14m³双孔重叠加热半容积换热器的设计 - 副本

摘 要 换热器，是将热 流体 的部分 热量传递 给冷流体的设备，使流体温度达到工艺流程规定的指标的热量交换设备，又称 热交换器 。换热器是 化工 、 石油 、动力、食品及其它许多 工业部门 的 通用设备 ，在生产中占有重要地位。双孔重叠加热 半容积式换热器内置加热器，主要原理是通过提高管内热媒与管外被加热水的流速， 变层流换为 紊流 换热，充分发挥换热管的 热交换 作用，消除被加热水的 短路现象 ，大幅度提高 传热系数 ，从而达到提高 传热效率 ，提高供热量。 本设计的双孔重叠加热半容积换热器。对于本设计我做了相关研究，主要包括以下几点：首先确定双孔重叠换热器的结构方案，并说明其工作原理。其次，设计了材料 的选取方向以及参考参数进行计算。首先进行工艺计算，确认传热面积、平均温差、估计换热量及产热水量以及传热系数 K，计算压力降。 U 型管换热器的结构设计，其中包括：筒体内径的确定，管板和换热管的选择、支撑板、折流板拉杆与定距离 耳、防冲挡板、法兰的选用、垫片、支座。 U 型管换热器开孔、罐体水压试验及其壳体的强度校核、换热器管程水压试验及其壳体强度校核、管板校核 检验与控制，这章主要介绍如何控制及使用此换热器，及需要注意的地方，并且配有图纸。 最后是制造、检验、安装与维修，这里包括个零 件的制造的工艺要求，以及装配过程，出现故障的处理方法等等。 最后是结论。 关键字 : 工艺计算； U 型管换热器设计； 强度校核； 检测与控制； 制造； 安全及维修 he is a of to so of is a an in is of by to to of of so as to of of I of of is is of a a a of U of U of to to to of as as of so is 目 录 第一章 绪论 . 1 题背景 . 1 内外研究动态 . 2 题的依据和意义 . 4 第二章 工艺计算 . 6 . 6 定物性参数 . 6 定传 热面积 . 6 均温度差 . 7 传热系数 K . 7 算换热量及产热水量 . 7 核传热系数 K . 8 算压力降 . 10 . 10 . 12 本章小结 . 13 第三章 U 型管换热器结构设计 . 14 体内径确定 . 14 板与换热器 . 14 撑板 . 14 流板 . 14 杆与定距管 . 15 短路结构 . 16 冲挡板 . 17 兰的选用 . 18 片 . 18 座 . 18 第四章 强度校准 . 20 热器课客体计算 . 20 体 . 20 头 . 20 体计算 . 20 体 . 20 孔补强设计 . 21 管 h j . 21 管 f g . 23 U 型管换热器开孔 . 23 孔开孔 . 26 体水压试验及其壳体的强度校准 . 28 热器管程水压试验及其壳体的强度 校准 . 28 板校准 . 29 章小结 . 31 第五章 检测与控制 . 32 副调节器选用正作用，主调节器选用反作用 . 32 第六章 制造、检验、安装与维修 . 35 述 . 35 料验收 . 35 体的制造 . 36 头的制造 . 37 板的制造 . 37 束的制造 . 38 管的制造 . 38 配 . 39 漆、包装 . 40 热器在使用中常见故障及处理 . 40 结论 . 42 致谢 . 44 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第一章 绪论 1 第一章 绪论 题背景 换热器是一种物在料之间传递热量的设备，在石油、化工、冶金、电力、轻工、食品、制药等行业中应用广泛的一种通用设备。在化工设备的装置中换热器几乎占了总设备数量的 40%，占了总投资的 30%右。随着工业的快速发展，能源资源的消耗量不断增加，能源的短缺已成为了一个全球性问题。最近几年，一些新型换热器相继问世，随着节能新技术的发展和使用领域不断扩 大，利用换热器对工业余热进行回收已经带来了非常显著的经济效益。半容积式换热器是广泛适用于工业和民用建筑等场所的热水供应系统，具有一定的储水量、热能稳定性好。热效率高的特点是，是供热及暖通给排水的理想设备。 随着近代工业的快速发展，以能源为中心的环境、生态等问题日益增加。如今世界各国都在寻找新的能源，同时也更加注重研发新节能新途径。加强传热技术的应用不但能节约能源而且还可以保护环境，大大节约了投资成本。换热器在化工、原子能、石油、动力等工业部门更是广泛应用，因此换热器的传热技术的强化一直以来备受研究人 员的重视，各种研究成果也也不断涌现。随着经济的发展，换热器的发展非常迅速，新结构、新材料的换热器不断出现。换热器又称做热交换器，是一种将热流体部分热量传递给冷流体的设备，是实现化工生产过程中热量传递和交换不可缺少的设备之一，例如加热器、冷却器和凝汽器等等；也成为了某一工艺设备的组成主要部分，例如石化、煤炭工业中余热回收的装置等。本文主要介绍的是现有的换热器分类，各种换热器的特点、工作原理以及现应用情况，对目前换热器存在的问题和未来的发展趋势进行了较详细的分析。 半容积式水加热器最早源自于英国，这是一 种带有一定适量调节容积的囚藏式的快速水加热器的设备。半容积式换热器的 加热器是内置的，它的主要主要原理是通过提高管内的热媒与管外被加热水的流速，变层流换为紊流换热，充分利用了换热管的沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第一章 绪论 2 热交换作用，避免了被加热水出现的短路现象，大幅度的提高了传热的系数，从而达到提高传热效率，提高供热量的目的。 半容积换热器有如下几个有优点。 热器 ， 传热系数 较高，换热量大，相同容积的该产品的换热量分别相当于传统 容积式换热器 的 5； 得贮水部分贮有 10加热水的 水头损失 ，因此 它在设置一般 自动温控阀 的条件下仍能保持供水水压、温平稳、安全、节水、用水舒适的特点 ;内贮水全部为热水、无滞水、冷水区、容积利用率达 100% 内外研究动态 管壳式换热器是目前使用最为广泛换热的设备。它具有很多明显的特点，如：结构坚固、可靠性很高、适用性广泛、便于制造、处理能力很大、生产费 用低、供选用的材料范围较广、换热设备的表面清洗很方便、能承受住较高的操作压力以及温度。在大型高温、高压的换热器中，管壳式换热器依然占绝对的优势、是目前应用最广泛的一种换热器。为缓和能源紧张的压力，各国都致力于研究新型、高效、节能的换热器，努力减少消耗，减少环境污染，强化设备传热，提高传热的效率。 1974 年前苏联首次提出了横纹管，它利用了一种普通管作为毛胚，在管的外壁由简单滚轧出与轴线垂直的凹槽，同时在管的内侧形成了一圈突起环肋。流体流动经过横纹管环槽处时，能频频发生由于与边界层分离而产生的轴向旋涡 ，强化了流体的湍流，旋涡不断产生，保持了连续而又稳定的强化作用，横纹管的研究在本国内研究较少，目前只有华南理工大学对此进行试验，经过其研究表明：在相同流速的情况下，横纹管的流阻比单头螺旋槽管小 1。 螺旋扁管是由瑞士 司首先提出的、 由美国 司经过改进的一种换热管。这种传热管由压扁和扭转两个过程制造而成的，由于管的截面积和形状发生了变化，因此流体流动方向和速度也会随之改变，致使湍流加强，边界层减薄，因此传热加强。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 管有着大幅度提高，在低雷诺数时最为明显，可以达到 2；随着雷诺数的增大，通常也可以将传热系数提高到 50%以上。开发研制，从而使横槽纹管与螺旋槽管换热器的应用得到同步发展 1。 伞板式换热器是用带波纹的伞型板做为传热元件的换热器，是由我国和瑞典在沈阳化 工大学科亚学院学士学位论文 第一章 绪论 3 20 世纪 60 年代初期的时候，各自独立创制的而成的，它的结构与板式换热器大部分相同。伞板式换热器的特点有以下几点：板片用旋压成形的，不需要大型的冲压设备和十分昂贵的大型冲压模；拆卸、清洗十分方便，板片的数量增减自如，而且能适应传热面积的变化。但是伞板式换热 器适用于小流量、小温差、高粘度的流体的换热。它的缺点是：密封周边较长，容易发生泄漏；会受垫片材料性能的限制，不耐高温、高压，通常工作温度要低于 120 ，工作压力要在 1下；流体阻力较大。 内翅片管是一种带肋的壁面， 1971 年美国首先提出内翅片管，用于强化管内单相流体的传热。日本，前苏联等国也进行大量的研究工作。 中国换热器产业起步比较晚。 1963年抚顺机械设备制造有限公司参考美国 1965 年由兰州石油机械研究所研制出了中国第一台板式换热器 ，苏州新苏化工机械有限公司（原苏州化工机械厂）在20 世纪 60 年代的时候，研制出了我国第一台螺旋式换热器。在此之后，兰州石油机械研究所首次引进了德国斯密特（ 热器的技术，原四平换热器总厂也是引进了法国维卡勃（ 热器的技术，国内换热器行业在消化并吸收国外新技术的基础上，开始获得很快的发展。在 20 世纪 80 年代后，中国有了自主研发传热技术的新能力，大量的强化元件很快被推向市场中，国内传热技术高潮时期的代表作包括折流杆换热器、新结构高效换热器、高效重沸器、高效冷凝器、双壳程换热器、板壳式 换热器和表面蒸发式空冷器等一大批优良的高效的换热器。从进入 21 世纪后，大量的强化传热技术被应用在工业装置上，我国换热器产业在技术水平上获得了迅速提升，同样板式换热器也是日渐崛起。例如兰石换热设备公司，其板式换热器成功的进入了国内核电建设项目常规和核岛领域中，并陆续的将板式换热器应用于大乙烯项目中和钛白粉成产线领域中。四平巨元瀚洋板式换热器公司也成功的进入了大亚湾二期岭澳核电站的常规岛和核岛领域 1。 近几年，我国同样在大型管壳式换热器、大直径螺纹锁紧环高压换热器、高效节能板式换热器、大型板式空气预 热器方面取得了重大突破。例如，飞速发展的柏恩品牌（ 诞生与 2004 年。 2008 年 8 月，由中国石化集团上海工程公司和中国第一重型机械公司、兰州石油机械研究所、镇海炼化公司共同承担研制的镇海炼化百万吨 /年乙烯项目 G 装置大型管壳式换热器国产化研制已经通过了技术鉴定，这标志着我国在大型管壳式换热器领域种已经取得了重大得突破。该换热器是国内正在沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第一章 绪论 4 制造的首台换热面积超过 10000 的超大型管壳式换热器。 2009 年 4 月，中国石化组织专家对 “大直径螺纹锁紧环高压换热器国产化研制攻关 ”项目进行了科学技术成果 鉴定。该项目是根据中国石化青岛炼油化工有限责任公司的千万吨级炼油项目中的320 万吨 /年加氢处理装置开展的，由中国石化工程建设公司、兰州石化机械设备有限责任公司和抚顺机械设备制造有限责任公司共同承担的。该换热器的国产化黄庆军等标志着我国已经具备了独自设计和制造 下螺纹锁紧环高压换热器的能力，大大降低了石化工程建设费用，单台设备就可以节约了采购资金 1400 万元，并且更是缩短了交货日期，突破了国外公司垄断地位。 2009 年 6 月，由甘肃蓝科石化高新装备股份有限公司自主研制开发的国产首台 10500效节 能板壳式换热器 国产国产首台 100 万吨 /年 置 10910 板式空气预热器在上海通过了出厂验收。该板壳式换热器将应用在中国石油乌鲁木齐石化分公司 100 万吨 /年芳烃联合装置中，是目前国内单台换热面积最大的国产板壳式换热器，其采用的 型、 T 型分布器等多项技术均属于国际领先水平，也标志着我国换热器的整体已到达国际先进水平。10500 高效节能板壳式换热器的研制成功是国产板壳式换热器发展中的一个重要的里程碑，它标志着国产板壳式换热器已经跨入了国际领先行列，并将结束同类产品依靠进口的历史。 题的依据 和意义 随着近年来国家对环保的意识越来越重视，对设备环保，节能的要求也越来越高，如果有效利用的工业余热度热成为研究的热门问题，同时随着人民生活水平的提升，对热水供暖的需求加大，快递传热，稳定供热的环保设备得到更多的认可。而半容积式换热器具有的换热快速，传热系数高，换热量大，容积利用率大，节能，节省空间等优点。目前其只能依靠 设计标准和规范进行设计，因而不方便。本半容器式换热器的设计采用波节管传热， U 型热交换器，使换热器能迅速产热，提供相对稳定的热水供应。对半容器式换热器的研究具有很大的意 义，对以后相关设计标准的规定也有一定的参考价值。 半容器换热器的优点有很多，发展前景可观，但目前国家对此还没有具体的标准，只有不完善、不配套的行业标准，但是常规的 U 型管换热器的标准，国家是统一的，外侧的热水贮罐是标准的压力容器。在设备的设计和制造中，应尽量使用或接近国家沈阳化 工大学科亚学院学士学位论文 第一章 绪论 5 标准和行业标准，用国家标准来保证设备的安全性、设计者和制造者的人身安全，在保证安全的前提下，为祖国和人民创造更多的高科技产品。 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第二章 工艺计算 6 第二章 工艺计算 已知：卧式贮罐容积： 14m；工作压力（ 壳程 程 计温度（气 ：热媒蒸汽进口温度： 52 ，出口温度： 5 ；壳程循环水进口温度 0 ，出口温度 0 ，壳程 100 。 定物性参数 由已知数据可查化工原理得，如下表 2 此外，由上述已知条件取设计温度为 160 。管程、壳程的工作压力为：管程程 管程设计压力为 程设计压力为 定传热面积 设总传热面积为 32 ，每个换热器 16 ，取波纹管长为 2850总面积： A=2n d得： 管子根数 n=A/2 d3 （ 2 进 口 温 度 出 口 温 度 平 均 温 度 密度 Kg/m 定压比热容 Kj/ 导热系数10W/ （ . ） 黏度10朗 特数 程 152 75 48 程 10 60 35 994 阳化工大学科亚学院学士学位论文 第二章 工艺计算 7 =16/238 然后，根据管板布置图（管的排列方式为正三角形排列，隔板两侧采用正方形排列）验算上述估算 结果，此外，为了结构上的合理性，每壳程布管数为 40 根。最后总布置管数为 80 根。 则总布管后得每个换热器的面积为： A=2nd 均温度差 热媒与被加热水的平均温度 先按照逆流时计算，因为： 51521 2 所以 t= 1060()75152(2 )()( 00 ii 传热系数 K 根据波纹管半容器式换热器中，汽 先假设总传热系数 K=2500 h )=2907W/( ) 算换热量及产热水量 Q=907媒耗量： /51 5 2(2 4 6 0 1 3) 50 （ 2 产热水量： 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第二章 工艺计算 8 1060(1 7 6 0 1 3)t-(t C Q=05Kg/h （ 2 核传热系数 K 1. 壳程换热系数 0 换热管的平均直径 d1+2=(19+25)/2=22 (2流体横过管束时的流通面积： F1=t) (2= 其中， 壳体内径 442mm t换热管中心距 32mm h折流板间距 400流板切除高度： 04s i (2折流板弦长： i 38 32s (2折流板弓形面积 ）（）（ (2）（） )2 管子截面 0 积与壳体截面积之比： （ (2沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第二章 工艺计算 9 （=缺区内流通面积： s(1 (2几何平均流通面积： 21 （ 2 几何平均流速： Vm=c(2s/ 几何平均雷诺数： c =39574 （ 2 壳程平均换热系数： 0=（ (2 =39574)9151W/( ) 2. 管程换热平均系数 i=(1164+ （ 2 式中： 的平均温度 5 W水的流速 W=s d管径 d=上述未知数代入式子得 i=7137W/ 3. 传热系数 K 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第二章 工艺计算 10 002 3 719 1 5 111=3380W/ 算压力降 1. 管程压力降 程压力降由三部分组成，即： (2式中 ： 体流过波纹管部分的压力值（ 程转弯压力降（ 箱进出口压力降（ 上述三项可由下式分别求得： 2i (2m4 W (25.1 h V (2式中 ： i管内流体的摩擦系数 波纹管最小的内径计算的流速（ m/s） m管程数 箱进出口的流速（ m/s） 由下式可得摩擦系数为： i=5 (2沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第二章 工艺计算 11 计算 ： 43 6 0 02 =48040 2 83 6 0 021 0 0 0 0 0 =s 雷诺数 ： = 00 4 =05 （ 2 由（ 2子得： i=5 = （ 2 = 此 由 式 子 （ 2得： 2i （ 2 =45285022 =32770式子（ 2： m4 W = 1 62 824 P （ 2 0m/s,因此： 5.1 h V = 0 02 1 0 09 4 由（ 2子可得： 32770+6116+71100 =1105沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第二章 工艺计算 12 程压力降由三部分组成，即： （ 2 式中 ： 壳程流体在流动路径上所产生的压力降 (流体在壳程回弯处产生的压力降 (壳程进出口压力降 (而以上三项分别由下式可得： 4210 N ）（ （ 2 214 z VN b ）（ 2 25.1 c V （ 2 式中 ： 0壳程流体的摩擦系数； 程折流板的数目； 体内直径 ;(m） 热管的平均直径 ;（ m） c壳程流体的密度 ;（ ） 小流通面积处流速 ;（ m/s） 由下式