固定管板式换热器的设计

徐州工业职业技术学院毕业设计（论文）1第一章绪论1.1化工设备简介化工生产离不开化工设备，化工设备是化工生产必不可少的物质技术基础，是生产力的主要因素，是化工产品质量保证体系的重要组成部分[1]。然而在化工设备中化工容器占据着举足轻重的地位，由于化工生产中，介质通常具有较高的压力，化工容器一般有筒体、封头、支座、法兰及各种容器开孔接管所组成，通常为压力容器，因为压力容器是化工设备的主体，对其化工生产过程极其重要，国家对其每一步都有具的标准对其进行规范，如：中国《压力容器安全技术监察规程》、GB150—1998《钢制压力容器》、GB151—1999《管壳式换热器》等。在其中能根据不通的操作环境选出不同的材料，查出计其允许的工作压力，工作温度等[2]。1.2换热器概述换热器简单说是具有不同温度的两种或两种以上流体之间传递热量的设备。在工业生产过程中，进行着各种不同的热交换过程，其主要作用是使热量由温度较高的流体向温度较低的流体传递，使流体温度达到工艺的指标，以满足生产过程的需要。此外，换热设备也是回收余热，废热，特别是低品位热能的有效装置[3]。1.2.1管壳式换热器的分类根据管壳式换热器的结构特点，常将其分为固定管板式、浮头式、U型管式、填料函式、滑动管板式、双管式等[4]。1）固定管板式换热器固定管板式换热器的典型结构如下图所示。管束连接在管板上，管板与壳体焊接。其优点是结构简单、紧凑、能承受较高的压力，造价低，管程清洗方便，管子损坏时易于堵塞或更换；缺点是当管束与壳体的壁温或材料的线胀系数相差较大时，壳体与管束将会产生较大的热应力。这种换热器适用于壳测介质清洁且不易结垢、并能进行清洗、管程与壳程两侧温差不大或温差较大但壳测压力不高的场合[5]。固定管板式换热器结构图2）浮头式换热器浮头式换热器的典型结构如下图所示。两端管板中只有一端与壳体固定，另一端可相对壳体自由移动，称浮头。浮头由浮头管板、钩圈和浮头端盖组徐州工业职业技术学院毕业设计（论文）2成，是可拆连接，管束可从壳体内抽出。管束与壳体的热变形互不约束，因而不会产生热应力[6]。浮头换热器的特点是管间与管内清洗方便，不会产生热应力；但其结构复杂，造价比固定管板式换热器高，设备笨重，材料消耗大，且浮头端小盖在操作中无法检验，制造时对密封要求较高。适用于壳体与管束之间壁温差较大或壳程介质易结垢的场合。浮头式换热器结构图3）U形管换热器U形管式换热器的典型结构如下图所示。这种换热器的结构特点是，只有一块管板，管束由多根U形管组成，管的两端固定在同一根管板上管子可自由伸伸缩。当壳体与U形换热管有温差时，不会产生热应力[7]。U形管换热器结构图由于弯管曲率半径的限制，其换热管排布较少管束最内层管间距较大，管板的利用率较低，壳程流体易形成短路，对传热不利，当管子泄漏损坏时，只有管束外围处的U形管才便于更换，内层换热管坏了不能更换，只能堵死，而且坏一根U形管相当于坏两根管，报废率较高。U形管结构比较简单、价格便宜、承压能力强、壳壁温差较大或壳程介质易结垢需清洗、又不适宜采用浮头式和固定管板式的场合。特别适用于管内走清洁而不易结垢的高温、高压、腐蚀性大的物料。4）填料函式换热器填料函式换热器的典型结构如下图所示。这种换热器的结构特点与浮头式换热器相类似，浮头部分露在壳体以外，在浮头与壳体的滑动接触面处采用填料函式密封结构。由于采用填料函式密封结构，使得管束在壳体轴向可自由伸缩，壳壁与管壁不会产生热变形差，从而避免可热应力。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你，管内，管间都能清洗，维修方便[8]。徐州工业职业技术学院毕业设计（论文）3填料函式换热器结构图1.2.2管壳式换热器结构管壳式换热器的主要零部件有壳体、接管、封头、管板、换热管、折流元件等，对于温差较大的固定管板式换热器，还应包括膨胀节。管壳式换热器的结构应该保证冷、热两种流体分走管程和壳程，同时还要承受一定温度和压力的能力[9]。(1)管板：管板是换热器的重要元件，主要是用来连接换热器，同时将管程和壳程分隔，避免冷热流体相混合。当介质无腐蚀或有轻微腐蚀时，一般采用碳素钢、低合金钢板或其锻件制造。(2)管子与管板的连接：管子与管板的连接必须牢固，不泄漏。既要满足其密封性能，又要有足够的抗拉强度。其连接形式主要有强度胀接、强度焊接、胀焊结合等[10]。(3)管箱：其作用是把管道中来的流体均匀分布到各换热管中，将换热管内流体汇集在一起送出换热器[11]。(4)折流板和支承板：壳程内侧装设折流板或支承板，折流板的作用是组壳间流道，使流体以适当的流速冲刷管束，提高传热系数，改善传热效果，以达到一定的传热强度。常用的折流板有弓形和圆环形两种，弓形折流板又分为单弓形、双弓形和三弓形[12]。(5)拉杆和定距管：折流板的安装一般是用拉杆和定距管组合并与管板固在一起。拉杆与管板连接的一端可用焊接或螺纹连接，另一端也用焊接或螺纹固定。一般拉杆的直径不得小于10mm、数量不得小于4根[13]。(6)管板与壳体的连接：其连接型式可分为不可拆式和可拆式。1.3换热器相关技术研究内容及发展动向随着换热器广泛应用于各行业，诞生了许多新型的换热器，这使得换热器相关技术也得到不断提高，传热理论不断完善，换热器研究、设计、技术、制造等技术不断发展，换热技术的发展同时又促进了各种新型高效换热器的不断发展[14]。目前各国为提高这类换热器性能进行的研究主要是强化传热，强化传热的主要途径有提高传热系数、扩大传热面积和增大传热温差等方式，其中提高传热系数是强化传热的重点，主要是通过强化管程传热和壳程传热两个方面得以实现。目前，管壳式换热器强化传热方法主要有：采用改变传热元件本身的表面形状及其表面处理方法，以获得粗糙的表面和扩展表面；用添加内插物的方法以增加流体本身的绕流；将传热管的内外表面轧制成各种不同的表面形状，使管内外流体同时产生湍流并达到同时扩大管内外有效传热面积的目的，提高传热管的传热性能；将传热管表面制成多孔状，使气泡核心的数量大幅度增加，徐州工业职业技术学院毕业设计（论文）4从而提高总传热系数并可增加其抗污垢能力；改变管束支撑形式以获得良好的流动分布，充分利用传热面积等。换热器相关技术的发展主要表现在以下几发面：防腐技术，大型化与小型化并重，强化技术，抗振技术，防结垢技术，制造技术，研究手段。随着工业中经济效益与社会环境保护的要求，制造水平的不断提高，新能源的逐渐开发，研究手段的日益发展，各种新思路的与新结构的涌现，换热器将朝着更高效、经济、环保的方向发展[15]。1.4本课题的研究内容及意义本课题主要研究的是固定管板式换热器，查阅换热器相关标准，分析固定管板式各部分性能影响，并进行了换热器的热工计算、结构计算和强度计算[16]。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。本文的研究结果对指导换热器的规模化生产，扩大其应用领域，以在广泛范围内逐步取代进口同类材料，降低使用成本具有重要意义。近年来，随着制造技术的进步，强化换热元件的开发，使得新型高效换热器的研究有了较大的发展，根据不同的工艺条件与工况设计制造了不同结构形式的新型换热器，也取得了较大的经济效益。故我们在选择换热设备时一定要根据不同的工艺、工况要求选择。换热器的作用可以是以热量交换为目的。在即定的流体之间，在一定时间内交换一定数量的热量；也可以是以回收热量为目的，用于余热利用；也可以是以保证安全为目的，即防止温度升高而引起压力升高造成某些设备被破坏[17]。徐州工业职业技术学院毕业设计（论文）5第二章固定管板式式换热器的结构设计本章节主要对固定管板式换热器进行热工设计的计算，它的设计程序或步骤随着设计任务数和原始数据的不同而不同，要尽可能的使已知数据和要设计计算的项目顺次编排，但由于许多项目之间互相关联，无法排定顺序，故往往先根据经验选定一个数据使计算进行下去，通过计算得到结果后再与初始假定的数据进行比较，知道达到规定的偏差要求，试算才告结束。一般换热器的设计程序如下：（1）根据生产任务和有关要求确定设计方案；（2）确定换热器类型和主要结构；（3）根据换热量要求，计算换热面积，确定换热管与壳体尺寸；（4）核算换热器的传热能力及流动阻力；（5）确定换热器的工艺结构，形成工艺简图。2.1设计参数换热器的设计参数如表2.1所示。表2.1设计参数Tab.2.1DesignParametersT介质循环水氯乙烷工作温度（进出口）/℃25/50130/55工作压力（绝压）0.71.5流量（Kg/s）自己确定，可取（5~30）之间一值2.2换热器热工设计由于氯乙烷是有毒介质，循环水是较为洁净介质，所以选择氯乙烷走管程而循环水走壳程较为合理。2.2.1管程流体氯乙烷的定性温度与物性参数(1)氯乙烷的的定性温度：Tm=(T1+T2)/2=92.5℃选择氯乙烷的质量流量：wh=5㎏/(2)定性温度与物性参数的选择与计算根据《化学化工物性数据手册有机卷》查得：氯乙烷在92.5℃下，其液体密度h=758㎏/m3氯乙烷在362.5K下，其粘度h=1.2610-5Pa·s（P125）氯乙烷在92.5℃下，其比热容Cph=8.006932KJ/(kg·0C)(P167)氯乙烷在92.5℃下，其热导率h=0.09079W/(m·0C)(P176)根据公式Prh=Cph·h/h得：普朗特数Prh=8.0069321.25610-5/0.09079=0.0011(3)物料与热量衡算负荷Q=wh·Cph(T1-T2)(换热效率一般取=0.98)=58.006932750.98=2940㏎(4)确定换热器流程形式，计算换热器的有效平均温度差△tm。管壳式换热器主要有逆流式、并流式、错流式几种。在逆流式换热器中两种流体以相反方徐州工业职业技术学院毕业设计（论文）6向流动从热力学角度考虑这种优于其它任何一种，传热效率较高，因此选择逆流的方式进行换热。逆流时：热流体温度T1300C→550C冷流体温度t250C→500C两端温度差△t1050C→50C逆流对数平均温差：△tmr=（△t1-△t2）/ln(△t1/△t2)=(1050C-50C)/ln(1050C/50C)=32.80C流程形式：1流程—2管程参数：R=(T1-T2)/(t1-t2)=75/25=3P=(t1-t2)/(T1-T2)=25/75=0.33查《过程装备成套技术设计指南》得：=1有效平均温度△tm=·△tmr=32.80C(5)出算传热面积根据《过程装备成套技术设计指南》初选传热系数K0=300W/(m2·0C)传热面积A0=Q/K0△tm=2940103/30032.8=321.44m2(6)换热结构设计选择换热管材料：选择材质为20钢，换热管长为9m,25×2.5的无缝钢管，管程压降的结垢修正系数Fi=1.4,换热管内外径分别为：di=20㎜,d=25㎜。换热管管数n=A0/dL=321.44/3.140.0259=454.7根根据《化工设备机械基础》书中，查表7-3，确定其管束为517根，其正六角形对角线上的管子数b=25根根据流体流速范围选定管程数为Nt=2按接管内流速3m/s合理选取管程进出口接管尺寸（外径×壁厚）：djt×sjt=100×4换热管排列方式：选择正三角形排列方式查表7-4得换热管中心距：a=32㎜管束中心排管束：nc=1.1517+6=32根换热器壳体内径的确定：Di=a（b-1）+2L式中：L-最外层管子中心到壳壁边缘的距离，取L=2d0=2×25=50㎜可得：Di=0.032×（25-1）+2×0.05=868㎜取壳体直径Di=1000㎜换热器长径比L/Di=9000/1000=9,在卧式换热器长径比6—10范围内，所以选择的换热器符合要求。折流板的形式：选择单弓形折流板按GB151-1999查得折流板外径Db