化工原理课程设计-煤油冷却器的设计.doc

此文档收集于网络 如有侵权 请联系网站删除 此文档仅供学习与交流 化工原理课程设计化工原理课程设计 煤油冷却器的设计煤油冷却器的设计 此文档收集于网络 如有侵权 请联系网站删除 此文档仅供学习与交流 目录目录 一一 化工原理课程设计任务 书 3 二 概述 4 换热器的发展和分类 4 列管式换热器的分类 5 设计背景以及设计要求 8 三 换热器的设计论述以及计算 11 四 确定设计方案 20 4 1 选择换热器的类型 20 4 2 流程安排 20 4 3 确定物性数据 20 试算并初步选择换热器的型号 21 4 5 壳体内径 22 4 6 折流板 23 4 7 接管 13 五 换热器的核算 13 六 机械设计 26 七 设计结果 46 八 参考文献 47 九 后记 48 此文档收集于网络 如有侵权 请联系网站删除 此文档仅供学习与交流 一一 化工原理课程设计任务书化工原理课程设计任务书 一 一 设计题目 煤油冷却器的设计设计题目 煤油冷却器的设计 3 组 组 21 二 二 设计任务及操作条件设计任务及操作条件 1 处理能力 处理能力 18 万吨 年煤油 2 设备形式 设备形式 列管式换热器 3 操作条件操作条件 1 煤油 入口温度 100 出口温度 35 2 冷却介质 自来水 入口温度 25 出口温度 40 3 允许压强降 不大于 100kPa 4 煤油定性温度下的物性数据 密度 825kg m3 黏度 7 15 10 4Pa s 比热容 2 22kJ kg 导热系数 0 14W m 5 每年按 330 天计 每天 24 小时连续运行 三 三 选择适宜的列管式换热器并进行核算选择适宜的列管式换热器并进行核算 3 1 传热计算 3 2 管 壳程流体阻力计算 3 3 管板厚度计算 3 4 U 形膨胀节计算 浮头式换热器除外 3 5 管束振动 3 6 管壳式换热器零部件结构 四 四 绘制换热器装配图 绘制换热器装配图 A2 图纸 图纸 二 概述二 概述 2 1 换热器的发展和分类换热器的发展和分类 在不同温度的流体间传递热能的装置称为热交换器 简称为换热器 它是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备 有称为热交换器 换热器 既可以是一种单独的设备 如加热器 冷却器和蒸汽器等 也可以使某个 工艺设备的组成部分 如氨合成塔内的热交换器 由于制造工艺和科学水平的限制 早期的换热器只能采用简单的结构 而且传热面积小 体积大和笨重 如蛇管式换热器等 随着制造工艺的发 展 逐步形成了一种管壳式换热器 他不进单位体积具有较大的传热面积 而且传热效果也较好 长期以来在工业生产中成为一种典型的换热器 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 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以及其他 合金材料制成的板翅式换热器 用于飞机发动机的散热 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 此文档收集于网络 如有侵权 请联系网站删除 此文档仅供学习与交流 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 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 此外自 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 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 一般换热器都用金属材料制成 其中碳素钢和低合金钢大多数用于制 造中 抵押换热器 不锈钢除主要用于不同的耐腐蚀条件外 奥氏体不锈 钢还可做耐高 低温的材料 铜 铝以及其合金多用于制造低温换热器 镍合金则用于高温条件下 非金属材料除制作垫片零件外 有些一开始用 于制作非金属材料的耐腐蚀换热器 如石墨换热器 氟塑料换热器和玻璃 换热器等 换热器按用途不同可分为加热器 冷却器 冷凝器 蒸发器 再沸器 深冷器 过热器等 换热器按传热方式的不同可分为 混合式 蓄热式和 间壁式 其中间壁式换热器应用最广泛 按照传热面的形状和结构特点又 可分为管壳式换热器 板面式换热器和扩展时换热器 板翅式 管翅式等 2 2 列管式换热器的分类 列管式换热器的分类 换热器种类繁多 形式各异 如列管式 釜式 板式 板翅式 螺旋 板式 空冷器 套管式 蛇管式等 由于列管式换热器 亦称管壳式 易 于制造 适应性强 处理量大 成本较低可供选用的材料范围广泛 仍是 当前应用最广 约占 理论研究和设计技术最完善 运行可靠性良 好的一类换热器 列管式换热器种类很多 目前广泛使用的按其温差补偿结构来分 主 要有以下几种 固定管板式换热器 这类换热器的结构比较简单 紧凑 造价便宜 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的连接都是刚性的 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 由于两者的热膨胀不 同 产生了很大的温差应力 以至管子扭弯或是管子从管板上松脱 甚至 毁坏换热器 为了克服温差应力必须有温差补偿装置 一般在管壁与壳壁温度相差 以上时 为安全起见 换热器应有温差补偿装置 但补偿装置 膨 胀节 只能用在壳壁与管壁温差低于 60 70 和壳程流体压强不高的情况 一般壳程压强超过 0 6MPa 时 补偿圈过厚 难以伸缩 失去温差补偿的作 用 就是考虑其他结构 其结构如下图所示 此文档收集于网络 如有侵权 请联系网站删除 此文档仅供学习与交流 2 浮头式换热器 换热器的一块管板用法兰与外壳相连接 另一块管板不与外壳连接 以使管子受热或冷却时可以自由伸缩 但在这块管板上连接一个顶盖 称 之为 浮头 所以这种换热器成为浮头式换热器 其优点 管束可以拉出 以便清洗 管束的膨胀不变壳体约束 因此当两种换热器介质的温差大时 不会因管束与壳体的热膨胀量的不同而产生温差应力 其缺点是结构复杂 造价高 其结构如下 3 填料函式换热器 这类换热器管束一端可以自由膨胀 结构比浮头式简单 造价也比浮 头式低廉 但壳程内介质有外漏的可能 壳程中不应处理一会发 易燃易 爆和有毒的介质 其结构如下 此文档收集于网络 如有侵权 请联系网站删除 此文档仅供学习与交流 4 U 型管式换热器 这类换热器只有一个管板 管程至少为两程 管束可以抽出清洗 管 子可以自由膨胀 其缺点是管子内壁清洗困难 管子更换困难 管板上排 列的管子少 其结构如下所示 2 3 设计背景以及设计要求设计背景以及设计要求 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 在工程实践中有时也会存在两 种以上流体参加换热的换热器 但它的基本原理与前一种情形并无本质上 的差别 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 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 此对换热器的要求也日益加强 换热器的设计 制造 结构改进以及传热 机理的研究也十分活跃 一些新型高效的换热器相继问世 随着换热器在工业生产中的地位和作用不同 换热器的类型也多种多 样 不同类型的换热器各有优缺点 性能各异 在换热器的设计中 首先 应根据工艺的要求选择适用的类型 然后计算所需的传热面积 并确定换 此文档收集于网络 如有侵权 请联系网站删除 此文档仅供学习与交流 热器的结构尺寸 完善的换热器在设计或选型时应满足以下各项基本要求 1 合理的实现所规定的工艺条件 传热量 流体的热力学参数 温度 压力 流量 相态等 与物理化 学性质 密度 粘度 腐蚀性等 是工艺过程所规定的条件 设计者 应根据这些条件进行热力学和流体力学的计算 经过反复比较 使所 设计的换热器具有尽可能笑得传热面积 在单位时间内传热尽可能多 的热量 其具体做法如下 增大传热系数 在综合考虑流体阻力以及不发生流体诱发震动的前 提下 尽可能选择高的流速 提高平均温差 对于无镶边的流体 尽量采用接近逆流的传热方式 因为这样不仅可提高平均温差 还有助于减少结构中的温差应力 在 允许的条件下 可提高热流体的进口温度或降低冷流体的进口温度 妥善布置传热面 例如在管壳式换热器中 采用合适的管间距或排 列方式 不仅可以加大单位空间内的传热面积 还可以改善流体的流 动特性 错列管束的传热方式比并列管束好 如果换热器中的一侧有 相变 另一侧流体为气相 可在气相一侧的传热面上加翅片以增大传 热面积 更有利于热量的传递 2 安全可靠 换热器是压力容器 在进行强度 刚度 温差应力以及疲劳寿命计算 时 应遵照我国 钢制石油化工压力容器设计规定 与 钢制管壳式 换热器设计规定 等有关规定和标准 这对保证设备的安全可靠起着 重要作用 3 有利于安装 操作与维修 直立设备的安装费往往低于水平或倾斜的设备 设备与部件应便于运 输与装拆 在厂房移动时不会受到楼梯 梁 柱的妨碍 根据需要可 添置气 液排放口 检查孔与敷设保温层 4 经济合理 评价换热器的最终指标是 在一定的时间内 通常为 1 年 固定费用 设备的购置费 安装费等 与操作费 动力费 清洗费 维修费等 的总和为最小 再设计或选型时 如果有几种换热器都能完成生产任 务的需要 这一指标尤为重要 动力消耗与流苏的平房成正比 使得传热系数不断降低 传热量随之 而减少 故有必要停止操作进行清洗 在清洗时不仅无法传递热量 还要支付清洗费 这部分费用必须从清洗后传热条件的改善得到补偿 因此存在一最适宜的运行周期 严格的讲 如果孤立地换热器本身来进行经济核算来确定适宜的操 作条件与适宜的尺寸是不够全面的 应以整个系统中全部设备为对象 进行经济核算或设备优化 但要解决这样的问题难度很大 当影响换 热器的各项因素改变后对整个系统的效益关系影响不大时 按照上述 观点单独地对换热器进行经济核算仍然是可行的 三 换热器的设计论述及计算换热器的设计论述及计算 3 13 1 概述 概述 此文档收集于网络 如有侵权 请联系网站删除 此文档仅供学习与交流 1 流体流经的选择 哪种流体流经换热器的管程 哪一种流体流经壳程 下列各点可供选 择参考 1 不洁净和易结垢的流体宜走管内 以便于清洗管子 2 腐蚀性的流体宜走管内 以免壳体与管子同时受到腐蚀 而且管 子也便于清洗和检修 3 压强高的流体宜走管内 以免壳体受压 4 饱和蒸汽宜走管间 以便于即使排除冷凝液 且蒸汽较洁净 冷 凝传热系数与流速关系不大 5 被冷却的流体宜走管间 可利用外壳内的散热作用 以增加强冷却 效果 6 需要提高流速以增大其对流传热系数的流体宜走管内 因管程流 通面积常小于壳程 且可采用多管程以增大流速 7 粘度大的液体或流量较小的流体 宜走管间 因流体在有折流板的 壳程流动时 由于流速和流向的不断改变 在低 Re 下即可达到湍流 以提高对流传热系数 解析 在选择流体流径时 上述各点常不能同时兼顾 应视具体情况 抓住主要矛盾 本题为两流体均不发生相变的传热过程 因水的对流传热 系数一般比较大 且易结垢 估选择冷却水走换热器的管程 煤油走壳程 2 流体流速的选择 增加流体在换热器中的流速 将加大对流传热系数 减少污垢在管子表面上沉积的可能性 即降低了污垢热阻 使总传热系数 增大 从而可减少换热器的传热面积 但是流速增加 又使流体阻力增大 动力消耗就增多 所以适宜的流速要通过经济衡算才能定出 此外 在选择流速时 还需要考虑结构上的要求 例如 选择高的流速 使管子 的数目减少 对一定的传热面积 不得不采用较长的管子或增加程数 管 子太长不易清洗 且一般管长都有一定的标准 单程变为多程使平均温差 下降 这些也是选择流速时应予以考虑的问题 3 管子规格和排列方法 选择管径时 应尽可能使流速高些 但一般不应 超过前面介绍的流速范围 易结垢 粘度较大的液体宜采用较大的管径 我国目前试用的列管式系列标准中仅有 25 2 5 及 19 1 9mm 两种 规格的管子 管长的选择是以清洗方便及合理使用管材为原则 长管不 便于清洗 且易弯曲 一般出厂的标准管长为 6m 则合理的换热器管长为 1 5 2 3 或 6m 系列标准汇中也采用这四种管长 此外 管长和壳径应 相适应 一般取 L D 为 4 6 对直径小的换热器可大些 如前所述 管 子在管板上的排列方法有等边三角形 正方形直列和正方形错列等 等边 三角形排列的优点有 管板的强度搞 流体走短路的机会少 且管外流体 扰动较大 因而对流传热较高 相同的壳径内克排列更多的管子 正方形 直列排列的优点是便于清洗列管的外壁 适用于壳程流体易产生污垢的场 合 但其对流传热系数较正三角排列时为低 正方形错列排列则介于上述 两者之间 即对流传热系数 较直列排列的 可以适当地提高 管子在管 板上排列的间距 随管子与管板的连接方法不同而异 通常 胀管法取 t 1 3 1 5 do 且相邻两管外壁间距不应小于 6mm 即 t d 6 焊接法 取 t 1 25do 此文档收集于网络 如有侵权 请联系网站删除 此文档仅供学习与交流 4 管程和壳程数的确定当流体的流量较小或传热面积较大而需管数很多时 有时会使管内流速较低 因而对流传热系数较小 为了提高管内流速 可 采用多管程 但是管程数过多 导致管程流体阻力加大 增加动力费用 同时多程会使平均温度差下降 此外多程隔板使管板上可利用的面积减少 设计时应考虑这些问题 列管式换热器的系列标准中管程数有 1 2 4 和 6 程等四种 采用多程时 通常应使每程管子数大致相等 管程数可按下式 计算 即 u u m 式中 u 管程内流体的适宜速度 m s u 管程内流体的实际速度 m s 5 折流挡板 安装折流挡板的目的 是为了加大壳程流体的速度 使湍流程 度加剧 以提高壳程对流传热系数 折流板型式折流板的型式有圆缺形 环盘形和孔流形等 通常为圆缺形折流板 并分为单圆缺形 双圆缺形和 三圆缺形 在要求压降小的情况下 也可选用环盘形折流板 但传热较差 应用较少 孔流形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 仅适用于清洁流体 应用更少 折流板圆缺位置水平放置的折 流板适用于无相变的对流传热 防止壳程流体平行于管束流动 减少壳程 底部液体沉积 而在带有悬浮物或结垢严重的流体所使用的卧式冷凝器 换热器中 一般采用垂直型折流板 折流板圆缺高度单圆缺型折流板的 开口高度为直径的 10 45 双圆缺型折流板的开口高度为直径的 15 25 过高或过低都不利于传热 折流板间距折流板的间距影响到壳 程物流的流向和流速 从而影响到传热效率 最小的折流板间距为壳体的 1 5 并大于 50mm 然而 对特殊的设计考虑可以取较小的间距 由于折流 板有支撑管子的作用 所以 通常最大折流板间距为壳体的 1 2 并不大于 TEMA 规定的最大无支撑直管垮距的 0 8 倍 系列标准中采用的 h 值为 固 定板式的有 150 300 和 600mm 三种 浮头式的有 150 200 300 480 和 600mm 五种 板间距过小 不便于制造和检修 阻力也较大 板间距过大 流体就难于垂直地流过管束 使对流传热系数下降 6 外壳直径的确定 换热器壳体的内径应等于或稍大于管板的直径 根据 计算出的实际管数 管径 管中心距及管子的排列方法等 可用作图法确 定壳体的内径 但是 当管数较多又要反复计算时 作图法太麻烦费时 一般在初步设计时 可先分别选定两流体的流速 然后计算所需的管程和 壳程的流通面积 于系列标准中查出外壳的直径 待全部设计完成后 仍 应用作图法画出管子排列图 为了使管子排列均匀 防止流体走 短路 可以适当增减一些管子 另外 初步设计中也可用下式计算壳体的内径 即 D t nc 1 2b 式中 D 壳体内径 m t 管中心距 m nc 横过管束中心线的管数 b 管束中心线上最后层管的中心至壳体内壁的距离 一般取 b 1 1 5 do 管子按正三角形排列时 n1 1nc 此文档收集于网络 如有侵权 请联系网站删除 此文档仅供学习与交流 管子按正方形排列时 nnc19 1 式中 n 为换热器的总管数 按计算得到的壳径应圆整到标准尺寸 7 主要构建 封头 封头有方形和圆形两种 方形用于直径小的壳体 一般 小于 400mm 圆形用于大直径的壳体 缓冲挡板 为防止壳程流体进入换热器时对管束的冲击 可在进料 管口装设缓冲挡板 导流筒 壳程流体进 出口和管板间比存在有一段流体不能流动 的空间 为了提高传热效果 常在管束外增设导流筒 使流体进 出壳程时必然经过这个空间 放气孔 排液孔 换热器中流体进 出口的接管直径按下式计算即 u Vs 4 d 式中 Vs 流体的体积流量 m3 s u 接管中流体的流速 m s 流速 u 的经验值为 对液体 u 1 5 2m s 对蒸汽 u 20 50m s 对气体 u 15 20 p p 为压强 单位为 atm 为气体密度 单位为 kg m3 8 材料选用 列管式换热器的材料应根据操作压强 温度及流体的腐蚀性等来选用 在高温下一般材料的机械性能要下降 同时具有耐热性 高强度及耐腐蚀 性的材料是很少的 目前常用的金属材料有碳钢 不锈钢 低合金钢 铜 和铝等 非金属材料有石墨 聚四氟乙烯和玻璃等 不锈钢和有色金属虽 然抗腐蚀性能好 但价格高且较稀缺 应尽量少用 9 流体流动阻力的计算 管程流体阻力 管程阻力可按一般摩擦阻力公式求得 对于多程换热器 其总阻力 pi 等于各管程直管阻力 回弯阻力及进 出口阻力之和 一般进 出口阻 力可忽略不计 故管程总阻力的计算式为 spt NNFPP 21i P 式中 P1 P2 分别为直管及回弯管中因摩擦阻力引起的压强降 N m2 F t 结垢校正因数 无因次 对于 25x2 5mm 的管子 取为 1 4 对于 19x2mm 的管子 取为 1 5 Ns 串联的壳程数 Np 管程数 上式中直管的压强降 P1可按公式计算 此文档收集于网络 如有侵权 请联系网站删除 此文档仅供学习与交流 2 P 2 i u d l i i 式中 i 摩擦系数 W m k di 直管内径 m L 管长 m ui 管内流体流速 m s i 管内流体密度 kg m3 回弯管的压强降 P2 由下面的经验公式估算 即 2 u 3P 2 2 壳程流体阻力 现已提出的壳程流体阻力的计算公式虽然较多 但是由于流体的流动状况比较复杂 使得的结果相差很多 计算公式为 ssN FPPP 210 式中 P 1 流体横过管束的压强降 N m2 P 2 流体通过折流板缺口的压强降 N m2 Fs 壳程压强降的结垢校正因数 无因次 对液体可取 1 15 对 气体或可凝蒸汽可取 1 0 而 2 1FfP 2 1 u Nn Bco 2 2 5 3 2 2 u D B NP B 式中 F 管子排列方法对压强降的校正因数 对正方形排列 F 0 5 对正方形斜转 45 为 0 4 正方形排列为 0 3 fo 壳程流体的摩擦系数 当 Reo 500 时 fo 5 0Re 0 228 NB 折流板数 h 折流板间距 m uo 按壳程流通截面积 Ao计算的流速 而 Ao h D ncdo 一般 来说 液体流经换热器的压强降为 0 1 1atm 气体的为 0 01 0 1atm 设 计时 换热器的工艺尺寸应在压强降与传热面积之间权衡 使既能满足工 艺要求 又经济合理 3 23 2 列管式换热器的选用和设计计算步骤列管式换热器的选用和设计计算步骤 1 试算和初选换热器的规格 1 确定流体在换热器中的流动途径 2 确定流体在换热器两端的温度 选择列管式换热器的型式 计算定性温度 并确定在定性温度下流体的性质 3 计算平均温度差 并根据温度校正系数不应小于 0 8 的原则 决定壳程数 4 根据传热任务计算热负荷 Q 此文档收集于网络 如有侵权 请联系网站删除 此文档仅供学习与交流 5 根据总传热系数的经验值范围 或按生产实际情况 选定总 传热系数 K 6 有总传热速率方程 Q 初步算出传热面积 并 确定换热器的基本尺寸 或按系列标准选择设备规格 7 计算所选换热器的实际换热面积及实际所需的总传热系数 二 计算管 壳程压强降 根据初定的设备规格 计算管 壳程流体的流速和压强 检查计算 的结果是否合理或满足工艺要求 若压强降不符合要求 要调整流速 在 确定管程数或折流板间距 或选择另一规格的设备 重新计算压强降满足 要求为止 总传热系数 计算管 壳程对流传热系数 和 如 太小 在满足允许压强 降的情况下 可以减小折流板间距 然后确定污垢热阻的 和 在 计算总传热系数 比较 的初始值和计算值 若 则初选的设备合格 否则许另选 选值 重复以上计算步骤 其他因素 如加热和冷却介质的用量 换热器的检修和操作 也不 可忽略 总之 设计时要综合考虑分析上述诸多因素 给予细心的判断 以便做出一个适宜的设计 四四 确定设计方案确定设计方案 1 选择换热器的类型选择换热器的类型 定性温度 对于水 其定性温度可取流体进出口温度的平均值 故其定性 温度为 Tm1 30 532 2 4025 于对壳程内煤油的定性温度 5 67 2 35100 Tm2 由于两流体的温度差小于 50 所以使用固定管板式换热器 2 流体空间以及流速的确定 由于循环冷却水较易结垢 若其流速太低 将会加快污垢增长速度 使换 热器的传热能力下降 所以从总体考虑 应是循环水走管程 煤油走壳程 选用 25x2 5 的碳钢管 管内流速取 ui 0 9m s 3 确定物性数据确定物性数据 煤油和水在相应定性温度下的有关物性数据如下 密度 m3 比热容 kJ kg 黏度 Pa s导热系数 W m 煤油8252 22 7 15 10 4 0 14 此文档收集于网络 如有侵权 请联系网站删除 此文档仅供学习与交流 水995 74 19 8 007 10 4 0 6176 4 试算并初选换热器型号试算并初选换热器型号 1 热流量 hkg mh 27 22727 24330 1018 q 7 KWhkgTCph mh 5 910 61 3249999 24330 6522 2 1018 qQ 7 2 平均传热温差 先按纯逆流计算 27 9 2 1 21 ln t t t tt m R P 33 4 2540 35100 t T T 12 21 t 2 0 75 15 11 12 tT tt 查得 t 0 95 0 8 故取双壳程 tm t tm 25 65 3 冷却水用量 qmc h42 51710 1519 4 61 3249999 C Q pc c t 4 换热器的传热面积估算 初步选定总传热系数 K 380 W m 2 m P 9 85 9 27380 910500 tK Q Am 选用 25 2 5 碳钢传热管 取管内流速 u 0 9m s 管程数和传热管数 可依据传热管内径和流速确定单程传热管数 ns 52 根 9002 0 4 3600 7 995 2 451710 4 2 2u d q i v 按单程管计算 所需的传热管长度为 L m21 52025 0 14 3 985 s nd A o p 按单管层设计 传热管过长 宜采用多管程结构 根据本设计实际情况 现取传热管长 l 4 5m 则该换热器的管程数为 1 夏清 化工原 理 修订版公式 4 31a 2 夏清 化工原 理 修订版公式 4 45 3 夏清 化工原 理 修订版公式 4 46 4 夏清 化工原 理 修订版公式 4 34 6 夏清 化工原 理 修订版公式 4 1 5 史启才等 化工单 元过程及设备课程 设计 第二版 公式 3 9 此文档收集于网络 如有侵权 请联系网站删除 此文档仅供学习与交流 Np L l 4 管程 54 21 总传热管根数 NT 4 52 208 根 这样 在换热器系列标准中 初步选定了一下参数 壳体内径 mm600 传热面积 76 7 管程数 NP4 壳程数2 管子尺寸 25 2 5 管长 m4 5 管子总数 NT222 管子排列方式正方形斜转 45 折流挡板形式圆缺形 其中管子的排列方式为 每程内按正三角形排列 隔板各程 之间采用矩 形排列 取管心距 t 1 25do t 32mm 5 壳体内径 采用多管程结构 取管板利用率 0 7 则壳体内径为 D 1 05t N 1 05 32 598 mm 取 600mm 70 222 圆整可取 D 600mm 6 折流板 采用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 h 0 25 600 150mm 取折流板间距 B 0 3D 则 B 0 4 600 180mm 折流板数 NB 241 h l 折流板圆缺面水平装配 7 接管 壳程流体进出口接管 取接管内油品流速为 u 1 0m s 则接管内径为 0 0987m 故壳体流体进出口接管直径取标准管径 100mm 管程 u Vs 4 d 流体进出口接管 去接管内循环水流速为 1 5m s 同理的接管内径为 0 111m 取标准管径为 120mm 五五 换热器核算换热器核算 1 核算总传热系数核算总传热系数 计算管程对流传热系数 i 7 史启才等 化工单元 过程及设备课程设计 第二版 公式 3 20 此文档收集于网络 如有侵权 请联系网站删除 此文档仅供学习与交流 对于管程 Ai 0174 0 4 Nd T 2 p N i ui Vs Ai 0 83m s 7401 0 3600 7 995 51710 42 Rei 20642 7 108007 0 7 99583 0 02 0 d 3 i i u Pri 43 5 6176 0 108007 0 1019 4 33 p C i 0 023 395543 5 0624 72 02 0 6176 0 023 0 PrRe 4 0 8 04 0 8 0 W d i i 计算壳程传热系数 0 0 14 0 3 1 55 0 0 e d 6 30 w p e C ud mmt32 2 024 0 32 0 025 0 16 018 0 1m t d hDA o sm A V u s o 319 0 024 0 825 31 6 当量直径m d dt d o o e 027 0 025 0 14 3 025 0 4 032 0 4 4 4 22 2 2 1 9938 1015 7 825319 0 027 0 Re 4 0 oeu d 3 11 14 0 1015 7 1022 2 Pr 43 p o C 95 0 14 0 w 5 62895 0 3 11 1 9938 027 0 14 0 36 0 3 1 55 0 0 W 污垢热阻 Rsi 0 0002 W Rso 0 00017 W 计算总传热系数 Ko Ko 393320 25 20 25 0002 0 00017 0 5 628 1 1 Rs 1 1 o 0 ii o i o i d d d d Rs 446 5W m 8 夏清 化工 原理 修订版 公式 4 70a 9 夏清 化工 原理 修订版 公式 4 77a 10 夏清 化工原理 修订版公式 4 80 11 夏清 化工原理 修订版公式 4 79 12 夏清 化 工原理 修订 版公式 4 42 此文档收集于网络 如有侵权 请联系网站删除 此文档仅供学习与交流 核算传热面积 Ao 按核算后所得的总传热面积系数 Ko值计算 则完成换热任务所需传热面积 Ao 为 2 0 0 3 71 9 27 5 446 910500 tK Q Am m 而该型号换热器的实际传热面积 A 为 2 0 m 4 792225 4025 0 14 3 T lNdA 换热面积裕度为 4 11 3 71 3 71 4 79 0 0 A AA H 2 核算压强降核算压强降 管程压强降 Pi P1 P2 FtNpNs Ft 1 4 Np 4 Ns 2 P2 P1 2 u 3 2 2d 2 uL 对于管程 Ai 0174 0 4 Nd T 2 p N i ui Vs Ai 0 83m s 7401 0 3600 7 995 51710 42 Rei 湍流20642 7 108007 0 7 99583 0 02 0 d 3 i i u 设管壁粗糙度为 0 1mm di 0 005 0 035 Pa u 9 2700 2 83 0 7 995 02 0 5 4 035 0 2d L P 22 i 1 Pa u P1029 2 83 0 7 995 3 2 3 22 2 P 100kPa Pa41774244 1 9 27001029 壳程压强降 Po P1 P2 FsNs Fs 1 15 Ns 2 13 史启才等 化工 单元过程及设备课 程设计 第二版 公式 3 36 14 夏清 化工原理 修订版公式 4 121 15 夏清 化工原理 修订版公式 4 123 此文档收集于网络 如有侵权 请联系网站删除 此文档仅供学习与交流 P1 管子为正方形斜转 45 排列 F 0 4 2 1Ff 2 0 u Nn Bc nc 1 19 1 19 17n222 h B 0 3D 0 18m NB 241 h l 壳程面积 Ao B 0315 0 025 0 176 018 0 0 dnD c uo sm 24 0 0315 0 825 31 6 Re0 500 1 6923 1015 7 82524 0 025 0 4 o oou d fo 5 0Re 0 228 0 67 P1 0 4 0 67 17 24 1 2706 3Pa 2 240825 2 P2 NBPa u D h 1653 7 2 24 0 825 6 0 18 0 2 5 324 2 2 5 3 22 Po 100kPa Pa10028215 1 1653 72706 3 核算结果表明 所选的换热器可用 六 六 机械设计机械设计 6 1 求管子数求管子数 n 1 由于工艺设计 选用 25 2 5mm 的无缝钢管 材质为 20 号钢 其中标准 JB4715 92 管长 4 5m 其中因安排拉杆需減少 4 根 实际 管数为 218 根 查第四版 化工设备机械 可知 该换热器中需安装 4 根 16mm 的拉杆 考虑到应有足够大的传热面积 以及设备的稳定性 拟将换热管数定 为 218 根 拉杆数定为 4 根 6 26 2 计算壳体壁厚计算壳体壁厚 由于换热器为内压容器 故可以采用内压容器的设计方法来确定其壁 厚 根据内压薄壁容器 弹性失效 设计准则 壳壁计算壁厚计算公式为 16 夏清 化工 原理 修订版公 式 4 124 17 夏清 化工原理 修订版公式 4 125 此文档收集于网络 如有侵权 请联系网站删除 此文档仅供学习与交流 mmS P P DP S c c c 51 3 85 0 P1 1 2 t t 则 局部无损检测 故取为焊接系数 在此采用 许用应力为材料在设计温度下的 为计算压力 通常取其中 考虑到流体腐蚀及进行清洗时对管路的磨损腐蚀等 取腐蚀裕量 C2 1 2mm 则设计壁厚为 mmCSSd71 4 2 151 3 2 钢板负偏差为 C1 0 25mm mmCmmCSd25 0 331 0 6 11 复验 故设计所得壁厚可以满足要求 对于碳钢换热器 其最小壁厚应符合 下表 由此可知计算所得壁厚基本上可以满足要求 我们在设计中选择壁厚 为 10mm 6 36 3 封头封头 上下两封头均选用标准椭圆形封头 根据 JB T4737 2002 标准 封头 为 如图所示 材料 40 150 3600 21 mmhmmhDN 直边高度曲面高度 选用 20R 钢 下封头常与裙座焊接 h2 40mm 材料选用 20R 钢 此文档收集于网络 如有侵权 请联系网站删除 此文档仅供学习与交流 6 46 4 管板计算管板计算 6 4 16 4 1 管板尺寸确定管板尺寸确定 管板结构如下 由于固定管板式换热器管板计算十分复杂 需要综合考虑多种因素 可采用下表选取 6 6 4 4 2 2 管板与管子连接管板与管子连接 管子与管板的连接方式主要有以下三种 a 胀接 b 焊接 c 胀焊接 胀接用于管壳之间介质渗漏不会引起不良后果的情况 特别适用于材 料可焊性差 如碳钢换热管 及制造厂的工作量过大的情况 由于胀接管 端处在焊接时产生塑性变形 存在着残余应力 随着温度的升高 残余应 力逐渐消失 这样使管端处降低密封和结合力的作用 所以胀接结构受到 压力和温度的限制 一般适用于设计压力 4Mpa 设计温度 300 度 并且 在操作中无剧烈地震动 无过大的温度变化及无明显的应力腐蚀 焊接连 接具有生产简单 效率高 连接可靠的优点 通过焊接 使管子对管板有 此文档收集于网络 如有侵权 请联系网站删除 此文档仅供学习与交流 较好的增将作用 并且还有可降低管孔加工要求 节约加工工时 检修方 便等优点 故应优先采用 此外 当介质毒性很大 介质和大气混合易发 生爆炸介质有放射性或管内外物料混合会产生不良影响时 为确保接头密 封 也常采用焊接法 焊接法虽然优点甚多 因为他并不能完全避免 缝 隙腐蚀 和焊接节点的应力腐蚀 而且薄管壁和厚管板之间也很难得到可 靠的焊缝 焊接法虽然较胀接可以乃更高的温度 但是在高温循环应力的 作用下 焊口极易发生疲劳裂纹 列管与管孔存在间隙 当受到腐蚀介质 的侵蚀时 以会加速接头的损坏 因此 就产生了焊接和胀接同时使用的 方法 这样不但能提高接头的抗疲劳性能 同时可以降低缝隙腐蚀倾向 因而其使用寿命比单用焊接时长的多 在什么场合下适宜施行焊 胀接并 用的方法 目前尚无统一标准 通常在温度不太高而压力很高或介质极易 渗漏时 采用强度胀加密封焊 密封焊是指单纯防止渗漏而施行的焊接 并不保证强度 当在压力和温度都很高的情况下 则采用强度焊加贴胀 强度焊是即使焊缝有严密性 又能保证接头具有较大的拉脱力 通常是 指焊缝强度等于管子轴向负荷下的强度时的焊接 贴胀的作用主要是消除 缝隙腐蚀和提高焊缝的抗疲劳性能 由于本换热器的工作压力为低压 且为低温操作 综合考虑各种连接 工艺的优缺点及使用范围最终确定采用胀接法 在胀接法连接管子与管板 时 管板的硬度应该大于管子硬度 以保证在胀接时 管子发生塑性形变 时 管板仅发生弹性形变 通常管子材料选用 10 20 优质碳钢 管板采用 25 35 Q225 或低合金钢 16Mn Cr5Mo 等 结合本次设计 管板采用 16MnR 胀接长度确定 胀接长度取管板名义厚度减去 3mm 与 50mm 中的较小值 故本换热器的 胀接长度为 mml3550 35min50 338min 6 6 4 4 3 3 管板与壳体的连接管板与壳体的连接 在固定管板式换热器中 管板与壳体的连接均采用焊接 其连接结构 如下图所示 此文档收集于网络 如有侵权 请联系网站删除 此文档仅供学习与交流 6 5 求管束与壳壁的温差求管束与壳壁的温差 因管壁热阻小 可忽略不计 可采用下式计算传热管壁温度 因为管程中为冷凝水 管壁温度可取 ts 35 管壁温度 tt ts 则由 Ttw 1 o Rso twti 1 i Rsi 所以通过计算得 tw 39 4 壳体壁温可近似取为壳程流体的平均温度 即 T 67 5 壳体壁温和传热管壁温度之差为 50 128 439 567 t 该温差较小 所以不需设温度补偿装置 管子拉脱力管子拉脱力 本换热器的管子及壳体均采用 10 号碳钢 由此可得以下参数表 管子壳体 操作压力 MPa1 01 0 壁温 39 467 5 材料1010 线膨胀系数 1 11 8 6 10 11 8 6 10 弹性模量 MPa 6 1021 0 6 1021 0 18 夏清 化工原理 修订版公式 4 97 此文档收集于网络 如有侵权 请联系网站删除 此文档仅供学习与交流 尺寸 mm 45005 225 600 管子数222 管间距32 胀接长度 mm29 许用拉脱力 MPa4 管子排布方式正三角形 在换热操作中 由于介质压力与温差应力的联合作用 使管子和管板接 头处产生拉脱力 使管子与管板有分离趋势 对于焊接接头 拉脱力不足 以引起接头的 破坏 对于胀接接头 拉脱力则可能引起接头处密封性的破 坏或使管子松动 为保证管端与管板牢固的连接和良好的密封性能必须进 行拉脱力的校核 计算实例如下 在操作压 力下 每平方米胀接周边所产生的力为 胀接长度 l 取管板厚度减去 3mm 即 l 37mm KPaq mdaf ld pf q p o p 4 17 396160 000250 0 4 320 0866 0 4 866 0 222 0 2 则 其中 在温差应力作用下 每平方米胀接周边所产生的力为 Paq a mSDA NddA A A ttE ld dd q tt s iot s t st t o iot t 91K 1 31 48KPa 1011 8K MP100 21E 01884 0 01 0 6 014 3 S m0392 0 22202 0 025 0 785 0 4 1 K 4 6 3 2 22222 22 所以 胀接系数 弹性模量 而 其中 由于 qt 与 qp 的方向相反 故总拉脱力为 MPaqqq tp 0 4 故管子拉脱力在许用范围内 19 史启才等 化工单元 过程及设备 课程设计 第二版第四 章中操作压 力引起的拉 脱力计算 此文档收集于网络 如有侵权 请联系网站删除 此文档仅供学习与交流 6 6 6 6 判断是否安装膨胀节判断是否安装膨胀节 膨胀节是装在固定管板式换热器上面的挠性元件 对管子和壳体的 膨胀变形差进行补偿 以消除或减少不利的温差应力 管 壳壁温差所产生的轴向力 N AA AA ttKE F st st st 5 126 1 106 8801884 0 0392 0 01884 0 0392 0 439 5671021 0 10 8 11 压力作用于壳体上引起的轴向力 NF N PSdNpNdDPQ AA QA F toso ts s 955817 0392 0 01884 0 01884 0 17923 17923 10000001 0 2025 0 222025 0 2226 0100000785 0 2 4 2 2 22 2 22 2 则 其中 压力作用于管子上的轴向力 N AA QA F ts t 512106 0392 0 01884 0 0392 0 17923 3 MPaPa A FF MPaPa A FF t s s s t t t t 1802105010 0 01884 0 55828 86 20621022 3 10 0 0392 0 1210658 86 6521 6 531 则 根据 钢制管壳式换热器设计规定 两项均小于操作条件下的值 所 以故本换热器不必设置膨胀节 6 6 7 7 接管接管 6 6 7 7 1 1 壳程流体进出口接管壳程流体进出口接管 壳程流体进出口接管 取接管内油品流速为 u 1 0m s 则接管内径为 0 0987m 故壳体流体进出口接管直径取标准管径 100mm 管程 u Vs 4 d 流体进出口接管 去接管内循环水流速为 1 5m s 同理的接管内径为 0 111m 取标准管径为 120mm 20 史启才等 化工单元 过程及设备 课程设计 第二版第四 章中其他结 构设计 膨 胀节 此文档收集于网络 如有侵权 请联系网站删除 此文档仅供学习与交流 其补强圈尺寸由下表确定为 E 型补强圈如下所示 适用于壳体为内坡口的全焊透结构 本设计相当 于低温压力容器 故采用全焊透结构 则其补强圈外径为 200mm 壳程接管位置的最小尺寸 此文档收集于网络 如有侵权 请联系网站删除 此文档仅供学习与交流 本换热管带有补强圈 且由上面计算可知 补强圈外径为 180mm 管板 厚度为 42mm 取 则壳程接管位置的最小尺寸为 mmSC324 mmL17032 442 2 200 1 取为 200mm 对于管程流体进出口接管 同 5 1 取补强圈外径为 200mm 管箱接管位置的最小尺寸 此文档收集于网络 如有侵权 请联系网站删除 此文档仅供学习与交流 则管箱接管最小尺寸 mm1893232 2 250 2 l 取为 250mm 6 86 8 折流板折流板 6 8 16 8 1 折流板尺寸及数量折流板尺寸及数量 折流板数量由前面计算可知 本换热器需要 39 块流板 但是为了使煤 油分别在换热器的异侧进出 需要偶数块折流板 故本换热器实际采用 38 块流板 折流板外径尺寸应该符合下表规定 则该换热器折流板外径为 594 7 595 5 取为 595 5mm 切去高度为 取为 150mm mmdh150875 148 5 59525 0 25 0 6 8 26 8 2 折流板厚度折流板厚度 参照由万利国 董新法编著 化工制图 AutoCAD 实战教程与开发 143 页表 5 4 得折流板厚度为 6mm 史启才等 化工单元 过程及设备课程设计 第二版 第四章 五 接管 3 伸出长度 的确定 此文档收集于网络 如有侵权 请联系网站删除 此文档仅供学习与交流 6 8 36 8 3 折流板质量折流板质量 采用 10 号碳钢 则单块折流板质量为 81 70kg 具体数学运算 略 6 8 46 8 4 折流板管孔折流板管孔 本换热器采用一级管束 则相应的折流板管孔应符合下表 由此可知 该换热器的折流板管孔直径为 19 4 19 7mm 6 8 56 8 5 折流板分布折流板分布 折流板一般应等间距布置 并且应使管束两端的折流板尽可能靠近壳 程进出口接管 靠近管板的折流板分布示意图为 其尺寸可由下式确定 4 2 2 1 b B Ll 由上面计算可知 L1 160mm 且本换热器无需设置防冲板 则 B2 di 则 mml5166442 2 89 160 实际取为 200mm 则 其他折流板间距约为 mm32565 323 17 342 24206000 B 对于卧式换热器 若壳程为单相清洁流体时 折流板缺口应水平上下布置 此文档收集于网络 如有侵权 请联系网站删除 此文档仅供学习与交流 如图所示 6 8 66 8 6 最大无支撑跨距最大无支撑跨距 换热管在其材料允许范围内的最大无支撑跨距应符合下表 对于本换热器而言 换热管的最大无职称跨距为 1500mm 远远大于 300mm 由此可知 本设计是可行的 6 6 9 9 定距管定距管 此文档收集于网络 如有侵权 请联系网站删除 此文档仅供学习与交流 本换热器采用拉杆定距管结构 6 9 16 9 1 拉杆数量及直径拉杆数量及直径 由此可得本换热器需要 4 直径为 16mm 的拉杆 6 9 26 9 2 拉杆尺寸拉杆尺寸 拉杆连接尺寸由下图及下表格确定 此文档收集于网络 如有侵权 请联系网站删除 此文档仅供学习与交流 6 9 36 9 3 拉杆孔拉杆孔 拉杆与管板焊接连接的拉杆孔结