原油-常二线浮头式换热器设计

1、原油-常二线浮头式换热器设计.doc 2012届毕业（设计）论文 题 目 常二线-原油换热器设计 专业班级 过程装备与控制工程 学 号 0803020218 学生姓名 石熠 学 院 机电工程学院 指导教师 刘丽芳 指导教师职称 副教授 完成日期： 2012 年6月3日 目 录 摘 要 . ABSTRACT . 前言 . 第一章 换热器基本知识 . 1 第二章 设计计算 . 13 2.1 设计条件. 13 2.2 核算换热器传热面积. 13 2.3 压力降的计算. 20 2.4 换热器壁温计算. 22 第三章 换热器结构设计与强度计算 . 23 3.1 壳体与管箱厚度的确定. 24 3.2 开孔

2、补强计算. 26 3.3 水压试验. 31 3.4 换热管. 32 3.5 管板设计. 35 3.6 折流板. 41 3.7 拉杆与定距管. 43 3.8 防冲板. 44 3.9 保温层. 44 3.10法兰与垫片 . 44 3.11 钩圈式浮头. 49 3.12 分程隔板. 54 3.13 鞍座. 54 3.14 接管的最小位置. 56 第四章 换热器的腐蚀、制造与检验 . 57 4.1 换热器的腐蚀. 57 4.2 换热器的制造与检验. 58 第五章 焊接工艺评定 . 61 5.1 壳体焊接工艺. 61 5.2 换热管与管板的焊接. 62 5.3 法兰与筒体的焊接. 63 第六章 换热器的

3、安装、试车与维护 . 63 6.1 安装. 63 6.2 试车. 64 6.3 维护. 64 总结 . 64 参考文献 . 66 附录A相关文献 . 67 附录B等面积补强VB源程序 . 74 II 摘 要 换热器是将热流体的部分热量传递给冷流体，实现化工生产过程中热量交换和传递不可缺少的设备。 本文以PN1.6 DN800浮头式换热器为研究对象，在查阅国内外众多文献的基础上，对换热器的发展、背景、分类和用途进行了探索和研究，以气气换热器的设计过程为主线，结构设计为主体，全面介绍换热器的设计全过程。本文主要以常二线和原油为介质，按实际设计步骤依次进行热工计算、结构设计和强度设计，并画出换热器的

4、CAD结构图。主要研究内容如下： （1）对换热器的发展、分类、材料和运用进行阐述，了解换热器的基本构造和基本原理。 （2）通过查阅换热器设计相关标准得出的数据，对浮头式换热器的进行设计，具体分为换热器的热工计算，结构计算和强度计算。 （3）换热器的外部设计包括它的筒体的设计、封头的设计、管箱和换热器支座的设计。 （4）换热器的内部设计包括：它的换热管的尺寸、固定管板的厚度以及折流挡板的尺寸。 除了上述以外，换热器的研究内容还应包括它的压力容器法兰、管法兰、开孔与补强、接管处的零部件，还有它的附件、各个开孔处的应力校核等等。 本文是在压力容器设计应用分类方法的基础上，查阅换热器设计相关标准，在此

5、加以研究和分析得出换热器的设计数据，并作出CAD图，对我们了解换热器的设计流程和作用有了更深刻了解。 关键词： 换热器 压力容器 固定管板式 III ABSTRACT Heat exchanger is part of the essential equipments, which transfer thermal fluid heat to thecold fluid in the chemical production process, to achieve heat exchange and transmission. In this paper, fixed heat exchange

6、r was used as the research object, and the development, background, classification, use, exploration and research of the heat exchanger was discussed on the basis of referring to much literature home and abroad. The comprehensive description of the whole process design of heat exchanger was discusse

7、d, using the heat exchanger design process as the main line and the structural design as the main body. In this paper, HCl mixture was used as the medium, according to the actual design procedure followed by the calculation of thermal engineering, structural design and strength design, and also heat

8、 exchanger CAD chart was drown at last. Main research contents are as follows: (1) The development, classification, materials, and the use of the heat exchange was elaborated to understand the basic structure and basic principles of the heat exchanger. (2) The fixed heat exchanger design was divided

9、 into the calculation, structural calculation and strength calculation on the data obtained by referring to the heat exchanger design-related standards. (3) The external heat exchanger design included the design of its cylinder, head, tube boxes and supports. (4) The interior design of heat exchange

10、r included the design of the size of its heat exchange tube, fixed tube sheet thickness and baffled baffle size. In addition, openings and opening of the pipe, as well as its attachments, each hole stress check, etc. The design data and the CAD structure map of the heat exchanger was obtained, using

11、 the pressure vessel design applications on the basis of classification and referring to the heat exchanger design-related criteria. KEYWORDS: heat exchanger；pressure vessel；fixed heat exchange IV 前言 换热器（heat exchanger），是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，又称热交换器。换热器是化工、石油、动力、食品及其他许多工业部门的通用设备，在生产中占有重要地位。在化工生产中换热器可作为

12、加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等，应用更加广泛。换热器种类很多，但根据冷、热流体热量交换的原理和方式基本可分为三大类型即：间壁式、混合式和蓄热式。 列管式换热器在工业上使用最广泛。其优点是单位体积的传热面积、处理能力和操作弹性大，适应能力强，尤其在高温、高压和大型装置中采用更为普遍。列管式换热器主要有以下几个类型：固定管板式、浮头式、U形管式换热器等。 设计一个比较完善的列管式换热器，除了能满足传热方面的要求外，还应满足传热效率高、体积轻、消耗材料少、制造成本低、清洗维护方便和操作安全等要求。 列管式换热器的设计，首先应根据化工生产工艺条件的要求，通过化工工艺计算，确定换热器传热面积，

13、同时选择管径、管长，确定管数、管程数和壳程数，然后进行强度和结构设计。 V 武汉工程大学本科毕业（设计）论文 第一章 换热器基本知识 1.1、传热在化工生产中的应用 传热，即热量传递，是自然界中普遍存在的现象。传热与化工过程的关系尤为密切。因为无论生产中的化学过程（化学反应操作），还是物理过程（化工单元操作），几乎都伴有热量的传递。传热在化工生产过程中的应用主要有以下几方面： （1）、物料的加热、冷却或冷凝，使物料达到指定的温度和相态，以满足反应、加工、储存等的要求； （2）、在某些单元操作（如蒸发、结晶、蒸馏和干燥等）中，都需要输入或输出热量，才能使这些单元操作正常的进行； （3）、化工生产

14、中热能的合理利用和废热的回收； （4）、化工设备和管道的保温，减少热量（或冷量）的损失。 传热设备不仅在化工厂的设备投资中占有相当大的比例，而且它们所消耗的能量也是很大的。 化工生产过程中对传热的要求可分为两种情况：一是强化传热，如各种换热设备中的传热，要求传热速率快，传热效果良好；另一种是削弱传热，如设备和管道的保温，要求传热速率慢，以减小热损失。 传热是一门内容很广的学科，应用于许多工程领域。这里讨论的重点是传热基本原理和典型传热设备在天然气处理厂的应用。 1.2、传热的基本方式 根据传热机理的不同，热传递有三种基本方式：热传导、热对流和热辐射。传热可以依靠一种方式进行，也可以以两种或三种

15、方式同时进行。 （1）、热传导 热传导又称导热。由于物质的分子、原子或电子的运动使热量从物体内高温处向低温处的传递过程称为热传导。一切物体，不论其内部有无质点的相对运动，只要存在温度差，就必发生热传导。可见热传导是静止物体内的一种传递方式。气体、液体和固体的热传导各不相同。在气体中，热传导是由分子不规则的热运 1 武汉工程大学本科毕业（设计）论文 动引起的；在大部分液体和不良导体的固体中，热传导是由分子的动量传递所致；在金属固体中，热传导起因于自由电子的运动，因此良好的导电体也是良好的导热体。热传导不能在真空中进行。 （2）热对流（对流传热） 热对流是指流体中质点发生相对位移而引起的热量传递。

16、热对流仅发生在液体和气体中。由于引起流体质点相对位移原因的不同，对流可分为强制对流和自然对流。由于泵、风机或其它外力作用而引起的流体流动称为强制对流，在强制对流情况下进行的热量传递过程称为强制对流传热。由于流体各部分温度的不均而形成了密度的差异，使流体发生相对运动而传热，这种过程称为自然对流传热。在流体中发生强制对流传热的同时，往往伴随着自然对流传热。习惯上把流体与固体壁面间的传热，统称为对流传热。 （3）、热辐射（辐射传热） 因热的原因物体发出辐射能的过程，称为热辐射。它是一种通过电磁波传递能量的过程。具体的说，物体将热能转变为辐射能，电磁波的形式在空间传递，当遇到另一个能吸收辐射能的物体时

17、，即被其部分地或全部地吸收而变为热能。辐射传热就是不同物体间相互辐射和吸收能量的总结果。因此辐射传热不仅是能量的传递，还同时伴有能量形式的转换。热辐射不需任何介质作媒介，即可在真空中传播。这是热辐射与其它传热方式不同的特点。应指出，只有在物体的温度较高时辐射传热才能成为主要的传热方式。 实际上，传热过程往往不是以某种传热方式单独出现的，而是两种或三种传热方式的组合。例如化工厂普遍使用的间壁式换热器中冷、热流体间的换热，主要是以热对流和热传导相结合的方式进行传热。 1.3、典型的间壁式换热器 化工生产中最常见的是冷、热两种流体间的热交换。一般情况下，两种流体被固体壁面（传热面）所隔开，它们分别在

18、壁面的两侧流动。固体壁面构成间壁式换热器。换热器是实现传热过程的基本设备。 一、套管式换热器 套管式换热器是由直径不同的两根直管同心套在一起组成的，热、冷流体分别流经内管和环隙，进行热的传递。内管壁表面积为传热面积。 2 武汉工程大学本科毕业（设计）论文 二、管壳式换热器 图6-5 套管式换热器 1内管 2外管 图6-6 双层管壳式换热器 1隔板 2壳体 3管束 4管板 管壳式换热器主要由壳体、管束、管板、隔板、防冲板和封头等部件构成。一种流体在换热器的管束内流动，该流体称为管程（或管方）流体；另一种流体在管束外流动，该流体称为壳程（或壳方）流体。若管程流体在管束内只流过过一次，则称为单程管壳

19、式换热器。若流体在管束内来回流过多次，则称为多程（二程、四程等）换热器。图 为双程管壳式换热器，器内隔板将封头与管间板的空间（称为分配室）等分为二，管程流体先流过一半管束，流到另一分配室后折回再流过另一半管束，最后从接管流出换热器。 由于两流体间的传热是通过管壁进行的，故管壳式换热器的传热面积是管束管壁的全部表面积，即： SndL 式中 S传热面积，m2； 3 武汉工程大学本科毕业（设计）论文 n 管束的管数； d管径，m； L管长，m。 应予指出，因管径d可以分别用管内径di、管外径d0或管平均直径dm来表示，故对应的传热面积分别为管内侧表面积Si、管外侧表面积S0和管内、外侧 的平均表面积

20、Sm。对于一定的传热任务，确定换热器的传热面积是设计换热器的 核心。 1.4、换热管的排列方式 流体横向流过管束时，由于管与管之间的影响，情况较复杂。管束的几何条件，如管径、管间距、排数及排列方式等都影响对流传热系数。通常管子的排列方式有正三角形、转角正三角形、正方形和转角正方形四种。 30060 0900450 （a） (b) (c) (d) （a）正三角形 （b）转角正三角形 （c）正方形 （d）转角正方形 图6-7 管子排列方式 1.5、换热器的分类 化工生产中所用的换热器很多，通常可按其用途分类，也可按传热原理及换热方法分类。 （一）、按换热器的用途分类 1、加热器 加热器用于将流体加

21、热到所需的温度，被加热的流体在加热过程中不发生相变化。 2、冷却器 冷却器用于冷却流体至所需的温度，冷却过程中流体无相变化。 3、蒸发器 4 武汉工程大学本科毕业（设计）论文 蒸发器用于加热液体，使之蒸发气化。 4、再沸器 再沸器是蒸馏过程的附属设备，用于加热已被冷凝的液体，使之部分气化。 5、冷凝器和分凝器 冷凝器和分凝器用于冷凝饱和蒸汽，使之放出潜热而凝结或部分凝结为液体。 （二）、按换热器传热原理分类 1、间壁式换热器 间壁式换热器又称间接式换热器或表面式换热器。在此类换热器中，冷、热流体被固体壁面隔开，使它们不互相混合，热量由热流体通过壁面传给冷流体。这类换热器的种类很多，其中管壳式换

22、热器应用最广。 2、混合式换热器 混合式换热器又称直接接触式换热器。在此类换热器中，冷、热流体直接接触，互相混合传递热量。它主要用于气体的冷却和蒸汽的冷凝。该类换热器传热效果好、结构简单、易于防腐蚀，但是它适用于冷、热流体允许混合的场合。 3、蓄热式换热器 蓄热式换热器又称回流式换热器或蓄热器。它是借热容量较大的固体蓄热体，将热量由热流体传给冷流体。通常，在生产中采用两个并联的蓄热器交替的使用。 蓄热器结构简单，可耐高温，因此多用于高温气体热量的回收和冷却。其缺点是设备体积庞大，且不能完全避免两流体的混合，所以这类设备在化工生产中使用较少。 （三）、按换热器所用材料分类 1、金属材料换热器 金

23、属材料换热器由金属材料制成，常用的金属材料有碳钢、合金钢、不锈钢、铜、铝等。因金属材料的导热系数较大，其传热效率较高。 2、非金属材料换热器 非金属材料换热器由非金属材料制成，常用的材料有塑料、石墨、陶瓷、玻璃等。因非金属材料的导热系数较小，其传热效率较低。这类换热器用于具有腐 5 武汉工程大学本科毕业（设计）论文 蚀性物系的换热。 1.6、间壁式换热器的类型 按照换热面的型式，间壁式换热器主要有管式、板式和翅片式三种类型。 一、管式换热器 （一）、蛇管式换热器 蛇管式换热器可分为两类。 1、沉浸式蛇管换热器 蛇管多以金属管弯制而成，或制成适应容器要求的形状，沉浸在容器中。两种流体分别在蛇管内

24、、外流动进行热量交换。 蛇管换热器的优点是结构简单，造价低廉，能承受高压，可用耐腐蚀材料制造。其缺点是容器内液体湍动程度低，管外对流传热系数较小。为提高传热系数，可在容器内安装搅拌器。 2、喷淋式换热器 喷淋式换热器多用作冷却器。蛇管成行的固定在支架上热流体在蛇管内流动，自最上管进入，由最下管流出。冷水由最上面的淋水管流下，均匀地分布在蛇管上，并沿其两侧下降至下面的管子表面，最后流入水槽而排出。冷水在各管表面上流过时，与管内流体进行热交换。这种设备常放置在室外空气流通处，冷却水在空气中汽化时可带走部分热量，提高了冷却效果。它与沉浸式换热器相比，具有传热效果较好、耐高压、便于检修和清洗等优点，缺

25、点是喷淋不易均匀。 （二）、套管式换热器 套管式换热器是由直径不同的直管制成的同心套管，然后用“U”形弯管将多段套管串联而成。每一段套管称为一程，程数可根据传热要求而增减。每程的有效长度为4m6m。若管子过长，管中间会向下弯曲，使环隙中的流体分布不匀。套管换热器的优点有：构造简单；能耐高压；传热面积可根据需要增减，应用方便；若适当选择两管的直径，可使两流体的流速增大，且两流体可作逆流，对传热有利。 这种换热器的缺点为：管间接头多，易泄漏；占地较多，单位传热面消耗金属量大。因此它较适用于流量不大、所需传热面积不多而要求压强较高的场合。 （三）、管壳式换热器 6 武汉工程大学本科毕业（设计）论文

26、管壳式（又称列管式）换热器是目前化工生产中应用最广泛的换热设备。它与前述几种换热器相比，主要优点是：单位体积所具有的传热面积大及传热效果好；而且结构简单，操作弹性较大，可用多种材料制造，适用性较强等，尤其在高温、高压和大型装置上多采用管壳式换热器。 在管壳式换热器中，由于管内、外流体温度不同，管束和壳体的温度也不同，因此它们的热膨胀程度也有差别。若两流体温度差较大，由于有热应力而可能引起设备变形、管子弯曲，甚至破裂。因此，当两流体的温差超过50时，就应采取热补偿的措施。根据热补偿方法的不同管壳式换热器主要有以下几种。 1、固定管板式 固定管板式换热器的两端管板和壳体制成一体，因此它具有结构简单

27、和造价低廉的优点。但是壳程清洗和检修困难，因此要求壳程流体必须是洁净而不易结垢的物料。当两流体的温差较大时，应考虑热补偿。在外壳的适当部位上焊上一个补偿圈当外壳和管束热膨胀不同时，补偿圈发生弹性变形（拉伸或压缩），可以适应外壳和管束不同的热膨胀程度。这种热补偿方法简单，但不宜应用于两流体温差过大（应不大于70）和壳程流体压强过高（一般不高于600Pa）的场合。 1挡板 2补偿圈 图6-8 具有补偿圈的固定管板式换热器 2、“U”管式换热器 “U”管式换热器每根管子弯成“U”形，流体进、出口分别安装在同一端的两侧，封头内用隔板分成两室，因此每根管子可以自由伸缩，与其它管子及壳体均无关。 这种类型

28、换热器的结构也较简单，质量轻，适用于高温和高压的场合。其主要缺点是：管内清洗较困难，因此要求管程流体须是洁净和不易结垢的物料；此 7 武汉工程大学本科毕业（设计）论文 外因管子须一定的弯曲半径，故管板的利用率较低。 1“U”形管 2管程隔板 图6-9 “U”形管式换热器 3、浮头式换热器 浮头式换热器其一端管板不与外壳连为一体，该端称为浮头。当管子受热时，管束连同浮头可以自由伸缩，与外壳的膨胀无关。这种结构不但完全消除了热应力的影响，而且由于固定端的管板以法兰形式与壳体联结，整个管束可以从壳体中抽出，因此便于清洗和检修，故浮头式换热器应用较于普遍，但他的结构较为复杂，造价较高。 1、内浮头 2

29、、换热管 3、隔板 图6-10 浮头式换热器 二、板式换热器 （一）、夹套式换热器 夹套换热器是最简单的板式换热器。它是在容器外壁安装夹套而成，夹套与器壁之间形成的空间为加热介质或冷却介质的通路。 夹套式换热器主要用于反应过程的加热或冷却。在用蒸汽进行加热时，蒸汽由上部接管进入夹套，冷凝水由下部接管流出。作为冷却时，冷却介质（如冷却 8 武汉工程大学本科毕业（设计）论文 水）由夹套下部接管进入，由上部接管流出。 这种换热器结构简单，但其传热面受容器壁面的限制，且传热系数也较小。为提高传热系数，可在容器内安装搅拌器，为弥补传热面的不足，也可在容器内安装蛇管。 （二）、螺旋板式换热器 （三）、平板

30、式换热器 三、翅片式换热器 在传热面上加装翅片，不仅增加了传热面积，而且增强流体的扰动程度，故可强化传热过程。 翅片式换热器有翅片管换热器和板翅换热器两类 （一）、翅片管换热器 翅片管换热器的构造特点是，在管子表面上装有径向或轴向翅片。 当两种流体的对流传热系数相差很大时，在传热系数较小的一侧加翅片可以强化传热。例如用水蒸汽加热空气，该过程的热阻主要在空气侧的对流传热方面。因此在空气侧加装翅片，可以强化换热器的传热效果。一般来说，当两种流体的对流传热系数之比为3：1或更大时，宜采用翅片管式换热器。 翅片的种类很多，按翅片的高度可分为低翅片和高翅片两种。低翅片一般为螺纹管，适用于两流体的对流传热

31、系数相差不太大的场合。高翅片适用于管内外对流传热系数相差较大的场合，现已广泛地应用于空气冷却器上。 （二）、板翅式换热器 板翅式换热器是一种更为紧凑、轻巧、高效的换热器。板翅式换热器的结构形式很多，但是基本结构元件相同，即在两块平行的薄金属板间夹入波纹状或其它形状的金属翅片，两边以侧条密封，组成一个换热基本单元。将各基本单元进行不同的叠积和适当的排列，并用钎焊固定，即可制成并流、逆流或错流的板束（又称芯部），然后将带有流体进、出口的集流箱焊到管板上，即成为板翅式换热器。我国目前常用的翅片形式有光直形翅片、锯齿形翅片和多孔形翅片三种。板翅式换热器的主要优点有： （1）、总传热系数高，传热效果好。

32、由于翅片促进了流体的湍动并破坏了热边界层的发展，故其传热系数很高，并且大部分热量通过翅片传递，因此提高了 9 武汉工程大学本科毕业（设计）论文 传热效果。 （2）、结构紧凑，轻巧牢固。单位体积设备提供的传热面积一般能达到2500m2/m3，最高可达4300 m2/m3。它通常用铝合金制造，故质量轻。在相同的传热面积下，其质量约为管壳式换热器的十分之一。波形翅片不单是传热面，又是两板间的支撑，故强度很高。 （3）、适应性强，操作范围广。铝合金不仅导热系数高，而且在零度以下操作时，其延性和抗拉强度都较高，故操作范围广，可在200至绝对零度范围内使用，适用于低温和超低温的场合。它既可用于各种情况下的

33、热交换，也可用于蒸发和冷凝。在操作方式上可以为逆流、并流、错流或错、逆流同时并进等。此外还可用于多种介质在同一设备内进行换热。 板翅式换热器的缺点有： （1）、设备流导小，故易堵塞，压强降也较高，且换热器清洗和检修很困难，故处理的物料应洁净或需预先净制。 （2）、由于隔板和翅片都由薄铝板制成，要求介质对铝不腐蚀。 1.7、换热器的基本操作及故障处理 一、换热器的基本操作 1、加热 化工生产中所需的热能可由各种不同的热源，采用不同的加热方法获得。物料在换热器内被加热，必须由中间载热体通过传热面把热量传给物料，因此在加热的操作过程中，需要注意以下几点： （1）、蒸汽加热。蒸汽加热必须不断排除冷凝水

34、，否则冷凝水积于换热器，使传热效果变差，加热不能正常进行。采用蒸汽加热时，还必须经常排出不凝性气体，否则会大大降低蒸汽给热效果。 （2）、热水加热。热水加热一般加热温度不高，加热速度慢，操作稳定。只要定期排出不凝性气，就能保证正常操作。 （3）、烟道气加热。是利用燃料在加热炉或其它炉子中燃烧所产生的烟道气，通过传热面加热物料。特点是加热温度高，热源容易获得，但温度不易调节，大部分热量被废气带走，因此在操作过程中随时注意被加热物料的液位高度、流量和蒸汽产量，做到定期排污。 10 武汉工程大学本科毕业（设计）论文 （4）、导热油加热法。由于蒸汽加热的温度受到一定的限制，当物料加热需要超过180时，

35、一般采用导热油加热，其特点是温度高（可达400），黏度较大，热稳定性差，易燃，温度调节较为困难。操作时必须严格控制热油炉出炉温度，定期检查进、出口管及介质流道是否结垢，做到定期排污、定期放空、过滤或更换导热油。 2、冷却 在化工生产过程中常用的冷却介质是水、空气、丙烷等。 （1）、水冷却。用水冷却的优点是容易获得。缺点是水温受季节和水源变化的影响，在操作过程中，应定期检查水的温度，根具实际温度调节用水量。 （2）、空气冷却。用空气作为冷却剂的优点是容易获得。缺点是传热系数小，需要大的传热面积，由于水源及水质污染等问题，空气作为冷却剂已日益广泛。在操作上要根据季节气候的变化调节空气用量。 （3）

36、、丙烷冷却。当物料需要的温度用冷却水无法达到时，可采用丙烷作为冷却剂。特点是温度低，无腐蚀性，在操作时应严格控制丙烷介质中进水，防止结冰堵塞介质通道，要定期换热器进、出口温度以及丙烷蒸发器液位、压力等。 3、冷凝 被冷却的物质由气态变为液态的过程称为冷凝。如果冷凝操作需在减压下进行须注意蒸汽中不凝性气体的排出。 4、换热器的正确使用 换热器是化工生产中的主要设备之一，安全正确的操作才能使其安全运行，发生较大的效能。换热器有多种结构形式，在此，只介绍列管式换热器的使用。 （1）、投产前应检查压力表，温度计，安全液位计以及有关阀门是否齐全好用。 （2）、输进蒸汽前先打开冷凝水排放阀门，排除积水和污

37、垢；打开放空阀，排除空气和不凝性气体。 （3）、换热器投产时，先打开冷态工作液体阀门和放空阀向其注液，当液面达到规定液位时缓慢或分数次开启蒸汽或其它加热剂阀门，做到先预热后加热，防止骤冷骤热损坏换热器，降低使用寿命。 （4）、经常检查冷热两种工作介质的进出口温度、压力变化，发现温度、压力有超限度变化时，要立即查明原因，消除故障。 （5）、定时分析介质成分变化，以确定有无内漏，以便及时处理。 11 武汉工程大学本科毕业（设计）论文 （6）、定时检查换热器有无泄漏，外壳有无变化及震动现象，若有应及时处理。 （7）、定时排放不凝结气体和冷凝液，根据换热效率下降情况及时除掉污垢，提高传热效率。 二、列

38、管式换热器常见故障与处理方法 表6-2 列管式换热器常见故障与处理方法 故障名称 传热效率下降 发生振动 管板与壳体 连接处发生裂 纹 管束和胀口渗 漏 产生原因 1、列管结垢和堵塞 2、壳体内不凝气或冷凝液增多 3、管路或阀门有堵塞 1、壳程介质流速太快 2、管路振动所引起 3、管束与折流板结构不合理 4、机座刚度较小 1、焊接质量不好 2、外壳歪斜，连接管路拉力或推力过大 3、腐蚀严重，外壳壁厚减薄 1、管子被折流板磨破 2、壳体和管束温差过大 3、管口腐蚀或胀接质量差 12 处理方法 1、清洗管子 2、排放不凝气或冷凝液 3、检查清理 1、调节进气量 2、加固管路 3、改进设计 4、适当

39、加固 1、清除补焊 2、重新调整找正 3、鉴定后修补 1、用管堵堵死或换管 2、补胀或焊接 3、换新管或补胀 武汉工程大学本科毕业（设计）论文 第二章 设计计算 在换热器设计中，首先应根据工艺要求选择适用的类型，然后计算换热所需要的传热面积。工艺设计中包括了热力设计以及流动设计，其具体运算如下所述： 2.1 设计条件 表2-2 常二线与原油的物性参数 2.2 核算换热器传热面积 2.2.1 流动空间的确定 冷热流体在换热器内的流动路径，需进行合理安排，通常依据的原则有： 不洁净和易结垢的流体宜走易于清洗的一侧。对于固定管板式、浮头式换热器，一般应将易结垢流体流经管程；对于U型管式换热器，易结垢

40、流体应走壳程。 具有腐蚀性的流体宜走管程，以免管束和壳体同时受到腐蚀，节约耐腐蚀材料用量，降低成本。 压强高的流体宜走管程，因为管径小，耐压力高，并避免采用耐压的壳体和密封措施。 具有饱和蒸汽冷凝器的换热器，应使饱和蒸汽走壳程。因为饱和蒸汽比 13 武汉工程大学本科毕业（设计）论文 较清洁，传热系数与流速无关且冷凝液容易排出。 被冷却的流体走壳程，便于散热，有毒的走管程，减少泄漏的机会。 为提高流体流速，以增大传热系数，宜将流体走管程，可降低管壁与壳壁的温差，减少热应力。 流量小而粘度大的液体走壳程，因为壳程内流体在折流板作用下，流通截面和方向均不断变化，在较低雷洛数下就可以达到湍流，有利于提

41、高传热系数。 根据以上原则选择被冷却的常二线走壳程，被加热的原油走管程。 2.2.2 换热器热负荷计算 热负荷：Q=mccpc(Tco-Tci)=mhcph(Thi-Tho) 式中：mc,mh冷热流体的质量流量，kg/s； cpc,cph冷热流体的定压比热，J/(kg2k)； Tci,Tco冷流体的进、出口温度，k； Thi,Tho热流体的进、出口温度，k。 理论上，Qc=Qh，实际上由于热量损失，QcQh，通常热负荷应该取max（Qc，Qh）。 105 Qc=mccpc(Tco-Tci)=?3.15?103?(110-90)=1750kw3600 4.2?104 Qh=mhcph(Thi-T

42、ho)=?2.17?103?(140-110)=759.5kw 3600 故Q=1750kw。 2.2.3 平均温度差的计算 选取逆流流向，这是因为逆流比并流的传热效率高。其中?t1为较小的温度差，?t1为较大的温度差。 ?t1=110-90=20 C ?t2=140-110=30C 14 武汉工程大学本科毕业（设计）论文 因为 ?t2?t+?t22，故可取?tm=1=25 C ?t12 2.2.4 估算传热面积 查表选得K估=180(m2?k)； A=Q1750=389m2 K估?tm180?25 考虑到所用传热计算式的准确程度及其他未可预料的因素，应使所选用的换热器具有换热面积A留有裕度1

43、0%-25%，故有A=1.2A=466.8m2，根据A查选型手册，即老师发给的照片参数。可选换热器的型式为：BES800-1.6-120-4.5-4I，且为达到所需换热面积，应采用四台同类换热器串联。 25 所选浮头式换热器的规格参数以及其工艺计算常用参数可参考下表 15 武汉工程大学本科毕业（设计）论文 表2-3 所选浮头式换热器规格 表2-4 工艺计算常用参数 以上表格依据老师发的参数照片和换热器设计手册P32表1-2-25及P57（1.2.3） 2.2.3 总传热系数K的校验 管壳式换热换热器面积是以传热管外表面为基准，则在利用关联式计算总传热系数也应以管外表面积为基准，因此总传热系数K

44、的计算公式如下： bd0dd11 =+Rso+Rsi0+0 K0wdmdiidi 式中：K总传热系数，(m2?k)； 16 武汉工程大学本科毕业（设计）论文 i,o分别为管程和壳程流体的传热膜系数，(m2?k)； Rsi,Rso分别为管程和壳程的污垢热阻，w(m2?k)； di、do、dm分别是传热管内径、外径及平均直径，m； w传热管壁材料导热系数，(m2?k)； b传热管壁厚，m。 2.2.3.1管程流体传热膜系数 其计算过程如下： i 4mc4?105 ui=1.11s； 223600?900?3.14?0.02?3524cdi Re=diuii i=0.02?1.11?900=3653

45、，因Re=2300104时为过渡流状态，故流-35.47?10 体处于过渡流状态； Pr=cpii i3.15?103?5.47?10-3=142； 0.121 当流体在管内流动为过渡流的时候，对流传热系数可先按湍流的公式计算，然后把计算结果乘以校正系数，即可得到过渡流下的对流传热膜系数。 先计算校正系数： 6?1056?105 =1-=1-=0.77； 1.8Re1.83653 而湍流情况下的i计算如下： 由于i>2a，故原油为高黏度的流体，故应用Sieder-Tate关联式，即式（4-20）： i=0.027i diRe0.8Pr1/3(i/w)0.14 工程上，当液体被加热时，取(

46、i/w)0.14=1.05，当液体被冷却时，取(i/w)0.14=0.95，而管程流体原油是被加热的，则有 17 武汉工程大学本科毕业（设计）论文 i=0.027?0.121?36530.8?1420.33?1.05=623.2w(m2?k)； 0.02 故管内流体传热膜系数i为： i=?i=0.77?623.2=480(m2?k)； 此处计算依据化工原理（王志魁第三版）P143-144 2.2.3.2 壳程流体传热膜系数O： 其计算过程如下： 换热器内需装弓形折流板，根据GB151-1999可知，折流板最小的间距一般不小于圆筒内直径的1/5，且不小于50mm，故根据浮头式换热器折流板间距的系

47、列标准，即据换热器设计手册P28表1-2-20可取折流板间距h=200mm。 因为壳体选择为卷制圆筒，根据GB150-1999可知壳体内径Di=DN=800mm。 管间流速uo是根据流体流过管间最大截面积As计算：A=hD(1-d0) sit其中：do管外径，即25， t为换热管中心距，此时选择换热管在管板上的排列方式为正方形排列，因为这样便于机械清洗，查GB151-1999得t=32mm。 As=hDi(1-d00.025)=0.3?0.8?(1-)=0.053； t0.032 u0=mh0.3086=0.58ms； hAs0.053 当换热管呈正方形排列时，其当量直径de为 1.27t21.27?0.0322 de=-d0=-0.02