水塔内空气与水直接接触进行热交换。蓄热式换热器。它是一种借助由固体构成的蓄热体与冷热流体交替接触从而实现热量传递的一类设备。此种设备结构简单可耐高温,缺点是体积较大并且两种流体交替难免存在混合。间壁式换热器。它又称作表面式换热器,它是通过温度不同的两种流体在被一固体壁面分的不同空间里流动,两种流体互不接触。间壁式换热器现在已发展各种各样的形式,现在已成为应用最为广泛的一类换热设备。3.2不同间壁式热交换器(1)夹套式此类换热器由夹套和器壁组成,结构较为简单。但也由于结构的限制,这种换热器传热系数不是很大。对于容器能安装有搅拌器或者其他换热器不方便使用的场合,该换热器是很好的选择。(2)蛇管式此类换热器又分为沉浸式和喷淋式。特点是在热体通过细长的蛇形管与外部流体进行热交换。此类换热器结构简单,造价便宜。(3)套管式将两种直径不同的直管装成同心套管,换热时一种流体在内管流动一种流体在外管流动。此种换热器结构简单适用于传热面积不多的场合。(4)管壳式它又叫做列管式换热器,是目前化工及其他工业生产中使用最广泛的的换热器,管壳式管热器由管子、封头、壳体、接管、管板、折流板以及其他附件组成。此类换热器结构紧凑,有较高的可靠性能同时处理能力大,在高温、高压及大型换热器中具有明显的优势。3.3壳式热交换器的种类根据在结构上有无热膨胀补偿和补偿方法的不同,我们将管壳式换热器又简单分为以下三种:(1)固定管板式换热器,如图1所示。(2)U型管式换热器,如图2所示。(3)浮头式换热器,如图3所示。图1固定管板式换热器结构示意图图2U型管换热器结构示意图图3浮头式换热器结构示意图4强化传热技术由对流传热机理分析可知,对流传热系数取决于热边界层内的温度梯度。而温度梯度或热边界层的厚度与流体的物性、温度、流动状态以及壁面几何形状等诸多因素有关。由于流体的种类、特性、温度等都是设计条件,不可改变,但我们可以改变其他影响传热的因素来强化传热。这主要在以下几点:湍流的对流传热系数比层流大,因此我们使冷热流体在流动时尽量做湍流流动。由泵、搅拌器等外力引起的强制对流比自然对流大十几倍到几十倍,因此我们可以通过增加强制对流来强化传热。除以上两点外,通过改变传热面的形状、大小、位置等也可提高传热。由于换热器分管程和壳程因此我们可以通过分别对管程和壳程的合理设计来强化传热。4.1管程强化传热技术波纹管的强化传热效果可以达到相同条件下直管的3倍,当雷诺数在Re=16000附近强化传热效果最佳,并且和管径及波纹尺寸无关;波峰处回流区的存在和表现是波纹管传热强化的关键;波纹管的波纹尺寸对管内传热性能有较大影响,在选择波纹管管型时应适当选择大小圆弧半径较小的管子。图4波纹管结构示意图螺旋槽管是通过专用轧管设备将圆管在其表面滚压出螺旋线形的凹槽,管子内部形成螺旋线形凸起。如图5所示。流体在螺旋槽管内流动时由于螺旋槽的作用将产生旋流,减薄了热边界层厚度,因而会产生明显的传热强化作用。在相同的换热面积和泵功率消耗情况下,使用螺旋槽管可使换热量提高14%到19%。图5螺旋槽管结构示意图内插物管是通过在管内插入物能使介质产生涡旋运动来强化传热的方法,如图所示内插物管尤其对低雷诺数、高黏度流体的传热更为有效。就它们的应用领域来讲,管内插物最大的优点是:在强化传热的同时,又能起到清除污垢的作用。选择哪一种管内插物取决于两个因素:换热性能和成本。图6内插物管结构示意图4.2壳程强化传热技术在壳程介质为液体的工况下,传统弓形折流板换热器的流体流动阻力和振动较大,能量损失严重,因此,壳程强化传热显得尤为重要。近年来,人们采用了各种各样的折流支撑结构来改善壳程流体的强化传热。螺旋折流板换热器与传统的弓形折流板换热器相比具有换热效果好、壳侧压降小、管束不易结垢以及能防止管束流体诱导振动等其他许多优点。其结构如图7所示。由研究可知,在同壳侧流量下,螺旋角为15°的连续螺旋折流板换热器的壳侧换热系数和压降略大于弓形折流板换热器,其余各连续螺旋折流板换热器的壳侧换热系数和压降均小于弓形折流板换热器。同壳侧流量下,随螺旋角的增大,连续螺旋折流板换热器的壳侧换热系数和压降均减小。图7连续螺旋折流板换热器结构示意图常见折流杆如图所示。随着Re的增加,折流杆会产生更加强烈扰流作用,因此可以使传热得到强化。此外,随着折流杆间距的增大,换热系数和流动阻力均有所下降,间距为1200mm时综合效果达到最佳效果。相关研究表明,变截面设计的折流杆进行,不仅能够有效减少流体阻力,提高换热器的综合性能,还可节省材料,同时减轻设备重量,降低成本。图8折流杆换热器结构示意图4.3整体强化整体强化通常是将管程和壳程强化联合起来,从而使强化传热更加高效。还有一种就是通过改变管子形状使得管壳程传热均得以强化。从管壳式换热器的各种研究中可以看出,管壳式换热器的换热效果和壳程压降始终是两个难以同时兼顾的因素,在提高换热器传热效率的同时总会伴随着壳侧压降的增大,反之,把壳程压降减小传热效率不可避免会减小。设计一种在增大管壳式换热器换热效率的同时也降低壳程能耗的管壳式换热器今后也是此次设计研究的主要任务。5壳式热交换器工艺设计5.1设计条件题目所给设计条件及相关参数如表1所示:查阅相关资料得知煤油纯品为无色透明液体
,含有杂质时呈淡黄色。略具臭味。沸程180~310℃(不是绝对的,在生产时常需根据具体情况变动),凝固点:-47℃。平均分子量在200~250之间。密度0.8g/cm³。熔点-40℃以上。运动黏度40℃为1.0~2.0mm²/s。燃烧完全,亮度足,火焰稳定,不冒黑烟,不结灯花,无明显异味。换热器振动与防振。管壳式换热器的管束振动分为纵向流诱振和横向流诱振。横向流诱振在正常的流速下会引起很大的振幅,使换热器产生振动而破坏。主要可以表现为以下特点:相邻管子、管子与折流板或壳体之间发生撞击、摩擦,使管和壳体受到磨损而变薄,甚至使管子破裂。使管子产生交变应力,从而引起管子的疲劳,管子与管板连接处发生泄漏。壳程空间发生强烈的噪声。增加壳程压力降等。目前由于振动的复杂性及技术条件的限制,对换热器振动尚无完善的方法。管壳式换热器壳程流体横流速度过高、结构设计不合理、制造质量差都会引起设备异常振动。一般认为横向流振动主要原因为:旋转脱落、流体弹性扰动、湍流颤振、声振动、射流转换等。对于可能发生振动的换热设备,我们应采取适当的措施以防造成大的危害。一般情况主要从以下几个方面考虑改变流体流速通过减少壳程流量来防止或消除振动,但会因此而降低传热效率。如壳程流量不能改变,可以通过增加管间距来降低流速。改变管子固有频率管子固有频率与管子跨距平方成反比。因此可以可以通过增加跨距来降低固有频率。其次也可以在管子之间插入管状物来限制管子的运动。5.2定性温度确定根据设计条件可知煤油进出口温度分别是140℃/40℃,冷却水的进出口温度为20℃/40℃。所以煤油定性温度。冷却水的定性温度。两流体定性温差。煤油定性条件下的物性参数如下表所示:表2冷却水在定性温度下的物性参数如下表所示:表35.3热交换器选型根据已知条件可知,两流体平均温差大于50℃,而且两流体腐蚀性较小,流体不易产生难以清洗的杂质,此外两流体在换热过程中不会产生高压。参考各换热器的特点。因此可以选择带膨胀节的固定管板式容器。流体流通通道的选择查阅相关资料得知,流体流通通道选择一般遵循以下几个原则:不洁净或者易结构分解的物料应走易清洗的一侧。对于直管管束结构的换热器来说,这一类物质一般走管程。但当管束可以拆出清洗时也可走管外。需要提高流速来增加对流传热系数的需要走管程。压力高的物料走管内。温度先对较高(或较低)的物料走管程以减少热量损失。粘度大的流体()走壳程以减少压力降。综上可知,我们可以初步选择煤油走壳程,冷却水走管程。估算传热面积初选则估算传热面积为了强化传热,提高传热效率,我们选择波纹管作为换热管。参照国家标准《GB/T28713.2管壳式换热器强化传热元件第二部分:不锈钢波纹管》选用换热管型号为:BGB32/24×20×0.6×3500×0Cr18Ni9-GB/T28713.2-2012表4接头形式:涨接或涨焊并用波峰外径:30管胚外径:24波距:20壁厚1mm长度:5000mm此型号换热管换热面积。因此单根管单位换热面积。则管子根数。选择管子排列方式为正三角形。实际传热面积总结随着市场和需求的不断扩大,资源和能源的消耗也不断扩大。就我国目前来说,工业能耗在全国能耗的占比已经大于70%,远高于发达国家的1/3;与此同时,我国单位国内生产总值能耗约为世界平均水平的2.8倍;重化工行业单位产品能耗也远高于世界先进水平。其中,我国原油加工、乙烯、合成氨等产品的平均能耗与国际先进水平存在5%~15%的差距。为此,国家工信部提出到2015年我国单位工业增加值能耗要比2010年降低18%,节能工作依然任重道远。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,我国换热器行业在未来一段时期内将保持稳定增长,2011年至2020年期间,我国换热器产业将保持年均10-15%左右的速度增长,到2020年我国换热器行业规模有望达到1500亿元。炼油化工是高耗能高污染排放行业,在节能减排目标过程中担当着非常重要角色。炼油化工节能涉及生产、工艺、技术、设备、管理等各个方面的一项复杂的工程,其中最为关键是优先采用先进生产工艺、先进节能技术和节能设备,降低能耗物耗,提高能源资源利用率。因此对换热器进行合理的设计就尤为重要,我们不仅要满足设备的功能,同时要更加注重效率,提高能源资源的利用率,并且同时要考虑各方面因素使效益达到最大化。换热器是实现热量传递,可以将高温热量传给低温热量。换热器当前在化工、动力等等方面用的比较多。换热器在化工厂中投资比较大,约占15%左右。对于能量储存、转化、回收方面来说,换热器都起到了至关重要的作用。换热设备主要作用就是把热量由高温物体传递给低温物体。另外换热设备还可以进行低温余热的回收,比如烟道气的余热就能用余热锅炉进行回收,这些余热就可以用来发电,这样就可以提高发电效率,提高经济性。换热设备在当前比较常用,比如在化工、能源等等方面用的都比较多。换热设备有很多种,对于它的分类是根据它的用途、工作条件等等进行划分的。在当前用的比较多的换热设备是管壳式换热器。它与其他换热器相比优点有很多,比如易制造、效率高等等。因此本文展开设计:根据设计条件,参照相关标准规范,选用带膨胀节的壳式换热器满足设计要求。设计预设传热系数为,传热校核计算得实际传热系数。在给定设计条件下基本满足设计要求。参照最新的国家设计标准GB151-2014《管壳式换热器》和GB150-2011《钢制压力容器》等进行机械和结构设计,最后用校核软件校核,校核合格。总的来说此次设计合格,基本满足设计前所想要达到的要求。参考文献[1]李诚,唐叔建,路广遥,周建明,叶亮.小型螺旋管式热交换器结构设计[J].石油化工设备,2021,50(05):27-31.[2]张浩.渤海某油田原油换热器堵塞原因浅析及清洗工艺改进研究[J].清洗世界,2021,37(05):3-5.[3]陈龙豪,朱从健.内部螺旋线型管式热
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