流量为100th管壳式换热器设计研究

流量为100t/h管壳式换热器设计研究摘要：作为工业上广泛应用的设备，为了降低设备的成本和运行成本，设计和选择高效的换热器是非常必要的。在本设计中，流量为100t/h壳式换热器，换热器采用U型管结构，其结构主要包括管板、壳体、管束箱、封头、支架、传热管等部件，重量相对较轻。通过将管子弯曲并固定在同一管板的两端，U型管可以降低热应力，增强热补偿。采用双管程，流量高，工艺流程长，传热性能好，可抽出便宜的管束，便于维护和清洁。关键词：管壳式换热器；结构；强度；设计计算1引言1.1管壳换热器的设计书目前，换热器作为一种不可缺少的过程设备，广泛应用于工业、农业等许多生产领域。随着科学家研究的不断深入，换热器在工业应用上取得了显著的进步，作为一种非常重要的辅助设备已经在许多化工装置的运行场合得到了应用，因此换热器在化工生产中也发挥着极其重要的作用。本次流量为100t/hU型管式换热器设计的壳程介质为油,管程介质为水。将壳侧的工作温度设置为200℃，将管侧的工作温度设置为65℃，将壳侧的设计温度设置为210℃，将管侧的设计温度设置为90℃。换热器按单壳程和双管程设计。16块折流板安装在结构上，以增加流体的湍流速度。设计压力为管程2.0MPa，壳程1.5MPa。根据选用的条件，查看GB150-2011《钢制压力容器》GB151-1999《管壳式换热器》以及换热器手册等标准,通过试算得到总传热系数，所得传热面积为243.17。考虑到介质的特点，本次采用φ25x2.5x6000的20#的无缝钢管,使用520根换热管即可满足换热要求。接管法兰选用板式平焊法兰,采用鞍式支座支撑。在本次毕业设计过程中，我已经完成了文献综述,设计说明书,7张图纸的绘制。1.2管壳换热器的型式U型管换热器主要由管箱、壳体和管束组成，结构如图所示。在结构上，U型管式换热器的结构比浮头式换热器结构简单，成本比其他换热器低。管束可以从壳体中取出，管外容易清洗，但管子工艺不易清洗，因此只适用于清洗，不易结垢液体。U型管换热器需要在高温高压的情况下使用，因此弯曲段的壁厚应该加厚，以弥补弯曲后管壁的减薄和强度的增加。折流板和纵向折流板可根据实际要求安装在壳侧，并通过拉杆固定折流板，提高换热器的传热效果。纵向隔膜是平行于传热管方向安装的矩形板，以增加壳侧介质的流速。图1U型管换热器整体外形图图2U型管换热器剖面图图3U型管换热器设计图INDEX\o"S"\c"2"\z"2052"1.3流程的选择从两种物流的操作压力来看，油应该通过管程，循环冷却水应该通过壳程。但是，由于循环冷却水容易结垢，如果流速过低，会加速污垢增加速率，降低换热器的热流量，因此一般情况下，循环水应该通过管程而油走壳程来完成传热。2.确定流体的定性温度、物性数据并选择列管换热器的型式2.1定性温度选择原始数据数据：管程冷却水的进口温度:=30℃管程冷却水的出口温度:=65℃管程冷却水的工作压力:=2.0MPa壳程热油的进口温度:=200℃壳程热油的出口温度:=80℃壳程热油的工作压力:=1.5MPa壳程热油的流量:=100t/h=100000定性温度：可取流体进出口温度的平均值油的定性温度为：===140℃（2-1）水的定性温度为：===47.5℃（2-2）管程冷却水的定性温度为47.5℃，壳程油的定性温度为140℃2.2物性参数根据定性温度，可以在《工程常用物质热物理性质手册》中找到壳程热油和管程水的相关物性数据。可知油在140℃下的物性数据如下：密度：=736/定压比热容：=2.58/(℃)导热系数：=0.09804/(m℃)粘度：=0.39010普朗特数：=10.26可知水在47.5℃下的物性数据如下：密度：=989.1/定压比热容：=4.174/(℃)导热系数：=0.6443/(m℃)粘度：=0.576110普朗特数：=3.743.换热器的工艺计算3.1热流量取传热效率为：=0.98=（-）1000/3600=1000002.58（200-80）0.981000/3600=8428000（3-1） 3.2平均传热温差平均传热温差为：=85.58℃（3-2）3.3冷却剂水用量管程冷水流量为：=207685（3-3） 3.4求有效传热温差参数P：P==0.21（3-4）参数R：R==3.43（3-5）参考《换热器设计手册》图1-3-6(a)，换热器可以按单壳程、双管程设计，可知:温差校正系数：=0.9有效平均温差:==0.985.58=77.02℃（3-6） 3.5管程换热系数的计算选K值，估算传热面积。参照《化工原理》表4-8，初选传热系数=450则初选传热面积为：243.17（3-7）4.换热器的工艺结构尺寸设计4.1管径和管内流速换热管可选用Ф25×2.5×6000的无缝钢管则:管子外径=25管子内径=20管子长度=6000管程流通面积：===‭0.08164‬（4-1）管程流速：=0.7144（4-2）管程雷诺数：=24530.92（4-3）因为水被加热，n=0.4则管程传热系数:=4207.1（4-4）4.2管程数和传热管数则需要换热管根数:===516.28根，可取换热管根数为520根。（4-5）4.3传热管排列和分程方法通过查阅参考材料GB151-1999《管壳式换热器》，我们可以知道管子间距不应小于换热器管子外径的1.25倍，三个换热器管子之间的距离如表12所示:=0.32m管束中心排的管数为:=1.1=1.1=25.08根，取26根。按正三角形排列（排列紧凑，管外流体湍动程度高，传热分系数大）。图4U管子正三角形排列图4.4壳体内径壳体内径为：==0.032(26-1)+40.025=0.9m（4-6）圆整后：=1000mm 4.5折流板长径比:=6，在4-6之间，合理折流板可以选择弓形折流板：折流板的弓高:h=0.25=0.251=0.25m折流板的间距:B===0.33m折流板的数量:=-1=-1=17块，取16块4.6计算壳程流通面积及流速壳程流通面积:=B(1-)=0.331(1-)=0.073（4-7）壳程流速:===0.517（4-8）5.换热器核算5.1壳体对流传热系数壳程质量流速:==0.517736=380.512（5-1）壳程当量直径:===0.06413（5-2）壳程雷诺数:===62569.08（5-3）根据==0.25，切去弓形面积所占的比例，可查得为0.145壳程传热因子通过《管壳式换热器原理与设计》图2-12查得：=250管外壁温度假定值为100℃，而壁温100℃下煤油的粘度：=0.545（5-4）粘度修正系数:===0.9542（5-5）壳程换热系数:==792.4（5-6）5.2污垢热阻查看GB151-1999《管壳式换热器》第140页可知：油侧污垢热阻为：=17.6()水侧污垢热阻:=17.6() 5.3核算总传热系数因为管壁比较薄，所以管壁的热阻γ可忽略不计，所得总传热系数为：===497（5-7）传热系数比值为：==1.104（合理）5.4管壁温度计算管外壁热流密度计算:===34,411.24（5-8）管外壁温度：=-()=140-34411.24(+17.6)=90.52℃（5-9）误差校核：=-=90.52-100=-9.48℃，误差不大，合理 5.5换热器内流体的流动阻力1.管程压力降计算：根据《换热器设计手册》P76页可知，管程压降可按公式1-3-47计算=+（5-10）式中：—流体流经直管因摩擦阻力而引起的压降流体,单位;—流体流经弯管因摩擦阻力而引起的压降，单位；—流体流经管箱进出口处的压降，单位；—结构校正系数，=1.4；—管程数，=2；—串联的壳程数，=1；查《换热器设计手册》P76，可知公式（5-11）（5-12）（5-13）式中：—管内流速，；—管内径，m；—管长，m；—摩擦系数；—管内流体密度，;其中==0.02847（5-14）=1457==487.6==243.8即=+=（1457+487.6）1.421+243.81=5688.68<0.05符合压强条件。2.壳程压力降计算：查《换热器设计手册》P81知，管程压力降可采用公式1-3-75计算： （5-15）式中：—壳程压降摩擦因子；—壳体内流体的流速，单位；—壳体内径，单位m；—管子长度，单位m；—管外流体定性温度下密度，单位；—管外流体定性温度下粘度，单位；—管外流体壁温下粘度，单位；—折流板间距，单位m；—壳程当量直径，单位m；管外流体壁温89℃下粘度由=62569.08，可查图1-3-24得壳程压强摩擦因子=0.037则壳程压强：==896.4<0.05，符合压强计算。6.换热器的主要结构尺寸和计算结果6.1换热管材料及规格选择和根数的确定表1换热管材料和规格的选择及根数的确定序号项目符号单位数据来源及计算公式数值1换热管材料20#2换热管外径GB151-1999《管壳式换热器》253换热管管长GB151-1999《管壳式换热器》60004传热面积《管壳式换热器设计原理》243.175换热管根数根5206拉杆直径GB151-1999《管壳式换热器》表43167拉杆数量根GB151-1999《管壳式换热器》表4486.2管子的排列方式表2管子的排列方式序号项目符号单位数据来源及计算公式数值1正三角形GB151-1999《管壳式换热器》图112换热管中心距GB151-1999《管壳式换热器》表12323隔板槽两侧相邻管中心距GB151-1999《管壳式换热器》表121006.3筒体内径的确定表3筒体内径的确定序号项目符号单位数据来源及计算公式数值1换热管中心距GB151-1999《管壳式换热器》表12322换热管根数根5203分程隔板厚104到壳体内壁最短距离=0.25且不小于885管束中心排管根数根=1.1266筒体内径=9007布管限定圆直径=-28848实取筒体公称直径JB/T4737-199510006.4筒体壁厚的确定表4筒体壁厚的确定序号项目符号单位数据来源及计算公式数值1筒体材料设计任务书1.52换热管根数GB150-1998《钢制压力容器》20R3设计温度下筒体材料的许用应力GB150-1998《钢制压力容器》1234焊接接头系数《过程装备设计》0.855壳程设计压力1.656筒体计算厚度7.957设计厚度=+9.958名义厚度GB151-1999《管壳式换热器》129负偏差《过程装备设计》010腐蚀裕量《过程装备设计》211有效厚度1012设计温度下圆筒的计算应力83.32513校核<<104.55，合格14设计温度下圆筒的最大许用工作压力2.076.5筒体的液压试验表5筒体的液压试验序号项目符号单位数据来源及计算公式数值1试验压力2.232圆筒薄膜应力112.623校核<0.9=187.425，合格6.6壳程标准椭圆形封头厚度的计算表6壳程标准椭圆封头厚度的计算序号项目符号单位数据来源及计算公式数值1封头内径10002设计压力1.653封头材料GB150-1998《钢制压力容器》164设计温度下材料的许用应力GB150-1998《钢制压力容器》1705焊接接头系数《过程装备设计》0.856标准椭圆封头计算厚度5.737设计厚度=+7.738名义厚度GB151-1999《管壳式换热器》129有效厚度1010设计厚度下封头的计算应力83.32511校核<0.9=263.925，合格12设计温度下封头的最大许用工作压力2.8813<，合格根据JB/T4737-95得：公称直径为：=1000曲面高度为：=250直边高度为：=406.7管程标准椭圆形封头厚度的计算表7管程标准椭圆封头厚度的计算序号项目符号单位数据来源及计算公式数值1封头内径10002设计压力2.23封头材料GB150-1998《钢制压力容器》164设计温度下材料的许用应力GB150-1998《钢制压力容器》1705焊接接头系数《过程装备设计》0.856标准椭圆封头计算厚度7.647设计厚度=+9.648名义厚度GB151-1999《管壳式换热器》129有效厚度1010设计厚度下封头的计算应力111.111校核<0.9=263.925，合格12设计温度下封头的最大许用工作压力2.8813<，合格根据JB/T4737-95得：公称直径为：=1000曲面高度为：=250直边高度为：=40图5标准椭圆形封头示意图6.8法兰容器的选择按其条件=1000，设计温度140℃，设计压力2.0。查看《压力容器法兰》选取长颈对焊法兰，有关参数如下：表8法兰容器的选择符号单位数值119511401098108810856815542211820321530螺栓规格M27螺栓数量个36最小厚度14根据《压力容器法兰》选择相应的垫片：根据JB/T4704—2000选取非金属软垫片，相应尺寸为：=1088，=1037，厚度=3。接管法兰的选择接管a、b选择相同型号的法兰，设水的流速=1，则：=220.3取=250，设计压力为2依据HG/T20592～20635-2009《钢制管法兰、垫片、紧固件》选用板式平焊法兰(PL)，公称压力为2.5，相关数据如下：表9a、b进、出水口接管法兰的选择序号项目符号单位数据来源及计算公式数值1接管公称直径HG/T20592-2009表8.2.1-52502接管外径HG/T20592-2009表8.2.1-52733法兰外径HG/T20592-2009表8.2.1-54254螺栓中心圆直径HG/T20592-2009表8.2.1-53705螺栓孔直径HG/T20592-2009表8.2.1-5306螺栓孔数量个HG/T20592-2009表8.2.1-5127螺纹HG/T20592-2009表8.2.1-58法兰厚度HG/T20592-2009表8.2.1-5359法兰内径HG/T20592-2009表8.2.1-5276.510坡口宽度HG/T20592-2009表8.2.1-51011法兰理论重量HG/T20592-2009表8.2.1-52012法兰密封面形式HG/T20592-2009表3.2.5-113法兰密封面尺寸HG/T20592-2009表3.2.5-1335（2）接管c、d选择相同型号的法兰，设进口流速为=1，则:=179取=200，设计压力为1.5根据HG/T20592～20635-2009《钢制管法兰、垫片、紧固件》选择板式平焊法兰(PL)，公称压力为1.6，相关数据如下：表10c、d进、出水口接管法兰的选择序号项目符号单位数据来源及计算公式数值1接管公称直径HG/T20592-2009表8.2.1-42002接管外径HG/T20592-2009表8.2.1-42193法兰外径HG/T20592-2009表8.2.1-43404螺栓中心圆直径HG/T20592-2009表8.2.1-42955螺栓孔直径HG/T20592-2009表8.2.1-4226螺栓孔数量个HG/T20592-2009表8.2.1-4127螺纹HG/T20592-2009表8.2.1-48法兰厚度HG/T20592-2009表8.2.1-4269法兰内径HG/T20592-2009表8.2.1-4221.510坡口宽度HG/T20592-2009表8.2.1-4811法兰理论重量HG/T20592-2009表8.2.1-49.512法兰密封面形式HG/T20592-2009表3.2.5-113法兰密封面尺寸HG/T20592-2009表3.2.5-12686.9管板的设计表11管板的设计序号项目符号单位数据来源及计算公式数值1沿隔板槽一侧的排管数个262换热管中心距GB151-1999《管壳式换热器》323隔板槽两侧相邻管中心距GB151-1999《管壳式换热器》444布管区内未能被管支撑的面积 12509.185管板布管区面积384958.466管板布管区当量直径700.287垫片接触外径JB/T4700-4707-200010878垫片基本密封宽度12.59有效密封宽度8.9510垫片压紧力作用中心圆直径1069.111半径534.5512布管区当量直径与直径之比0.65513系数GB151-1999《管壳式换热器》0.251714管板削弱系数GB151-1999《管壳式换热器》0.415材料GB150-2011《钢制压力容器》1616壳程设计压力已知1.517管程设计压力已知2.018管板设计压力|-|，||，||之间大者2.019管板设计厚度75.4320设计温度下管板材料的许用应力GB150-2011《钢制压力容器》17021管程腐蚀余量《过程装备设计》222壳程腐蚀余量《过程装备设计》223实取名义厚度GB151-1999《管壳式换热器》10024换热管金属的橫截面积176.725换热管轴向应力,1.≠0,≠0；2.=0,≠0；3.=0,≠0；-0.62-4.173.5626换热管最大轴向应力已知3.5627换热管与管板胀接长度或焊角高度GB151-1999《管壳式换热器》528换热管与管板拉脱力，GB151-1999《管壳式换热器》1.87729许用拉脱力GB151-1999《管壳式换热器》9030校核<，合格6.10管相短接壁厚的计算表12管相短接壁厚的计算序号项目符号单位数据来源及计算公式数值1设计压力2.22选材GB150-2011《钢制压力容器》163设计温度下材料的许用应力GB150-1998《钢制压力容器》1704计算厚度7.675设计厚度=+9.676名义厚度127实取名义厚度128有效厚度109设计厚度下封头的计算应力111.110校核<0.9=263.925，合格11设计温度下封头的最大许用工作压力2.866.11拉杆和定距管的确定拉杆有两种常用的形式，见图3.1,(1)拉杆定距管的结构，更适合换热管外径大于或等于19的管束，(2)拉杆与折流板之间的点焊结构，适合换热管外径小于或等于14的管束，(3)当管板较薄时，也可采用其他连接结构。本次设计采用拉杆定距管结构。图6拉杆形式图拉杆的长度按实际需要确定，拉杆的连接尺寸按图3.2图7拉杆尺寸图表13拉杆尺寸设计序号项目符号单位数据来源及计算公式数值1拉杆直径GB151-1999《管壳式换热器》表43162拉杆数量GB151-1999《管壳式换热器》表4483定距管规格GB151-1999《管壳式换热器》表44254拉杆在管板端螺纹长度GB151-1999《管壳式换热器》表45605拉杆在折流板端螺纹长度GB151-1999《管壳式换热器》表45206拉杆上倒角高GB151-1999《管壳式换热器》表452定距管尺寸大小通常与所在换热器的换热管规格相同。对于管程为不锈钢而且壳程是碳钢或低合金钢的换热器，可以选用与不锈钢换热管外径相同的碳钢管来作为定距管。定距管的长度应根据实际需要决定。在本次设计中选择Ф25mm的碳钢管做定距管。6.12折流板的选型和尺寸根据GB151-1999《管壳式换热器》图37选取单弓行水平安置的折流板，由于换热介质属于液液共存，折流板缺口应该要水平布置。缺口弦高h一般为圆筒内直径的45.0~20.0倍，可取：换热管无支撑跨距（或折流板间距）：当换热管的外径是φ25×2.5的钢管时，由GB151-1999表42可知，换热管最大无支撑跨距可达到=1850，并且通常下折流板最小间距不小于圆筒内直径的五分之一，并且要不小于50。按照传热计算可以得到=330。折流板厚度：由GB151-1999表34，=1000，=1850可查折流板最小的厚度为16,实取折流板的厚度为管孔直径由GB151-1999表36查得为25.8，允许偏差为0～0.4。折流板直径：折流板的名义外直径根据GB151-1999表41查得为=994，允许偏差为-0.8～0。折流板管口直径：表14折流板设计序号项目符号单位数据来源及计算公式数值1折流板的厚度GB151-1999《管壳式换热器》162折流板的直径GB151-1999《管壳式换热器》9943折流板的直径的允许偏差GB151-1999《管壳式换热器》9944折流板的材料Q235-B5折流板的缺口高度GB151-1999《管壳式换热器》206折流板的弦高GB151-1999《管壳式换热器》250根据GB151-1999表36,查得管孔直径为25.4允许偏差。6.13防冲板尺寸的确定根据GB151-1999,管程设置防冲板：防冲板最小厚度为：=3，故取=8防冲板的材料为OCr18Ni9。6.14开孔补强计算⑴a、b孔=250表15a、b孔开孔补强计算序号项目符号单位数据来源及计算公式数值1接管壁厚已知102接管外径已知2733接管内径2534开孔直径2555壳体开孔处的计算厚度2.016接管名义厚度107接管有效厚度98设计温度下接管材料的许用应力GB150-19981709设计温度下壳体材料的许用应力GB150-199812310强度削弱系数1.3811圆筒开孔所需补强面积526.312补强有效宽度51013接管外侧有效补强高度{,接管实际外伸高度}50.4914接管内侧有效补强高度{,接管实际内伸高度}015壳体有效厚度减去计算厚度之外的多余面积585.716接管有效厚度减去计算厚度之外的多余面积1050.717接管计算厚度1.4618焊缝金属截面积GB150-19983619补强面积1672.4因为=1672.4>A=526.3，所以a、b孔不需要补强。⑵c、d孔=200表16c、d孔开孔补强计算序号项目符号单位数据来源及计算公式数值1接管壁厚已知102接管外径已知219.13接管内径199.14开孔直径201.15壳体开孔处的计算厚度1.586接管名义厚度107接管有效厚度98设计温度下接管材料的许用应力GB150-19981709设计温度下壳体材料的许用应力GB150-199812310强度削弱系数1.3811圆筒开孔所需补强面积328.612补强有效宽度402.213接管外侧有效补强高度{,接管实际外伸高度}44.8414接管内侧有效补强高度{,接管实际内伸高度}015壳体有效厚度减去计算厚度之外的多余面积458.4516接管有效厚度减去计算厚度之外的多余面积980.217接管计算厚度1.0818焊缝金属截面积GB150-19983619补强面积1474.65因为=1474.65>A=328.6，所以c、d孔不需要补强。同理，其它各孔也不需要补强。6.15分程隔板厚度选取根据GB151-1999《管壳式换热器》的第78页，选择分程隔板的厚度为10mm。6.16支座的选择及应力校核查看《钢制管法兰、垫片、紧固件》JB/T4712-92鞍式支座，重型BI（表7）当=1000时，取鞍式支座的相关尺寸如下：表17鞍式支座的相关尺寸序号项目符号单位数值1公称直径10002允许载荷3073鞍座高度2004底板760170125腹板86筋板弧长11802708408螺栓间距6009带电板鞍座质量5710包角°12011型号重型6.16鞍座的选择及应力校核表18鞍座原始数据表序号项目符号单位数值1设计压力2.22设计温度℃1903物料密度7364筒体内径10005筒体长度67006公称厚度107厚度附加量28