管壳式煤油换热器设计

本科毕业设计说明书管壳式煤油换热器设计THEDESIGNOFSHELLANDTUBEKEROSENECOOLER学院（部）：专业班级：学生姓名：指导教师：2015年5月27日管壳式煤油换热器设计摘要换热器是石油、化工、动力、能源及其它许多工业生产部门的通用设备，在生产中占有很重要地位。本次毕业设计的任务是设计年处理量1042.2吨煤油的煤油换热器，采用列管式换热器。设计过程包括方案的确定、换热器结构的选择、主要换热设计计算、计算结果的校核等，并采用计算机辅助设计绘制列管式换热器的装配图。关键词：固定管板式，煤油换热器，工艺设计，强度校核THEDESIGNOFSHELLANDTUBEKEROSENECOOLERABSTRACTHeatexchangerisakindoffacilitythatcommonlyusedinthetermsofchemicalindustry,petroleum,dynamic,foodindustryandmanyotherindustrialsectors.Theassignmentofourdesignstodesignthekerosenecoolingapparatuswhoseannualcapacityis2.2×410ton,andthetubularheatexchangerisadoptedaccordingtothedemand.Theprocessincludingthedeterminationofthescheme,theselectionofthestructure,themajorcalculationoftheheatexchanger,andtheeconomiccalculationwiththehelpcomputer.Inaddition,theerectiondiagramisplottedbymeansofcomputerdesign.KEYWORDS:fixedtubesheet(heat)exchanger,kerosenecooler,processplanning,strengthcheck目录第一章绪论换热器的简介换热器是以两种不同温度的流体进行热量交换的设备，它是化学工业，石油工业及其他一些生产行业中广泛使用的热量交换设备，不仅可以单独作为加热器、冷却器使用，而且是一些化工生产的重要附属设备，通常在化工厂的建设中换热器的比例10%。在炼油厂中高达40%。随着化学工业的迅猛发展及能源价格的大幅提高，换热器的作用在工业生产越来越重要，投资比例将进一步加大，因此，对换热器的研究越来越受到国家的重视。换热器是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，又称热交换器,它是一种热能传递的装置，应用于不同温度下发生热接触的两种或多种流体之间，或固体表面与流体之间，或固体粒子与流体粒子之间的传热过程。对于换热器来说，通常不与外界发生热与功的相互作用。换热器是现代化生产中热量交换和传递不可缺少的设备，换热器的应用广泛，日常生活中取暖用的暖气散热片、汽轮机装置中的凝汽器和航天火箭上的油冷却器等，都是换热器。它还广泛应用于化工、石油、动力和原子能等工业部门。它的主要功能是保证工艺过程对介质所要求的特定温度，同时也是提高能源利用率的主要设备之一。它不仅常用于加工、动力、石油、交通、空调、制冷、低温、热回收、代用燃料和工业制造中，也常作为市场上常见工业产品的重要部件。在热量交换中常有一些腐蚀性、氧化性很强的物料，因此，要求制造交换器的材料具有抗强腐蚀性能。随着经济的发展，各种不同型式和种类的换热器发展很快，新结构、新材料的换热器不断涌现。不同类型的换热器各有优缺点，性能各异、作用的主要方面也不同。在换热器设计过程中，大概步骤为首先根据工艺要求选择适用的类型然后换算所需的传热面积，并确定换热器的结构尺寸。列管式换热器的优点有以下的几个优点：（1）换热效率高，热损失小（2）结构比较简单，处理能力大（3）占地面积小质量轻（4）污垢系数低（5）适应性强，操作弹性大（6）产品应用面广（7）检修清洗方便、节约成本换热器的选型选择换热器时，要遵循经济，传热效果优，方便清洗，符合实际需要等原则。要有足够的机械强度，抗腐蚀和抗损坏能力要强，维护工作量要少；结构要合理，工作要安全可靠，即零部件之间因为温升而产生的热应力不会导致换热器破裂；要便于制造、安装和检修;经济上要合理，设奋全寿命期的总投资要少，生活热水系统的换热器应易于清除水垢等。不同的换热器适用于不同的场合，而列管式换热器在生产中被广泛利用。它的结构简单、坚固、制造较容易、处理能力大、适应性大、操作弹性较大。尤其在高压、高温和大型装置中使用更为普遍。换热器的分类根据列管式换热器的结构特点，主要分为以下四种。以下根据本次的设计需要，介绍几种常见的列管式换热器。固定管板式换热器这类换热器(如图1-1)的结构比较简单、紧凑、造价便宜，运用比较广泛。但管外不能机械清洗。此种换热器管束连接在管板上，管板分别焊在外壳两端，并在其上连接有顶盖，顶盖和壳体装有流体进出口接管。通常在管外装置一系列垂直于管束的挡板。同时，管子和管板与外壳都是刚性连接的，而管内管外是两种不同温度的流体。因此，当管壁与壳壁温差较大时，由于两者的热膨胀是不同的，产生了较大的温差应力，由于两面上的不同大小的力作用以致管子扭弯损害或管子从管板上松脱，以置毁坏换热器。为了克服温差应力必须设置温差补偿装置系统，一般在管壁与壳壁温度相差50摄氏度以上时，一般规定为安全起见，换热器应有温差补偿装置。但补偿装置只能用在壳壁与管壁温差低于60~70摄氏度和壳程流体压强不高的情况。根据国家标准一般壳程压强超过0.7Mpa时，由于补偿圈过厚，难以伸缩，失去温差补偿的效果，就应考虑其它补偿结构。随着节能技术的发展，应用领域不断扩大，利用换热器进行高温和低温热能回收带来了显著的经济效益。图1-1固定管板式换热器浮头式换热器结构特点（如图1-2）：浮头式换热器两端的管板，一端不与壳体相连，该端称浮头。管子受热时，管束连同浮头可以沿轴向自由伸缩，完全消除了温差应力。。浮头式换热器的优点是当换热器与壳体间有温差存在，壳体或换热器膨胀时，互不约束，不会产生温差压力；管束可以从壳体内抽出，便于与管内、管间清洗。缺点：其缺点是结构复杂，造价高(比固定管板高20%)，在运行中浮头处发生泄漏，不易检查处理，用材量大，浮头盖与浮头管板间若密封不严，易发生泄漏，造成两种介质的混合。浮头式换热器适用于壳体和管束温差较大或壳程介质易结垢的条件。图1-2浮头式换热器U型管式换热器u型管式换热器（如图1-3），属石油化工设备，由管箱、壳体及管束等主要部件组成，因其换热管成U形而得名，且两端都固定在同一块管板上，每根管子均可自由伸缩，从而解决了热补偿的问题。管程至少为两程，管束可以抽出清洗，管子可以自由膨胀。此类换热器的特点是管束可以自由伸缩，不会因管壳之间的温差而产生热应力，热补偿性能好；管程为双管程，流程较长，流速较高，传热性能较好；承压能力强；管束可从壳体内抽出，便于检修和清洗，且结构简单，造价便宜。但管内清洗不便，管束中间部分的管子难以更换，又因最内层管子弯曲半径不能太小，在管板中心部分布管不紧凑，所以管子数不能太多。图1-3U型管式换热器填料函式换热器其特点（如图1-4）是管板只有一端与壳体固定连接，另一端采用填料函密封。管束可以自由伸缩，不会产生因壳壁与管壁温差而引起得温差应力。它的优点是结构较浮头式换热器简单，制造方便，耗材少，造价较低；维修方便。其结构较浮头式换热器简单，加工制造方便，节省材料，造价比较低廉，且管束从壳体内可以抽出，管内、管间都能进行清洗，维修方便。但对于易燃易爆、有毒和贵重的介质不适用。图1-4填料函式换热器釜式重沸器釜式重沸器的结构示意图如图（1-5）所示。这种换热器的结构特点清洗维修方便，可处理不清洁、易结垢的介质，并能承受高温、高压。在结构上与其他换热器不同之处在于壳体上部设置一个蒸发空间，蒸发空间的大小由产气量和所要求的蒸气品质所决定。产气量大、蒸气品质要求高者蒸发空间大，否则可以小些。为了保证气液分离效果，液体需要在后端储液槽中停留一段时间。管束可以是固定管板式、U形管式或浮头式。由于釜式重沸器带有扩大的壳体使得金属的消耗量和占地面积都比较大，而且价格也比较高。若壳程介质易结垢或含有固体颗粒，固体会积聚在管束和堰板底部。釜式重沸器可适用于管程不洁净的介质和压力较高等工况，通常作为塔底重沸器向塔式设备提供热源，用于壳程介质气化率比较大的场合。图1-5釜式重沸器列管式换热器的发展：管壳式换热器也称为列管式换热器，是一种通用的标准换热设备装置，它的结构比较简单造价低实用性强，以封闭在壳体中管束的壁面作为传热面的间壁式换热器，一般是由壳体、传热管束、管板、折流板（挡板）和管箱等零部件构成。到目前为止，在国内外工业生产中所使用的换热设备中，管壳式换热器仍然占据主导地位，虽然它在换热效率、结构紧凑性和金属材料消耗等方面，不如其它新型的换热设备，但它具有结构坚固，用材广泛，操作弹性大，适应性强，可靠程度高，处理能力大，能承受高温高压等特点，所以在工程中仍得到了广泛应用。以下是几种常见的其他类型的高效换热器。（1）螺旋槽管换热器这种换热器是由两张平行薄钢板卷制而成，其内部有同心的螺旋形通道。而螺旋槽管是一种管壁上具有外凸和内凹的异形管，流体在流出管壁时在管壁附近诱发螺旋流动。层流层减薄，同时壁表面起伏强化了流体湍流，加快了由壁面至流体主体的热量传递，强化了传热过程，但是操作压强和温度不能太高，流体阻力大，清洗困难。早期进行螺旋槽管研究的主要有美国、英国、日本，从1970～1980年进行了大量的研究。我国对螺旋槽管的实验研究起步也是较早的，华南理工大学、北京理工大学和重庆大学都对螺旋槽管进行了试验研究，而且都取得显著的成效。目前，无论是从传热、阻垢性能等方面，还是从无相变对流换热和有相变凝结换热效果，对螺旋槽管的强化传热研究已经从理论到实际达到较高的水平，它的特点是传热系数大。（2）横纹管换热器1974年前苏联首先提出了横纹管的概念，它是一种由普通的圆管作为毛胚，然后在管外壁经过简单的滚轧出与轴线垂直的凹槽，同时在管内形成一圈突起的环肋。当管内流体流经横向环肋时，管壁附近形成轴向漩涡，该漩涡增加了边界层的扰动，使边界层分离，从而有利于热量的传递，保持了连续而稳定的强化作用。横纹管在我国研究较少，华南理工大学对横纹管进行了实验研究，发现其性能比螺旋管槽好，在同样的传热效果下，阻力增加的比螺旋管槽少。之后沈阳化工学院与辽宁冷热设备制造公司对横槽纹管进行了进一步的开发研制，它的换热器基本无结垢和腐蚀现象，使它的应用得到进一步的发展。（3）螺旋扁管换热器螺旋扁管是瑞士一家公司首先提出，而后由美国Brown公司经过改进的一种换热管。它用于包括电力业、化工业及造纸业方面的无相变的换热和冷凝。螺旋扁管换热器比其他种类换热器更可靠、更有效。但因为其基础元件螺旋扁管的制造质量、精度、成本等因素一直没有得到广泛的推广运用。它的优点是压降小、不易结垢、清洗方便等。我国梁龙虎经实验研究表明，螺旋扁管管内膜传热系数通常比普通圆管大幅度的提高，在低雷诺数时尤其明显，达到2～3倍，随着雷诺数的增加，通常也可提高传热系数50％以上。（4）螺旋扭曲管换热器近年来，螺旋式扭曲管的研制引起了国内外学者的关注。螺旋扭曲扁管换热器是在传统管壳式换热器的基础上，以螺旋扭曲扁管代替光管，壳程不设置折流板，只依靠螺旋扭曲扁管外缘螺旋线的点接触进行自支撑，这样能保证装置的抗震性，且流体在管程和壳程都发生旋流。我国华南理工大学化机所和武汉化工学院化机系也开发了变截面扭曲管和混合管束。在国内投入工业应用并且见之文献的螺旋扭曲扁管换热器有抚顺石油化工公司石油二厂的减四线油热回收换热器以及兰州炼油厂的酮笨脱蜡换热器等。（5）波纹管换热器波纹管换热器已经被广泛应用于石油、化工、冶金等工业生产过程中，波纹管换热器强化传热机理是与螺旋扁管相一致的