四管程固定管板式换热器的设计

四管程固定管板式换热器的设计,管程,固定,板式,换热器,设计 第1章 工艺设计 2.1设计概述 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。换热器是化工、石油、动力、食品及其它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冷却器、加热器、蒸发器等，应用更加广泛。换热器种类很多，但根据冷、热流体热量交换交换的原理和方式基本上可分三大类即：间壁式、混合式和蓄热式。在三类换热器中，间壁式换热器应用最多。 换热器在工业生产中的应用极为普遍，例如动力工业中锅炉设备的过热器、省煤器、空气预热器，电厂热力系统中的凝气器、除氧器、给水加热器、冷水塔；冶金工业中高炉的热风炉，炼钢和轧钢生产工艺中的空气或煤气预热；制冷工业中蒸汽压缩式制冷机或吸收式制冷机中的蒸发器、冷凝器；制糖工业和造纸工业的糖液蒸发器和纸浆蒸发器，都是换热器的应用实例。在化学工业和石油化学工业的生产过程中，换热器也有较多的应用。在航天工业中，为了及时取出发动机及其辅助动力装置在运行时所产生的大量热量，换热器也是不可缺少的重要部件。 在化工厂，换热器的费用约占总费用的10%～20%，在炼油厂约占总费用35%～40%。换热器在其他部门如动力、原子能、冶金、食品、交通、环保、家电等也有着广泛的应用。 2.2设计课题 设计一台用饱和水蒸气加热水的固定管板换热器，水流量为，水温由加热到。水蒸气入口温度，出口温度。允许压强降管程不高于0.8x，壳程不高于1.6x。 根据设计题目与介质，选择列管式固定管板换热器，循环水走管程，水蒸气走壳程。 2.3设计参数的确定 根据工艺条件查物性表可得： 水蒸气的定性温度 密度 汽化潜热 黏度 定压比热容 热导率 循环水的定性温度 密度 定压比热容 热导率 黏度 2.4初算换热器的传热面积 2.4.1 换热器的热流量（忽略热损失） 热流量 （2-1） 由公式（2-1）计算得 2.4.2 水蒸气的消耗量（忽略热损失） 冷却剂（加热剂）用量 （2-2） 由公式（2-2）计算得水蒸气的用量为 2.4.3平均传热温差 根据工艺条件，选取逆向流向,先按单壳程单管程考虑,计算出平均温度差。 （2-3） 式中， 由公式（2-3）算得 温度校正系数，故平均温度差 2.4.4计算传热面积 根据经验数值初选总传热系数，由值初算所需传热面积。 传热面积 （2-4） 由式（2-4）得 2.5主要工艺及结构基本参数的计算 2.5.1换热管选择 1、换热管选用的钢管，管内流速取。 2、换热管数量及长度的确定 管数 管长 根据GB151，标准传热管有1.0m、1.5m、2.0m、2.5m、3.0m、4.5m、6.0m、7.5m、9.0m、12.0m。根据计算结果取传热管长。 则该换热器的管程数为 （即为单管程） 所以传热管总根数 3、管子的排列方式及管子与管板的连接方式的选定 管子的排列方式采用正三角形排列；管子与管板的连接采用焊接法。 2.5.2计算壳体内直径 壳体内径 （2-5） 式中管中心距 横过管束中心线的管数 根 管束中心线上最外层管的中心至壳体内壁的距离 所以由式（2-5）得 按壳体直径标准系列尺寸圆整，取 2.5.3画出排管图 根据壳体内径、管中心距、横过管中心线的管数及其排列方式，绘出排管图。由图可见，中心排有11根管，按三角形排列，可排119根，除去6根拉杆位置，实际排出113根。与上述计算相符。因此实际管数取N=113根。 图2-1 换热管排布图 2.5.4计算实际传热面积及过程的总传热系数 传热面积 （2-6） 由式（2-6）得 总传热系数 （2-7） 由式（2-7）得 2.5.5折流板直径数量及有关尺寸的确定 选取折流板与壳体 间的间隙为3mm,因此 折流板直径 切去弓形高度 折流板数量 取折流板间距，那么块 取整得 块 实际折流板间距 2.5.6拉杆的直径和数量与定居管的选定 选用钢拉杆，数量6根，定距管采用钢管。 2.6换热器核算 2.6.1换热器内流体的压力降 1、管程压力降计算： （2-8） 串联壳程数，管程数。对于换热管，结构校正系数为。换热器为单程管。 由Re=16620，传热管绝对粗糙度0.02，查莫狄图得。 则流体流经直管段的压力为 （2-9） 由式（2-9）得 故管程流体阻力在允许范围之内。 2、壳程压力降计算 (2-10) 其中流体流经管束的压强降为 (2-11) 其中，管子排列方式对压强降的校正因子，F=0.5 摩擦系数 故壳程压力降在允许范围内。 2.6.2热流量核算 总传热系数 （2-12）管程给热系数 （2-13） 壳程给热系数 （2-14） 由式（2-13）得， 由式（2-14）得由式（2-12）算得 即 由于 ，在范围之内，所以本设计合理。 第3章 结构设计 3.1折流挡板 安装折流挡板的目的是为提高管外对流传热系数，为取得良好效果，挡板的形状和间距必须适当。对常用的圆缺型挡板，弓形缺口的大小对壳程流体的流动情况有重要影响。弓形缺口太大或太小都会产生“死区”，太大不利于传热，太小又增加流体阻力。 挡板的间距对壳程的流动亦有重要的影响。间距太大，不能保证流体垂直流过管束，使管外对流传热系数下降；间距太小，不便于制造和检修，不便于制造和检修，阻力损失亦大。一般取挡板间距为壳体内径的0.2～1.0倍。我国系列标准中采用的挡板间距为：固定管板式有 100mm、150mm、200mm、300mm、450mm、600mm、700mm、7种；浮头式有100mm、150mm、250mm、300mm、350mm、450mm、(或480mm)、600mm 8种。 3.2 法兰 换热器设备常用的法兰分为设备法兰和管法兰两类。 设备法兰标准有：甲型平焊法兰，选用压力范围为 乙形平焊法兰，选用压力范围为 长颈对焊法兰，选用压力范围为 本设计选用甲型平焊法兰，选用压力范围为。 甲型平焊法兰只有法兰环。一般采用钢板制作，必要时也可以采用锻件轧制，与圆筒体或封头角焊连接。由于法兰环与筒体或封头连接的整体性差，即该法兰的连接强度和刚度较小，因此只适用于温度、压力较低的场合。在现行的行业标准中，甲型平焊法兰只有四个压力等级（），公称直径的适用范围也较小（），所用工作温度范围为。 3.3换热管 换热管的规格包括管径和管长。换热管的直径越小，换热器单位体积的传热面积越大。因此，对于洁净的流体管径可取小些，但对于不洁净或亦结垢的流体，管径应该取得大些，以免堵塞。目前我国试行的系列标准规定采用Φ25×2.5和Φ19×2.5两种规格，对于一般流体是适用的。此外还有Φ38×2.5，Φ57×2.5的无缝钢管。本设计选用Φ25×2.5规格的换热管。 我国生产的钢管系列标准中管长有1.5m、2m、3m、4.5m、6m、9m，按选定的管径和流速确定管子数目，再根据所需传热面积，求得管长合理截取。同时管长又应与壳径相适应，一般管长与壳径之比，即L/D为3～4.5。本设计选用3m的管长。 管子的排列方式有等边三角形和正方形两种。与正方形相比，等边三角形排列比较紧凑管外流体湍流程度高，表面传热系数大。正方形排列虽比较松散，传热效果也较差，但管外清洗方便，对亦结垢流体更为适用。本设计选用等边三角形的排列方式。 3.4支座 化工压力容器及设备都是通过支座固定在工艺流程中的某一位置上的。支座的形式主要分三大类：立式容器支座、卧式容器支座、球式容器支座。卧式容器支座又可分为鞍式支座、圈式支座和支腿式支座，尤以鞍式支座使用最为广泛。 鞍式支座的结构特征： 1．鞍式支座标准分轻型（代号A）和重型（代号B）两种。轻型用于满足一般卧式容器使用要求；重型用以满足卧式换热器、盛装液体重度大和L/D大的卧式容器使用要求。 2．根据安装形式，鞍式支座分固定式（代号F）和滑动式（代号S）两种。 3．鞍式支座适用于卧式容器直径DN300～450（用无缝管件筒体）、300～4000（用卷制筒体）的范围内。 本设计选用鞍式支座。 3.5压力容器选材原则 1、选用压力容器材料时，必须考虑容器的工作条件，如温度、压力和介质特征；材料的使用性能，如机械性能、物理性能和化学性能；加工性能，如材料的焊接性能和冷热加工性能；经济合理性能，如材料的价格、制造费用和使用寿命。 2.刚制压力容器用钢材应按照国家标准《钢制压力容器》中所列材料选用，标准中规定设计压力不大于35MPa，对于超出规定的，应进行具体分析，并进行试验，经过研究以后决定。 3.钢材的使用温度不超过各钢号许用应力中所对应的上限温度。但要注意的是，碳素钢和碳锰钢在高于425温度下长期使用时，应考虑钢中碳化物的石墨化倾向。奥氏体刚的使用温度高于525℃时，钢中的含碳量不应小于0.04％，对于≤-20℃的低温容器材料用钢，还应进行夏比“V”型缺口冲击试验。 4.压力容器非受压元件用钢必须有良好的可焊性。 5.在考虑压力容器受压元件有足够强度的情况下，必须考虑他的韧性，以防止外加载荷作用下发生脆性破坏。 3.6垫片 设备垫片标准主要有： JB4704 非金属软垫片 JB4705 缠绕垫片 JB4706 金属包垫片 一般情况下，非金属软垫片适用于甲型平焊法兰、乙型平焊法兰、长颈对焊法兰。法兰密封面形式为光滑密封面或凹凸密封面。缠绕垫片适用于乙型平焊法兰、长颈对焊法兰。 非金属软垫片厚度一般根据容器直径选取：容器直径DN≤450mm时，厚度δ=2mm；容器直径DN〉4500mm时,厚度δ=3mm。金属平垫片厚度一般为3～6mm。 垫片的选择要综合考虑操作介质的性质、操作压力、操作温度以及需要密封的程度；对垫片本身要考虑垫片性能，压紧用的次数。对高温高压的情况一般多采用金属垫片；中温中压可采用金属和非金属组合式或非金属垫片；中低压情况多采用非金属垫片；高真空或深冷温度下以采用金属垫片为宜。 第4章 强度计算 4.1筒体壁厚计算 计算厚度 （4-1） 设计厚度 （4-2） 由工艺设计给定的设计温度160，设计压力==0.8，选择卷制.材料在设计温度下时的许用应力=141Mpa（假设厚度为时），取焊缝系数=0.85,腐蚀裕度C2=2mm.则由式（4-1）和式（4-2）得： 计算厚度 设计厚度 对于Q245R，钢板负偏差，根据钢板厚度标准取名义厚度，。 4.2流体进、出口接管直径 管径 （4-3） 水蒸气进出口接管：根据壳程介质取=35m/s，那么由式（4-3）得， 经圆整采用热轧无缝钢管(YB231-64)，实际变化进出口管内流速 循环水进、出口接管：根据管程介质取=1.5m/s，那么 经圆整采用热轧无缝钢管，实际冷却水进、出口管内流速为 根据计算结果，壳体进出口接管选用热轧无缝钢管(YB231-64)，官箱进出口接管选用热轧无缝钢管。 4.3其他结构尺寸 具体结构尺寸从有关手册所列标准中查取。 表4-1 结构尺寸参数 封头名义厚度 12 mm 封头厚度附加量 2 mm 两封头切线间距离 6050 mm 鞍座垫板名义厚度 0 mm 鞍座垫板有效厚度 0 mm 鞍座轴向宽度 40 mm 鞍座高度 200 mm 鞍座包角 120 鞍座地脚螺栓个数 2 鞍座地脚螺栓公称直径 20 mm 鞍座轴线两侧的螺纹间距 330 mm 鞍座底板中心至封头距离 150 mm 封头曲面高度 150 mm 腹板与筋板（小端）组合截面积 9500 mm2 圆筒平均半径 245 mm 物料充装系数 0.85 4.4支座反力 圆筒质量（两曲线间） 封头质量（曲面部分） 容器容积（两切线间） 封头容积（曲面部分） 附件质量 进出口接管质量 换热管质量 拉杆质量 法兰质量 所以附件质量 容器总质量 容器内充液质量 支座反力 4.5筒体弯矩 4.5.1圆筒中间处截面上的弯矩 （4-4） 由式(4-4)得 4.5.2支座处横截面间弯距 （4-5） 由式（4-5）得 4.6系数计算 表4-2 系数计算表 4.7筒体轴向应力 4.7.1轴向应力 （4-6） （4-7） （4-8） （4-9） 由式（4-6）、（4-7）、（4-8）、（4-9）可得， 4.7.2应力校核 1、许用压缩应力 根据圆筒材料查图和图得到 < 合格 < 合格 < 合格 2、封头、圆筒应力校核 因为 圆筒中 封头中 封头 圆筒 封头 圆筒 < 合格 封头 < 合格 4.8鞍座处圆筒周向应力 圆周的有效宽度 在横截面最低处 在鞍座边角处 应力校核 < 合格 < 合格 4.9鞍座应力 1、水平分力 2、腹板水平分力 计算高度 鞍座腹板厚度 腹板水平应力 应力判断 < 合格 第5章 设计结果汇总 表5-1 设计结果汇总 圆筒材料 Q245 圆筒内径 1100 mm 换热管规格 Φ25mm×2.5mm 换热管长度 3 m 管程数 4 根 折流挡板个数 19 个 拉杆规格 Φ12mm 封头材料 Q245 封头名义厚度 12 mm 封头厚度附加量 2 mm 两封头切线间距离 6050 mm 鞍座垫板名义厚度 0 mm 鞍座垫板有效厚度 0 mm 鞍座轴向宽度 40 mm 鞍座高度 200 mm 鞍座包角 120 鞍座地脚螺栓个数 2 个 鞍座地脚螺栓公称直径 20 mm 鞍座轴线两侧的螺纹间距 330 mm 鞍座底板中心至封头距离 150 mm 管程设计温度 160 ℃ 管程设计温度 260 ℃ 管程设计压力 0.8 （MPa） 壳程设计压力 1.6 （MPa） 参考文献 [1] 郑津洋，董其伍，桑芝富.过程设备设计 [M] .北京：化学工业出版社,2010. [2] 姚玉英.化工原理.天津：天津科学技术出版社，2005. [3] T.Kuppan. 换热器设计手册.北京：中国石化出版社，2002. [4] GB150-2011，压力容器 [S] . [5] JB 4731-2005，钢制卧式容器 [S] . [6] JB4712-2007，容器支座[S]. [7] JB 4715-1992，固定管板式换热器型式与基本参数[S].