流量为270th水-油浮头式换热器设计
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流量为270th水-油浮头式换热器设计论文.doc
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摘要
随着经济的发展，各种不同型式和种类的换热器发展很快。浮头式换热器是作为一种广泛应用于石油、化工、食品、动力和原子能等工业部门的换热设备，尤其是在化工机械领域有着重要的意义。在工业生产中，常常用作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。换热器既可是一种单元设备，如加热器、冷却器和凝汽器等；换热设备的主要作用是使热量相互传送，使温度达到工艺过程规定的标准，以满足工艺过程的需要。换热器中的管壳式换热器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。本次的设计为浮头式换热器，浮头式换热器主要是由管箱、管板、壳体、折流板、换热管、拉杆、钩圈、定距管、浮头盖等组成。浮头换热器的一端是管板与壳体固定，另一端为浮动的管板。因此其优点为热应力比较小，于检查，清洗。缺点为结构比较复杂。
本次换热器设计的壳程介质为水，管程介质为油。流量为270t/h，壳程的工作温度为180℃，管程的工作温度为100℃。本次设计主要分为两个部分，第一部分传热工艺的计算，第二部分强度的计算。在传热计算工艺中，包括有传热面积的计算，传热量、传热系数的确定和换热器内径以及换热管型号的选择，以及传热系数、压降及壁温的验算等等问题。在强度计算中主要讨论的有筒体、管箱、封头、管板厚度计算及折流板、法兰、垫片和接管、支座、分隔板等零部件的设计，安装，组合，还要进行一些强度校核。本设计是按照 GB151《管壳式换热器》和 GB150《钢制压力容器》设计的。换热器在工、农业的各个领域应用十分广泛，在日常生活中传热设备也随处可见，是不可能缺少的工艺设备之一。随着研究的深入，工业上的应用也取得了惊人的成果。
随着社会的进步与科技的发展，换热器的设计技术也在不断的更新，现有的科研成果以后的前景必将更加美好，给生活带来了很大的方便。换热器作为传热设备随处可见，在工业中应用尤为普遍，特别是耗能用量非常大的领域，随着节能技术的快速发展，换热器的种类开发也越来越多。换热器是在化学、石油化学及石油炼制工业以及其他一些行业中普遍使用的热量交换设备，它不仅可以单独作为加热器、冷却器使用，而且是一些化工单元操作的重要附属设备，因此在化工生产中也占有非常重要的地位。
关键词: 浮头式换热器; 换热管; 加热器
Abstract
This design mainly discussed heat principles , and heat calculation and heat parameters ,the heat characteristic and heat calculation and heat parameters ,the structure and the size under the given conditions. In industrial production, the main effect of heat exchange equipment is made by high temperature heat fluid is passed to the lower temperature of fluid, the fluid temperature can reach the indexes of the process regulation, in order to meet the needs of the process on . In the heat exchanger tube and shell heat exchanger is the most widely used, a heat exchange equipment has as a standard heat exchange equipment. This design is floating head heat exchanger, it is made up of tube box 、tube sheet、shell、heat exchange tube、baffle plate、draw bar、spacer pipe、hook circle、floating head cover and so on. One tube sheet of the exchanger is connected with shell, and the other tube sheet is floating tube sheet. So it’s easy to check and clean. On the other hand the structure of it complex.
The shell side of heat exchanger design medium for water, in the medium passes for oil. The shell side of the flow rate of 270 t/h, the working temperature is 180℃, monitor the working temperature is 100℃. In eight pieces of baffle are installed on the structure, to increase the turbulence velocity of the fluid. The diameter of the baffle plate is usually 0.2-1.0 times the diameter of shell. Nozzle flange all choose plate flat welding flange, choose saddle support, this design mainly is divided into two parts, one part is heat transfer process calculation, the other part is the strength calculation.
In the process of heat transfer calculation, include area computation 、capacity of heat transmission 、 the determine of heat transfer coefficient and the choice of the heat exchange tube. About strength calculation, it involve the calculating of shell、tube box、sealing head and so on. Heat exchanger is one of the indispensable process equipment. With the deepening of the research, industrial application made remarkable achievements.
With the social progress and technological development.Heat exchanger design techniques are constantly updated.The exsting scientific reseach for my life is a big convenience.The prospects for the future will be more beautiful.As heat exchanger equipment can be seen everywhere, the most widely used in industry, especially in energy consumption is very large areas, with the rapid development of energy-saving technology, heat exchanger type development more and more. Heat exchanger is a chemical, petrochemical and oil refining industry and other industries widely used in heat exchange equipment, it not only can be used as a heater, cooler separately, and some important auxiliary equipment of chemical unit operations, thus occupies very important position in the chemical production.
Key words: Floating head type heat exchange; Heat exchange tube;
heater; cooler
目 录
第一章换热器的工艺计算 1
1.1 原始数据(设计已知条件) 1
1.2 定性温度及确定物性参数 1
1.3 传热量与物料的计算 2
1.4 有效平均温差的计算 2
1.5 管程结构初步设计 3
1.6 壳程换热系数的计算 3
1.7 传热系数的计算 4
1.8 管壁温度的计算 4
1.9 管程压降的计算 5
1.10 壳程压降的计算 5
第二章结构设计 7
2.1 换热管材料及规格的选择和根数的确定 7
2.2 布管方式的选择 7
2.3 筒体内径的确定 7
2.4 筒体壁厚的确定 8
2.5 筒体水压试验 10
2.6 管箱侧封头厚度的确定 10
2.7 浮头侧封头厚度的确定 11
2.8 设备法兰的选择 12
2.9 管箱侧法兰的选择 12
2.10 浮头侧法兰的选择 13
2.11 接管法兰的选择 13
2.12 浮头换热器管板的设计计算 14
2.13 浮头设计计算 16
2.13.1 管程压力（内压）作用下浮头盖的计算 16
2.13.2 壳程压力（外压）作用下浮头盖的计算 17
2.13.3 管程压力作用下浮头法兰的计算 17
2.13.4 壳程压力作用下浮头法兰的计算 20
2.14 钩圈的选择 22
2.15 浮动管板的选择 22
2.16 折流板的选择 23
2.17 管箱短节壁厚计算 23
2.18管程与壳程短节的计算 23
2.19 防冲板的选择 24
2.20 接管及开孔补强 24
2.21 支座的选择 25
2.21.1 轴向应力校核 26
2.21.2 切向切应力校核 27
2.21.3 周向应力校核 27
2.21.4 鞍座腹板应力 27
参考文献 28
致谢 29
绪论
浮头式换热器是管壳式换热器系列中的一种，它的特点是两端管板只有一端与外壳固定死，另一端可相对壳体滑移，称为浮头。浮头式换热器由于管束的膨胀不受壳体的约束，因此不会因管束之间的差胀而产生温差热应力，另外浮头式换热器的优点还在于拆卸方便，易清洗，在化工工业中应用非常广泛。本文对浮头式换热器进行了整体的设计，按照设计要求，在结构的选取上，即单壳程，双管程。首先，通过换热计算确定换热面积与管子的根数初步选定结构,然后按照设计的要求以及一系列国际标准进行结构设计，设计的前半部分是工艺计算部分，主要设根据设计传热系数、压强校核、壳程压降、管程压降的计算；设计的后半部分则是关于结构和强度的设计。主要是根据已经选定的换热器型式进行设备内各零部件（如壳体、折流板、管箱固定管板、分程隔板、拉杆、进出口管、浮头箱、浮头、支座、法兰、补强圈）的设计。
换热器是国民经济和工业生产领域中应用十分广泛的热量交换设备。随着现代新工艺、新技术、新材料的不断开发和能源问题的日趋严重，世界各国已普遍把石油化工深度加工和能源综合利用摆到十分重要的位置。换热器因而面临着新的挑战。换热器的性能对产品质量、能量利用率以及系统运行的经济性和可靠性起着重要的作用，有时甚至是决定性的作用。目前在发达的工业国家热回收率已达96％。换热设备在现代装置中约占设备总重30％左右，其中管壳式换热器仍然占绝对的优势，约70％。其余30％为各类高效紧凑式换热器、新型热管热泵和蓄热器等设备。其中板式、螺旋板式、板翅式以及各类高效传热元件的发展十分迅速。在继续提高设备热效率的同时，促进换热设备的结构紧凑性，产品系列化、标准化和专业化，并朝大型化的方向发展。浮头式换热器是管壳式换热器系列中的一种。换热管束包括换热管、管板、折流板、支持板、拉杆、定距管等。换热管可为普通光管，也可为带翅片的翅片管，翅片管有单金属整体轧制翅片管、双金属轧制翅片管、绕片式翅片管、叠片式翅片管等，材料有碳钢、低合金钢、不锈钢、铜材、铝材、钛材等。壳体一般为圆筒形，也可为方形。管箱有椭圆封头管箱、球形封头管箱和平盖管箱等。随着我国工业化和城镇化进程的加快，以及全球发展中国家经济的增长，国内市场和出口市场对换热器的需求量将会保持增长，客观上为我国换热器产业的快速发展提供了广阔的市场空间。从市场需求来看，在国家大力投资的刺激下，我国国民经济仍将保持较快发展。石油化工、能源电力、环境保护等行业仍然保持稳定增长，大型乙烯项目、大规模的核电站建设大型风力发电场的建设、太阳能光伏发电产业中多晶硅产量的迅速增长、大型环境保护工程的开工建设、海水淡化工程的日益成熟，都将对换热器产业产生巨大的拉动。
未来散热器将会朝着更加节能环保和美观实用的角度不断创新与发展，短时期钢制柱式散热器和铜铝复合散热器任将会是市场主流产品与选择。
换热器在工业生产和生活的各个领域都得到了广泛的应用，而且其功作性能的优劣直接影响着整个装置和系统综合性能的好坏，因此换热器的合理设计极其重要，所以一个合理的换热器应满足一下的几点要求：
（1） 在给定的工作条件（流体流量、进口温度等）下，达到要求的传热量和流体出口温度；
（2） 流体压降要小，以减小运行的能量消耗；
（3） 满足外形尺寸和重量要求；
（4） 安全可靠，满足最高工作压力，工作温度以及防腐、防漏、工作寿命等方面要求；
（5） 制造工艺切实可行，选材合理且来源有保证，以减少初投资；
（6） 安装、运输以及维修方便等。按照设计要求，在结构的选取上，为了增大压差校正系数，采用了壳侧两程管侧四程。
通过换热计算确定换热面积与管子的根数初步选定结构，然后按照设计的要求以及一系列国际标准进行结构设计。在结构设计时，要考虑许多因素，例如传热条件、材料、介质压力、温度、流体性质以及拆卸等等。之后对有些部件进行强度校核并进行对其优化设计。
1.1 换热设备的应用
浮头式换热器由于管束的膨胀不受壳体的约束，因此不会因管束之间的差胀而产生温差热应力，另外浮头式换热器的优点还在于拆卸方便，易清洗，在化工工业中应用非常广泛。在工业生产中，换热设备的主要作用是使热量又温度较高的流体传递给温度较低的流体，使流体温度达到工艺过程规定的指标，以满足工艺过程上的需要。此外，换热设备也是回收余热和废热，特别是低位热能的有效装置。
1.2 换热器设备的分类
按作用原理分类:
（1） 直接接触式换热器
（2） 蓄热式换热器
（3） 间壁式换热器
（4） 中间载流体式换热器
按作用方式分类:
（5） 管式换热器
（6） 板面式换热器
参考文献
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[15] 钢制化工容器设计强度计算规定[M]..北京：国家石油和化学工业局,1998.
[16] 换热器设计技术[M].机械工业出版社,2010.
致 谢
本毕业设计在选题及研究过程中得老师和寝室室友的悉心指导，老师多次询问毕业设计进程，认真检查，查看是否有遗漏和错误。老师以其渊博的知识、开阔的思维使我在知识和能力上获得了极大的提高；更重要的是，老师在工作方面严谨的作风、积极进取的态度对我产生了巨大的积极影响。由于自身经验的不足，有许多考虑不到的地方，王老师在毕业设计期间，对我们要求严格，使我们能够基本独立完成设计任务，培养我们独立解决问题的能力多亏指导老师的督促指导以及同学们的帮助，才能顺利完成毕业设计的题目。
在这里首先要感谢我的指导老师平日里工作繁忙，但在同学们做毕业设计的每个阶段都细心询问，认真检查，设计参数的确定，修改，中期的检验，以及后期的CAD画图等整个过程中都给予了我们耐心指导，我的设计较为复杂繁琐，但是王老师仍然悉心地纠正我计算和CAD中的错误。除了王老师的专业水平外，他的教学严谨和对科学研究的精神也是我们学习的榜样，并且积极影响我们今后的学习和工作，这些帮助和教导将使我在今后的学习和工作中奋发向上、积极进取，在学业和事业上取得更好的成绩。而后更重要的，我要感谢我的学校给了我四年深造的机会，让我学到了为人的优良品质和工作所需的知识技能，让我在学识和内涵上得到提高。感谢沈阳化工大学科亚学院的老师和同学们这几年来的对我的关心和鼓励。老师们课堂上激情洋溢，课堂下细心辅导；同学们在学习中的认真热情，生活上的热心主动，所有这些都让我的三年大学生活收获不少，感谢大学四年来所有指导教师，你们为我们打下机械专业知识的基础，还要感谢我所有的同学，正是因为有了你们的帮助和鼓励，让我的毕业设计顺利完成。最后衷心感谢在百忙之中抽出宝贵时间对我论文进行评阅的专家、学者及亲爱的老师们！
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