换热器毕业设计论文.doc

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河南机电高等专科学校毕业设计说明书

第1章

浮头式换热器是管壳式换热器系列中的一种，它的特点是两端管板只有一端与外壳固定死，另一端可相对壳体滑移，称为浮头。

浮头式换热器由于管束的膨胀不受壳体的约束，因此不会因管束之间的差胀而产生温差热应力，另外浮头式换热器的优点还在于拆卸方便，易清洗，在化工工业中应用非常广泛。

本文对浮头式换热器进行了整体的设计，按照设计要求，在结构的选取上，即壳侧两程，管侧四程。

首先，通过换热计算确定换热面积与管子的根数初步选定结构,然后按照设计的要求以及一系列国际标准进行结构设计，设计的前半部分是工艺计算部分，主要设根据设计传热系数、压强校核、壳程压降、管程压降的计算；设计的后半部分则是关于结构和强度的设计。

主要是根据已经选定的换热器型式进行设备内各零部件（如壳体、折流板、管箱固定管板、分程隔板、拉杆、进出口管、浮头箱、浮头、支座、法兰、补强圈）的设计。

换热器是国民经济和工业生产领域中应用十分广泛的热量交换设备。

随着现代新工艺、新技术、新材料的不断开发和能源问题的日趋严重，世界各国已普遍把石油化工深度加工和能源综合利用摆到十分重要的位置。

换热器因而面临着新的挑战。

换热器的性能对产品质量、能量利用率以及系统运行的经济性和可靠性起着重要的作用，有时甚至是决定性的作用。

目前在发达的工业国家热回收率已达96%。

换热设备在现代装置中约占设备总重30%左右，其中管壳式换热器仍然占绝对的优势，约70%。

其余30%为各类高效紧凑式换热器、新型热管热泵和蓄热器等设备。

其中板式、螺旋板式、板翅式以及各类高效传热元件的发展十分迅速。

在继续提高设备热效率的同时，促进换热设备的结构紧凑性，产品系列化、标准化和专业化，并朝大型化的方向发展。

浮头式换热器是管壳式换热器系列中的一种。

换热管束包括换热管、管板、折流板、支持板、拉杆、定距管等。

换热管可为普通光管，也可为带翅片的翅片管，翅片管有单金属整体轧制翅片管、双金属轧制翅片管、绕片式翅片管、叠片式翅片管等，材料有碳钢、低合金钢、不锈钢、铜材、铝材、钛材等。

壳体一般为圆筒形，也可为方形。

管箱有椭圆封头管箱、球形封头管箱和平盖管箱等。

随着我国工业化和城镇化进程的加快，以及全球发展中国家经济的增长，国内市场和出口市场对换热器的需求量将会保持增长，客观上为我国换热器产业的快速发展提供了广阔的市场空间。

从市场需求来看，在国家大力投资的刺激下，我国国民经济仍将保持较快发展。

石油化工、能源电力、环境保护等行业仍然保持稳定增长，大型乙烯项目、大规模的核电站建设、大型风力发电场的建设、太阳能光伏发电产业中多晶硅产量的迅速增长、大型环境保护工程的开工建设、海水淡化工程的日益成熟，都将对换热器产业产生巨大的拉动。

未来散热器将会朝着更加节能环保和美观实用的角度不断创新与发展，短时期钢制柱式散热器和铜铝复合散热器任将会是市场主流产品与选择。

换热器在工业生产和生活的各个领域都得到了广泛的应用，而且其功作性能的优劣直接影响着整个装置和系统综合性能的好坏，因此换热器的合理设计极其重要，所以一个合理的换热器应满足一下的几点要求：

（1）在给定的工作条件（流体流量、进口温度等）下，达到要求的传热量和流体出口温度；

（2）流体压降要小，以减小运行的能量消耗；

（3）满足外形尺寸和重量要求；

（4）安全可靠，满足最高工作压力，工作温度以及防腐、防漏、工作寿命等方面要求；

（5）制造工艺切实可行，选材合理且来源有保证，以减少初投资；

（6）安装、运输以及维修方便等。

按照设计要求，在结构的选取上，为了增大压差校正系数，采用了壳侧两程管侧四程。

通过换热计算确定换热面积与管子的根数初步选定结构，然后按照设计的要求以及一系列国际标准进行结构设计。

在结构设计时，要考虑许多因素，例如传热条件、材料、介质压力、温度、流体性质以及拆卸等等。

之后对有些部件进行强度校核并进行对其优化设计。

换热设备是化工、炼油、动力、食品、轻工、原子能、制药、机械及其他许多工业部门广泛使用的一种通用设备。

在化工厂中，换热设备的投资约占总投资的10%-20%，在炼油厂中，约占总投资的35%-40%。

1.1换热设备的应用

浮头式换热器由于管束的膨胀不受壳体的约束，因此不会因管束之间的差胀而产生温差热应力，另外浮头式换热器的优点还在于拆卸方便，易清洗，在化工工业中应用非常广泛。

在工业生产中，换热设备的主要作用是使热量又温度较高的流体传递给温度较低的流体，使流体温度达到工艺过程规定的指标，以满足工艺过程上的需要。

此外，换热设备也是回收余热和废热，特别是低位热能的有效装置。

图1-1浮头式换热器实物图

1.2换热器设备的分类

1.2.1按作用原理分类

（1）直接接触式换热器

直接接触式换热器又称混合式换热器，是利用冷，热流体直接接触，彼此混合进行换热的换热器。

为增加两流体的接触面积，以达到充分换热，在设备中常放置填料和栅板，通常采用塔状结构。

如冷却塔，冷却冷凝器等。

（2）蓄热式换热器

蓄热式换热器又称回热式换热器，是借助于固体构成的蓄热体与热流体和冷流体交替接触，把热量从热流体传递给冷流体的换热器。

在换热器内首先由热流体通过，把热量积蓄在蓄热体中，然后由流体通过，由蓄热体把热量释放给冷流体。

由于两种流体交替与蓄热体接触，因此不可避免地会使两种流体少量混合。

若两种流体不允许有混合，则不采用蓄热式换热器。

（3）间壁式换热器

它又称表面式换热器，是利用间壁将进行热交换的冷热两种流体隔开，互不接触，热量由热流体通过间壁传递给冷流体的换热器。

间壁式换热器是工业生产中应用最为广泛的换热器，其形式多样，如管壳式换热器和板式换热器都属于间壁式换热器。

（4）中间载流体式换热器

它是把两个间壁式换热器由在其中循环的载流体连接起来的换热器。

载流体在高温流体换热器和低温流体换热器之间循环，在高温流体换热器中吸收热量，在低温流体换热器中把热量释放给低温流体，如热管式换热器等。

1.2.2按作用方式分类

（1）管式换热器

管式换热器都是通过管子壁面传热的换热器。

按传热管的结构形式不同大致可分为蛇管式换热器、套管式换热器、缠绕管式换热器和管壳式换热器等。

蛇管式换热器一般由金属或非金属管子，按需要弯曲成所需的形状，如圆盘形、螺旋形和长的蛇行等。

它是最早出现的一种换热设备，具有结构简单和操作方便等优点。

按使用状态不同，蛇管式换热器又可分为沉浸式蛇管和喷淋式蛇管两种。

套管式换热器是由两种不同大小直径的管子组装成同心管，两端用U形弯管将他们连接成排，并根据实际需要，排列组合成传热单元，换热时，一种流体走内管，另一种流体走内外管间的环隙，内管的壁面为传热面，一般按逆流方式进行换热。

两种流体都可以在较高的温度、压力、流速下进行换热。

套管式换热器的优点是结构简单，工作适应范围大，传热面积增减方便，两侧流体均可提高流速，使传热面的两侧都可有较高的传热系数；缺点是单位传热面的金属消耗量大，检修、清洗和拆卸都较麻烦，在可拆连接处容易造成泄漏。

管壳式换热器是目前应用最为广泛的换热设备。

在圆筒形壳体中放置了许多管子组成的管束，管子的两端固定在管板上，管子的轴线与壳体的轴线平行。

为了增加流体在管外空间的流速并支撑管子，改善传热性能，在筒体内间隔安装多块折流板，用拉杆和顶距管将其与管子组装在一起。

换热器的壳体上和两侧的端盖上装有流体的进出口，有时还在其上装设检查孔，为了安置测试仪表用的接口管，排液孔和排气孔等。

缠绕管式换热器是芯筒与外筒之间的空间内将传热管按螺旋闲形状交替缠绕而成，相邻两成螺旋状传热管的螺旋方向相反，采用一定形状的定距管使之保持一定的距离。

缠绕状传热管可以采用单根绕制，也可采用两根或多跟组焊后一起绕制。

管内可以通过一种介质，称通道型缠绕管式换热器；也可分别通过几种不同的介质，而每种介质所通过的传热管均汇集在各自的管板上，构成多通道型缠绕管式换热器。

缠绕管式换热器适用于同时处理多种介质等场合。

（2）板面式换热器

板面式换热器是通过板面进行传热的换热器。

板面式换热器按传热板面的结构形式可分为以下五种：

螺旋板式换热器、板式换热器、板翅式换热器、板壳是换热器和伞式换热器。

板面式换热器的传热性能要比管式换热器优越，由于结构上的特点，使流体能在较低的速度下就达到湍流状态，从而强化了传热。

板面是换热器采用板材制作，在大规模组织生产时，可降低设备成本，但其耐压性能比管式换热器差。

第2章浮头式换热器热力计算

浮头式换热器热力计算一般包括：

定性温度和物性参数，初选结构，管程热力计算及流量计算，壳程换热计算，传热系数，管程压降，壳程压降压强校核。

2.1原始数据

油进口温度：

=175℃

油出口温度：

=155℃

油工作压力：

P1=1.6MPa

水进口温度：

=144℃

水出口温度：

=163℃

水工作压力：

P2=2MPa

壳体内径：

DS=700mm

管箱内径：

DN=750mm

换热管规格：

Φ19×3L=8m

2.2定性温度和物性参数计算

水的定性温度：

水的密度：

ρ2=913kg/m3

水的比热：

Cp2=4.32kJ/kg℃

水的导热系数：

k2=0.686W/m℃

水的粘度：

μ2=168.8×10-6

水的柏朗特数：

Pr2=1.08

油（柴油）的定性温度：

油的密度：

ρ1=715kg/m3

油的比热：

Cp1=2.48kJ/kg℃

油的导热系数：

k1=0.133W/m℃

油的粘度：

μ1=6.4×10-4

油的普朗特数：

2.3初选结构

管排列方式：

分程隔板两侧正方形，其余三角形

管子外径：

d0=0.019m

管子内径：

di=d0-（2×3/1000）=0.013m

管长：

L=8m

管间距：

s=1.5d0=1.5×0.19=0.0285m

壳体内径：

Ds=0.7m

管束中心排管数：

由公式

得Nc=22

总管子数：

由：

得Nt=400

选型：

采用双壳程四管程。

2.4管程换热计算及流量计算

试选传热系数：

k0=240W/m2℃

传热面积：

由

得=190.91m2

逆流平均温差：

无量纲量参数：

温差校正系数：

按2壳程4管程查得

有效平均温差：

设计传热量：

换热效率：

取η=0.98

油流量：

水流量：

管程流通截面（4管程）：

管程流速：

管程雷诺数：

管程换热系数：

2.5壳程换热计算

折流板的设计：

纵向折流板中间分程，横向安置弓形折流板。

弓形折流板弓高：

折流板间距：

壳程流通截面：

壳程流速：

壳程量流速

壳程当量直径：

壳程雷诺数：

切去弓形面积所占比例：

查得

壳程传热因子：

查得

管外壁温度：

假定后再复核，设=160℃

壁温下的粘度：

粘度修正系数：

2.6传热系数

水侧污垢热阻：

m2℃/W

油侧污垢热阻：

m2℃/W

管壁热阻：

r忽略

总传热热阻：

传热系数：

传热系数的比值：

管外壁热流密度：

=4118W/m2℃

管外壁温度：

=167.2℃

误差校核：

=167.2-160=7.2℃

误差不大，不必再重算。

2.7管程压降

壁温：

=161.3℃

壁温下水的粘度：

管程摩擦系数：

查得

管子沿程压降：

回弯压降：

进出口管处质量流速：

进出管口处压降：

管程结垢校正系数：

根据r2及Φ