課程設計--管殼式換熱器

1、<p><b>　　課</b></p><p><b>　　程</b></p><p><b>　　設</b></p><p><b>　　計</b></p><p>　　設計題目：管殼式換熱器</p><p><b

2、>　　緒論</b></p><p>　　這種管殼式換熱器結構較簡單，操作可靠，可用各種結構材料（主要是金屬材料）制造，能在高溫、高壓下使用，是目前應用最廣的類型。 課程設計理論是學生理論聯系實際的一次很好的機會，本次實驗就管殼式換熱器。</p><p>　　管殼式換熱器雖然在換熱效率、設備的體積和金屬材料的消耗量等方面不如其他新型的換熱設備，但它具有結構堅固、彈性大、可靠

3、程度高、使用范圍廣等優(yōu)點，所以在各工程中仍得到普遍使用。</p><p>　　管殼式換熱器的結構設計，是為了保證換熱器的質量和運行壽命，必須考慮很多因素，如材料、壓力、溫度、壁溫差、結垢情況、流體性質以及檢修與清理等等來選擇某一種合適的結構形式。</p><p>　　對同一種形式的換熱器，由于各種條件不同，往往采用的結構亦不相同。在工程設計中，除盡量選用定型系列產品外，也常按其特定的條件進

4、行設計，以滿足工藝上的需要（得到適合工況下最合理最有效也最經濟的便于生產制造的換熱器等等）。</p><p>　　關鍵詞：管殼式換熱器的結構 管殼式換熱器課程設計 管殼式換熱器適用范圍 </p><p>　?。ㄒ唬?.1換熱器的類型</p><p>　　管殼式換熱器有很多類型，包括管板式換熱器，浮頭式換熱器等，占據主導作用，主要有殼體、管束、管板、折流擋板和封

5、頭等組成。一種流體在管內流動，其行程稱為管程；另一種流體在管外流動，其行程稱為殼程。管束的壁面即為傳熱面。其主要優(yōu)點是單位體積所具有的傳熱面積大，傳熱效果好，結構堅固，可選用的結構材料范圍寬廣，操作彈性大，因此在高溫、高壓和大型裝置上多采用列管式換熱器。為提高殼程流體流速，往往在殼體內安裝一定數目與管束相互垂直的折流擋板。折流擋板不僅可防止流體短路、增加流體流速，還迫使流體按規(guī)定路徑多次錯流通過管束，使湍流程度大為增加。</p&g

6、t;<p>　　列管式換熱器中，由于兩流體的溫度不同，使管束和殼體的溫度也不相同，因此它們的熱膨脹程度也有差別。若兩流體溫差較大（50℃以上）時，就可能由于熱應力而引起設備的變形，甚至彎曲或破裂，因此必須考慮這種熱膨脹的影響。</p><p><b>　　1.2換熱器的應用</b></p><p>　　管殼式換熱器在石油、食品及其他許多化工在生產中占有重

7、要地位。由于生產規(guī)模、物料的性質、傳熱的要求等各不相同，故換熱器的類型也是多種多樣。 按用途它可分為加熱器、冷卻器、冷凝器、蒸發(fā)器和再沸器等。根據冷、熱流體熱量交換的原理和方式可分為三大類：混合式、蓄熱式、間壁式。</p><p>　　在這類換熱器中，冷、熱流體被固體壁面隔開，互不接觸，熱量從熱流體穿過壁面?zhèn)鹘o冷流體。該類換熱器適用于冷、熱流體不允許直接接觸的場合。間壁式換熱器的應用廣泛，形式繁多。將在后面做重點

8、介紹。 直接接觸式換熱器又稱混合式換熱器。在此類換熱器中，冷、熱流體相互接觸，相互混合傳遞熱量。該類換熱器結構簡單，傳熱效率高，適用于冷、熱流體允許直接接觸和混合的場合。常見的設備有涼水塔、洗滌塔、文氏管及噴射冷凝器等。</p><p>　　蓄熱式換熱器又稱回流式換熱器或蓄熱器。此類換熱器是借助于熱容量較大的固體蓄熱體，將熱量由熱流體傳給冷流體。當蓄熱體與熱流體接觸時，工業(yè)上最常見的換熱器是間壁式換熱器。根據結構

9、特點，間壁式換熱器可以分為管殼式換熱器和緊湊式換熱器。緊湊式換熱器主要包括螺旋板式換熱器、板式換熱器等。</p><p>　　列管式換熱器被作為一種傳統的標準換熱設備，在許多工業(yè)部門被大量采用。列管式換熱器的特點是結構牢固，能承受高溫高壓，換熱表面清洗方便，制造工藝成熟，選材范圍廣泛，適應性強及處理能力大等。這使得它在各種換熱設備的競相發(fā)展中得以繼續(xù)存在下來。</p><p>　　使用最為

10、廣泛的列管式換熱器把管子按一定方式固定在管板上，而管板則安裝在殼體內。因此，這種換熱器也稱為管殼式換熱器。常見的列管換熱器主要有固定管板式、帶膨脹節(jié)的固定管板式、浮頭式和U形管式等幾種類型。</p><p>　　1.3設計的目的與意義</p><p>　　在換熱器中，至少有兩種溫度不同的流體，一種流體溫度較高，放出熱量；另一種流體則溫度較低，吸收熱量。在工程實踐中有時也會存在兩種以上的流體

11、參加換熱，但它的基本原理與前一種情形并無本質上的區(qū)別換熱設備在煉油、石油化工以及在其他工業(yè)中使用廣泛，它適用于冷卻、冷凝、加熱、蒸發(fā)和廢熱回收等各個方面。</p><p>　　其中，管殼式換熱器雖然在換熱效率、設備的體積和金屬材料的消耗量等方面不如其他新型的換熱設備，但它具有結構堅固、彈性大、可靠程度高、使用范圍廣等優(yōu)點，所以在各工程中仍得到普遍使用。</p><p>　　管殼式換熱器的結

12、構設計，是為了保證換熱器的質量和運行壽命，必須考慮很多因素，如材料、壓力、溫度、壁溫差、結垢情況、流體性質以及檢修與清理等等來選擇某一種合適的結構形式。</p><p>　　1.4管殼式換熱器的發(fā)展史</p><p>　　為了滿足電廠對在較高壓力下運行的大型換熱器（如冷凝器和供水加熱器）的需要，在20世紀初，提出了殼管式換熱器的基本設計。經過長期的運用，使設計變得相當成熟和專業(yè)化。<

13、/p><p>　　當今已廣泛地應用于工業(yè)上的殼管式換熱器，在20世紀初也開始適應石油工業(yè)提出的要求。油加熱器和冷卻器、再沸器以及各種原油餾分和有關的有機流體的冷凝</p><p>　　器這些設備需要在惡劣的野外條件下運行，流體常常不干凈而且又要求高溫和高壓，因此，設備便于清洗和進行現場修理是絕對需要的。</p><p>　　1.5管殼式換熱器的國內和國外情況</p

14、><p>　　換熱器的性能對產品質量、能量利用率以及系統的經濟性和可靠性起著重要的作用, 有時甚至是決定性的作用。目前在發(fā)達的工業(yè)國家熱回收率已達96% ,換熱設備在石油煉廠中約占全部工藝設備投資的35%～40%。其中管殼式換熱器仍然占絕對的優(yōu)勢,約70%。其余30 %為各類高效緊湊式換新型熱管和蓄熱器等設備,其中板式、板翅式、熱管及各類高效傳熱元件的發(fā)展十分迅速。</p><p>　　該換熱

15、器是當前應用最廣,理論研究和設計技術完善,運用可靠性良好的一類換熱器。目前各國為改善該換熱器的傳熱性能開展了大量的研究。強化傳熱主要有3 種途徑提高傳熱系數、擴大傳熱面積和增大傳熱溫差,研究主要集中在強化管程和殼程傳熱面方面。</p><p>　　1.6換熱器殼層加強傳熱</p><p>　　傳統的管殼式換熱器, 流體在殼側流動存在著轉折和進出口兩端渦流的影響區(qū), 影響了殼側的給熱系數。殼

16、側的傳熱強化研究包括管型與管間支撐物的研究。</p><p>　　1.7改善換熱器傳熱能力的方法</p><p>　　1.7.1、 提高管殼式換熱器冷、熱介質的平均對數溫差</p><p>　　冷、熱介質平均對數溫差除直接受冷、熱介質進出口溫度影響外, 還受到冷、熱介質的流動方向和換熱流程的影響。當換熱器冷、熱流體的溫度沿傳熱面變化時, 兩種流體逆流平均溫差最大,

17、順流平均溫差最小, 在實際換熱器設計中, 冷、熱流體多采用交錯流方式, 其平均對數溫差介于逆流和順流之間。因此, 在設計中應盡量增加換熱器冷、熱流體的逆流比例, 提高冷、熱流體的對數平均溫差, 提高換熱器的傳熱能力。</p><p>　　1.7.2、合理確定管程和殼程介質</p><p>　　在換熱器設計中, 對于殼程安裝折流板的換熱器來說, Re>100 時, 殼程介質即達湍流,

18、因此,對于流量小或粘度大的介質優(yōu)先考慮作為殼程換熱介質; 由于管程清洗相對于殼程清洗要容易, 因此對于易結垢、有沉淀及雜物的介質宜走管程; 從經濟性考慮, 對于高溫、高壓或腐蝕性強的介質, 作為管程換熱介質更加合理; 對于剛性結構的換熱器, 若冷、熱介質溫差大, 因壁面溫度與換熱系數大的介質溫度接近, 為減小管束與殼體的膨脹差, 換熱系數大的介質走殼程更加合理, 而冷、熱介質溫差小, 兩介質換熱系數相差大, 換熱系數大的介質走管程更加合

19、理。</p><p>　　1.7.3、 采用強化管殼式換熱器傳熱的結構措施</p><p>　　在換熱器設計中, 通常采用強化傳熱的措施來提高換熱器的傳熱能力。強化傳熱的常用措施有: 采用高效能傳熱面、靜電場強化傳熱、粗糙壁面、攪拌等。</p><p>　　1.8 換熱器的設計思路、方法</p><p>　　1.8.1換熱器管形的設計<

20、/p><p>　　換熱器的管子外形有光管、螺紋管。相同條件下, 采用螺紋管管束比光管管束能增加換熱面積2 倍左右。同時, 由于螺紋管的螺紋結構能有效破壞流體邊界層, 有效提高了換熱器的傳熱能力。當殼程介質易結垢時, 由于外螺紋管束沿軸向的脹縮作用使換熱管外壁的硬垢脫落, 具有良好的自潔作用, 能夠有效防止管束外壁的結垢, 減小換熱器殼程熱阻, 提高換熱器的傳熱能力。</p><p>　　1.8

21、.2 換熱器管徑的設計</p><p>　　由于小直徑換熱管具有單位體積傳熱面積大, 換熱器結構緊湊, 金屬耗量少, 傳熱系數高的特點, 在換熱器結構設計中, 對于管程介質清潔、不易結垢的介質, 采用小管徑管束能有效增加換熱面積。相同條件下, 采用Φ19mm 管束比采用Φ25mm 管束能提高傳熱面積30%～40% , 節(jié)約金屬20% 以上。</p><p>　　1.8.3換熱管排列方式的設

22、計</p><p>　　管子的排列方式有等邊三角形、正方形和同心圓排列等, 對于殼程介質不易結垢或可用化學方法清洗污垢的介質, 采用三角形排列可使換熱器的外徑減小15% ; 對于需要機械清洗的管束, 管子排列應采用正方形; 對于小于300mm 的換熱器, 為使管束排列緊湊, 可采用同心圓排列。</p><p>　　1.8.4 管、殼程分程設計</p><p>　　管

23、程分程設計。當需要的傳熱面積很大,換熱管長度太長( 對臥式換熱器管長比殼徑比超過6～10, 立式換熱器超過4～6 時) , 采用單管程換熱器使管程流速很低時, 可采用管程分程的辦法來提高管程換熱介質的流速。因為決定管程介質的流態(tài)的雷諾數 與管程介質流速成正比,為提高換熱器管程換熱系數, 可采用管程分程的辦法提高管程換熱系數。</p><p>　　1.8.5折流板的結構設計</p><p>

24、　　換熱器的折流板的結構設計包括型式的確定, 形狀的設計, 缺口高度設計和折流板間距設計。換熱器殼程折流板可分為橫向折流板和縱向折流板, 由于殼程加裝縱向折流板在制造工藝上較困難, 而且造成殼程壓降增加, 因此一般采用殼程加裝橫向折流板。殼程加裝橫向折流板后, 殼程換熱介質雷諾數Re0≥100 時, 殼程介質即達湍流, 能有效提高換熱器的傳熱能力。</p><p>　　1.8.6管、殼程進、出口的設計</p

25、><p>　　管程進、出口管的設計。管程進、出口管徑在考慮管程壓降允許的條件下, 通過計算確定管徑, 其計算公式為ρω2<3 300( ρ 為管程介質密度, kg/m3; ω 為管程介質進、出口流速, m/s) 。為保證管程流體的均勻分布, 充分發(fā)揮換熱管的換熱性能, 管程進、出口應設置在換熱器管程的底部和頂部。</p><p>　　對換熱器的使用壽命影響較大, 特別是殼程換熱介質流速較

26、高或介質中含有固體顆粒。為保證換熱器的使用性能, 可在殼程入口加裝防沖板, 對介質沖刷起到緩沖的作用, 保護管束不受沖擊; 為避免殼程入口流速過高, 殼程介質流速有一定的限制: ρω2<2 200。</p><p><b>　　（二）材料的選擇</b></p><p>　　我們選用的材質：1. 管程 20鋼 2.殼程 16MnR</p>

27、<p>　　20鋼： 具有較好的焊接性和壓延性能，常用于制造受力不大、韌度較高的結構件和零件，如焊接容器、制造螺母、螺釘等，以及制造強度要求不太高的滲碳零件。</p><p>　　16MnR: 是普通低合金鋼，是鍋爐壓力容器專用鋼，鍋爐壓力容器的常用材</p><p>　　料，它的強度較高，塑性、韌性良好。常見的交貨狀態(tài)為熱軋或正火，屬于低合金高強度鋼，含Mn量較低，

28、伸長率為19%-21%，具有良好的熱加工、冷加工和焊接性能。16MnR是常用的壓力容器鋼材，價格相對便宜，符合經濟要求。</p><p><b>　?。ㄈ┙Y構分析</b></p><p>　　其由殼體、管束、封頭、管板、折流擋板、接管等部件組成。結構特點為：兩塊管板分別焊于殼體的兩端，管束兩端固定在管板上。換熱管束可做成單程、雙程或多程。它適用于殼體與管子溫差小的場

29、合。</p><p>　　優(yōu)點：結構簡單、緊湊。在相同的殼體直徑內，排管數最多，旁路最少；每根換熱管都可以進行更換，且管內清洗方便。</p><p>　　缺點：殼程不能進行機械清洗；當換熱管與殼體的溫差較大（大于50℃）時產生溫差應力，需在殼體上設置膨脹節(jié)，因而殼程壓力受膨脹節(jié)強度的限制不能太高。固定管板式換熱器適用于殼方流體清潔且不易結垢，兩流體溫差不大或溫差較大但殼程壓力不高的場合。管

30、殼式換熱器的主要零部件</p><p>　　3. 換熱器的零部件結構設計</p><p><b>　　3.1換熱管</b></p><p>　　3.1.1 換熱管的材料、形式及尺寸.</p><p>　　回收塔冷卻器采用光管，因為光管加工方便、價格便宜。</p><p>　　根據換熱流體的性質選用

31、Φ25mm×2.5mm長度L=60000mm的20號無縫鋼管作為換熱管的材料。</p><p>　　根據GB151-89表3-11（a）I級換熱器換熱管外徑允許的偏差是Φ25±0.20管板管孔允許的偏差是Φ。</p><p>　　3.1.2 換熱管的排列方式及管心距</p><p>　　如圖所示，換熱管在管板上的排列形式主要有正三角形、正方形和轉

32、角正三角形、轉角正方形。本換熱器殼程流體的性質屬于易結垢，因此采用轉角正方形排列。根據GB151-1989表3-7 規(guī)定管心距為S=32mm分程隔板兩側相鄰管中心距Sn=44mm。</p><p>　　3.1.3 換熱管根數</p><p>　　根據流體性質選用規(guī)格為Φ25mmx2.5mm長L=6m的換熱管，換熱面積F=78m2</p><p><b>　

33、　則換熱管根數</b></p><p><b>　?。?-1）</b></p><p>　　考慮到換熱過程中有熱量的損失和拉桿的布置，實際管數取176根。</p><p>　　3.1.4 換熱管布管限定圓</p><p>　　布管限定圓根據GB151表3-8確定。</p><p>　　

34、=600＜1000，b＞3,取b=4</p><p><b>　　，取</b></p><p>　　b1=3, b2=bn+1.5=13.5</p><p><b>　　且</b></p><p><b>　　=6.25</b></p><p><

35、b>　　,∴</b></p><p>　　bn≥10, ∴b2=13.5</p><p>　　=600-2×（3+13.5+4）=559mm</p><p>　　3.1.5 管程數和殼程數及形式</p><p>　　管程數有1～8程幾種，常用的為1、2或4管程。本回收塔冷卻器采用2管程。</p>&l

36、t;p>　　殼程一般可分為單殼程換熱器、分流式換熱器和雙分流式換熱器，本回收塔冷卻器采用1殼程。</p><p>　　3.1.6 換熱管與管板的連接</p><p>　　換熱管與管板的連接方法主要有強度脹接、強度焊接和脹焊并用。</p><p>　　由于回收塔冷卻器殼程介質易爆要求密封性能較高所以采用脹焊并用的連接方法。</p><p>

37、;　　3.2折流板與支持板</p><p>　　設置折流板的目的是為了提高殼程流體流速，增加湍動程度，并使殼程流體垂直沖刷管束，以改善傳熱，增大殼程流體的傳熱系數，同時減少結垢。</p><p>　　根據本回收塔冷卻器的工藝條件和流體性質采用單弓形折流板。</p><p>　　3.2.1 折流板的材料的選取</p><p>　　殼程設計溫度8

38、0℃設計壓力Pc＝-0.0781MPa,根據GB150-1998選取Q235-B鋼板為折流板材料。</p><p>　　3.2.2 折流板的布置</p><p>　　本回收塔冷卻器殼程介質為烴，含有少量液體，則在缺口朝上的折流板最低處開設通液口，結構如圖3-2a所示。</p><p><b>　　圖3-2</b></p><

39、p>　　單弓形折流板缺口弦高h一般取0.20～0.45倍的圓筒內直徑，h=（0.20～0.45）Di=（0.20～0.45）×600=120～170=150.</p><p>　　3.2.3 折流板的間距</p><p>　　折流板的最小間距應不小于圓筒內直徑的五分之一即ι≥0.2Di=0.2×600=120mm最大間距l(xiāng)不大于圓筒的內直徑即ι≤Di=600mm，

40、且滿足GB151-1989表3-22折流板的最大無支承跨距的要求即折流板的最大無支承跨距是1900mm。根據經驗取折流板數量是8塊，間距ι=450。</p><p>　　3.2.4 折流板的厚度</p><p>　　折流板厚度與殼體直徑、換熱管無支承長度有關，根據GB151-1989表3-19折流板的最小厚度是5mm取厚度δ＝8mm。</p><p>　　3.2.5

41、 折流板管孔</p><p>　　根據GB151-1989表3-20（a）查的折流板管孔外直徑是25.08管孔直徑允許的偏差是。</p><p>　　3.2.6 折流板與殼體間隙</p><p>　　根據GB151-89表3-21選取折流板名義外直徑D=DN-4.5=600-4.5=595.5mm折流板外直徑允許偏差是-0.8。</p><p&g

42、t;<b>　　3.2.7 支持板</b></p><p>　　浮頭式換熱器的浮頭端必須設置支持板，用來支持換熱管管束以防止管束產生過大的撓度發(fā)生變形。</p><p>　　3.3 拉桿、定距桿、拉桿孔</p><p>　　3.3.1 拉桿的結構形式</p><p>　　折流板與支持板一般均采用拉桿與定距管等元件與管板固

43、定，其固定形式有如下幾種：①采用全焊接方式；②采用拉桿定距管結構；③螺紋與焊接相結合；④定距螺栓拉桿</p><p>　　3.7.1 管板厚度計算</p><p><b>　　符號說明：</b></p><p>　　────在布管區(qū)范圍內，因設置隔板槽和拉桿結構的需要，而未能被換熱管支承的面積，，對正方形排列，;</p><

44、p>　　────隔板槽一側的排管根數；</p><p>　　────換熱管中心距；</p><p>　　────隔板槽兩側鄰管的中心距；</p><p>　　───管板布管區(qū)面積，；對多管程正方形排列換熱器，;</p><p>　　────管板布管區(qū)內開孔后的面積，；;</p><p>　　────根換熱管管壁金

45、屬的橫截面積，</p><p>　　────固定端管板墊片壓緊力作用中心圓直徑，；根據所選的墊片的尺寸，且選擇其壓緊面型式為GB150表9-1的1a，可知密封面寬度</p><p>　　────管板布管區(qū)當量直徑，；</p><p>　　────換熱管外徑，</p><p>　　────設計溫度時，管板材料的彈性模量，；</p>

46、<p>　　────設計溫度時，換熱管材料的彈性模量，；</p><p>　　────系數，按和查GB151圖24；</p><p>　　────管束模數，； </p><p>　　────管束無量綱剛度，Mpa；；</p><p>　　────換熱管有效長度（兩管板內側間距），；</p><p>　　──

47、──換熱管與管板脹接長度或焊腳高度，；</p><p>　　────換熱管根數；</p><p>　　────無量綱壓力；</p><p>　　────當量壓力組合,；</p><p>　　────管板設計壓力，；</p><p>　　────殼程設計壓力，；</p><p>　　────管程設

48、計壓力，；</p><p>　　────換熱管與管板連接拉脫力,；</p><p>　　────許用拉脫力，查GB151，；</p><p><b>　　────系數，；</b></p><p>　　────管板計算厚度，；</p><p>　　────換熱管管壁厚度，；</p>&

49、lt;p>　　────管板剛度削弱系數，一般可取值；</p><p>　　────管板強度削弱系數，一般?。?lt;/p><p><b>　　────系數；</b></p><p>　　────換熱管軸向應力，；</p><p>　　────換熱管穩(wěn)定許用壓應力，；</p><p>　　────

50、設計溫度時，管板材料的許用應力，；</p><p>　　────設計溫度時，換熱管材料的許用應力；</p><p><b>　　管板名義厚度計算：</b></p><p><b>　??；</b></p><p><b>　??；</b></p><p>&

51、lt;b>　??；</b></p><p><b>　?。?lt;/b></p><p><b>　??；</b></p><p><b>　??；</b></p><p><b>　??；</b></p><p><b&

52、gt;　　；；</b></p><p><b>　　查GB150可知，</b></p><p><b>　　則 ；</b></p><p>　　式中L應為換熱管的有效長度，但由于管板厚度尚未計算出，暫估算管板厚度為40mm進行試算，待管板厚度算出再用有效長度核算，。</p><p>&l

53、t;b>　??；</b></p><p><b>　　當中的的計算如下：</b></p><p><b>　?。?lt;/b></p><p><b>　??；</b></p><p>　　查GB151-1999可知，則，同時由于前面換熱管的材料選為20號鋼，故,<