固定管板式换热器设计说明书.docx
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固定管板式换热器设计说明书
摘要
固定管板式换热器是管壳式换热器的一种典型结构,也是目前应用比较广泛的一种换热器。
这类换热器具有结构简单、紧凑、可靠性高、适应性广的特点,并且生产成本低、选用的材料范围广、换热表面的清洗比较方便。
固定管板式换热器能承受较高的操作压力和温度,因此在高温高压和大型换热器中,其占有绝对优势.
本次设计的题目是乙二醇塔底进料换热器的设计,课题预期达到的目标为:
换热器面积的计算(实际换热面积:
92。
6mm2),管程壳程压力降的计算(小于等于0.4MPa),工艺结构尺寸的计算:
管程数(1管程),换热管的确定(内径:
19mm数量:
500根),壳体内径(600mm),壳程数(1壳程)的计算,折流板的选型(形式:
弓形折流板,数量:
13)等.
换热器的强度计算:
对筒体、管箱厚度的计算和校核,对壳体及管箱各处开孔补强,对延长部分兼做法兰的计算及强度核算.经水压试验、压力校核后显示结果全部合格。
换热器的结构设计:
折流板、法兰(甲型平焊法兰)、换热管、支座(鞍式支座)、垫片(石棉橡胶板垫片)的规格及选型。
完善设计图纸及设计说明书。
关键词:
换热器;工艺;结构;强度
Abstract
Fixedtubeplateheatexchangerisatypicalstructureoftheshellandtubeheatexchangerandawiderangeofheatexchanger。
Thistypeofheatexchangerhasthecharacteristicsofasimplestructure,compact,highreliabilityandwideadaptability,andlowcostoftheproduction,widechoiceofusedmaterials,moreconvenientofcleaningheatexchangerthesurface。
Fixedtubeplateheatexchangercanwithstandsthehigheroperatingpressureandtemperature,soithastheabsoluteadvantageinthepossessionofhightemperatureandhighpressureheatexchangersandlarge,。
Thisdesigntopicisnaphthacondenserdesign,thegoalwhichthetopicanticipatedachieved:
Thecraftdesignofheatexchanger:
theheattransferareacomputation(actualheattransferarea:
322。
2mm2);tubesidepressuredropcomputation(≤0.4MPa);thecraftstructuresizecomputation:
numberoftubepasses(2tubepasses),thenumberofheatexchangetube(insidediameter:
19mm,number:
900),theinsidediameterofshell(1000mm),numberofshellpasses(1shellpasses),thelectotypeofbaffleboard(form:
segmentalbaffle,number:
13)etc
Thestrengthcalculationofheatexchanger:
thecomputationandcheckofcylinderthincknessandchannelthinckness,theshellandthereinforcementforopeningsupplementstheintensity,theextensionpartconcurrentlymakestheflangethecomputationandtheintensitycalculation.Examinatationpartcarriedonthehydraulicpressuretest,thepressureexaminationandsoon,inwhichallresultshasbeenallqualified
Thestructuraldesignoftheheatexchanger:
Thespecificationandlectotypeofbaffleplate、flange(typeAmanholewededflange)、heatexchangetube、suppot(saddlesupport)、gasket(paronitegasket)
Consummatesthedesignpaperandthedesigninstructionbooklet
Keywords:
heatexchanger;craft;structure;intensity
第1章引言
1。
1换热器的用途
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。
换热器的应用广泛,日常生活中取暖用的暖气散热片、汽轮机装置中的凝汽器和航天火箭上的油冷却器等,都是换热器。
它还广泛应用于化工、石油、动力和原子能等工业部门[1]。
它的主要功能是保证工艺过程对介质所要求的特定温度,同时也是提高能源利用率的主要设备之一[2].换热器在节能技术改革中具有的作用表现在两个方面:
一是在生产工艺流程中使用着大量的换热器的效率显然可以减少能源的消耗;另一方面,用换热器来回收工业余热,可以显著提高设备的热效率[3]。
1.2换热器的分类
换热器的种类划分方法很多,方法也各不相同。
按其用途:
可将换热器分为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器、再沸器[4~5]。
按其传热方式和作用原理:
可分为混合式换热器、蓄热式换热器、间壁式换热器等。
其中间壁式换热器为工业应用最为广泛的一种换热器。
它按传热面形状可分为管式换热器、板面式换热器、扩展表面换热器等。
这其中又以管壳式换热器应用最为广泛,它通过换热管的管壁进行传热。
具有结构简单牢固、制造简便、使用材料范围广、可靠程度高等优点,是目前应用最为广泛的一种换热器[5].
管壳式换热器的形式:
管壳式换热器根据其结构的不同,可以分为固定管板式换热器、浮头式换热器、U形管式换热器、填料函式换热器、釜式重沸器等[6~8]。
1。
3换热器的发展趋势
二十世纪20年代出现板式换热器,并应用于食品工业.以板代管制成的换热器,结构紧凑,传热效果好,因此陆续发展为多种形式。
30年代初,瑞典首次制成螺旋板换热器[9~12].接着英国用钎焊法制造出一种由铜及其合金材料制成的板翅式换热器,用于飞机发动机的散热。
30年代末,瑞典又制造出第一台板壳式换热器,用于纸浆工厂。
在此期间,为了解决强腐蚀性介质的换热问题,人们对新型材料制成的换热器开始注意[13]。
60年代左右,由于空间技术和尖端科学的迅速发展,迫切需要各种高效能紧凑型的换热器,再加上冲压、钎焊和密封等技术的发展,换热器制造工艺得到进一步完善,从而推动了紧凑型板面式换热器的蓬勃发展和广泛应用。
此外,自60年代开始,为了适应高温和高压条件下的换热和节能的需要,典型的管壳式换热器也得到了进一步的发展.70年代中期,为了强化传热,在研究和发展热管的基础上又创制出热管式换热器[14]。
当前换热器发展的基本趋势是:
继续提高设备的传热效率,促进设备结构的紧凑性,加强生产制造成本的标准系列化,并在广泛的范围内继续向大型化发展,并CDF(ComptationalFluidDynamics)模型化技术、强化传热技术及新型换热器开发等形成一个高技术体系[15~16]。
板翅式换热器(冷箱)主要用于乙烯裂解,空气分离和天然气液化等。
我国杭州制氧机集团有限公司(杭氧)在引进美国S—W公司技术和关键加工设备—-大型真空钎焊炉基础上,生产制造出的乙烯冷箱,设计水平和制造能力已基本达到国际先进水平,并在燕山,扬子,上海,天津,广州及齐鲁等乙烯改造项目中得到应用。
板翅式换热器流道多达15股,单体外形尺寸达6m×1.1×1.154m,最高设计压力达5。
12Mpa.管壳式换热器具有结构坚固、弹性大和使用范围广等独特优点,一直被广泛应用.尤其在高温高压和大型化的场合下,以及制造工艺上的进一步自动化和机械化,管壳式换热器今后将在广泛的领域内得到继续发展[17].
第2章固定管板式换热器的工艺计算
2.1估算换热面积
2.1.1选择换热器的类型
两流体温度变化情况:
热流体进口温度170℃,出口温度140℃;冷流体进口温度70℃,出口温度90℃,因此初步确定选用固定管板式换热器。
2。
1.2流程安排
从两物流的操作压力来看,应使温度低的走管程,温度高的走壳程。
2。
1.3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。
故壳程流体的定性温度为:
管程流体的定性温度为:
根据定性温度,分别查取壳程和管程流体的有关物性数据。
在155℃下的有关物性数据如下:
密度=1.38kg/
定压比热容=1.038kJ/kg·℃
热导率=0。
0545W/m·℃
粘度=2。
3×Pa·s
N2在80℃下的物性数据:
密度=1。
14kg/
定压比热容=1。
038kJ/kg·℃
热导率=0。
051W/m·℃
粘度=2。
1×Pa·s
2。
1。
4估算传热面积
1。
热流量:
(2—1)
2。
平均传热温差:
(2-2)
3。
传热面积:
由于壳程的压力较高,故可以选取较大的K值。
假设K=20W/(㎡。
K)则估算的面积为:
(2—3)
2。
2工艺结构尺寸
2。
2。
1管径和管内流速
换热管的规格包括管径和管长,换热管直径越小,换热器单位体积的换热面积越大。
因此,对于洁净的流体管径可取小些,但对于不洁净或易结垢的流体,管径应取得大些,以免堵塞。
本设计选用Φ25×2较高级冷拔传热管(碳钢),取管内流速=10。
8m/s
2.2。
2管程数和传热管数
根据传热管内径和流速确定单程传热管数[19]:
(2—4)
按单程管计算,所需的传热管长度为:
(2-5)
按单程管设计传热管过长,宜采用多管程结构。
我国生产的钢管系列标准中管长有1.5m,2m,3m,4。
5m,6m和9m,根据选定的管径和流速,现取传热管长.
则该换热器的管程数为:
(2—6)
传热管总根数:
平均温差校正系数:
按单壳程,两管程结构,查得:
平均传热温差:
(℃)(2-7)
由于平均温差校正系数大于0。
8,同时壳程流体流量较大,故取单壳程合适.
2。
2。
4传热管排列和分程方法
管子的排列方式有等边三角形,正方形,转角正方形三种。
与正方形相比,等边三角形排列比较仅凑,管外流体湍动程度高,表面传热系数大。
正方形排列虽然比较松散,传热效果也较差,但管外清洗比较方便,对易结垢流体更为适用.若将正方形排列的管束斜转45°安装,可在一定程度上提高对流传热系数[12]。
图2-1换热管排列方式
综合本设计结构和工艺结构考虑采用正三角形排列方法。
取管心距(焊接时),则(2-8)
隔板中心到力气最近一排管中心距离:
(2-9)
2.2.5壳体内径
采用多管程结构,取管板利用率,则壳体内径为:
(2-10)
按卷制壳体的进级档,可取mm。
2。
2。
6折流板
安装折流挡板的目的是为了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,本设计采用弓形折流板,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[12].
取弓形折流板圆缺高度为壳体内径的25%,则切去的圆缺高度为:
(mm)
故可取h=1665(mm)
取折流板间距,则:
(mm)
故可取B=200(mm)
折流板数:
(2-11)
2.2.7其他附件
根据本换热器壳体的内径,故按标准取拉杆直径为,拉杆数量4根.
壳程入口处应设防冲挡板[19].如下表所得:
表2—1拉杆直径表
换热管外径d 拉杆直径dn
10≤d≤1410
14〈d〈2512
25≤d≤5716
2.2。
8接管
壳程流体进出口接管:
取接管内流速为,则接管内径为:
(2-12)
圆整后可取内径为360mm。
管程流体进出口接管:
取接管内液体流速,则接管内径为:
(2-13)
圆整后取管内径为410mm.
2。
3换热器核算
2。
3。
1热流量核算
(1)壳程表面传热系数[18~19]
用克恩法计算,
(2-14)
当量直径:
(2-15)
壳程流通截面积:
(2—16)
壳体流体流速及雷诺数分别为:
(2-17)
(2-18)
普朗特数:
(2—19)
粘度校正:
则:
(2)管内表面传热系数:
(2-20)
管程流体流通截面积:
(2-21)
管程流体流速:
普朗特数:
(2-22)
(3)污垢热阻和管壁热阻
管外侧污垢热阻:
管内侧污垢热阻:
碳钢在该条件下的热导率为
管壁热阻为:
(4)传热系数
(2—23)
(5)传热面积裕度
计算的传热面积为:
(2—24)
该换热器的实际传热面积为:
(2-25)
该换热器的面积裕度为:
(2—26)
传热面积裕度合适,该换热器能够完成生产任务。
2。
3.2壁温核算
由于换热管内侧污垢热阻较大,会使传热管内侧污垢热阻较大,会使传热管壁温升高,减低了传热管和壳体的壁温之差.但在操作初期,污垢热阻较小,壳体和传热管间壁温差可能较大。
计算中应按最不利的操作条件考虑,因此,取两侧污垢热阻为零计算传热管壁温[19]。
(2-27)
式中液体的平均温度和为:
(℃)(2—28)
(℃)(2-29)
传热管平均壁温:
℃
壳体壁温可近似取为壳程流体的平均温度,即℃。
壳体壁温和传热管壁温之差为:
由于换热器壳程流体的温差不大,壳程压力不高,因此,选用固定管板式换热器较为适宜。
2.3。
3换热器内流体的流动阻力
(1)管程流体阻力
(2-30)
(2-31)
传热管对粗糙度,查图得流速,
(Pa)
(Pa)(2-32)
(Pa)
管程流体阻力在允许范围之内[19].
(2)壳程阻力
(2—33)
.
(2—34)
(2—35)
m/s
(Pa)
流体流过折流板缺口的阻力:
(2-36)
m,m
(Pa)
总阻力:
(Pa)
由于该换热器壳程流体的操作压力较高,所以壳程流体的阻力也比较适宜。
2。
4换热器的主要结构尺寸和计算结果
表2—2物性参数表
参数 管程壳程
流率/(Kg/h)148971347600
进/出温度/℃70/90170/140
压力/MPa0.0450。
009
定性温度/℃80155
密度/(Kg/m)1.381。
14
定压比热容/KJ/(Kg.K)1.0381.038
粘度/cp0。
2110.23
热导率/[W/(m。
℃)]0。
0510.054
普朗特数4.424
设备结构参数:
壳体内径/mm:
800,壳程数:
1,
管径/mm:
Ø25×2,材质:
碳钢,
管心距/mm:
25,管数目/根:
449,
折流板数/个:
2,传热面积/㎡:
176,
折流板间距/mm:
2000,管程数:
1。
表2—3计算结果表
主要计算结果 管程壳程
流速/(m/s)10。
820
表面传热系数/[W/(㎡.℃)]76371565
污垢热阻/(㎡.h.℃/Kcal)0。
00020。
000176
阻力/MPa0。
02880.025
传热温差/K62.3
面积裕度%17.9
第3章强度计算
3.1筒体壁厚计算
由工艺设计给定的设计温度155℃,设计压力=1.1=1。
1×0。
099=0。
0099,选低合金结构钢板16MnR卷制。
材料170℃时的许用应力=170Mpa(假设厚度为6~16mm时)[12]取焊缝系数=0。
85,腐蚀裕度C2=2mm。
则
计算厚度(3-1)
设计厚度(3—2)
对于16MnR,钢板负偏差,因而可取名义厚度.
有效厚度(3—3)
水压试验压力(3-4)
所选材料的屈服应力
水压试验应力校核
(3-5)
水压强度满足要求.
气密试验压力
3。
2管箱短节、封头厚度的计算
3。
2.1管箱短节厚度的计算
由工艺设计给定设计参数为:
设计温度60℃,设计压力=1。
1=1。
1×0.4=0.44,选用16MnR钢板,材料许用应力=170Mpa,屈服强度,取焊缝系数[12]
计算厚度(3-6)
设计厚度(3-7)
名义厚度(3—8)
综合考虑结构,补强,焊接的需要,取
有效厚度(3—9)
3.2.2封头厚度的计算
壳体封头选用标准椭圆封头
计算厚度(3-10)
名义厚度(3—11)
为了便于选材壳体封头厚度取与短节厚度相同。
有效厚度
压力试验应力校核
水压试验压力(3—12)
(3—13)
3。
3管箱短节开孔补强的校核
开孔补强采用等面积补强法,由工艺设计给定的接管尺寸为考虑实际情况选20号热轧碳素钢管,,腐蚀裕度
(3-14)
接管计算壁厚(3-15)
接管有效壁厚(3—16)
开孔直径(3-17)
接管有效补强宽度(3-18)
接管外侧有效补强高度(3—19)
需要补强面积(3-20)
可以作为补强的面积为
(3—21)
(3-22)
(3—23)
该接管补强的强度足够,不需另设补强结构。
3。
4壳体接管开孔补强校核
开孔补强采用等面积补强。
选取20号热轧碳素钢管,钢管的许用应力,
接管计算壁厚(3-24)
接管有效壁厚(3—25)
开孔直径(3-26)
接管有效补强宽度(3-27)
接管外侧有效补强高度(3-28)
需要补强面积(3-29)
可以作为补强的面积为
(3-30)
(3—31)
(3-32)
无需另设补强结构。
3.5管板设计及校核
3。
5。
1管板计算的有关参数的确定
计算壳程圆筒内直径横截面积
(3-33)
圆筒壳壁金属的横截面积
(3-34)
一根换热管管壁金属的横截面积
(3—35)
(3—36)
两管板间换热管有效长度
(估计管板厚度为)
(3—37)
管束模数
根据查得(换热管材料为)
(3—38)
管子回转半径
(3—39)
管子受压失稳当量长度
由,确定
(3-40)
取(3—41)
管子稳定许用压应力
根据查得[4]
(3—42)
由公式得为
(3-43)
管板开孔后面积
(3-44)
管板布管区面积
(3-45)
管板布管区的当量直径
(3—36)
系数为
(3-37)
壳体不带波形膨胀节时,换热管束与圆筒刚度比
(3-38)
系数、、
(3-39)
(3-40)
(3—41)
管板布管区的当量直径与壳程圆筒内径之比
(3-42)
3.5.2计算法兰力矩
根据,壳程直径,选用甲型平焊法兰,直径螺柱选用,数量,材料为[20]。
预紧状态下需要的最小螺栓面积垫片选用石棉橡胶板垫片,公称直径,公称压力P=1.0Mpa
垫片型号:
1400-1。
0JB/T4701-2000,D=1155mm,d=20mm.根据表查得系数,比压力[21].
3.5。
3管板的计算的相关参数
确定
假定管板的计算厚度,则换热管的加强系数为
(3-43)
刚度参数计算及某些系数的确定
确定(根据)
(3—44)
(3-45)
(3—46)
3.5。
4确定和
由和根据查得
(3—47)
3.5.5对于其延长部分兼作法兰的管板计算
计算
(3-48)
由和根据查得
计算
(3-49)
(3-50)
(3-51)
3。
5.6设计条件不同的组合工况
壳程压力作用下的危险组合
壳程压力
管程压力
不计膨胀
由和根据查得
则取与中较大的值
(3-52~55)
(1)管板应力
(3-56)
(3—57)
(3—58)
(2)壳体法兰应力
(3—59)
按
(3-60)
(3)管子应力
(3—61)
(4)壳程圆筒轴向应力
(3-62)
(5)拉脱应力
连接形式选用焊接
(3-63)
管程压力作用下的危险组合
壳程压力
管程压
不计膨胀差
(3—64~67)
由和根据查得
则
(3-68~71)
(1)管板应力
(3-72)
(3-73)
(3-74)
(3-75)
(2)壳体法兰应力
(3—76)
按
(3—77)
(3)管子应力
(3—78)
(4)壳程圆筒轴向应力
(3—79)
(5)拉脱应力
连接形式选用焊接
(3—80)
计算结果表明进行的管板设计合格.
第4章结构设计
4.1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)、600mm8种[18]。
4。
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:
JB4710甲型平焊法兰选用压力范围为0.25~1.6Mpa
JB4702乙形平焊法兰选用压力范围为0。
25~4.0Mpa
JB4703长颈对焊法兰选用压力范围为0.6~6.4Mpa
本设计选用JB4701甲型平焊法兰选用压力范围为0.25~1。
6Mpa。
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
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