油气储运课程设计.doc

吉吉林林化化工工学学院院 油气储运油气储运 课课 程程 设设 计计 题目 题目 处理量处理量 15 1015 104 4 吨吨 年的柴油冷却器的设计年的柴油冷却器的设计 教教 学学 院院 专业班级专业班级 学生姓名学生姓名 学生学号学生学号 指导教师指导教师 2010 年年 月月 日日 吉林化工学院油气储运课程设计 I 课程设计任务书 1 设计题目 处理量 15 104吨 年柴油冷却器的设计 2 操作条件 1 柴油 入口温度 175 出口温度 125 2 冷却介质 采用循环水 入口温度 30 出口温度 40 3 允许压降 不大于 105Pa 4 柴油定性温度下的物性数据 c w m 133 0 c kg k48 2c S a104 6 kg m715 0 c 0 po 4 o 3 o J P 5 每年按 330 天计 每天 24 小时连续生产 3 设计任务 1 处理能力 15 104t a 柴油 2 设备型式 列管式换热器 3 选择适宜的列管换热器并进行核算 4 绘制带控制点的工艺流程图和设备结构图 并编写设计说明书 吉林化工学院油气储运课程设计 II 摘 要 柴油冷却器是帮助柴油散热的一个装置 本次课程设计采用浮头式换热器来实现柴油冷 却 在设计中 主要以循环水为冷却剂 在给定的操作条件下对柴油冷却器进行设计 本设计的内容包括 1 设计方案的确定 换热器类型的选择 流动空间的选择等 2 换热器的工艺计算 换热器面积的估算 换热器工艺尺寸的计算 换热器的核算等 3 操作 条件图等内容 关键词关键词 柴油 循环水 浮头式换热器 传热 吉林化工学院油气储运课程设计 III ABSTRACT Diesel oil cooler is help a diesel cooling device This course design use floating head heat exchanger to achieve diesel cooling In the design mainly circulating water for cooling agent given the operating condition of diesel oil cooler design This design content includes 1 the design scheme determined heat exchanger type of choice the choice of mobile space 2 and heat exchanger technical calculation heat exchanger area the estimation of heat exchanger process calculation heat exchanger size accounting 3 operating conditions figure etc Keywords diesel oil recirculated water head type heat exchanger heat transfer 吉林化工学院油气储运课程设计 IV 目录 课程设计任务书 I 摘 要 II ABSTRACT III 第 1 章 绪 论 1 1 1 换热器技术概况 1 1 2 换热器的发展 1 1 3 换热器在工业生产中的应用 2 1 3 1 换热器的工业应用 2 1 3 2 新型换热器 3 第 2 章 设计方案 5 2 1 换热器类型的选择 5 2 1 1 换热器的分类 5 2 1 2 换热器的选择 8 2 2 流动空间的选择 10 2 3 流速的确定 12 2 4 加热剂 冷却剂的选择 12 2 4 1 常用的加热剂 12 2 4 2 常用的冷却剂 13 2 5 流体出口温度的确定 13 2 6 材质的选择 13 第 3 章 换热器的结构设计 15 3 1 管束及壳程分程 15 3 1 1 管束分程 15 3 1 2 壳程分程 15 3 2 管程结构 16 3 2 1 换热管布置和排列间距 16 3 2 2 管心距 17 吉林化工学院油气储运课程设计 V 3 2 3 管材料 19 3 3 管板 19 3 4 管子与管板的连接 19 3 5 管板尺寸的确定 20 3 5 1 管板受力情况分析 20 3 5 2 管板尺寸 21 3 6 壳程结构 21 3 7 折流板 支撑板的作用及结构 22 3 7 1 折流板 22 3 7 2 支承板 26 3 8 管程与壳程接管 26 3 8 1 管箱及封头 26 3 8 2 壳程接管 27 第 4 章 换热器的工艺计算 28 4 1 确定设计方案 28 4 1 1 选择换热器类型 28 4 1 2 流体间流速确定 28 4 2 基础物性数据 28 4 2 1 定性温度 可取流体进口温度的平均值 28 4 2 2 壳程柴油的定性温度为 28 4 2 3 管程循环水的定性温度为 28 4 2 4 柴油物性数据 28 4 2 5 循环水物性数据 29 4 3 计算总传热系数 29 4 3 1 热流量 29 4 3 2 平均传热温差 29 4 3 3 冷却水用量 29 4 3 4 总传热系数 K 29 4 4 计算传热面积 30 4 5 工艺结构尺寸的计算 31 吉林化工学院油气储运课程设计 VI 4 5 1 管内和管外流速的计算 31 4 5 2 管程数和传热管数 31 4 5 3 平均传热温差校正及壳程数的确定 31 4 5 4 传热管排列和分程的选择 32 4 5 5 壳程内经的计算 32 4 5 6 折流板的选择 32 4 5 7 其他附件的选择 32 4 6 换热器核算 33 4 6 1 传热能力的核算 33 4 6 2 换热器流体流动阻力计算 35 工艺设计计算结果汇总 37 主要符号说明 38 附 录 39 参 考 文 献 43 结 束 语 44 吉林化工学院油气储运课程设计 1 第 1 章 绪 论 1 1 换热器技术概况 换热器 英语翻译 heat exchanger 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 在换热器中至少要有两种温度不同的流体 一种流体温度较 高 放出热量 另一种流体则温度较低 吸收热量 换热器是化学 石油化学及石油炼制工业中以及其他一些行业中广泛使用的热 量交换设备 他不仅可以单独作为加热器 冷却器等使用 而且是一些化工单元操 作的重要附属设备 因此在此化工生产中占有重要的地位 1 2 换热器的发展 二十世纪 20 年代出现板式换热器 并应用于食品工业 以板代管制成的换热 器 结构紧凑 传热效果好 因此陆续发展为多种形式 二十世纪 30 年代初 瑞典首次制成螺旋板换热器 接着英国用钎焊法制造出 一种由铜及其合金材料制成的板翅式换热器 用于飞机发动机的散热 二十世纪 30 年代末 瑞典又制造出第一台板壳式换热器 用于纸浆工厂 在 此期间 为了解决强腐蚀性介质的换热问题 人们对新型材料制成的换热器开始注 意 二十世纪 60 年代左右 由于空间技术和尖端科学的迅速发展 迫切需要各种 高效能紧凑型的换热器 再加上冲压 钎焊和密封等技术的发展 换热器制造工艺 得到进一步完善 从而推动了紧凑型板面式换热器的蓬勃发展和广泛应用 自二十世纪 60 年代开始 为了适应高温和高压条件下的换热和节能的需要 典型的管壳式换热器也得到了进一步的发展 二十世纪 70 年代中期 为了强化传热 在研究和发展热管的基础上又创制出 热管式换热器 长期以来 非接触式换热器一直是管壳式 列管式 换热器一国独大的局面 然而近几十年来 这种平衡有所改变 这种改变是由于各种板式类换热器的逐步 开发和应用所带来的 板式类换热器能够被深入研究和开发 固然是有其历史必然 的 回顾换热器发展历程 虽然板式换热设备的充分开发只是近些年的事情 但是 其理论和技术的出现却要早的多 但是人们最初舍弃了这种换热性能远远占优的换 热器形式 而是选择并大量应用了管壳式换热器 当初人们之所以做出这种选择 原因很简单 只是出于强度考虑 板式类换 热器的结构强度远远低于管壳类换热器 所以不能够应用于高压或大多的中压场合 吉林化工学院油气储运课程设计 2 板式类换热器的这个缺点是由其结构特点所决定的 所以在其自身范围内无法改 变和突破 而它也就严重地制约了这种高换热性能换热器的应用和发展 形成了 在最初的相当长的一段时期里 板式类换热器没有受到人们喜爱的局面 其技术进 展自然也相当可怜 即便是在其有了长足发展和应用的今天 仍然是由于其结构强 度低的原因 这个自身无法逾越的痼疾 它的应用领域也仍旧局限在一定范围内 那么 既然是结构强度没有得到根本性的改变 近些年板式类换热器又是怎样 被重视起来的呢 这种变化是与世界经济的发展环境 尤其是能源发展环境的变化 息息相关的 世界能源的日益紧张与危机 使得 节能 与 高效 逐渐受到重视 加之 节能 减排 环保 的概念日益深入人心 各国政府和机构都逐年加大了 这方面投入的人力和物力 同时也取得了许多可喜的成果 很显然 板式类换热器 这种高效的换热方式 也就顺理成章地受到重视 并进行了再次开发 且在其强度 范围所能允许的范围内大量应用遍地开花 其技术发展也达到了前所未有的时刻 制造规格越来越大 结构形式越来越多 并出现了不可拆的焊合一体式板式换热器 尽管不能方便地拆洗 强度却有所增加 管壳类换热器由于始终受到普遍应用和重视 其理论研究的深度和设备改进的 步伐都是板式类换热器所不能比拟的 在新的节能及环保浪潮中 其技术和发展速 度又有所提高 许多新型高效换热器不短涌现 如折流杆换热器 新结构高效换热 器 高效重沸器 高效冷凝器 双壳程换热器 螺纹管换热器 螺纹锁紧环换热器 环高压换热器 以及非金属换热器 稀有金属换热器等都是其代表杰作 这些新 型高效换热器的出现已经并正在为飞速发展的经济和节约能源作出了不可估量的贡 献 纵观换热设备的发展及演变历史 不难看出 在板式类换热器广泛发展 管壳 类换热器不再一国独大的今天 以下四个特点始终没有改变 1 结构强度高的管壳类换热器仍居于主导地位 2 管壳类换热器换热性能仍远低于板式类换热器 3 板式类换热器的结构强度仍远低于管壳类换热器 4 没有换热性能强同时结构强度高的理想型换热器 1 3 换热器在工业生产中的应用 1 3 1 换热器的工业应用 在化工 石油 动力 制冷 食品等行业中广泛使用各种换热器 且它们是上 述这些行业的通用设备 并占有十分重要的地位 通常在化工厂的建设中换热器投 资比例为 11 在炼油厂中高达 40 随着化学工业的迅速发展及能源价格的提 高 换热器的投资比例将进一步加大 吉林化工学院油气储运课程设计 3 在化工厂 换热器的费用约占总费用的 10 20 在炼油厂约占总费用的 35 40 随着我国工业的不断发展 对能源利用 开发和节约的要求不断提高 因而对换热器的要求也日益加强 换热器的设计 制造 结构改进及传热机理的研 究十分活跃 一些新型高效换热器相继问世 1 3 2 新型换热器 1 气动喷涂翅片管换热器 俄罗斯提出了一种先进方法 即气动喷涂法 来提高翅片化表面的性能 其实 质是采用高速的冷的或稍微加温的含微粒的流体给翅片表面喷镀粉末粒子 用该方 法不仅可喷涂金属还能喷涂合金和陶瓷 金属陶瓷混合物 从而得到各种不同性能 的表面 通常在实践中翅片底面的接触阻力是限制管子加装翅片的因素之一 为了 评估翅片管换热器元件进行了试验研究 试验是采用在翅片表面喷涂 ac 铝 并添 加了 24a 白色电炉氧化铝 将试验所得数据加以整理 便可评估翅片底面的接触阻 力 将研究的翅片的效率与计算数据进行比较 得出的结论是 气动喷涂翅片的 底面的接触阻力对效率无实质性影响 为了证实这一点 又对基部 管子 与表面 翅 片 的过渡区进行了金相结构分析 对过渡区试片的分析表明 连接边界的整个长度上无不严密性的微裂纹 所以 气动喷涂法促进表面与基本相互作用的分支边界的形成 能促进粉末粒子向基体的 渗透 这就说明了附着强度高 有物理接触和金属链形成 因而气动喷涂法不但可 用于成型 还可用来将按普通方法制造的翅片固定在换热器管子的表面上 也可用 来对普通翅片的底面进行补充加固 可以预计 气动喷涂法在紧凑高效换热器的生 产中 将会得到广泛应用 2 螺旋折流板换热器 在管壳式换热器中 壳程通常是一个薄弱环节 通常普通的弓形折流板能造成 曲折的流道系统 z 字形流道 这样会导致较大的死角和相对高的返混 而这些死 角又能造成壳程结垢加剧 对传热效率不利 返混也能使平均温差失真和缩小 其 后果是 与活塞流相比 弓形折流板会降低净传热 优越弓形折流板管壳式换热器 很难满足高热效率的要求 故常为其他型式的换热器所取代 如紧凑型板式换热器 对普通折流板几何形状的改进 是发展壳程的第一步 虽然引进了密封条和附加诸 如偏转折流板及采取其他措施来改进换热器的性能 但普通折流板设计的主要缺点 依然存在 为此 美国提出了一种新方案 即建议采用螺旋状折流板 这种设计的先进性 已为流体动力学研究和传热试验结果所证实 此设计已获得专利权 此种结构克服 了普通折流板的主要缺点 螺旋折流板的设计原理很简单 将圆截面的特制板安装 在 拟螺旋折流系统 中 每块折流板占换热器壳程中横剖面的四分之一 其倾角朝 向换热器的轴线 即与换热器轴线保持一倾斜度 相邻折流板的周边相接 与外圆 吉林化工学院油气储运课程设计 4 处成连续螺旋状 折流板的轴向重叠 如欲缩小支持管子的跨度 也可得到双螺旋 设计 螺旋折流板结构可满足相对宽的工艺条件 此种设计具有很大的灵活性 可 针对不同操作条件 选取最佳的螺旋角 可分别情况选用重叠折流板或是双螺旋折 流板结构 3 新型麻花管换热器 瑞典 alares 公司开发了一种扁管换热器 通常称为麻花管换热器 美国休斯顿 的布朗公司做了改进 螺旋扁管的制造过程包括了 压扁 与 热扭 两个工序 改进 后的麻花管换热器同传统的管壳式换热器一样简单 但有许多激动人心的进步 它 获得了如下的技术经济效益 改进了传热 减少了结垢 真正的逆流 降低了成本 无振动 节省了空间 无折流元件 由于管子结构独特使管程与壳程同时处于螺旋运动 促进了湍流程度 该换热 器总传热系数较常规换热器高 40 而压力降几乎相等 组装换热器时也可采用螺 旋扁管与光管混合方式 该换热器严格按照 asme 标准制造 凡是用管壳式换热器 和传统装置之处均可用此种换热器取代 它能获得普通管壳式换热器和板框式传热 设备所获得的最佳值 估计在化工 石油化工行业中具有广阔的应用前景 4 非钎焊绕丝筋管螺旋管式换热器 在管子上缠绕金属丝作为筋条 翅片 的螺旋管式换热器 ta 一般都是采用焊接 方法将金属丝固定在管子上 但这种方法对整个设备的质量有一系列的影响 因为 钎焊法必将从换热中 扣除 很大一部分管子和金属丝的表面 更重要的是 由于焊 料迅速老化和破碎会造成机器和设备堵塞 随之提前报损 吉林化工学院油气储运课程设计 5 第 2 章 设计方案 化工生产中所用的换热器类型很多 不同类型换热器 其性能各异 因此要了 解各种换热器的特点 以便根据工艺要求选用适当类型 同时还要根据传热的基本 原理 选择流程 确定换热器的基本尺寸 计算传热面积以及计算流体阻力等 2 1 换热器类型的选择 2 1 1 换热器的分类 网上有很多资料 吉林化工学院油气储运课程设计 6 第 3 章 换热器的结构设计 换热器的工艺尺寸确定后 若能选用热交换器标准系列 则结构尺寸随之而定 否则还需进行部件结构的设计计算 换热器结构设计计算包括 管子在管板上的固定 是否需要温差补偿及补偿装 置的设计 管板的强度 管板与壳体的连接结构 折流板与隔板的固定 端盖与法 兰的设计 各部件的公差及技术条件等 3 1 管束及壳程分程 3 1 1 管束分程 为了解决管束增加引起管内流速及传热系数的降低 可将管束分程 在换热器 的一端或两端的管箱中安置一定数量的隔板 一般每程中管数大致相等 主义温差 较大的流体应避免紧邻以免引起较大的温差应力 管束分程的方案如表 4 1 从制造 安装 操作的角度考虑 偶数管程有较多 的方便之处 因此用的最多 但程数不宜太多 否则隔板本身占去相当大的布管面 积 且在壳程中形成旁路 影响传热 表 3 1 管程布置 3 1 2 壳程分程 E 型为最为普通 为单壳程 F 型与 G 型均为双程 它们的不同之处在于壳侧 流体进出口位置不同 G 型壳体又称分流壳体 当用作水平的惹热虹吸式再沸器时 壳程中的纵向隔板起着防止轻组分的闪蒸与增强混合的作用 H 型与 G 型相似 只是进出口接管与纵向隔板均多一倍 故称之为双分流壳体 G 型与 H 型均可用 于以压力降作为控制因素的换热器中 考虑到制造上的困难 一般的换热器壳程数 很少超过 2 吉林化工学院油气储运课程设计 7 3 2 管程结构 介质流经传热管内的通道部分成为管程 3 2 1 换热管布置和排列间距 常用换热管规格有 1Cr18Ni9Ti 碳钢 mm219 mm225 mm5 225 10 换热管管板上的排列方式有正方形直列 正方形错列 三角形直列 三角形 错列和同心圆排列 管子的排列应在整个换热器截面上均匀而紧凑地分布 还要考虑流体的性质和 结构设计以及制造等方面的问题 管子在管板上排列的方法 用的较多的是等边三 角形 或称正六角形 和正方形排列法 当壳程流体是不污性质介质时 采用等边三角形排列法 等边三角形排列结构 紧凑 在一定管板面积上可以配置较多的管数 且由于管子间的距离都相等 在管 板加工时便于画线与钻孔 当壳程流体需要用机械清洗时 采用正方形排列法 正方形排列法在一定的管 板面积上可排列的管子数最少 同心圆排列用于小壳径换热器 外圆管布管均匀 结构更为紧凑 在制氧设备 中 常采用此法 按此法在管板上布置的管比按三角形排列的还多 我国换热器系列中 固定管板式多采用正三角形排列 浮头式则以正方形错列 排列居多 也有正三角形排列 图图 3 1 换热管排列方式换热管排列方式 除了上述三种排列方法外 也可采用组合排列方法 例如在多管程换热器中 吉林化工学院油气储运课程设计 8 每一程中都采用三角形排列法 而在各程之间 为了便于安排隔板 则采用正方形 排列法 当管子总数超过 127 根 相当于层数 6 等边三角形排列的最外层管子和壳 体间弓形部分也应配置上附加的管子 这样不但可增加排列管数 增大传热面积 而且消除了管外部分不利于传热的空间 附加管子的配置法可参考表 3 2 对于多管程换热器 分程的纵向隔板占据了管板上一部分面积 实际排列管比 表 3 2 中所示要少 设计师必须有作图法决定 表 3 2 等边三角形排列时管子的根数 弓形部分管数 六角 形的 层数 对角线 上的管 数 不计弓形部 分时管子的 根数 在弓形 的第一 排 在弓形 的第二 排 在弓形 的第三 排 在弓形部 分内总根 数 换热器内 管子的总 根数 137 7 2519 19 3737 37 4961 61 51191 91 613127 127 7151693 18187 8172174 24241 9192715 30301 10213316 36367 11233977 42439 12254698 48517 132754792 66613 1429631105 90721 1531721116 102823 1633817127 114913 1735919138 1261045 计算得 104 根管 采用组合排列法 即每程内均按正三角排列 隔板两恻采用正方形 排列 3 2 2 管心距 管板上两管子中心的距离称为管心距 管心距的决定要考虑管板的强度和清a 洗管子外表时所需的空隙 它与管子在管板上的固定方法有关 当管子采用焊接方 法固定时 相邻两根管的焊缝太近 就会相互影响 使焊接质量不易保证 而采用 胀接法固定时 过小的管心距会造成管板在胀接时由于挤压力的作用发生变形 失 吉林化工学院油气储运课程设计 9 去了管子与管板之间的连接力 因此 管心距必须有一定的数值范围 根据生产实践经验 最小管心距一般采用 min a 焊接法 为管子外径 0min 25 1 da 0 d 胀接法 0min 25 1 da 但管心距最小不能小于 对于直径小的管子 的数值应大些 ammd6 0 0 da 最外层列管中心至壳体内表面的距离不应小于 mmd10 2 1 0 管板 折流板 或支承板 管孔直径及中心距允许偏差已有标准规定 列于表 3 3 表 3 3 管孔直径及中心距允许偏差 mm 管板孔管孔中心距允许偏差折流板 支承板 管子外径 孔直径允许偏差 相邻孔中心距 相邻孔任意孔孔直径允许偏差 1414 4 0 1519 0 3 1 014 6 0 4 1919 4 0 225 0 3 1 019 6 0 4 2525 4 0 232 0 3 1 025 6 0 4 3232 5 0 340 0 3 1 032 7 0 45 3838 5 0 348 0 3 1 038 7 0 45 5757 7 0 470 0 5 1 075 9 0 45 卧式换热器的壳程为蒸汽冷凝 且管子按等边三角形排列时 为了减少液膜在 列管上的包角及液膜的厚度 管板在装配时 其周线应与设备的水平轴线偏转一定 角度 其值见表 3 4a 表 3 4 轴线偏转角度 管子外径 mmd 0 19253857 管心距mma 25324870 偏转角a 8 7 7 6 如果管心距不同于上表数值时 偏转角应按下列公式计算 a d a 2 sin30 01 此时 如管板上带有排液孔或排气孔 应注意其位置 本设计采用焊接法 吉林化工学院油气储运课程设计 10 3 2 3 管材料 管子材料常用的为碳钢 低合金钢 不锈钢 铜 铜镍合金 铝合金等 应根据工作压力 温度和介质腐蚀性等条件决定 此外还有一些非金属材料 如石墨 陶瓷 聚四氯乙烯等亦有采用 在设计和制造换热器时 正确选用材料很 重要 既要满足工艺条件的要求 又要经济 对化工设备而言 由于各部分可采用 不同材料 应注意有不同种类的接触而产生的电化学腐蚀作用 本设计采用碳钢型材 3 3 管板 管板的作用是将受热管束连接在一起 并将管程和壳程的流体分割开来 管板形式有平管板 椭圆形管板和双管板 其中最常见的是平管板 当流体有 腐蚀性时 管板应采用耐腐蚀材料 工程上多采用轧制成的复合不锈钢板 或在碳 钢表面堆焊一层厚度不小于 5mm 的覆盖层 当换热器承受高温高压是 应采用薄 型管板 既降低了温差应力 同时有满足了高压对机械应力的要求 薄管板的突出 优点是节约管板材料 高压时可节约 90 且加工也方便 所以在中 低压换热器 中的以推广应用 3 4 管子与管板的连接 在管壳式换热器的结构设计中 管子与管板的连接是否紧密十分重要 如果连 接不紧密 在操作时连接处发生泄漏 冷 热流体互相混合 会造成物料和热量的 流失 若物料带有腐蚀性 放射性或两种流体接触会产生易燃易爆的物质 后果将 更加严重 在固定管板式换热器的连接处还应考虑能承受一定的轴向力 以避免温度变化 较大时 产生的热应力是管子从管板脱出 管子与管板的连接可胀接或焊接 胀接法结构简单 管子的更换及修补方便 多用于压力低于 和温度低于的场合 此方法是利用胀管器将管子扩 108 91 40 4 Paatmatm C 300 张 产生显著的塑性变形 靠管子与管板间的挤压力达到密封紧固的目的 对于高温高压以及易燃易爆的流体 多采用焊接法 焊接法加工简便 对管孔 的加工要求不高 较强的抗拉脱能力使之在高温高压下仍能保持连接处的紧密性 同时 在压力不太高时 还可采用薄型管板 其缺点是焊接造成的残余热应力与应 力集中 在设备运行时可能引起应力腐蚀和疲劳破坏 此外 管子和管孔之间的间 隙中存在的不流动流体与间隙外流体浓度上的差别易产生间隙腐蚀 建议用先胀后焊法消除此间隙 实际上 胀 焊结合的方法综合了二者的优点 吉林化工学院油气储运课程设计 11 不仅能提高连接处的抗疲劳性能 还可以消除应力腐蚀和间隙腐蚀 提高使用寿命 目前已得到较广泛的应用 3 5 管板尺寸的确定 3 5 1 管板受力情况分析 列管式换热器管板 一般采用平管板 在圆平板上开孔装设管束 管板又与壳 体相连 管板所受载荷除管程和壳程压力外 还要承受壳壁的温差引起的变形不协 调作用等 管板受力情况较浮躁 影响管板应力大小有如下因素 1 与圆平板类似 管板直径 厚度 压力大小 使用温度等对管板应力有显 著影响 2 管束的支撑作用 管板与许多换热管刚性地固定在一起 因此 管束起着 支承的作用 阻碍着管板的变形 在进行受力分析时 常把管板看成是放在弹性基 础上的平板 列管就起着弹性基础的作用 其中固定式换热器管板的这种支承作用 最为明显 3 管孔对管板强度和刚性的影响 由于管孔的存在 削弱了管板的强度和刚 度 同时在管孔边缘产生高峰应力 当管子连续连接在管板之后 管板孔内的管子 又能增强管板的强度和刚度 而且也抵消一部分高峰应力 通常采用管板强度与刚 度削弱系数来估计他的影响 4 管板边缘固定的形式 类似于圆平板 管板边界条件不同 管板应力状态 是不一样的 管板外边缘有不同的固定形式 如夹持 简支 半夹持等 通常以介 于简支和夹持之间为多 这些不同的固定结构对管板应力产生不同程度的影响 在 计算中 管板边缘的固定形式是以固结系数来反映的 5 管壁和壳壁的温差所引起的热应力 由于管壁与壳壁温度不同产生变形量 的差异 不仅使管子 壳体的应力有显著的增加 而且使管板的应力有很大的增加 在设备启动和停车过程中 特别容易发生这种情况 如采用非刚性非固定性板式结 构换热器 这种影响会减少或消除 6 当管板又兼作法兰时 拧紧法兰螺栓 在管板上又会产生附加弯矩 7 其他 当管板厚度较大 管板上下两平面存在温差 则产生附加热应力 当管子太长而无折流板之托时 管子会弯曲造成管板附加应力 当管板在制造 胀 接或焊接管子时 也会产生一些附加应力 目前设计管板厚度的方法很多 由于处理问题的出发点不同 考虑因素的周密 程度不同 结果往往彼此相差很大 吉林化工学院油气储运课程设计 12 3 5 2 管板尺寸 当管子与管板采用胀接时 应考虑胀管时对管板的刚性要求 管板的最小厚度 不包括腐蚀余量 按表 3 5 规定 包括厚度附加量在内建议不小于 mm20 表 3 5 管板最小厚度mm 换热器管板厚度b换热器管板厚度b 25 3825 32 22 5732 采用焊接时 管板最小厚度的确定应考虑焊接工艺及管板焊接形变等的要求 3 6 壳程结构 介质流经传热管外面的通道部分称为壳程 壳程内的结构 主要有折流板 支承板 纵向隔板 旁路挡板及缓冲板等元件 组成 由于各种换热器的工艺性能 使用的场合不同 壳程内对各种元件的设置形 式亦不同 以此来满足设计的要求 各元件在壳程的设置 按其不同的作用可分为 两列 一类是为了壳侧介质对传热管最有效的流动 来提高换热设备的传热效果而 设置的各种挡板 如折流板 纵向挡板 旁路挡板等 另一类是为了管束的安装及 保护列管而设置的支承板 管束的导轨以及缓冲板等 3 6 1 壳体 壳体是一个圆筒形的容器 壳壁上焊有接管 供壳程流体进入和排出之用 直 径小于 400mm 的壳体通常用钢管制成 大于 400mm 的可用钢板卷焊而成 壳体材 料根据工作温度选择 有防腐要求时 大多考虑使用复合金属板 介质在壳程的流动方式有多种型式 单壳程型式应用最为普遍 如壳侧传热膜 系数远小于管侧 则可用纵向挡板分隔成双壳程型式 用两个换热器串联也可得到 同样的效果 为降低壳程压降 可采用分流或错流等型式 壳体内径 D 取决于传热管数 N 排列方式和管心距 t 计算式如下 单管程 0 3 2 1 dntD c 式中 管心距 mmt 换热管外径 mm 0 d 横过管束中心线的管数 该值与管子排列方式有关 c n 吉林化工学院油气储运课程设计 13 正三角形排列 Nnc1 1 正方形排列 Nnc19 1 多管程 05 1 NtD 式中 排列管子数目 N 管板利用率 正三角形排列 2 管程 85 0 7 0 4 管程 8 0 6 0 正方形排列 2 管程 7 0 55 0 4 管程 65 0 45 0 壳体内径 D 的计算值最终应圆整到标准值 3 7 折流板 支撑板的作用及结构 3 7 1 折流板 在对流传热的换热器中 为了加强壳程内流体的流速和湍流程度 以提高传热 效率 在卧式换热器中 折流板还起着支撑管束的作用 在壳程内装置折流板 折 流板还起支撑换热管作用 从传热的家督出发 有些换热器 如冷凝器 是不需要 设置折流板的 但为了增加管束的刚度 防止管子振动 仍然要设置一定数量的支 持板 这些支持板的尺寸及形状均按折流板处理 一 折流板分类及特点 一 折流板分类及特点 折流板可分为横向折流板和纵向折流板两种 前者使流体横向流动 后者则使 管间的流体平行流过管 故名纵向折流板 在壳程管束中 一般都装有横向折流板 用以引导流体横向流过管束 增加流 体速度 以增强传热 同时起支撑管束 防止管束振动和管子弯曲的作用 常见的横向折流板有圆缺形 或称弓形 和圆盘 圆环形和孔流型等 1 圆缺形 或称弓形 折流板 圆缺形 或称弓形 折流板是常见的折流板 有水平圆缺和垂直圆缺两种排列 方式 水平圆缺排列可造成液体的剧烈扰动 增大传热膜系数 这种型式最常用 垂直圆缺用于水平冷凝器 水平再沸器和含有悬浮固体粒子流体用的水平热交换器 等 垂直圆缺时 不凝气不能在折流板顶部积存 而在冷凝器中 排水也不能再折 吉林化工学院油气储运课程设计 14 流板底部积存 弓形折流板中以单弓形用的最多 弓形缺口的切缺率 切掉圆弧的高度与壳体 内径之比 通常为 15 45 多去 20 在卧式冷凝器中 折流板底部应开一高度为 15 20mm 的 90 缺口供停工排精 残液用 在有些冷凝器中需要保留一定量的过冷凝液以保证泵的吸入压头 此时可 采用带堰的折流板 对立式换热器则不必开缺口 双弓形折流板多用于大直径的换热器中 由于折流板间距较大 流体流经单弓 形折流板 会在其后接近壳体处 形成对传热不利的 死区 采用双弓形折流板可 消除此弊病 因流体分两股流动 不仅减少了死区 还有利于减轻流体诱发的振动 2 圆盘 圆环形折流板 圆盘 圆环形折流板是由圆板和环形板组成的 压降较小 但传热也差些 在 环形板背后有堆积不凝气或污垢 所以不多用 3 孔流型折流板 孔流型折流板使流体穿过折流板孔和管子之间的缝隙流动 压降大 仅适用与 清洁流体 应用更少 图 3 2 折流板型式 a 水平圆缺 b 垂直圆缺 c 环盘型 二 折流板间隔 折流板与支撑板一般均借助于长拉杆利用焊接或定距管来保持板件的距离 折 流板间距视壳程介质的流量 粘度及换热器的功用而定 其系列 100mm 150mm 200mm 300mm 450mm 600mm 800mm 1000mm 吉林化工学院油气储运课程设计 15 折流板间距的确定原则主要是考虑流体流动 理想的情况是缺口的流通截面积 和通过管束的错流流动的截面积大致相等 这样可以减小压降并且避免或减小 静 止区 从而改善传热 推荐折流板间距的最小值为壳内径的 1 5 最大值决定于支 持管所必需的最大间距 规定不得大于壳内径 否则流体流向就会与管子平行而不 是垂直 从而使传热膜系数降低 折流板外径与壳体之间的间隙应适宜 间隙越小 壳程流体介质由此泄漏的量 越少 亦即减少流体短路 使传热效率提高 但间隙过小 会给制造安装带来困难 增加设备成本 间隙过大 有会造成流经此处短路的壳程流体量增多 降低传热效 率 表 3 6 折流板和支撑板的外径 mm 壳 体 公 称 直 径 D N 项 目 139273325400500600 70 0 800 90 0 100 0 11001200 换 热 器 折 流 板 支 承 板 名 义 外 径 2 i D397 496 5 596 55 69 6 796 89 6 995 5 1095 5 1195 5 冷 凝 3 i D396490595 69 4 794 89 4 99310931093 吉林化工学院油气储运课程设计 16 器 支 撑 板 名 义 外 径 折 流 板 支 承 板 外 径 负 偏 差 0 5 3 0 6 0 0 6 8 0 7 6 0 7 6 0 9 1 0 1 0 0 1 0 1 10 1 20 流板厚度与壳体直径和折流板间距有关 间表 3 7 表 3 7 折流板厚度 mm 相邻两折流板间距 公称壳体内径 300 300 450 450 600 600 750 750 200 4003561010 400 70056101012 700 100068101216 1000610121616 三 缓冲板 在壳程进口管接管处常装有防冲挡板 或称缓冲板 它可防止进口流体直接冲 击管束而造成管子的侵蚀和管束振动 还有使流体沿管束均匀分布的作用 也有在 管束两端放置导流筒 不仅其防冲板的作用 还可以改善两端流体的分布 提高传 热效率 四 其他主要附件 1 旁流挡板 如果壳体和管束之间间隙过大 则流体不通过管束而通过这个间隙旁通 为防 止流体短路 往往采用旁流挡板 旁流挡板是指在间隙较大处加上纵向窄条 密封 条 一般用点焊的方法固定在两折流板之间 吉林化工学院油气储运课程设计 17 2 假管 为减少管程分程所引起的中间穿流的影响 可设置假管 假管的表面形状为两 端堵死的管子 安置于分程隔板槽背面两管板之间但不穿过管板 可与折流板焊接 以便固定 假管通常是每隔 3 4 排换热管安置一根 3 拉杆和定距管 为了使折流板能牢靠地保持在一定位置上 通常采用拉杆和定距管 拉杆式一 根两端皆带有螺纹的长杆 一段拧入管板 折流板就穿在拉杆上 个班之间则以套 在拉杆上的定距管来保持板间距离 最后一块折流板可用螺母拧在拉杆上予以固定 此外 对不锈钢可采用焊接不可拆的方法 各种尺寸的换热器的拉杆直径和拉杆数 可参考表 3 8 表 3 8 拉杆直径与拉杆数 壳体直径mm 拉杆直径 mm 最少拉杆 数 壳体直径 mm 拉杆直径 mm 最少拉杆 数 200 250104 1200128 273 400 500 600124 800 1000126 12001210 3 7 2 支承板 一般卧式换热器都有折流板 既起折流作用 又起支撑作用 但当工艺上无折 流板的要求 例如冷凝器 而管子比较细长时 应考虑有一定数量的支承板以便于 安装和防止管子变形过大 这样支撑板则可放宽其制造要求 因为这是介质短路可 以认为不影响传热效率 支承板做成半圆形较好 支撑板厚度一般不应小于表 3 9 中所列的数据 表 3 9 支承板厚度 mm 壳体直径 400400 800900 1200 支承板厚度11600 允许不支承的最大间距 L 可参见表 3 10 所列的数据 表 3 10 最大间距 mm 管子外径 0 d19253857 L1500180025003400 吉林化工学院油气储运课程设计 18 3 8 管程与壳程接管 3 8 1 管箱及封头 换热器管内流体进出口的空间为管箱 管箱结构应便于拆装 以利于管子的清 洗 检修 封头和管箱位于壳体两侧 用于控制及分配管程流体 1 封头 当壳体直径较小时常采用封头 接管和封头可用法兰或螺纹连接 封头与壳体 之间用螺纹连接 以便卸下封头 检查和清洗管子 2 管箱 壳径较大的换热器大多采用管箱结构 管箱具有一个可拆盖板 因此在检修或 清洗管子时无须卸下管箱 3 分程隔板 当需要的换热面很大时 可采用多管程换热器 对于多管程换热器 在管箱内 应设分程隔板 将管束分为顺次串接的若干组 各组管子数目大致相等 这样可提 高介质流速 增强传热 管程多者可达 16 程 常用的有 2 4 6 程 在布置时应 尽量使管程流体与壳程流体成逆流布置 以增强传热 同时应严防分程隔板的泄漏 以防止流体的短路 3 8 2 壳程接管 壳程流体进出口的设计直接影响换热器的传热效率和换热管的寿命 当加热蒸 汽后高速流体流入壳程时 对换热管会造成很大的冲刷 所以常将壳程接管在入口 处加以扩大 及将接管做成喇叭形 以起缓冲作用 其结构为筒形的 常成为导流 筒 它可将加热蒸汽或流体导致靠近管板处才进入管束间 更充分地利用换热面积 目前常用这种结构来提高换热器的换热能力 通常采用的挡板有圆形和方形 圆形挡板 为了减少流体组里 挡板与换热器 壳壁的距离 e 不应太小 至少应保持此处流道截面积不小于流体进口接管的截面积 且距离 e 不小于 30mm 若距离太大也妨碍管子的排列 且减少了传热面积 当需 加大流体通道时 可在挡板上开些圆孔以加大流体通过的截面 方形挡板 上面开 了小孔以增加流体通过截面 对于蒸汽在壳程冷凝的立式换热器 冷凝器等 应尽量减少冷凝液在管板上的 滞留 以保证传热面的充分利用 此外 应在壳程尽可能高的位置上 一般在上管 板上 安装不凝性气体排出管 作为开车时的排气管及运转中间歇地排出不凝气体 的接管 其安装位置应在壳程尽可能高的位置 多在上管板上 吉林化工学院油气储运课程设计 19 第 4 章 换热器的工艺计算 4 1 确定设计方案 4 1 1 选择换热器类型 两流体温度变化情况 热流体 柴油 进口温度 175 出口温度 125 冷 流体 循环水 进口温度 30 出口温度 40 该换热器的管壁温和壳体壁温之 差较大 因此初步确定选用浮头式换热器 4 1 2 流体间流速确定 由于循环冷却水易结垢 为了便于水垢的清洗 应采用循环水走管程 柴油走 壳程 选用 25 2 5mm 的碳钢管 根据表三 管内流速取 ui 1m s 4 2 基础物性数据 4 2 1 定性温度 可取流体进口温度的平均值 4 2 2 壳程柴油的定性温度为 150 2 125175 T 4 2 3 管程循环水的定性温度为 35 2 4030 t 4 2 4 柴油物性数据 由手册查得 柴油在定性温度下物性数据 密度 715 3 0 mkg 粘度 104 6 4 0 sPa 定压比热容 48 2 0 CkgkJcP 吉林化工学院油气储运课程设计 20 导热系数 133 0 0 Cmw 处理量 hkgmo 1089393 1 24330 101015 4 43 4 2 5 循环水物性数据 循环冷却水在下的物性数据C 35 密度 3 994mkg i 粘度 000725 0sPa i 定压比热容 08 4CkgkJcpi 导热系数 626 0Cmw i 4 3 计算总传热系数 4 3 1 热流量 kWhKJTcmQ opooo 78 652 1035 2 125175 48 21089393 1 64 4 3 2 平均传热温差 t t tt tm 8 113 30125 40175 ln 30125 40175 ln 2 1 21 4 3 3 冷却水用量 hkg tC Q w ipi o i 1076 5 3040 08 4 1035 2 4 6 4 3 4 总传热系数 K 管程传热系数 1000027340 1025 7 994102 0 Re 4 i iiiu d 吉林化工学院油气储运课程设计 21 mW cud d i ipi i iii i i i 2 4 0 43 8 0 4 08 0 6 4081 626 0 1025 710084 4 27340 020 0 626 0 023 0 023 0 壳程传热系数 假设壳程的传热系数 mW 2 2 500 污垢热阻 W mRsi 000344 0 2 W mRso 0004 0 2 管壁的导热系数 mW 2 45 2 2 2 1 2 1 11 2 1 1 d m d R d bd d d R d d K 500 1 100 4 0225 045 025 00025 0 020 0 025 0 1044 3 020 06 4081 025 0 1 44 mW 2 7 312 4 4 计算传热面积 2 3 35 18 8 1137 312 1053 6 m tK Q S m 考虑 15 的面积裕度 2 1 2135 1815 115 1mSS 吉林化工学院油气储运课程设计 22 4 5 工艺结构尺寸的计算 4 5 1 管内和管外流速的计算 为减少热损失和充分利用柴油的热量 采用柴油走壳程 水走管程 选用 25 2 5mm 的碳钢管 根据表三 管内流速取 u i 1m s 4 5 2 管程数和传热管数 依据传热管内径和流速确定单程传热管数 根 513 51 0 102 0785 0 36009941076 5 4 2 4 2 1 ud V ns 按单程管计算 所需的传热管长度为 m nd S L s 27 5 51025 014 3 1 21 2 按单程管设计 传热管过程 宜采用多管程结构 现取传热管长 ml3 则该换热器管程程数为 管程 2 3 27 5 l L N p 传热管总根数 根 102251 N 4 5 3 平均传热温差校正及壳程数的确定 平均传热温差校正系数 5 3040 125175 R 069 0 30175 3040 P 按单壳程 2 管程结构 温差校正系数应查有关表 但 R 5 在图上难以读数 因而相应以 1 R 代替 R PR 代替 P 查同一图线 可得 97 0 t 平均传热温差 tt mtm 4 1108 11397 0 吉林化工学院油气储运课程设计 23 4 5 4 传热管排列和分程的选择 采用组合排列法 即每程内均按正三角排列 隔板两恻采用正方形排列 取管心距 则 2 25 1 dt mmt3225 312525 1 横过管束中心线的管数 根 1210219 119 1 Nnc 4 5 5 壳程内经的计算 采用多管程结构 取管板利用率 则壳体内径为 6 0 可取 D 400mm 4 5 6 折流板的选择 采用弓形折流板 取弓形折流板圆缺高度为壳体内径的 25 则切去的圆缺高度为 故取 h 100mmmmh10040025 0 取折流板间距 DB25 0 则mmB1204003 0 取 B 为 120mm 折流板数 块 241 120 3000 1 折流板间距 传热管长 B N 折流板圆缺面水平装配 4 5 7 其他附件的选择 壳程流体进出口接管 取接管内流速为 则接管内径为 smu 0 1 097 0 0 114 3 715360039 1893944 m u V do 取标准管径为 100mm 管程流体进出口接管 取接管内循环水流速 则接管内径为smu 0 1 058 0 0 114 3 9943600576044 m u V d mmNtD6 4056 01023205 105 1 吉林化工学院油气储运课程设计 24 取标准管径为 60mm 4 6 换热器核算 4 6 1 传热能力的核算 1 壳程传热系数 对圆缺形折流板 可采用克恩公式 14 0 3155 0 PrRe36 0 w o o e o o d 当量直径 由三角形排列得 02 0 025 014 3 025 0785 0032 0 2 3 4 42 3 4 22 2 2 m d dt d o o e 壳程流通截面积