换热器开题报告.docx

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换热器开题报告

丙烯冷凝器（E-301）设计

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摘要：

本文先简单阐述了换热器的研究背景，并附带介绍了换热器的重要作用及其型式的发展过程。

然后结合课题设计方向，由于本次设计方向为丙烯冷凝器（E-301）的设计，该冷凝器属于浮头式换热器的一种；在介绍浮头式换热器常见通用结构过程中，讲述一些用于该丙烯冷凝器的元件结构。

最后，简单讲述了本次设计所用的技术路线，大致介绍了冷凝器设计的相关步骤和方法。

关键字：

浮头式换热器，冷凝器，技术路线

1研究背景

换热设备是化工、炼油工业、医药、冶金、制冷等工业中普遍应用的典型工艺设备，用来实现热量的传递，使热量由高温流体传送给低温流体。

在实际生产过程中，为了满足工艺的要求，往往进行着各种不同的换热过程：

如加热、冷却、冷凝、蒸发等。

一般换热器需要满足如下的基本条件：

合理地实现所规定的工艺条件；安全可靠；利于安装、操作、维修；经济合理[1]。

管壳式换热器的使用已有很悠久的历史；在二十世纪30年代，开始出现板式换热器，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。

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。

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。

近年来，由于能源消耗引起了人们的广泛重视，能源价格的逐渐上升，循环回收再利用观念已开始深入人心，工厂中废热回收也越来越具有吸引力。

通过换热器的使用，回收生产过程中产生的废热来提高工厂的效率以减少国家的能源需求，节省资源，对于国家长久的发展来说具有重要的意义。

同时，通过对换热器的优化设计，提高各类换热器的工作效率，减少因工作而造成的更多的能源浪费，也是设计换热器的重中之重。

2文献综述

常见换热器种类：

按传热方式的不同，换热器大致可分为三类，主要有混合式换热器、蓄热式换热器、间壁式换热器。

其中，间壁式换热器的工业应用最为广泛，它的原理是将冷、热流体用一固体壁面隔开，通过壁面进行传热。

其优点是避免了介质间的直接接触而导致介质的污染。

在间壁式换热器中，由于管壳式换热器具有成本低，清洗方便，适用性强，工作可靠等优点，所以它的应用围较广，在换热设备应用过程中仍处于主导地位。

冷凝器属于换热器的一种，常用于空调系统中，在化工行业的应用也较为常见。

冷凝器可用液体（例如水）或气体（如空气）来冷却，冷凝蒸汽可用来加热流体。

一般冷凝流体的流动路线为：

（1）在水冷式凝气器中走管外；

（2）在气冷式凝气器中走管[2]。

本文介绍的丙烯冷凝器结构属于浮头式换热器。

浮头式换热器：

浮头式换热器的结构特点是两端管板之一不与壳体固定连接，可在沿壳体轴向自由移动，该端称为浮头。

当换热管与壳体有温差存在，壳体或换热管膨胀时互不约束，当两种介质温差较大时，管束与壳体间不会产生温差应力。

浮头端可设计为拆结构，使管束可以容易的插入或抽出（也有设计成不可拆的），这样为检修、清洗提供了方便[3]。

所以，它适用于壳体与管束壁温差较大或壳程介质易结垢的场合。

浮头式换热器的主要元件：

换热管、管板、管箱、壳体、折流板、封头、法兰、接管等。

图2-1浮头式换热器

2.1换热管

2.1.1换热管常见类型

换热管常用形式为光管，该类型管制造方便，较为经济，但是传热效率较低。

为了强化传热，换热管还可采用强化传热管，如波纹管、螺旋槽管、螺纹管等。

强化传热管的主要原理是通过改变管表面或部形貌，从而改变流体的湍动程度，来达到强化传热的目的。

由于换热器中的传热在管子的表面，从性能角度来考虑管子几何变量的选择显得重要。

管子应该能承受两侧的操作温度与压力、壳体和管束之间不同的热膨胀引起的热应力、管程和壳程流体的腐蚀性[2]。

管子的大小由管外径和管壁厚度决定。

从传热的角度来看，小管径的管子能获得较高的传热系数，从而换热器也较紧凑。

但大管径的管子易于清洗，更强固，当允许的管侧压降很小时需要用到这种管子。

其具体尺寸需参照相关设计手册进行选择[2]。

换热管材料，管材的选择主要是根据工况条件来进行，常用材料有碳素钢、低合金钢、不锈钢、铝合金等，此外还有一些如石墨、聚四氟乙烯、瓷等非金属材料。

2.1.2换热管排列方式

换热器管的布管原则是：

无论采用哪种排列，都必须使管束周围的弓形空间尽可能多布管，增大传热面积，防止壳程流体短路[1]。

图2-2为几种常见的换热管排列方法，其形式主要有正三角形、转角正三角形、正方形、转角正方形。

正三角形排管方法在同样的管板面积上可以排最多的管，故而应用最为普遍，其缺点为清洗较困难。

为了便于管外清洗，可采用正方形或转角正方形排列的管束。

正三角形

转角正三角形（P为管中心距）

正方形

转角正方形

图2-2换热管排列方式

2.2管板

管板主要用于分布换热管，将管程和壳程的流体分隔开来，也将冷热流体分开，避免他们混合，同时有受管程、壳程压力和温度的作用。

在管板材料的选择中，主要需要考虑材料的力学性能，还要考虑在管程、壳程中流动介质的腐蚀性，以及管板和换热管之间的点位差对腐蚀性的影响[1]。

管板的设计准则为在满足强度要求的前提下，尽量减小管板的厚度，薄管板换热器可以节约管板材料。

2.3管箱

壳体直径较大的换热器多采用管箱结构。

管箱位于管壳式换热器两端，管箱的作用是把从管道输送出来的流体均匀的分布到各换热管和把管流体汇集在一起送出换热器。

在多管程换热器中，管箱还起改变流体流向的作用。

管箱的结构形式主要以换热器是否需要清洗或管束是否需要分程等因素来确定[1]。

图2-3为管箱几种常见的结构型式。

图2-3管箱结构型式

2.4壳体

壳体常为一个圆筒，在壳壁上焊有接管，供壳程流体进入和排出之用。

P201小尺寸的壳体通常用标准尺寸的管子加工而成，大尺寸的壳体则用平板卷合而成。

用于壳体的费用要远比管子的花费高，因此设计人员在设计时一般只使用一个壳体来满足要求的换热面积。

比较经济的换热器通常是壳体直径小但尽可能长，只要满足整个工厂的布局、安装以及使用等现场条件即可[2]。

2.5折流板

设置折流板的目的是为了提高壳程流体的流速，增加湍动程度，并使壳程流体垂直冲刷管束，以改善加热，增大壳程流体的传热系数，减小结垢。

在卧式换热器中，折流板还起支撑管束的作用。

常用的折流板型式有弓形和圆盘-圆环形两种。

图2-4描绘了部分弓形和圆盘-圆环型折流板的样图。

图2-4弓形板及圆盘-圆环形折流板

2.6管流动的分程

管束分程，在管流动的流体从管子的一端流到另一端，称为一个行程。

在管壳式换热器中，最简单常用的是单管程的换热器。

为使流体在管束中保持较大流速，可将管束分成若干程数，使流体依次流过各程管子，以增加流体速度，提高传热系数[1]。

下表2.1列出了管程的几种管束分程布置型式。

表2.1管程管束分程布置表

2.7.换热器中的其它结构

2.7.1封头

选择封头时有两点主要考虑的因素；

（1）是否容易接近传热管，以便于清洗和更换；

（2）管道安装是否方便。

如果容易结垢或经常需要检查，最好选择容易移动的封头和端盖[2]。

2.7.2排液口和排气口

所有换热器都要设置排液口和排气口，所以，要确定排液口和排气口的合适位置和大小。

可能还须设置其他的孔，以供安装压力表和热电偶等用[2]。

3技术路线

3.1初步设计

管壳式换热器的整个设计步骤非常繁琐，所以有必要分解为一下几个不同的步骤：

a）初步估算管壳式换热器的尺寸大小；

b）几何参数的计算，亦即辅助计算；

c）传热和压降的校正因子；

d）壳侧传热膜系数和压降；

e）管侧传热膜系数和压降；设计的评价，即设计结果与设计规格比较[2]。

3.2各设计参数

3.2.1设计压力

设计压力指设定的换热器管、壳程顶部的最高压力，与相应的设计温度一起作为设计载荷条件，其值不得低于工作压力。

对于同时受管、壳程压力作用的原件，仅在能保证管、壳程同时升、降压时，才可以按压差设计，否则应分别按管、壳程工作压力确定设计压力，并应考虑可能存在的最苛刻的管、壳程压力组合。

按压差设计时，压差的取值还应考虑在压力试验过程中可能出现的最大压差值，同时设计者应提出压力试验的步进程序。

计算压力：

计算压力指在相应的设计温度下，用以确定换热器原件厚度的压力，其中包括液柱静压力。

当元件所承受的液柱静压力小于5%的设计压力时，可忽略不计[4]。

3.2.2载荷

设计时应考虑以下载荷；压、外压或最大压差；膨胀量不同引起的作用力；液柱静压力。

3.2.3腐蚀裕量

为防止换热元件由于腐蚀、机械磨损而导致厚度削弱减薄，应考虑腐蚀裕量，具体规定如下：

a.对有腐蚀或磨损的零件，应根据预期的寿命和介质对金属材料的腐蚀速率确定腐蚀裕量；

b.换热器各元件受到的腐蚀程度不同时，可采用不同的腐蚀裕量；

c.介质为压缩空气、水蒸气或水的碳素钢或低合金钢制换热器，腐蚀裕量不小于1mm。

换热器主要元件腐蚀裕量的考虑原则：

a.管板、浮头法兰、球冠形封头和钩圈两面均应考虑腐蚀裕量；

b.平盖，凸形封头、管箱和圆筒的表面应考虑腐蚀裕量；

c.管板和平盖上开槽时，可把高出隔板槽底面的金属作为腐蚀裕量，当腐蚀裕量大于槽深时，还应加上两者的差值；

d.压力容器的法兰和管法兰的径表面上应考虑腐蚀裕量；

e.换热管不考虑腐蚀裕量；

拉杆、定距杆、折流板和支持板等非受压元件，一般不考虑腐蚀裕量[4]。

3.2.4设计温度

考虑设计温度主要是考虑环境温度对材料性能的要求。

在GB_150—2011中，通常将设计温度低于或等于-20℃称为低温。

由于低温环境对材料性能有较为特殊的要求，所以相关选材及计算设计也要按相关规定进行，以满足工况要求。

3.3换热管与管板的连接

3.3.1强度胀接

胀接是最早采用的方法，它在温度和压力不高时可以满足要求，但在高温高压时胀接无法满足需要。

胀接的原理是，当管子被胀大后，管子发生塑性变形使其管外径比板孔径更大，造成孔与管的过盈配合，因此能承受拉脱力；当过盈面上互相挤压而把间隙填满时，就形成了密封。

图3-1表示出了不同管板厚度的焊接形状。

用于厚度≦25mm的场合

用于厚度>25mm的场合

用于厚管板及避免晶间腐蚀的场合

图3-1强度胀接管孔结构

3.3.2强度焊接

焊接在目前用得比较广泛，且加工简便，连接强度好，在高温高压时也能保证连接处的紧密性与抗拉脱能力。

管子焊接处如有渗漏可以补焊或利用专用工具拆卸后予以更新。

管子与薄管板的连接更应采用焊接方法。

当连接处焊接之后，管板与管子中存在的残余热应力与应力集中，在运行时可能引起应力腐蚀与疲劳破坏。

此外，管子与管板孔之间的间隙中存在的不流动液体与间隙外的液体浓度存在差别，容易产生间隙腐蚀。

用于整体板

用于复合板

图3-2强度焊接管孔结构

3.3.3焊胀并用

胀焊结合法主要是利用胀消除管子与板孔之间的间隙，用焊保证连接质量。

采用先焊后胀工序，焊前管板坡口容易清洗干净，焊接时管子与管板间隙处的空气可以从正、反两侧排除，对于防止焊缝产生气孔及保证焊接接头的质量十分有益。

但是对于焊接性较差的管子与管板的接头，胀接时焊道容易产生微裂纹，甚至将焊道胀裂。

对于这种情况下，应采用深度胀管（即管口处10~15mm不胀），使胀接部位避开焊道，从而减小胀接对焊道的影响。

采用先胀后焊工序，由于胀接时在管端及管板坡口处将留下大量油污、铁锈等杂物，尽管焊前要进行清洗，但由于管桥较窄，加之管子伸出管板等原因，难以保证坡口的彻底清洁。

当焊接时，这些杂物就容易造成夹渣、未熔合及气孔等缺陷，还会造成焊缝高低不平，甚至呈蜂窝状。

另外，焊接所产生的高温会导致已胀接的部位变形，使胀接过程中产生的残余应力和弹性变形有所消失，从而出现了胀紧力变小甚至消失的可能。

有关文献的试验研究结果表明，先胀后焊的泄漏率是先焊后胀的10倍左右[7]。

3.4具体设计方法可参照以下方法进行：

3.4.1常用冷凝器按下列步骤进行设计[5]

（1）确定蒸汽冷凝温度，或由生产过程其他部分的条件（如蒸馏塔、真空喷射泵等）来确定，或由冷凝温度接近冷却水温的程度来确定。

要注意，愈接近冷却水温则所需冷却面积越大。

选择冷却水温不仅要保证冷凝器在夏季的操作性能；同时也要考虑冬季的条件。

（2）确定冷凝的膜温。

（3）确定流体的物性。

应注意壳侧与管侧的温度不同。

（4）由潜热计算冷凝热负荷（混合物的热负荷可以是加权值）。

（5）规定冷却水的温升。

（6）计算水的流量：

其中Q=热负荷；

=水的温升；

=比热。

（7）估算保持最低水流速时的每管程管数。

设管最低流速v，水流截面积a，选定管径并计算其有效流动面积。

（8）设定换热器

a.根据经验估算总传热系数。

b.粗略计算对数平均温差ΔT。

c.估算传热面积A。

d.需要的管长，Fl=A/（每根管长的表面积）

e.假定每管长度l，并计算程数：

如算得的程数不合理，则重新假定管长和（或）管径。

由于程数多，设备制造费用就高，除特殊情况外应力求程数保持在8以下。

f.选用换热器壳体直径，要能按需要的程数紧凑地装入所需的管数。

g.由选定的实际总管数确定每程的实际管数。

各程的管数可能要比最初设计的多几根或少几根。

每程计算的流动面积=（每程管数）（每管的流动面积）

h.计算管流速。

i.计算管侧膜系数。

j.计算壳侧膜系数。

k.根据经验选定管侧和壳侧污垢热阻。

l.计算总传热系数。

m.计算对数平均温差。

n.计算所需传热面积：

o.所设定换热器的实际面积：

（每根管长的表面积）（总管数）（净管长）

p.将上述两个面积进行比较，若实际面积大于或等于所需面积，则所设换热器可满足操作要求。

若所需面积大于实际面积，则另选管数稍多的、管子稍长的或管径稍大的或三者某些结合的换热器，从步骤（8）开始重新计算。

若水的最低流速不合适，则应从步骤（7）起重新计算。

q.校对冬季操作条件对以下几点的影响：

能否保持恒定的年平均冷凝液出口温度；是否由于进口水温较低，使冷却面积过剩从而产生冷凝液过冷；能否保持管的最低水流速。

3.4.2．结构设计[6]

根据传热设计的结果进行换热器的结构设计。

依据的标准主要是GBl50一2011《钢制压力容器》和GBl51—1999《管壳式换热器》，这里主要介绍浮头式换热器。

传热设计已经确定了换热器的形式、管长、管子外径和径、管子根数、管子排列形式、简体径、接管外径、折流板间距和块数、管程数和壳程数，在这些参数的基础上进行结构设计。

首先，根据GB151和管数及管程数，确定换热管中心距及分程隔板两侧相邻管中心距，画出布管限定圆，根据管程分程和布置进行布管。

布管时应注意：

换热管中心距宜不小于1.25倍换热管外径，应尽可能使各管程的换热管根数人致相等。

管板、筒体壁厚的计算，根据GBl51-1999和GBl50-2011和管壳程压力、温度计算即可。

根据GBl51-1999设计合适的分程隔板、纵向隔板、防冲板、防短路结构（旁路挡板和挡管）、滑道、定距管。

如选用浮头式，还要计算钩圈式浮头：

主要包括外头盖垫片、外头盖法兰、钩圈、短节、浮头法兰、分程隔板、浮动管板、球冠形封头（浮头盖）、双头螺栓和螺母等。

其中主要计算浮头盖、浮头法兰、钩圈，球冠形封头（浮头盖）、浮头法兰应分别按管程压力作用下和壳程压力下进行压和外压的设计计算，取其大者为计算厚度。

钩圈分为A型和B型两种具体计算参见GBl51-1999。

最后根据计算结果设计出图。

4进度安排

文献翻译、开题报告

2-3周

换热器设计计算

2-3周

换热器图纸

7周

设计说明书

2周

大设计定稿

2周

准备答辩

1周

参考文献

[1]王学生，惠虎.化工设备设计.：

华东理工大学，2011

[2]T.Kuppan著，钱颂文，廖景娱，邓先和，马小明，毅，郭崇志等译.换热器设计手册..，2004

[3]钱颂文主编.换热器设计手册..化学工业2002

[4]GB151

[5]施林德尔主编.换热器设计手册（第二卷）.：

机械工业，1988

[6]白志国.管壳式换热器的设计.中国造船，2002,43（zl），256-257.

[7]顾天杰.浮头式换热器管束的组装.化工，2002（3），41-42.