4-3 换热器设计说明书

年产3500吨牛磺酸项目 换热器设计说明书目 录第1章 换热器概述- 1 -1.1 换热器概述- 1 -1.2 换热器选型- 1 -1.2.1 选型标准- 1 -1.2.2 类型与特点- 1 -第2章 管壳式换热器选型- 3 -2.1 物流流程的选择- 3 -2.2 流体的相关设计- 3 -2.2.1 流体流速的选择- 3 -2.2.2 流动方式的选择- 3 -2.2.3 流体出口温度的选择- 4 -2.3 换热管设计- 4 -2.3.1 换热管规格- 4 -2.3.2 管长- 5 -2.3.3 管程数- 5 -2.3.4 换热管中心距- 5 -2.3.5 排列方式- 5 -2.3.6 折流板- 5 -2.3.7 裕量- 6 -2.4 换热器选型- 6 -2.4.1 换热介质流程- 6 -2.4.2 换热介质终点温差- 6 -2.4.3 换热介质流速- 7 -2.4.4 换热器管壳层压降- 7 -2.4.5 传热膜系数- 7 -2.4.6 污垢系数- 8 -2.5 换热器选型表示方法- 9 -第3章 氨水换热器设计- 12 -3.1 设计条件的确定- 12 -3.2 主要物性数据的确定- 12 -3.2.1 定性温度的确定- 12 -3.2.2 流体有关物性数据- 12 -3.3 设计过程计算- 13 -3.3.1 类型选择- 13 -3.3.2 温度- 13 -3.3.3 压力- 13 -3.3.4 传热面积- 13 -3.3.5 传热系数- 14 -3.3.6 尺寸- 14 -3.3.7 接管- 14 -3.3.8 壁厚- 15 -3.3.9 法兰- 16 -3.4换热器核算- 16 -3.4.1压强降核算- 16 -3.4.2传热系数核算- 17 -3.5 换热器设计结果汇总- 20 -3.6 使用软件进行辅助设计E0101- 22 -3.6.1 换热器选型软件- 22 -3.6.2 EDR选型结果- 22 -3.6.3 换热器强度校核- 27 -第4章 碳酸氢铵换热器设计- 48 -4.1 设计条件的确定- 48 -4.2 主要物性数据的确定- 48 -4.2.1 定性温度的确定- 48 -4.2.2 流体有关物性数据- 48 -4.3 设计过程计算- 49 -4.3.1 类型选择- 49 -4.3.2 温度- 49 -4.3.3 压力- 49 -4.3.4 传热面积- 49 -4.3.5 传热系数- 50 -4.3.6 尺寸- 50 -4.3.7 接管- 50 -4.3.8 壁厚- 51 -4.3.9 法兰- 52 -4.4 换热器核算- 52 -4.4.1压强降核算- 52 -4.4.2传热系数核算- 53 -4.5 换热器设计结果汇总- 56 -4.6使用软件进行辅助设计E0202- 58 -4.6.1 换热器选型软件- 58 -4.6.2 EDR选型结果- 58 -4.6.3 换热器强度校核- 63 -附录 换热器选型一览- 1 -第1章 换热器概述1.1 换热器概述换热器能在不同温度的流体间进行热能的传递，达到一定的节能效果。被换热的两种或两种以上的流体中，高温物体将热量传递给低温物体，使流体温度达到流程规定的指标，以满足过程工艺的需要，且提高能量利用率。换热器可作为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等，应用甚为广泛。由于生产规模，物料性质，传热要求等各种不同，换热器的类型也是多种多样。由于间壁式换热器可使冷，热流体在不相混合的情况下进行能量交换，在化工生产中较多使用。间壁式换热器又可分为夹套式换热器、沉浸式蛇管换热器、喷淋式换热器、管式换热器、壳式换热器等；在管壳式换热器中又可分为固定管式换热器、头式换热器和U形管式换热器。1.2 换热器选型1.2.1 选型标准化工设备设计全书换热器工艺设计-孙兰义热交换器GB/T 151-2014热交换器型式与基本参数1.2.2 类型与特点根据分离及利用生产工艺的特点，我们选择管壳式换热器，管壳式换热器的主要形式大致可分为固定管板式、浮头式、U型管式、外填料函式、滑动管板式、双管板式及薄管板式几种。管壳式换热器是把管子和管板连接，再用壳体固定。其优缺点如表1-1所示。表1-1 常见换热器的特点比较名称特点相对费耗用金属（kg/m2）固定管板式换热器(1) 结构简单、制造成本低，但壳侧不易清洗或检修，所以壳程必须走清洁且不易结垢的流体;(2) 当两流体温差较大时，可采用具有膨胀节的壳体;(3) 不宜用于两流体温差过大（一般要100即可达到湍流。具体选择：对于高温物流一般走管程，从而节省保温层和减少壳体厚度，但是有时为了物料的散热，增强冷却效果，也可以使高温流体走壳程；对于压力较高的物流应该走管程；粘度较大的流体应该走壳程，在壳程可以得到较高的传热系数；对于压力降有特定要求的工艺物流应走管程，因管程的传热系数和压降计算误差较小；流量较小的物流应走壳程，易使物流形成湍流状态，从而增加传热系数；对于具有腐蚀性的物流走管程，否则对壳程和管程都会造成腐蚀；对于有毒流体宜走管程，使泄漏机会减少。2.2 流体的相关设计2.2.1 流体流速的选择流体流速一方面影响着传热系数K进而波及所需传热面积的大小，另一方面设计流体通过换热器的阻力损失，因此，应权衡经济上的损失，选择合适的流体流速，表列出了一些工业上使用的管壳式换热器内常用的流速范围。表2-1 管壳式换热器内常用的流速范围流体种类管程流速/（m/s）壳程流速/（m/s）低黏度流体0.530.21.5易结垢流体10.5气体5303152.2.2 流动方式的选择当冷、热流体的进出口温度相同时，逆流操作的平均推动力大于并流，因而相同传热流率，所需的传热面积比较小。此外，对于一定的流体进出口温度T1，T2采用并流，冷流体的最高极限出口温度为热流体的出口温度T2。反之，若采用逆流，冷流体的最高极限出口温度可为热流体的进口温度T1。如果换热的目的是单纯的冷却，逆流操作时，冷却介质温升可选择较大的数值，因而冷却介质用量可以较少，如果换热的目的是回收热量，逆流操作的温位（即出口温度T2）可以较高，因而可利用价值较大。显然在一般情况下，逆流操作总是优于并流，应尽量采用逆流。但是在某些对流体出口温度有严格限制的特殊情况下，例如热敏性物料的解热过程，为避免物料出进口温度过高而影响该产品质量，可采用并流操作。除逆流和并流操作之外，在管壳式换热器中，冷、热流体还可以作各种多管程的复杂流动（涉及冷、热物流之间的折流和错流）。当流体采用多管程或多壳体流动形式时，流量一定，管程或壳程数越多，流体流速越大。另外，此种流动形式下冷、热流体的对数平均温度差需要加以修正。2.2.3 流体出口温度的选择若在换热器中冷热流体温度都由工艺条件确定，就不存在确定流体出口温度的问题。当工艺流体被加热或冷却时，通常加热剂或冷却剂进口温度已知，出口温度需要进行选择，而选择必受技术和经济双重制约。2.3 换热管设计2.3.1 换热管规格在选择管道规格时，通常选用19 mm的管子；对于易结垢的物料，为方便清洗，采用外径25 mm或38 mm的管子；对于有气液两相流的工艺物流或者物流流量较大工艺物流，一般选用较大的管径。为了制造和维修的方便，我国目前试行的系列标准规定采用19 mm2 mm和25 mm2.5 mm；两种规格的管子，管长有1.5 m、2.0 m、3.0 m、6.0 m。表22 换热管规格表材料换热管标准管子规格/mm外径壁厚碳钢低合金钢GB/T 8163GB 9948143022.530502.53573.5不锈钢GB 13296GB 9948GB/T 1497614301.02.030502.03.057铝铝合金GB/T 6893342.03.536505055铜GB/T 1527101.03.011181930铜合金GB/T 889010121.03.0121818252528钛钛合金GB/T 362510300.52.5304040502.3.2 管长在满足设计要求的前提下，尽量选用较短的管子，以降低压降。2.3.3 管程数随着管程数增加，管内流速和传热系数均相应的增加，因此一般选在12或者4管程，不宜选用太高的管程数，以免压力降过大。2.3.4 换热管中心距中心距为管径的1.251.5倍，常用换热管中心距一般按照表2-3选取。表2-3换热管中心距/mm换热管外径19253238换热管中心距25324048分程隔板槽两侧相邻管中心距384452602.3.5 排列方式排列方式有正三角形，正方形直列和正方形错列排列。正三角形排列更为紧凑，管外流体的湍动程度高，给热系数大，而正方形排列的管束清洗方便，对易结垢流体更为适用，如将管束旋转45放置，也可提高给热系数。正方形错列正是二者的结合，同时具有两者的优点。 图2-1 正三角形排列 图2-2 正方形错列排列 图2-3 正方形直列排列2.3.6 折流板折流板可以改变壳程流体的方向，使其垂直于管束流动，获得较好的传热效果。对于DN500 mm，选择一对；对于DN5001000 mm，选择两对；对于DN1000 mm，选择三对以上。下表2-4为折流板标准间距表表2-4折流板标准间距表公称直径DN管长折流板间距50030001002003004506004500-6000600-8001500-1600150200300450600900-1300100即可，而在管内流动Re10000才是湍流）因而主张粘度较大、流量小的介质选在壳程，可提高传热系数。从压降考虑，也是雷诺数小的走壳程有利。本项目换热器设计时遵循以上原则，换热介质流程见换热器选型一览表。2.4.2 换热介质终点温差换热器的终端温差通常由工艺过程的需要而定，但在确定温差时，应考虑到对换热器的经济性和传热效率的影响。在工艺过程设计时，应使换热器在较佳范围内操作，一般认为理想终端温差如下。（1）热端的温差，应在20以上；（2）用水或其他冷却介质冷却时，冷端温差可以小一些，但不要低于5；（3）当用冷却剂冷凝工艺流体时，冷却剂的进口温度应当高于工艺流体中最高凝点组分的凝点5以上；（4）空冷器的最小温差应大于20；（5）冷凝含有惰性气体的流体，冷却剂出口温度至少比冷凝组分露点低5。本项目中，换热器设计遵循以上原则，循环水入水温度30，循环水回水温度控制在40左右，低温水入水温度为7，低温水回水温度控制在20；，高温介质根据全厂换热网络进行热量回收，回收方式有原料气预热，进料预热等，采取梯级冷却的原则。2.4.3 换热介质流速流速提高，流体湍流程度增加，可以提高传热效率有利于冲刷污垢和沉积，但流速过大，磨损严重，甚至造成设备振动，影响操作和使用寿命，能量消耗亦将增加。换热介质经验流速如表2-4所示：本项目设计中，换热器选型时控制换热器的流速在经验范围内，换热器内冷、热流股的流态均应为湍流态。表2-4 换热介质经验流速流体在直管内常见适宜流速壳程内的常见适宜流速物质流速（m/s）物质流速（m/s）冷却水（淡水）0.73.5水及水溶液0.51.5冷却用海水0.72.5低粘度油类0.41.0低粘度油类0.81.8高粘度油类0.30.8高粘度油类0.51.5油类蒸汽3.06.0油类蒸汽5.015.0气液混合流体0.53.0气液混合流体2.06.02.4.4 换热器管壳层压降压力降一般考虑随操作压力不同而有一个大致的范围。压力降的影响因素较多，但希望换热器的压力降在下述参考范围内或附近。表2-5 换热器常见压降表操作压力P压力降P真空（00.1MPa绝压）p/1000.7（MPa表压下同）p/20.071.00.035（MPa下同）1.03.00.0350.183.08.00.070.25本项目设计中保证出口绝压小于0.1 MPa（真空条件），压降不大于进口压强的40%，出口绝压大于0.1 MPa，压降不大于进口压强的20%。2.4.5 传热膜系数传热面两侧的传热膜系数相差很大时，值较小的一侧将成为控制传热效果的主要因素，设计换热器时，应尽量增大传热膜系数较小的这一侧，最好能使两侧的值大体相等。计算传热面积时，常以小的一侧为基准。增加值的方法有：（1）缩小通道截面积，以增大流速；（2）增设挡板或促进产生湍流的插入物；（3）管壁上加翅片，提高湍流程度也增大了传热面积；（4）糙化传热表面，用沟槽或多孔表面，对于冷凝、沸腾等有相变的传热过程来说，可获得大的膜系数。本项目中传热系数根据传热膜系数，固壁热阻和垢层热阻进行计算。2.4.6 污垢系数换热器使用中会在壁面产生污垢，这是常见的事，在设计换热器时应予认真考虑。由于目前对污垢造成的热阻尚无可靠的公式，不能进行定量计算，在设计时要慎重考虑流速和壁温的影响。选用过大的安全系数，有时会适得其反，传热面积的安全系数过大，将会出现流速下降，自然的“去垢”作用减弱，污垢反会增加。有时在设计时，考虑到有污垢的最不利条件，但新开工时却无污垢，造成过热情况，有时更有利于真的结构，所以不可不慎。应在设计时，从工艺上降低污垢系数，如改进水质，消除死区，增加流速，防止局部过热等。本项目设计中根据流体介质的特性，设置污垢热阻为0.00017 m2K/W，及0.000086 m2K/W，其中循环水设置污垢热阻为0.000034 m2K/W，其他气体介质设置污垢热阻为0.000017 m2K/W。2.5 换热器选型表示方法公称直径（mm），对于釜式重沸器用分数表示，分子为管箱内直径，分母为圆筒内直径。公称换热面积(m2)。（1）管壳式热交换器型号，参照GB 151-2012LN-换热管公称长度（m）,D-换热管外径（mm），当采用Al、Cu、Ti换热管时，应在LND后面加材料符号，如LND Cu。结构型式用三个拉丁字母依次表示前端管箱、壳体和后端结构（包括管束）三部分，详细分类如图管/壳程设计压力（MPa）,压力相等时，只写PT。管/壳程数，单壳程时，只写NT。采用碳素钢、低合金钢冷拔钢管，其管束分为、类，一级管束采用较高级、高级冷拔钢管，二级采用普通冷拔钢管。第一个字母代表前端管箱型式；第一个字母代表壳体型式；第一个字母代表后端结构型式。型号有型式、公称直径、设计压力、换热面积、公称长度、换热管外径、管壳程数、管束等级等字母代号组合表示。DNPTPSALNDNTNS (或)（2）管壳式换热器的名称构造一览表（3）示例固定管板式换热器封头管箱，公称直径700mm，管程设计压力为2.5MPa，壳程设计压力为1.6MPa，公称换热面积200m2，公称长度9m，换热管外径25mm，单管程，单壳程的固定管板式换热器，碳素钢管符合NB/T 47019规定，其型号为：BEM7002.51.62009251 浮头式换热器平盖管箱，公称直径500mm，管程和壳程设计压力均为1.6MPa，公称换热面积54m2，公称长度为6m，换热管外径25mm，4管程，单壳程的浮头式换热器，碳素钢管均符合NB/T 47019规定，其型号为：AES5001.6546254 第3章 氨水换热器设计3.1 设计条件的确定表3-1 换热器设计条件操作条件参数壳程管程介质稀氨水冷却水质量流量/（kg/h）1950045000进口温度/201出口温度/66.5进口压力/MPa0.10.1出口压力/MPa0.10.13.2 主要物性数据的确定3.2.1 定性温度的确定壳程的定性温度为： t=20+62=13 管程的定性温度为： t=1+6.52=3.75 3.2.2 流体有关物性数据表3-2 壳程流体及管程流体的物性项目壳程管程密度（ kg/m3）940.6041000黏度（Pa.s）0.0008670.00107导热系数（W/（m.K）0.58390.5689比热（ kJ/（kgK）3.8334.2123.3 设计过程计算3.3.1 类型选择选择工业上最常见的管壳式换热器中的管板式换热器，封头为椭圆形封头，单管程，后管箱为椭圆形。3.3.2 温度该换热器的壳程工作温度为620，管程工作温度为16.5，热端温差大于10，冷端温差大于5，温差符合工业实际。设计温度以工作温度为依据，一般为工作温度+（1530）。这里取壳程的设计温度为25，管程设计温度为5。3.3.3 压力该换热器的操作压力为壳程1 bar，管程1 bar。换热器的设计压力为设计温度下的最大工作压力，一般为正常工作压力的1.1倍。这里取壳程设计压力为1.1 bar，管程设计压力为1.1 bar。公称压力为0.2 MPa。EDR中换热器的压降设置为自动默认值，也可自己设置压降，出口绝压小于0.1 MPa（真空条件），压降不大于进口压强的40%，出口绝压大于0.1 MPa，压降不大于进口压强的20%。3.3.4 传热面积（1）根据公式 Q=KAtm （3-1）来初步估算传热面积式中： Q为热负荷，WK为总传热系数，W/（m2K）A为传热面积, m2tm为两物流之间的平均温度差, C（2）计算热负荷和热蒸气量 Q = WhCph（T1-T2） = 19.5 3.833（20-6） = 3456.85 kW Wc = QCpc（t1-t2） = 4530004.212（6.5-1） = 60.34 kg/s = 2.17105 kg/h （3）计算两流体的平均传热温差对于逆流，平均传热温差可用换热器两端流体温度的对数平均温差表示： tm = T1-t2-T2-t1lnT1-t2T2-t1 = 20-6.5-6-1ln20-6.56-1 = 8.56C 式中：T1为壳程热物流进口温度，T2为壳程热物流出口温度，t1为管程冷物流进口温度，t2为管程冷物流出口温度， tm为对数平均传热温差，（4）估算传热面积假设K = 120 W/m2C，则：A = QKtm = 11864.168.56120 = 11.55 m23.3.5 传热系数传热系数基于传热膜系数、固壁热阻和垢层热阻计算得到。其中传热膜系数和固壁热阻为EDR自动默认值。根据化工工艺手册（第四版）上册第655页，热水蒸气平均垢层热阻为0.00034 m2K/W,盐类工艺物料的垢层热阻为0.000086 m2K/W。3.3.6 尺寸根据EDR推荐的设计方案，选择其中较为合理的一组。结合GB/T 4715-92规定，选择换热管内径为19 mm，管厚为2 mm，管心距为24 mm，排列方式为正三角形。壳程公称直径（内径）为200 mm，壁厚为10 mm，换热管长度为6000 mm。折流板形式为单弓形，圆缺率为40%，间距为260 mm，换热管数量为47根。其余参数为EDR默认值。3.3.7 接管（1）壳程流体进出口接管：取接管内液体流速为u1=2.0 m/s，则接管内径为：D1 =4VU1 = 419500940.6043.142 = 148mm圆整后可取管内径为150 mm。（2）管程流体进出口接管：取接管内液体流速为u2=2.0 m/s，则接管内径为：D1 =4VU1 = 44500010003.142 = 203mm圆整后可取管内径为200mm。（3）EDR中圆整输入设置图3-1 圆整结构参数输入设置（一）图3-2 圆整结构参数输入设置（二）3.3.8 壁厚（1）筒体壁厚当换热器受内压时，筒体壁厚可用下式计算：=pD2t-Pc所以=0.2360021890.85-0.23=8.13mm取腐蚀裕量2，圆整筒体壁厚为10mm（2）封头壁厚封头计算厚度：=PCDi2t-0.5PC=0.2360021890.85-0.50.23=9.82mm封头设计厚度：hc=h+C=9.42+2=9.44mm封头名义厚度：hn=hc+C1+=9.42+0.3+=9.73mm根据GB151规定，取厚度10mm（3）管板厚度1=0.4dzPa/t所以1=0.460000.1/189=28.82mm根据GB151最小厚度，圆整取管板厚度为30mm3.3.9 法兰选配法兰步骤：1.根据公称直径和设计压力，先初选法兰结构类型2.根据设计压力、设计温度、法兰材料，确定法兰公称压力3.根据公称工程直径和公称压力，验证法兰类型4.根据法兰的公称直径和公称压力，然后查标准确定法兰尺寸5.根据法兰型式、材料、设计温度等选配螺栓、螺母及垫片。所以选择标准法兰，整体法兰，由不同的公称直径选用相应的法兰。壳程流体进出口法兰：DN540 HG 5010管程流体进出口法兰：DN540 HG 50103.4换热器核算3.4.1压强降核算（1）管程压强降对于19mm2mm的管子，管壳流通面积： A=(nNp)(4di2)=5740.015224=0.0507m2设管壁的粗糙度为0.1mm，已知Rei=7682；di=0.115=0.00667mm=0.1d+36.5Rei0.23=0.10.00667+36.576820.23=0.0257P1=Ldiui22=0.02574.50.0152395.3550.859722=1269.67PaP2=3ui22=31395.3550.859722=1148PaFt结垢校正因数，对19mm2mm的管子，取1.5。则管程压力降：Pi=P1+P2FtNsNP=1269.67+11481.522=14506Pa（2）壳程压力降壳程流体的摩擦系数f0：f0=5Re0-0.228=518636-0.228=0.531由于管子为正三角形排列，故F=0.5横过管束中心线的管子数nc：nc=1.1n=1.1574=26折流板数NB：NB=传热管长L折流板间距B-1=4500350-1=12流体横过管束的压力降P1： P1=Ff0ncNB+1u022=0.50.5312612+12561.9851.16922=2053Pa流体通过折流板缺口的压力降P2：P2=NB3.5-2hDu022=123.5-20.1750.72561.9851.16922=1526Pa壳程压力降后的结垢校正因数，对液体取Fs=1.15，Ns=2。则壳程压力降： Pi=P1+P2FsNs=2053+15261.152=8232Pa经上述压降核算，可判定该换热器的管程和壳程压力降均符合要求。图3-3 管/壳程压降一览3.4.2传热系数核算（1）管内表面传热系数 管程为热物流，无相变传热，则管程表面传热系数为i=0.023idiRe0.8Prn此公式的适用范围是： 低粘度流体：雷诺数：普朗特数：管长管径之比：管程流体被冷却，管程流体的流通截面积为：管程流量为： mc=45000kg/h管程流体流速为：ui=mciAi=4500010000.05323600=2.14m/s管程流体的雷诺数为：Rei=diuiii=0.0151.5010000.7510-4=300000管程流体的雷诺数，适用于上述公式。普朗特准数为：以上各物性数据符合上式的适用范围，可用于计算管程表面传热系数。则管程表面传热系数i=0.023idiRe0.8Pr0.4=4586.7W/(m2K)（2）壳程表面传热系数由克恩法计算可得：其中：壳程流体的热导率，；当量直径，m；管外流动雷诺数；流体在定性温度下的普朗特数；流体在定性温度下的粘度，；流体在壁温下的粘度，则管子为正三角形排列时的当量直径为壳程的流通截面积为壳程流量由Aspen Plus模拟得到mh=19500m/h，壳层流速 u0=V0A0=19500/940.6040.02592=0.58m/s则壳程流体的雷诺数为公式中的适应范围为，符合公式要求。普朗特数为粘度矫正则壳程表面传热系数 i=0.023idiRe0.8Pr13(0w)0.14=4875.7W/(m2K)（3）污垢热阻和管壁热阻对于盐类流体，污垢热阻一般取0.000086 m2K/W此换热器管程选用较高级冷拔碳钢传热管材料，其热导率约为50，则管壁热阻为：Rw=b=0.000086501.7210-6m2K/W（4）总传热系数的确定：Kc=1d0idi+Rsid0di+Rwd0dm+Rso+10=2004W/(m2K)经计算得到的与假设的Kc=2000W/(m2K)相近，所选用的换热器可以达到换热要求。（5）换热面积的裕度换热器所需要的换热面积可用式AC=QKCtm估算传热面积，则有：AC=QKCtm=11.55m2换热器实际传热面积：Ap=d0lN=16.6m2则换热器的面积裕度为：H=Ap-AcAc=16.6-11.5511.55=0.4372可见，该换热器的换热面积裕度合适，可以满足冷热物流的换热要求。3.5 换热器设计结果汇总表3-3 换热器E0101结果汇总项目内容设备名称氨水换热器E0101管程壳程介质进口冷却水稀氨水出口被加热的冷水被冷却的稀氨水质量流量（kg/h）进/出口4500019500操作温度/进口120出口6.56设计温度/525设计压力/MPa0.10.1热负荷/MW-5.657物料压力/MPa0.10.1污垢热阻(m2.K)/W8.610-58.610-5传热温差/8.56计算传热系数/W/(m.K)2004.17换热器形式固定管板式换热器型号BEM200-0.1-16.6-619-1公称直径/mm200管程数1换热管长度/mm6000设计计结果换热管规格19mm2mm换热管根数47中心排管数8管程流通面积/m20.0507传热面积/m216.6前端管箱形式B型标准椭圆封头管箱后端结构形式M型固定管板结构支座形式鞍式支座壳体壁厚/mm10封头壁厚/mm10管板厚度/mm30封头尺寸形式标准椭圆形封头曲面高度/mm100直边高度/mm25管程接管进口直径/mm150mm5mm出口直径/mm150mm5mm壳程接管进口直径/mm200mm10mm出口直径/mm200mm10mm管子排列方式正三角形材料16Mn3.6 使用软件进行辅助设计E01013.6.1 换热器选型软件表3-3 换热器设计使用软件列表名称用途来源Aspen Plus V8.4换热器工艺参数设计Aspen Tech公司Aspen Exchanger Design and Rating换热器结构设计Aspen Tech公司在对工艺流程的换热器设计和选型中，先按照实际工业实施情况及成本因素，对车间进行了热集成，优化了换热网络，然后针对特定的换热任务，确定合适的换热工艺参数，并进行换热费用的优化，再根据国家标准GB/T 151-2014、热交换器以及化工工艺设计手册（下）第四版，使用Aspen Exchanger Design and Rating V8.4进行换热设备的设计，以此为参考从工艺手册上选取换热器。 3.6.2 EDR选型结果（1）换热器结构校核图3-4 圆整后结构参数用EDR进行rating，得结果如下：图3-5 E0101用EDR进行rating的结果同时使用Aspen Exchange Design & Rating进行辅助设计，所得结果如下图所示。图3-6 E0101 EDR辅助设计结果（一）图3-7 E0101 EDR辅助设计结果（二）图3-8 E0101 EDR辅助设计结果（三）图3-9 E0101 EDR辅助设计结果（四）由上述计算结果可以看到，换热器换热面积为16.6 m2，设计余量为43.72%，符合设计要求；壳程流速为0.58 m/s，管程流速为2.14 m/s，满足经济流速范围，满足管壳层流速在湍流态；流态分布合理，无气液混合进出料；壳程压降为8.238 kPa，压力降低8.13 %，管程压降为14.507 kPa，压力降低14.32 %，出口绝压小于0.1 MPa，压降不大于进口压强的40 %，压降在可接受范围内。传热系数基于传热膜系数、固壁热阻和垢层热阻计算得到，壳层污垢热阻0.000086 m2K/W，管层污垢热阻0.00086 m2K/W，为总传热系数（含污垢热阻）为2004 W/（m2K）。 设计为固定管板式换热器，壳体内径200mm，管程设计压力0.1 MPa，壳程设计压力为0.1 MPa，换热面积为16.6 m2，换热管长6.00m,管数47根，换热管直径19 mm，壁厚2 mm，单管程，筒体壁厚为10 mm，封头壁厚为10 mm，管板厚度30 mm，冷热侧法兰类型均为整体法兰，管箱法兰的厚度为36 mm，换热器型号为：BEM200-0.1-16.6-619-1图3-10 E0101换热器详细尺寸（一）图3-11 E0101换热器详细尺寸（二）3.6.3 换热器强度校核设计初步完成后，我们用Aspen Exchanger Design & Rating 中所能得到的数据对所设计出的换热器进行初步机械校核。我们所用的软件为SW6-2011。输入数据如下：表3-4输入数据值项目管程/壳程设计压力/MPa管程/壳程设计温度/设备直径/mm计算长度/mm备注输入数据0.1/0.15/252006000见表3-4、表3-6由SW6-2011计算结果如下：表3-5计算结果表项目计算结果/mm备注设备筒体壁厚10见表3-7、表3-9、表3-11上封头壁厚10见表3-8上封头壁厚10见表3-10管板壁厚30见表3-14开孔补强计算合格见表3-12设备法兰复核合格 见表3-15表3-6输入数据固定管板换热器设计计算计算单位中航一集团航空动力控制系统研究所设 计 的 计 算 条 件 壳 程管 程设计压力 0.1MPa设计压力 0.1MPa设计温度 25设计温度 15壳程圆筒内径Di200 mm管箱圆筒内径Di200mm材料名称16Mn材料名称16Mn 简 图计 算 内 容壳程圆筒校核计算前端管箱圆筒校核计算前端管箱封头（平盖）校核计算后端管箱圆筒校核计算后端管箱封头（平盖）校核计算管箱法兰校核计算管板校核计算表3-7前端管箱筒体计算前端管箱筒体计算计算单位中航一集团航空动力控制系统研究所计算所依据的标准GB 150.3-2011 计算条件筒体简图计算压力 Pc 0.10MPa设计温度 t 5.00 C内径 Di 200.00mm材料 16Mn ( 管材 )试验温度许用应力 s 181.00MPa设计温度许用应力 st 181.00MPa试验温度下屈服点 ss 320.00MPa钢板负偏差 C1 1.00mm腐蚀裕量 C2 2.00mm焊接接头系数 f 0.85厚度及重量计算计算厚度 d = = 0.07mm有效厚度 de =dn - C1- C2= 7.00mm名义厚度 dn = 10.00mm重量 310.73Kg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 = 0.1100 (或由用户输入)MPa压力试验允许通过的应力水平 sTsT 0.90 ss = 288.00MPa试验压力下圆筒的应力 sT = = 1.91 MPa校核条件 sT sT校核结果 合格压力及应力计算最大允许工作压力 Pw= = 10.40531MPa设计温度下计算应力 st = = 1.48MPastf 153.85MPa校核条件stf st结论 筒体名义厚度大于或等于GB151中规定的最小厚度7.00mm,合格表3-8前端管箱封头计算前端管箱封头计算计算单位 中航一集团航空动力控制系统研究所计算所依据的标准GB 150.3-2011 计算条件椭圆封头简图计算压力 Pc 0.10MPa设计温度 t 5.00 C内径 Di 200.00mm曲面深度 hi 100.00mm材料 Q345R (板材)设计温度许用应力 st 189.00MPa试验温度许用应力 s 189.00MPa钢板负偏差 C1 0.30mm腐蚀裕量 C2 2.00mm焊接接头系数 f 0.85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 = 1.25Pc= 0.1100 (或由用户输入)MPa压力试验允许通过的应力stsT 0.90 ss = 310.50MPa试验压力下封头的应力sT = = 0.87MPa校核条件sT sT校核结果合格厚度及重量计算形状系数 K = = 0.5000计算厚度 dh = = 0.03mm有效厚度 deh =dnh - C1- C2= 7.70mm最小厚度 dmin = 3.00mm名义厚度 dnh = 10.00mm结论 满足最小厚度要求重量 6.74 Kg压 力 计 算最大允许工作压力 Pw= = 23.82292MPa结论 合格表3-9后端管箱筒体计算后端管箱筒体计算计算单位中航一集团航空动力控制系统研究所计算所依据的标准GB 150.3-2011 计算条件筒体简图计算压力 Pc 0.10MPa设计温度 t 5.00 C内径 Di 200.00mm材料 16Mn ( 管材 )试验温度许用应力 s 181.00MPa设计温度许用应力 st 181.00MPa试验温度下屈服点 ss 320.00MPa钢板负偏差 C1 1.00mm腐蚀裕量 C2 2.00mm焊接接头系数 f 0.85厚度及重量计算计算厚度 d = = 0.07mm有效厚度 de =dn - C1- C2= 7.00mm名义厚度 dn = 10.00mm重量 310.73Kg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 = 0.1100 (或由用户输入)MPa压力试验允许通过的应力水平 sTsT 0.90 ss = 288.00MPa试验压力下圆筒的应力 sT = = 1.91 MPa校核条件 sT sT校核结果 合格压力及应力计算最大允许工作压力 Pw= = 10.40531M