气液介质专用换热器设计大学论文.docx

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气液介质专用换热器设计大学论文

摘要

气-液换热器又称回热器，其作用是使节流前的制冷剂液体过冷，使从蒸发器流过来的制冷剂饱和蒸气过热，这样既保证了压缩机工作的安全性，又可以提高整个系统的制冷量。

气-液热交换器的结构通常采用壳-盘管式，还有绕管式、套管式等结构。

本文主要是根据给定的参数和工艺要求来设计相应的管壳式换热器。

本文首先根据工艺条件来进行计算，选定气-液换热器型式，本设计选定固定管板式列管换热器，确定换热器参数。

然后进行结构上的设计和强度计算，进行四种工况校核，其结果都满足要求。

然后进行接管补强，水压试验，结果也都满足要求。

最后再根据标准选取接管、法兰、鞍式支座、垫片等。

首先要根据已给出的设计温度和设计压力来确定设备的结构形式以及壳程和管程所用的材料，然后根据物料的性质和传热的面积来确定换热管的材料，尺寸和根数。

根据换热管的根数来确定换热管的排列方式，并根据换热管的排列和长度来确定筒体的直径以及折流板的选择。

进行完了标准件的选取后，再进行各零件间的连接结构的设计，零件材料的选择以及厚度的计算。

其中包括了筒体壁厚、封头壁厚、管板壁厚和管箱壁厚的计算，管子的拉脱力和稳定性校核，接管、法兰、容器法兰、支座等的选择及开孔补强设计，管板、折流板以及换热管之间的连接的结构设计，壳体与管板之间的连接处的设计。

通过对容器的内径和内外压的计算来确定壳体和封头的厚度并进行强度的校核。

然后是对气-液换热器各部件上的零部件的强度设计，有法兰的选择和设计计算与校核，管子拉脱力的计算钩圈及浮头法兰的设计计算与校核。

并且还包括了管板的结构设计、滑道结构、防冲挡板的设计以及支座设计。

结构设计中的标准件可以按照国家标准根据设计条件直接选取，非标准件，设计完结构后必须对其进行相应的应力校核。

本设计通过对壳体内外的研究，对气-液换热器有了初步的认识，并根据相关知识，进行了一系列相应的设计计算，并最终完成了气氨冷却器总体的结构设计，并绘制出了设备总图及零部件图。

其中包括气-液换热器总图，折流板零件图，筒体零件图等。

关键词：

管壳式换热器；工艺计算；强度计算

Abstract

This article mainly according to the given parameters and technical requirements to design the corresponding tube heat exchanger. At first, this paper calculated according to the process conditions, select heat exchanger type, the design selected fixed tube plate shell and tube heat exchanger, heat exchanger parameters. Then carries on the structure design and strength calculation, four kinds of working condition checking, the result is meet the requirements. Finally take over reinforcement, hydrostatic test, the result is meet the requirements. According to the standard selection of takeover, flange, saddle support, gaskets. 

Firstaccordingtothegiventemperatureanddesignpressuretodeterminethestructureofdeviceandtheshellsideandtubesideofthematerial,thenaccordingtothenatureofthematerialandtheheattransferareatodeterminetheheatexchangetubematerial,sizeandnumber.Accordingtotherootoftheheatexchangetube,thenumberofheatexchangetubearrangement,andaccordingtothearrangementofheatexchangetubetodeterminecylinderdiameterandlength,andthechoiceofthebaffleplate.Connectionbetweentheselectionofstandardparts,partsofthestructureofthedesign,theselectionofcomponentmaterialsandthethicknessofthecalculation.Includingthecylinderbodywallthickness,headwallthicknessandpipewallthicknessandthecalculationofwallthickness,tubepulledoffforceandstabilitychecking,takeover,flange,selectionofcontainerflange,bearingandopeningreinforcementdesign,tubeplate,baffleplate,andthestructuredesignoftheconnectionbetweentheheatexchangetube,betweentheshellandtubeplatejointdesign.Throughthecontainerinnerdiameterandtheinternalandexternalpressurecalculationtodeterminethethicknessoftheshellandheadandstrengthcheck.Theneverypartsofgas-liquidheatexchangerstrengthdesignofthepartsandcomponentshavethechoiceoftheflangeanddesigncalculationandchecking,hookring,andthecalculationinthedesignoffloatingheadflangeandthecheckingandcalculationoftheforceoftubepulledoff.Andalsoincludesthestructuredesignoftubesheet,preventtheimpactdamper,thedesignofthetrackstructureandsupportdesign.Structuredesignofstandardpartscandirectselectionaccordingtothedesignconditionsaccordingtothenationalstandard,non-standard,designthestructuremustbecarriedoutafterthecorrespondingstresschecking.

This design through the study of shell inside and outside, have a preliminary understanding of the heat exchanger, and according to the relevant knowledge, made a series of design calculation, and finally complete the overall structure design of diesel oil cooler, drawing equipment assembly drawing and parts drawing. General layout, including the heat exchanger tube bundle, baffle plate parts diagram, tube box parts drawing and so on. 

Keywords:

heat exchanger;process calculation;strengthcalculation 

第一章绪论

1.1 课题背景

在石油、化工、冶金、电力、轻工、能源等部门所使用的换热设备中，管壳式换热器处于主导地位[1]。

它适用于冷却、冷凝、加热 、废热回收及蒸发方面，是理论研究水平最高、设计技术最完善、规范化、标准化、历史久远及计算机软件开发最早的换热设备。

它的工艺设计一般是指压降（或流动）设计和传热设计，传热尤为复杂。

随着近年来节能技术的发展,换热器的应用领域在不断的扩大，并给经济上带来了显著的效益，给管壳式换热器增添了新的生命力。

因此对其进行研究就有很大的意义。

这种换热器拥有结构坚固，选材广范、处理能力大，适应性强，易于制造，生产成本较低，清洗较方便等特点，并且在高温高压下也能适用。

为了提高和强化管壳式换热器的传热效率，近年来各国开展了许多项研究工作，不仅对管壳式换热器的设计方法进行了改进，还对该换热器的传热管件及结构做出了相应改动，从而实现强化传热。

新近由瑞士Allares公司技术，后经BrownFintubeLtd改进的高效传热元件-偏置折边翅边管和螺旋扁管。

Hamon-Lummus公司又新推出一种SRC翅片管，用于冷凝传热。

管壳式换热器是换热器的基本类型之一，19世纪80年代开始就已应用在工业上[2]。

1.2 发展现状及趋势 

随着社会经济的发展，为了适应节约资源和能源的时代要求，对换热器的要求也越来越高[3]。

综合考虑各方面因素，要制造出低成本，高能效的换热器，在推动生产发展因素的同时，也会获得较高的经济效益。

故其的提升空间很大，有待改进的方面还很多。

1.3 存在的问题 

我国的换热器技术通过了几十年的发展，已经跻身于世界的先进行列，但在某些方面仍存在着一些不足之处，具体表现为：

科研、产业之间还不能够紧密的结合在一起，不能及时地实现科研成果的产业化；基础研究相对来说较为薄弱，管束腐蚀和磨蚀失效，管子与管板的连接失效，管束振动失效，管束泄漏，介质腐蚀，物性参数计算问题，传热性能问题，计算方法等等，较国外相差甚远。

与国外公司相比，在经营管理方面上还有待完善。

1.4 课题的研究目的和意义 

近年来全世界的能源危机，促进了传热强化技术方面的发展。

为了节能降耗，提高工业的生产效益，要求开发适用于不同工业过程要求的高效能换热设备。

这是因为，随着近年来能源短缺的问题越来越重，可利用热源的温度也越来越低了，换热所允许的温差将变得越来越小，故对换热技术的发展和换热性能的要求也就愈来愈高[4]。

所以，这些年来，换热器的开发与研究逐渐成为人们所关注的话题。

在技术进步与经济效益的双重催动下，国外推出了许多种新型换热器，例如，ABB公司的螺旋折流板换热器（HelixchangerTM）、Hamon-Lummus公司SRCk空冷式冷凝器、Packinox换热器、NTIW列管式换热器、日本的Hybrid混合式换热器等[5]。

这些国外针对新型换热器的研究中，有的着重于强化管内的传热，有的改进了管箱的设计，有的着眼于壳程的强化传热，有的着重于防腐防垢等方面。

第二章换热器的工艺计算

2.1 设计任务和操作条件  

两流体的温度变化情况：

热流体软水进口温度25℃，出口温度18.6℃，工作压力为0.4Mpa，流量为，65909Kg/h；冷流体气氨进口温度-10℃，出口温度5℃，工作压力为0.38Mpa，流量为53000Kg/h。

2.2确定设计方案 

2.2.1两流体温度变化情况

热流体的进口温度为25℃，出口温度为18.6℃；冷流体的进口温度为-10℃，出口温度为5℃ 。

2.2.2流程安排

根据本次设计安排，使热流体软水走管程，使冷流体气氨走壳程。

2.3确定物性数据 

定性温度，对于一般气体和水等低粘度流体，其定性温度可取流体进出口温度的平均值，故管程软水的定性温度为：

（2-1）

壳程气氨的定性温度为：

2.5℃ 。

表2-1壳程和管程流体的有关物性数据 

密度

Kg/

比热容

KJ/kg·

粘度

Pa/S

导热系数

W/m·ｋ

软水

994

4.183

8.937

0.6105

气氨

2.954

2.22

85.3

0.022

2.4估算传热面积 

2.4.1热负荷 

（2-2）

2.4.2软水用量 

m=18.308kg/s 

2.4.3平均传热温差 

按单壳程，多管程进行计算，逆流时平均温差为：

2.4.4计算换热面积 

由化工原理附录，低温流体为气氨，高温流体为软水，K的经验值为260-710W/（㎡ ） [6]。

初选K=400W/（㎡·℃）；

（2-3）考虑12.5%的面积裕度：

2.5核算换热器 

2.5.1核算总传热系数 

管程对流传热系数：

当量直径de（2-7）

流通截面积（2-8）

流速（2-9）

雷诺数（2-10）

普朗特数（2-11）

壳程对流传热系数：

壳程流通截面积  

流速

当量直径

雷诺数  

普朗特数  

取

污垢热阻：

取管内污垢热阻

取壳内污垢热阻

管壁热阻碳钢在该条件下的导热系为 

（2-12）

总传热系数：

管壁热阻可忽略时，总传热系数为：

传热面积裕度：

传热面积  （2-13）

实际传热面积 

该换热器的面积裕度为

该换热器能够完成生产任务。

2.5.2核算压强降 

管程压降：

管程阻力结构校正系数

管程数 ，壳程数

单程至管阻力 

有Re=3234.7，传热管相对粗糙度为0.01，查莫狄图得，流速为0.127m/s。

（2-14）

管程流体阻力在允许的范围内。

壳程压降：

流体流经管束的压降：

管子形式对阻力损失的影响 F=0.3。

（2-15）

流体流经过折流板的压降：

总压降：

计算表明，管程壳程压强降都满足要求。

2.6工艺结构尺寸 

2.6.1管径与管内流速的选择 

选取传热管尺寸φ19×2mm ，料为10号钢管，管内物料为水，选择管内流速为μ1=0.175m/s 。

2.6.2单程传热管数的确定 

可依据传热管内径和流速确定单程传热管数 ：

（2-4）

2.6.3管长度的确定 

按单程计算  （2-5）

按单程管设计，传热管过长，宜采用多管程结构。

根据实际情况，采用标准设计，取传热管长l=5500mm，则该换热器的管程数为：

换热管总数：

2.6.4平均传热温度校正及壳程数 

平均传热温度校正系数：

正方形排列不紧凑，但便于机械清扫，常用于壳程介质易生污的浮头式换热器；采用正方形[7]。

管心距：

其换热管分程隔板槽两侧相邻的管心距

横过管束中心线的管数：

2.6.5筒体内径的确定 

采用多管程结构，壳程体内径可按式估算，取管板利用率η=0.65，则壳体内径：

圆整取标准系列，取 

2.6.6折流板 

采用弓形折流板，取弓形折流板圆缺高度为壳体内径的25%。

则切去的圆缺高度h为：

折流板间距B：

流板折数

折流板圆缺面水平装配。

2.6.7其他附件 

由上可知，DN=500mm，栏杆直径为φ12mm，数量为6根。

2.6.8接管 

壳程流体进出口接管，取接管内流速为34m/s，则接管内径为

（2-6）

选用无缝钢管，尺寸为φ263×6mm。

管程流体进出口接管，取接管内流速为1m/s，则接管内径为：

选用无缝钢管，尺寸为φ165×9mm。

综上所得，汇总数据如表2-2。

表2-2数据汇总

管程

壳程

流量kg/h

65909

53000

温度

25/18.6

-10/5

压力MPa

0.4

0.38

定型温度

密度kg/

热容kJ/kg

粘度Pa/s

导热系数W/m·k

普兰特数

21.8

2.5

994

2.954

4.183

2.22

8.937

85.3

0.6105

0.022

6.123

961

型式

管壳式

台数1

壳体内径mm

500

壳程数1

管径mm

Ф19×2

管心距25mm

管数目（根）

224

管长mm

5500

折流板数30

传热面积

64

折流板距175mm

管程数

2

材质碳钢

主要计算结果

管程

壳程

流速m/s

0.127

34.6

传热膜系数w/

1305.01

40

污垢热阻/W

0.000345

0.000517

压力损失KPa

0.024

122

2.7本章小结 

本章主要阐述了管壳式换热器的工艺计算，根据操作条件和设计任务来确定换热器的类型，并查找物性数据[8]。

进行传热计算，并确定工艺结构的尺寸，管子的规格，数目的计算，是否分程等。

其他零部件的初步选定。

壳体的公称直径，接管的计算及确定。

管、壳程流体的阻力计算，以及总传热系数校核。

第三章管壳式换热器的强度计算

表3-1管、壳程计算相关部分数据

管程

壳程

操作压力

0.4

0.38

设计压力

1.32

1.32

操作温度

25/18.6

-10/5

设计温度

40

10

介质

软水

气氨

腐蚀裕量mm

2

2

程数

4

1

焊接接头系数

0.85

0.85

3.1壳体计算 

3.1.1筒体计算 

根据工艺条件壳程的设计压力为1.0Mpa，焊缝采用单面焊对接接头局部无损探伤，焊接接头系数0.8，材料选Q345R，100℃下材料的许用应力=189MPa（3<<16）。

按GB6654-1996，取钢材厚度负偏差，=0.3mm 腐蚀裕量，

圆筒计算壁厚为：

（3-1）

设计厚度

名义厚度

有效厚度

液压试验：

对于内压容器，耐压试验的的目的是：

在超设计压力下，考核缺陷是否会发生快速扩展造成破坏或开裂造成泄漏，检验密封结构的密封性能。

水压试验压力：

式中：

耐压试验压力,MPa；

P压力容器的设计压力,MPa；

η耐压试验压力系数；

对于钢和有色金属，液压试验时η=1.25。

压力试验允许通过的应力水平。

试验压力下圆筒的应力：

（3-2）

由于，所以满足条件。

3.2前端管箱筒体计算

（1）管程的设计压力P=1.32MPa；焊接接头系数=0.8设计温度70℃；腐蚀裕量=2mm。

在此筒体的材料选择Q345R设计温度需用应力=189MPa，钢板负偏差=0.3mm，腐蚀余量2mm。

（2）液压实验 

对于内压容器，耐压试验的的目的是：

在超设计压力下，考核缺陷是否会发生快速扩展造成破坏或开裂造成泄漏，检验密封结构的密封性能。

实验压力值：

（3-3）

实验压力下圆筒的应力：

（3-4）

校核≤，所以合格。

3.3管箱封头的设计 

根据工艺条件的要求、制作的难易程度和材料的消耗等情况来判断，采用标准椭圆封头最为合理[9]。

根据JB/T4737-1992标准，取管箱封头为DN500×8，曲面高度。

直边高度，材料选用Q345R。

最大允许工作压力：

（3-5）

应力校核：

（3-6）

为保证耐压实验时管器材料处于弹性状态，在耐压试验前必须按下式校核试验时封头的薄膜应力：

（3-7）

液压试验时，应满足满足要求。

3.4设计计算 

根据换热器筒体内径DN500×8，查GB151-1999《管壳式换热器》可得封头球面内半径=400mm[10]。

表3-2布管限定圆参数表

换热器形式

固定管板式/U形式

浮头形式

布管限定圆直径

-2

-2（++b）

选择所用参数并绘制表格3-3。

表3-3布管限定圆参数表

序号

项目

单位

数值

项目

单位

数值

1

b

mm

4

布管限定圆直径

mm

471

2

mm

5

垫片压紧力作用中心圆直径

mm

3

mm

14

封头球面内半径

mm

400

4

mm

5.5

螺栓中心圆直径

mm

布管限定圆直径：

法兰和钩圈的内直径：

法兰和钩圈的外直径：

外头盖内直径D：

管板外径：

螺栓中心圆直径：

3.5壳程外压作用下的计算 

分别按设计压力计算，然后取最大值。

计算压力=400mm，封头的材料仍选择Q345R。

封头材料的许用应力=189MPa，

焊接接头系数，

取腐蚀裕量，厚度负偏差=0.3mm。

3.5.1按内压设计

（3-8）

（3-9）

（3-10）

（3-11）

3.5.2按外压设计 

假设厚度，取内压计算值8mm。

A=0.000989mm，

查图GB150图6-5. B=170 。

此时许用外压力：

满足壳程内外压的要求。

3.6管板的设计计算 

3.6.1设计压力及设计温度的选取

（A）设计压力：

（B）设计温度：

取较高侧的设计温度，T=40。

3.6.2结构系数的确定

（1）垫片压紧力作为中心圆的直径，547mm。

按JB4703-2000，A500-1.6，选取，管板外圆直径为563mm。

因。

故。

（2）在布管区内，因设置隔板槽和拉杆结构的需要，而未能被换热管支承的面积，。

对于三角形排列[11]。

取n=29，

。

（3-12）

（3）管板布管区当量直径；

换热管正方形排列的浮头式换热器；

管板布管区的面积为：

。

（3-13）

。

（3-14）

。

（3-15）

（4）面积

管板布管区内开孔后的面积为：

一根换热管管壁金属横截面积从GB151附录J查得a=106.81

224根换热管管壁金属横截面积

（5）系数

3.6.3管板厚度

用可拆式管板夹持型式，厚度初选为35mm，与法兰连接采用凹凸