3-2换热器设计说明书

克拉玛依石化30万吨/年天然气乙炔法制醋酸乙烯（VAc）项目 换热器设计说明书团队成员：赵帅帅 闫天晴 刘鑫婷 邹倩 郭勇金指导教师：羡小超 申威峰 陈红梅 李泽全 魏顺安换热器设计说明书目录第一章 概论11.1换热器的选型设计依据11.2换热器概述11.3换热器分类和选型2第二章 换热器的选型说明42.1外形和规格42.1.1管子的外形52.1.2管子直径52.1.3管长52.1.4壳程和台数52.2工艺条件限制52.2.1温度限制52.2.2压力降的限制62.2.3介质流程62.2.4物料流速72.2.5传热膜系数72.2.6污垢系数72.3换热器型号表示方法82.4换热器的选型软件8第三章 换热器的设计举例93.1换热器选型实例（以E502为例）93.1.1工艺参数确定93.1.1.1流股参数确定93.1.1.2设计温度93.1.1.3设计压力93.1.1.4流体空间选择93.1.1.5传热系数93.1.2 EDR-Dseign模式113.1.3 EDR-Design模式结果分析133.1.4 EDR-Rating模式133.1.5 EDR-Rating模式结果分析153.1.6结构参数设计153.2换热器强化传热技术的创新扭曲管的使用153.2.1扭曲管使用背景153.2.2扭曲管的结构163.2.3扭曲管的优点163.3换热器设备条件图173.4换热器机械强度校核173.5换热器设备一览表37第一章 概论1.1换热器的选型设计依据化工设备设计全书换热器 2003-5石油化工设备选型手册换热器 2009-1化工工艺设计手册（第四版） 2009-6固定式压力容器安全技术监察规程 TSG 21-2016压力容器 GB 150-2011热交换器 GB/T 151-2014化工配管用无缝及焊接钢管尺寸选用系列 HG 20553-2011石油化工企业钢管尺寸系列 SH/T 3405-2012实用热物理性质手册 1986鞍式支座 JB/T 4712-1992热交换器型式与基本参数 GBT 28712.1-20121.2换热器概述在不同温度的流体间传递热能的装置称为热交换器，简称换热器。在换热器中至少要有两种温度不同的流体，一种流体温度高，放热；另一种流体温度低吸热。在工程实践中有时也会有两种以上流体参加换热的换热器，但其基本原理与前一致。换热器是一种在不同温度的两种或两种以上流体间实现物料之间热量传递的节能设备，是使热量由温度较高的流体传递给温度较低的流体，使流体温度达到流程规定的指标，以满足工艺条件的需要，同时也是提高能源利用率的主要设备之一。换热器行业涉及暖通、压力容器、中水处理设备，化工，石油等近30多种产业，相互形成产业链条。数据显示2010年中国换热器产业市场规模在500亿元左右，主要集中于石油、化工、冶金、电力、船舶、集中供暖、制冷空调、机械、食品、制药等领域。其中，石油化工领域仍然是换热器产业最大的市场，其市场规模为150亿元；电力冶金领域换热器市场规模在80亿元左右；船舶工业换热器市场规模在40亿元以上；机械工业换热器市场规模约为40亿元；集中供暖行业换热器市场规模超过30亿元，食品工业也有近30亿元的市场。另外，航天飞行器、半导体器件、核电常规岛核岛、风力发电机组、太阳能光伏发电、多晶硅生产等领域都需要大量的专业换热器，这些市场约有130亿元的规模。化工、石油、动力、食品等行业中广泛使用各种换热器，它们是上述这些行业的通用设备，占有十分重要的地位。随着工业的迅速发展，能源消耗量不断增加，能源紧张已成为一个世界性问题。为缓和能源紧张的状况，世界各国竞相采取节能措施，大力发展节能技术，已成为当前工业生产和人民生活中一个重要课题。换热器在节能技术改造中具有很重要的作用，表现在两方面：一是在生产工艺流程中使用着大量的换热器，提高这些换热器效率，显然可以减少能源的消耗；另一方面，用换热器来回收工业余热，可以显著地提高设备的热效率。1.3换热器分类和选型换热器选型时需要考虑的因素很多，主要是流体的性质；压力、温度及允许压力降得范围；对清洗、维修的要求；材料价格；使用寿命等。换热器种类很多，按热量交换原理和方式，可分为混合式、蓄热式和间壁式三类。间壁式换热器有夹套式、管式和板式换热器。管壳式换热器又称列管式换热器，该类换热器具有可靠性高、适应性广等优点，在各工业领域中得到最广泛的应用。近年来，尽管受到了其他新型换热器的挑战，但反过来也促进其自身的发展。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。列管式换热器可根据其结构特点，分为固定管板式、浮头式、U 形管式、填料函式和釜式重沸器五类。列管换热器中常用的是固定管板式和浮头式两种。一般要根据物流的性质、流量、腐蚀性、允许压降、操作温度与压力、结垢情况和检修清洗等要素决定选用列管换热器的型式。从经济角度看，只要工艺条件允许，应该优先选用固定管板式换热器。但遇到以下两种情况时，应选用浮头式换热器。（1）壳体和管子的金属温差超过30或50，或者冷流进口和热流出口之间的极限温度差超过110。在此情况下如果采用固定管板式换热器，就会因热应力使管板胀口处产生泄露。在现场实际使用中超过上述数值的也不少，所以目前还不能做确切的规定。（2）容易使管子腐蚀或者在壳程中容易结垢的介质不能采用固定管板式换热器，否则管束既无法更换，又无法机械清扫。综合考虑本次设计任务及制造、经济等个方面，本次设计主要采用浮头式和固定管板式换热器。管壳式(又称列管式) 换热器是管壳式换热器主要有壳体、管束、管板和封头等部分组成，壳体多呈圆形，内部装有平行管束或者螺旋管，管束两端固定于管板上。在管壳换热器内进行换热的两种流体，一种在管内流动，其行程称为管程；一种在管外流动，其行程称为壳程。管束的壁面即为传热面。管壳式换热器，螺旋管束设计，可以最大限度的增加湍流效果，加大换热效率。内部壳层和管层的不对称设计，最大可以达到4.6倍。这种不对称设计，决定其在汽-水换热领域的广泛应用。最大换热效率可以达到14000w/m2K，大大提高生产效率，节约成本。而对于板式换热器而言，它是最典型的间壁式换热器，它在工业上的应用有着悠久的历史。主体结构由换热板片以及板间的胶条组成。但是其体积大，换热效率低，更换胶条价格昂贵（胶条的更换费用大约占整个过程的1/3-1/2）。主要应用于液体-液体之间的换热，行业内常称为水水换热，其换热效率在5000w/m2K。为提高管外流体给热系数，通常在壳体内安装一定数量的横向折流档板。折流档板不仅可防止流体短路，增加流体速度，还迫使流体按规定路径多次错流通过管束，使湍动程度大为增加。常用的档板有圆缺形和圆盘形两种，前者应用更为广泛。目前，由于中国新版GMP的推出，板式换热将逐渐退出食品，饮料，制药等卫生级别高的行业。表1-1 换热器的结构分类换热器型式换热器特点管式管壳式固定管板式刚性结构：用于管壳温差较小的情况（一般50），管间不能清洗带膨胀节：有一定的温度补偿能力，壳程只能承受较低压力浮头式管内外均能承受高压，可用于高温高压场合U型管式管内外均能承受高压，管内清洗及检修困难填料函式外填料函：管间容易漏泄，不宜处理易挥发，易燃易爆及压力较高的介质内填料函：密封性能差只能用于压差较小的场合套管式釜式壳体上都有个蒸发空间，用于蒸汽与液相分离双套管式结构比较复杂，主要用于高温高压场合，或固定床反应器中套管式能逆流操作，用于传热面积较小的冷却器、冷凝器、或预热器螺旋浸没式用于管内流体的冷却、冷凝、或者管外流体的加热盘管式喷淋式只能用于管内流体的冷却或冷凝板式板式拆洗方便，传热面能调整，主要用于粘性较大的液体间换热螺旋式可进行严格的逆流操作，有自洁作用，可回收低温热能伞板式伞形传热板结构紧凑，拆洗方便，通道较小，易堵，要求流体干净板壳式板式类似于管束，可抽出清洗检修，压力不能太高管壳式换热器的优缺点如下：表1-2 管壳式换热器优缺点对比种类优点缺点浮头式换热器管束可以抽出，方便清洗；介质温度不受限制；可在高温高压下工作，一般温度450，压力6.4Mpa；可用于结垢比较严重的场合小浮头易发生内漏；金属材料耗量大，成本高20%；结构复杂固定管板式换热器传热面积比浮头式换热器大20%-30%；旁路漏流较小；锻件使用较少，成本低20%以上;没有内漏壳体和管子壁温差一般宜小于等于50，大于50时应在壳体上设置膨胀节；管板与管头之间易产生温差应力而损坏；壳程无法清洗；管子腐蚀后造成连同壳体报废、壳体部件寿命决定于管子寿命，故设备寿命相对较低；不适用于壳程易结垢场合U型管式换热器管束可抽出来机械清洗；壳体与管壁不受温差限制,可在高温、高压下工作，一般适用温度500，压力10Mpa；可用于壳程结构结垢比较严重的场合；可用于管程易腐蚀场合在管子的U形出冲蚀，应控制管内流速；管程不适用于结垢较严重的场合；单管程换热器不适用；不适用于内导流筒，故死区较大填料函式换热器管束可抽出机械清洗介质间温差不受限制可用于结构比较严重的场合；可用于管程腐蚀较重的场合；金属耗量较浮头低10%左右；适用温度可达200，压力可达2.5Mpa密封处易漏；不适用于有毒、易燃、易爆、易挥发及贵重介质场合双壳程换热器传热面积可减少10%-30%；减少设备数量和属耗量；传热效率提高；适用于大型化装置；适用于串联台数较多；适用于高温、高压场合壳程压降约提高4倍；分程隔板与壳体密封片处易泄露；壳体直径圆度要求较高外导流筒换热器进出口压降降低90%以上；进出口处流动死区，旁路漏流减小，可提高传热有效面积7%以上；在DN325-1800 范围内，可增加5%-16%传热面积；总传热效率相应提高12%-23%金属耗量增加10%（按相同直径比较）；制造难度加大，外导流筒处焊缝要求100%射线探伤折流杆换热器不易发生诱导振动损失；传热死区小，传热效率提高20%以上；压降小；抗垢性能良好；适用于换热器大型化，特别是核电换热应用在低雷诺数Re6000（液相）、Re10000（气相）热效率较低；造价提高3%-5%新结构高效换热器液相传热Re600，气相传热Re3000，传热效率提高25%以上；压降比折流板式换热器小1 倍以上；适用于带固体颗粒的场合；抗垢性能优良；适用于低温位冷却场合不适用于有相变传热；压降比折流杆式换热器大高效重沸器有自清洁作用；给热系数比光管提高3.3-10倍以上；总传热系数提高40%以上；节约设备重量25%以上；适用于塔底重沸器、侧线虹吸式重沸器；适用于化工、制冷系统重沸器或再沸器；抗腐蚀性能良好在重油设备上，如渣油、原油设备无应用历史；造价上升10%-15%；不适用于有湿硫化氢场合列管换热器中常用的是固定管板式和浮头式两种。一般要根据物流的性质、流量、腐蚀性、允许压降、操作温度与压力、结垢情况和检修清洗等要素决定选用列管换热器的型式。从经济角度看，只要工艺条件允许，应该优先选用固定管板式换热器。但遇到以下两种情况时，应选用浮头式换热器。1、壳壁与管壁的温差超过70；壁温相差5070。而壳程流体压力大于0.6MPa时，不宜采用有波形膨胀节的固定管板式换热器。2、壳程流体易结垢或腐蚀性强时不能采用固定管板式换热器。综合考虑本次设计任务及制造、经济等个方面，本次设计主要采用固定管板式换热器。第二章 换热器的选型说明2.1外形和规格管壳式换热器在设计和选型的时候要严格考虑相关的尺寸规格的问题，强调管程，壳程都符合设计标准而且要考虑加工的合理性。这就要求在设计换热器的时候在设计完成后要进行校核，将一些基本参数圆整化，以便于之后的选型加工。这就要求工程师在选用标准系列设备或设计非定型设备时，结合任务的要求，作出适当的选择。2.1.1管子的外形列管换热器的管子外形有光滑管和螺纹管两种，一般按光滑管设计。当壳程膜系数低，采取其他措施效果不显著时，可选用螺纹管，它能强化壳程的传热效果，减少结垢的影响。管子的排列方式；相同壳径时，采用正三角形排列要比正方形排列可多排布管子，使单位传热面积的金属耗量降低。一般壳程流体不易结垢或可以进行化学清洗的场合下，推荐用正三角形排列。必须进行机械清洗的场合，则采用正方形排列。2.1.2管子直径管径越小换热器越紧凑、越便宜。但是，管径越小换热器的压降越大，为了满足允许的压力降一般选用外径为19mm的管子。对于易结垢的物料，为方便清洗，采用外径为25mm的管子。对于有气液两相流的工艺物流，一般选用较大的管径。直径小的管子可以承受更大的压力，而管壁较薄，有利传热；相同的壳径，可以排较多的小管子，使传热面积增大，单位传热面积的金属耗量降低。2.1.3管长无相变换热时，管子较长，传热系数增加。在相同传热面时，采用长管管程数较少，压力降小，而且每平方米传热面的比价也低。但是，管子过长给制造带来困难。壳径较大的换热器采用较长的管子可降低单位传热面积的金属耗量，更为经济。因此，一般选用管长46m。对于大面积或无相变的换热器可以选用89m 的管长。管心距小，设备紧凑，但将引起管板增厚、清洁不便、壳程压降增大，一般选用范围为管外径的1.251.5倍。2.1.4壳程和台数换热器的壳径越大，传热面积也越大，单位传热面积的金属耗量程压力降比单壳程约增加越低。采用一台较大的换热器比采用多台小换热器更经济，阻力也更小，且便于操作管理。通常采用单壳程换热器。双壳程的隔板在制造和检修时都较困难，若把两个换热器的壳程串联起来使用，就相当于双壳程了，但壳程压力降比单壳程约增加68 倍。只有壳程流量很小，采用最小板间距壳程流速仍很低，以至于壳程一侧流体成为主要的控制热阻，同时壳程又允许较大的压力降时，可考虑用两个换热器串联代替双壳程。2.2工艺条件限制2.2.1温度限制冷却水的出口温度不宜高于60，以免结垢严重。高温端的温差不应小于20，低温端的温差不应小于5。当在两工艺物流之间进行换热时，低温端的温差不应小于20。在冷却或者冷凝工艺物流时，冷却剂的入口温度应高于工艺物流中易结冻组分的冰点，一般高5。在对反应物进行冷却时，为了控制反应，应维持反应物流和冷却剂之间当冷凝带有惰性气体的工艺物料时，冷却剂的出口温度应低于工艺物料的露点，一般低5。换热器的设计温度应高于最大使用温度，一般高15。2.2.2压力降的限制增强工艺物流流速，可增大传热系数，使换热器结构紧凑，但增加流速将关系到换热器的压力降，磨蚀和振动破坏加剧等。压力降增加使动力消耗增强，因此，最大允许的压力降范围有一般限制。当工艺物流压力小于9.8104Pa时，允许压力降是9.8103Pa；当工艺物流压力介于9.8104Pa至16.7104Pa之间时，允许压力降介于3.3103Pa至3.9103Pa之间；当工艺物流压力大于16.7104Pa时，允许压力降小于9.8104Pa。表2-1 常见压降表工艺物流的压力状况允许压力降p/kPa工艺气体真空1.05.030壳程0.21.50.53.015表2-3 水的流速表(管内)类别管材最低流速(m/s)最高流速(m/s)适宜流速(m/s)凝结水钢管0.60.93.01.82.4河水(干净)钢管0.60.93.71.82.4循环水(处理)钢管0.60.93.71.82.4海水含铜镍的管0.750.93.01.82.4海水铝铜管0.750.92.41.82.4 2.2.5传热膜系数传热面两侧的传热膜系数a1、a2如相差很大时，a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a较小这一侧的传热膜系数，最好能使两侧的a值大体相等。计算传热面积时，常以a小的一侧为基准。增加a值的方法有：缩小通道截面积，以增大流速；增设挡板或促进产生湍流的插入物；管壁上加翅片，提高湍流程度也增大了传热面积；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。2.2.6污垢系数换热器使用中会在壁面产生污垢，这是无法避免的，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。2.3换热器型号表示方法本法来自于GB151，适用于卧式和立式换热器。 示例说明： 型号：AES500-1.6-54-6/25-4其中：A表示前端管箱为平盖箱E表示壳体形式为单进单出冷凝器壳体S表示后端结构型式为浮头式500表示公称直径为500mm1.6表示公称压力1.6MPa54表示公称换热面积为54m26表示公称长度为6m25表示换热管外径为25mm4表示管程数为4I表示管束为I级，采用较高级冷拔钢管这个型号代表平盖管箱，公称直径500mm，管程和壳程设计压力均为1.6MPa，公称换热面积54m，碳素钢较高级冷拔换热管外径25mm，管长6m，4管程，单壳程的浮头式换热器。2.4换热器的选型软件表2-4 使用软件说明表名称用途来源Aspen Plus V8.4换热器工艺参数设计Aspen Tech公司Aspen ExchangerDesign and Rating V8.4换热器结构设计Aspen Tech公司SW6-2011塔体强度结构设计全国化工设备设计技术中心站第三章 换热器的设计举例3.1换热器选型实例（以E502为例）3.1.1工艺参数确定3.1.1.1流股参数确定表3-1 冷凝器流股参数一览流股名称压力/MPa温度/质量流量/( kg/s)气相分率主要组成壳程入口0.11117.6117.60.064HAC：100%wt壳程出口0.1117.6116.07220HAC：100%wt管程入口0.1206.7370H2O管程出口0.1256.7370H2O3.1.1.2设计温度该换热器的壳程工作温度为117.6，管程工作温度为3035，进出口温度大于5，符合本项目最经济温差。设计温度以工作温度为依据，一般为工作温度+（1530）。所以：壳程设计温度=117.6+15=135管程设计温度=35+15=503.1.1.3设计压力一般有：设计压力 =（绝对压力-外界大气压）安全阀系数（1.051.1），所以：壳程设计压力=0.11.1=0.11MPa管程设计压力=0.11.1=0.11MPaEDR中换热器的压降设置为自动默认值，也可自己设置压降，出口绝对压力压小于0.1MPa，压降不大于进口压强的40%。3.1.1.4流体空间选择该换热器的作用是用冷却水冷却工艺物料。由于工艺物料为被冷却物质，为了加快冷却速度，使其走壳程，一方面能与管程的冷却水换热，另一方面壳程外的空气也能与之换热转移走部分热量。3.1.1.5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。该换热器壳程介质为一般有机物，根据化工工艺设计手册（第四版）的污垢热阻经验系数（图3-1所示），有机物的污垢系数为 0.000172 m2K/W，管程介质为冷却水，同样查得手册上冷却用水的污垢系数（图3-2所示）为 0.000516m2K/W。图3-1 工艺物料污垢热阻图3-2 冷却水污垢热阻3.1.2 EDR-Dseign模式将流股信息、允许压力、污垢系数等数据导入EDR。图3-3 换热器EDR数据输入运行以后获得一系列设计结果，我们选取一组合理的设计。条件结果如下。表3-2 EDR-Design换热器的选型结果尺寸489 /4800 mm类型BEM卧式/立式Hor接入1并联1串联面积/台(有效)48.1m2壳数/台 1面积/壳 (有效)48.1m2实际/需要换热面积比(污垢/清洁)：1/ 2.71图3-4 EDR-Design换热器的主要性能结果图3-5 EDR-Design换热器的传热性能结果3.1.3 EDR-Design模式结果分析（1）结构参数换热器型式为BEM，管程数为1，串联台数为1，并联台数为1，换热器壳径为489mm，管长为4800mm，管子数130，管外径25mm，管壁厚2.5mm，管子排列方式为30排列，管心距32mm。（2）面积余量换热面积为48.1m2，换热器面积余量为0，偏小，可在校核模式下调整。（3）压力降壳侧压力降为0.040337MPa，压力降低36.67%，管侧压力降为0.037247MPa，压力降低37.247%，均小于允许压力降。（4）流速壳侧流体最高流速为2.88 m/s，管侧流体最高流速为3.41m/s，均在合理范围内。（5）流动状态管壳侧流体雷诺数均大于6000，冷、热流股的流态均为湍流态。（6）传热系数换热器总传热系数为2906.7 W/(m2K)，在经验值范围之内。3.1.4 EDR-Rating模式根据设计结果，在固定管板式换热器型式与基本参数（GB/T28712.22012）中选择接近的标准进行圆整，壳径（外径）为500mm，管程数1，管数为195，管长4500mm。图3-6 按标准修改参数将所有数据输入EDR中并运行程序获得结果如下。图3-7 EDR-Rating换热器的主要性能结果图3-8 EDR-Rating换热器的传热性能结果3.1.5 EDR-Rating模式结果分析（1）面积余量换热器换热面积为67.6m2，换热器面积余量为35%，满足工艺要求。（2）压力降壳侧压力降为0.034263MPa，压力降低31.148%，管侧压力降为0.019329MPa，压力降低19.329%，均小于允许压力降。（4）流速壳侧流体最高流速为2.96m/s，管侧流体最高流速为3.61m/s，均在合理范围内。（5）流动状态管壳侧流体雷诺数均大于6000，冷、热流股的流态均为湍流态。（6）传热系数换热器总传热系数为2906.7 W/(m2K)，在经验值范围之内。参考GB/T 151-2014规范，E502的型号为BEM500-0.2-67.6-4.5/25-1I3.1.6结构参数设计表3-3 结构参数换热器型号BEM500-0.2-67.6-4.5/25-1I管程直径（外径）/mm500换热管尺寸252.5换热管长度/mm4500换热管数目185筒体壁厚/mm10封头壁厚/mm103.2换热器强化传热技术的创新扭曲管的使用3.2.1扭曲管使用背景换热器作为工业生产中进行热交换操作的通用设备，广泛应用于化工、电力、冶金、航空、动力、食品等工业部门，特别在化学加工装置中占有重要地位。近几十年来，由于对节约能源和环境保护的重视，换热器的需求量不断增大，针对换热器强化传热技术的研究也得到广泛关注。在过程工业中，管壳式换热器使用最多，技术比较成熟，但普遍存在着传热效率低下的问题。而换热器的强化传热往往只针对单一方向，改变壳程或者管程的传热系数，而复合强化传热方法则是将两者结合，相对复杂。本项目VAc反应工段由于反应放出大量的热，反应器出口的混合气体温度品味较高，热量被逐级利用，所涉及的换热器均为气-气相换热器。而气-气相换热器的总传热系数较低，导致换热面积较大，设备费用增加，占地面积增加。且流体易在管内结垢，严重影响换热的同时造成换热器寿命的降低以及能耗的消耗增加。3.2.2扭曲管的结构针对上述问题，本项目在VAc反应工段换热器中使用了能同时改善换热器壳程及管程的传热效率的传热元件扭曲管，其基本尺寸参数如下：图3-9 扭曲管基本尺寸参数图表3-4 扭曲管基本参数表规格导程st/mm长轴a/mm短轴b/mm1920023132520030.515.53220037.022.5扭曲管是由普通圆管经压扁扭转制得，截面为椭圆形，两头仍为圆形截面，椭圆截面连续扭转变化，形成螺旋形流道，每经过一个导程截面旋转360度；在长轴处形成点支撑，每旋转60度形成一次支撑，一个导程六个支撑点，管束之间的空间即为螺旋形的流道。扭曲管管内流体旋转流动，在截面上形成二次流；壳程截面长轴处形成自支撑结构，流道也为螺旋形，壳程流体边旋转边纵向流动，强化传热的同时降低了压力损失，另外，纵流也避免了流体诱导的管束振动。3.2.3扭曲管的优点(1)管内流体做螺旋形流动，沿壁面流动方向不断改变，破坏了沿壁面的“层流底层”，提高了管内的对流传热系数，强化了管内传热。研究表明，并与普通椭圆管直管进行对比，在低的雷诺数下，扭曲管内的努赛尔数是普通直椭圆管的23倍，综合传热性能是普通直椭圆管的1. 52倍。(2)管外扭曲扁管之间的流道也呈螺旋状，流体在沿换热管轴向做纵向流的同时，周期性地改变着速度和方向，产生了复杂的以旋转、混合为主要特点的强扰动，这种扰动发生在垂直于管束轴向的平面内，而这种混合和扰动也促进了对流传热，使得壳程流体换热更加均匀，提高了换热效果。(3)没有折流板，壳程介质不存在横流，消除了壳程的流动死区，介质都沿着管间的螺旋形通道做纵向流，流动阻力小，降低了压降。又因管间螺旋形通道内形成上述的“强扰动”，壳程结垢的可能性大大降低，使其保持了良好的传热性能。(4)壳程介质沿管外壁做纵向流动，从根本上消除了换热管发生流体诱导振动的可能性，同时，由于相邻换热管间沿螺旋线紧密接触，换热管不存在“无支撑跨距”，因此管束周边换热管不可能发生轴向失稳情况，大大提高了操作可靠性。(5)无折流板，管束依靠捆扎带(钢带)和中空的环形板支撑，制造时不必进行折流板的穿管工作，减轻了制造工作量。3.3换热器设备条件图换热器设备图如下所示。具体图纸可查看换热器E502设备条件图图3-10 E502设备条件图3.4换热器机械强度校核运用SW6-2011对该换热器的筒体、管箱、封头、管板和管箱法兰进行校核，得到结果如下。固定管板换热器设计计算计算单位重庆大学_零点六一八设 计 计 算 条 件 壳 程管 程设计压力 0.121MPa设计压力 0.11MPa设计温度 135设计温度 40壳程圆筒外径Do500 mm管箱圆筒外径Do500mm材料名称Q345R材料名称Q345R 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前端管箱筒体计算计算单位重庆大学_零点六一八计算所依据的标准GB 150.3-2011 计算条件筒体简图计算压力 Pc 0.11MPa设计温度 t 40.00 C外径 Do 500.00mm材料 Q345R ( 板材 )试验温度许用应力 s 189.00MPa设计温度许用应力 st 189.00MPa试验温度下屈服点 ss 345.00MPa钢板负偏差 C1 0.30mm腐蚀裕量 C2 1.00mm焊接接头系数 f 0.85厚度及重量计算计算厚度 d = = 0.17mm有效厚度 de =dn - C1- C2= 8.70mm名义厚度 dn = 10.00mm重量 749.19Kg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 = 0.2000 (或由用户输入)MPa压力试验允许通过的应力水平 sTsT 0.90 ss = 310.50MPa试验压力下圆筒的应力 sT = = 6.64 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= = 5.68962MPa设计温度下计算应力 st = = 3.11MPastf 160.65MPa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6.00mm,合格前端管箱封头计算计算单位 重庆大学_零点六一八计算所依据的标准GB 150.3-2011 计算条件椭圆封头简图计算压力 Pc 0.11MPa设计温度 t 40.00 C外径 Do 500.00mm曲面深度 ho 142.50mm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 1.00mm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= 0.2000 (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 = = 5.80MPa校核条件sT sT校核结果合格厚度及重量计算形状系数 K = = 0.8801计算厚度 dh = = 0.15mm有效厚度 deh =dn - C1- C2= 8.70mm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 23.06 Kg压 力 计 算最大允许工作压力 Pw= = 6.51422MPa结论 合格后端管箱筒体计算计算单位重庆大学_零点六一八计算所依据的标准GB 150.3-2011 计算条件筒体简图计算压力 Pc 0.11MPa设计温度 t 40.00 C外径 Do 500.00mm材料 Q345R ( 板材 )试验温度许用应力 s 189.00MPa设计温度许用应力 st 189.00MPa试验温度下屈服点 ss 345.00MPa钢板负偏差 C1 0.30mm腐蚀裕量 C2 1.00mm焊接接头系数 f 0.85厚度及重量计算计算厚度 d = = 0.17mm有效厚度 de =dn - C1- C2= 8.70mm名义厚度 dn = 10.00mm重量 749.19Kg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 = 0.2000 (或由用户输入)MPa压力试验允许通过的应力水平 sTsT 0.90 ss = 310.50MPa试验压力下圆筒的应力 sT = = 6.64 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= = 5.68962MPa设计温度下计算应力 st = = 3.11MPastf 160.65MPa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6.00mm,合格后端管箱封头计算计算单位 重庆大学_零点六一八计算所依据的标准GB 150.3-2011 计算条件椭圆封头简图计算压力 Pc 0.11MPa设计温度 t 40.00 C外径 Do 500.00mm曲面深度 ho 142.50mm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 1.00mm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= 0.2000 (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 = = 5.80MPa校核条件sT sT校核结果合格厚度及重量计算形状系数 K = = 0.8801计算厚度 dh = = 0.15mm有效厚度 deh =dn - C1- C2= 8.70mm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 23.06 Kg压 力 计 算最大允许工作压力 Pw= = 6.51422MPa结论 合格内压圆筒校核计算单位重庆大学_零点六一八计算所依据的标准GB 150.3-2011 计算条件筒体简图计算压力 Pc 0.14MPa设计温度 t 135.00 C外径 Do 500.00mm材料 Q345R ( 板材 )试验温度许用应力 s 189.00MPa设计温度许用应力 st 189.00MPa试验温度下屈服点 ss 345.00MPa钢板负偏差 C1 0.30mm腐蚀裕量 C2 3.00mm焊接接头系数 f 0.85厚度及重量计算计算厚度 d = = 0.21mm有效厚度 de =dn - C1- C2= 6.70mm名义厚度 dn = 10.00mm重量 749.19Kg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 = 0.2000 (或由用户输入)MPa压力试验允许通过的应力水平 sTsT 0.90 ss = 310.50MPa试验压力下圆筒的应力 sT = = 8.66 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= = 4.36390MPa设计温度下计算应力 st = = 5.01MPastf 160.65MPa校核条件stf st结论 合格延长部分兼作法兰固定式管板 设计单位 重庆大学_零点六一八 设 计 计 算 条 件 简 图设计压力 ps0.121MPa设计温度 Ts 135平均金属温度 ts118装配温度 to15壳材料名称Q345R设计温度下许用应力st189Mpa程平均金属温度下弹性模量 Es 1.959e+05Mpa平均金属温度下热膨胀系数as1.166e-05mm/mm圆壳程圆筒内径 Di 500mm壳 程 圆 筒 名义厚 度 ds10mm壳 程 圆 筒 有效厚 度 dse6.7mm筒壳体法兰设计温度下弹性模量 Ef1.949e+05MPa壳程圆筒内直径横截面积 A=0.25 p Di21.963e+05mm2壳程圆筒金属横截面积 As=p