气液介质专用换热器设计
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摘要
气-液换热器又称回热器，其作用是使节流前的制冷剂液体过冷，使从蒸发器流过来的制冷剂饱和蒸气过热，这样既保证了压缩机工作的安全性，又可以提高整个系统的制冷量。气-液热交换器的结构通常采用壳-盘管式，还有绕管式、套管式等结构。本文主要是根据给定的参数和工艺要求来设计相应的管壳式换热器。本文首先根据工艺条件来进行计算，选定气-液换热器型式，本设计选定固定管板式列管换热器，确定换热器参数。然后进行结构上的设计和强度计算，进行四种工况校核，其结果都满足要求。然后进行接管补强，水压试验，结果也都满足要求。最后再根据标准选取接管、法兰、鞍式支座、垫片等。
首先要根据已给出的设计温度和设计压力来确定设备的结构形式以及壳程和管程所用的材料，然后根据物料的性质和传热的面积来确定换热管的材料，尺寸和根数。根据换热管的根数来确定换热管的排列方式，并根据换热管的排列和长度来确定筒体的直径以及折流板的选择。进行完了标准件的选取后，再进行各零件间的连接结构的设计，零件材料的选择以及厚度的计算。其中包括了筒体壁厚、封头壁厚、管板壁厚和管箱壁厚的计算，管子的拉脱力和稳定性校核，接管、法兰、容器法兰、支座等的选择及开孔补强设计，管板、折流板以及换热管之间的连接的结构设计，壳体与管板之间的连接处的设计。通过对容器的内径和内外压的计算来确定壳体和封头的厚度并进行强度的校核。然后是对气-液换热器各部件上的零部件的强度设计，有法兰的选择和设计计算与校核，管子拉脱力的计算钩圈及浮头法兰的设计计算与校核。并且还包括了管板的结构设计、滑道结构、防冲挡板的设计以及支座设计。结构设计中的标准件可以按照国家标准根据设计条件直接选取，非标准件，设计完结构后必须对其进行相应的应力校核。
本设计通过对壳体内外的研究，对气-液换热器有了初步的认识，并根据相关知识，进行了一系列相应的设计计算，并最终完成了气氨冷却器总体的结构设计，并绘制出了设备总图及零部件图。其中包括气-液换热器总图，折流板零件图，筒体零件图等。
关键词： 管壳式换热器； 工艺计算； 强度计算
Abstract
This article mainly according to the given parameters and technical requirements to design the corresponding tube heat exchanger. At first, this paper calculated according to the process conditions, select heat exchanger type, the design selected fixed tube plate shell and tube heat exchanger, heat exchanger parameters. Then carries on the structure design and strength calculation, four kinds of working condition checking, the result is meet the requirements. Finally take over reinforcement, hydrostatic test, the result is meet the requirements. According to the standard selection of takeover, flange, saddle support, gaskets.
First according to the given temperature and design pressure to determine the structure of device and the shell side and tube side of the material, then according to the nature of the material and the heat transfer area to determine the heat exchange tube material, size and number. According to the root of the heat exchange tube, the number of heat exchange tube arrangement, and according to the arrangement of heat exchange tube to determine cylinder diameter and length, and the choice of the baffle plate. Connection between the selection of standard parts, parts of the structure of the design, the selection of component materials and the thickness of the calculation. Including the cylinder body wall thickness, head wall thickness and pipe wall thickness and the calculation of wall thickness, tube pulled off force and stability checking, take over, flange, selection of container flange, bearing and opening reinforcement design, tube plate, baffle plate, and the structure design of the connection between the heat exchange tube, between the shell and tube plate joint design. Through the container inner diameter and the internal and external pressure calculation to determine the thickness of the shell and head and strength check. Then every parts of gas-liquid heat exchanger strength design of the parts and components have the choice of the flange and design calculation and checking, hook ring, and the calculation in the design of floating head flange and the checking and calculation of the force of tube pulled off. And also includes the structure design of tube sheet, prevent the impact damper, the design of the track structure and support design. Structure design of standard parts can direct selection according to the design conditions according to the national standard, non-standard, design the structure must be carried out after the corresponding stress checking.
This design through the study of shell inside and outside, have a preliminary understanding of the heat exchanger, and according to the relevant knowledge, made a series of design calculation, and finally complete the overall structure design of diesel oil cooler, drawing equipment assembly drawing and parts drawing. General layout, including the heat exchanger tube bundle, baffle plate parts diagram, tube box parts drawing and so on.
Keywords: heat exchanger; process calculation; strength calculation
目 录
第一章 绪论 1
1.1 课题背景 1
1.2 发展现状及趋势 1
1.3 存在的问题 1
1.4 课题的研究目的和意义 2
第二章 换热器的工艺计算 3
2.1 设计任务和操作条件 3
2.2 确定设计方案 3
2.2.1 两流体温度变化情况 3
2.2.2 流程安排 3
2.3 确定物性数据 3
2.4.3 平均传热温差 4
2.4.4 计算换热面积 4
2.5 核算换热器 4
2.5.1 核算总传热系数 4
2.5.2 核算压强降 6
2.6 工艺结构尺寸 7
2.6.1 管径与管内流速的选择 7
2.6.2 单程传热管数的确定 7
2.6.3 管长度的确定 7
2.6.4 平均传热温度校正及壳程数 7
2.6.5 筒体内径的确定 7
2.6.6 折流板 8
2.6.7 其他附件 8
2.6.8 接管 8
2.7本章小结 9
第三章 管壳式换热器的强度计算 10
3.1 壳体计算 10
3.1.1 筒体计算 10
3.2 前端管箱筒体计算 11
3.3 管箱封头的设计 11
3.4 设计计算 12
3.5 壳程外压作用下的计算 13
3.5.1 按内压设计 13
3.5.2 按外压设计 13
3.6 管板的设计计算 14
3.6.1 设计压力及设计温度的选取 14
3.6.2 结构系数的确定 14
3.6.3 管板厚度 15
3.6.4 换热管轴向应力校核 15
3.6.5 热管与管板连接的拉脱力校核 16
3.7 接管及开孔补强计算 16
3.7.1 外壳接管开孔补强计算 16
3.7.2 管箱接管开孔补强计算 17
3.8 钩圈 18
3.9 分程隔板 18
3.10 其他结构的选择 18
3.10.1 支座选择 18
3.10.2 法兰选择 18
3.10.4 防冲与导流 20
第四章 制造、检验、安装与维修 21
4.1 概述 21
4.2 材料验收 21
4.3 筒体的制造 21
4.4封头的制造 22
4.5 管板的制造 23
4.6 管束的制造 24
4.7 接管的制造 24
4.8装配 25
4.8.1 筒体、法兰的组装与焊接 25
4.8.2 管箱的组装、焊接与加工 25
4.8.3 管束的组装 25
4.8.4 管束、壳体及内件装配 25
4.9 油漆、包装 26
4.10 换热器在使用中常见故障及处理 26
4.10.1 原因 26
4.10.2 现象 26
4.10.3 处理 27
结论 28
参考文献 29
致谢 30
第一章 绪论
1.1 课题背景
在石油、化工、冶金、电力、轻工、能源等部门所使用的换热设备中，管壳式换热器处于主导地位[1]。它适用于冷却、冷凝、加热 、废热回收及蒸发方面，是理论研究水平最高、设计技术最完善、规范化、标准化、历史久远及计算机软件开发最早的换热设备。它的工艺设计一般是指压降（或流动）设计和传热设计，传热尤为复杂。随着近年来节能技术的发展,换热器的应用领域在不断的扩大，并给经济上带来了显著的效益，给管壳式换热器增添了新的生命力。因此对其进行研究就有很大的意义。这种换热器拥有结构坚固，选材广范、处理能力大，适应性强，易于制造，生产成本较低，清洗较方便等特点，并且在高温高压下也能适用。为了提高和强化管壳式换热器的传热效率，近年来各国开展了许多项研究工作，不仅对管壳式换热器的设计方法进行了改进，还对该换热器的传热管件及结构做出了相应改动，从而实现强化传热。新近由瑞士Allares公司技术，后经BrownFintubeLtd改进的高效传热元件-偏置折边翅边管和螺旋扁管。Hamon-Lummus公司又新推出一种SRC翅片管，用于冷凝传热。管壳式换热器是换热器的基本类型之一，19世纪80年代开始就已应用在工业上[2]。
1.2 发展现状及趋势
随着社会经济的发展，为了适应节约资源和能源的时代要求，对换热器的要求也越来越高[3]。综合考虑各方面因素，要制造出低成本，高能效的换热器，在推动生产发展因素的同时，也会获得较高的经济效益。故其的提升空间很大，有待改进的方面还很多。
1.3 存在的问题
我国的换热器技术通过了几十年的发展，已经跻身于世界的先进行列，但在某些方面仍存在着一些不足之处，具体表现为：科研、产业之间还不能够紧密的结合在一起，不能及时地实现科研成果的产业化；基础研究相对来说较为薄弱，管束腐蚀和磨蚀失效，管子与管板的连接失效，管束振动失效，管束泄漏，介质腐蚀，物性参数计算问题，传热性能问题，计算方法等等，较国外相差甚远。与国外公司相比，在经营管理方面上还有待完善。
1.4 课题的研究目的和意义
近年来全世界的能源危机，促进了传热强化技术方面的发展。为了节能降耗，提高工业的生产效益，要求开发适用于不同工业过程要求的高效能换热设备。这是因为，随着近年来能源短缺的问题越来越重，可利用热源的温度也越来越低了，换热所允许的温差将变得越来越小，故对换热技术的发展和换热性能的要求也就愈来愈高[4]。所以，这些年来，换热器的开发与研究逐渐成为人们所关注的话题。
在技术进步与经济效益的双重催动下，国外推出了许多种新型换热器，例如，ABB公司的螺旋折流板换热器（HelixchangerTM）、Hamon-Lummus公司SRCk空冷式冷凝器、Packinox换热器、NTIW列管式换热器、日本的Hybrid混合式换热器等[5]。这些国外针对新型换热器的研究中，有的着重于强化管内的传热，有的改进了管箱的设计，有的着眼于壳程的强化传热，有的着重于防腐防垢等方面。
结论
本设计严格遵照GB150《钢制压力容器》与GB151《管壳式换热器》，通过对半容积式换热器的设计过程，初步了解了半容积式换热器的应用范围和技术特点，掌握了对管壳式换热器的工艺计算，强度校核和结构设计以及零部件的选取，还有制造与安装检修等方面的内容。
通过对半容积式换热器相关资料的学习，了解了半容积式换热器的发展过程和研究现状及其他同类的换热器，如即热式换热器和容积式换热器相比的特点，明白了这种换热器在工业和民用建筑供暖方面的优势，确定了本次设计的意义。
通过设计过程中对国家标准及相关设计资料的查阅，对压力容器的设计过程会更加熟悉，不像以前一样只会“纸上谈兵”，而是更多地将其设计过程和工艺、制造、使用、维修等几方面的内容联系起来，从而能够做到统筹兼顾。
在设计的过程我，我一直在发现自己专业知识等方面的不足之处，比如对GB151，GB151一些内容知其然而不知其所以然，对一些零件设计也存在一些短板，为了提高自己的专业水平，达到本次设计的最终目的，我始终保持着谦虚谨慎的态度，多多像老师和同学们学习，提高自己的专业水平，深度和广度，现在的不懈努力必然为以后的成就打好坚实的基础，对以后研究生的学习研究和以后的工作起到积极促进的作用和实践指导意义。
参考文献
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[11] 朱跃钊,廖传华,史勇春. 传热过程与设备[M].中国石化出版社,2008.
[12] 史美中,王中铮.热交换器原理与设计[M].南京:东南大学出版社.
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[15] Yau Y H,Ahmadzadehtalatapeh M. A review on the applicationof
horizontal heat pipe heat exchangers in air conditioning systems in thetropics[J]. Applied Thermal Engineering,2009.
致谢
在近四个月的毕业设计过程中，我的导师和同学们给予了我极大的帮助和支持。王老师积极地指导我们，努力引导我们去搜集相关的资料和书籍来解决我们在毕业设计中遇到的问题。在整个毕业设计的过程中，导师不仅鼓励我学会独自思考问题和解决问题，还热情地帮助我解决所碰到的任何问题，帮我找其他老师一起来辅导我。
在此次设计中，我学到了很多东西。我通过查阅大量的相关资料，与同学们交流经验，向老师们请教等多种方式，在设计中明白了很多以前学过的东西是应该这样那样去应用的，还有以前不懂得知识和问题这次也都解决了。我深深地知道做设计的不容易，不仅要了解设备的结构组成，还要了解各个部件之间的特殊设计与材料的选择。此次设计大大地增强了我的自学能力以及对新知识的理解，也弥补了以前学习中所拥有的不足，增强了对所学专业知识的理解，知道了如何去设计它，如何组装等等细节上的问题。由于经验上和所学知识的有限，对一些知识和问题的理解不够深刻，在设计之中有着很多的不足之处，这就需要我去更加努力学习，积累更多经验，不断的提高自己的能力。 选择做设计，不仅提高了我的动手能力，还让我充分地体会到了在创造过程中的艰难和乐趣。虽然这个设计做的不是很完善，但是在整个设计过程中所学到的东西是我在这次毕业设计所收获的最大的财富。特别要感谢我的指导老师们，感谢王老师倾心的指导及尊尊教诲。我深深地感受到老师们在教育上的兢兢业业，以及他们那平易近人的性格。最后还要感谢一下其他同学，没有大家们的努力和相互之间学习我是不可能完成设计的，谢谢大家！给了我一个温馨圆满的大学生活。再次真心的感谢。
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