螺旋折流板式换热器的设计毕业设计论文好

螺旋折流板式换热器的设计【毕业设计论文】-好 编号 字 号本科生毕业设计论文题目 姓名 学号 班级 摘 要折流板是提高换热器工效的重要部件传统换热器中最普遍应用的是弓形折流板由于存在阻流与压降大有流动滞死区易结垢传热的平均温差小振动条件下易失效等缺陷近年来逐渐被螺旋折流板所取代理想的螺旋折流板应具有连续的螺旋曲面由于加工困难目前所采用的折流板一般由假设干个14的扇形平面板替代曲面相间连接形成近似的螺旋面在折流时流体处于近似螺旋流动状态相比于弓形折流板在相同工况下这样的折流板被称为非连续型螺旋折流板可减少压降45左右而总传热系数可提高2030在相同热负荷下可大大减小换热器尺寸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有广泛的应用本换热器是用于空气压缩机级间冷却采用常温冷却水将压缩后的高温空气冷却到一定温度本次设计采用固定管板式换热器换热器的设计分为工艺设计和机械设计两个局部在工艺设计局部根据给定的设计参数假设传热系数计算换热器的换热面积以及初步确定换热器型号换热管管程和壳程数折流板间距和数目以及内径等工艺尺寸然后进行热力核算和压力降核算确定面积欲度和换热器压力降均在合理范围之内否那么要重新设定传热系数重复上述过程直至通过核算机械设计局部分为两步第一步根据第一局部已设计出的工艺尺寸设计筒体管箱接管折流板以及各局部之间的连接等结构和尺寸第二步依据GB150GB151的规定进行强度校核其中主要包括对管板壳体与换热管进行的强度校核校核通过后根据所设计结构参数绘制图纸通过复算与校核使所设计的换热器能够满足生产工艺的要求关键词螺旋折流板 换热器 工艺设计 机械设计 强度校核ABSTRACT The baffle is to improve the ergonomics of the heat exchanger components Conventional heat exchanger is the most common application of segmental baffle defects due to a choke and pressure drop flow hysteresis dead band easy to scale heat transfer the average temperature difference is small vibration conditions prone to failure in recent years to gradually spiral baffle replaced The ideal helical baffle shall have a continuous helical surfaces Currently used due to processing difficulties baffle generally replaced by the number of 14 of the fan-shaped flat plate surface and white connection the formation of the helical surface approximation Baffle the fluid in the approximation of the spiral flow of state Compared to the segmental baffle in the same condition the baffle known as non-continuous helical baffles can reduce the pressure drop of about 45 while the overall heat transfer coefficient can be increased by 20 to 30 in the same heat load can be greatly reduced heat exchanger size Heat exchanger is an indispensable equipment to transmission of heat exchange in the process of chemical production which is in a wide range of applications in petroleum chemical industry light industry pharmaceuticals energy and other industrial production This is a heat exchanger used for benzene toluene separation process heats benzene - toluene mixtures from room temperature to the bubble point temperature by water vapor shell-and-tube exchanger has being chosen Design is divided into two parts process design part and mechanical design part In process design first of all suppose a heat transfer coefficient according to given design parameters Then account the heat transfer area and determine variety of technology size such as Models of heat exchanger heat exchange tube number of tube side and shell side Spacing and number of traverse baffles and diameter size etc At last make heat check and pressure check on process data make sure that area degree and pressure drop are both in reasonable limits Otherwise it is necessary to re-set the heat transfer coefficient repeat the process until the adoption of check Mechanical design part has two steps Step one is structural design determine structural sizes of the heat exchanger by process parameters such as the main body channel box adapter tube and tubesheet etc In step two according to the data determined by the above-mentioned make strength check by prescript of GB150 and GB151 which is include tube plate shell and tubes After the strength check has passed blueprint can be drew By complex operator and check the heat exchanger design are meeting the requirement of production technologyKeywords Helical Baffles Heat exchangerProcess design mechanical design Strength check1 绪论该设计为螺旋折流板式换热器的设计该换热器也是属于列管式换热器中的一种我们常见的列管式换热器的折流板是弓形的而此设计的折流板那么是螺旋式的这就是本次设计的独特之处和难点所在冷换设备在石油化工行业中占有十分关键的地位燕山石油化工公司炼油厂现在服役的换热器大多采用的还是国外早期的设计结构换热效率低阻力降大容易结垢停工检修频繁特别是炼油厂第三套常减压蒸馏装置渣油冷却系统要求冷却效果高原渣油冷却器L209123为弓型折流板换热器已不能满足平安生产的需要因此该装置对L2091管束进行了技术改造原渣油冷却器采用弓型折流板换热器其缺点为弓型折流板换热器的能耗大弓型折流板壳程容易结垢降低换热效率弓型折流板换热器的运行周期一般为2年致使检修清洗频繁装置操作费用增加渣油冷却器L2091技术改造后采用螺旋折流板列管换热器 有如下特点传热系数高壳程介质不易沉积不易结垢一般可延长50使用周期减少相应的检修清洗费用壳程介质呈连续平稳的螺旋型流动适合所有介质阻力降小可以有效的降低压力损失减少电耗可节省大量检修改造费用螺旋折流板列管换热器有很好的经济效益总之螺旋折流板列管换热器在实际生产中的应用是成功的在炼油化工行业中大多可以采用有很好的推广价值11本课题的来源目的意义换热器是石油化工制冷冶金及动力等工业生产过程的主要工艺设备之一有资料说明在我国全部换热器产量中管壳式换热器约占80以上管壳式换热器问世将近一百多年来已经积累了大量的设计资料和操作运行数据其结构特性传热特性和流体动力特性的计算已经形成了一套比拟完善的方法继续依靠传统的化工工艺计算提高其传热效率包括根据实验室试验研究和生产现场测量标定的数据反响对现有经验公式设计模型以及数据图表等所进行的局部修正以及综合考虑各种影响因素在内的优化其开展空间已经趋于饱和因此近年来国内外对传统管壳式换热技术的改良集中在开发研究新一代强化传热方法上以更好地满足不同使用场合对管壳式换热器的性能要求如在壳程采用折流杆折流环以及螺旋折流板等支撑结构在管程开发各种类型的翅片管螺纹管等强化传热换热管和增加螺旋铁等内扰流结构本文主要论述其中最有代表性的螺旋折流板换热器近年来的开展及推广应用概况 众所周知在化工领域上换热器的重要性不言而喻其运行的本钱之高也是有目共睹的换热器不仅仅局限在换热的区域内它的运行在整个化工行业都是影响巨大的所以提高换热器的换热效率是化工行业所迫不及待的这不仅仅会节约本钱而且会扩大产量大大的提高化工产品的生产效率螺旋折流板式换热器正是在不断追求进步的浪潮中推广出来的如今已经获得了很广泛的应用但是技术前进的脚步始终不会停留每一天都在变革如果要想走在技术的前列就不能忘本毕竟技术的开展都是在原来的根底上开展过来的因此本课题就是在我学习的最根本的弓形换热器的前提下给予更加深入的拓展以此为根底以便于以后可以创新12螺旋折流板式换热器国内外研究综述涡旋或螺旋流动一直是强化传热的有效手段从壳侧流体由纵向或蛇形横向流动方向改变为螺旋状流动的角度产生了螺旋折流板换热器的设想但由于连续螺旋曲面的加工及安装难度很大20世纪 八九十年代捷克科学家创造了非连续的14螺旋形折流板换热器采用一系列14扇形折流平板来代替螺旋曲面此项技术后被美国AB 公司买断后又转让给CB I公司据ABB Lum musHeat transfer公司公布自19942007年3月 该公司共完成349个工程共计1350台 套 螺旋折流板换热器的设计和制造我国大庆石油化工机械厂等单位也参与了应用ABB公司技术的局部制造和应用实践其他另有一些单位那么选择自主开发近几年也得到了一些开展工业化的螺旋折流板换热器是上世纪九十年代初由前捷克斯洛伐克国家化工设备研究所科学家杰卢卡和杰尼姆肯斯基等人首次提出的其特点是壳程介质的流动呈螺旋线型方式折流板的根本形状为扇形每块折流板与壳体轴线形成一定的夹角相邻的折流板在周边首尾相接构成一个沿外圆周连续的类似螺旋线从而起到改变壳程流体的流动状态到达提高传热效率的目的并相对降低了管束因振动而产生的损伤提高了换热器的使用寿命应用结果说明壳程采用螺旋折流板结构较采用垂直弓形折流板结构确实具有减少壳程流体压力降的优势实验研究证明对于以压缩空气为工质在相同的Re下光滑管螺旋隔板换热器的管外膜传热系数是光滑管弓形隔板换热器的1 25-1 8倍螺旋隔板换热器的传热系数最大可以为弓形隔板换热器的1 39倍压降随着螺旋角的不同大约可降低26 -60螺旋隔板支撑结构的换热器具有良好的防垢特性适用于易结垢高黏度的介质如原油渣油等的强化传热理想的螺旋折流板结构其轴线应当与换热器壳体轴线重合从而形成连续的螺旋状回转空间这种结构的优点在于首先流体在壳程流动时由于螺旋折流板回转面的约束最大流动截面只有壳体纵向截面的12 一个周期内 在相同的流量下和普通单壳程弓形折流板换热器相比其特征流速理论上增大为后者的2倍左右根据经典的对流换热无因次经验公式壳程流速的增加将有效提高换热器壳程对流给热系数从而提高换热器的整体传热效率其次由于流体与折流板外表相切接触消除了因垂直阻挡而在折流板根部附近形成的回流区能有效抑制污垢的积累沉淀防止壳程结垢延长换热器的有效使用周期此外由于折流板对管束起到连续支撑作用能削弱由于局部或整体横流而产生的管束诱发振动降低换热器产生由于机械破坏而造成失效的可能性但是这样的理想螺旋面在实际加工中却存在很大困难一方面由于螺旋面上每一点的法线方向都是变化的不存在多个点同时处于具有相同法线方向平面的现象因而折流板管孔的定位及加工都具有相当的难度并且钻孔过程中折流板工件的空间定位及装夹对现有加工手段也是一个挑战另一方面在目前情况下实现具有工业规模理想螺旋面的整体成型并且保证一定的加工精度同样具有相当的难度而整体的连续螺旋面对换热器的整体工装也会造成很大麻烦所有这些因素的叠加效应就是导致螺旋折流板换热器的加工制造费用急剧增加因而有必要开发理想螺旋面的替代结构在不影响螺旋折流板换热器整体流动与传热性能的前提下尽可能简化螺旋折流板换热器的加工制造过程以最大限度节省制造费用和材料浪费目前国内已经申报过的螺旋折流板列管式换热器有关专利已达30多项大体上分成非连续型螺旋折流板结构和连续型螺旋折流板结构两大类非连续型螺旋折流板换热器的结构特点是由24块四分之一壳横截面的扇形截面折流板搭建成一个近似螺旋面间断状地自壳程进口处向出口处推进实验说明这种形式的换热器螺旋折流板可以使壳侧流体呈近似螺旋流动单位压降换热能力相对弓型折流板有很大提高但也正是由于 扇形折流板 是按与 壳程轴线 的一定角度首尾相接依次摆放 的 相邻两块折流板的直边在顶部交错对接 后露出了 一 个非常明显的缝隙致 使 壳程介质在 两块折流板 间形成 短路漏流 实测证明如果 换热 器直径超过1000mm或者 换热 面积超过2000平方米其换热特性可能还不及采用弓型折流板结构连续型螺旋折流板换热器的 结构 特点是折流板类似于常见的 输送 固相介质 的搅龙 其形状可以是自壳体进口向出口推进的完全螺旋面使介质在壳体内做到相对连续平稳旋转流动但折流板不能覆盖壳程的壳体中心区域需要采取其它辅助结构来弥补换热损失此外这类螺旋折流板换热器加工制造十分复杂给产品的进一步大型化和推广应用带来困难为了搞清螺旋折流板换热器换热效率不如弓形折流板结构的原因专家学者对不同直径壳体不同角度的螺旋折流板换热器进行了屡次的模拟试验通过试验发现大量介质从相邻折流板间形成的三角形空间短路通过壳体直径越大短路越严重因而严重削弱了换热效率为了确保壳程换热效率的提高幅度近年来国内出现一些新型防短路螺旋折流板管壳式换热器的产品或构思力图使壳程内介质以理想的螺旋流形式通过壳体大连海特炼油技术宋小平等人针对普通螺旋折流板管壳式换热器的弱点分别将原扇形折流板在两侧直边处同时加宽一排或二排管距宽度相邻两扇形板的直边以交叉搭式接续加宽局部重迭由同一排或二排换热管穿过模拟结果说明扇形折流板在两侧直边处同时加宽510mm后短路现象仍然存在加宽到一排至二排管距宽度后壳程内介质以理想的螺旋流通过壳体短路现象几乎没有这种交叉重迭搭接方式接续可以对流经管束的介质起到良好的引导作用减少两相邻扇形板直边交叉形成三角形空间的短路现象确保换热效率的提高由于有同一排或二排换热管穿过相邻两扇形板强化了管束刚性防止了象限间别离的趋势同时有重叠局部的螺旋折流板结构将起到良好的防振效果抚顺机械设备制造李久生等人提出 双壳程螺旋折流板换热器的产品方案其出发点是大直径换热器上选用单壳程螺旋折流板结构将会受到25-40螺旋倾角的限制由于影响传热系数上下的主要是雷诺数Re而介质的流速对Re起到了决定性的作用大直径必然形成较大的流通面积因此在流量一定的情况下要想得到适宜的流速就要选择较小的折流间距来保证一定的Re值采用双壳程相当于减小了壳体直径在保证一定流速的情况下使得折流间距变大从而得到了较大的螺旋倾角解决大直径螺旋折流板换热器螺旋倾角小传热性能下降的弊病他们认为一般换热器的双壳程结构大多应用在双管程换热器上就是利用1块纵向隔板将壳侧分成双程管束由管板分程结构内螺旋折流板和外螺旋折流板所组成其中分程结构是由1个分程筒体和1块环形分隔板组成管箱分程也是采用了1个与壳侧相同直径的分程筒体其一端焊接在管箱的端盖上另一端用4个支撑板将筒体固定管程介质首先从管箱接管流入分程筒体内再流经筒体内所包含的换热管到另一端管板处然后返回到筒外的换热管再流到管箱的分程筒体外从另一接管流出壳程介质也是先从壳体接管流入由于分隔板的阻隔介质只能进入分程筒体至另一端管板处再返回到筒外流至前端分隔板处从另一接管流出最终完成管壳程介质的换热过程13换热器的设计要求随着经济的开展各种不同型式和种类的换热器开展很快新结构新材料的换热器不断涌现为了适应开展的需要我国对某些种类的换热器已经建立了标准形成了系列完善的换热器在设计或选型时应满足以下根本要求1 合理地实现所规定的工艺条件2 结构平安可靠3 便于制造安装操作和维修4 经济上合理 14本课题的设计任务1 检索大量相关资料对本课题有一个整体的理解和思路 2 筛选搜集的资料对本课题的国内外研究动态有一个大致了解自作一个设计大纲书写开题报告文献综述和外文翻译3 根据课题进行工艺计算和结构设计 4 固定管板式换热器的主要部件强度计算设计以及附件结构的选择5 绘制设计图装配总图和部件图6 书写毕业论文 2 换热器的简介21换热器的分类适用于不同介质不同工况不同温度不同压力的换热器结构型式也不同换热器的具体分类如下 换热器按传热原理分类1外表式换热器外表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外表对流两种流体之间进行换热外表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到达一定温度后冷介质再通过固体物质被加热使之到达热量传递的目的蓄热式换热器有旋转式阀门切换式等 3流体连接间接式换热器流体连接间接式换热器是把两个外表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器把热量释放给低温流体 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体冷凝器等 换热器按用途分类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过热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到达沸点以上温度使其流体蒸发一般有相的变化 按换热器的结构分类可分为浮头式换热器固定管板式换热器U形管板换热器板式换热器等表1-1 不同类型的换热器及其特性类 型 特 点 间 壁 式 管 壳 式 列管式 固定管板式 刚性结构 用于管壳温差较小的情况一般50管间不能清洗 带膨胀节 有一定的温度补偿能力壳程只能承受低压力 浮头式 管内外均能承受高压可用于高温高压场合 U型管式 管内外均能承受高压管内清洗及检修困难 填料函式 外填料函 管间容易泄漏不宜处理易挥发易爆炸及压力较高的介质 内填料函 密封性能差只能用于压差较小的场合 釜式 壳体上部有个蒸发空间用于再沸蒸煮 双套管式 结构比拟复杂主要用于高温高压场合和固定床反响器中 套管式 能逆流操作用于传热面较小的冷却器冷凝器或预热器 螺旋管式 沉浸式 用于管内流体的冷却冷凝或管外流体的加热 喷淋式 只用于管内流体的冷却或冷凝 板面式 板式 拆洗方便传热面能调整主要用于粘性较大的液体间换热 螺旋板式 可进行严格的逆流操作有自洁的作用可用作回收低温热能 平板式 结构紧凑拆洗方便通道较小易堵要求流体干净 板壳式 板束类似于管束可抽出清洗检修压力不能太高 混合式 适用于允许换热流体之间直接接触 蓄热式 换热过程分阶段交替进行适用于从高温炉气中回收热能的场合 22列管式换热器的工作原理列管式换热器是目前化工及酒精生产上应用最广的一种换热器它主要由壳体管板换热管封头折流挡板等组成所需材质 可分别采用普通碳钢紫铜或不锈钢制作在进行换热时一种流体由封头的连结管处进入在管流动从封头另一端的出口管流出这称之管程另一种流体由壳体的接管进入从壳体上的另一接管处流出这称为壳程列管式换热器 列管式换热器是以封闭在壳体中管束的壁面作为传热面的间壁式换热器这种换热器结构较简单操作可靠可用各种结构材料主要是金属材料制造能在高温高压下使用是目前应用最广的类型由壳体传热管束管板折流板挡板和管箱等部件组成壳体多为圆筒形内部装有管束管束两端固定在管板上进行换热的冷热两种流体一种在管内流动称为管程流体另一种在管外流动称为壳程流体为提高管外流体的传热分系数通常在壳体内安装假设干挡板挡板可提高壳程流体速度迫使流体按规定路程屡次横向通过管束增强流体湍流程度换热管在管板上可按等边三角形或正方形排列等边三角形排列较紧凑管外流体湍动程度高传热分系数大流体每通过管束一次称为一个管程每通过壳体一次称为一个壳程图示为最简单的单壳程单管程换热器简称为1-1型换热器为提高管内流体速度可在两端管箱内设置隔板将全部管子均分成假设干组这样流体每次只通过局部管子因而在管束中往返屡次这称为多管程同样为提高管外流速也可在壳体内安装纵向挡板迫使流体屡次通过壳体空间称为多壳程多管程与多壳程可配合应用23螺旋折流板式换热器 折流板是提高换热器工效的重要部件传统换热器中最普遍应用的是弓形折流板由于存在阻流与压降大有流动滞死区易结垢传热的平均温差小振动条件下易失效等缺陷近年来逐渐被螺旋折流板所取代理想的螺旋折流板应具有连续的螺旋曲面由于加工困难目前所采用的折柳板一般由假设干个14的扇形平面板替代曲面相间连接形成近似的螺旋面在折流时流体处于近似螺旋流动状态相比于弓形折流板在相同工况下这样的折流板被称为非连续型螺旋折流板可减少压降45左右而总传热系数可提高2030在相同热负荷下可大大减小换热器尺寸虽然非连续螺旋折流板的加工技术比拟成熟在石化行业也已得到推广应用但仍存在诸多缺乏之处例如扇形板连接处成非光滑的锐角过渡对轴向运动的流体存在反压流体通过时的突然转向会造成能量损失在螺旋角较大时能耗更严重相邻两片扇形板空间对接时必须附加角接板才能填补缝隙既费工又废料又增大了流体的阻力相比之下具有理想螺旋曲面的连续型螺旋折流板有着更好的传热与流动特性但在实际应用时必须首先解决其加工难题东燕公司经过多年潜心研究终于成功制作出连续螺旋折流板换热器螺旋折流板换热器根本原理及折流板形式螺旋折流板换热器的提出基于这样一种思想通过改变壳侧折流板的布置使壳侧流体呈连续的螺旋状流动因此理想的折流板布置应该为连续的螺旋曲面但是螺旋曲面加工困难而且换热管与折流板的配合也较难实现考虑到加工上的方便采用一系列的扇形平面板 称之为螺旋折流板 替代曲面相间连接在壳侧形成近似螺旋面使壳侧流体产生近似连续螺旋状流动一般来说出于加工方面的考虑一个螺距取 24 块折流板相邻折流板之间有连续搭接和交错搭接两方式按流道又可分为单螺旋和双螺旋两种结构24螺旋折流板式与弓形折流板式换热器螺旋折流板式换热器较弓形折流板式换热器有以下几个特点 1介质在壳体内连续平稳螺旋流动防止了横向折流产生的严重压力损失因而具有压降低的特点 2弓形折流板比在同样的压降下可大幅度提高壳程介质的流速从而提高Re使介质传热能力增大 3于壳程介质螺旋前进因而在径向截面上产生速度梯度形成径向湍流使换热管外表滞留底层减薄有利于提高膜传热系数 4横向折流方式比不存在死区在提高换热系数的同时减少污垢沉积热阻稳定可使换热器一直处于高效运行状态 5旋折流板对换热管的约束要强于弓形折流板减少了管束振动延长设备的运行寿命 6程做冷凝换热时螺旋折流板可以起到对冷凝后的液体引流作用减少了冷凝液体对下排管覆盖从而提高换热效果 7种换热器和普通换热器的区别仅在于壳程折流板的结构管束外观形状管束和壳体的配合尺寸都不变在检修当中完全可以用螺旋折流板芯子替换弓形折流板式芯子以提高换热效果 8在造价上面前者较后者更大些中选择时不可防止的需要考虑本钱问题25 换热器在化学工业中的应用 在工业生产中为了实现物料之间热量传递过程的一种设备统称为换热器它是化工炼油动力原子能和其它许多工业部门广泛应用的一种通用工艺设备对于迅速开展的化工炼油等工业生产来说换热器尤为重要通常在化工生产的建设中换热器约占总投资的1020 在化工生产中为了工艺流程的需要往往进行着各种不同的换热过程如加热冷却蒸发和冷凝等换热器就是用来进行这些传递过程的设备通过这种设备以便使热量从温度较高的流体传递给温度较低的流体以满足工艺上的需要换热器随着使用目的的不同可以把它分成为热交换器加热器冷却器冷凝器蒸发器和再沸器等由于使用的条件不同换热设备又有各样的形式和结构另外在化工生产中有时换热器作为一个单独的化工设备有时那么把它作为某一工艺设备中的组成局部如氨合成塔中的下部热交换器精馏塔底部的再沸器和顶部的回流冷凝器或分凝器等其它如回收排放出去的高温气体中的废热所用的废热锅炉有时在生产中也是不可缺少的总之换热器在化工生产中的应用是十分广泛的任何化工生产工艺几乎都离不开它 在换热设备中应用最广泛的是管壳式换热器目前这种换热器被当作为一种传统的标准换热器在许多工业部门中被大量地使用尤其在化工生产中无论是国内还是国外它在所有的换热设备中仍占主导地位同时在近代的许多化工生产中如裂解合成及聚合等大都要求在高温和高压下进行如高压聚乙烯要求操作压力高达250MPa左右新德士古制氢法要求操作温度在7501500范围这些条件下要进行热交换是很不容易的尤其在有腐蚀存在的情况下实现热交换更是困难而管壳式结构它具有选材范围广换热外表清洗较方便适应性强处理能力大能承受高温和高压等特点因此能不断扩大它的使用范围由于现代化工厂的生产规模日益增大换热设备也相应向大型化方向开展以降低动力消耗减少占地面积和金属消耗管壳式结构的换热器也能满足这一要求 近十余年来另一种高效紧凑式 的新型换热设备之一即板式换热器已开展成为一种重要的化工设备虽然目前它还处于开展阶段但它在化工和石油化工生产中已推广应用它适用的介质相当广泛从水到高粘度的非牛顿型液体从含有小直径固体颗粒的物料到含有纤维的物料均可处理从生产工艺上说它可以用作液体的加热冷却冷凝或蒸发单体的气提溶液的浓缩聚合脱气混合和乳胶的枯燥等 近年来由于铝及铝合金钎焊技术的开展和不断完善促使另一种高效紧凑式的新型换热器即板翅式换热器得到广泛的应用虽然首先采用这种形式的换热器是为了满足飞机上中间冷却器的要求但由于它具有体积小质量轻效率高和适应的温度范围广等突出的优点从而在化工石油化工和其它许多工业部门中也得到了迅速地推广应用现在板翅式换热器又成功地应用于天然气加工过程中如进料气冷却器局部冷凝器底部蒸发器和压缩机的中间冷却器等其它在航空车辆和船舶等方面亦已开始推广应用 目前螺旋板换热器在化工生产中的应用也日趋广泛在磷酸生产流程中由于使用了这种形式的换热器在清洗时可不停车每次清洗只需切换磷酸和水的通道即可螺旋板换热器在国内首先较普遍地用在小化肥生产中半水煤气的预热器和氨合成塔下部的换热器目前已逐步推广应用的到其它化工生产工艺中 在化工生产过程中除了遇到高温高压高真空和深冷等一些操作条妥善地解决这个问题而提出和使用了一些新型材料的换热器如玻璃石墨和聚四氟乙烯等非金属材料以及钛钽和锆等稀有金属材料制作的换热器以到达耐热耐压和防腐的效果玻璃换热器应用于生产中目前还刚刚开始并已推广应用到制药工业中石墨换热器已在许多国家中得到广泛地应用如用来处理盐酸硫酸等腐蚀性介质此外还可用于化肥有机合成和农药等多种工业中 在其它新型换热器的应用中值得提出的为热管它是一种新型的传热元件在六十年代中才开始应用与宇宙航行但目前它的开展已日趋完善且逐步推广应用于其它工业部门它能利用小的外表积传递大的热量因此它能充分表达换热器的一种优良的设计在化工生产中所使用的换热器种类和形式很多的但完善的换热设备至少应满足以下几种因素保证到达工艺所规定的换热条件强度足够及结构可靠便于制造安装和检修经济上要合理 3 螺旋折流板式换热器的工艺计算31主要技术参数 所给初始参数见表3-1所示表3-1 初始参数表介 质丁二烯水压力绝 pt 039MPa p2 045MPa入口温度Ti 399ti 34出口温度 To 369to 38序号质量流量Kgh质量流量 Kgh1 Wt 17000Kgh32确定设计方案com热器的类型 两流体温度变化情况热流体进口温度为399出口温度为369冷流体的进口温度为34出口温度为38由于管壳流体之间的温差不大所以用结构较简单的固定管板式换热器而且不需要加膨胀节com间及流速确实定 由于循环冷却水较易结垢而且工作压力较高为了便于水垢清洗以及列管的承受压力较强所以应该使得冷却水走管程相应的丁二烯走壳程可以选用的碳钢管管内流速取com性数据 定性温度可取流体进出口温度的平均值 壳程丁二烯的定性温度为 管程水等信儿定性温度为 根据定性温度通过参考书?化工原理?热工根底?等查的壳程和管程流体的有关物性数据 丁二烯在384下的有关物性数据如下 密度 定压比热容 导热系数 粘度 水在36下的有关物性数据如下 密度 定压比热容 导热系数 粘度com传热系数41热流量丁二烯在该工作压力下399是沸点当温度下降时原本为液态的丁二烯会转变为气态所以这里存在一个气化潜热的问题这里的热流量要分为两个局部一个是气化潜热另一个是温度下降所放出的热量那么总的热流量42平均传热温差先求逆流时平均温度差 丁二烯 399369 水 38 34 19 29那么平均传热温差43冷却水用量44总传热系数K管程传热系数雷洛数关联式 水被加热那么n取04壳程传热系数假设壳程的传热系数污垢热阻又知道管壁的导热系数那么总传热系数33计算传热面积考虑15的面积裕度34工艺结构尺寸com管内流速 选用传热管碳钢取管内流速com定圆 如下表格所示为不同换热器布管限定圆的规定查GB151-1999 表中是指换热器最外换热管外表与壳体内壁的最短距离那么换热器的不管限定圆的直径com和传热管数依据传热管内径和流速确定单程传热管数按单程管计算所需的传热管长度为按单程设计传热管过长宜采用多程管结构现取传热管长那么该换热管管程数为那么传热管的总管数com热温差校正及壳程数 平均传热温差校正系数按单壳程六管程结构温差校正系数查的下表得图3-1 温差校正系数图可得温差校正系数平均传热温差com排列和分程方法采用组合排列法即每程内列管都是按照正三角形排列隔板两侧采用正方形取管心距那么横过管束中心线的管数com径 采用多管程结构取管板利用率那么壳体内径为 圆整可取com折流板是14圆弧如以下图所示图3-2a 螺旋折流板的轮廓图下面对折流板进行分析以下图是折流板的在换热器中轴向的投影图3-2b 螺旋折流板的投影图图3-3 螺旋折流板的简略空间图从上面两个图中可以计算出扇形折流板的边长以及弧度边长折流板投影上的半径为RR AB BC在直角中那么折流板边长为这里设定螺旋折流板的安装高度取15度即由于壳体内径为2600mm可以取R 1295mm那么边长计算夹角在直角中 在故有 那么 安装距离 那么折流板的板数即所需要的折流板的数量为24个图3-4 螺旋折流板的实物图com壳程流体进出口接管取接管内的丁二烯流速为那么接管内径为取标准管径为89mm管程流体进出口接管取接管内循环水流速那么接管内径为取标准管径为300mm35换热器核算com算11壳程对流传热系数对螺旋式折流板可以采用克恩公式当量直径列管排列为正三角形排列所以壳程流通截面积壳程流体流速及其雷洛数分别为普兰特准数粘度校正壳程对流传热系数12管程对流传热系数管程流通截面积管程流体流速普兰特准数那么管程对流传热系数13传热系数K14传热面积S该换热器的实际传热面积该换热器的面积裕度为传热面积裕度适宜该换热器能够完成生产任务com内流体的流动阻力21管程流动阻力由相对粗糙度为查莫狄图得如以下图图3-5 莫狄图由图可知摩擦系数又知那么管程流动阻力在允许范围之内22壳程阻力流体流经管束的阻力壳程流体的摩擦系数又知那么流体流过折流板缺口的阻力那么总阻力壳程流动阻力较为适宜23换热器主要结构尺寸和计算结果换热器主要结构尺寸和计算结果见表格3-1表3-2 换热器主要结构尺寸和计算结果换热器型式固定管板式不带膨胀节换热面积28832工艺参数名称管程壳程物料名称水丁二烯操作压力MPa045039操作温度 进出 3834399369流量kgh39170617000流体密度1000676流速ms09970025传热量kJh总传热系数4134对流传热系数28947556污垢系数00003440000172阻力降Pa6656259程数16推荐使用材料碳钢碳钢管子规格2525管数4158管长9000mm管间距32mm排列方式正三角形折流板形式螺旋折流板扇形折流板间距B 098m壳体内径2600mm4 螺旋折流板式换热器的结构设计 在换热器的设计中当完成了换热器的热力计算后就可以进行换热器的结构设计有时在热力设计计算中也以局部确定了结构尺寸此时结构计算除应进一步确定那些尚未确定的尺寸外还应对那些以确定的尺寸作某种校核管壳式换热器的结构设计必须考虑许多因素如材料压力温度壁温查结垢情况流体的性质以及检修与清理等来选择一些适宜的结垢型式对同一种型式的换热器由于各种条件不同往往采用的结构亦不同在工程设计中除尽量选用定型系列产品外也常按其特定的条件进行设计以满足工艺上的需要41 筒体com公称直径 管壳式换热器的壳体一般是用管材或者是板材卷制而成如何选定要看选择换热器的直径的大小通常情况下公称直径DN 400mm时一般采用管材作为壳体或管箱壳体相反当公称直径DN 400mm时通常使用板材卷制而成 1卷制圆筒的公称直径以400mm为基数以 100mm为进级档2公称直径DN 2600mm的圆筒可用板材卷制制作 结论初定筒体公称直径DN2600mmcom厚度筒体的厚度应按 GB 150-1998 第5章计算但碳素钢和低合金钢圆筒的最小厚度应不小于表2的规定高合金钢圆筒的最小厚度应不小于表2规定 表4-1 圆筒的最小厚度公称直径400700 7001000 7001000 10001500 15002000 200026000浮头式U形管式81012101416固定管板式6810121214结论筒体的最小厚度为14mm表中数据包括厚度附加量 1mm最终查的?换热器设计手册 钱颂文?得到筒体的厚度为16mm42 封头与管箱com型选择使用椭圆形封头尺寸和厚度按照JBT4737-95选取图4-1椭圆形封头的尺寸和厚度表格由上图可以知道其公称直径曲面高度直边高度名义厚度内外表积容积质量图4-2 两种不同类型的椭圆形封头com度计算与校核封头选标准椭圆形封头材料选查表4-1 设计压力计算厚度 设计厚度 负偏差取 取 封头有效厚度 容器标准规定对标准椭圆封头其有效厚度不应小于其他椭圆封头的有效厚度不应小于结论满足标准所规定的要求又因为当直径为2600mm时封头厚度不能低于16mm所以取设计厚度满足校核要求com度计算查阅?换热器设计手册 钱颂文?表1-6-3得图4-3 直径为2600mm的管箱在不同公称压力下的厚度选择官箱的材料为因此取官箱的厚度为16mm43进出口接管的设计 在换热器的壳体和官箱上一般均装有接管或接口以及进出管在壳体和大多数官箱的底部装有排液管上部设有排气管壳侧也常设有平安阀接口以及其他诸如温度计压力表液位计和取样管接口对于立式管壳式换热器必要时还需设置溢流口由于在壳体管箱壳体上面开孔必然会对壳体局部位置的强度造成削弱因此壳体管箱壳体上的接管设置除考虑其对传热和压降的影响外还应考虑壳体的强度以及安装外观等因素图4-4 换热器排液管排气管com尺寸以及选型管程流体进出口接管取接管内水流速那么接管内径为查GB17395-1998得可取外径允许不另行补强的最大接管外径为接管的壁厚计算 085厚度负偏差腐蚀余量那么由于外径的最小厚度大于6mm所以在这里我取查GB17395-1998无缝钢管尺寸外形重量及允许偏差可取接管外径为对应的单位长度理论质量为5228kgm 壳程流体进出口接管由下表取接管内丁二烯流速为那么接管内径为由GB150-1998知此此接管不需要另行补强接管最小壁厚满足下表要求图4-5 不同内径接管的最小壁厚由表可以选定接管公称外径为89mm那么他的最小壁厚为6mm接管的壁厚计算取085厚度负偏差腐蚀余量那么取接管外径厚度查GB17395-1998无缝钢管尺寸外形重量及允许偏差可取接管外径为对应的单位长度理论质量为1095kgmcom强圈设计 由上面计算可以知道仅仅在管程需要有补强下面那么是计算管程接管补强圈的设计补强及补强方法判别 补强判别 根据?过程设备设计?表4-15允许不另行补强的最大接管外径为本开孔外径等于273mm故需另行考虑其补强 补强计算方法判别 开孔直径 本凸形封头开孔直径满足等面积法开孔补强计算的适用条件故可用等面积法进行开孔补强计算2开孔所需补强面积 封头计算厚度 由于在椭圆形封头中心区域开孔所以封头计算厚度按下式确定式中 查?过程设备设计?表4-5 开孔所需补强面积先计算强度削弱系数注接管使用10号钢开孔所需补强面积按下式计算有效补强范围 有效宽度B 取大值故B 538mm 有效高度外侧有效高度 取小值故内侧有效高度 取小值故 4有效补强面积 封头多余金属面积封头多余金属面积 接管多余金属面积接管计算厚度接管多余金属面积按式计算 接管区焊缝面积焊脚取60mm有效补强面积所需另行补强面积那么开孔后不需要另行补强com兰选择法兰的结构形式和密封面形式应根据使用介质设计压力公称直径等因素来确定换热器的法兰一般采用标准法兰1 管程接管法兰根据GBT91152-2000表1 系列选取取为DN250-PN16法兰外径D 405mm螺栓孔中心圆直径K 355mm螺栓孔径L 23mm螺栓数量n 12规格为M24密封圈d 370mmX 368mmY 364mm法兰高度H 78mm厚度C 28mm法兰颈N 342mmS 71mmR 10mm2 壳程接管法兰根据GBT91152-2000表1 系列选取取为DN89-PN16系列I参数如下法兰外径D 200mm螺栓孔中心圆直径K 160mm螺栓孔径L 18mm螺栓数量n 8规格为M16密封圈d 132mmX 120mmY 121mm法兰高度H 50mm厚度C 20mm法兰颈N 110mmS 29mmR 6mm3 接管法兰垫片采用镀锌薄钢板包石棉橡胶板HG20607-97 3mmcom伸长度接管外伸长度也叫接管伸出长度是指接管法兰面到壳体管箱壳体外壁的长度查阅?换热器设计手册 钱颂文?P142表1-6-6和表1-6-7可知丁二烯进出口接管外伸长度为250mm冷却水进出口接管外伸长度为150mm排气口排液口接管外伸长度为150mmcom筒体管箱壳体的连接 接管的结构设计应符合GB 150-1998第8章和附录7的有关规定图4-6 壳程接管位置1圆筒壳体接管1壳体接管位置的最小尺寸L1如图4-6所示无补强圈接管时 换热器设计手册 公式1-6-3 取为壳体厚度mm且30mmb-为管板法兰厚度mm-为接管直径mm 计算得取 200mm管箱接管图4-7 管箱接管 管箱接管位置的最小尺寸换热器设计手册图1-6-3 有补强圈接管时 换热器设计手册 公式1-6-5 -为接管直径mmC-补强圈外边缘无不强圈时为管外壁至管板或法兰与壳体连接焊缝之间的距离计算得可圆整取200mmcom排气管 为提高传热效率排除或回收工作残液气及凝液凡不能借助其他接管排气或排液的换热器应在其壳程和管程的最高最低点分别设置排气或排液接管排气或排液接管端部必须与壳体或管箱壳体内壁平整排气或排液接管的直径尺寸一般不小于15mm如以下图所示的为卧式换热器的排气液管图4-8 排液与排气管排气排液口根据GBT17395-1998选取接管2525排气排液管的接管法兰选取如图4-9所示图4-9 排气排液管的接管法兰 根据GBT91151-2000对焊钢制管法兰的规定其045Mpa设计条件下排气排液口相对应的法兰应选用PN 06MPa对应的凸面钢制管法兰法兰公称直径为25mm法兰焊端钢管外径为A 32mm法兰外径为D 115mm螺栓孔中心圆直径为K 85mm螺栓孔径为L 14mm螺栓为数量为4个密封面直径为65mm密封系3数为f 2法兰高度为H 40mm法兰厚度为C 16mm法兰颈为S 32H 6R 4N 46该法兰的适用压力为 4Mpa故可用于壳程也可用于管箱排液管可从表格可以勘测出来图4-10 管箱排液管的参数com或接口的一般要求1接管宜与壳体内外表平齐2接管应尽量沿换热器的径向或轴向设置 3设计温度高于或等于300时应采用对焊法兰4必要时应设置温度计接口压力表接口及液面计接口 5对于不能利用 或接口 进行放气和排液的换热器应在管程和壳程的最高点设置放气口和最低点设置排液口其最小公称直径为20mm在这里该换热器取25mm 44分程隔板的设计 由工艺计算可知本设计采用6管程根据GB151-1999 P20 表六之规定分程隔板厚度取14mm图4-11 分程隔板的参数选取45官箱法兰的设计管箱法兰根据JB 47022000选取参数如下图4-12 管箱法兰参数1图4-12 管箱法兰参数2图4-13 乙型平焊法兰凹凸密封面结构46管板的选择 管板延伸兼做法兰材料选16MnR整体式根据?换热器设计手册钱颂文?P159查询管板尺寸要根据管箱法兰略做调整 本设计采用管板兼做法兰的形式考虑到要和管箱法兰尺寸相配合所以选取管板时所采用尺寸没有完全按照设计压力进行选择但所选管板的公称压力要大于设计压力 管板的主要尺寸如下为使管板与管箱法兰相配合选用公称压力为06MPa下对应的管板法兰图4-14 整体管板结构下表为管板主要尺寸表4-2 管板主要尺寸MpaMpaDNDC螺柱栓b数量规格161626002760271526762597265326002052784M247080查得16MnR的密度为其厚度为80mm取其直径为2760mm故可以估算其重量1管板与换热管采用胀接连接时管板的最小厚度Smin 不包括腐蚀裕量 按如下规定 用于易燃易爆及有毒介质等严格场合时管板的最小厚度应不小于换热管的外径 用于一般场合时管板的最小厚度应符合如下要求2管板与换热管采用焊接连接时管板的最小厚度应满足结构设计和制造的要求且不小于12mm 3复合管板复层最小厚度及相应要求管板与换热管焊接连接的复合管板其复层的厚度应不小于 3mm对有耐腐蚀要求的复层还应保证距复层