列管式换热器原油预热器的设计毕业设计.docx
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列管式换热器原油预热器的设计毕业设计
列管式换热器(原油预热器)的设计
1.设计任务书
1.1设计题目
列管式换热器(原油预热器)的设计
1.2操作条件
某炼油厂用柴油将原油预热。
柴油和原油的有关参数如下表,两
侧的污垢热阻均可取1.72×10-4m2.K/W,要求两侧的阻力损失均不超
过0.3105Pa。
物料
温度℃
质量流量
kg/h
比热
kJ/kg.℃
密度
kg/m3
导热系数
W/m.℃
粘度
Pa.s
入口
出口
柴油
175
T2
36500
2.48
715
0.133
0.64×10-3
原油
70
110
49000
2.20
815
0.128
3.0×10-3
1.3设计要求及内容
1、查阅文献资料,了解换热设备的相关知识,熟悉换热器设计
的方法和步骤;
2、根据设计任务书给定的生产任务和操作条件,进行换热器工
艺设计及计算;
3、根据换热器工艺设计及计算的结果,进行换热器结构设计;
4、以换热器工艺设计及计算为基础,结合换热器结构设计的结
果,绘制换热器装配图;
5、编写设计说明书对整个设计工作的进行书面总结,设计说明
书应当用简洁的文字和清晰的图表表达设计思想、计算过程和设计结
果。
1.设计任务书3
2.概述5
3.设计标准7
4.方案设计和拟订8
5.设计计算12
6.参考文献22
7.附录23
8.设计小结29
9.CAD图32
1.概述
管壳式换热器-正文
2.
又称列管式换热器。
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。
结构由壳体、传热管束、管板、折流板(挡板)和管箱等部件组成(见
图)。
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,通常在壳体内安装若干挡板。
挡板可提高壳
程流体速度,迫使流体按规定路程多次横向通过管束,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;正方形排列则管外清洗方便,适用于易结垢的流体。
3.在不同温度的流体间传递热能的装置称为热交换器,简称为换
热器。
在换热器中至少要有两种温度不同的流体,一种流体温度较高,
放出热量;另一种流体则温度较低,吸收热量。
在化工、石油、动力、制冷、食品等行业中广泛使用各种换热器,
它们也是这些行业的通用设备,并占有十分重要的地位。
随着换热器在工业生产中的地位和作用不同,换热器的类型也多
种多样,不同类型的换热器也各有优缺点,性能各异。
列管式换热器
是最典型的管壳式换热器,它在工业上的应用有着悠久的历史,而且
至今仍在所有换热器中占据主导地位。
列管式换热器有以下几种:
1)固定管板式
固定管板式换热器的两端管板和壳体制成一体,当两流体的温度
差较大时,在外壳的适当位置上焊上一个补偿圈,(或膨胀节)。
当壳
体和管束热膨胀不同时,补偿圈发生缓慢的弹性变形来补偿因温差应
力引起的热膨胀。
特点:
结构简单,造价低廉,壳程清洗和检修困难,壳程必须是洁净不易结垢的物料。
2)U形管式
U形管式换热器每根管子均弯成U形,流体进、出口分别安装在同
一端的两侧,封头内用隔板分成两室,每根管子可自由伸缩,来解决
热补偿问题。
特点:
结构简单,质量轻,适用于高温和高压的场合。
管程清洗困难,
管程流体必须是洁净和不易结垢的物料。
3)浮头式
换热器两端的管板,一端不与壳体相连,该端称浮头。
管子受热时,
管束连同浮头可以沿轴向自由伸缩,完全消除了温差应力。
特点:
结构复杂、造价高,便于清洗和检修,完全消除温差应力,应
用普遍。
2.设计标准
(1)JB1145-73《列管式固定管板热交换器》
(2)JB1146-73《立式热虹吸式重沸器》
(3)中华人民共和国国家标准.GB151-89《钢制管壳式换热器》.国
家技术监督局发布,1989
(4)《钢制石油化工压力容器设计规定》
(5)JBT4715-1992《固定管板式换热器型式与基本参数》
(6)HGT20701.8-2000《容器、换热器专业设备简图设计规定》
(7)HG20519-92《全套化工工艺设计施工图内容和深度统一规定》
(8)中华人民共和国国家标准JB4732-95《钢制压力容器—分析
设计标准》
(9)中华人民共和国国家标准JB4710-92《钢制塔式容器》
(10)中华人民共和国国家标准GB16749-1997《压力容器波形膨
胀节》
3.方案设计和拟订
根据任务书给定的冷热流体的温度,来选择设计列管式换热器中
的浮头式换热器;再依据冷热流体的性质,判断其是否易结垢,来选
择管程走什么,壳程走什么。
在这里,柴油走管程,原油走壳程。
从
手册中查得冷热流体的物性数据,如密度,比热容,导热系数,黏度。
计算出总传热系数,再计算出传热面积。
根据管径管内流速,确定传
热管数,标准传热管长为6m,算出传热管程,传热管总根数等等。
再
来就校正传热温差以及壳程数。
确定传热管排列方式和分程方法。
根
据设计步骤,计算出壳体内径,选择折流板,确定板间距,折流板数
等,再设计壳程和管程的内径。
分别对换热器的热量,管程对流系数,
传热系数,传热面积进行核算,再算出面积裕度。
最后,对传热流体的流动阻力进行计算,如果在设计范围内就能完成任务。
根据固定管板式的特点:
结构简单,造价低廉,壳程清洗和检修
困难,壳程必须是洁净不易结垢的物料。
U形管式特点:
结构简单,
质量轻,适用于高温和高压的场合。
管程清洗困难,管程流体必须是
洁净和不易结垢的物料。
浮头式特点:
结构复杂、造价高,便于清洗
和检修,完全消除温差应力,应用普遍。
我们设计的换热器的流体是
油,易结垢,再根据可以完全消除热应力原则我们选用浮头式换热器。
根据以下原则:
(1)不洁净和易结垢的流体宜走管内,以便于
清洗管子。
(2)腐蚀性的流体宜走管内,以免壳体和管子同时受腐
蚀,而且管子也便于清洗和检修。
(3)压强高的流体宜走管内,以
免壳体受压。
(4)饱和蒸气宜走管间,以便于及时排除冷凝液,且
蒸气较洁净,冷凝传热系数与流速关系不大。
(5)被冷却的流体宜
走管间,可利用外壳向外的散热作用,以增强冷却效果。
(6)需要
提高流速以增大其对流传热系数的流体宜走管内,因管程流通面积常
小于壳程,且可采用多管程以增大流速。
(7)粘度大的液体或流量
较小的流体,宜走管间,因流体在有折流挡板的壳程流动时,由于流
速和流向的不断改变,在低Re(Re>100)下即可达到湍流,以提高对流
传热系数。
我们选择柴油走管程,原油走壳程。
流体流速的选择:
增加流体在换热器中的流速,将加大对流传热
系数,减少污垢在管子表面上沉积的可能性,即降低了污垢热阻,使
总传热系数增大,从而可减小换热器的传热面积。
但是流速增加,又
使流体阻力增大,动力消耗就增多。
所以适宜的流速要通过经济衡算
才能定出。
此外,在选择流速时,还需考虑结构上的要求。
例如,选
择高的流速,使管子的数目减少,对一定的传热面积,不得不采用较
长的管子或增加程数。
管子太长不易清洗,且一般管长都有一定的标
准;单程变为多程使平均温度差下降。
这些也是选择流速时应予考虑
的问题。
在本次设计中,根据表换热器常用流速的范围,取管内流速
u11.0m/s。
管子的规格和排列方法:
选择管径时,应尽可能使流速高些,但
一般不应超过前面介绍的流速范围。
易结垢、粘度较大的液体宜采用
较大的管径。
我国目前试用的列管式换热器系列标准中仅有φ25×
2.5mm及φ19×mm两种规格的管子。
在这里,选择φ25×2.5mm管子。
管长的选择是以清洗方便及合理使用管材为原则。
长管不便于清洗,
且易弯曲。
一般出厂的标准钢管长为6m,则合理的换热器管长应为
1.5、2、3或6m。
此外,管长和壳径应相适应,一般取L/D为4~6(对
直径小的换热器可大些)。
在这次设计中,管长选择4m。
管子在管板上的排列方法有等边三角形、正方形直列和正方形错
列等,等边三角形排列的优点有:
管板的强度高;流体走短路的机会
少,且管外流体扰动较大,因而对流传热系数较高;相同的壳径内可
排列更多的管子。
正方形直列排列的优点是便于清洗列管的外壁,适
用于壳程流体易产生污垢的场合;但其对流传热系数较正三角排列时
为低。
正方形错列排列则介于上述两者之间,即对流传热系数(较直
列排列的)可以适当地提高。
在这里选择正方形错列排列。
管子在管板上排列的间距(指相邻两根管子的中心距),随管子
与管板的连接方法不同而异。
通常,胀管法取t=(1.3~1.5)d2,且
相邻两管外壁间距不应小于6mm,即t≥(d+6)。
焊接法取t=1.25d2。
管程和壳程数的确定当流体的流量较小或传热面积较大而需
管数很多时,有时会使管内流速较低,因而对流传热系数较小。
为了
提高管内流速,可采用多管程。
但是程数过多,导致管程流体阻力加
大,增加动力费用;同时多程会使平均温度差下降;此外多程隔板使
管板上可利用的面积减少,设计时应考虑这些问题。
列管式换热器的
系列标准中管程数有1、2、4和6程等四种。
采用多程时,通常应使每
程的管子数大致相等。
根据计算,管程为6程,壳程为单程。
折流挡板:
安装折流挡板的目的,是为了加大壳程流体的速度,
使湍动程度加剧,以提高壳程对流传热系数。
最常用的为圆缺形挡板,
切去的弓形高度约为外壳内径的10~40%,一般取20~25%,过高或
过低都不利于传热。
两相邻挡板的距离(板间距)B为外壳内径D的
(0.2~1)倍。
系列标准中采用的B值为:
固定管板式的有150、300和
600mm三种,板间距过小,不便于制造和检修,阻力也较大。
板间距
过大,流体就难于垂直地流过管束,使对流传热系数下降。
这次设计
选用圆缺形挡板。
换热器壳体的内径应等于或稍大于(对浮头式换热器而言)管板
的直径。
初步设计时,可先分别选定两流体的流速,然后计算所需的
管程和壳程的流通截面积,于系列标准中查出外壳的直径。
主要构件的选用:
(1)封头封头有方形和圆形两种,方形用于直径小的壳体(一
般小于400mm,圆形用于大直径)的壳体。
(2)缓冲挡板为防止壳程流体进入换热器时对管束的冲击,
可在进料管口装设缓冲挡板。
(3)导流筒壳程流体的进、出口和管板间必存在有一段流
体不能流动的空间(死角),为了提高传热效果,常在管束外增设导
流筒,使流体进、出壳程时必然经过这个空间。
(4)放气孔、排液孔换热器的壳体上常安有放气孔和排液
孔,以排除不凝性气体和冷凝液等。
(5)接管尺寸换热器中流体进、出口的接管直径由计算得
出。
最后材料选用:
列管换热器的材料应根据操作压强、温度及流体
的腐蚀性等来选用。
在高温下一般材料的机械性能及耐腐蚀性能要下
降。
同时具有耐热性、高强度及耐腐蚀性的材料是很少
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