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F170
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F170固定管板式换热器设计含9张CAD图,F170,固定,板式,换热器,设计,CAD
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F170固定管板式换热器设计摘 要换热器是实现能量间的传递与转换的设备，通俗讲，就是能量高的流体介质向能量低的进行传递。固定管板换热器是物料间传热的节能装置。固定管板式换热器作为换热设备之一，具有各种优点与缺点。优点是旁路渗漏流量小、大传热面积、结构简单、制造方便、结构稳固、可靠性高、适用范围广、成本低廉；缺点就是管壳与管壁之间的温差大、管板与管头之间容易产生温差应力、壳侧不可以采用机械清洁、设备的使用寿命相对较低。虽然缺点存在，才能突出优点。管板式换热器就是因为这些优点的存在，才会得到广大人名群众的信赖以及使用。通常情况下，为了节省经济，需要对换热器的强度以及使用寿命格外注意，在设计过程中，就需要设计出最合理的结构；并且在考虑压力、温度、材料、流体性质以及温差等方面的因素下，选择最适合的结构。在设计过程中，也分为管形、管径的设计，换热管排列形式、管程壳程分程设计及进出口设计、折流板的结构设计；在计算方面，换热器的热力计算，稳态传热方程，换热系数、压降等方面的计算，最后还要对换热器的安装与维护。可以了解，换热器的设计是一个复杂的过程。在实际生产中，每个行业的生产条件各不相同，为能得到合适的设备需要设计出不同形式、结构的换热器。选择适合工况的设备，可以增大经济效益。关键词：换热器；使用范围；结构设计；强度计算；材料ABSTRACTHeat Heat exchanger is a device to transfer and convert energy. Generally speaking, it means that fluid medium with high energy transfers to fluid medium with low energy.Fixed tubesheet heat exchanger is an energy-saving device for heat transfer between materials. As one of the heat exchange equipments, fixed tube-plate heat exchanger has various advantages and disadvantages. The invention has the advantages of small bypass leakage flow, large heat transfer area, simple structure, convenient manufacture, stable structure, high reliability, wide application range and low cost. Disadvantages are that the temperature difference between the shell and the tube wall is large, the temperature difference stress is easily generated between the tube plate and the tube head, the shell side cannot be cleaned mechanically, and the service life of the equipment is relatively low. Although the shortcomings exist, the advantages can be highlighted. It is because of these advantages that the tube-plate heat exchanger can be trusted and used by the masses. Under normal circumstances, in order to save economy, special attention should be paid to the strength and service life of the heat exchanger. In the design process, the most reasonable structure should be designed. In addition, considering the factors of pressure, temperature, material, fluid property and temperature difference, the most suitable structure is selected. In the design process, it is also divided into the design of pipe shape and pipe diameter, the arrangement form of heat exchange tubes, the split design of shell side and inlet and outlet, and the structural design of baffle plates. In terms of calculation, the thermal calculation of the heat exchanger, the steady heat transfer equation, the calculation of heat transfer coefficient, pressure drop and other aspects, and finally the installation and maintenance of the heat exchanger. It can be understood that the design of heat exchanger is a complicated process.In actual production, the production conditions of each industry are different. In order to obtain suitable equipment, heat exchangers with different forms and structures need to be designed. Selecting equipment suitable for working conditions can increase economic benefits.Key words: heat exchanger; scope of use; structural design; strength calculation; materials目 录1 前言11.1概述11.1.1换热器11.1.2换热器的类型11.1.3固定管板式换热器21.2固定管板式换热器设计的目的2 1.3管壳式换热器现今发展情况21.4强化换热器传热能力的方法3 1.4.1扩展传热面积3 1.4.2加大传热温差3 1.4.3增强传热系数32 换热器结构论述42.1换热器管形的设计42.2换热器管径的设计42.3换热管排列形式的设计42.4管、壳程分程设计42.5折流板的结构设计52.6管、壳程进、出口的设计52.7 选材方法62.7.1 管壳式换热器的选型62.7.2 流体空间的选择82.7.3 流速的选择82.7.4 材质的选择92.7.5 管子的排列型式93 管壳式换热器的热力计算103.1确定参数103.2稳态传热方程103.2.1热负荷113.2.2总传热系数 113.2.3总传热面积123.2.4平均温差123.3结构初步设计123.4管程换热系数计算133.5壳程换热系数计算133.6管壁温度计算143.7管程压降计算153.8壳程压降计算164 换热器的结构设计174.1换热器壳体壁厚计算174.2换热器封头的选择174.3容器法兰的选择184.4管板194.5计算是否安装膨胀节194.6折流板设计205 强度压力计算和校核225.1壳体厚度校核225.2管子拉脱力校核235.3开孔补强的计算246 换热器的维护266.1换热器的防腐266.2换热器的使用及注意事项26小 结27参考文献28致 谢291 前言1.1概述1.1.1换热器 换热器（heat exchanger），又称热交换器，是进行能量的转换的设备。换热器作为节能装置，通常是在不同温度下多种流体介质之间交换能量。一般在工作条件的限制中，通常要满足工艺条件的需求，避免呢能量的流失。这也是提高能源效率的主要手段之一。 管板式换热器最大的特点就是结构简单、制造过程也相对于简单，因此在社会实际运用中普遍。并且在相同的管径下具有较大的换热效果，因此换热效率能够得到较大的提升，各大供应商与需求商都会倾向于此，带来更大的经济效益。在换热器中为了加快流体介质的流动速度，设置折流板就能改变。而折流板的作用也是非常重要，可以改变流体的流动速度及其方向，并且也能够减少流体介质之间的短路情况。1.1.2换热器的类型 换热器在工业领域中作为换热装备一直都运用非常广泛，而且在其他能量传递消耗的领域也会运用普遍，需要量一直很多，由于生产规模、生产条件及生产材料的性质不同，供应商与需求商的需求也就不同，因此各有各的特点，在现如今，也需要某些创新，设计出更加优良更加符合实际工作情况的换热器，达到厂家的需求与要求。换热器种类繁多，由于换热条件、传热原理等因素的影响，使换热器得结构各相径庭。而结构的不同也会由此制造出不同的换热器。板、管式换热器。它的换热使热的传递给冷的，通俗的讲就是温度高的传递给温度低的，并且这两种介质不可以直接接触，得通过某些物件给隔离，达到换热目的。直接接触式换热器。顾名思义，该换热器的两种介质或两种以上的介质是可以直接通过接触，就是面对面零距离进行传热，达到换热的目的，管内的两种或两种以上的介质可以是相同的也可以是不同的。蓄能式换热器。“蓄能”顾名思义就是要将能量储存一段时间，然后将能量在流体介质间传递。蓄能式换热器由于某些原因导致在社会中运用较少，使用方法和操作流程较为复杂，应用相对也就比较少了点。对于按照传热原理不同而划分，在实际使用中，各大厂家需求最多的也是板、管式换热器，根据结构的不同可以分为管壳式与板式换热器。而管壳式换热器在单位面积上具有传热面积大、效果好，架构简单，便于制造在实际运用中普遍，并且适应性也很强。符合厂家的需求，应用使用方面自然就广了。此次，是对固定管板式换热器的设计（F170）。1.1.3固定管板式换热器它是由管板和壳体组成。看起来简单，倒是内部也是较为复杂，包含了管束、壳程、封头等各种零件。在设计过程中，也需要按部就班，一个一个慢慢设计。固定管板换热器的管程可分为多道，壳程也可分为多道，按照数学原理，这可以有很多种结构排列方式，致使种类繁多，在社会中一直都是广泛得到运用的。由于清洗困难，不使用肮脏或腐蚀性介质。有的时候，在膨胀差变得比较大的时候，通常情况下都会在壳体上面设置膨胀节，这样就可以减小管道与壳体侧温差引起的热应力变化，从而解决此类问题。 固定管板换热器的优点:1.旁路渗漏流量小；2.大传热面积；3.结构简单，制造方便，成本低廉。固定管板换热器的缺点；1.管壳与管壁之间的温差大；2.管板与管头之间容易产生温差应力；3.壳侧不可以采用机械清洁；4.设备的使用寿命相对较低。1.2固定管板式换热器设计的目的 目的就是为了获得适合各种工作条件并且经济效益更高的的热交换器。换热器的设计过程可分为工艺选择以及结构设计。工艺选择是根据工作条件而决定的，为了就是得到更具有效益的换热器。结构设计是为了保证换热器的质量和使用寿命。 为使换热器中两种或多种温度不同的或能量高低的介质可以达到换热的目的让能力得到最大程度的利用，就需要设计出能够做到这一目的的换热器。虽然管壳式换热器因为其缺点的存在，与其他新型换热器相比仍然有着很大差距，但是它的有点仍然存在，具有结构劳固、制造简单、换热面积大、使用普遍等一些优越点，使它在社会中可以得到广泛的使用。1.3管壳式换热器发展的情况 在生产车间里，有高温高压的生产条件，也不是好也不能说坏，在其结构制造方面仍然有很大缺陷。在能量的流失，使换热效率降低，结构复杂使换热器体积偏大，生产制造的规模化，生产空间与发展空间的日益增大 ，新型换热器的研究仍然需要改善。在当今发展中，最为重要的就是提高换热效率，加强对技术的研究与分析。我们一般都是根据管壳式换热器独具有的优点，而选择使用，使它在实际运用中一直很普遍。尤其是在高温高压和大型化的场合下和机器设备的自动化和机械化。热交换器是化学、石油、制药和能源行业。在现代工业中，有统计数据表明，在换热器这一领域中的投入占总投资的一半左右，在炼油厂工厂中，换热器占总厂全部工作设备中的40%，特别是在海水淡化这一块，使用的工艺设备大都是由换热设备构成的。20世纪能源危机有利也有弊，当时就工业能源苦难，只有改变原来的发展方式，改革创新才能寻求生机，有效的促进了化学技术的发展。在社会的进步，生活水平的提高，人们对更先进的技术的向往更加强烈，也要求对能量的利用更标准化。近年来，我国对强化传热技术进行了大量的研究，但是与国外相比，对于新技术的开发、新型高效换热设备的研究仍有差距，在推广方面也赶不上国外，因此也是很有限的。在国内加强对换热器专业技术的研究是很有必要的，加强制造技术的研究和技术人员的进步，促使换热技术在国内蒸蒸日上，更快赶上国际的步伐，只有强大才有话语权。在制造商供应商上要大胆引进国外的先进技术与设备，从中汲取精华，为中国节能事业，可持续发展战略做出贡献，也为自己寻找更大的经济效益。1.4强化换热器传热能力的方法1.4.1扩大传热面积F由于在单位体积的传热面积越大，传热能力就越高，因此可以凭借这一点来增强传热效率。而加大传热面积可以改变传热面的外部形状，比如将换热管面设计成螺纹状或波纹状等，但是也要符合成产条件的要求。1.4.2加大传热温差t 我们只能把两种介质的温差搞大一点，而这种方式也是现如今最常用的；但是，做任何事情都要符合实际，不能够超越实际现状，传热温差也不能无限制的增大，设计过程中也要根据实际现状来要求，并且不是所有的工艺上都符合其原理。1.4.3增强传热系数K 传热系数越低，换热器传热效果越差，因此最有效最可行的方法就是提高传热系数。强化传热能力的三种方法都在实际中得到了应用，在发展过程中也要实践中求真知，斌且还需要切合实际状况，在场地、资金以及效果等因素的干扰下，则需要与实际相通的方法，当前换热器强化传热研究方向是通过控制换热器传热系数(K)值来提高换热器传热能力。 2 换热器结构设计论述2.1换热器管形的设计管子表面是传热面，作为传热表面，设计出一种能扩大传热面积能提高传热效率的管子是很重要的。管子的外部形状在实际运用中通常有两种，一种是在管子外部上刻有螺纹的，另一种就是对管子的外部形状不做处理，表面光滑。螺纹管与不做处理的管子在相同条件下，传热面积的大小上进行比较，螺纹管管束比光管管束的表面面积就大了很多，由于在单位体积的传热面积大传热效率高，因此两者相比较就可以得出螺纹管管束的换热面积就比不作处理的管束大得多，换热效率也就大得多了。由于结构的不同，流体流过其表面上是也会发生变化，比如流动状态由直流变成了向上或向下的改变，速度的改变等等，但是这些改变都有利于提高换热器的传热能力，所以这是一种可以提高传热能力而采用的方法，应该得到应用。如果在某些特殊情况下需用不清洁、易结垢的流体介质，那么螺纹管上的螺纹就可以发挥较大的作用。2.2 换热器管径的设计在实际生产中可以了解到，在换热器这类换热装备中，采用管径小的可以提高换热效率，并且小管径可以节省一些材料，也可以减小换热器的外部形态结构，使零部件看起来更加紧凑。一般采用小管径是在管束中的流体介质符合清洁且不容易结垢的情况下，达到换热效率的提高。在人们做的实验中可以得出一些结论，条件相同情况下，对于两种直径相差6mm的换热管管子的换热能力进行比较，其传热面积因为直径而发生变化，使得前一种管子比后一种管子传热效率大百分之三十以上四十一下，能够节省的材料在百分之二十以上。由此可见，对管径的设计对换热效率的影响也很大。2.3换热管排列形式的设计在工业生产日常应用中，众所周知管子的排列型式有三角形、正方形和同心圆三种排列形式，采用不同的排列形式所引起变化也很大，排列形式也与一些因素有关，就像流体的流向、折流板缺口方向都会影响其排列方法及排列形式，流体的流动方向是垂直于折流板的缺口。在选择的壳程中，会因为介质的性质或清理方式的不同而选择不同的管子排列形式，清洁方式的不同也会影响其结构排列，在壳程的清洁方式为机械清洁时，就可以采用正方形排列；而换热器壳程小于一定的数值时采用同心圆排列，可以让让管束之间的排列结构看起来更为紧密，在视觉上更可观，也能够减小换热器的体积，安装运用更方便。 2.4 管、壳程分程设计及程数选择选择合适的管程数壳和壳程数是很重要的。当换热面积大的不行时而管子不可以过长时，为了让流体流动的速度更快，我们就得想办法，因此就将管束分程。而有时候程数数目多了时，也会导致管程中的流动时的阻力和动力消耗能量变大，也会是换热器平均传热过程的温差降低，因此在设计过程中就需要考虑这些因素。我们在想管子内流体流速加快，一般都会增加管程数，从而产生多种不同的变化，换热器传热膜系数会因此变大，流体介质流动速度也会因为管程间的压力降而被限制。安装平行于管束的隔板也可以完成壳方多程这一过程，但是在现实这一方面，壳程隔板在制造、安装和检修等一些方面很是困难，还没有比较先进的技术可以解决这一问题，因此不宜采用。通常采用的方法就是串联几个换热器代替壳方多程。换热器串联也可以增加壳程数，但是这样的方式会使其成本增加，通常不采用；添加纵向隔板，可以增加壳程数，也可以加快流体介质的流动速动，从而提高换热器的换热效率，所以传统上常常这种方式增加壳程数。在本次设计中，我认为管程数和壳程数都采用双管程和双壳程。2.5折流板的结构设计通常情况下，设置折流板的主要目的就是为了增加壳程中流体介质的流速，提高壳程的传热膜系数，达到提高传热系数的目的。设置折流板在对换热器的换热管具有支撑作用，换热管比实际生产现状要求长时，管子间所承受的压力比平常要大一点时，换热器壳程允许压力降在满足设计要求这一要求的情况下，适度的增加折流板的数量和的减小折流板间的间距，可以起到很多作用，就像可以在一定程度上缓解换热管的受力情况，在流体之间产生的振动大道不行时就要减小其振动频率，通常就需要合理的控制折流板间的间距，然而这样也有利于安装，折流板在起到这些作用下的情况里，综合各方面，考虑选择合适的折流板这也是很重要的一点。在一些特殊情况下使用折流板不会起到效果，壳程蒸发、冷凝操作以及传热膜系数很低等情况下，仅仅只能支撑管子，因此在这些情况下不采用折流板。在冷凝操作时不等间距使用折流板可以达到高效传热的效果，但是在大多数通情况下折流板都是等间距使用的。2.6进、出口的设计一般情况下，换热器的进出口是各种流体介质进出的地方，为了方便流体的投放于取样，进出口通常设置在易操作的地方，而壳体管箱就是一个不错的选择，这也是这种设备普遍安装进出口的地方。设置进出口就不可避免会造成壳体与管箱的结构不稳，局部位置的不稳定等等。而在工作条件的影响下，也需要考虑其材料的强度问题，管内得我压降问题，也必须在安装是更加的方便，外观更加美妙等等。通常情况下是将管程进、出口放在壳测的顶部或底部，可以让流体在流过的时候分布更加均匀，达到高效传热。管壳程中的流体介质在流动速度太快，流体介质为处理，使包含其中的固体物质与管壳程进、出口进去或活出来时，发生碰撞、摩擦，在长期作用会损坏设备，我们就只能想各种办法来防止这一现象的发生，通常我们都会在进出口处设置防冲板，顾名思义，防冲板就是防止流体因流速过快而损坏管壳程的进出口，减慢流体流动速度，减小冲击，增加换热器的使用寿命。2.7 选材方法2.7.1 管壳式换热器的选型 管壳式换热器根据结构的不同，可以分为其他几种换热器，通常都是管子与管板相连接，壳体进行固定换热器，结构简单，应用广泛。对换热器的优缺点和结构方面进行一些介绍。（1）固定管板式换热器：根据图1就可以看出来,该换热器的结构就比较简单，并且比较紧凑。但是内部复杂，流体介质流动经过是会发生各种不可控的事情，内部所包含的固体颗粒物与内部管板的碰撞，造成振动。由于内部管板较多，在清洗时就不是很方便了，尤其是在管板间更难，这就可以知道，这种换热器不可以采用那种容易结垢的和不是很方便清洁的流体。在温差的影响下，会降低传热效率，产生热膨胀这一变化，就需要设置另外一种装置膨胀节。所以啊，这有多了一种零件也是很复杂了，他可以减少它们所产生的热应力，但是不能够消除。所以，该换热器不适合用于高温的情况下，尤其是在温差较大的情况下。采用的流体介质也需要慎重选择。图1 固定管板式换热器（2） 浮头式换热器该换热器含有一个浮头，而这一浮头是可以自由自在的移动，对热膨胀没有限制也没有要求，所以可以适用于温差较大的工作条件下，并且也不会产生热应力。由此可以看出，这种换热器与固定管板式换热器相比，它的不足之处就变成了浮头式换热器的有点。而在设计过程中，也需要互相吸取精华才能设计出更加出众的作品。流体介质也可以选择易结垢的，不易清洁的以及容易腐蚀的，集固定管板式换热器的缺点与一身，都变成了优点。而该换热器体积大，结构复杂得多，重量较大，制造成本也相应较高，所以在实际运用就比较少了，比较是要赚钱的，谁都不想在起点就要花费重大的开支，大家都可以理解。图2 浮头式换热器（3） U型管式换热器 从图中可以看出来，它的管子就是一个U形，可以说很具有特点了，壳体与管是分离的，所以对热膨胀的影响是可以忽视的，热应力也就不会产生，可谓一举两得，热补偿这效果也是比较出从的，管子U形，流体介质的流动速度的变化较大，因此可以增大传热效率。管束可以抽出，是其他换热器都不具有的，特别的存在肯定是有特别的原因，抽出来的管束在清洗方面就比较简单了，但是管子内部的清洗就是一个大问题，一次在选择流体介质的时候需要选择那种易清洗、不易结垢的介质，图3 U型管式换热器（4）填料函式换热器该换热器与U形管事换热器一样，不要考虑热膨胀的影响，以及热应力的产生。填料应该就是把流体介质直接放进去，由此可见操作简单，在清洗方面也是比较容易的，没有浮头造价相对于就比较低了。但是填料这一过程，介质的性质方面，不呢能够泄露污染环境，就需要采用那些无毒、无味的介质，在不易燃烧、不易爆炸、不易挥发的填料场所。2.7.2 流体空间的选择 换热器现如今主要是解决传热效率的缺陷，然而提高传热系数低的，在管内流体流经的管道也是重中之重，减少流体流动过程中的传热能量流失，增大传热效率，就要防止流体流动时的能量流失，想办法去减小。换热器在壳体内部清洗维修都困难，因此在在选择流体介质的时候就要选择易清洗、不易结垢的流体走管程。要使换热器正常而有效地操作，就必须慎重地选择流体的流体空间。（1） 温度的影响 高温流体走管程可节省保温层以及壳体的厚度，降低成本。（2） 在高压作用下的流体应该走管程，这样就可以减少壳体的厚度，降低成本。（3） 流体介质粘度大和流量小走壳程。（4） 腐蚀性 腐蚀性强的流体介质走管程，以节省耐腐蚀材料。（5） 管程间压力降。（6） 清洁性 较脏和易结垢的流体介质应走管程，以便于清洗和控制结垢。（7） 流体流动速度。（8） 传热膜系数。此次设计，水走壳程，烟道气则走管程。2.7.3 流速的选择 换热器中流体流速会影响传热效果，在流速小时，会降低传热系数，还会增加污垢的沉积，致使堵塞，对传热存在不利，但是也会增大传热面积，增加传热，流经管道时就比较容易完整的缓慢的通过，不会对管壁撞击，可增加使用寿命，选择适宜的流速还需通过经济衡算才能定出，并且还需考虑结构上的要求。表1 常用介质流速的范围常用介质水新鲜水常见液体易结垢液体低粘度油高粘度油气体管程流速，m/s1.02.00.81.50.531.00.81.80.51.5530壳程流速，m/s0.51.50.51.50.21.50.50.41.00.30.8215此次设计中选择烟道气的流速为2m/s。2.7.4材质的选择 选择合适的材料，是对任何零件制造的基础步骤，换热器设计过程，零件复杂，各种零件不同材料也相应不同，工作条件的不同。有温度、压力、流体的性质，材料的工艺性能，经济效益等方面的的影响，选择合适的材料也是重中之重。一般为了满足这些要求,从换热设备的强度或刚度、耐久性使用寿命的角度来考虑,材料的耐腐蚀性能,一直都是一个比较复杂的问题。如果有些轻微的不足之处,都会影响换热器使用寿命,也会提高设备成本，降低经济效益。在某些方面，材料的性能也会影响换热器的结构。碳钢和不锈钢时所用设备常采用的材料。由于含碳适中，综合性能较好，强度、塑性和焊接性能可较好配合，用途广泛。根据这些条件限制最符合设计的材料选择Q235材料（A3钢）。2.7.5 换热管的管子排列型式根据下面的图4，了解到管程结构的三种基本排列方式，换热器的结构不同就会选择不同的排列方式，在实际中的就是三角形排列，因为结构稳固紧凑。等边三角形排列用得最普遍，因为管子间距都相等，所以在同一管板面积上可排列最多的管子数，而且便于管板的划线与钻孔。但管间不易清洗，TEMA标准规定，壳程需要机械清洗时，不得采用三角形排列型式。在壳程需要进行机械清洗时，一般采用正方形排列，管间通道沿整个管束应该是连续的，且要保证6mm的清洗通道以下几种排列方式的优越性，正方形排列看起来很规范，便于使用机械清洗，正三角形才常识中就知道具有结构稳定性，所以三角形排列可以使结构更加紧固，看起来更加紧凑，而同心圆在外观上看起来更好，分布均匀，结构也更加紧凑了一点。选择合理的排列型式，也是一个很重要的设计步骤，考虑的方面也有很多，设计过程也是复杂的，了解其排列结构的重要性，也不容忽视。 (a) 正方形排列 (c) 三角形排列 （c）同心圆排列 图4 换热管管板上的排列方式383 管壳式换热器的热力计算3.1确定已知参数此次设计选择壳程流体水的温度为：t=95选择管程流体介质烟道气的温度为：T=320。水在95的有关物性参数如下：密度 =定压比热容 热导率 粘度 烟道气在320的有关物性参数如下：密度 3定压比热容 热导率 粘度 流量 =3.2稳态传热方程热流体将热量通过某固定壁面传给冷流体的过程称为传热，稳态传热方程的基本公式为：Q=KAt式中 Q-热负荷，WK-总传热系数，W/()A-总传热面积，tm-进行换热的流体之间的平均温度差，3.2.1热负荷根据能量平衡原理可以得出，烟道气所释放的能量等于水所吸收呢能量。取换热器热效率为=0.98烟道气冷却所释放的能量：Q1=G3600 #1 =1.31.9861031025.040.98/3600=739.4KW水所吸收的热量：Q1C=G1CP1Ct3-t13600 #2 =1.31.9861032.55(70-45)0.98/3600= 53.3KW所以，总传热量=739.4+53.3=792.7KW3.2.2总传热系数烟道气侧污垢热阻：水侧污垢热阻： 水吸收系数：Kj=111+1+2d0di+12d0di #3= 936烟道气冷却系数：KjC=111c+1+2d0di+12cd0di #4= = 284.8传热系数比值： KjK0=936/850=1.10 合理 Kjc/KJ0=284.8/250=1.14 合理总传热系数:K=Kj+Kjc=936+284.8=1220.83.2.3总传热面积水吸收热这一过程的传热系数:K0=850W/m烟道气冷却这一过程的传热系数:K0C=250W/m冷凝段的传热面积:F0=Q1K0tm=73940085023.4= 23.9m2 #5冷却段的传热面积:F0c=Q1cK0tmc=5330025036.5=8.04m2所以，综上可得：A=F0+F0c=23.9+8.04=31.94m23.2.4平均温差冷却水的流量：G2=Q0Cp2t2-t2=792.74.21435-25=18811 kg/h #6设定冷凝段和冷却段分界处水的温度为t3G2=Q0cCp2ct2-t3=5330004.21435-t3=18811 kg/h #7 可解出 t3=28.3冷凝段温差： tN=t1-t2-t1-t3lnt1-t2t1-t3=36.4 #8对于冷凝方面，冷凝温度基本一定，故温差校正系数为1，因此可以得出有效平均温差tm=36.4冷却段温差： tNc=(t1-t3)-(t1-t2)ln(t1-t3)(t1-t20=26.5由于热流体出口温度小于冷流体出口温度，出现了温度交叉现象为避免出现温度交叉现象，最佳设计的温度交叉点应正好在第二管程的终端。查得温差校正系数=0.82所以有效平均温差tm=tNc=0.8226.5=21.73综上，稳态传热量：Q=KAtm#9代入已知数据解得:Q=1220.831.9421.73=847.3KW 3.3结构初步设计选用无缝钢管作换热管由此可以知道管子外径 d0=25mm ，内径 di=20mm初步可取管子的长度为 l=3mm计算管子总数：Nt=F0+F0Cdl=23.9+8.043.140.0253=135.6根 #10取管子数146根管间距: S=1.25d0=1.250.025=0.032m管束中心的排管数：Nc=1.1Nt=1.1146=13.2根 由此可以取管数为14根我们可以取壳体的内径为Di=0.6m由此计算出长度与内径之比：lDi=30.6 =5 合理弓形折流板弓高：h=Di=0.250.6=0.15m折流板间距： B=Di3=0.63=0.2m折流板数量：Nb=1B-1=30.2-1=14 块根据设计条件及工艺方面折流板数目取13块。3.4管程换热系数计算管程流通截面:a2=Nt240.022=146240.022=0.0229 #11管程流速：2=G21a23600=18811961.90.02293600=0.237 m/s #12管程雷诺数：R2=12di2=961.90.2370.02614.4610-6=7420.2Re #13 管程质量流量:W2=22=961.90.237=227.9 kg/s #14水吸收段的温度：t2=t2+t3=41.2+322=36.6烟道气冷却段的温度： =(+t3)/2=(41.2+29)/2=34.75水吸收段传热系数：2=3605(1+0.015t2)20.8(100di) =3605(1+0.01536.6)0.2370.8(1000.02)2 =1537.1烟道气冷却段传热系数：2c=3605(1+0.015t2c)20.8(100di) =3605(1+0.01534.75)0.2370.8(1000.02)2 =1509.63.5壳程换热系数计算壳程流通面积： f1=BDi1-d0S=0.2000.61-0.0250.032=0.0263m2#15壳体当量直径：dz=Di2-Ntd02Ntd0=0.62-1460.02521460.025=0.0736m#16水吸收段：1=G11f1*3600=1.31.9861032.130.02633600=11.8 m/s#17烟道气冷却段：1c=G11cf1*3600=1.31.986103777.870.02633600=0.035m/s 我们可以假设烟道气在释放热能的冷却过程中管外壁低的温度为：tw1=58所以可以根据公式计算 膜温： tm=t1+tw12=70+582=64在膜温下烟道气的物性参数：m=0.1607W/mm=765.41Kg/m3 m=0.316610-3Pa/s水吸收段管壁所承受的负荷：=G1 =1.31.9861033.1436000.025184=0.0497 kg/ms#18水吸收热量的雷诺数：Re1=4m=40.04970.316610-3Pa=627.9Re#19碳带器释放热量段的雷诺数：R1C=1cw1cd1c=777.870.0350.05330.335110-3=4300Re我们可以假设水在释放热能的冷却过程中管外壁低的温度为： tw1c=42壁温下烟道气粘度：w1=0.351910-3Pas粘度修正系数:1=1w10.14=0.331510-30.351910-30.14=0.993 #20壳程传热因子查得js=75水吸收段管壁所承受的负荷:=GB=GlNt23=1.31.986103314623=24.3 kg/ms #21 3.6管壁温度计算 因为不清楚，只能根据情况假设取水吸收段管传热长度l1=1.8m，烟道气冷却段传热长度l1c=1.2m水吸收段管传热外壁的热流密度：q1=Q1Ntd0l1=7394001463.140.0251.8=35841.4 W/m2#22管外壁温度： tw1=tm-q111+1=64.4-35841.4131394+0.0001762=59#23进行校核：tw1-tw1=58-59.7=-1.7 误差不大,符合温差要求。烟道气冷却段传热外壁热流密度：q1c=Q1cNtd0l1c=533001463.140.0251.2=3875.5Wm2 #24管外壁温度： tw12=tm-q1c11c+1=51.2-3875.51400.7+0.0001762=43.4 误差校核：tw1c-tw12=42-43.4=-1.4 误差不大,符合温差要求 。 3.7管程压降计算管内壁温度：tw2=t2+q1cd0di12c+2=37+3875.50.0250.0211509.6+0.000344=41.9 在温下水的物性参数粘度w2=65910-6Pas#25粘度修正系数:w2=2w20.14=697.7610-665910-60.14=1.008 #26查阅书籍可知管程摩擦系数:2=0.042 #27 管程数：nt=2管内沿程压降： Pi=W22222lntdi22 =523.242993.252320.020.0421.008=1722.75Pa #28回弯压降:pb=wN22224nt=523.2422993.2542=1102.6Pa #29取烟道气进口管处质量流速： WN2=1600kg/ms进出口管处压降：P2=WN22221.5=160022993.251.5=1933.05Pa #30管程结垢校正系数：d2=1.4管程压降P2=Pi+Pbd2+PN2 #31 =1722.75+1102.61.4+1933.05=5888.54Pa3.8壳程压降计算壳程当量直径：d=Di-Ntd02Di+Ntd0=0.62-1460.02520.6+1460.025=0.0632m #32雷诺数：Re11=W1cd1c=777.870.0350.06320.335110-3=5136.3Re参阅书籍可得壳程摩擦系数：2=0.8 管束压降 :Pi=W1212Dinb+1d11 #33 =（777.870.035）22777.870.6（13+1）0.04710.80.993=68.46Pa取烟道气进出口质量流速：WN1=1000Kg/m2s进出口管压降：P1=WN12211.5=100022993.251.5=779.7Pa #34导流板阻力系数：d=5壳程结垢修正系数：d=5壳程压降：P1=P0d2+PN1+Pd=1722.75+1102.61.4+1933.05=5888.54Pa#35壳程允许压降：P1=20000Pa管程允许压降：P2=50000PaP1 P1 P20.25mm，取C1=0.25mm该壳体采用20钢8mm厚的钢板制造。4.2 换热器封头的选择在设计中，封头通常是椭圆形，所以上下封头均选用标准椭圆形封头，封头的尺寸及质量按选取，换热器设计手册表1-6-5先去封头直径为600.壁厚为8。质量为120，表1-6-3选取封头为DN6008。标准椭圆形封头计算厚度：=PcDi2t-0.5pc=1.06002920.9-0.51.0=3.63mm#37 Pw=2tKDi+0.5=2920.96.551600+0.56.55=1.79MPa#38封头尺寸如下图：图5 封头尺寸4.3容器法兰的选择材料的选用是根据工程材料使用手册选用DN600，榫槽密封面长颈对焊法兰。法兰也是个重要元件，选择设计时也需要认真考虑，它的尺寸大小，内外径等等。表2 法兰尺寸 公称直径DN/mm 法兰尺寸/mm 螺柱d规格数量6007406905906436004423M2228 图6 容器法兰4.4 管板管板，可以根据名字就可以看出，作为一块板子，肯定是用来受压的，一般强度要求很高，要满足工艺条件，在设计时也要考虑这块板子的结构与换热器相匹配，才能够最大的展现实用性。管板的最小厚度除满足强度计算要求外，当管板和换热管采用焊接时，应满足结构设计和制造的要求，且不小于12mm，当管板采用复合管板，其复层的厚度应不小于3mm。当管板和换热器采用胀接时，管板的最小厚度满足表4，若管板采用复合管板，其复层最小厚度应不小于10mm。并应保证复层表面深度不小于8mm的复层化学成分和金相组织符合复层材料的要求。表3 固定管板式换热器的管板的主要尺寸公称直径/mmbcd螺栓孔数60073069059864336102328下图就是设计管板的基本尺寸：图7 管板4.5 计算是否安装膨胀节管壳壁温差所产生的轴向力为：F1=Ett-tsAs+AtAsAt 代入数据计算得：F1=11.810-60.2110-64515273+372681527337268 =1.38106N 作用于壳体上的轴向力：F2=QAsAs+At 其中Q=4Di2-nd02Ps+nd0-2t2Pt #39 =4(6002-211252)0.78+21125-22.520.82 =0.194106N 代入数据计算：F2=0.1941061527315273+37268=0.56106N #40作用于管子上的轴向力为：F3=QAsAs+At=0.1941061527315273+37268=0.56106N#41则s=F1+F2As=1.38106+0.05610615273=94MPa #42 t=-F1+F3At=-1.38106+0.05610637268=-35.5MPa s=94MPa2tt=20.9101=181.8MPa t=-35.5MPat最大允许工作压：Pw=2tsDi+s=2920.96.55600+6.55=1.79MPa#48故强度足够。5.2 管子拉脱力校核计算数据按表4选取表4 计算数据项目管子壳体操作压力/Mpa0.820.78材质20钢20R线膨胀系数弹性模量许用应力/Mpa10192尺寸管子根数211管间距/mm32管壳壁温差/管子与管板连接方式开槽胀接胀接长度/mm50许用拉脱力/Mpa4.0（1）在正常操作的压力下，换热面积在平方米每平方米胀接周边所产生的力qp=pfd0l#49其中 ，f=0.866a2-4d02=0.866322-4252=396mm2 #50 p=0.82MPa, l=50mm 根据以上数据计算得： qp=0.823963.142550=0.08MPa（2）温差热应力引起的每平方米胀接周边所产生的拉脱力qt=td02-di24d0l#51其中就有可能因为其他因素产生的影响，造成损失t=Ett-ts1+AtAs#52As=D中n=3.146088=15273mm2 #53At=4d02-di2n=3.144252-202211=37268mm2#54以上数据代入式52中得：t=11.8610-60.21106451+3726815273=32.41MPa代入（51）可得：qp=32.41252-20242550=1.46MPa可以得出qp，qt力作用方向相同同，使管子受到压力所以管子的拉脱力为：q=qp+qt=0.08+1.46=1.54MPa4MPa拉脱力在可用范围内。5.3开孔补强的计算（1）确定开孔直径及计算厚度由已知条件可得：壳体计算厚度=7.47mm接管厚度:t=pcD02t+Pc #55D0=258mm可以选用20钢来做设计材料 ，差资料附表得 开孔直径为： （2）确定实际厚度、有效补强面积及有效补强高度h根据已知条件知:壳体实际厚度n=8mm，补强部分厚度为nt=4mm接管有效补强宽度为:B=2d=2252=504mm#56 有效补强高度; h=dnt=5024=44.8mm#57（3）计算需要补强的金属面积和可以作为补强的金属面积需要补强的金属面积为：A=d=5024=2008mm2#58可以作为补强的金属面积为：A1=B-d-=504-2525.55-4=390.6mm2 #59A2=2h1et-tfr=244.82.75-1.551=107.52mm2 A3=12244=16mm2 （4） A=A1+A2+A3=390.6+107.52+16=514.12mm2 #60（5）比较A和A，A=514.12A=2008，所以，需要开孔补强。一般常用的方法是在开孔外面焊上一块与容器壁材料和厚度都相同的A3钢板材料8mm。6 换热器的维护6.1换热器的防腐管壳式换热器的材料通常都是用碳钢、不锈钢制成，通常情况下，换热器的管板起到的作用式冷却器时，一般都会被腐蚀而产生泄露，从而造成冷却水系统污染和环境污染，所以 我们再生产的时候要坚持可持续发展，才能够长长久久。换热器在制作时一般都是采用手工电弧焊，所以就存在某些缺陷。在工业生产者，气体、微生物和杂质等等都会对焊缝进行腐蚀，这被称为电化学腐蚀。还有一些其他因素也会发生腐蚀，温度、流速、介质成分与溶度等。针对冷却塔的防腐采取一些措施，一般以过去的方式都是采用补焊为主，但其会产生内应力，很难找到方法有效的消除，也有可能会造成再次泄露；现如今采用的措施都是技术方面的，像高分子复合材料，它具有抗温、抗化学腐蚀和独有的粘着性，现如今的技术已经很发达了，采用那些高分子材料用在那些焊缝处就是可以避免腐蚀所产生的泄露问题，并且高分子材料的寿命是很长的，更具有经济效益。所有机器设备在操作一段时间后，都会出现一些问题，而换热器在使用一段时间过后，会出现换热性能降低的情况，通常需要注意几个问题，传热表面上有介质结垢现象；污垢是管径变小，流速会因此相应增大，进而压力损失变大；管子泄露及腐蚀；操作没按照操作说明书操作，；操作条件不合设计要求；使材料产生疲劳破坏。检查与清洗：定期检查流量、压力和温度等操作记录；定期检查壳体外表面的腐蚀情况和磨损情况；检测壁厚厚度及腐蚀情况；检查焊接部位的焊缝；定期清洗。6.2换热器的使用及注意事项换热器的正确使用方法：（1）开机运行准备操作时，当两种流体戒指的压力不同时，就得打开低压阀门，防止压强过高，损坏元件；然后开高压阀门。开机是先低后高（2）停车运行时要想办法慢慢的切断高压流体介质，再去切断低压流体介质，这样就可以延长换热设备的使用寿命，可以节省经济。停机是先高后低。（3）换热器应该在规定的耐温强度和材料强度下工作，在工作温度与压力允许的情况下操作，不可以挑战权限，不然会损坏换热器，降低使用寿命，甚至会造成介质泄露，污染环境。只要能够按照规定的操作方式去使用和拆装，换热器是可以用很久的，大大降低购买成本，也需要定期清理、保养；不可以长时间运行，不然会增加沉垢，热阻就会增大，从而降低传热效率，得不偿失啊。也要保证密封性能，防止泄露，造成环境污染和工作人员的健康问题。可持续发展是重要的战略决策，所有人都应该遵守。小 结在大学的学习过程，毕业设计作为大学生涯里最后一段学习的时光了，设计出一种从未了解过的物件，增加了对未知事物的好奇心，更能加强自己的探索乐趣，作为学校最后的任务，也是大学学习生活的一次答卷，对步入社会的一次初试。此次设计让我知道了自己的不足之处，需要更加用心的去学习，不管以后怎么发展，都要学习，每天都需要看书，这样不仅呢能够静下心而且也可以陶冶情操，何乐不为了。现在如今的大学生都应该培养对未知事物的好奇心，多动手动脑，提高创新能力，遇到困难时要沉着冷静。经过三个月的努力，我的毕业设计终于要完成了，讲真的这次毕业设计对于我来说甚至其他大学生都是有困难的。首先，我们都不了解我们所设计的东西，也没有进行接触过，仅仅靠着在网上查阅资料，在图书馆查阅书籍感觉也是不够的，其次设计过程中的迷茫太多了，就算
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