160㎡固定管板式换热装置设计大学毕设论文

-第一章引言1.1换热器的用途换热器的作用是将热的流体的所具有的部分热量传递给冷的流体的转换设备。换热器在生产中和生活中应用广泛，例如楼体取暖的暖气散热片、汽轮机装置中的冷凝器等，都属于换热器。[1]。换热器在节能技术改革中具有的作用表现在两个方面：一是在生产工艺流程中使用着大量的换热器的效率显然可以减少能源的消耗；另一方面，用换热器来回收工业余热，可以显著提高设备的热效率[2]。1.2换热器的分类换热器的分类方法有很多种。按其用途：可将换热器分为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器、再沸器[3~4]。按其传热方式和作用原理：可分为混合式换热器、蓄热式换热器、间壁式换热器等。在这其中，间壁式换热器在工业生产中的应用相对广泛。根据其换热面的形状可以分为板面式、管式、扩展表面等形式。在这其中管式换热器的应用较为广泛，管式管热气是通过换热的管壁传到热量的。管式换热器具有结构简单、制造简单、材料广泛等优点，应用较广泛[5]。管壳式换热器的形式：管壳式换热器根据其结构的不同，可以分为固定管板式换热器、浮头式换热器、U形管式换热器、填料函式换热器、釜式重沸器等[6~8]。1.3换热器的发展趋势上个世纪20年代诞生板式换热器，它主要应用在食品行业中。板式换热器具有结构紧凑、导热效果佳等优点因此衍生成为很多种形式，知道上个世纪30年代，瑞典人提出螺旋板换热器[9~12]。到1930左右，瑞典人既上一次又制造出一台板壳式换热器，主要应用与纸浆生产[13]。60年代左右，由于空间技术和尖端科学的迅速发展，迫切需要各种高效能紧凑型的换热器，再加上冲压、钎焊和密封等技术的发展，换热器制造工艺得到进一步完善，从而推动了紧凑型板面式换热器的蓬勃发展和广泛应用[14]。加强生产制造成本的标准系列化，促进设备结构的紧凑型，提高设备的传热效率是单签换热器发展的趋势。并在广泛的范围内继续向大型化发展，并CDF（ComptationalFluidDynamics）模型化技术、强化传热技术及新型换热器开发等形成一个高技术体系[15~16]。板翅式换热器（冷箱）应用在乙烯裂解，天然气液化还有空气分离等。我国杭州制氧机集团有限公司（杭氧）在引进美国S-W公司技术和关键加工设备——大型真空钎焊炉基础上，生产制造出的乙烯冷箱，设计水平和制造能力已基本达到国际先进水平，并在燕山，扬子，上海，天津，广州及齐鲁等乙烯改造项目中得到应用。板翅式换热器流道多达15股，单体外形尺寸达6m×1.1×1.154m,最高设计压力达5.12Mpa。管壳式换热器具有结构坚固、弹性大和使用范围广等独特优点，一直被广泛应用。尤其在高温高压和大型化的场合下，以及制造工艺上的进一步自动化和机械化，管壳式换热器今后将在广泛的领域内得到继续发展[17]。第二章固定管板式换热器的工艺计算2.1估算换热面积2.1.1选择换热器的类型两流体温度变化情况：热流体进口温度170℃，出口温度140℃；冷流体进口温度70℃，出口的温度为90℃，所以初步确定为固定式管板式换热器。2.1.2流程安排从两物流的操作压力来看，应使温度低的走管程，温度高的走壳程。2.1.3确定物性数据定性温度：对于一般气体和水等低粘度流体，其定性温度可取流体进出口温度的平均值。故壳程流体的定性温度为：管程流体的定性温度为：根据定性温度，分别查取壳程和管程流体的有关物性数据。在155℃下的有关物性数据如下：密度=1.38kg/定压比热容=1.038kJ/kg·℃热导率=0.0545W/m·℃粘度=2.3×Pa·sN2在80℃下的物性数据：密度=1.14kg/定压比热容=1.038kJ/kg·℃热导率=0.051W/m·℃粘度=2.1×Pa·s2.1.4传热量与冷水流量1.热流量：（2-1）2.平均传热温差:（2-2）2.2工艺结构尺寸2.2.1管径和管内流速换热管的规格就是管长还有管径，换热管的管径越大，换热器的单位体积换热面积反之就小。对于干净的流体管径取值可以小一些，但是一些不是很洁净的流体管径，取值就应该大一些，避免发生堵塞现象。在本次设计中选用Φ25×2较高级冷拔传热管（碳钢），取管内流速=10.8m/s2.2.2管程数和传热管数根据传热管内径和流速确定传热管数：（2-4）传热管总根数平均温差校正系数：按单壳程，两管程结构，查得：平均传热温差：（℃）（2-7）由于平均温差校正系数大于0.8，同时壳程流体流量较大，故取单壳程合适。2.2.4传热管排列和分程方法管道的排列方式通常可以分为三种：三角形、正方形、转角正方形。通过比较，等边三角形排列是比较紧凑的，管道外部流体湍动程度较高，其表面的传热系数较大。正方形排列虽然比较松散传热较差，但是管道外部清洗比较方便，通常对于易长生污垢的流体更为适用。图2.1换热管排列方式综合本设计结构和工艺结构考虑采用正三角形排列方法。取管心距（焊接时），则（2-8）隔板中心到力气最近一排管中心距离：（2-9）2.2.5壳体内径采用多管程结构，取管板利用率，则壳体内径为：=600(mm)（2-10）按卷制壳体的进级档，可取600mm。2.2.6折流板折流板的安装是为了提高管道外部对流传热的系数，其挡板的间距与形状需要适当，本文所设计内容采用截面形状为弓形的折流板，弓形大小会增加流体的阻力，太小则不会利于传热。取弓形折流板圆缺高度为壳体内径的25%，则切去的圆缺高度为：（mm）故可取h=1665（mm）取折流板间距，则：（mm）故可取B=333（mm）折流板数：（2-11）2.2.7其他附件根据本换热器壳体的内径，故按标准取拉杆直径为，拉杆数量4根。壳程入口处应设防冲挡板[19]。如下表所得：表2-1拉杆直径表换热管外径d拉杆直径dn10≤d≤141014〈d〈251225≤d≤57162.2.8接管壳程流体进出口接管：取接管内流速为，则接管内径为:（2-12）圆整后可取内径为360mm。管程流体进出口接管：取接管内液体流速，则接管内径为：（2-13）圆整后取管内径为300mm。2.3换热器核算2.3.1热流量核算（1）壳程表面传热系数用克恩法计算，（2-14）当量直径：（2-15）壳程流通截面积：（2-16）壳体流体流速及雷诺数分别为：（2-17）（2-18）普朗特数：（2-19）粘度校正：则：（2）管内表面传热系数：（2-20）管程流体流通截面积：（2-21）管程流体流速：普朗特数：（2-22）（3）污垢热阻和管壁热阻管外侧污垢热阻：管内侧污垢热阻：碳钢在该条件下的热导率为管壁热阻为：（4）传热系数（2-23）2.3.2壁温核算取两侧污垢热阻为零计算传热管壁温（2-27）式中液体的平均温度和为：（℃）（2-28）（℃）（2-29）传热管平均壁温：℃壳体壁温可近似取为壳程流体的平均温度，即℃。壳体壁温和传热管壁温之差为：由于换热器壳程流体的温差不大，壳程压力不高，因此，选用固定管板式换热器较为适宜。2.3.3换热器内流体的流动阻力（1）管程流体阻力（2-30）（2-31）传热管对粗糙度，查图得流速，（Pa）（Pa）（2-32）(Pa)管程流体阻力在允许范围之内[19]。（2）壳程阻力（2-33）.（2-34）（2-35）m/s(Pa)流体流过折流板缺口的阻力：（2-36）m,m（Pa）总阻力：（Pa）由于该换热器壳程流体的操作压力较高，所以壳程流体的阻力也比较适宜。2.4换热器的主要结构尺寸和计算结果表2-2物性参数表参数管程壳程流率/（Kg/h）148971347600进/出温度/℃110/6029/39压力/MPa0.90.4定性温度/℃80155密度/（Kg/m3）1.381.14定压比热容/KJ/(Kg.K)1.0381.038粘度/cp0.2110.23热导率/[W/(m.℃)]0.0510.054普朗特数4.424设备结构参数：壳体内径/mm：600，壳程数：1，管径/mm：Ø25×2，材质：碳钢，管心距/mm：25，管数目/根：450，折流板数/个：11，传热面积/㎡：160，折流板间距/mm：2000，管程数：2。表2-3计算结果表主要计算结果管程壳程流速/（m/s）10.820表面传热系数/[W/(㎡.℃)]76371565污垢热阻/（㎡.h.℃/Kcal）0.00020.000176阻力/MPa0.02880.025传热温差/K62.3面积裕度％17.9PAGE24第三章强度计算3.1筒体壁厚计算由工艺设计给定的设计温度155℃，设计压力=1.1=1.1×0.9=0.99，选低合金结构钢板16MnR卷制.材料170℃时的许用应力=170Mpa（假设厚度为6～16mm时）[12]取焊缝系数=0.85,腐蚀裕度C2=2mm.则计算厚度（3-1）设计厚度（3-2）对于16MnR，钢板负偏差，因而可取名义厚度。有效厚度（3-3）水压试验压力（3-4）所选材料的屈服应力水压试验应力校核（3-5）水压强度满足要求.气密试验压力3.2管箱短节、封头厚度的计算3.2.1管箱短节厚度的计算由工艺设计给定设计参数为:设计温度60℃,设计压力=1.1=1.1×0.4=0.44,选用16MnR钢板,材料许用应力=170Mpa,屈服强度,取焊缝系数计算厚度（3-6）设计厚度（3-7）名义厚度（3-8）综合考虑结构,补强,焊接的需要,取有效厚度（3-9）3.2.2封头厚度的计算壳体封头选用标准椭圆封头计算厚度（3-10）名义厚度（3-11）为了便于选材壳体封头厚度取与短节厚度相同.有效厚度压力试验应力校核水压试验压力（3-12）（3-13）3.3管箱短节开孔补强的校核开孔补强采用等面积补强法,由工艺设计给定的接管尺寸为考虑实际情况选20号热轧碳素钢管,,腐蚀裕度（3-14）接管计算壁厚（3-15）接管有效壁厚（3-16）开孔直径（3-17）接管有效补强宽度（3-18）接管外侧有效补强高度（3-19）需要补强面积（3-20）可以作为补强的面积为（3-21）（3-22）（3-23）该接管补强的强度足够，不需另设补强结构。3.4壳体接管开孔补强校核开孔补强采用等面积补强。选取20号热轧碳素钢管，钢管的许用应力，接管计算壁厚（3-24）接管有效壁厚（3-25）开孔直径（3-26）接管有效补强宽度（3-27）接管外侧有效补强高度（3-28）需要补强面积（3-29）可以作为补强的面积为（3-30）（3-31）（3-32）无需另设补强结构。3.5管板设计及校核3.5.1管板计算的有关参数的确定计算壳程圆筒内直径横截面积（3-33）圆筒壳壁金属的横截面积（3-34）一根换热管管壁金属的横截面积（3-35）（3-36）两管板间换热管有效长度(估计管板厚度为)（3-37）管束模数根据查得(换热管材料为)（3-38）管子回转半径（3-39）管子受压失稳当量长度由,确定（3-40）取（3-41）管子稳定许用压应力根据查得[4]（3-42）,由公式得为（3-43）管板开孔后面积（3-44）管板布管区面积（3-45）管板布管区的当量直径（3-36）系数为（3-37）壳体不带波形膨胀节时,换热管束与圆筒刚度比（3-38）系数、、（3-39）（3-40）（3-41）管板布管区的当量直径与壳程圆筒内径之比（3-42）3.5.2计算法兰力矩根据,壳程直径,选用甲型平焊法兰,直径螺柱选用,数量,材料为。预紧状态下需要的最小螺栓面积垫片选用石棉橡胶板垫片,公称直径,公称压力P=1.0Mpa垫片型号:1400-1.0JB/T4701-2000,D=1155mm,d=20mm.根据表查得系数，比压力。3.5.3管板的计算的相关参数确定假定管板的计算厚度，则换热管的加强系数为（3-43）刚度参数计算及某些系数的确定确定（根据）（3-44）（3-45）（3-46）3.5.4确定和由和根据查得（3-47）3.5.5对于其延长部分兼作法兰的管板计算计算（3-48）由和根据查得计算（3-49）（3-50）（3-51）3.5.6设计条件不同的组合工况壳程压力作用下的危险组合壳程压力管程压力不计膨胀由和根据查得则取与中较大的值（3-52~55）（1）管板应力（3-56）（3-57）（3-58）（2）壳体法兰应力（3-59）按（3-60）（3）管子应力（3-61）（4）壳程圆筒轴向应力（3-62）（5）拉脱应力连接形式选用焊接（3-63）管程压力作用下的危险组合壳程压力管程压不计膨胀差（3-64~67）由和根据查得则（3-68~71）（1）管板应力（3-72）（3-73）（3-74）（3-75）（2）壳体法兰应力（3-76）按（3-77）（3）管子应力（3-78）（4）壳程圆筒轴向应力（3-79）（5）拉脱应力连接形式选用焊接（3-80）计算结果表明进行的管板设计合格。第四章结构设计4.1折流挡板挡板的间距对于壳程的流动具有很重要的影响。挡板的间距过小，则不方便制造和维修，太大怎会造成管道外部流体系数下降。通常挡板的间距为壳体内径的0.2倍到1.0倍。我国系列标准中采用的挡板间距为：固定管板式有100mm、150mm、200mm、300mm、450mm、600mm、700mm、7种；浮头式有100mm、150mm、250mm、300mm、350mm、450mm、(或480mm)、600mm8种[18]。4.2法兰设备法兰标准有：JB4710甲型平焊法兰选用压力范围为0.25～1.6MpaJB4702乙形平焊法兰选用压力范围为0.25～4.0MpaJB4703长颈对焊法兰选用压力范围为0.6～6.4Mpa本设计选用JB4701甲型平焊法兰选用压力范围为0.25～1.6Mpa。4.3换热管目前我国试行的系列标准规定采用Φ25×2和Φ19×2两种规格，对于一般流体是适用的。此外还有Φ38×2.5，Φ57×2.5的无缝钢管。本设计选用Φ25×2规格的换热管。我国生产的钢管系列标准中管长有1.5m、2m、3m、4.5m、6m、9m，按选定的管径和流速确定管子数目，再根据所需传热面积，求得管长合理截取。同时管长又应与壳径相适应，一般管长与壳径之比，即L/D为3～4.5。本设计选用3m的管长。管子的排列方式有等边三角形和正方形两种。与正方形相比，等边三角形排列比较紧凑管外流体湍流程度高，表面传热系数大。正方形排列虽比较松散，传热效果也较差，但管外清洗方便，对亦结垢流体更为适用。本设计选用等边三角形的排列方式[18]。4.4支座化工压力容器及设备都是通过支座固定在工艺流程中的某一位置上的。支座的形式主要分三大类：立式容器支座、卧式容器支座、球式容器支座。卧式容器支座又可分为鞍式支座、圈式支座和支腿式支座，尤以鞍式支座使用最为广泛。鞍式支座的结构特征：1.鞍式支座标准分轻型（代号A）和重型（代号B）两种。轻型用于满足一般卧式容器使用要求；重型用以满足卧式换热器、盛装液体重度大和L/D大的卧式容器使用要求。2.根据安装形式，鞍式支座分固定式（代号F）和滑动式（代号S）两种。3.鞍式支座适用于卧式容器直径DN159～426（用无缝管件筒体）、300～4000（用卷制筒体）的范围内[22]。本设计选用鞍式支座[23]图4.1鞍式支座4.5压力容器选材原则1.选用压力容器材料时，必须考虑容器的工作条件，如温度、压力和介质特征；材料的使用性能，如机械性能、物理性能和化学性能；加工性能，如材料的焊接性能和冷热加工性能；经济合理性能，如材料的价格、制造费用和使用寿命。2.刚制压力容器用钢材应按照国家标准《钢制压力容器》中所列材料选用，标准中规定设计压力不大于35Mpa，对于超出规定的，应进行具体分析，并进行试验，经过研究以后决定。3.钢材的使用温度不超过各钢号许用应力中所对应的上限温度。但要注意的是，碳素钢和碳锰钢在高于425℃温度下长期使用时，应考虑钢中碳化物的石墨化倾向。奥氏体刚的使用温度高于525℃时，钢中的含碳量不应小于0.04％，对于≤-20℃的低温容器材料用钢，还应进行夏比“V”型缺口冲击试验。4.压力容器非受压元件用钢必须有良好的可焊性。5.在考虑压力容器受压元件有足够强度的情况下，必须考虑他的韧性，以防止外加载荷作用下发生脆性破坏[22]。4.6垫片设备垫片标准主要有：JB4704非金属软垫片JB4705缠绕垫片JB4706金属包垫片一般情况下，非金属软垫片适用于甲型平焊法兰、乙型平焊法兰、长颈对焊法兰。法兰密封面形式为光滑密封面或凹凸密封面。缠绕垫片适用于乙型平焊法兰、长颈对焊法兰。非金属软垫片厚度一般根据容器直径选取：容器直径DN≤450mm时，厚度δ=2mm；容器直径DN〉4500mm时,厚度δ=3mm。金属平垫片厚度一般为3～6mm。垫片的选择要综合考虑操作介质的性质、操作压力、操作温度以及需要密封的程度；对垫片本身要考虑垫片性能，压紧用的次数。对高温高压的情况一般多采用金属垫片；中温中压可采用金属和非金属组合式或非金属垫片；中低压情况多采用非金属垫片；高真空或深冷温度下以采用金属垫片为宜。根据本设计要求选用石棉橡胶板垫片，确定垫片系数m=2.5，比压力y=20MPa，垫片尺寸D=944㎜,d=904㎜。结论半学期的毕业设计即将结束，我完成了固定管板式换热装置的工艺设计、结构设计、强度设计的计算，确定了设备结构，完善了设计图纸。通过这次的毕业设计，使我系统全面地了解了化工设备的设计过程，对化工设备有了更深刻、全面地认识，拓宽了知识领域，为今后的工作打下了坚实的基础。本设计主要进行了换热面积估算,实际换热面积为160㎡,工艺结构尺寸的确定，壳体内径为600,换热管规格为Φ25×2；流动阻力计算；零部件选型，选用甲型平焊法兰，垫片选用石棉橡胶板垫片，鞍式支座，折流板选用弓形折流板，螺栓规格M12×60；设备强度计算，经计算及校核后，所得的数据均符合要求。参考文献