换热器毕业设计论文.docx

1、换热器毕业设计论文第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

2、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

3、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

4、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

5、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

6、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

7、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

8、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

9、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

10、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

11、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

12、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=700m

13、m管箱内径： DN=750mm换热管规格：193 L=8m2.2定性温度和物性参数计算水的定性温度：水的密度： 2=913kg/m3水的比热： Cp2=4.32kJ/kg水的导热系数：k2=0.686W/m 水的粘度： 2=168.810-6水的柏朗特数：Pr2=1.08油（柴油）的定性温度：油的密度： 1=715 kg/m3油的比热： Cp1=2.48 kJ/kg油的导热系数：k1=0.133 W/m油的粘度： 1=6.410-4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-（23/1000）=0.013m管长：

14、 L=8m管间距：s=1.5d0=1.50.19=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=240 W/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=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

15、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193得 管程压降：2.8 壳程压降 当量直径：雷诺数：壳程摩擦系数：查得

16、管束压降：管嘴处质量流量：进出口管压降：导流板阻力系数：取 导流板压降：壳程结垢修正系数：查表取 壳程压降：2.9 压强校核管程工作压力，查表得壳程工作压力，查表得压强校核： 符合要求 符合要求第3章 结构设计结合热力计算确定换热流程、面积、排列方式、壳体、管箱、固定管板、分程隔板、以及其他零部件。3.1换热流程设计采用2壳程4管程的2-4型换热器。由于换热器尺寸不大，可以用一台，未考虑采用多台组合使用。管程分程隔板采用丁字型结构，其主要优点是布管紧密。壳体分程采用纵向隔板。管程的分程隔板采用丁字型结构如图3-1所示，其主要优点是布管紧密。图3-1丁字形隔板3.2管子和传热面积换热管除要求具有

17、足够的强度外，当采用胀管法固定时，还要求管子有良好的塑性，避免因胀接而产生裂缝。焊接固定时，要求管子可焊性好，一般采用优质碳钢，以保证管子质量，一般对于无腐蚀性或腐蚀性不大的流体可采用10号钢和20号钢管，在强腐蚀性流体的情况下，可采用不锈钢、钢、铝等无缝管，在强腐蚀性流体的情况下，可采用石墨管、聚四氟乙烯管等。由于水、油腐蚀性不大，故可采用碳钢，现选择20号钢的无缝钢管。根据设计要求采用的无缝钢管。管子总数为400根。其传热面积为：3.3管子排列方式管子在管板上的排列方式，应力求均布、紧凑并考虑清扫和整体结构的要求。基本的排列方式有五种：等边三角形：一边与流向垂直是常用的形式，与正方形排列相

18、比传热系数高，可节省15%的管板面积。适用于不生污垢、可用化学清洗污垢和允许压降较高的工况；转角三角形。三角形的一边与流向平行，其特点介于等边三角行和正方形两种排列之间，不宜用于卧式冷凝器，因下方管子形成的厚度越来越厚的凝膜会使传热削弱；正方形排列最不紧凑，但便于机械清扫，常用于壳程介质易生污的浮头式换热器；同心圆排列，用于小壳径换热器时比正三角形排列还紧凑，靠近壳体的地方布管均匀。对于多管程换热器常采用组合排列法，每程均属正三角形排列，而各层面间呈正方形排列，以便于安排分程隔板。综合比较以上几种布管方式，可采用组合排列形式，中间正方形，其余三角形。布管位置如图3-2示。十字形的走廊是为了装设

19、分程隔板，故有壳程流体的泄漏和旁流的问题，共有406个管孔，其中6个孔为安装拉杆用。图3-2 管子排列3.4壳体壳体材料除要满足一定的强度外，由于制造过程中经过卷板、冲压和焊接，故要求材料有一定的塑性和可焊性，一般采用含碳量较低的钢、钢等，现选用钢。壳体内径Ds=700mm 壳体壁厚：为壳体工作温度下的许用应力，已知壳程设计温度为220，则tw220。根据碳钢板许用应力，查得=167MPa为焊缝系数，取=0.85，为工作压力，等于1.6MPa壁厚修正：mm则实取，之后要用有限元分析软件ANSYS进行强度校核。3.5 管箱3.5.1 封头 根据压力容器设计规范采用材质为16MnR的标准椭圆封头，

20、在满足强度要求的情况下，其壁厚可用以下公式计算：已知管程设计温度为200，则tw80mm就必须加开孔补强，当壳体名义厚度小于或等于12mm时，接管Dg50mm就必须加开孔补强。因此对于Dg=100的管箱接管和Dg=150的壳体接管都必须进行开孔补强。在补强圈标准中规定了补强圈的尺寸，按标准尺寸Dg =100的接管补强圈外直径D0=210mm，Dg =150的接管补强圈外直径D0=300mm。补强圈的厚度可通过等面积补强法进行计算。这里设定补强圈的厚度均为15mm。3.14 法兰3.14.1法兰密封面的形式压力容器和管道法兰联接中，常用的密封面型式有以下三种。 （1）平面型密封面密封表面是一个突

21、出的光滑平面（又称突平面）。这种密封面结构简单，加工方便，便于进行防腐衬里。但螺栓上紧后，垫圈材料容易往两侧伸展，不易压紧，用于所需压紧力不高且介质无毒的场合。 （2）凹凸型密封面它是由一个凸面和一个凹面所组成，在凹面上放置垫圈，压紧时，由于凹面的外侧有挡台，垫圈不会挤出来。 （3）榫槽型密封面密封面是由一个榫和一个槽所组成，在垫圈放在槽内。这种密封面规定不用非金属软垫圈，可采用缠绕式金属包垫圈，易获得良好的密封效果。它适用于密封易燃、易爆、有毒介质。密封面的凸面部分容易破坏，运输与装拆时都应注意。在选取密封面时综合考虑介质因素和装拆的因素，壳体法兰均采用凹凸面型密封面，管箱接管法兰采用平面型

22、密封面，壳体接管法兰采用凹凸型密封面。3.14.2 壳体法兰壳体接管采用平颈对焊法兰，由于管箱、壳体、浮头箱直径都不一样，因此在选用法兰时，不能只按标准选取。如图3-6为壳体与浮头箱的对接法兰，DN=800mm的是按标准选取的，而DN=700的法兰是按DN800法兰螺栓孔的位置来设计其尺寸的，图3-6凹凸面密封法兰大致尺寸如下:DN=800mm的法兰，D=960mm， D1=915mm，D2=876mm，D3=866mm，H=115mm， h=35mm，=48mm，1=16倒圆角R=12mm，螺柱孔径r=26，配M24的双头螺柱。DN=700mm的法兰，D=960mm，D1=915mm，D4=

23、863mm， H=115mm， h=35mm， =46mm，1=16，倒圆角R=12mm，螺柱孔径r=26，配M24的双头螺柱。其它的法兰装配尺寸见三维实体图。3.14.3 接管法兰管箱接管采用平颈对焊法兰，如图示：图3-7接管法兰设计尺寸按化工机械标准设计，其尺寸大致如下：管箱接管：DN=100 PN=2.5MPa时：N=132mm，K=190mm，D=235mm，H=66mm，H1=12mm，S=6mm，法兰厚度C=24mm螺栓孔直径L=22mm，配M20的螺栓8个壳体接管：DN=150 PN=1.6MPa时：N=132mm，K=190mm，D=285mm，H=61mm，H1=12mm，S

24、=6.5mm，法兰厚度C=22mm，螺栓孔直径L=22mm，配M20的螺栓8个另外，对焊时法兰要在颈部开坡口。3.15 支座卧式设备一般采用两个鞍座。这是因为基础水平高度有可能不一致，如果使用多个支座，将会造成支座反力分布不均匀，从而引起设备的局部应力增大，因此采用两个支座。采用双支座时，一个鞍座为固定支座，地脚螺栓为圆孔；另一个鞍座为活动支座，地脚螺栓为长圆孔，配合两个螺母，第一个螺母拧紧后，倒退一圈，然后再用第二个螺母锁紧。这样，可以使设备在温度变化是自由伸缩。如图示：图3-8 鞍式支座其主要尺寸为：h=200mm；l1=640mm；b1=150mm； =10mm； =8mm；l3=350

25、mm；b3=120mm； =8mm；弧长830mm；b4=200mm； =6mm；e=36mm；l2=460mm。支座的安放位置也有一定的标准，一般支座与壳体端面的距离A0.2L，L为壳体的长度。第4章 安装与拆卸设计中要考虑到安装问题，各零部件的结构不能影响整个装配体的安装，对于浮头式换热器，设计的初衷是可以拆下管束进行清洗。因此也要考虑到拆卸的问题，其安装步骤可概述如下：（1）焊接部件：将所有的焊接部件进行焊接，包括管箱，壳体，浮头箱，碟形盖，支座等；（2）安放折流板：将拉杆的一个螺纹端拧入固定管板的螺纹孔，6根拉杆都装好，然后每套入一组定距杆再装一组折流板，依次把折流板装在拉杆上，直到最

26、后两块折流板装上后用螺母套在拉杆的另一个螺纹端拧紧固定；（3）安装管子：将管子沿折流板的孔一根根穿入，并在固定管板上进行胀接。另一端装上浮动管板并进行胀接；（4）安装壳程隔板：先将壳程隔板两侧的偏心杆机构装好，将壳程隔板从管束侧面装入并将一头插入固定管板上安装隔板的槽中；图4-1安装示意图（5）安装壳体：将焊接好的壳体从浮动管板的那一端套入，使之前装好的组件（如图4-1示）完全装入壳体内，在壳程隔板的伸出端扭动偏心杆的摇柄使隔板两侧的密封填料挤紧，从而达到壳程的分程密封；（6）安装管箱：在固定管板端接已焊接好的管箱，将管箱法兰与壳体法兰对接用双头螺柱连接。在浮头端装上钩圈法兰和碟形盖，（钩圈法兰由两个半圆形构成，使其安装方便）用双头螺柱连接；（7）安装浮头箱：将浮头箱法兰与壳体法兰对接用双头螺柱连接；（8）安装支座：将支座焊接到壳体上。总结通过三个月的努力，我的毕业设计终于圆满完成。虽然做的过程很辛苦，但是看到自己的成果，我感到很欣慰。作为大学三年的最后一道大作业毕业设计，使我在各个方面都有了很大的提高，收获很大。具体表现在以下几个方面：通过在设计中经常查资料提高了我们检索和查阅资料的能力；进一步扎实了所学的理论知识，对所学基础知识和专业知识进行了一次综合应用和系统复习；思维方式和设计思想更加全面化和系统化。养成了勤学好问的习惯，敢于面对