气液介质专用换热器设计大学论文.doc

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AbstractThisarticlemainlyaccordingtothegivenparametersandtechnicalrequirementstodesignthecorrespondingtubeheatexchanger.Atfirst,thispapercalculatedaccordingtotheprocessconditions,selectheatexchangertype,thedesignselectedfixedtubeplateshellandtubeheatexchanger,heatexchangerparameters.Thencarriesonthestructuredesignandstrengthcalculation,fourkindsofworkingconditionchecking,theresultismeettherequirements.Finallytakeoverreinforcement,hydrostatictest,theresultismeettherequirements.Accordingtothestandardselectionoftakeover,flange,saddlesupport,gaskets.First according to the given temperature and design pressure to determine the structure of device and the shell side and tube side of the material, then according to the nature of the material and the heat transfer area to determine the heat exchange tube material, size and number. According to the root of the heat exchange tube, the number of heat exchange tube arrangement, and according to the arrangement of heat exchange tube to determine cylinder diameter and length, and the choice of the baffle plate. Connection between the selection of standard parts, parts of the structure of the design, the selection of component materials and the thickness of the calculation. Including the cylinder body wall thickness, head wall thickness and pipe wall thickness and the calculation of wall thickness, tube pulled off force and stability checking, take over, flange, selection of container flange, bearing and opening reinforcement design, tube plate, baffle plate, and the structure design of the connection between the heat exchange tube, between the shell and tube plate joint design. Through the container inner diameter and the internal and external pressure calculation to determine the thickness of the shell and head and strength check. Then every parts of gas-liquid heat exchanger strength design of the parts and components have the choice of the flange and design calculation and checking, hook ring, and the calculation in the design of floating head flange and the checking and calculation of the force of tube pulled off. And also includes the structure design of tube sheet, prevent the impact damper, the design of the track structure and support design. Structure design of standard parts can direct selection according to the design conditions according to the national standard, non-standard, design the structure must be carried out after the corresponding stress checking.Thisdesignthroughthestudyofshellinsideandoutside,haveapreliminaryunderstandingoftheheatexchanger,andaccordingtotherelevantknowledge,madeaseriesofdesigncalculation,andfinallycompletetheoverallstructuredesignofdieseloilcooler,drawingequipmentassemblydrawingandpartsdrawing.Generallayout,includingtheheatexchangertubebundle,baffleplatepartsdiagram,tubeboxpartsdrawingandsoon.Keywords: heatexchanger; processcalculation; strength calculation目 录第一章 绪论 11.1课题背景 11.2发展现状及趋势 11.3存在的问题 11.4课题的研究目的和意义 2第二章 换热器的工艺计算 32.1设计任务和操作条件 32.2 确定设计方案 32.2.1 两流体温度变化情况 32.2.2 流程安排 32.3 确定物性数据 32.4.3 平均传热温差 42.4.4 计算换热面积 42.5 核算换热器 42.5.1 核算总传热系数 42.5.2 核算压强降 62.6 工艺结构尺寸 72.6.1 管径与管内流速的选择 72.6.2 单程传热管数的确定 72.6.3 管长度的确定 72.6.4 平均传热温度校正及壳程数 72.6.5 筒体内径的确定 72.6.6 折流板 82.6.7 其他附件 82.6.8 接管 82.7本章小结 9第三章 管壳式换热器的强度计算 103.1 壳体计算 103.1.1 筒体计算 103.2 前端管箱筒体计算 113.3 管箱封头的设计113.4 设计计算 123.5 壳程外压作用下的计算 133.5.1 按内压设计 133.5.2 按外压设计 133.6 管板的设计计算 143.6.1 设计压力及设计温度的选取 143.6.2 结构系数的确定 143.6.3 管板厚度 153.6.4 换热管轴向应力校核 153.6.5 热管与管板连接的拉脱力校核 163.7 接管及开孔补强计算 163.7.1 外壳接管开孔补强计算 163.7.2 管箱接管开孔补强计算 173.8 钩圈 183.9 分程隔板 183.10 其他结构的选择 183.10.1 支座选择 183.10.2 法兰选择 183.10.4 防冲与导流 20第四章 制造、检验、安装与维修 214.1 概述 214.2 材料验收 214.3 筒体的制造 214.4封头的制造 224.5 管板的制造 234.6 管束的制造 244.7 接管的制造 244.8装配 254.8.1 筒体、法兰的组装与焊接 254.8.2 管箱的组装、焊接与加工 254.8.3 管束的组装 254.8.4 管束、壳体及内件装配 254.9 油漆、包装 264.10 换热器在使用中常见故障及处理 264.10.1 原因 264.10.2 现象 264.10.3 处理 27结论 28参考文献 29致谢 30沈阳化工大学科亚学院学士学位论文第一章 绪论第一章 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。30沈阳化工大学科亚学院学士学位论文第二章 换热器的工艺计算第二章 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软水9944.1838.9370.6105气氨2.9542.2285.30.0222.4 估算传热面积2.4.1 热负荷 （2-2）2.4.2 软水用量m=18.308kg/s2.4.3 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192mm，料为10号钢管，管内物料为水，选择管内流速为1=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=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12mm，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2636mm。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1659mm。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/h6590953000温度25/18.6-10/5压力MPa0.40.38 定型温度 密度kg/ 热容kJ/kg 粘度Pa/s 导热系数W/mk 普兰特数21.82.59942.9544.1832.228.93785.30.61050.0226.123961型式管壳式 台数 1壳体内径mm500 壳程数 1管径mm192 管心距25mm管数目（根）224管长mm5500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/s0.12734.6传热膜系数w/1305.0140污垢热阻/W0.0003450.000517压力损失KPa0.0241222.7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。沈阳化工大学科亚学院学士学位论文第三章 管壳式换热器的强度计算第三章 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0.40.38设计压力1.321.32操作温度25/18.6-10/5设计温度4010介质软水气氨腐蚀裕量mm22程数41焊接接头系数0.850.853.1 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(316)。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；耐压试验压力系数；对于钢和有色金属，液压试验时=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DN5008，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DN5008，查GB151-1999管壳式换热器可得封头球面内半径=400mm10。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1bmm4布管限定圆直径mm4712mm5垫片压紧力作用中心圆直径mm3mm14封头球面内半径mm4004mm5.5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=106.81224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面密封。分程隔板槽宽14mm，深4mm。采用普通精度的冷拔钢管即级换热管，其标准长度为3m，且由于PN=1.0MPa6.4MPa，不必进行强度计算。换热管选用不锈钢波节换热管，换热管尺寸：波谷19mm、波峰25mm、壁厚0.8mm，排列形式采用正三角形。换热管中心距S=25mm。为了便于制造加工，管子和管板密封性和抗拉托强度，管子和管板连接采用强度焊。换热管最小伸出管板长度2mm。3.6.4 换热管轴向应力校核（1）只有管程设计压力壳程为0， （3-16） （3-17）按A与查GB151图24得 40.16MPa112MPa，校核通过。（2）只有壳程设计压力管程为0， 按A与查GB151图24得 故校核通过。3.6.5 热管与管板连接的拉脱力校核利用换热管与管板强度焊接结构尺寸： （3-18）l换热管与连接的焊缝尺寸，mm l=1.5+2=3.5mm。 =21.21MPa校核通过。3.7 接管及开孔补强计算3.7.1 外壳接管开孔补强计算（1）设计条件计算压力：Pc=1.32MPa；计算温度：40；接管实际外伸长度：200mm；接管实际内伸长度：0mm；接管焊接接头系数：0.85；接管腐蚀裕量：2mm；接管厚度负偏差：10mm；接管材料许用应力：189MPa。（2）开孔补强计算壳体计算厚度为8mm；接管计算厚度mm； （3-19）接管直径。（3）削弱金属面积A （4）壳体多余金属面积接管计算壁厚： 外侧有效厚度： （3-20）接管多余的截面积： 故不需补强。3.7.2 管箱接管开孔补强计算（1）设计条件计算压力：Pc=1.32MPa；计算温度：100；接管实际外伸长度：200mm；接管实际内伸长度：0mm；接管焊接接头系数：0.85；接管腐蚀裕量：2mm；接管厚度负偏差：=0mm；接管材料许用应力：189Mpa；（2）开孔补强计算壳体计算厚度为8mm； ； （3-21）接管直径（3）削弱金属面积A （4）壳体多余金属面积接管计算壁厚： 故不需补强。3.8 钩圈查GB151选B型钩圈，。为钩圈设计厚度，mm；为浮动管板厚度，mm；则。3.9 分程隔板由于是多管程换热器，故此处需要用到分程隔板12。查GB151可知：分程隔板槽槽深4mm，取为5mm，槽宽为12mm，取分程隔板的最小厚度为12mm。3.10 其他结构的选择3.10.1 支座选择由管壳式换热器系列估算换热器质量m=17804.8，kg=174.5KN。由于该换热器卧式摆放，采用鞍式支座，按JB/T4712-92 标准，选用轻型A型支座，DN=2000。材料为Q235-AF，筋板和底板的材料Q235-AF。螺栓为M24，垫板材料为0Cr18Ni9。鞍座标记：JB/T4712-92，鞍座A2000-S。3.10.2 法兰选择壳体的接管法兰的选择：压力容器法兰是压力容器的常用部件之一，是连接压力容器部件的基本元件。法兰是个组合零件，包括法兰垫片和连接螺栓或螺柱以及螺母。其作用是使不同的受压元件组合在一起，同时保证连接部位不产生泄露13。本次设计的换热器公称直径为500mm，设计压力为1.32MPa，参考设计标准应当选择对焊法兰。壳体法兰：我国压力容器行业，压力容器法兰分类主要按结构形式来进行划分。本设计将采用对焊法兰方式。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。管箱接管法兰选择：管程接管法兰根据HG205922009标准中选用PL65(B)10RF法兰，法兰材料选用Q345R(与接管材料相同)。壳程接管法兰根据HG205922009标准中选用PL150(B)10RF法兰，法兰材料选用Q345R(与接管材料相同)。拉杆的选取：由于换热管内径为19mm，所以拉杆采用拉杆定距管的形式，查GB151表43及表44可得500mm内径，8mm壁厚的换热器的拉杆的直径为12mm，上下管板各4根，数量为8。其结构如下图3-1,拉杆孔如图3-2。图3-1 换热器拉杆图3-2 拉杆孔示意图经查GB151，拉杆尺寸如下表3-4。表3-4 拉杆尺寸基本尺寸拉杆直径d/mm/mm/mmb/mm1215502 拉杆的布置：拉杆应尽量均匀的布置在管束的外边缘。对于大直径的换热器来说，在布管区内或者靠近折流板的缺口处应布置适当数量的拉杆，任何折流板都不得少于3个支撑点。3.10.4 防冲与导流管程设置防冲板的条件：当管程采用轴向入口接管或换热管内流体流速超过3m/s时，应设置防冲板，以减少流体不均匀分布和对换热管端的冲蚀。因为本设计管内水流速为0.127m/s，所以不需要再设计防冲挡板。沈阳化工大学科亚学院学士学位论文第四章 制造检验安装与维修第四章 制造、检验、安装与维修4.1 概述设计确定后，制造质量是换热器的最终建造质量的重要部分。因此，换热器的制造单位必须要按照压力容器安全技术监察规程（1999版）的规定来具备完善的质量保证体系，并应持有国家主管部门所颁发的批准书及许可证。在全国制造过程中必须要接受安全监察机构（或其授权的检验机构）的全面监督。如果在建造主要的制造监理时（监理内容应在合同中商定）制造单位还应需配合业主做好监理。制造完成后，制造单位必须要向业主提供完整的制造出厂资料，资料应完全符合国家的标准规定，并应附有安全监察机构