管壳式换热器的设计与分析讲解

1、四川理工学院毕业设计（论文）年产10万吨氢氧化钠溶液的列管式换热器设计与分析生: 号: 业：过程装备与控制工程 级:指导教师:四川理工学院机械工程学院O一三年六月四川理工学院毕业设计（论文）任务书设计（论文）题目：年产10万吨氢氧化钠溶液列管式换热器的设计与分析学院：机械工程学院 专业：过程装备与控制工程 班级:2009.2学号09011010216学生： 指导教师：接受任务时间 201 3.03.01系主任（签名）院长（签名）1.毕业设计（论文）设计压力（MPa） 工作压力（MPa） 设计温度（C 工作温度（C 介 质： 腐蚀裕度： 焊缝接头系数：的主要内容及基本要求 壳程0.80.7150

2、130 （进）110水1.00.85(出)管程0.60.59080 （进）90 （出）氢氧化钠溶液（质量分数40%）0设计寿命：10年2.指定查阅的主要参考文献及说明（1）机械设计手册，机械工业出版社;（3）机械制图，清华大学出版社；（2）化工设备丁作明等编；（4） GB1502011压力容器;（5）化工原理，天津大学出版社； 期刊主要有：化工机械、流体机械（6） GB151 1999管壳式换热器；3.进度安排设计（论文）各阶段名称起止日期1资料收集，阅读文献，兀成开题报告3月1日至3月24日2完成所有结构设计和设计计算工作3月25日至4月21日3完成所有图纸绘制4月22日至5月22日4完成说

3、明书的撰写5月23日至6月7日5完成图纸和说明书的修改，答辩的准备与毕业答辩6月8日至6月14日摘要换热器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。本次是设计列管式换热器的设计，介质为水和氢氧化钠溶液。目的是为了掌握列管式换热器的结构，以及设计 思路。首先根据物料介质的特点选取换热器的类型， 此次选用的是固定管板式换热器。 根据选 择的类型进行工艺结构设计。此次设计主要包括以下几个部分：工艺设计（主要包括换热器 的选型，换热面积计算，压强降、传热系数的核算）、结构设计（换热器主要件的材料选用， 结构尺寸设计）、强度校核等。关键词：固定管板式换热器 工艺设计 结构设计ABSTRACT

4、The heat exchanger is a equipment that transmit a part energy of the heat fluid to the cold fluid. This is the design of shell and tube heat exchanger, the medium is water and Sodium hydroxide solution. The design is in order to learn the structure of the shell and tube heat excha nger, and the desi

5、g n train of thought.First of all, accord ing to the Medium characteristics to choose type heat excha ngeWe choose the fixed tube plate heat excha nger about this desig n. We make structural desig n on the type. This desig n mainly in cludes the follow ing several parts: process desig n that in clud

6、i ng selecti on of heat excha nger, heat excha nge area computati on, the pressure drop and heat tran sfer coefficie nt of the calculati on), structural desig n that in clud ing main parts material select ion of the heat excha nger and the structure size desig nStre ngth check, etc.Keywords: Fixed t

7、ube plate heat excha nger; Process desig n; The structure desig n.目录摘要ABSTRACT 第一章绪论11.1概述11.2换热器的发展历史 11.3换热器的分类及其特点 21.3.1按作用原理或传热方式分类 21.3.2 按用途分类31.4管壳式换热器31.4.1 基本类型41.4.2 设计方法71.4.3 主要控制参数81.4.4管壳式换热器腐蚀分析 81.4.5管壳式换热器防腐保护 91.5换热器的技术发展动向 9第二章工艺设计122.1设计方案122.1.1 选择换热器的类型 122.1.2 流向选择122.2初选换热器的

8、规格 122.2.1 物性的确定122.2.2 计算热负荷和氢氧化钠溶液的流量 122.2.3两流体的平均温差 。132.2.4换热器的初选132.3压强降的核算 152.4总传热系数的核算 172.5设计参数及计算结果表 20第三章换热器的结构设计213.1设计条件213.2封头设计213.2.1 封头的设计213.2.2 封头与筒体的连接 223.3管箱短节223.4 分程隔板 233.5筒体233.6换热管233.6.1 换热管的排列方式 233.6.2 排管与分程243.6.3 换热管与管板的连接 243.7管板的设计253.7.1 管板的结构尺寸选取 。 253.7.2管孔外径与允许

9、偏差 263.7.3管板与壳体的连接263.8 接管的设计 263.8.1 壳程接管 263.9 折流板 303.9.1 折流板的结构与尺寸 303.9.2 折流板上的管孔 313.10 拉杆、定距管 313.10.1 拉杆的形式 313.10.2 拉杆的结构尺寸 323.11 防冲板 323.11.1 管程设置防冲板的条件 323.11.2 壳程设置防冲板的条件 323.12 膨胀节 333.13 管箱 343.13.1 管箱结构 343.13.1 管箱法兰 353.14 支座 353.14.1 支座的布置 353.14.2 支座的结构尺寸 36第四章 换热器的强度计算 374.1 前端管箱

10、筒体计算 374.2 前端管箱封头计算 384.3 后端管箱筒体计算 394.4 后端管箱封头计算 404.5 壳程圆筒计算 404.6 延长部分兼作法兰固定式管板 414.7 换热管内压计算 494.8 换热管外压计算 504.9 管箱法兰计算 514.10 鞍座校核 524.10.1 鞍座承受载荷 524.10.2 鞍座强度校核 534.11 接管开孔补强 53第五章 换热器的制造与检验 555.1 总体制造工艺 555.2 换热器质量检验 555.3 管箱、壳体、头盖的制造与检验 555.4 换热管的制造与检验 565.5 管板与折流板的制造与检验 565.6 换热管与管板的连接 565

11、.7 管束的组装 565.8 管箱、浮头盖的热处理 57第六章 结论 58参 考 文 献 60致谢 62四川理工学院毕业设计第一章绪论1.1概述换热器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。换热器是实现化工 生产过程中热量交换和传递不可缺少的设备。在石油、化工、轻工、制药、能源等工业生产 中，常常用作把低温流体加热或者把高温流体冷却，把液体汽化成蒸汽或者把蒸汽冷凝成液 体。随着经济的发展，各种不同型式和种类的换热器发展很快，新结构、新材料的换热器不 断涌现。换热器的应用广泛，日常生活中取暖用的暖气散热片、汽轮机装置中的凝汽器和航 天火箭上的油冷却器等，都是换热器。它的主要功能是保

12、证工艺过程对介质所要求的特定温 度，同时也是提高能源利用率的主要设备之一。换热器既可是一种单元设备，如加热器、冷 却器和凝汽器等；也可是某一工艺设备的组成部分，如氨合成塔内的换热器。换热器是化工 生产中重要的单元设备，根据统计，热交换器的吨位约占整个工艺设备的20%有的甚至高达30%，其重要性可想而知。1.2换热器的发展历史二十世纪20年代出现板式换热器，并应用于食品工业。以板代管制成的换热器，结构 紧凑，传热效果好，因此陆续发展为多种形式。30年代初，瑞典首次制成螺旋板换热器。接着英国用钎焊法制造出一种由铜及其合金材料制成的板翅式换热器，用于飞机发动机的散 热。30年代末，瑞典又制造出第一台

13、板壳式换热器，用于纸浆工厂。在此期间，为了解决强 腐蚀性介质的换热问题，人们对新型材料制成的换热器开始注意。60年代左右，由于空间技术和尖端科学的迅速发展， 迫切需要各种高效能紧凑型的换热 器，再加上冲压、钎焊和密封等技术的发展，换热器制造工艺得到进一步完善，从而推动了 紧凑型板面式换热器的蓬勃发展和广泛应用。此外，自60年代开始，为了适应高温和高压条件下的换热和节能的需要，典型的管壳式换热器也得到了进一步的发展。70年代中期，为了强化传热，在研究和发展热管的基础上又创制出热管式换热器。换热器中流体的相对流向一般有顺流和逆流两种。顺流时，入口处两流体的温差最大， 并沿传热表面逐渐减小，至出口处

14、温差为最小。逆流时，沿传热表面两流体的温差分布较均 匀。在冷、热流体的进出口温度一定的条件下，当两种流体都无相变时，以逆流的平均温差 最大顺流最小。在完成同样传热量的条件下，采用逆流可使平均温差增大，换热器的传热面积减小；若 传热面积不变，采用逆流时可使加热或冷却流体的消耗量降低。前者可节省设备费，后者可 节省操作费，故在设计或生产使用中应尽量采用逆流换热。当冷、热流体两者或其中一种有物相变化（沸腾或冷凝）时，由于相变时只放出或吸收汽 化潜热，流体本身的温度并无变化，因此流体的进出口温度相等，这时两流体的温差就与流 体的流向选择无关了。除顺流和逆流这两种流向外，还有错流和折流等流向。在传热过程

15、中， 降低间壁式换热器中的热阻，以提高传热系数是一个重要的问题。热阻主要来源于间壁两侧 粘滞于传热面上的流体薄层（称为边界层），和换热器使用中在壁两侧形成的污垢层，金属壁 的热阻相对较小。增加流体的流速和扰动性，可减薄边界层，降低热阻提高给热系数。但增加流体流速会 使能量消耗增加，故设计时应在减小热阻和降低能耗之间作合理的协调。为了降低污垢的热 阻，可设法延缓污垢的形成，并定期清洗传热面。一般换热器都用金属材料制成，其中碳素钢和低合金钢大多用于制造中、低压换热器； 不锈钢除主要用于不同的耐腐蚀条件外，奥氏体不锈钢还可作为耐高、低温的材料；铜、铝 及其合金多用于制造低温换热器；镍合金则用于高温条

16、件下；非金属材料除制作垫片零件外， 有些已开始用于制作非金属材料的耐蚀换热器，如石墨换热器、氟塑料换热器和玻璃换热器 等。13换热器的分类及其特点在工业生产中，由于用途、工作条件（温度、压力）和物料特性（介质）的不同，出现 了各种不同形式和结构的换热器。1.3.1按作用原理或传热方式分类按传热原理以及传热方式进行分类，换热器可进行以下几种方式分类。（1）表面式换热器（间壁式）表面式换热器是温度不同的两种流体在被壁面分开的空间里流动，通过壁面的导热和流 体在壁表面对流，两种流体之间进行换热。表面式换热器有管壳式、套管式和其他型式的换 热器。（2）蓄热式换热器蓄热式换热器通过固体物质构成的蓄热体，

17、把热量从高温流体传递给低温流体，热介质 先通过加热固体物质达到一定温度后，冷介质再通过固体物质被加热，使之达到热量传递的 目的。蓄热式换热器有旋转式、阀门切换式等。蓄热式换热器通过结构紧凑、价格便宜、单位体积传热面积大，故适合气一气热交换场合。（3）流体连接间接式换热器（中间载体式）流体连接间接式换热器，是把两个表面式换热器由在其中循环的热载体连接起来的换热 器，热载体在高温流体换热器和低温流体之间循环，在高温流体接受热量，在低温流体换热11器把热量释放给低温流体图1-1直接接触式换热器图1-2蓄热式换热器（4）直接接触式换热器直接接触式换热器是两种流体直接接触进行换热的设备，例如，冷水塔、气

18、体冷凝器等。具有传热效率高、单位容积提供的传热面积大、设备结构简单、价格便宜等优点，但不适用 于流体混合的场合。132按用途分类（1）加热器加热器是把流体加热到必要的温度，但加热流体没有发生相的变化（2）预热器预热器预先加热流体，为工序操作提供标准的工艺参数。（3）过滤器过热器用于把流体（工艺气或蒸汽）加热到过热状态。（4）蒸发器蒸发器用于加热流体，达到沸点以上温度，使其流体蒸发，一般有相的变化。14管壳式换热器管壳式换热器又称列管式换热器。管壳式换热器是一个量大而品种繁多的产品，迫 切需要新的耐磨损、耐腐蚀、高强度材料。我国在发展不锈钢铜合金复合材料、铝镁合 金及碳化硅等非金属材料等方面都有

19、不同程度的进展，其中尤以钛材发展较快。钛对海水、氯碱、醋酸等有较好的抗腐蚀能力，如再强化传热，效果将更好，目前一些制造单 位已较好的掌握了图1-3管壳式换热器钛材的加工制造技术。对材料的喷涂，我国已从国外引进生产线。铝镁合金具有较高的抗腐 蚀性和导热性，价格比钛材便宜，应予注意。近年来国内在节能增效等方面改进换热器性能， 提高传热效率，减少传热面积降低压降，提高装置热强度等方面的研究取得了显著成绩。换 热器的大量使用有效的提高了能源的利用率，使企业成本降低，效益提高。管壳式换热器管壳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

20、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。管子的型号不一，过程一般为直径16mm 19mm或者25mm三个型号， 管壁厚度一般为1mm，1.5mm，2mm以及2.5mm。进口换热器，直径最低可以到8mm，壁厚 仅为0.6m m。大大提高了换热效率，今年来也在国内市场逐渐推广开来。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14000w/m2.k，大大提

21、高生产效率，节约成本。同时，由于管壳式换热器多为金属结构，随着中国新版GMP的推出，不锈钢316L为主体的换热器，将成为饮料，食品，以及制药行业的必选。1.4.1基本类型根据管壳式换热器的特点，可分为固定管板式、浮头式、U形管式、填料函式、和釜式重沸器五类，如图所示。（1）固定管板式换热器固定管板式换热器的典型结构如图1-4所示，管束连接在管板上，管板与壳体焊接。其 优点式结构简单、紧凑，能承受较高的压力，造价低，管程清洗方便，管子损坏时易于堵管或更换；缺点是管束与壳体的壁温或材料的线膨胀系数相差较大时，壳体与管束中将产生较 大的热应力。这种换热器使用于壳侧介质清洗且不易结垢并能进行清洗，管、

22、壳程两侧温差 不大或温差较大但是壳程压力不高的场合。图1-4 固定管板式换热器为减少热应力，通常在固定管板式换热器中设置柔性元件（如膨胀节、挠性管板等） ， 来吸收膨胀差。（2）浮头式换热器浮头式换热器的典型结构见图1-4所示，两端管板只有一段与壳体固定，另一端可相对 壳体自由移动，称为浮头。浮头由浮动管板、钩圈和浮头端盖组成，是可拆连接，管束可从 壳体内抽出。管束与壳体的热变形互不约束，因而不会产生热应力。钩圈对保证浮头端的密封、防止介质间的串漏起着重要作用。随着浮头式换热器的设计、 制造技术的发展，以及长期以来使用经验的积累，钩圈的结构形式也得到了不段的改进和完 善。钩圈一般都为对开式结构

23、，要求密封可靠，结构简单、紧凑、便于制造和拆装方便。浮头式换热器的优点是管间与管内清洗方便，不会产生热应力；但其结构复杂，造价比 固定管板式换热器高，设备笨重，材料消耗量大，且浮头端小盖在操作中无法检查，制造时 密封要求高。适用于壳体与管束之间壁温差较大或壳程介质以结构的场合。（3）U形管式换热器U形管式换热器的典型结构见图1-6所示。这种换热器的结构特点是，只有一块管板， 管束由多跟U形管组成，管的两端固定在同一块管板上，管子可以自由伸缩。当壳体与U形换热管由温差时，不会产生热应力。图1-5 浮头式换热器图1-6 U形管式换热器由于受弯管曲率半径的限制，其换热管排布较少，管束最内层管间距离较

24、大，管板的利用率较低；壳程流体易形成短路，对传热不利。当管子泄露损坏时，只有管束最外围处的U形管才便于更换，内层换热管不能够更换，只能堵死，而坏一根U形管相当于坏两根管，报废率较高。U形换热器的结构比较简单、价格便宜，承压能力差，适用于管、壳壁温差较大或壳程 介质易结垢需要清洗，又不适宜采用浮头式和固定管板式的场合。特别适用于管内走清洁而 不易结垢的咼温、咼温、咼压腐蚀性强的物料。（4）填料函式换热器填料函式换热器结构如图1-7、1-8所示。这种换热器的特点与浮头式换热器相类似，浮 头部分露在壳体以外，在浮头与壳体的滑动接触面处采用填料函式密封结构。由于采用填料 函式密封结构，使得管束在壳体轴

25、向可以自由伸缩，不会产生壳壁与管壁热变形差而引起的 热应力。其结构较浮头式换热器简单，加工制造方便，节省材料，造价比较低廉，且管束可 以从壳体内抽出，管内、管间都能进行清洗，维修方便。因填料重沸器处易产生泄露，填料式换热器一般适用于4MPa以下的工作条件，且不适用易挥发、易燃、易爆、有毒及贵重介质，使用温度也受填料的物性限制。填料函式换热器 现在已很少使用。图1-7填料函双壳程换热器J.I! 注r仁爭g旳卫r - |-JiJ-二一強一. J.J =一-一”亠.,_丁巧一plIL ji i * ； J-_一f *-j E L； l图1-8 填料函分流式换热器(5) 釜式重沸器釜式重沸器的结构如图

26、1-8所示。这种换热器的管束可以分为浮头式、U形管式和固定 管板式结构，所以它具有浮头式、U形管式换热器的特性。在结构上与其他换热器不同之处在于壳体上部设置了一个蒸发空间，蒸发空间的大小由产气量和所要求的蒸发品质所决定。产气量大、蒸气品质要求高者蒸发空间大，否者可以小些。此种换热器与浮头式、U形管式换热器一样，清洗维修方便，可以处理不清洁、易结垢 的介质，并能承受咼温咼压。图1-8釜式重沸器1.4.2设计方法在满足工艺过程要求的前提下，换热器应该达到安全与经济的目标。换热器设计的主要 任务是参数的选择、结构设计、传热计算、及压强降计算等。设计主要包括壳体形式、管层数、换热管类型、管长、管子排列

27、、管子支承结构(如折流板结构等)、冷热流体的流动通道等工艺设计和封头、壳体、管板等零部件的结构、强度设计计算。换热器的工艺设计计算，依据设计任务的不同可分为设计计算和校核计算两种，包括计 算换热器换热面积和选型两个方面。一般已知冷、热流体的处理量和他们的物性、进出口温 度、压力由工艺要求确定、设计中需选择或确定的数据有三大类，即物性数据、结构数据和 工艺数据。设计计算式由已知数据计算换热面积，进而决定换热器的结构，可选定标准形式 的换热器；校核计算是对已知换热器核定一些运行参数，校核它是否满足预定的换热要求。通常的设计步骤如图1-9所示1.4.3主要控制参数1. 管壳式换热器的主要控制参数为加

28、热面积、热水流量、换热量、热媒参数等。(1) 、根据已知冷、热流体的流量，初、终温度及流体的比热容决定所需的换热面积。初步估计换热面积，一般先假定传热系数，确定换热器构造，再校核传热系数K值。(2) 、选用换热器时应注意压力等级，使用温度，接口的连接条件。在压力降，安装条 件允许的前提下，管壳式换热器以选用直径小的加长型，有利于提高换热量。(3) 、换热器的压力降不宜过大，一般控制在 0.010.05MPa之间；(4) 、流速大小应考虑流体黏度，黏度大的流速应小于0.51.0m/s； 般流体管内的流 速宜取0.41.0m/s；易结垢的流体宜取0.81.2m/so(5) 、高温水进入换热器前宜设

29、过滤器。(6) 、热交换站中热交换器的单台处理和配置台数组合结果应满足热交换站的总供热负 荷及调节的要求。在满足用户热负荷调节要求的前提下，同一个供热系数中的换热器台数不 宜少于2台，不宜多于5台。1.4.4管壳式换热器腐蚀分析管壳式换热器的材料一般以碳钢、不锈钢和铜为主，其中碳钢材质的管板在作为冷却器 使用时，其管板与列管的焊缝经常出现腐蚀泄漏，泄漏物进入冷却水系统污染环境又造成物 料浪费。管壳式换热器在制作时，管板与列管的焊接一般采用手工电弧焊，焊缝形状存在不同程 度的缺陷，如凹陷、气孔、夹渣等，焊缝应力的分布也不均匀。使用时管板部分一般与工业 冷却水接触，而工业冷却水中的杂质、盐类、气体

30、、微生物都会构成对管板和焊缝的腐蚀， 这就是我们常说的电化学腐蚀。研究表明，工业水无论是淡水还是海水，都会有各种离子和 溶解的氧气，其中氯离子和氧的浓度变化，对金属的腐蚀形状起重要作用。另外，金属结构 的复杂程度也会影响腐蚀形态。因此，管板与列管焊缝的腐蚀以孔蚀和缝隙腐蚀为主。从外 观看，管板表面会有许多腐蚀产物和积沉物，分布着大小不等的凹坑。以海水为介质时，还 会产生电偶腐蚀。化学腐蚀就是介质的腐蚀，换热器管板接触各种各样的化学介质，就会受 到化学介质的腐蚀。另外，换热器管板还会与换热管之间产生一定的双金属腐蚀。综上所述，影响管壳式换热器腐蚀的主要因素有：(1) 介质成分和浓度：浓度的影响不

31、一，例如在盐酸中，一般浓度越大腐蚀越严重。碳 钢和不锈钢在浓度为50%左右的硫酸中腐蚀最严重，而当浓度增加到 60%以上时，腐蚀反而 急剧下降；(2) 杂质：有害杂质包括氯离子、硫离子、氰离子、氨离子等，这些杂质在某些情况下 会引起严重腐蚀(3) 温度：腐蚀是一种化学反应，温度每提升10C，腐蚀速度约增加13倍，但也有 例外；(4) ph值：一般ph值越小，金属的腐蚀越大；(5) 流速：多数情况下流速越大，腐蚀也越大。1.4.5管壳式换热器防腐保护针对冷却塔防腐问题，传统方法以补焊为主，但补焊易使管板内部产生内应力，难以消 除，可能造成冷却塔管板焊缝再次渗漏。 现西方国家多采用高分子复合材料的

32、方法进行保护， 其中应用最多的是美嘉华技术产品。其具有优异的粘着性能及抗温、抗化学腐蚀性能，在封 闭的环境里可以安全使用而不会收缩，特别是良好的隔离双金属腐蚀和耐冲刷性能，从根本 上杜绝了修复部位的腐蚀渗漏，为冷却塔提供一个长久的保护涂层。15换热器的技术发展动向换热器的相关技术发展主要表现在以下几个方面。(1) 防腐技术的应用近年来，在换热器防腐蚀领域的研究和设计方面取得较为显著地成果，如阳极保护技术 的开发和新型防腐蚀材料的运用等。(2) 强化技术各种新型、高效换热器逐步取代现有的常规产品。电场动力效应强化传热技术、添加物 强化沸腾传热技术、通入惰性气体强化传热技术、滴状冷凝技术、微生物传

33、热技术、磁场动 力传热技术、纳米流体传热技术等将得到研究和发展。(3) 抗振技术由于工业生产规模的日益增大，换热器的尺寸也越来越大，因流体诱导振动所造图1-9管壳式换热器的设计步骤成的破坏事故显著增多。目前，已出现多种新型壳程支撑结构和其他的抗振方法的新型换热 器，他们在工业生产中获得广泛的应用，大大延长了换热器的使用寿命。（4）大型化和微小型化并重随着成套装置的大型化，换热器向大型化发展，同时由于微电子、航空航天、医疗化学生物工程、材料科学等场合的特殊要求而向微小型化发展。大型化换热器直径超过5米。微小型换热器与普通换热器相比。其主要特点在于单位体积内的传热面积很大，比普通换热器 要高12个

34、数量级。（5）先进制造技术先进技术制造的进步主要表现在各种强化管加工工艺的日渐成熟和新材料焊接工艺水 平的提高。许多新材料在换热器的设计中的应用带来了焊接工艺的进步，进一步推动了新形 换热器的发展。（6）防垢技术结垢不仅照成换热器传热传热其效率的降低和输入动力的增加，而且大大减少有效传热 面积和增大材料的浪费，甚至是换热器发生堵塞失效。随着结垢机理的研究，防止结垢的方 法也获得了发展，如采用表面涂层或特殊表面形状、管内弹簧插入人物或清洗球等在线除垢、 声波除垢、使用除垢剂以及改变流到结构等技术方法均得到了一定的工业运用。（7）研究升段随着计算机流体力学（CFD）的发展和计算机软硬件技术的飞速进

35、步，以及大型商业化 CFD软件的日益成熟，通过计算机程序来对复杂的流体流动现象进行数值模拟和仿真已成可 能。当前用CFD方法对换热器进行数值模拟已成为新型换热器开发研究的一种手段，CFD方法已成为性能检验和性能评价的有效方法之一。随着工业中经济效益与社会中环境保护的要求，制造水平不断的提高，新能源的逐渐开 发，研究手段日益发展，各种新思路与新结构的涌现，换热器将朝着更高效、经济、环保的 方向发展。四川理工学院毕业设计第二章工艺设计2.1设计方案2.1.1选择换热器的类型在实际生产换热过程中，水和氢氧化钠溶液必须间隔开来，不接触，不混合；并呈 连续流动状态，管壳式换热器最符合本次设计要求，所以本

36、次设计采用管壳式换热器。 在管壳式换热器中包括：固定管板板式换热器、U形管换热器、浮头式换热器。1) 固定管板式结构简单、造价低廉。但壳程不易检修和清洗，因此壳方流体应是较洁净且不易结垢的物料。当两流体温差大于50C因考虑热补偿。2) U形管换热器结构简单、重量轻，适用于高温和高压的场合。管内清洗比较困 难，因此管内流体必须洁净；且因管子需一定的弯曲半径，故管板的利用率差。3) 浮头式换热器管束可以从壳体中抽出，便于清洗和检修。但该种换热器结构较 复杂，金属耗量较多造价也较高。在本次设计中根据两种流体温度的变化情况：水进口温度为130C，出口温度为110C ;氢氧化钠溶液的进口温度为 80C，

37、出口温度为90C。换热器的工作压力：壳程 压力为0.7MPa,管程压力为0.6MPa。两流体都较洁净、不易结垢，两流体的温差不大 且操作压力与温度也较低，所以选择固定管板式换热器就能满足本次设计的要求。2.1.2流向选择从两种流体的情况来看，均为腐蚀小，不结垢的液态流体。主要目的是把氢氧化钠 溶液加热到指定温度。故安排氢氧化钠溶液从管程通过，水从壳程通过。2.2初选换热器的规格2.2.1物性的确定表2-1介质的物性3密度 /(kg/m )比热容 /(kJ/kg. C)粘度/Pa.s导热系数/(W/m. C )NaoH溶液143034830.231 勺00.621水982.5425223.83咒

38、10,0.692.2.2计算热负荷和氢氧化钠溶液的流量按300个工作日计算，一天工作12个小时。氢氧化钠溶液吸收的热量：Qc 二WcCpcW -t2)W(2-1)Qc8=268731 W100.832 4186 (90 -80)氢氧化钠溶液的流量:8Wc -10 /(300 12) =27778 Kg/h水的流量:Wh 二Q/Cph(T-T2)268731 36004252 (130 -110)= 1136 kg/h(2-2)2.2.3两流体的平均温差按单壳程，多管程进行计算，逆流时平均温差为:逆流时：缶t2 =130 -90 =40 C辻2 =T2=110-80 =30 C因为:I所以:=t

39、| =t240 =30-35 C因为:h 1290 80P =0.25 1308090 80所以,查化工原理可得 二=0.98 ,因此t = ;:.t：tm= 0.98 35 = 34.3C由于温度校正系数0.8，故采用单壳程换热器。2.2.4换热器的初选假设换热器的总传热系数 K值为350W/( m2 C) 估算的传热面积：300x12x3600假设管程流速u=0.6m/s计算管子数:nsns管子总长:QtmK(2-3)2S=22.4 m24wc / 二 3600二di2u(2-4)4 27778/1430 36003.14 0.22 0.6= 28.6 ： 29(根)L=S/n 二d= 2

40、4/29 3.14 0.02 = 13.2m管长取I =3m管程数：Np二丄p lNp = 13.2 = 4.4p3（2-5）N = 4ns（2-6）N =4 29=112 (根)D 二叽-1) 2b1（2-7）故管程数取4程管子总数：换热器的壳径：式中D壳体内径；t管心距（正三角形排列）；nc横过管束中心线的管子数；b1管束中心线上最外层管的中心至壳体内壁的距离，一般取b1 = （11.5）d。m；又因为：nc =1.1、N 112 =11.6 T2 根（2-8）所以D =32(12 -1)2 25 =427 mm；经过圆整D取450 mm。因此 D=450 mm, n=112,传热面积 S

41、=22.4 m2.此数据与标准型固定管板式换热器中管程为4管程，公称压力为I.OMpa。壳径为450mm,管子25 2.5,，L=3m的参数相似。故可以选取这个型号的换热器进行校核设计。参数如表 2-2:表2-2换热器的参数壳径/mm450管子尺寸/mm$25x2.5公称压强/MPa1.0管长/m3公称面积/m223.9管子总数104管程数4管子排列方式正三角形排列实际传热面积S = n二dL =23.7m2 , 总传热系数 心卫 330 W/( m2 -C)。Sit2.3压强降的核算1) 管程流动阻力(2-9)(2-10)Pt =(PJNsNpFs壳程数Ns =1 ;管程数Np =1 ;管程

42、结垢校正系数Fs近似取为1.4管程流通面积 Adj20.022 104 = 0.00816m24 Np 44i =Vs/A =27778/(3600 4130 0.00816) = 0.66m/s(2-11)ReidiUi p0.02 0.66 14300.00231= 8171(2-12)换热器管程局部阻力：z 0 1设管壁粗糙度；=0.1，则 0.1、0.G5 , Rej已在上一节求出为10202由参考文献化di 19工原理可查的 i =0.032所以流体流经传热管直管阻力：21R = i丄竺di 2式中局部阻力是系数一般取为(2-14)Pr=3 1430 0.66 934Pa所以：管程流

43、动阻力:R =(1822 +934)x1.4x1x4 =15434Pa压力降很小，满足设计要求2）壳程流动阻力Ps - 1 PoP FsNs(2-15)对于气体壳程结垢校正系数Fs =1.15 ;壳程数Ns=1 流体流过管束的阻力：Po =FfoNTC Nb 1:-u22(2-16)2(2-13)cccc31430x0.66 c= 0.0391822 Pa0.02对于正三角形排列F =0.5 ， n n = . 104 ：T2取折流板间距h=150mm。折流板数取Nb=19壳程流通面积Ao 二 h(D- ncdo) =0.15(0.45 -12 0.025) = 0.0225m2o=11376

44、/(3600 982.5 0.0225) = 0.14m/sRe。=d。p/二=0.025 0.14 982.5 105 /23.8 14430fo =5.0 Re严8 =5.0 14430 228 = 0.56所以：“982 5汇 0 142：Po =0.5 0.56 1219 1=647Pa2流体流过折流板缺口的阻力：2B )Pu22x0.15 982.5x 0.142AR = Nb3.5 -1-19x3.5-1-518 Pa(2-17)D丿20.45 丿2壳程总阻力：也 Ps =(647 +518)料 131.15 =1340 Pa满足要求。2.4总传热系数的核算1）壳程表面传热系数=

45、0.36 de0.5530.14Re Pr3()b w(2-18)因换热管米用正二角形，壳程的当量直径 de :4(t2-、d。2)叱023 1424( 0.0320.025 )43.14 0.025=0.027 m(2-19)壳程流通截面积：(2-20)d00.0252S 二 hD(10)=0.15 0.45 (1)=0.0148 mt0.032壳程流速:u。V11376S。3600 0.0148 982.5= 0.22m/s雷诺数:Redu;?0.027 0.22 982.523.83 10*工 24490(2-21)普郎特数:= 1.8(2-22)pc/= 4252 28.83 10-人

46、0.69介质为液体被冷却取（丄/%）0.14 =0.95第二章工艺设计：。=0.36 069 24490055 1.83 0.95.14 = 1158 W/(m2：C)0.022）管内表面传热系数:i =0.023Re0.8 Prdi(2-23)123由式（2-12）ReidiUi ?cJc= 8171由于 4000乞 Re 10000,校正系数 =1-6 105/Rei =0.96Cpj3843 0.231 10,i0.621-12.96(2-24)因为流体是被加热的n取为0.4。.。23 益“汕佗肘4 注1276 W/(m2c)污垢热阻和管壁热阻，有 GB-151可取为RS。=1.7 10

47、*m2 C/WRS =3.52 10* m2C/W管壁热阻可忽略。由总传热系数计算公式：(2-25)丄=J + R& + RS + 丄 Ko - idii dio ： o所以:Ko127581.7 10,3.4252520 20 2576=407W/( m2 C)四川理工学院毕业设计由于Ko/K =407/330 =1.23 ，在范围1.151.25之间，满足条件。则计算传热面积：Qatm268731407 34.72= 19.03 m实际传热面积为:面积裕度:23.7-19.0319.03= 24.5%(2-26)面积裕度在15%25%之间，满足设计要求2.5设计参数及计算结果表表2-3设计

48、参数及计算结果表参数壳程管程流率(m3/h)1137627778进/出温度/C130/11080/90设计压力/MPa0.80.6物性设计温度/c15090密度 /(kg/m3)982.5430定压比热容/(kJ/( kg C)42523483黏度/(Pa s)23.83 XI05-20.231 X0热导系数/ W/(m C )0.690.621普朗特数1.812.96设 备 结 构 参 数形式固定管板台数1壳体内径/ mm450壳程数4管径/ mm*25X2.5管心距32管长/ mm3000管子排列正三角形管数目/根104管程数1传热面积/m223.7主要计算结果壳程管程流速/(m/s)0.

49、660.14表面传热系数/ W/(m 2 -c )11581276污垢热阻/ (m2 C )/ W-41.7 X0-43.52 X0热流量/kW268731传热温差/c34.7传热系数/ W/(m 2 C)407裕度/%24.5%第三章换热器的结构设计换热器的结构设计，主要确定有关部件的结构形式、结构尺寸、零件之间的联接等，比 如，封头结构尺寸；接管与筒体的连接管板结构尺寸确定；折流板尺寸、间距确定；管板与 换热管的联接；管板与壳体、管箱的联接；管箱结构；法兰与垫片等等。3.1设计条件表3-1换热器管、壳程的设计、工作压力与设计温度设计压力MPa工作压力MPa设计温度C管程0.60.590壳程

50、0.80.71503.2封头设计封头选择EHA型标准椭圆封头。材料选用 Q245R。结构入图3-127图3-1 EHA型标准椭圆封头3.2.1封头的设计根据工作压力为0.6MPa，管程设计温度90C，设计标准推荐选用长短轴比值为 2的 标准椭圆型封头。材料选用与筒体相同的 Q245R。设计温度下的J ， 1 =147 MPa， 取焊缝系数为 =0.85，腐蚀裕量C2 =1.0mm,厚度负偏差C、1 = 0.3mm。封头计算厚度由下式：PcDi-0.5FC0.6汇4502 147 0.85-0.5 0.6= 1.08 mm(3-1)封头设计厚度:= C2 =1.08 1 二 2.08 mm四川理

51、工学院毕业设计封头名义厚度：6 = +G 十圆整=2.08 + 0.3 + 圆整=3 mm内径为450 mm使厚度不的小于6 mm。所以取封头名义厚度：、n = 6 mm封头有效厚度：札= -n - Ci - C2 = 6 - 0.3 -1.0 = 4.7 mm参照JB/T4737,封头尺寸如表3-2：表3-2封头尺寸表公称直径DN / mm曲面咼度A / mm直边高度h2 / mm名义厚度/ mm450138256322封头与筒体的连接封头与筒体连接如图3-2直边长度图3-2封头与筒体连接453.3管箱短节选用与封头一样的材料 Q245R，短节厚度GB150.3-2011计算按式（3-1），

52、设计温 度下的t 1 =147 MPa，取焊缝系数为=0.8，腐蚀裕量 C1.0 mm，厚度负偏差6 = 0.3mm。2- Pc064502 147 0.85 - 0.6=1.08 mm(3-2)短节设计厚度：、d 二、.C2 = 1.08 仁 2.08 mm短节名义厚度：0 = 十G十圆整=2.08 + 0.3 +圆整=3 mm内径为450 mm使厚度不的小于6 mm。所以取短节名义厚度：、n = 6 mm短节有效厚度:、飞=、n-C2 = 6 - 0.3-1.0 = 4.7 mm3.4分程隔板按GB151-1999,表6有，Dn乞600mm时。材料为Q245R的分程隔板最小厚度取8mm。3.5筒体由GB151-99规定，低合金钢筒体的最小厚度不得小于6mm。取C 0.3mm，C2 -1mm,焊接接头系数取为0.85。筒体计算厚度由下