换热器选型说明书

562换热器设计11.1 换热器概述11.2 选型依据11.3 换热器的选型说明21.3.1 换热器类型21.3.2 管壳式换热器的主要组合部件31.3.3 工艺条件选择51.3.4 换热器命名方法101.4 换热器的选型计算111.4.1 设计条件的确定111.4.2 确定主要物性数据111.4.3 工艺过程计算121.4.4 sw6强度校核201.5 换热器选型结果441.5.1 E0404换热器选型结果441.5.2 其他类型换热器选型结果481.6 各换热器选型结果汇总56换热器设计1.1 换热器概述换热设备是化工工业应用典型的工艺设备，是用于实现热量传递，使热量由高温流体传给低温物体。一般来说，换热设备在化工厂装置中所占的比例在建设费用方面高达10%40%。因此从能源节省以及工厂投资的角度来讲，合理地选择和使用换热设备，可节省投资，降低能耗，具有重要意义。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。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。1.2 选型依据浮头式换热器和冷凝器型式与基本参数 JB/T 471492固定管板式换热器型式与基本参数 JB/T 471592立式热虹吸式重沸器型式与基本参数 JB/T 471692换交换器 GB 151-2014换热器包括过程流股的加热器，塔的再沸器和冷凝器。根据工艺衡算和工艺物料的要求，掌握物料流量、温度、压力、化学性质、物性参数等特性，结合Aspen Energy Analyzer得出的有关设备负荷、传热面积、流程中的位置等来明确设计任务，选择换热器型式。在设计过程中，需满足如下几个方面的要求：（1）合理地实现所规定的工艺条件。（2）结构安全可靠。（3）便于制造、安装、操作和维修。（4）经济上合理。1.3 换热器的选型说明1.3.1 换热器类型换热器作为传热设备在工业中应用非常普遍，按照换热的方式和原理不同，换热设备分为直接式、蓄热式和间壁式。间壁式换热器又分为夹套式、管式、管壳式和板式。根据生产工艺的特点，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。其优缺点如下表所示。表1-1 管壳式换热器的类型与特点名称特点相对费用耗用金属（kg/m2）固定管板式换热器结构简单、制造成本低，使用广泛，已系列化，管板最薄，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。当两流体温差较大时，可采用具有膨胀节的壳体。但是不宜用于两流体温差过大(一般要500f0=5Re0-0.228=516097-0.228=0.55所以p1=0.50.551129+1687.560.25322=1938.7Pap2=293.5-20.10.4687.560.25322=1919.3Pap0=1938.7+1919.31.151=4436.7Pa故壳程流体压力降满足设计要求。b. 管程流体压力降管程压力降公式pi=p1+p2FtNpNs其中，、：直管及弯管中因摩擦阻力引起的压力降；：结垢矫正系数,对2025mm的管子，取1.4；：管程数；：串联的壳程数。所以有，p1=Ldiui22p2=3(u022)其中Ft=1.4 ,NP=2，NS=1管程流通面积 Ai=4di2nNP=40.022942=0.0148m2ui=VsAi=15.74994.50.0148=1.07m/sRei=diui=0.021.07994.50.000875=24366.7取材料的管壁粗糙度为0.1mm，则d=0.005，由湍流系数和管壁粗糙度查摩擦系数图得=0.032，有p1=0.032300020994.5071.0722=2742.2Pap2=3994.51.0722=1713.9Papi=2742.2+1713.91.421=12476.9Pa故管程流体压力降也满足设计要求。1.4.4 sw6强度校核表1-8 E0404强度校核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 计 算 条 件壳 程管 程设计压力 0.35MPa设计压力 0.35MPa设计温度 120设计温度 40壳程圆筒内径Di400mm管箱圆筒内径Di400mm材料名称Q245R材料名称Q245R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)校核计算管板校核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 pc0.35MPa设计温度 t40.00 C内径 Di400.00mm材料Q245R ( 板材 )试验温度许用应力 s148.00MPa设计温度许用应力 st147.75MPa试验温度下屈服点 ss245.00MPa钢板负偏差 C10.30mm腐蚀裕量 C23.00mm焊接接头系数 f1.00厚度及重量计算计算厚度d = = 0.47mm有效厚度de =dn - C1- C2= 4.70mm名义厚度dn = 8.00mm重量26.56Kg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 = 1.2500 (或由用户输入)MPa压力试验允许通过的应力水平 sTsT 0.90 ss = 220.50MPa试验压力下圆筒的应力sT = = 53.82MPa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= = 3.43180MPa设计温度下计算应力st = = 15.07MPastf147.75MPa校核条件stf st结论合格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 pc0.35MPa设计温度 t40.00 C内径 Di400.00mm曲面深度 hi100.00mm材料Q245R (板材)设计温度许用应力 st147.75MPa试验温度许用应力 s148.00MPa钢板负偏差 C10.30mm腐蚀裕量 C23.00mm焊接接头系数 f1.00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= 1.2500 (或由用户输入)MPa压力试验允许通过的应力stsT 0.90 ss = 220.50MPa试验压力下封头的应力sT = = 53.50MPa校核条件sT sT校核结果合格厚度及重量计算形状系数K = = 1.0000计算厚度dh = = 0.47mm有效厚度deh =dnh - C1- C2= 4.70mm最小厚度dmin = 3.00mm名义厚度dnh = 8.00mm结论满足最小厚度要求重量13.07Kg压 力 计 算最大允许工作压力pw= = 3.45185MPa结论合格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 pc0.35MPa设计温度 t40.00 C内径 Di400.00mm材料Q245R ( 板材 )试验温度许用应力 s148.00MPa设计温度许用应力 st147.75MPa试验温度下屈服点 ss245.00MPa钢板负偏差 C10.30mm腐蚀裕量 C23.00mm焊接接头系数 f1.00厚度及重量计算计算厚度d = = 0.47mm有效厚度de =dn - C1- C2= 4.70mm名义厚度dn = 8.00mm重量26.56Kg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 = 1.2500 (或由用户输入)MPa压力试验允许通过的应力水平 sTsT 0.90 ss = 220.50MPa试验压力下圆筒的应力sT = = 53.82MPa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= = 3.43180MPa设计温度下计算应力st = = 15.07MPastf147.75MPa校核条件stf st结论合格后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 pc0.35MPa设计温度 t40.00 C内径 Di400.00mm曲面深度 hi100.00mm材料Q245R (板材)设计温度许用应力 st147.75MPa试验温度许用应力 s148.00MPa钢板负偏差 C10.30mm腐蚀裕量 C23.00mm焊接接头系数 f1.00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= 1.2500 (或由用户输入)MPa压力试验允许通过的应力stsT 0.90 ss = 220.50MPa试验压力下封头的应力sT = = 53.50MPa校核条件sT sT校核结果合格厚度及重量计算形状系数K = = 1.0000计算厚度dh = = 0.47mm有效厚度deh =dnh - C1- C2= 4.70mm最小厚度dmin = 3.00mm名义厚度dnh = 8.00mm结论满足最小厚度要求重量13.07Kg压 力 计 算最大允许工作压力pw= = 3.45185MPa结论合格内压圆筒校核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 pc0.35MPa设计温度 t120.00 C内径 Di400.00mm材料Q245R ( 板材 )试验温度许用应力 s148.00MPa设计温度许用应力 st137.20MPa试验温度下屈服点 ss235.00MPa钢板负偏差 C10.30mm腐蚀裕量 C23.00mm焊接接头系数 f1.00厚度及重量计算计算厚度d = = 0.51mm有效厚度de =dn - C1- C2= 16.70mm名义厚度dn = 20.00mm重量621.45Kg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 = 1.2500 (或由用户输入)MPa压力试验允许通过的应力水平 sTsT 0.90 ss = 211.50MPa试验压力下圆筒的应力sT = = 15.60MPa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= = 10.99707MPa设计温度下计算应力st = = 4.37MPastf137.20MPa校核条件stf st结论合格不带法兰固定式管板计算(b)设 计 单 位中航一集团航空动力控制系统研究所设 计 计 算 条 件简 图壳程圆筒设计压力Ps0.35MPa设计温度 t120平均金属温度 188.7装配温度 20材料名称Q245R 设计温度下许用应力137.2MPa平均金属温度下弹性模量1.917e+05MPa平均金属温度下热膨胀系数1.217e-05mm/mm壳程圆筒内径 400mm壳 程 圆 筒 名 义 厚 度 20mm壳 程 圆 筒 有 效 厚 度 16.7mm壳程圆筒内直径横截面积 A=0.25 p Di21.257e+05mm2壳程圆筒金属横截面积 As=pds ( Di+ds )2.186e+04mm2管箱圆筒设计压力0.35MPa设计温度 40材料名称Q245R设计温度下弹性模量2e+05MPa管箱圆筒名义厚度8mm管箱圆筒有效厚度4.7mm换热管材料名称16Mn管子平均温度 t30设计温度下管子材料许用应力 180.6MPa设计温度下管子材料屈服应力 282MPa设计温度下管子材料弹性模量 1.958e+05MPa平均金属温度下管子材料弹性模量 2.005e+05MPa平均金属温度下管子材料热膨胀系数1.098e-05mm/mm管子外径 d25mm管子壁厚2.5mm管子根数 n94换热管中心 S32mm一根管子金属横截面积176.7mm2换热管长度 L13000mm换热管有效长度(两管板内侧间距) L2936mm换热管管束模数 =2836MPa管子回转半径 8.004mm管子受压失稳当量长度 1mm系数 Cr =117.1比值 0.1249管子稳定许用压应力 () MPa管子稳定许用压应力 () 180.6MPa管板材料名称Q245R设计温度 120设计温度下许用应力 137.2MPa设计温度下弹性模量 1.958e+05MPa管板腐蚀裕量 6mm管板输入厚度 32mm管板计算厚度 23.7mm隔板槽面积 (包括拉杆和假管区面积)Ad20mm2管板强度削弱系数0.4管板刚度削弱系数0.4管子加强系数 , K =4.173管板和管子连接型式强度胀加密封焊管板和管子胀接(焊接)高度 l25mm胀接许用拉脱应力q4MPa焊接许用拉脱应力qMPa管箱法兰材料名称管箱法兰厚度 0mm比值 0.01175比值 0管箱圆筒壳常数0.041931/mm系数0.007111系数0.0002392管箱圆筒与法兰的旋转刚度参数 3.986MPa壳体法兰材料名称Q245R壳体法兰厚度0mm管板延长部分凸缘外直径 Df0mm管板延长部分凸缘宽度 0mm比值 0.04175比值 0壳程圆筒壳常数0.022241/mm系数0.02527系数0.005692壳体法兰与圆筒的旋转刚度参数90.92MPa系数计算旋转刚度( c型结构 0) 94.9MPa旋转刚度无量纲参数 0.02628膨胀节波峰处内直径 420mm系数0.1025膨胀节总体轴向刚度 100N/mm管板第一弯矩系数 (按,查图 7-12)0.5105系数 4.658系数 (按,查图 7-13)2.126换热管束与不带膨胀节壳体刚度之比 0.7948换热管束与壳体刚度之比 1.134e+04管板第二弯矩系数(按K,查图7-14(a)或(b)5268管板参数管板开孔后面积A- 0.25 n7.952e+04mm2管板布管区面积 (三角形布管) (正方形布管) 8.338e+04mm2管板布管区当量直径 325.8mm系数计算系数 0.6328系数 0.2089系数 -916.6系数 1.793e+04管板布管区当量直径与壳体内径之比 0.8146管板周边不布管区无量纲宽度 k=K 0.7739仅有壳程压力Ps作用下的危险组合工况 (Pt = 0)不计温差应力计温差应力换热管与壳程圆筒热膨胀变形差g =at(t-t)-as(t-t)0.0-0.001943当量压力组合 0.350.35MPa有效压力组合 （直管） （波纹管）-320.8-402.2MPa边界效应压力组合 0.0088440.008844MPa边界效应压力组合系数 -4.356e-05-3.475e-05管板边缘力矩系数 -4.356e-05-3.475e-05管板边缘剪力系数 -0.0002029-0.0001619管板总弯矩系数 -0.5585-0.3422管板布管区周边径向弯矩系数系数-0.9173-0.7318管板布管区最大径向弯矩系数系数-0.9121-0.7339管板径向弯矩系数-0.9121-0.7339系数-0.6561-0.5279管板径向应力系数=-1.445e-05-1.163e-05管板布管区周边处剪切应力系数=2.203e-052.203e-05计算值许用值计算值许用值管板径向应力 2.0891.5 =205.82.1083=411.6MPa管板布管区周边剪切应力 -0.15370.5 =68.6-0.19271.5 =205.8MPa换热管轴向应力2.275=180.6=180.62.3483=541.8=216.7MPa壳体轴向应力 -0.1028137.2-0.1289=411.6MPa换热管与管板连接拉脱应力 q =0.2047q =40.21133q焊接q胀接4MPa仅有管程压力Pt作用下的危险组合工况 (Ps = 0)不计温差应力计温差应力换热管与壳程圆筒热膨胀变形差=(t-t)-(t-t)0.0-0.001943当量压力组合-0.4231-0.4231MPa有效压力组合 （直管） （波纹管）-6275-6356MPa边界效应压力组合-0.003442-0.003442MPa边界效应压力组合系数 8.669e-078.558e-07管板边缘力矩系数 8.669e-078.558e-07管板边缘剪力系数 4.038e-063.986e-06管板总弯矩系数 0.53180.5315管板布管区周边径向弯矩系数系数0.21270.2126管板布管区最大径向弯矩系数系数-0.2247-0.2247管板径向弯矩系数-0.2247-0.2247系数-0.1616-0.1617管板径向应力系数=-3.561e-06-3.562e-06管板布管区周边处剪切应力系数2.203e-052.203e-05计算值许用值计算值许用值管板径向应力 10.071.5 =205.810.23 =411.6MPa管板布管区周边剪切应力-3.0070.5 =68.6-3.0461.5 =205.8MPa换热管轴向应力 3.482=180.6=180.63.5553 =541.8=216.7MPa壳程圆筒轴向应力 0.0002083=137.2-0.02587=411.6MPa换热管与管板连接拉脱应力 q =0.3134q =40.323q焊接q胀接4MPa考虑壳程和管程压力同时作用下的危险组合工况不计温差应力计温差应力换热管与壳体热膨胀变形差=(t-t)-(t-t)0.0-0.001943当量压力组合-0.07311-0.07311MPa有效压力组合 （直管） （波纹管）-6596-6677MPa边界效应压力组合 0.0054020.005402MPa边界效应压力组合系数 -1.294e-06-1.278e-06管板边缘力矩系数 -1.294e-06-1.278e-06管板边缘剪力系数 -6.028e-06-5.954e-06管板总弯矩系数 0.47880.4792管板布管区周边径向弯矩系数系数0.19150.1917管板布管区最大径向弯矩系数系数-0.24-0.2398管板径向弯矩系数-0.24-0.2398系数-0.1726-0.1725管板径向应力系数=-3.803e-06-3.801e-06管板布管区周边处剪切应力系数=2.203e-052.203e-05计算值许用值计算值许用值管板径向应力 11.31.5 =205.811.443 =411.6MPa管板布管区周边剪切应力 -3.1610.5 =68.6-3.21.5 =205.8MPa换热管轴向应力5.757=180.6=180.65.833 =541.8=216.7MPa壳程圆筒轴向应力 -0.1026137.2-0.1287411.6