【压缩机级间管壳式换热器的设计6500字（论文）】

压缩机级间管壳式换热器的设计目录TOC\o"1-2"\h\u12546压缩机级间管壳式换热器的设计 1110651.绪论 2298361.1换热器概述 2212821.2管壳式换热器的结构及性能特点 282911.3选题意义 3295701.设计方案的确定 4101592.1设计初始数据 4102332.2管壳换热器的型式 482832.3流程的选择 572713.确定流体的定性温度及物性数据 5178853.1定性温度 5187143.2物性参数 5305214.管壳式换热器的工艺计算 6249064.1估算总传热系数 6127994.2估算传热面积 737355.换热器的工艺结构尺寸设计 7231275.1管径和管内流速 7106055.2管程数和传热管数 7246675.3传热管的排列和分程方法 8239185.4壳体内径 854535.5壳程折流板 8251786.换热器的主要传热参数核算 8223776.1热量核算 829964换热器的理论传热面积 10126456.2.换热器内流体的流动阻力 11229146.3接管直径 1213025则 12138397.换热器结构设计与强度校核 13126237.1壳体与管箱厚度的确定 1322820查资料得封头的型号参数如下 14238337.2法兰与垫片 14180007.3管板设计 15135907.4拉杆 1631847.5分程隔板和防冲板 16293267.6折流板 17138578.总结 176739参考文献 19摘要：管壳式换热器普遍应用于化工、动力、电力等工业领域。在化工中可作为冷却器用于给压缩机组中的高温气体降温。在压缩当中气体由体积变化会形成很多的热，将妨碍次一级的气体压缩，此时形成的热量需经由换热器向外排出，可以说换热器应用得当直接影响压缩机组的运行效率。在现今快速发展的时代，国家和企业都慢慢开始注重节约能源、绿色发展。为了可循环长久的发展，逐渐重视节能减排，此时换热器的设计和制造显得尤为重要。本文是设计一台中间冷却器，其工艺参数要满足所给定的设计条件。本设计选定列管式换热器，通过查阅国内外最新文献资料，根据选定的设计参数，初步确认换热器的面积，依设计计算要求进行计算选型和验算，整理处理好的各种工艺数据并使用CAD画出换热器结构图。最终设计出符合要求的换热器。关键词：管壳式换热器；工艺计算；交换热量1.绪论1.1换热器概述换热器是一种将高温流体与低温流体进行热量交换，用来实现工业物料间热量传递的节能设备，在石油、化工、动力、核能等工业领域有较为广泛的应用REF_Ref24509\r\h[1]。资料证明，在炼油化工厂中，各类型的换热器约占全设备成本投入的百分之四十，动力消耗约是总体能量消耗率的20%至30%REF_Ref26736\r\h[2]。所有换热器非常消耗能源。据相关资料揭示，换热器的市场领域有近乎三分之一是属于石油和化工行业。一般在工业物料生产中都有加热、冷却等工艺流程，这些过程需要设置换热器。不仅如此，在机械、集中供暖和制冷等行业都需要用到换热器。由此能证明换热器应用十分普及并且其使用量也较为庞大。换热器按操作过程分为混合式换热器、蓄热式换热器和间壁式换热器，其中管壳式换热器是典型的间壁式换热器。管壳式换热器按照结构形式可分为:固定管板式换热器、浮头式换热器、U形管换热器、双重管式换热器、填函式换热器和双管板换热器等REF_Ref26828\r\h[3]。XE"管壳式换热器按照结构形式可分为\:固定管板式换热器、浮头式换热器、U形管换热器、双重管式换热器、填函式换热器和双管板换热器等多种。"前三种应用较为普遍。1.2管壳式换热器的结构及性能特点图1固定管板式换热器管壳式换热器的主要组成部件为壳体、挡板、管板、管箱、管束和封头等REF_Ref8233\r\h[4]。管束的两端固定在管板上。两种流体在管壳式换热器中进行换热，其在管中流动的行程称为管程，在管外流动的行程称为壳程，管壁即是换热面REF_Ref8233\r\h[4]。把管束固定在管板上可采用焊接法或者是胀接法。壳体与管板连接方式以及壳程进出口与壳体的连接方式都是焊接，管板外圆周用螺栓与封头法兰固定在一起，管程流体的进出口管则焊在封头的适当位置，依据管长设折流挡板，这类换热器管程可以用隔板分成任何程数，壳程也可用纵向挡板分为多壳程，二者搭配应用REF_Ref24808\r\h[5]。

管壳式换热器构造简易，操作可靠，运行稳定且可在环境要求较高的条件下工作，故在工程上广泛应用REF_Ref3708\r\h[6]。如今为了让换热器得到进一步的完善和升级，在设计过程如换热性能、压降损失、机械加工、经济性等角度出发进行更优化的设计。已经在增大换热效率、缩减传热面积、提升设备热强度等方面获得了很好的成就。换热器的大面积应用对于节省能源有着十分显著的效果，大大降低了企业的工业成本，使其效益增长REF_Ref11320\r\h[7]。1.3选题意义工业生产中用到气体，有时要求气体具有较高的压力，需要采用多级压缩，分级逐步提升工业气体的压力REF_Ref27698\r\h[8]。工业气被压缩机压缩后会使其温度上升。需要将出口的工业气温度降到近乎初温，才继续下一个阶段的压缩。降温的过程需要利用换热器。热空气将通过换热器进行热量交换，冷却水会带走热气的部分热量，从而达到降温效果，以便下个阶段继续压缩达到压缩要求。分级压缩机在石油化工、能源和冷冻工程等方面有着非常广泛的应用REF_Ref32072\r\h[9]。我国经济在不断的发展，能源的消耗在迅速增大，随着经济的上升发展，能源消耗问题对经济的制约效果逐渐显得突出，采取实现节约能源减少废物排放的措施开始变得重视起来REF_Ref27698\r\h[8]。因为多级压缩机用途广泛，能源消耗量大，在级间安装符合要求的冷却器冷却高温气体可以减少压缩机的耗功，达到节能的目的。在各种型式的换热器当中，管壳式换热器所具备的优点有结构简单，运行过程稳定和构件的材料选择性广等。当今管壳式换热器是使用普遍的型式，所以此次设计确定为管壳式换热器。设计方案的确定2.1设计初始数据类型参数质量流量（kg/s）进口温度/℃出口温度/℃流速（m/s）设计压力/MPa热空气29842101.6冷却水-2030-0.4条件：压降不允许超过0.1MPa。2.2管壳换热器的型式此次设计是根据冷却介质的特点和考虑到其它综合因素。选定固定管板式换热器。用来冷却压缩后的热空气。折流挡板的功能：冷却水流动过程会受到折流挡板的部分阻碍，然后形成湍流，从而增大对流表面传热系数，使传热效率变大。2.3流程的选择本次设计的换热器选择热空气走管程，冷却水走壳程。两者之间确定为逆流交换热量，选择原因是：为防止壳体压力过大，选择在管内走热空气，也可减少壳体的金属消耗;热空气流动速度的变动可使传热系数大小发生改变。可提高其流速从而增大对流传热系数。而流速的改变可通过使用多管程的方法实现。3.确定流体的定性温度及物性数据3.1定性温度管程高温空气的定性温度：t壳程水的定性温度：t3.2物性参数压缩热空气（1.6Mpa）在70℃下的有关物性数据如下：密度ρi=12.55kg/m3定压比热容Cpi=1.009kJ/(kg•K）热导率λi=0.0296W/(m•K)粘度μi=0.0000206Pa•s普朗特数Pr=0.702无量纲循环冷却水在25℃下的有关物性数据如下：密度ρo=995.6kg/m3定压比热容Cpo=4.18kJ/(kg•K）热导率λo=0.613W/(m•K)粘度μo=0.000801Pa•s普朗特数Pr=5.462无量纲4.管壳式换热器的工艺计算4.1估算总传热系数4.1.1热流量（忽略热损失）Q=式中：qm1-压缩热空气的流量，kg/scpi-压缩热空气的定压比热容，kJ/(kg•K)∆t1-压缩热空气的温差，Q-热流量，W.4.1.2平均传热温差（忽略热损失）∆其中：T1-压缩热空气进口温度，℃T2-压缩热空气出口温度，℃t1-冷却水进口温度，℃t2-冷却水出口温度，℃再计算平均传热温差校正系数，R=P=温度校正系数为平均传热温差校正为：∆因为Ψ>0.84.1.3冷却水用量m其中：cp2-冷却水的定压比热容，kJ/(kg•K)∆t2-冷却水的温差，mo-冷却水的质量流量，kg/h4.2估算传热面积已知总传热系数范围110-230W/(m2·K），依据经验假定总传热系数K’=170W/(m2·K）,则传热面积为A=5.换热器的工艺结构尺寸设计5.1管径和管内流速选择φ25×2.5mm的传热管（碳钢管）；取热空气流速ui5.2管程数和传热管数单程传热管数n依据单程管计算传热管长度L=单程传热管过长，所以取管长ℓ=3mN传热管总根数N=515.3传热管的排列和分程方法采用组合排列法，每程均按正三角形排列，隔板两侧按照正方形排列。取管间距t=1.25横过管束中心线的管数为n5.4壳体内径采用双管程结构，取管板利用率η=0.7D=1.05t则取D=450mm。5.5壳程折流板采用弓形折流板，设弓形折流板圆缺高度等于壳体内径的14，则切去的圆缺高度为h=0.25D=0.25×450=112.5mm查资料：折流板间距一般为D3，则取折流板间距折流板数:N换热器的主要传热参数核算6.1热量核算6.1.1壳程对流换热系数ℎ其中：①粘度校正为(②当量直径d③壳程流通截面积S④壳程冷却水的流速u⑤雷诺数Re⑥普朗特数Pr=5.462即壳程冷却水的传热系数ℎ6.1.2.管程对流换热系数采用公式ℎ管内流体被冷却，n=0.3①管程流通截面积S②管程热空气流速及雷诺数uRe③普朗特数Pr=即管程热空气的传热系数ℎ6.1.3.总传热系数查资料REF_Ref31925\r\h[10]得：管内侧污垢热阻Ri=0.000176(管外侧污垢热阻R碳钢的导热系数λ该换热器的总传热系数为K此计算值与初设值K’=170W/(m2·K)的关系：K满足换热器设计所要求的KK6.1.4.传热面积换热器的理论传热面积S=换热器的实际传热面积S换热器的面积裕度为H=传热面积裕度大于要求的0.15~0.20S面积裕度为H=在0.15~6.2.换热器内流体的流动阻力6.2.1管程流动阻力∆式中：FtNsNp当Re>10λ直管部分的压降：∆弯管回路中的压降：∆总压降：∆因为∆P6.2.2.壳程流动阻力计算壳程阻力公式：∆式中：FsNs流体横过管束的压降：∆其中：F-管子排列方法对压降的校正因数，取F=0.5;foncNB当Re>500时，fn故∆∆总压降：∆因为∆P6.3接管直径①壳程流体进出口接管：取接管内水的流速为ui=0.26m/d取标准管径为125mm.查资料得管的外径＝133mm，管厚＝4mm，伸出高度=150mm。②管程流体进出口接管：取接管内空气的流速为uo=10m/s则d取标准管径为150mm.即取管的外径＝换热器结构设计与强度校核7.1壳体与管箱厚度的确定冷却水设计温度为25℃，设计压力为0.3MPa。本次设计的换热器为常规容器，所以采用低碳低合金钢制造，选择16MnR为壳体和管箱的材料。7.1.1圆筒壳体厚度的计算及校核选双面焊对接接头，选择全方位无损探伤，焊接系数Φ=1.0；依据相关规定得：C1=0.6mm,C2δ设计厚度：δ名义厚度：δn=δd查其最小厚度为6mm,则计算的厚度不满足要求，取δ有效厚度：δ水压试压压力：P水压试压应力：σ水压试压应力校核σ故所设的厚度满足要求。7.1.2管箱厚度计算及校核选用标准椭圆形封头，材料为16MnR,故K=1，其中C采用双面焊对接接头，部分进行无损探伤的焊接形式，取Φ=0.85材料在70℃的许用应力为[σδ设计厚度：δ名义厚度：δ考虑到和法兰及管板连接的最小厚度取δ名义厚度：δ水压试压压力：P水压试压应力：σ水压试压校核：σ故所设的厚度满足要求。查资料得封头的型号参数如下DN(mm)总深度H(mm)直段长度L(mm)内表面积A(㎡)容积(m3)4501132600.250.0167.2法兰与垫片7.2.1管箱法兰与封头法兰选择的法兰参数如下表所示：表7-1法兰尺寸Dn/mmD/mmD1/mmD2/mmD/mmb/mm螺栓规格螺栓数目法兰重量/kg4505655104822532M22×901217.807.2.2垫片采用垫片型式为金属包垫片，材料为0Cr18Ni9，结构如图7-2所示，其尺寸如表7-2：图7-2垫片表7-2管箱垫片尺寸PN(Mpa)DN(mm)外径D(mm)内径d(mm)垫片厚度反包厚度Ｌ1450504472347.3管板设计7.3.1管板厚度设计采取BS法，假设管板厚度为δ3=K则K已知：G1=2.9计算σr和σσσ校核σ查资料得：16MnR钢材的σrσσ符合要求，说明假设厚度合适。管板厚度δ7.3.2管板参数依照壳体内径尺寸，管板参数列于下表：表7-3管板参数参数名称参数值管板直径Da/mm450管板外径D/mm565管板厚度δ3n30螺栓孔直径d2/mm18螺栓规格M16×80螺栓数量n2/个12螺栓孔高度bf/mm28管板螺栓孔间距D1/mm530管板法兰直径Df/mm565管板螺栓内侧边间距D4/mm4877.4拉杆本换热器壳体内径为450mm，查阅资料得：表7-4拉杆参数拉杆螺纹公称直径/mm拉杆长/m前螺纹长La/mm后螺纹长Lb/mm拉杆数/根162.930206047.5分程隔板和防冲板查阅资料REF_Ref13513\r\h[11]，此设计换热器的公称直径Di=450mm<600mm，对于碳钢，得隔板厚度为：b＝10mm；分程隔板长L=260+25+112+5+32−10=424mm；壳程流体：ρ即不需要设置防冲板。7.6折流板前面已计算出：折流板数NB=19块；圆缺高度h=110mm查阅《换热器设计手册》REF_Ref13763\r\h[12]得：折流板直Da=450−3.5−0.5=446mm，折流板厚度C＝5mm。折流板的管孔，按GB151规定I级换热器，管孔直径=19+A折流板的排列如下：图7-3折流板排列方式8.总结此次毕业论文设计题目是“压缩机级间管壳式换热器的设计”。设计前期主要是在知网上查阅关于管壳式换热器的文章以及百度文库里的相关文献，了解本次设计的换热器在工业生产中的作用以及对于压缩机的影响，以便于后期设计出符合冷却热空气要求的换热器。查阅资料后，有了大致的设计基本思路。分别从管壳式换热器的工艺计算、工艺结构尺寸设计、强度校核以及主要构件的选择等方面展开。

在论文的设计撰写过程中得到了锻炼和提升，之前自我认知中查阅资料是件简单的事，但这次毕业设计彻底改变了我的认知，其实查资料很讲究技巧且相对比较灵活。在设计数据计算过程中要确保数据的准确，否则将会影响到之后的传热面积、总传热系数以及阻力损失等各阶段计算和选型。设计初始数据敲定后，要查资料收集相关数据，了解到设计换热器要考虑管程和壳程的平均温度是否得当；换热器和管板的连接方式；壳程圆筒应力计算时焊接系数如何选择等问题。因为计算量较大，这方面我花费了将近一周时间，要确保公式和参数值的准确性，就必须有计划地进行计算。由于在估算总传热系数时估算不当导致我后期需要重算多次，最终查阅资料才确定所设计换热器正确的总传热系数范围，最终得到正