F400固定管板式換熱器設計含9張CAD圖.zip

F400固定管板式換熱器設計含9張CAD圖.zip,F400,固定,板式,換熱器,設計,CAD F400固定管板式換熱器設計 摘 要 換熱設備在很多行業(yè)部門都會有應用，而且極為廣泛，比如煉油在煉油、石油化工等各領域，它可以適用于有關傳熱的各個方面。 F400固定管板式換熱器也就是換熱設備中的一種，其換熱效率、設備所屬體積大小以及對于金屬的消耗比不上現(xiàn)今出現(xiàn)的新型換熱器，但是它也有很多其他換熱設備所不具有的各種優(yōu)良品質(zhì)，就比如在結(jié)構(gòu)堅固、彈性大小、可靠性高、使用范圍等方面，因此固定管板式換熱器在各個行業(yè)得到廣泛應用。 想要保證固定管板式換熱器的強度和使用時間長短，就需要設計合理的結(jié)構(gòu)，所以就需要在材料、壓力、溫度、壁溫差、結(jié)垢情況、流體性質(zhì)和維修與清洗等等各個因素上考慮來選取一種合理的結(jié)構(gòu)。 因為使用的情況不同，就算是同一種形式的換熱器也要使用不一樣的的結(jié)構(gòu)。我們在工程設計的時候，要盡可能的選取定性系列的產(chǎn)品，或者是按照一定的要求來設計，這樣才能達到在工藝方面的條件（設計出在一定的情況下最優(yōu)良最節(jié)省材料最實用也容易生產(chǎn)的換熱器等）。 關鍵詞：固定管板式換熱器；使用范圍；結(jié)構(gòu)設計 ABSCHACT Heat exchanger is widely used in many industries, such as refining, petrochemical and so on. It can be used in all aspects of heat transfer. F400 fixed tube-plate heat exchanger is one of the heat exchangers. Its heat transfer efficiency, the size of the equipment, and the consumption of metals are not as good as those of the new type of heat exchangers. However, it also has many excellent qualities that other heat transfer equipments do not have, such as solid structure, elastic size, high reliability, application range and so on. Therefore, fixed-tube plate heat exchanger is widely used in various industries. In order to ensure the strength and the use time of the fixed tube plate heat exchanger , it is necessary to design a reasonable structure , so it is necessary to select a reasonable structure on various factors such as material , pressure , temperature , wall temperature difference , scaling , fluid property and maintenance and cleaning . Because of the different conditions, even the same type of heat exchanger has to use a different structure. When we design our projects, we should choose as many qualitative products as possible, or design them according to certain requirements. Only in this way can we meet the technological conditions (design the best, most economical, practical and easy to produce heat exchangers, etc.) under certain circumstances. Key words：fixed tube-plate heat exchanger; scope of use; structural design 目 錄 1 前言 1 1.1概述 1 1.1.1換熱器的類型 1 1.1.2換熱器 1 1.2設計的目的與意義 2 1.3管殼式換熱器發(fā)展的情況 2 1.4殼層強化傳熱 2 1.5管層強化傳熱 3 1.6增加管殼式換熱器傳熱能力的方式 3 2 換熱器結(jié)構(gòu)論述 5 2.1換熱器管形的設計 5 2.2 換熱器管徑的設計 5 2.3換熱管排列形式的設計 5 2.4 管、殼程分程設計 5 2.5折流板的結(jié)構(gòu)設計 6 2.6管、殼程進、出口的設計 6 2.7 選材方法 6 2.7.1 管殼式換熱器的選型 6 2.7.2 兩種流體流徑的選擇 9 2.7.3 流速的選擇 9 2.7.4材質(zhì)的選擇 10 2.7.5 管程結(jié)構(gòu) 10 3 管殼式換熱器的熱力計算 11 3.1確定一般參數(shù) 11 3.2傳熱量與水流熱量 11 3.3有效平均溫差 12 3.4結(jié)構(gòu)初步設計 12 3.5管程換熱系數(shù)計算 13 3.6殼程換熱系數(shù)計算 14 3.7總傳熱系數(shù)計算 15 3.8管壁溫度計算 16 3.9管程壓降計算 16 3.10殼程壓降計算 17 4 換熱器的結(jié)構(gòu)設計 19 4.1 換熱器殼體壁厚計算及校核 19 4.2 換熱器封頭的選擇及校核 20 4.3容器法蘭的選擇 20 4.4 管板 21 4.5 管子拉脫力的計算 22 4.6 計算是否安裝膨脹節(jié) 23 4.7折流板設計 25 5 強度壓力計算和校核 28 5.1殼體厚度校核 28 5.2 管子拉脫力校核 28 5.3開孔補強的計算 30 小 結(jié) 31 參考文獻 32 致 謝 33 1 前言 1.1概述 1.1.1換熱器的類型 固定管板式換熱器一直是使用在社會前沿的一種換熱器，也就是應用最廣泛的間壁式換熱器，其結(jié)構(gòu)是由管箱、殼體、管板、管子等一些零件所組成的。而傳熱面就是管束的管子面。它主要特點是結(jié)構(gòu)比較緊密，排管比較多，在一樣的直徑之下?lián)碛休^大的傳熱面，結(jié)構(gòu)簡單，容易制造，所以在高溫、高壓和大型裝備上使用固定管板式換熱器就比較多。為了讓流體傳熱更加快速有效，一般都會在殼體內(nèi)安裝一些折流擋板，這些折流擋板是與管束相互垂直的。折流擋板即可以防止流體產(chǎn)生短路、能讓流體流動速度更快，還能讓流體依照折流擋板所形成的方向錯流流過管束，可以大大提升流體的湍流。 兩種流體在列管式換熱器中溫度不相同，因此作為管束和殼體溫度也會不同，所以導致其熱膨脹的程度也就不同。若兩種流體的溫差過大（一般50℃以上），可能會使設備因為熱應力發(fā)生形變，情況嚴重可能彎曲和變形，因此需要提前想好熱膨脹所產(chǎn)生的作用。 1.1.2換熱器 換熱器作為傳熱設備到處能夠見到，尤其是工業(yè)中，特別是耗能用量比較大的領域，所以不止在工業(yè)領域，在其他需要能量的領域也會隨處可見，在應用上具有很大的需求量，所以相對在生產(chǎn)中也比較多。因為生產(chǎn)規(guī)模、材料的性質(zhì)、傳熱的條件等不同，所以換熱器也是種類繁多，各色各異。 依照使用的方法不同有加熱器、冷卻器、冷凝器、蒸發(fā)器和再沸器幾種類型。依照傳熱原理的不同可以分為三大類：直接接觸式、蓄能式、板、管式。 板、管式換熱器。這種換熱器使兩種流體分別在管子與殼體之中，不能相互接觸，能量只能從熱介質(zhì)通過金屬或非金屬傳輸入冷介質(zhì)。而這類換熱器的使用量也是特別大，占總使用量的99%甚至更多，這種換熱器也就是我們經(jīng)常所說的管殼式、板式、板翅式或者板殼式換熱器。因此這種換熱器只能在兩種介質(zhì)不可以直接接觸的情況下使用。 直接接觸式換熱器。這類換熱器是在兩種介質(zhì)觸碰之下相互傳遞能量的，傳熱量的影響因素之一就是傳熱面積，這種換熱器的兩種傳熱介質(zhì)一般為氣體和液體，其主體一般是塔設備，但是經(jīng)常會觸及到傳質(zhì)方面，因而不容易跟塔器進行區(qū)別，其歸口就是塔式設備，我們一般都能夠見到的電廠所用的涼水塔就是直接接觸式換熱器。 蓄能式換熱器可以簡單稱之為蓄能器。這類換熱器因為使用流程較為復雜，所以用量就比較少，這種換熱器的原理是通過一種熱容量大的固體物質(zhì)，首先使用熱介質(zhì)將能量傳輸給固體物質(zhì)使其達到一定的溫度后，冷介質(zhì)由被加熱的固體物質(zhì)繼續(xù)加熱，從而達到傳熱的目的。這類換熱器占地面積較大，并且不存在能夠?qū)煞N介質(zhì)完美隔開。 對于以上三種換熱器的使用最多的是板、管式換熱器。而板、管式換熱器依靠其結(jié)構(gòu)的分類又可以分為管殼式換熱器和緊湊式換熱器。 管殼式換熱器又可以分成幾種不同類型的換熱器，固定管換熱器就是管殼式換熱器之一。固定管板式換熱器因為其使用量特別大，所以一般作為傳統(tǒng)的標準換熱設備。因為固定管板式換熱器有很多其他換熱器所不具有的優(yōu)良品質(zhì)、材料使用比較便宜以及清洗相對容易，所以使得固定管板式換熱器才能夠在長期的傳熱設備競速發(fā)展中得以留存下來。 固定管板式換熱器作為使用最普遍的換熱器是將管束用特定的辦法固定的管板上，而管板則是裝置在殼體內(nèi)部。 1.2設計的目的與意義 為了使不同溫度的介質(zhì)之間達成能量的交換，從而讓能量能夠充分利用，而不是時期浪費，我們就需要設計出能夠完成這一目的的換熱器，它的名一個名字被叫做熱交換器。化工生產(chǎn)經(jīng)常需要這種產(chǎn)品，因此換熱器是化工生產(chǎn)中必不能少的設備。 換熱器中至少需要兩種流體，一種流體能量較高，另一種流體能量較低，能量較高的流體通過換熱器將能量傳遞給能量較低的流體。在工程中不止只有兩種流體傳熱的換熱器，也有多種流體進行傳熱的換熱設備，不過其原理都差不多相同。 管殼式換熱器在很多方面不如跟新型的換熱器，但是其擁有結(jié)構(gòu)勞固、彈性大、可靠程度高、使用范圍廣等優(yōu)良品質(zhì)，所以其能夠普遍適用于各種行業(yè)。 1.3管殼式換熱器發(fā)展的情況 現(xiàn)代社會的新工藝、新技術、新材料都在不停的發(fā)生各種更新，這種更新影響著社會對于管殼式換熱器的需求。換熱器的不同的性能也會產(chǎn)生不同的影響，可想而知制造精良的換熱器在產(chǎn)品質(zhì)量、能量利用率以及系統(tǒng)的經(jīng)濟性還有可靠性等方面比較優(yōu)良，所以生產(chǎn)出精良的換熱器是很有必要的?，F(xiàn)在已經(jīng)有很多發(fā)達國家對于熱回收率已經(jīng)到達96% ，換熱設備在石油煉廠的消耗量跟其他設備相比也在大大增加。管殼式換熱器在所有換熱器中的使用量大概70%。其他的是各種高效緊湊式新型換熱器和蓄熱器等，然而各種高效傳熱元件的進步也是特別的快。隨著所有工業(yè)方面的裝備更加的先進，換熱器也逐漸變得大型化。現(xiàn)在換熱器已經(jīng)在高速發(fā)展和更新，為了滿足換熱器在社會中的需求，現(xiàn)在換熱器達到了高大上的系別。 這種換熱器理論研發(fā)和設計技能完善，使用可靠性優(yōu)良的一種換熱器。如今很多國家為了對于換熱器的傳熱性能需要得到更大的加強，現(xiàn)在已經(jīng)開始重點研發(fā)。加強導熱有3 種基本路徑增高導熱系數(shù)、加大導熱面積和增大導熱溫差，研發(fā)都聚集在增強傳熱面之上。 1.4殼層強化傳熱 一些平常的固定管板式換熱器的流體在殼體側(cè)面產(chǎn)生折返以及在進口和出口連段的區(qū)域，讓殼側(cè)的給熱系數(shù)發(fā)生了變化。對于殼測所進行的加強傳熱研究，也有管型與管間支撐物的研究。 1.5管層強化傳熱 所有人想盡各種能夠強化傳熱的辦法，其實所有的辦法也就是兩種，而這兩種辦法之一就是如果能夠改變傳熱面粗糙度則可以強化傳熱，另一種辦法就是在傳熱面和流體介質(zhì)要走過的線路上插入板狀物，致使流體跟管子交錯的機會更大。要使傳熱面更加粗糙，而作為傳熱面的管子面就需要改變，其方法比如在管子面上開螺紋，或者即開螺紋又開槽以及改變管子的形狀。我們國家也有管子面開了螺紋的螺紋管，對于螺紋管其規(guī)定為翅化率1.3～2.9(<3)，其他的國家都有螺紋管，只是因為發(fā)達國家將都交給商業(yè)上管理，所以有商品化低翅管的說法。就舉幾個比較典型的例子，德國作為發(fā)達國家在螺紋管上的研究比較先進，其管內(nèi)傳熱效率比光管更加明顯，它在不同的雷洛系數(shù)之下所能夠提升的傳熱效率有著明顯的差別。中國沈陽市一個公司也制造了不同的螺紋管換熱器，這個公司開發(fā)的超薄壁(δ= 015mm) 不銹鋼波紋管換熱器在國內(nèi)也是又在社會前沿，作為比較先進的螺紋管出現(xiàn)在人們面前，該換熱器雖然叫做超薄壁不銹鋼螺紋管換熱器，其字面意思可想而知應該能夠承受的壓力比較小，但是恰恰相反，這個超薄壁螺紋管換熱器在壓力上可達8MPa以及以上。該換熱器有著其他換熱器所沒有的最大的優(yōu)點是在冷流體和熱流體的不同溫度作用可以使換熱管產(chǎn)生伸縮性，而這種伸縮性最大的好處是解決了管式換熱器殼程比較難清洗的問題，在一伸一縮的作用下致使其流體沉淀自發(fā)的掉落，所以該類型的換熱器防垢比較強，而且即使一些流體結(jié)垢也可以自發(fā)除垢。其傳熱能力上也是比較先進甚至超過德國的螺紋管傳熱系數(shù)。 1.6增加管殼式換熱器傳熱能力的方式 跟管殼式換熱器傳熱方面的能力強弱有關的因素有三個，以下三個點就對于管殼式換熱器傳熱方面能力的決定因素做出了重點說明。 （1）改變冷、熱流體的平均對數(shù)溫差 影響冷、熱流體平均對數(shù)溫差的因素一般有三點，跟流體所流過路徑有關的流體進出口溫度、流體流經(jīng)的路線和換熱的流程。若換熱器中流體的溫度可以因為流經(jīng)換熱面產(chǎn)生能量的變化，則此時如果兩種流體在逆流的情況之下平均溫差最大，如果順流的情況之下那么平均溫差就是最小，而這個只是我們對兩種情況之下的假象分析，所以在現(xiàn)實情況下我們設計換熱器，兩種流體就不會出現(xiàn)上述的狀態(tài)，一般應用錯流的方式，此時的平均對數(shù)溫差就會在上述兩種情況之間，就是在逆流和順流之間。通過分析雖然不能在設計的時候讓平均對數(shù)溫差出現(xiàn)絕對逆流情況，但是我們可以盡可能的讓其出現(xiàn)更多的逆流，才能使兩種流體的平均溫差更大致使換熱器的傳熱能力變得更加強大。 （2）選擇合適的管程和殼程介質(zhì) 我們一般在設計固定管板式換熱器的時候都會考慮到在殼程內(nèi)加入折流擋板，畢竟折流擋板可以使殼程內(nèi)流體更為充分的傳熱，所以在有折流擋板的情況之下則需要考慮雷諾系數(shù)Re>100時，殼程內(nèi)流體為湍流，此時的各種狀態(tài)的流體對流程的選擇就需要慎重考慮呢，所以若流體的狀態(tài)是黏度小或者流量小，則會考慮作為殼程流體；因為殼程比較難于清洗，如果讓黏度小或者小流量的介質(zhì)走殼程一般在結(jié)垢和沉淀方面會比較少，所以會使換熱器的使用時間更久壽命更長；在經(jīng)濟性上，為了使產(chǎn)品更高效的發(fā)揮作用，就需要合情合理的選擇介質(zhì)的流程，有時候用到的介質(zhì)是一種具有比較極端的特性(高溫、高壓和腐蝕性強)的介質(zhì)，此時這種介質(zhì)就需要走管程。在這里就強調(diào)上述比較特殊的介質(zhì)所適合的流程，所以在設計換熱器的時候就需要慎重考慮介質(zhì)適合的路徑。 （3）應用加強管殼式換熱器傳熱的結(jié)構(gòu)方式 在換熱器設計中，這種方法一般應用特別平常，因為每一臺換熱器都可以達到粗糙壁面，加強管殼式換熱器的不僅有粗糙壁面，運用高效能傳熱和靜電場強化傳熱以及攪拌都可以。 2 換熱器結(jié)構(gòu)論述 2.1換熱器管形的設計 管子面作為傳熱所需壁面，設計良好的管子外部形狀能夠加強傳熱效率，管子外部形狀有兩種，一種是管子外表面不做任何改變而只是改變管子形狀的光管，另一種是在光管上面加上螺紋的螺紋管。在條件不變的情況下，傳熱面的大小上進行比較，螺紋管能夠提升二倍不止。而且，流體在流過管束的時候因為流動狀態(tài)不同，那么流體傳熱效果也會不同，然而螺紋管的外螺紋可以改變流體的邊界層，從而使流體的流動狀態(tài)發(fā)生改變。如果條件不允許的情況下必須要使用不清潔易結(jié)垢的流體，那么螺紋管上的螺紋就能起到很大的作用，因為螺紋管的外表螺紋沿著軸向的漲縮可以使流體流過所形成的沉淀脫落，達到自動清潔的目的，并且能夠流體結(jié)垢，導致殼程熱阻降低，從而使傳熱效率更高。 2.2 換熱器管徑的設計 在條件允許的情況下，減小換熱管的直徑是很有必要的，因為單位體積的流體流過管徑相對小的換熱管時其傳熱效率更高，而且在結(jié)構(gòu)方面會使其構(gòu)造緊湊，材料的消耗相對較少，最為重要的一點就是增加換熱器的傳熱系數(shù)，設計換熱器的結(jié)構(gòu)時在管程介質(zhì)符合清潔的條件的情況下，可以相對減小換熱管直徑，從而達到高效換熱的目的。實驗數(shù)據(jù)表明所有條件相同的情況下，對于兩種直徑相差6mm的管子Φ19mm 和Φ25mm 進行比較，其傳熱面積發(fā)生了極大的變化，前一種比后一種大30%～40%，能夠節(jié)省的材料在20%以上。 2.3換熱管排列形式的設計 管子的排列形式有三種情況，這三種排列不同所產(chǎn)生的差別也會發(fā)生很大的變化，其排列分別為等邊三角形、正方形和同心圓等，所選殼程中流體的結(jié)垢情況以及污垢清洗情況不同則需要選擇不同的管子排列，因為當流體不易結(jié)垢或結(jié)垢之后清洗污垢的方法是化學法的時候，運用三角形排列可使換熱器外徑減小15%；管束的清潔方式可以分為幾種，而清潔方式的不同也會影響設計中對于管子排列的選擇，當其清潔方式為機械清潔時就要選擇正方形排列；同心圓排列形式可以在設計換熱器要求小于300mm的情況下使用，其目的是為了讓管束排列更為緊密。 2.4 管、殼程分程設計 對于一般的管程，我們通常的說法有1～8程的說法，不過一般人們常用的有三種1、2或4管程。如果增加了管程數(shù)，那么就會有好的方面，當然也有不好的方面，好的方面就是管子內(nèi)流體的流動速度加快，而相應的傳熱膜系數(shù)也會增加，但是一般管子內(nèi)流體的流速一般情況下會被管程壓力降等限制，在這里介紹幾種工業(yè)上在一般情況下用到的流速：在一般水和與其相似的液體在管程內(nèi)取1～1.5m/s，對于大型冷卻器的冷卻水流速可以增加到3m/s,氣體和蒸汽的流速一般選取不同的氣體或蒸汽就需要選不同的流速，其選擇范圍是8～30m/s。對于管程數(shù)本次設計要求是雙管程。 對于殼程數(shù)的增加則使用縱向隔板，這樣就可以使流體在殼體內(nèi)流速加快，從而達到增加換熱器傳熱的目的。單殼程的換熱器可以在其中隨意加入各種形式的折流板，折流板的作用就是增加流速，加強傳熱。殼程分程要比兩個換熱器串聯(lián)的情況便宜，一般在必要的情況下選擇在殼程中加入縱向隔板來分殼程。對于本次設計則要求使用雙殼程。 2.5折流板的結(jié)構(gòu)設計 在殼體內(nèi)加入折流板擁有較多的好處，流體流過的時候有在折流板的作用下可以改變流體流動方向，導致流體在殼體內(nèi)任意錯流，并能增加流體的湍流，更好的進行傳熱。 折流板的形式有很多種，一般情況下都會選用圓缺形折流板，但是有時候也會因為各種因素的影響而選擇使用其他形式折流板，比如弓形折流板、盤環(huán)形折流板、折流桿或者弓形缺口處沒有管子的結(jié)構(gòu)，而這種折流板的選擇在考慮壓降、管子的振動或管子支撐和為了加強傳熱效率的情況下。 有的時候可能使用折流板沒有明顯的作用，這樣的情況下我們就選擇不使用折流板，一般是在殼程蒸發(fā)，冷凝操作或管程傳熱膜系數(shù)很低的情況下，這些時候加入折流板只會起到管子支撐作用，所以可以選擇不使用折流板。一般情況下我們選擇使用折流板是等間距的，有時候選擇折流板不等間距可以使傳熱更加有效，比如不凝性氣體的冷凝操作。 2.6管、殼程進、出口的設計 我們一般在設計管程進、出口的時候要考慮到流體流過之后對于進出口的沖擊的影響，也就是我們通常所說的壓降的影響，之后就需要計算進、出口的管經(jīng)： ρω2<3 300(ρ 流體密度，kg/m3；ω 流體進、出口流動流速，m/s) 一般情況下都是將管程進、出口放在殼測的頂部或底部，這樣可以起到還很大的作用，即讓流體在流過的時候分布更加均勻，讓傳熱更為有效。 殼程流體在經(jīng)過進、出口，如果因為流速過快或者因為流體中混雜有較多的顆粒狀固體物時就會產(chǎn)生對進出口的沖擊，這是一種不好的現(xiàn)象，而為了預防這一現(xiàn)象出現(xiàn)沖擊殼程進出口，一般我們需要在進出口設置防沖板，防沖板的作用就是要在進出口減緩流體流動速度，對進出口進行保護，這樣可以使換熱器使用時間更久；不止需要在物質(zhì)上預防流體沖擊，在必要的情況下我們也要適當控制流體流動速度： ρω2<2200 2.7 選材方法 2.7.1 管殼式換熱器的選型 管殼式換熱器只是一個大致的方向，它是包括了幾種換熱器形式的一種統(tǒng)稱，所以它是把管子跟管板連接，然后使用殼體進行固定的一類換熱器，我們本次的換熱器設計為固定管板式換熱器，因此對相關換熱器進行一個介紹。 （1）固定管板式換熱器： 如圖2-1中所示，固定管板式換熱器的一側(cè)管板與殼體的連接方式為焊接，殼程的進出口管也是使用焊接得方法焊接在殼體上，的其結(jié)構(gòu)基本上有四個部分組成，分別是管箱、殼體、管板、管子等零件。固定管板式換熱器能夠在社會生活中得到普遍的使用，是有一定道理的，因為其結(jié)構(gòu)相對簡易，制造成本比較低，在設計過程中可以得到跟其他換熱器相比較殼體直徑最小，而且在分程上可以分成多管程以及雙殼程的換熱器，因此可以供我們選擇的項目較多。當然作為一個換熱設備有其優(yōu)點也就會有缺點，這種換熱器最大的缺點也就是管殼式換熱器所共有得缺點，那就是殼程在清洗方面不太容易，一般在選擇殼體介質(zhì)的時候多選用不易結(jié)垢和可以使用化學方法清洗的介質(zhì)，能夠使換熱器使用時間更久或者結(jié)垢方便清洗，而且該類換熱器在檢查的時候也比較困難，所以有些對換熱器危害比較大的臟亂介質(zhì)和腐蝕性強的介質(zhì)不宜選用。 圖1 固定管板式換熱器 （2）浮頭式換熱器： 浮頭式換熱器跟其他換熱器相比較有一個最大的特點是只有一邊的管板與殼體固定另一邊的管板在殼體內(nèi)自由浮動，所以浮頭式換熱器的名稱也是由此而來，自由浮動的一邊就被成為浮頭，如圖2-2。浮頭式換熱器的這種特點使它對殼體和管束的熱膨脹系數(shù)不產(chǎn)生影響，所以兩種流體任意的溫差都不會對換熱器產(chǎn)生溫差應力。在設計方面浮頭式換熱器可以設計為可拆卸式的也可以設計為不可拆卸式的，因此如果設計為可拆卸式的那么換熱器的管束可以任意的抽出或者插入，這就可以在換熱器的檢修和清洗方面提供便捷。這種換熱器因為浮頭的存在，導致其安裝的時候在封密性上要謹慎對待，稍有不注意就使浮頭端的小蓋在操作的時候產(chǎn)生流體的泄露。 圖2 浮頭式換熱器 （3）U型管式換熱器 該換熱器的結(jié)構(gòu)類型是將其彎曲成一個U形，所以被叫做U形管式換熱器，換熱器的兩側(cè)殼體固定在同一個管板上。 圖3 U型管式換熱器 其特點是：因為殼體和換熱管是分開形式，所以不需要考慮其熱膨脹，其跟浮頭式換熱器不同，沒有浮頭且只有一塊管板，因此使該換熱器成本較低，結(jié)構(gòu)也是簡單容易制造。這種換熱器的管束可以抽出，所以使管子外壁容易清洗而殼體清晰困難，那么設計的時候就不能選擇清潔的介質(zhì)或不易結(jié)垢的介質(zhì)。該類換熱器在管子的更換方面只能更換管束外部的管子，內(nèi)部的管子不能更換，所以就要重點保護管束內(nèi)部的管子使其不要受到創(chuàng)傷，還有的缺點是因為管束內(nèi)部存在空隙，當流體流過管束的時候會在其內(nèi)部形成短路，大大降低其傳熱效率。管板上排列的換熱管不能使其結(jié)構(gòu)緊湊。其彎管的部分曲率不同，管子長度不均勻，導致物料分布不如固定管板式換熱器。最大的一點是其因為滲漏很容易使換熱管產(chǎn)生堵死，將會大大降低傳熱面積。 （4）外填料函式換熱器 此類換熱器可以在一些特殊情況下使用，有一些其他換熱器不能使用的較嚴重腐蝕性的介質(zhì)，但是這中換熱器殼程不能承受稍高的壓力，更加適用于因為溫差較大而常換管束的冷卻器。在結(jié)構(gòu)上它跟固定管板式換熱器和浮頭式換熱器有相近的地方，但是也要優(yōu)越很多，它可以吸取浮頭式換熱器的優(yōu)點，而且雖然跟固定管板式換熱器相近，但沒有其缺點，跟浮頭式換熱器相比結(jié)構(gòu)簡單，容易制造，可以更容易的檢修于清洗。 這類換熱器也有其欠缺的地方，有些介質(zhì)可能有著易發(fā)揮、易爆、貴重、有毒和易燃的特點，而這些介質(zhì)都不能在外填料函式換熱器中使用。 現(xiàn)今的外填料函式換熱器不能使其直徑過大，在操作壓力和溫度上也需要一定的限制，壓力的最高極限為20MPa。 2.7.2 兩種流體流徑的選擇 我們一般在設計的時候都要考慮到兩種流體傳熱系數(shù)不匹配的情況，則需要盡量提高傳熱系數(shù)小的，讓兩種流體擁有差不多大小的傳熱系數(shù)；在各種不同的設備之中想盡辦法減小能量的流失，即傳熱的設備減少熱量流失，降溫的設備減少冷量流失；管殼式換熱器最大的缺點就是殼體內(nèi)部清洗和檢修比較困難，所以盡量選擇不易結(jié)垢和腐蝕性強的流體流徑為管程，對于流體流徑的選擇應按照以下標準： （1）比較臟亂以及容易沉淀的介質(zhì)就要選擇容易輕易的路徑。 （2）如果是腐蝕性的流體則盡量選擇以管程為路徑，防止其腐蝕殼體以及管束，而且固定管板式換熱器的管子比較容易清洗與檢修。 （3）對于有些壓強高的流體就要選擇走管程，壁面殼體被壓，但是也有在特殊情況下，冷卻介質(zhì)循環(huán)水操作壓力高，適合走管束。 （4）飽和蒸氣選擇管間路徑，這樣能夠及時讓冷凝液排出，并且蒸汽比較干凈，冷凝傳熱系數(shù)和流速沒什么聯(lián)系。 （5） 一種流體被冷卻，那么吸收熱量的流體走管程可以讓被冷卻的流體容易散熱，增加傳熱效果。 （6）如果為了增加流體的對流傳熱系數(shù)，那么選擇該流體走管程，因為管程流通面積小于殼程，并且管程有可以增加多管程的優(yōu)勢。 （7）粘度大和流量小的流體選擇走殼程，因為在殼體內(nèi)有折流擋板在一定的雷諾系數(shù)條件下可以增加流體湍流，能提升對流傳熱系數(shù)。 （8）如果兩種介質(zhì)溫度差別較大，那么選擇溫度系數(shù)大的流體流徑為殼程，主要是為了減小殼壁與管壁的溫差，而一般管壁的溫度與溫度系數(shù)大的介質(zhì)想接近。 通過以上的總結(jié)，明確了我這次的兩種流體的水走殼程而煙道氣走管程。 2.7.3 流速的選擇 表1 換熱器常用流速的范圍 介質(zhì)流速 循環(huán)水 新鮮水 一般液體 易結(jié)垢液體 低粘度油 高粘度油 氣體 管程流速，m/s 1.0～2.0 0.8～1.5 0.5～3 >1.0 0.8～1.8 0.5～1.5 5～30 殼程流速，m/s 0.5～1.5 0.5～1.5 0.2～1.5 >0.5 0.4～1.0 0.3～0.8 2～15 流體在換熱器中的流速不同可能產(chǎn)生的影響轉(zhuǎn)變較大，流體的高流速會使對流傳熱系數(shù)變大，使流體的結(jié)垢不容易管束外表面沉積，也就是減小了污垢熱阻，但是可能會減小流體傳熱的面積，流蘇增大可能使流體不易通過，增加阻力，那么相應的碎語動力的損耗增加。所以我的設計中選擇煙道氣的流速為2m/s。 2.7.4材質(zhì)的選擇 影響固定管板式換熱器材料選擇的因素本來比較多，但是最典型的我們就選取壓強、溫度及流體的腐蝕性等。一般在高溫的時候的選材可能會影響到其他的各種選材條件，所以在這種情況下就需要進行慎重的考慮以及查閱資料進行選材。同時具有符合所有選材條件的材料是很少見的。對于材料的選擇只能從我們目前常用的金屬材料有（碳鋼、不銹鋼、低合金鋼、銅和鋁等）和非金屬材料（石墨、聚四氟乙烯和玻璃等）之中來考慮。最后我們考慮各種因素最符合本次設計的材料是Q235材料。 2.7.5 管程結(jié)構(gòu) 下圖2-4所示為管程結(jié)構(gòu)的幾種方式，對于管程結(jié)構(gòu)一般的選擇是三角形的結(jié)構(gòu)方式，但是也會根據(jù)各種換熱器的情況不同進行不同的選擇。 這幾種排列方式各有其優(yōu)點，（c）結(jié)構(gòu)緊湊；（a）排列方式機械清洗。多管程換熱器可以根據(jù)自己所設計的換熱器形式不同進行適當?shù)慕M合，一般人為了使管束內(nèi)部表現(xiàn)的比較緊湊則選擇（c），然后因為管束外部需要安裝隔板，所以一般就選擇（a），這樣就是使用（a）（c）的組合來完成管程的排列。 (a) 正方形直列????（b）正方形錯列 ?? (c) 三角形直列? （d）三角形錯列? （e）同心圓排列 圖4 換熱管管板上的排列方式 35 3 管殼式換熱器的熱力計算 3.1確定一般參數(shù) 因為對于定性溫度可以選擇進出口的平均溫度。 那么我們選擇殼程流體的定性溫度為水：t=85℃ 選擇管程流體的定性溫度煙道氣：T=380℃。 水在85℃的有關物性數(shù)據(jù)如下： 密度 ρ1=995.7kg/m3 定壓比熱容 Cp1=4.174kJ/(kg·℃) 熱導率 λ1=0.618W/(m·℃) 粘度 μ1=8.05×10-7Pa·s 煙道氣在380℃的有關物性數(shù)據(jù)如下： 密度 ρi=1.338kg/m3 定壓比熱容 Cpi=2.87kJ/(kg·K) 熱導率 λi=0.265W/(m·K) 粘度 μi=697.76×10-6Pa·s 流量 qmi=63131.31kg/h 3.2傳熱量與水流熱量 取定換熱器熱效率為η=0.98 冷凝段傳熱量： Q1= G1·γ·η/3600 （1） =1.3×1.986×103×1052.04×0.98/3600 =739.4KW 冷卻段傳熱量： Q1C= G1·Cp1C·(t3- t1”)·η/3600 （2） =1.3×1.986×103×2.87×(70-45)×0.98/3600 =50.4KW 總傳熱量Q0= Q1+ Q1C=739.4+50.4=789.8KW 冷卻水的流量： G2==18922Kg/h （3） 設定冷凝段和冷卻段分界處水的溫度為t3 G2==18922Kg/h （4） 解得 t3=34.3℃ 3.3有效平均溫差 冷凝段溫差： ===39.8℃ （5） 對于冷凝，冷凝溫度基本一定，故溫差校正系數(shù)為1，所以有效平均溫差=39.8℃ 冷卻段溫差： ===27.1℃ 查得溫差校正系數(shù)=0.82 所以有效平均溫差=0.82×27.1=22.2℃ 3.4結(jié)構(gòu)初步設計 參考表2-7，初選冷凝段的傳熱系數(shù)=850W/m 初選冷卻段的傳熱系數(shù)=250W/m 初選傳熱面積： 冷凝段的傳熱面積：= =21.86m2 （6） 冷卻段的傳熱面積： ==7.4m2 選用無縫鋼管作換熱管 管子外徑 d0=25mm 管子內(nèi)徑 di=20mm 管子長度取l=3m 管子總數(shù)： ==124.2 （7） 取134根 管間距 S=1.25d0=1.25×0.025=0.032m 管束中心排管數(shù)：NC=1.1=1.1=12.7 取13根 殼體內(nèi)徑：取Di=0.6m 長徑比：l/Di=3/0.6=5 合理 弓形折流板弓高：h=0.25Di=0.25×0.6=0.15m 折流板間距：B=Di/3=0.6/3=0.200m 折流板數(shù)量：nb=l/B-1=3/0.200-1=14塊 取13塊。 3.5管程換熱系數(shù)計算 管程流通截面積： （8） 管程流速：w2===0.25m/s （9） 管程雷諾數(shù)：Re2===7135 （10） 管程質(zhì)量流量：248.9Kg/s （11） 管程傳熱系數(shù): 冷凝段的定性溫度：=(+t3)/2=(34.3+25)/2=29.65℃ 冷卻段的定性溫度： =(+t3)/2=(34.3+35)/2=34.65℃ 冷凝段傳熱系數(shù)： = = =2907.9 冷卻段傳熱系數(shù)： = = =3048.7 3.6殼程換熱系數(shù)計算 殼程流通面積： f1=B?DI?(1-d0/S)=0.200×0.6×(1-0.025/0.032)=0.0263m （12） 殼體當量直徑： =0.0533m （13） 殼程流速 冷凝段：=11.80m/s （14） 冷卻段：=0.035m/s 凝段管外壁溫度假定值： =58℃ 膜溫：tm==64℃ 膜溫下的物性參數(shù)查表得： λm=0.1607W/m℃ =765.41kg/m3 =0.3166× 冷凝負荷：Γ=G/==0.0497kg/（m.s） （15） 冷凝段雷諾數(shù)：=627.9 （16） 冷卻段雷諾數(shù)：=4330 冷卻段管外壁溫假定值： =42℃ 壁溫下煙道氣粘度：=0.3519Pa?s 粘度修正系數(shù)：===0.993 （17） 切去弓形面積所占比例按h/Di=0.2 查得為0.145 殼程傳熱因子查圖圖2-12得=75 冷凝段殼程換熱系數(shù)： 冷凝負荷：=26.60Kg/() （18） =0.945 （19） =0.945 =31394 冷卻段殼程換熱系數(shù)： ===400.7 （20） 3.7總傳熱系數(shù)計算 煙道氣側(cè)污垢熱阻：r1=0.0001762/W 水側(cè)污垢熱阻： r2=0.000344/W 總傳熱系數(shù) 冷凝段： （21） = =936 冷卻段： = = =284.8 傳熱系數(shù)比值： =936/850=1.10 合理 =284.8/250=1.14 合理 3.8管壁溫度計算 假設冷凝段傳熱長度 假設冷卻段傳熱長度 冷凝段管外壁熱流密度： == =22318W/ （22） 管外壁溫度： =tm- (=64.4-22318×（+0.0001762） （23） =59.7℃ 誤差校核：-=58-59.7=-1.7℃ 誤差不大 冷卻段管外壁熱流密度： ===2937.1W/m2.℃ （24） 管外壁溫度： =- (+r1)=51.2-2937.1×（0.0001762） （25） =43.4℃ 誤差校核：-=42-43.4=-1.4℃ 誤差不大 3.9管程壓降計算 管內(nèi)壁溫度： tw2=t2+=37+2937.1×（+0.000344） （26） =39.5℃ 壁溫下水的粘度：=659× Pa?S 粘度修正系數(shù)： ===1.008 （27） 查得管程摩擦系數(shù)：ξ2=0.042 管內(nèi)沿程壓降： =()()() （28） ==1722.75 Pa 回彎壓降： == =1102.60Pa （29） 取進口管處質(zhì)量流速： =1600kg/m2?s 進出口管處壓降：=×1.5=×1.5=1933.05 Pa （30） 管程結(jié)垢校正系數(shù)：=1.4 管程壓降：=( （31） =(1722.75+1102.60)×1.4+1933.05 =5888.54 Pa 3.10殼程壓降計算 殼程當量直徑： =0.0471m （32） 雷諾數(shù)：===3826.7 查得殼程摩擦系數(shù)：=0.8 管束壓降： （33） ==68.46 Pa 取進出口質(zhì)量流速：=1000kg/ 進出口管壓降：=×1.5=1.5=964.17 Pa 取導流板阻力系數(shù)：=5 導流板壓降：×5=3213.90 Pa 殼程結(jié)垢修正系數(shù)：=1.38 殼程壓降： =68.46×1.38+3213.90+964.17 =4272.5 Pa 殼程允許壓降：[=20000Pa 管程允許壓降：[=50000Pa 即壓降符合要求。 4 換熱器的結(jié)構(gòu)設計 4.1 換熱器殼體壁厚計算及校核 材料選用20R 計算壁厚為：， （34） 式中:為計算壓力，取=1.0Mpa；600mm；=0.9；[]t =92Mpa（設殼壁溫度為 350°C） 將數(shù)值代入上述厚度計算公式，可以得知： 已知； 已知 5.65+1.2+0.25=7.1mm 查表4-13圓整后取 復驗，最后取 該殼體采用20鋼8mm厚的鋼板制造。 （1）液壓試驗應力校核 （35） （36） （37） 查《化工設備機械基礎》附表9-1 ， 可見，故水壓試驗強度足夠。 （2）強度校核 設計溫度下的計算應力 （38） ﹥ 最大允許工作壓力 （39） 故強度足夠。 4.2 換熱器封頭的選擇及校核 上下封頭均選用標準橢圓形封頭，根據(jù)JB/T4746-2000標準，封頭為DN600×6，查《化工設備機械基礎》表4-15得曲面高度，直邊高度材料選用20R鋼。 標準橢圓形封頭計算厚度： （40） （41） 所以，封頭的尺寸如下圖： 圖5 換熱器封頭尺寸 4.3容器法蘭的選擇 材料選用16MnR 根據(jù)JB/T4703-2000 選用DN600，PN1.6Mpa的榫槽密封面長頸對焊法蘭。 查《化工設備機械基礎》附表14得 法蘭尺寸如下表： 表1 法蘭尺寸 公稱直徑DN/mm 法蘭尺寸/mm 螺柱 d 規(guī)格 數(shù)量 600 740 690 590 643 600 44 23 M22 28 圖6 容器法蘭 4.4 管板 管板除了與管子和殼體等連接外，還是換熱器中的一個重要的受壓器件。 查（《化工單元設備設計》P25-27）得固定管板式換熱器的管板的主要尺寸： 表2 固定管板式換熱器的管板的主要尺寸 公稱直徑/mm b c d 螺栓孔數(shù) 600 730 690 598 643 36 10 23 28 對于脹接的管板，考慮脹接剛度的要求，其最小厚度可按表4-2選用?？紤]到腐蝕裕量，以及有足夠的厚度能防止接頭的松脫、泄露和引起振動等原因，建議最小厚度應大于20mm。 表3 管板的最小厚度 換熱器管子外徑/mm ≤25 32 38 57 管板厚度/mm 3/4 22 25 32 綜上，管板的尺寸如下圖： 圖7 管板 4.5 管子拉脫力的計算 計算數(shù)據(jù)按表4選取 表4 項目 管子 殼體 操作壓力/Mpa 0.82 0.78 材質(zhì) 20鋼 20R 線膨脹系數(shù) 彈性模量 許用應力/Mpa 101 92 尺寸 管子根數(shù) 211 管間距/mm 32 管殼壁溫差/℃ 管子與管板連接方式 開槽脹接 脹接長度/mm 50 許用拉脫力/Mpa 4.0 （1）在操作壓力下，每平方米脹接周邊所產(chǎn)生的力 （42） 其中 （43） ， （2）溫差應力引起的每平方米脹接周邊所產(chǎn)生的拉脫力 （44） 其中 （45） （46） （47） 由此可知，作用方向相同，都使管子受壓，則管子的拉脫力： q=+=0.08+1.46=1.54﹤4.0 （48） 因此拉脫力在許用范圍內(nèi)。 4.6 計算是否安裝膨脹節(jié) 管殼壁溫差所產(chǎn)生的軸向力為： （49） 壓力作用于殼體上的軸向力： 其中 （50） = 壓力作用于管子上的軸向力為： （51） 則 （52） 根據(jù)GB151-1999《管殼式換熱器》 （53） ，條件成立，故本換熱器不必設置膨脹節(jié)。 4.7折流板設計 圖8 弓形折流板和圓盤-圓環(huán)形折流板 常用的有弓形折流板和圓盤-圓環(huán)形折流板，弓形折流板又分為單弓形[圖4-4（a）]、雙弓形[圖4-4（b）]、三重弓形[圖4-4（c）]等幾種形式。 單弓形折流板用得最多，弓形缺口的高度h為殼體公稱直徑Dg的15%～45%，最好是20%，見圖4-5（a）；在臥式冷凝器中，折流板底部開一90°的缺口，見圖4-5（b）。高度為15～20mm，供停工排除殘液用；在某些冷凝器中需要保留一部分過冷凝液使凝液泵具有正的吸入壓頭，這時可采用帶堰的折流板，見圖4-5（c）。 圖9 單弓形折流板 在大直徑的換熱器中，如折流板的間距較大，流體繞到折流板背后接近殼體處，會有一部分液體停滯起來，形成對傳熱不利的“死區(qū)”。為了消除這種弊病，宜采用雙弓形折流板或三弓形折流板。 從傳熱的觀點考慮，有些換熱器（如冷凝器）不需要設置折流板。但為了增加換熱器的剛度，防止管子振動，實際仍然需要設置一定數(shù)量的支承板，其形狀與尺寸均按折流板一樣來處理。折流板與支承板一般均借助于長拉桿通過焊接或定距管來保持板間的距離，其結(jié)構(gòu)形式可參見圖4-6。 圖10 折流板安裝圖 由于換熱器是功用不同，以及殼程介質(zhì)的流量、粘度等不同，折流板間距也不同，其系列為：100mm，150mm，200mm，300mm，450mm，600mm，800mm，1000mm。 允許的最小折流板間距為殼體內(nèi)徑的20%或50mm，取其中較大值。允許的最大折流板間距與管徑和殼體直徑有關，當換熱器內(nèi)流體無相變時，其最大折流板間距不得大于殼體內(nèi)徑，否則流體流向就會與管子平行而不是垂直于管子，從而使傳熱膜系數(shù)降低。 折流板外徑與殼體之間的間隙越小， 殼程流體介質(zhì)由此泄漏的量越少，即減少了流體的短路，使傳熱系數(shù)提高，但間隙過小，給制造安裝帶來困難，增加設備成本，故此間隙要 求適宜。 折流板厚度與殼體直徑和折流板間距有關，見表5所列數(shù)據(jù)。 表5 折流板厚度/ mm 殼體公稱內(nèi)徑 /mm 相鄰兩折流板間距/mm ≤300 300～450 450～600 600～750 ＞750 200～250 3 5 6 10 10 400～700 5 6 10 10 12 700～1000 6 8 10 12 16 ＞1000 6 10 12 16 16 支承板厚度一般不應小于表8-1(左)中所列數(shù)據(jù)。 支承板允許不支承的最大間距可參考表8-1（右）所列數(shù)據(jù)。 表6 支承板厚度以及支承板允許不支承的最大間距 殼體直徑/mm ＜400 400～800 900～1200 管子外徑/mm 19 25 38 57 支承板厚度/mm 6 8 10 最大間距/mm 1500 1800 2500 3400 經(jīng)選擇，我們采用弓形折流板，，折流板間距取450mm， 查《化工設備機械基礎》表7-7得折流板最小厚度為4 mm，折流板外徑負偏差-0.60 查《化工設備機械基礎》表7-9折流板外徑為596 mm，材料Q235-A鋼 查《化工設備機械基礎》表7-10拉桿12，共6根，材料Q235-AF鋼 折流板開孔直徑，所以，折流板尺寸如下圖： 圖11 折流板 5 強度壓力計算和校核 5.1殼體厚度校核 該殼體采用20鋼8mm厚的鋼板制造。 （1）液壓試驗應力校核 （54） （55） 查《化工設備機械基礎》附表9-1 ， （56） 可見，故水壓試驗強度足夠。 （2）強度校核 設計溫度下的計算應力 （57） ﹥ 最大允許工作壓力 （58） 故強度足夠。 5.2 管子拉脫力校核 計算數(shù)據(jù)按表7選取 表7 項目 管子 殼體 操作壓力/Mpa 0.82 0.78 材質(zhì) 20鋼 20R 線膨脹系數(shù) 彈性模量