浮头式换热器设计毕业论文.doc

目录 浮头式换热器设计毕业论文浮头式换热器设计毕业论文 目录目录 1 概述 1 1 1 换热器的用途 1 1 2 换热器的基本要求 1 1 3 换热器的材料 1 1 3 1 换热器用的材料 1 1 3 2 换热器的防腐蚀 3 1 4 换热器的分类 3 1 4 1 管式 换热器 4 1 4 2 管壳式换热器 4 1 4 3 板面式 换热器 5 2 热力计算 7 2 1 设计方案 7 2 1 1 选择换热器的类型 7 2 1 2 流体流入空间的选择 7 2 1 3 计算热负荷及柴油的出口温度 7 2 1 4 计算逆流时的对数平均温度差 t m 7 2 2 估算传热面积 8 2 2 1 计算热负荷 8 2 2 2 初算传热面积 8 2 3 换热器校核 8 2 3 1 总传热系数 K 的计算 8 2 3 2 核算压力降 10 3 结构设计 13 3 1 工艺设计参数 13 3 2 结构特点 13 3 3 浮头式换热器的结构设计 14 3 3 1 换热管的设计 14 3 3 3 折流板的结构设计 14 3 3 4 管 壳程进 出口的设计 15 3 4 换热器管子与管板常用连接 15 3 4 1 胀接法 15 目录 3 4 2 熔焊法 16 3 4 3 爆炸焊接方式 16 3 4 4 管子与管板的连接 16 3 6 工艺结构尺寸 17 3 6 1 选管子规格 17 3 6 2 总管数和管程数 17 3 6 3 确定壳体内径 17 3 6 4 管口的计算 18 3 6 5 其它附件 18 4 强度设计与校核 19 4 1 设计计算条件 19 4 2 浮头式换热器筒体计算 19 4 2 1 计算条件 19 4 2 2 厚度及重量计算 19 4 2 3 压力试验时应力校核 20 4 2 4 压力及应力计算 20 4 3 前端管箱筒体计算 20 4 3 1 计算条件 20 4 3 2 厚度及重量计算 21 4 3 3 压力试验时应力校核 21 4 3 4 压力及应力计算 21 4 4 前端管箱封头计算 22 4 4 1 设计条件 22 4 4 2 厚度设计 22 4 4 3 压力计算 22 4 4 4 水压实验 22 4 5 后端管箱筒体计算 23 4 5 1 设计条件 23 4 5 2 厚度及重量计算 23 4 5 3 压力试验时应力校核 23 4 5 4 压力及应力计算 24 4 6 后端管箱封头计算 24 4 6 1 设计条件 24 4 6 2 厚度及重量计算 24 4 6 3 压力计算 25 4 6 4 压力试验时应力校核 25 4 7 接管及其法兰的计算 25 4 7 1 筒体进料及出料接管计算 25 4 7 2 管箱进料及出料接管计算 26 4 8 浮头计算 26 4 8 1 设计条件 27 4 8 2 封头壁厚计算 27 4 8 3 法兰厚度计算 27 4 9 钩圈计算 30 目录 4 9 1 设计条件 30 4 9 2 结果 31 4 10 前端筒体法兰计算 31 4 10 1 设计条件 31 4 10 2 螺栓设计 33 4 10 3 法兰力矩计算 34 4 10 4 应力校核 35 4 11 后端筒体法兰计算 35 4 11 1 设计条件 35 4 11 2 螺栓设计 36 4 11 3 法兰力矩计算 37 4 11 4 应力校核 38 4 12 前端管箱法兰计算 39 4 12 1 设计条件 39 4 12 2 螺栓设计 40 4 12 3 法兰力矩计算 41 4 12 4 应力校核 42 4 13 后端管箱法兰计算 43 4 13 1 设计条件 43 4 13 2 螺栓设计 44 4 13 3 法兰力矩计算 45 4 13 4 应力校核 46 4 14 浮头式换热器管板计算 47 4 14 1 固定式管板计算 47 4 14 2 浮头式管板计算 52 4 14 3 拉脱力计算及校核 53 4 15 开孔补强计算 53 4 16 支座选用 53 结 论 55 参考文献 57 致 谢 59 概述 化工学院化工机械系 1 1 概述 1 1 换热器的用途 换热器是一种实现物料之间热量传递的节能设备 又称热交换器 换热设备是化工 炼油工业 中普遍应用的典型的工艺设备 用来实现热量的传递 是热量由高温流体传递给低温流体 换热器 的应用广泛 它还广泛应用与石油 化工 冶金 电力 轻工 食品等部门 它的主要功能是保证 工艺过程对介质所要求的特定温度 同时也是提高能源利用率的主要设备之一 1 2 换热器的基本要求 在工业生产中 常常需要把低温流体加热或者把高温流体冷却 把液体汽化成蒸汽或者把蒸汽 冷凝成液体 这些过程均可以通过换热器来完成 随着我国工业的发展 不同型式和种类的换热器发展很快 新结构 新种类换热器不断涌现 换热设备有加热器 冷却器 蒸发器 再沸器 冷凝器等 为了适应发展的需要 我国对某些种类 的换热器已经建立了标准 形成了系列 完善的换热器在设计或选型时应满足以下基本要求 1 实现所规定的工艺条件 2 强度足够及结构可靠 3 便于制造 操作与维修 4 经济上合理 1 3 换热器的材料 在进行换热器设计时 对换热器各种零 部件的材料 应根据设备操作压力 操作温度 流体 的腐蚀性能以及对材料的制造工艺性能等的要求来选取 当然 最后还要考虑材料的经济合理性 一般为了满足设备操作压力和操作温度 即从设备的强度和刚度的角度来考虑 是比较容易达到的 但对于材料的耐腐蚀性能 有时往往成为一个复杂的问题 如在这方面考虑不周 选材不妥 不仅 会影响换热器的使用寿命 而且也大大提高设备的成本 至于材料的制造工艺性能 是与换热器的 具体结构有着密切关系 1 3 1 换热器用的材料 换热器用的材料 可分为金属材料和非金属材料 而金属材料又可分为黑色金属和有色金属 1 黑色金属及其合金 1 1 碳钢 价格低 强度较高 对碱性介质的化学腐蚀比较稳定 对酸很容易被腐蚀 在无耐腐蚀性要求 的环境中应用是合理的 如一般换热器用的普通无缝钢管 其常用的材料为 10 和 20 号碳钢 碳钢 浮头式换热器设计 2 化工学院化工机械系 按除氧的程序又可分为沸腾钢 半镇静钢和镇静钢等 2 低合金钢 在碳钢中加入少量的 Cr Mo 等元素 以增加高温时的强度 并作为耐腐蚀性钢 在高温高压的氢介质环境中使用 机械性能和组织均有足够的稳定性 无热脆现象 冷加工性和焊 接性良好 2 不锈钢 1 马氏体系不锈钢 如 2Cr13 钢 它的主要性能和 Cr13 钢 半马氏体型 相同 对铁离子 亚硫酸气体 硫化氢 和环烷酸等均耐腐蚀 但对染料水溶液 混合气体 H2 N2 NH3 等的耐腐蚀性低 由于含碳量高 故强度和硬度较 Cr13 钢稍高 而耐腐蚀和耐热性则稍有降低 马低体系组织由于热处理有淬硬性 焊接时由于热影响产生变形应力容易开裂 2 铁素体系不锈钢 含 Cr 在 15 以上的钢 它对氧化性酸 尤其是硝酸 有很好的耐腐蚀性 在碱性溶液 无氯 盐水 苯和洗涤剂中也有良好的耐腐蚀性 切削性良好 但厚板焊接容易脆裂 且焊后有晶间腐蚀 的倾向 不宜于厚度较大或低温使用部件 3 奥氏体系不锈钢 以 1Cr18Ni9 为代表 它是标准的 18 8 奥氏体不锈钢 有稳定的奥氏体组织 具有良好的耐 腐蚀性和冷加工性能 不锈钢除了用于管壳式换热器以外 它是板式换热器中板片的主要材料 同时也用于螺旋板和 板壳式换热器中 目前新型传热元件的热管 它所使用的管子 一般也以不锈钢作为它的材质 4 耐热钢 这类钢按用途分为抗氧化钢 热强钢及汽阀钢 按组织分为铁素体钢 马氏体钢 按使用加工 方法分为热轧 锻制及热处理 5 低温用钢 这类钢按规定使用于设计温度 20 的钢 1 低 Ni 钢 如 2 5 3 5 和 9 Ni 的钢等在 50 196 范围低温中使用 2 奥氏体不锈钢 如 Cr18Ni9 和超低碳不锈钢等在 50 196 低温范围中使用 但奥 氏体组织不稳定 组织中含有铁素体时 铁素体容易析出 铁素体变态数量多的亚稳 定奥氏体组织容易产生低温脆性 而且在不稳定组织中容易析出不希望的晶间碳化物 和 相等 3 按 1985 年颁布的 钢制石油化工压力容器设计规定 作为低温用钢还有 16MnDR 09MnTiCuXtDR 09Mn2VDR 06MnNbDR 等 3 有色金属及其合金 1 铜及铜合金 铜具有很高的导热性 导电性 塑性好 其强度随温度升高而降低 在温度低时 铜的强度反 而升高 低温冲击韧性好 故在深冷低温设备中应用较多 并广泛的用作换热器的传热管等 铜在 不浓的硫酸或亚硫酸中耐腐蚀 在稀的和中等浓度的盐酸 醋酸 氢氧酸和其它非氧化性酸中有较 概述 化工学院化工机械系 3 高的稳定性 铜在苛性碱中 由于形式的保护膜而相当稳定 铜在许多气体中 如氯 溴 二氧化 氢 硫化氢等气体中被腐蚀 铜镍合金在国外广泛地用作传热管 作为高温高压管壳式换热器所用 的材料 铜和铜合金在国外也作为板式换热器中的板片的材质 2 复合钢板 具有强度高和耐腐蚀性好的性能 对昂贵的耐腐蚀材料消耗少 较经济 覆层板材的厚度通常 为 2 3mm 占总厚度的 10 或 20 一般复合钢板以低碳钢作母材 复合 18 8 型不锈钢 此外有 蒙乃尔 海军黄铜 复合铝板 和钛等 不锈钢复合钢板和碳钢一样能够冷加工与热加工 可是对 加热温度和焊接方法要特别注意 1 3 2 换热器的防腐蚀 换热器的目的是为了传热 经常与腐蚀性介质接触的换热表面积很大 为了保护金属不遭受腐 蚀 最根本的方法是选用耐腐蚀的金属或非金属材料 但同时对应用最广泛的钢铁材料设备采取防 腐蚀措施也是十分必要的 有时在设计换热器时 根据所处介质的腐蚀性 已考虑到采用合适的耐 腐蚀材料 但如制造时焊接方法不当 则在焊缝及其附近亦易发生腐蚀 另外 在离换热管子入口 端 40 50cm 处的管端 由于介质的涡流磨损与腐蚀共存而经常发生管端腐蚀 管子内侧存在异物 沉积或粘着产生点腐蚀等 这样也要求采取一些必要的防腐蚀措施 关于金属材料的防腐蚀措施 对换热设备来说一般有下列几种办法 1 1 防腐蚀涂层 在金属表面 通过一定的涂覆方法 覆盖上一层耐腐蚀的涂料保护层 以避免金 属表面与腐蚀介质直接接触 这是一种最经济有效的方法 一般我用于防止气体介质 特别是大气 腐蚀 所用涂料大部分为有机高分子胶体的混合物溶液 如红丹防锈漆和清漆等 以及塑料涂料如 聚三氟乙烯和氯化聚醚等涂料 2 金属保护层 在从属材料表面 通过一定的方法覆盖上一层耐腐蚀性较强的金属或合金 3 电化学保护 这种方法可分为阴极保护和阳极保护 4 添加缓蚀剂 1 4 换热器的分类换热器的分类 按原理或传热方式分类 1 直接接触式换热器 这类换热器的主要是利用冷 热流体直接接触 彼此混合进行换热 这 类换热器的介质通常一种是气体 另一种为液体 主要是以塔设备为主体的传热设备 但通常又 涉及传质 故很难区分与塔器的关系 2 蓄能式换热器又称回热式换热器 这类换热器用量极少 原理是热介质先通过加热固体物 质达到一定温度后 冷介质再通过固体物质被加热 使之到达传热量的目的 3 间壁式换热器 这类换热器又称表面式换热器 原理是利用间壁将进行热交换的冷 热两种 流体隔开 热量由热流体通过间壁传递给冷流体 这类换热器我们通常称为管壳式 板式 板翅 式或板壳式换热器 4 中间载热体式换热器 这种换热器是把两个间壁式换热器由在其中循环的载热体连接起来的 换热器 浮头式换热器设计 4 化工学院化工机械系 1 4 1 管式 换热器 这一类型的换热器都是通过管子壁面进行传热的 按传热的结构形式不同大致可分为蛇管式 换热器 套管式换热器 缠绕式换热器和管壳式换热器 2 蛇管式换热器 它一般由金属或非金属管子按需弯曲成所需管子 是最早出现的一种结构简单和操作方便的 传热设备 它本身又可分成沉浸式和喷淋式两种 套管式换热器 它是由两种不同大小直径的管子组成同心管 两端用 弯管将它们连接成排 并根据实际需 要 排列组合而成 它的优点是 结构简单 工作适应范围大 传热面积增减方便 两侧均可提 高流速 缺点是 单位传热面的金属消耗量大 检修 清洗较麻烦 在可拆处容易造成泄露 管壳式换热器 管壳式换热器又称列管式换热器 它是目前应用最为广泛的一种换热设备 已作为一种标准 换热设备 它是由许多管子组成的管束 管子固定在管板上 而管板与外壳联接在一起 4 缠绕管式换热器 这类换热器是在芯筒与外筒之间的空间内将传热管按螺旋线形状交替缠绕而成 相邻两层螺 旋状传热管的方向相反 并采用一定形状的定距件使之保持一定的间距 它适用于同时处理多种 介质 在小温差下需要传递较大量且管内介质操作压力较高的场合 1 4 2 管壳式换热器 在换热器向高参数 大型化发展的今天 管壳式换热器仍占主导地位 它的基本结构是在壳 体内放置了许多管子组成的管束 管子的两端 或一端 固定在管板上 管子的轴线与壳体的轴 线平行 为了增加流体在管外空间的流速并支撑管子 改善传热性能 在筒体内间隔安装多块折 流板 用拉杆和定距管将其与管子组装在一起 换热器的壳体上和两册的端盖上装有流体的进出 口 管壳式换热器虽然在换热效率 设备结构的紧凑性和单位面积的金属消耗量等方面都不如其 它新型换热器 但它具有结构坚固 可靠性高 适应性广 易于制造 处理能力大 生产成本低 选用的材料范围广 换热表面的清洗比较方便 能承受较高的操作压力和温度 在高温 高压和 大型换热器中 管壳式换热器仍占绝对优势 是目前使用最广泛的一类换热器 根据热补偿方法 的不同 管壳式换热器有下面几种形式 1 固定管板式换热器 这种换热器的管束连接在管板上 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 缺点是管外不能进行机械清洗 这种换热 器适用于壳侧介质清洁且不易结垢并能进行清洗 壳程两侧温差不大或温差较大但壳侧压力不高的 场合 2 浮头式换热器 浮头式换热器的一端管板与壳体固定 而另一端的管板可在壳体内自由浮 动 壳体和管束对膨胀是自由的 故当两张介质的温差较大时 管束和壳体之间不产生温差应力 浮头端设计成可拆结构 使管束能容易的插入或抽出壳体 也可设计成 不可拆的 这样为检修 概述 化工学院化工机械系 5 清洗提供了方便 但该换热器结 构较复杂 而且浮动端小盖在操 作时无法知道泄露情况 因此在 安装时要特别注意其密封 其结 构见图 优点 1 管束可以抽出 以方便清洗管 壳 程 2 介质间温差不 受限制 3 可在高温 高压下工作 一般温度小于等于 450 度 压力小于等于 6 4 兆帕 4 可用于结垢比较严重的场合 5 可用于管程易腐蚀场合 缺点 1 小浮头易发生内漏 2 金属材料耗量大 成本高 3 结构复杂 3 U 形管式换热器 它只有一块管板 因些管子在受热或泠却时 可以自由伸缩 这种换热 器的结构简单 但制作弯管的工作量较大 且由于管子需要一定的弯曲半径 这板的利用率较差 管内进行机械清洗困难 拆换管子也不容易 因此要求通过管内的流体是清净的 这种换热器可用 于温差变化很大 高温或高压的场合 1 4 3 板面式 换热器 这类换热器的传热性能要比 管式 换热器优越 由于结构上的特点 使流体能在较 低的速度下就达到湍流状态 从而强化了传热 该设备采用板材制作 故在大规模组织生产时 可降低设备成本 但其耐压性能比 管式 为 差 1 螺旋式换热器 这种换热器是由两张平行的钢板制成具有 两个螺旋通道的螺旋体 并在其上安有端盖和 接管等成构成 其螺旋通道的间距靠焊在钢板 上的定距撑来保证 这种换热器的特点是传热 效率高 一般要比管壳式高 40 左右 制造简 单 材料利用率高 能精密控制出口温度 并能利用低温热源 不易污塞 这种换热器适用于处理 含固体颗粒或纤维的悬浮液以及其它高粘性的流体 结构如图所示 2 板式换热器 浮头式换热器设计 6 化工学院化工机械系 它是由一组长方形的传热板片和密封垫片以及压紧装置所组成 两相邻板片的边缘用垫片的 边缘用垫片夹紧 类似于常用的压滤机 其内部两种流体的流向 板片通常压制成表面为波纹形 和槽形 以增加板的刚度和增大流体的湍流程度 由于流道的当量直径小 板形波纹使截面变化 复杂 流体的扰动作用 激化 而具有较高的给热系数 故传热效率高 结构紧凑 使用灵活 清洗和维修方便 但由于密封周边太长 渗漏的机会大 此外 由于流道狭窄和甬孔的限制 难 以实现大流量的操作 3 板翅式换热器 这种换热器的基本结构是在两块平金属之间放置一种波纹状的金属导热翅片 一般称它为 二 次表面 在其两侧以侧条密封成组成单元体 对各个单元进行不同的组合和适当的排列 并用钎 焊将它们焊牢即成 这种换热器具有高的传热效率 这种换热器一般均选用铝材制造 特别适用于 低温或超低温的场合 板翅式换热器的流道小 容易产生堵塞 而增大压力降 且不易清洗 要求 所处理的物料较清洁或进入换热器以前需进行过滤 要求流体对铝板不产生腐蚀 否则一旦腐蚀形 成内漏 就难以补修 4 板壳式换热器 这种换热器主要由板束和壳体两部分组成 介于管壳式和板式之间的一种中间产品 这种换 热器的特点是传热系数高 若设计选用得当 它的传热系数约为管壳式的两倍 由于管程和壳程都 是直通道 相应的流体流动阻力较小 因而通过换热器的压力降就小 传热面积大 结构紧凑 体 积小 污塞倾向小 容易清洗 但焊接技术要求高 5 伞板式换热器 它是一种由我国独创的新型高效换热器 由板式换热器演变而来 它的结构是以伞形板片代 替了平板片 从而使制造工艺大为简化 成本降低 另一方面伞形板片结构稳定 板片间容易密 封 但由于设备的流量较小 容易堵塞 不易处理较脏的介质 该设备的螺旋流道内具有湍流花 纹 增加了流体的扰动程度 因而提高了传热效率 6 空气冷却器 2 这种设备主要由翅片管束构成 常用的为水平横向翅片管 翅片管有圆管和椭圆管两种 后 者较前者更为优越 而得到了迅速推广和发展 管材本身采用碳钢 但翅片多为铝制 2热力计算 化工学院化工机械系 7 2 热力计算 2 1 设计方案 设计参数 介质 柴油 原油 入口温度 175 25 出口温度 100 质量流量 h 40000 30000 密度 kg m3 840 815 比热容 KJ Kg K 2 48 2 20 导热系数 W m 0 112 0 124 黏度 Pa S 0 00068 0 0084 压力 绝 MPa 2 5 2 5 2 1 1 选择换热器的类型 从两流体的温度 操作压力和清洗检修要求来看 换热器的管壁温度和壳体温度相差不大 但 从对其清洗 检修的方便要求操作压力上来看 选用浮头式换热器较为合适 2 1 2 流体流入空间的选择 原油的黏度较大 且易结垢 有机液具有一定的腐蚀性 两流体均不发生相变化的传热过程 综合各种因素 选择原油走壳程 柴油走管程 2 1 3 计算热负荷及柴油的出口温度 3 代入数据 有 2 1 21 TTCWQ phh 12 ttCW pcc 40000 2 48 175 30000 2 2 100 25 可得 2 T 125 2 T 4950000KJ h 1375KW 2 2 21 TTCWQ phh 2 1 4 计算逆流时的对数平均温度差 t m 热流体 175 125 冷流体 100 25 t 75 100 则 2 3 2 86 75 100 ln 75100 ln 2 1 21 1 t t tt tm 浮头式换热器设计 8 化工学院化工机械系 有 2 4 5 0 25175 25100 11 12 tT tt P 67 0 25 100 125175 12 21 tt TT R 可查 3 92 0 t 且 0 92 86 2 79 3 2 5 1 mtm tt 2 2 估算传热面积 2 2 1 计算热负荷 4950000KJ h 1375KW 忽略热损失 21 TTCWQ phh 2 2 2 初算传热面积 参照传热系数 K 的大致范围 取 K 180W m2 换热面积 3 S估 m2 2 6 m tK Q 1375000 96 32 180 79 3 考虑 10 的面积裕度 则实际面积 S实 1 1 96 32 105 96 m2 2 7 2 3 换热器校核 2 3 1 总传热系数 K 的计算 管内传热膜系数 3 m2 2 8 22 3 14 0 02300 0 0157 44 6 i p d n A N m s 2 9 40000 0 84 3600 840 0 0157 s V u A Re 2 10 du0 02 0 84 840 20753 0 00068 Pr 2 11 p C 1 15 112 0 00068 0 2480 管程流体被冷却 取 n 0 3 2热力计算 化工学院化工机械系 9 i 2 12 3 08 0 PrRe023 0 i i d 0 80 3 0 112 0 0232075315 1 0 02 827 管外传热膜系数 o 2 13 14 0 3 1 55 0 PrRe36 0 w o de 管子按正方形排列 则传热当量直径为 de 2 14 22 0 4 4 o td d 025 014 3 025 0 4 14 3 032 0 4 22 0 027m 壳程流通截面积 A 2 15 0 d hD 1 t 0 025 0 15 0 8 1 0 032 0 023 m2 u m s 2 16 S qv30000 0 44 3600 815 0 023 Re 2 17 ude0 027 0 44 815 1153 0 0084 Pr 2 18 p C 149 124 0 0084 0 2200 o 2 19 1 0 550 14 3 0 36RePr o ew d 1 0 55 3 0 124 0 3611531491 05 0 027 442 污垢热阻和管壁热阻 浮头式换热器设计 10 化工学院化工机械系 管内 外侧热阻分别取 Ri 0 0004m2 W Ro 0 0004m2 W 2 20 1 2525251 0 00040 0004 827 202020442 214 W m2 传热面积校核 3 m2 2 21 m tK Q A 1375000 81 214 79 3 2 22 96 32 1 19 81 A A 说明该换热器有 13 的面积裕度 在 10 25 范围内能够完成生产任务 2 3 2 核算压力降 管程压力降 4 2 23 psti NNFPPP 21 式中 分别为直管及回弯管中因摩擦阻力引起的压强降 N m2 2 1 pp 结垢校正因数 无因次 对于 2 5 2 5mm 的管子 取为 1 4 对于 19 2mm 的 t F 管子 取为 1 5 Np 管程数 Ns 串联的壳程数 所以 Ft 1 4 Np 6 Ns 1 取管壁粗糙度 0 1mm 2 24 005 0 20 1 0 i d 由 Re关系图中查得 0 033 2 25 22 1 4 5840 0 84 0 0332200 20 022 i i l u PPa d 2 26 22 2 840 0 84 33889 22 i u PPa 30KPa 22008891 4 417298 i PPa o so i o si ii o R d d R d d K 1 1 2热力计算 化工学院化工机械系 11 壳程压力降 4 2 27 sso NFPPP 21 式中 流体横过管束的压强降 N m2 1 p 流体通过折流板缺口的压强降 N m2 2 p 壳程压强降的结垢校正因数 无因次 对于液体取为 1 15 对于气体或可凝蒸汽 S F 取为 1 0 2 28 2 1 2 1 o Bo u NFfP 2 29 2 2 5 3 2 0 2 u D h Np B Fs 1 15 Ns 1 管子按正方形斜转排列 F 0 4 b 1 19 0 45n 1 1930020 61 折流挡板间距 h 0 15m 折流挡板数 NB 291 15 0 4 5 1 h L 壳程流通截面积 2 30 2 h0 150 820 61 0 0250 0427 o SDbdm 壳程流速 2 31 30000 0 24 815 3600 0 0427 v o q um s S 2 32 3 0 025 0 24 815 Re582 500 8 4 10 oo o d u 2 33 0 2280 228 5 0Re5 01 17 oo f 582 22 0 10 815 0 24 10 4 1 17 20 6129 16792 22 cB u PFf nNPa 22 2 2h2 0 15815 0 24 3 5293 52127 20 72 o B u PNPa D 21271 151025730 o PPaPa 6792 计算结果表明 管程和壳程的压力均能满足设计要求 3结构设计 化工学院化工机械系 13 3 结构设计结构设计 3 1 工艺设计参数 表 3 1 参数 温度 质量流量 Kg h 物料进口出口 柴油管原油壳程2510030000 3 2 结构特点 浮头式换热器 它的一块管板与壳体固定 另一块管板能自由移动 当管束与壳体受热伸长时 两者互不牵制 因而不会产生温差应力 浮头部分由浮头管板 钩圈与浮头端盖组成 是可拆连接 因容易抽出管束 故管内 管外都能进行清洗 便于检修 在设计浮头时 浮头管板的外径应小于 壳体内径 两直径之差应尽量小 但不小于 10mm 既便于抽出管束 又不致造成过多的旁路间隙 钩圈一般采取对开的形式 要便于装拆且结构紧凑 钩圈与浮动管板上的斜槽可具有的倾角或不同 的倾角 管板外径与钩圈内径的间隙为 0 2 0 4mm 在螺栓上紧后 间隙消失 管板对钩圈便可起 到支撑与加固的作用 保证了密封性 5 管板与法兰连接的密封面为凸面 换热管材料采用 Cr13 规格 25 2 5 螺柱 螺栓 螺母 1 螺栓用钢的标准 使用及许用应力按 GB150 的规定 2 压力容器法兰的螺柱按 JB4707 法兰采用非标法兰 换热管采用正方形斜转排列 这种排列管子的方法便于管外的清洗 0 45 因为对于换热管直径大于 19mm 的管束 均要求采用拉杆定距管结构 此设计中 拉杆应尽量 均匀布置在管束的外边缘 防冲板外表面到圆筒内壁的距离应不小于接管外径的 1 4 且防冲板的直径或边长应大于接管 外径 50mm 防冲板三种固定形式 1 防冲板两侧焊在定距管或拉杆上 也可同时焊在靠近管板饿第一块折流板上 2 防冲板焊在圆筒上 3 用 U 形螺栓将防冲板固定在换热管上 本设计采用第二种形式 浮头式换热器设计 14 化工学院化工机械系 支座采用标准鞍式支座 封头采用椭圆形封头 换热器一端管板与壳体的连接方式才用胀焊结合法 这种方法不易产生泄露 3 3 浮头式换热器的结构设计 换热器的结构设计是否合理 直接影响换热器的传热能力 结构设计对管壳式换热器传热能力 的影响主要有4个因素 换热管的设计 管 壳程分程设计 折流板的结构设计 管 壳程的进 出口设 计等 3 3 1 换热管的设计 1 换热管管形的设计 管子外形有光管 螺纹管 相同条件下 采用螺纹管管束比采用光管管束能增加换热面积2 倍 左右 同时 由于螺纹管的螺纹结构能有效破坏流体边界层 有效提高了换热器的传热能力 当壳程 介质易结垢时 由于外螺纹管束沿轴向的胀缩作用使换热管外壁的硬垢脱落 具有良好的自洁作用 能够有效防止管束外壁的结垢 减小换热器壳程热阻 提高换热器的传热能力 2 换热管排列方式的设计 管子的排列方式有等边三角形 正方形和同心圆排列等 对于壳程介质不易结垢或可用化学方 法清洗污垢的介质 采用三角形排列可使换热器的外径减小15 对于需要机械清洗的管束 管子排列 应采用正方形 考虑到原油具有腐蚀性 在设计当中 选用材质Cr13不锈钢管 其规格为 25 2 5mm 管长 4 5m 同时在布管时采用正方形斜转排列 壳体内径减小 可以节省材料 0 45 3 3 2 管 壳程分程设计管 壳程分程设计 1 管程分程设计 当需要的传热面积很大 换热管长度太长 对卧式换热器管长与壳径比超过 6 10 立式换热器超过4 6 时 采用单管程换热器使管程流速很低时 可采用管程分程的办法来 提高管程换热介质的流速 因为决定管程介质的流态的雷诺数Rei 与管程介质流速成正比 为提高 换热器管程换热系数hi 可采用管程分程的办法提高管程换热系数 2 壳程分程设计 为了提高换热器传热能力 且不使换热管太长 壳程利用横向折流板或纵向 折流板分程 壳程分程可增加对壳程换热介质的扰动 使壳程换热介质流速增加 流程加大 换热介 质横向冲刷扰动加大 提高换热器传热能力 在进行工艺计算时 经过多次试算 确定6管程 1壳 程的卧式浮头式换热器 并最终确定换热管长与壳体直径之比为6 刚好在最佳长径比之内 3 3 3 折流板的结构设计 采用弓形折流板 取弓形折流板圆缺高度为壳体内径的25 则切去圆缺高度为 h 0 25 800 200mm 取折流间距 B 150mm 0 2D B D 即 140 150700 3 结构设计 化工学院化工机械系 15 折流板数 5 NB 1 1 29块 3 1 折流板间距 换热管长 150 4500 设置目的 为了提高壳程流体的流速 增加湍动程度 并使壳程垂直冲刷管束 以改善传热 增大壳程流体传热系数 同时减少污垢 支撑管束缺口宜取0 2 0 45倍壳体内直径 最常用的是 0 25倍壳体内直径 对于卧式换热器 壳程为单相结垢液体时 折流板缺口应水平上下放置 折流板一般均采用拉 杆与定距管等元件与管板固定 折流板 支撑板与筒体内径的间隙 壳体内直径 DN 800mm 壳体内直径减去折流板外径4mm 折流板厚度 壳体内直径 DN 800mm 相邻两折流板间距 B 150mm mm8 拉杆的数量与直径 DN 800mm 最少拉杆数 n 6 最小拉杆直径 d 10 mm 拉杆孔径 d1 11 5mm 折流板上加热管孔径 dH 25mm d 25 8 mm 3 3 4 管 壳程进 出口的设计 1 管程进 出口管的设计 管程进 出口管径在考虑管程压降允许的条件下 通过计算确定 管径 其计算公式为 2 3300 为管程介质密度 kg m3 为管程介质进 出口流速 m s 为保证管程流体的均匀分布 充分发挥换热管的换热性能 管程进 出口应设置在换热器管程的底部 和顶部 2 壳程进 出口的设计 由于壳程换热介质入口横向冲刷管束 对管束产生磨损和振动 对换 热器的使用寿命影响较大 特别是壳程换热介质流速较高或介质中含有固体颗粒 为保证换热器的 使用性能 可在壳程入口加装防冲板 对介质冲刷起到缓冲的作用 保护管束不受冲击 为避免壳程入 口流速过高 壳程介质流速有一定的限制 2 2200 经计算 确定管程进料口的内径为92mm 壳 程进料口内直径为81mm 3 4 换热器管子与管板常用连接 换热器管子与管板的传统连接方法主要有胀接 熔焊等 在新的设 备制造中 管子与管板的爆炸焊技术正得到日益推广 3 4 1 胀接法 胀接是用胀管器插入管口旋转 将穿入管板孔内的管子端部胀大 使管子达到塑性变形 同时管 浮头式换热器设计 16 化工学院化工机械系 板孔被胀大 产生弹性变形 胀管器退出后 管板弹性恢复 管子与管板的接触表面产生很大的挤压 力 使管子与管板牢固地结合在一起 达到既密封又能抗拉脱力两个目的 结构如图3 1 所示 在浮头式换热器的制造中 胀管法用得较普遍 而且工厂都有丰富的经验 3 4 2 熔焊法 对于小直径 厚壁管及大直径管子 直径 60mm 胀接法不能保证足够的拉脱力 因而不能保 证连接质量 这时可考虑采用熔焊法 即将管子直接焊在管板上 结构如图3 2 所示 熔焊法可以弥补胀接法的一些缺点 制造也比较简单 连接可靠 高温下仍能保持一定的密封性 但是 管子与管板之间存在一定的间隙 在间隙内流体不流动 容易产生电化腐蚀 管子损坏后 更换 困难 3 4 3 爆炸焊接方式 所谓爆炸焊接 即利用炸药瞬间产生的高能量使管端发生高速变形 管端与管板高速冲击时结合 界面熔化而形成冶金结合 管子与管板的爆炸焊缝如图3 3 所示 3 4 4 管子与管板的连接 管子与管板的连接处应保证良好的紧密性 在操作时如 果连接处发生泄漏 将会导致两种流体的混合 一旦有爆炸 性物质形成 或者腐蚀性 放射性折流板还的物质窜人另一 空间 则不仅要损失热量与产品 将危及人身与设备的安全 因此管子固定在管板内应能承受管板两侧的压力差而不泄漏 尤其应能承受由于温度差 介质压力差而产生的轴向拉脱力 而且上述性能应在工作温度变化及长期作用时保持稳定 管 子与管板的连接方法主要有以下几种胀接法 焊接法 胀焊结合法胀 胀接的原理是 当管子被胀 大后 管子发生塑性变形使其管外径比板孔径更大 造成孔与管的过盈 从而保证了密封性 在浮 头式换热器中 一块管板与壳体固定 另一块管板能自由移动 当管束与壳体受热伸长时 两者互 不牵制 因而不会产生温差应力 这种换热器可靠性高 适应性广泛 在各种换热器中仍占主导地 位 但如何进行很好的密封 仍值得考虑 5 上述三种方法应用都很广泛 在本设计中 采用胀接 主要考虑到密封和抗拉脱力的原因 3 5 管板与折流板定位管板与折流板定位 管板是换热器的重要部件之一 用来排布换热管并起着分隔管程 壳程空间的作用 避免冷 3 结构设计 化工学院化工机械系 17 热流体混合 最常见的是平管板 其厚薄根据具体的生产要求而定 设置折流板的目的是为了提高 壳程的流速 增强湍动 改善传热 在卧式换热器中还起支撑管束的作用 常见的为弓形折流板 通常折流板的间距用一根拉杆固定 拉杆端部有螺纹可拧人管板相应的螺孔内 用套在拉杆上的几 段距管将折流板隔开 各折流板上的孔与管板上的孔要保持同心 它们在钻孔时应用一个钻模定孔 距 还要重迭在一起并在周边点焊后一起钻 以保证各孔对准 组对时先在适当的位置穿一根管子 这几根管子实际上起到了定位销的作用 使各孔中心对准 这样才能使其他管子易于穿过 3 6 工艺结构尺寸 3 6 1 选管子规格 选用 25 2 5mm 的 Cr13 不锈钢管 管长 L 4 5m 为了便于原油污垢的清理 则原油走壳程 柴油走管程 6 3 6 2 总管数和管程数 管心距 m 33 75mm 3 2 03375 0 025 0 35 1 35 1 0 dt 由于 则符合要求 mmmmdt316 0 总管数 n 根 3 3 o d l s 实 105 96 300 3 14 0 025 4 5 单程流速 m s 3 2 40000 4 0 14 3600 3 14 0 02300 840 u 4 对于液体 管程内流体的适宜速度取 u 0 8m s 3 5 0 8 6 0 14 u m u 因此采用六管程 单壳程 6 3 6 3 确定壳体内径 D t nc 1 2b 6 3 6 式中 D 壳体内径 mm t 管中心距 mm nc 横过管束中心线的管数 b 管束中心线上最外层的中心至壳体内壁的距离 一般取 b 1 5d nc 可由下面的公式计算 管子按正三角形排列时 nnc1 1 浮头式换热器设计 18 化工学院化工机械系 管子按正方形排列时 nnc19 1 mm0 03375 1 193001 2 1 5 0 025737D 按壳体标准圆整值取 D 800m 3 7 4500 5 6 800 L D 管长和壳径之比在 4 6 之间 直径小的该值可取大些 所以 L 取 4 5m 合适 3 6 4 管口的计算 液体流速 m s 取m s2 5 1 u2 u 管程 di2 92mm 3 8 4Vs u 284014 3 3600 400004 壳程 do 81mm 3 9 4Vs u 281514 3 3600 300004 均采用 DN 为 100mm 的管口 6 3 6 5 其它附件 根据 GB150 选拉杆 8 根 直径为 12mm 在介质进口处的列管段 经常受到高流速介质的冲刷 容易侵蚀及振动 所以要求在流体入口 处装置防冲板 以起防护作用 防冲板一般都焊接在拉杆上 选防冲板厚度为 8mm 防冲板的尺寸 L W 150mm 6 4 强度设计与校核 化工学院化工机械系 19 4 强度设计与校核强度设计与校核 4 1 设计计算条件 壳程 设计压力 2 5 MPa 管程 设计压力 2 5Mpa 设计温度 100 设计温度 200 筒体公称直径 Di 800mm 管子规格 25 2 5mm 材料名称 16MnR 热扎 板材 材料名称 Cr13 钢 4 2 浮头式换热器筒体计算 4 2 1 计算条件 计算压力 Pc 2 5 Mpa 设计温度 t 100 内径 Di 800mm 试验温度许用应力 170MPa 设计温度许用应力 t 170MPa 试验温度下屈服点 s 345 MPa 钢板负偏差 C1 0 00mm 图 4 1 腐蚀裕量 C2 3mm 焊接接头系数 0 85 材料 16MnR 热扎 板材 4 2 2 厚度及重量计算 计算厚度 mm 4 1 P D P ci t c 2 2 5 800 6 98 2 170 0 852 5 设计厚度 mm 2 6 9839 98 d C 名义厚度 n C1 9 98mm d 由于 GB150 规定 mm 4 2 70310 21 CC ne 重量 630Kg 4 2 3 压力试验时应力校核 压力试验类型 7 液压试验 试验压力值 PT 1 25P 3 125MPa 4 3 t 浮头式换热器设计 20 化工学院化工机械系 压力试验允许通过的应力水平 T 0 90 s 310 5 MPa 试验压力下圆筒的应力 MPa 4 4 3 125 8007 211 92 22 7 0 85 Tie T e P D 校核条件 T T 校核结果 合格 4 2 4 压力及应力计算 最大允许工作压力 Pw MPa 4 5 2 e t ie D 2 7 170 0 85 2 51 8007 设计温度下计算应力 t MPa 4 6 PD cie e 2 2 5 8007 144 1 2 7 t 144 5 Mpa 校核条件 t t 结论 合格 4 3 前端管箱筒体计算 4 3 1 计算条件 计算压力 Pc 2 5MPa 设计温度 t 200 C 内径 Di 800mm 材料 16MnR 热轧 板材 试验温度许用应力 170 Mpa 设计温度许用应力 t 170 Mpa 试验温度下屈服点 s 345 Mpa 钢板负偏差 C1 0 00mm 图 4 2 腐蚀裕量 C2 3mm 焊接接头系数 1 00 4 3 2 厚度及重量计算 计算厚度 5 93mm ci t c 2 P D P 设计厚度 mm 2 5 9338 93 d C 由于 GB150 规定mm 所以取最小值 10mm8 n 4 强度设计与校核 化工学院化工机械系 21 有效厚度 e n C1 C2 7mm 名义厚度 n 7mm 重量 356 04 Kg 4 3 3 压力试验时应力校核 压力试验类型 液压试验 试验压力值 PT 1 25p 3 125 MPa t 压力试验允许通过的应力水平 T 0 90 s 310 5 MPa 试验压力下圆筒的应力 MPa 3 125 8007 180 1 22 7 1 Tie T e P D 校核条件 T T 校核结果 合格 4 3 4 压力及应力计算 最大允许工作压力 Pw 2 95 MPa 2 e t ie D 2 7 170 1 8007 设计温度下计算应力 t 144 1 MPa e eic 2 DP 2 58007 2 7 t 170 MPa 校核条件 t t 结论 合格 4 4 前端管箱封头计算 4 4 1 设计条件 计算压力 Pc 2 5 MPa 设计温度 t 200 C 选用标准的椭圆形封头 设备壳体内径 Di 800mm 曲面高度 hi 200mm 直边高度 h 40mm 材料 16MnR 热扎正火 图 4 3 试验温度许用应力 170 设计温度许用应力 t 170 Mpa 浮头式换热器设计 22 化工学院化工机械系 试验温度下屈服点 s 345 Mpa 钢板负偏差 C1 0mm 腐蚀裕量 C2 3mm 焊接接头系数 1 00 4 4 2 厚度设计 计算厚度 5 9mm 4 7 KP D P ci t c 20 5 1 2 5 800 2 170 1 0 5 2 5 名义厚度 n C1 C2 10mm 有效厚度 e n C1 C2 7mm 结论 满足最小厚度的要求 4 4 3 压力计算 最大允许工作压力 Pw 3 38MPa 4 8 2 0 5 t e ie KD 2 170 1 7 1 8000 5 7 知 P 50mm 故假设值合适t t t t t 结论 校核合格 4 9 钩圈计算 4 9 1 设计条件 材料 16Mn 类型 B 型 设计温度下的许用应力 150 MPa t f 钩圈的各个尺寸见下表 9 表 4 6 DgD2D3D4D5D6 800830792764790762 法兰外径与内径之比 K D Di 792 700 1 13 查得系数 Y 13 95 4 9 2 结果 由垫片载荷的反作用力至螺栓中心圆的径向距离 m 4 41 5 05 0 iebG DDDh 0 5 830 0 5 792 764 26mm 0 026m 式中 螺栓中心圆直径 m b D 钩圈上槽外径 m e D 钩圈内径 m i D 垫片载荷产生的力矩 即法兰螺栓载荷和压力作用于法兰上形成的总载荷之差产生的力矩 4 强度设计与校核 化工学院化工机械系 31 N m 4 42 G WhM 1479000 0 026 38454 式中 W 法兰螺栓设计载荷 N 不包括钩圈槽的钩圈厚度 4 43 C D YM t f 2 2 mm9812 10150764 0 3845495 132 6 式中 Y 根据 K D Di 值求得 D 钩圈外径 mm 设计温度下钩圈材料的许用应力 Pa t f C 腐蚀裕度 m 4 10 前端筒体法兰计算 4 10 1 设计条件 设计压力 p 2 5 MPa 设计温度 t 100 C 轴向外载荷 F 0 N 外力矩 M 0 N mm 壳 体 材料名称 20R 热轧 许用应力 133Mpa t n 图 4 7 法 兰 材料名称 16Mn 许用应力 f 150 MPa 150 MPa t f 螺 栓 材料名称 Q235 A 许用应力87 MPa b MPa 78 t b 公称直径 d B 27 mm 螺栓根径 d 1 24 mm 数量 n 32 个 浮头式换热器设计 32 化工学院化工机械系 法兰选用要求 10 在石油化工设备管道生产中 由于生产工艺的要求 或者制造 运输 安装 检修方便 常 可采用可拆的联接机构 常见的联接机构有法兰联接 螺栓联接和插套联接 由于法兰联接有较 好的强度和紧密性 适用的尺寸范围广 在设备和管道中都能引用 所以法兰连接最普遍 缺点 不能很快的装配和拆卸 制造成本高 PN 2 5MPa 表 4 7 公称 直径 DN 法兰螺柱 非金属垫 片 D 1 D 2 D 3 D 4 Db H a 1 a 1 2 Rd 规 格 数