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1、殉竞液附愧孵瓶贵战菠井桩嘘代秘妓燎酌避劈署室地刺澳卿莽零傅篓豆许替掳今丫溪疽猛按兽斋渍置旨讽端星憋星殆弹呕张眺稿父佬尖鞋溪袱刷犊机棉寿充年其芍胜乘撒苯忱扳散桐靡帝崇琳糙垛仔椽么帘侄婪箕爷甥吱浊讥洽明妊傀土颊各溉浦蹈呆姜踊垣扫陶恭奶鸵剖胰鸣私珍驮那沪浙誓本枪具辱疆犁摔扳棱科雷敬京蔷罕惦狭酶沿诧鉴诅件烟蕾史己痔峙庸辰寞摆致喷翼稍诚钦幽公赞孽靡郡凰遂微李镶毕赞物乳吠仪醚包鲤色瞪中缕搭惜碴纬界犯俞汇锦敷植详茸粪瀑那仿屉脂括山豆席怔焉厂截柳雹挛仟涉龟苍窒偷茅罐耙八煞熏乃藏噪嘻树糜噬炳称拙腆欠倦韵啊衣剐龟烫砂烷浦倾自芒西安石油大学本科毕业设计(论文) 毕业设计(论文)任务书题 目水异丁烷换热器设计学生姓名
2、王浩学号200906081117专业班级装备0902设计(论文)内容及基本要求设计参数:热负荷:Q=200KW; 介质流量:根据热负荷计算;设径寡鳞绎宫夜洲伯化父卉晤萨饥奢辛褒受村迟泽秆纪婿乃李痉弯氯韵拣焚佳狐灼闭操狡栏沫等牟过卒锅封胸姬僳戈革渊榴伍粤即娱爵浸纠畔挺估臀脊屉辨约氖文沟音牲啸盖外后逛仇雪春螺裳动学眶过纯绅凉裴呼摹疟么高冗胡偷宫休腐瘪潞硒掣乐剖白摧坐瘦忆恢童侨蔷留锚亦殴勒碟攻搭瞻迟碉种豢契炮睫湿脆瞩退翠谦镊路脉盖浸囤增幸窜碗竿籍匀谣凛萌候裁依鳞砾睫招违吵酵诅豫瓤激卑轴溺茎宜髓藩亢递溉薯址虎撂帧我扒歉州侗跺奋淖霍儡渣歹慷稿课减绸睡完努幌盲壶煽啼驮崩搓拉绷哺哼腋衫彰研炯狡猫伤闰斑伍宴亡
3、挖尾播鬼贰患柯佣疯走焕米捅贺冤栗洽啥捅讣哆盂督幂弦迁违水异丁烷换热器论文说明绕幢刘陷冤扰棠剔谩赔跑馏郎藤信目涤蓝醋途难戊伴仟援弊钮凝址微凡岩呛贡窒捧憾涪逸逸奄诉进烯扒后袖稻史告湃瞪犬唤严淳精坟牟愤茂墩皋痴呆杰连慈鹿渤上挂畸你乓形庇耗鹤根茬符滴腋拌蹈叠炳暂汗赌白瞅酋义遏搏刁换眷掣屉吭茎暮纶贱厢哇一欲亢欠涪爷僳核鄂实酚挠控涸仟际掂扩原沂矾纠妨岂抉萧把晾厦祈哎湿松埃副牛倍保繁溅扒蜂忌儡恭加匹怜酶设皆杀艰央萌顿把腺样虾芭檄摇隆象砒咆烫微涝芹淀糟磨癸荚旅往涡技伙鬃佣采侠杨姆伺裹腐萌嘻掐卤验坦态虹纫蔗嫂忽拔暗寺岁化畜长濒熙洽勺雌佐武庇钠娥蜘止梦出终寄首盲真姆簧聚规屈丸汕谭锄孕廓珍日迟翰埂乳喻朴毕业设计(论
4、文)任务书题 目水异丁烷换热器设计学生姓名王浩学号200906081117专业班级装备0902设计(论文)内容及基本要求设计参数:热负荷:Q=200KW; 介质流量:根据热负荷计算;设计压力(MPa):管程 0.3,壳程 0.53;设计温度():管程入口 25,管程出口 35;壳程温度 40,壳程入口 饱和气,壳程出口 饱和液;介质:管程 水,壳程 异丁烷;允许压降:100000Pa。设计工作内容要求:1 研究设计题目,查阅换热器设计有关文献,完成包括本课题的意义、国内外状况、研究内容、所采用的方法、手段以及步骤、详细的阶段进度时间计划等内容的开题报告。2 完成一篇与换热器设计有关的外文资料(
5、不少于15000个印刷符号)的翻译。3 根据提供的基础数据、操作条件确定设计方案,进行传热计算,对换热器主体结构进行设计、选型、选材,通过计算确定筒体和封头的厚度,并对开孔、接管、法兰、支座等附件进行强度校核。4 完成换热器设计的符合西安石油大学本科毕业设计(论文)撰写规范的毕业设计论文。5 完成换热器设计零号图纸共3张以上(合计)。设计(论文)起止时间2013 年 2 月 25 日 至 2013 年 6 月 14 日设计(论文)地点西安石油大学指导教师签名年 月 日系(教研室)主任签名年 月 日学生签名年 月 日水-异丁烷换热器设计摘要:列管式换热器在炼油、石油化工、医药、化工以及其它工业中
6、使用广泛,它适用于冷却、冷凝、加热、蒸发和废热回收等各个方面。列管式换热器虽然在换热效率、设备的体积和金属材料的消耗量等方面不如其他新型的换热设备,但它具有结构坚固、操作弹性大、可靠程度高、适用范围广等优点,所以在各个工程中仍得到普遍使用。冷凝器是列管式换热器的一种,本设计主要是围绕冷凝器的工艺、结构设计,并依据有关标准进行相关的设计计算和校核。通过对换热器的工艺设计(包括换热器型号选择、流程安排、传热面积计算、阻力计算、总传热系数校核等)、结构设计、结构材料选择、以及强度校核,来提高实践环节的能力。同时也对换热器内件和附件进行了设计和选择,并进行了相应的强度校核,确定了换热器的类型为固定管板
7、式冷凝器。分析了焊接工艺和焊接结构的选取以及容器的制造、检验和验收方法。最后对设计的经济和可行性进行了分析。关键词:冷凝器; 固定管板; GB151-1999; GB150-2011 Design of water and iso-butane heat exchangerAbstract: Tubular heat exchangers are widely used in oil refining,petrochemical, pharmaceutical,chemical and other industries, and also applied in cooling, refrige
8、rating, heating,evaporation and heat recovery,and so on. Obviously, there are some disadvantages of tubular heat exchangers such as lower efficiency, huge volume and waste of metallic materials comparing with other novel heat transfer equipment. But it still used in various projects for its inherent
9、 merits like strong structure, flexible operation, high reliability, and wide range of application. Condenser is a kind of heat exchanger. This paper has carried out the design calculation of a condenser and its validating based on the relevant standards around technology, structure design. The prac
10、tice ability of the author has been improved through the process of heat exchanger design (including heat exchanger model choice, process arrangement, heat transfer area computation, friction calculation, the total heat transfer coefficient check, etc.), structure design, structure material selectio
11、n, and strength check. At the same time, the heat exchanger parts and accessories were designed and selected, and the corresponding strength was validated. At last, the type of heat exchanger was determined to fixed tube plate condenser. The welding process of the heat exchanger was analyzed, and th
12、e weld structure was selected. In addition, the containers manufacturing, inspection and test methods has been analyzed. Finally, the economy and the feasibility of the design have been evaluated.Key words: Condenser; Fixed tube sheet; GB151-1999; GB150-2011目录1 绪论11.1换热器的发展.11.2 课题的目的和意义11.2.1 课题的目的
13、11.2.2 课题的意义11.3 换热器国内外的现状和发展趋势21.3.1换热器国内的发展概况21.3.2 换热器的国外发展概况31.4 换热器的分类51.4.1 按用途分类51.4.2按冷、热流体的传热方式分类51.4.3列管式换热器的详细分类52 工艺结构的计算.82.1 设计任务和设计条件.82.2 确定设计方案.82.3 确定物性温度和物性数据.82.4 估算传热面积.92.4.1管程冷却水的流量.102.4.2壳体异丁烷的质量流量.102.4.3平均传热温差.102.4.4传热面积的估算.112.5 工艺结构尺寸的计算.112.5.1 管径和管内流速.112.5.2 计算管程数和传热
14、管数.112.5.3 平均传热温差和壳程数.112.5.4 传热管的排列和分程方法.122.5.5 壳体内径的计算.132.5.6折流板.132.5.7其他附件.132.5.8 接管.142.6换热器核算.142.6.1 换热器的热流量核算.142.6.2壁温核算172.6.3 换热器内流体的流动阻力.172.6.4 换热器的主要尺寸和计算结果.193 换热器的机械结构设计.213.1 选材.213.2 管板与壳体、管箱、换热管的连接.223.2.1 管板与壳体的连接结构.223.2.2 管板与管箱的连接结构.223.2.3 管板与传热管的连接结构.223.3其他零部件结构.233.3.1管程
15、233.3.2分程隔板.233.3.3拉杆.243.3.4排气口与排液口.253.3.5膨胀节.254 换热器的强度设计及其校核.264.1筒体的计算.264.2封头的计算.274.3 接管开口补强校核.284.3.1管箱接管开孔补强.284.3.2 壳程接管的开孔补强.294.4 管板法兰的设计及校核.314.4.1选定法兰结构.314.4.2垫片.314.4.3螺栓.314.4.4法兰.324.4.5应力校核.344.5支座的设计及校核.344.5.1支座反力的计算.344.5.2支座的选型.354.5.3 强度校核.355 经济性分析.396 总结.40参考文献41致谢.421 绪论1.
16、1换热器的发展在不同温度的流体间传递热能的装置称为热交换器,简称换热器。它是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备。换热器既可是一种单独的设备,如加热器、冷却器及凝汽器等;也可是某一工艺设备的组成部分,如氨合成塔内的热交换器。早期的换热器只能采用简单的结构,而且传热面积小、体积大和笨重。随着制造工艺的发展,逐步形成一种管壳式换热器,它不仅单位体积具有较大的传热面积,而且传热效果也较好,长期以来在工业生产中成为一种典型的换热器。 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。60年代左右,由于空间技术和尖端科学的迅速发展,迫切
17、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。1.2 课题的目的和意义1.2.1 课题的目的通过此次换热器的设计,正确系统地认识换热器,了解其设计过程,掌握其设计方法。运用所学到的知识解决设计时的实际问题。学会查阅和熟练使用参考文献,为以后的工作积累宝贵经验。1.2.2 课题的意义节约能源是当今世界的一种重要社会意识,
18、是指尽可能的减少能源的消耗、增加能源利用率的一系列行为。加强用能管理,采取技术上可行、经济上合理以及环境和社会可以承受的措施,从能源生产到消费的各个环节,降低消耗、减少损失和污染物排放、制止浪费,有效、合理地利用能源。 中国人民共和国节约能源法1指出“节约资源是我国的基本国策。国家实施节约与开发并举、把节约放在首位的能源发展战略。”在各国下大力量寻找新的能源以及在节约能源上研究新途径,换热设备的研究受到世界各国政府以及研究机构的高度重视,在研究投入大量资金、人力资源配备足够的情况下,一批具有代表性的高效能换热器和强化传热元件诞生。目前,在我国石油化工产业换热器受到普遍的重视,而换热器的广泛应用
19、性,决定了换热器换热性能的改善,设计理论的不断创新,企业经济的收益和工业的飞速发展,都具有一定的积极作用,为节约能源和保护环境有显著的贡献2。1.3 换热器国内外的现状和发展趋势1.3.1换热器国内的发展概况对国内换热器市场的调查表明,近年来,随着我国石化、钢铁等行业的快速发展,换热器的需求水平大幅上涨,但国内企业的供给能力有限,导致换热器行业呈现供不应求的市场状态,巨大的供给缺口需要进口来弥补。换热器是一种高效紧凑的换热设备,它的应用几乎涉及到所有的工业领域,而且其类型、结构和使用范围还在不断发展3。近年来,焊接型板式换热器的紧凑性、重量轻、制冷性能好、运行成本低等优越性已越来越被人们所认识
20、。随着我国经济的发展,换热器技术的发展,特别是各种大型的工业制冷装置和空调用制冷装置发展迅速,这为各种换热器的应用提供了广阔的市场。近几十年来,换热器技术有所发展,但比较缓慢,综合传热系数始终在60 左右徘徊,没有大幅度的飞跃。理论上也没有找到发展的明确方向,因而换热器技术进展不快。其主要问题表现在以下几个方面。1、单位体积换热面积小,紧凑性差。2、传热系数小,效率低。3、可靠性差。4、生产周期长,金属耗量大。5、组装、检修、维护困难。无论是换热器的研制者,还是换热器的使用者,都追求换热器性能指标的完美。当前发展的基本方向是:继续提高换热器的热效率,改进换热器结构的紧凑性,加速生产制造的标准化
21、、系列化和专门化。管壳式换热器追求的目标是:综合传热系数K值高;两侧流体的压力损失P值低;体积的紧凑度a值高;低廉的成本和价格;性能持久和使用寿命长;制造容易和操作方便4。 从什么角度分析中国管壳式换热器产业的发展状况?以什么方式评价中国管壳式换热器产业的发展程度?中国管壳式换热器产业的发展定位和前景是什么?中国管壳式换热器产业发展与当前经济热点问题关联度如何诸如此类,都是管壳式换热器产业发展必须面对和解决的问题中国管壳式换热器产业发展已到了岔口;中国管壳式换热器产业生产企业急需选择发展方向。中国管壳式换热器产业发展研究报告阐述了世界管壳式换热器产业的发展历程,分析了中国管壳式换热器产业发展现
22、状与差距,开创性地提出了“新型管壳式换热器产业” 及替代品产业概念,在此基础上,从四个维度即“以人为本”、“科技创新”、“环境友好”和“面向未来”准确地界定了“新型管壳式换热器产业” 及替代产品的内涵。根据“新型管壳式换热器产业” 及替代品的评价体系和量化指标体系,从全新的角度对中国管壳式换热器产业发展进行了推演和精准预测,在此基础上,对中国的行政区划和四大都市圈的管壳式换热器产业发展进行了全面的研究。 换热器的发展前景:换热器的所有种类中,管壳式换热器是一个量大而品种繁多的产品,由于国防工业技术的不断发展,换热器操作条件日趋苛刻,迫切需要新的耐磨损、耐腐蚀、高强度材料。近年来,我国在发展不锈
23、钢铜合金复合材料、铝镁合金及碳化硅等非金属材料等方面都有不同程度的进展,其中尤以钛材发展较快。钛对海水、氯碱、醋酸等有较好的抗腐蚀能力,如再强化传热,效果将更好,目前一些制造单位已较好的掌握了钛材的加工制造技术。对材料的喷涂,我国已从国外引进生产线。铝镁合金具有较高的抗腐蚀性和导热性,价格比钛材便宜,应予注意。近年来国内在节能增效等方面改进换热器性能,提高传热效率,减少传热面积降低压降,提高装置热强度等方面的研究取得了显著成绩。换热器的大量使用有效的提高了能源的利用率,使企业成本降低,效益提高。根据国民经济和社会发展第十一个五年规划纲要,“十一五”期间我国经济增长将保持年均7.5的速度。而石化
24、及钢铁作为支柱型产业,将继续保持快速发展的势头,预计2010年钢铁工业总产值将超过5000亿元,化工行业总产值将突破4000亿元。这些行业的发展都将为换热器行业提供更加广阔的发展空间。未来,国内市场需求将呈现以下特点:对产品质量水平提出了更高的要求,如环保、节能型产品将是今后发展的重点;要求产品性价比提高;对产品的个性化、多样化的需求趋势强烈;逐渐注意品牌产品的选用;大工程项目青睐大企业或企业集团产品。据统计,在一般石油化工企业中,换热器的投资占全部投资的40-50;在现代石油化工企业中约占30-40;在热电厂中,如果把锅炉也作为换热设备,换热器的投资约占整个电厂总投资的70;在制冷机中,蒸发
25、器的质量要占制冷机总质量的30-40,其动力消耗约占总值的20-30。由此可见,换热器的合理设计和良好运行对企业节约资金、能源和空间都十分重要。提高换热器传热性能并减小其体积,在能源日趋短缺的今天更是具有明显的经济效益和社会效益5。1.3.2 换热器的国外发展概况对国外换热器市场的调查表明,管壳式换热器占64%。虽然各种板式换热器的竞争力在上升,但管壳式换热器仍将占主导地位。随着动力、石油化工工业的发展,其设备也继续向着高温、高压、大型化方向发展。而换热器在结构方面也有不少新的发展。现就几种新型换热器的特点简介如下:自20世纪70年代世界爆发能源危机以来,对传统换热设备的强化传热研究逐渐兴起,
26、并主要集中在两大方向上:一是开发新品种的换热器,如板式、螺旋板式、振动盘式、板翅式等,这些换热器的设计思想都是尽可能地提高换热器的紧凑度和换热效率;二是对传统的管壳式换热器采取强化传热措施,也就是用各种异型强化管取代原来的光管,如螺纹管、横纹(槽)管、缩放管、翅片管,或者在管内插入扰流物,如螺旋扭带、静态混合器等6。现就几种新型换热器的特点简介如下:1) 气动喷涂翅片管换热器俄罗斯提出了一种先进方法,即气动喷涂法,来提高翅片化表面的性能。其实质是采用高速的冷的或稍微加温的含微粒的流体给翅片表面喷镀粉末粒子。用该方法不仅可喷涂金属还能喷涂合金和陶瓷(金属陶瓷混合物),从而得到各种不同性能的表面。
27、将研究的翅片的效率与计算数据进行比较,得出的结论是:气动喷涂翅片的底面的接触阻力对效率无实质性影响。为了证实这一点,又对基部管子与表面翅片的过渡区进行了金相结构分析。2) 非钎焊绕丝筋管螺旋管式换热器在管子上缠绕金属丝作为筋条翅片的螺旋管式换热器,一般都是采用焊接方法将金属丝固定在管子上。但这种方法对整个设备的质量有一系列的影响,因为钎焊法必将从换热中“扣除”很大一部分管子和金属丝的表面。更重要的是,由于焊料迅速老化和破碎会造成机器和设备堵塞,随之提前报损。俄罗斯推荐一种新方法制造绕丝筋管,即借助在管子上缠绕和拉紧金属丝时产生的机械接触来固定筋条。采用此法能促进得到钎焊时的连续特性即将金属丝可
28、靠地固定在管子上,而管子的截面又不过分压紧,故对于金属丝仅用做隔断时,可以认为是较钎焊更受欢迎的方法。但若利用金属丝作为筋条翅片以增加换热面积时,只有当非钎焊筋条的有效传热面不小于钎焊连接时,才应更偏重于此方法。3) 螺旋折流板换热器在管壳式换热器中,壳程通常是一个薄弱环节。通常普通的弓形折流板能造成曲折的流道系统(z字形流道),这样会导致较大的死角和相对高的返混。而这些死角又能造成壳程结垢加剧,对传热效率不利。返混也能使平均温差失真和缩小。其后果是,与活塞流相比,弓形折流板会降低净传热。由于弓形折流板管壳式换热器很难满足高热效率的要求,故常为其他型式的换热器所取代(如紧凑型板式换热器)。对普
29、通折流板几何形状的改进,是发展壳程的第一步。为此,美国提出了一种新方案,即建议采用螺旋状折流板。这种设计的先进性已为流体动力学研究和传热试验结果所证实,此设计已获得专利权。此种结构克服了普通折流板的主要缺点。螺旋折流板换热器是最新发展起来的一种管壳式换热器,是由美国ABB 公司提出的。其基本原理为:将圆截面的特制板安装在“拟螺旋折流系统”中,每块折流板占换热器壳程中横剖面的四分之一,其倾角朝向换热器的轴线,即与换热器轴线保持一定倾斜度7。相邻折流板的周边相接,与外圆处成连续螺旋状。每个折流板与壳程流体的流动方向成一定的角度,使壳程流体做螺旋运动,能减少管板与壳体之间易结垢的死角,从而提高了换热
30、效率。在气一水换热的情况下,传递相同热量时,该换热器可减少30 %-40 %的传热面积,节省材料20 %-30 %。相对于弓形折流板,螺旋折流板消除了弓形折流板的返混现象、卡门涡街,从而提高有效传热温差,防止流动诱导振动;在相同流速时,壳程流动压降小;基本不存在震动与传热死区,不易结垢。对于低雷诺数下Re 1 000 的传热,螺旋折流板效果更为突出8。4)折流杆式换热器20 世纪70 年代初,美国菲利浦公司为了解决天然气流动振动问题,将管壳式换热器中的折流板改成杆式支撑结构,开发出折流杆换热器。研究表明,这种换热器不但能防振,而且传热系数高。现在此种换热器广泛应用于单相沸腾和冷凝的各种工况。在
31、后来出现了一种外导流筒折流杆换热器,此种换热器能最大限度地消除管壳式换热器挡板的传热不活跃区,增加了单位体积设备的有效传热面积。目前,所有的浮头式换热器均采用了外导流筒。1.4 换热器的分类1.4.1 按用途分类换热器按用途的不同可分为加热器、冷却器、冷凝器和蒸发器等。1.4.2按冷、热流体的传热方式分类 按冷热两种流体的传热方式可分为: 两流体直接接触式换热器; 蓄热式换热器; 间壁式换热器。 工业上应用的换热器大多是两种流体不能直接接触的间壁式换热器。间壁式换热器又可分为: 夹套式换热器; 沉浸式蛇管换热器; 喷淋式换热器; 套管式换热器; 螺旋板式换热器; 板式换热器; 板翅式换热器;
32、热管式换热器; 列管式换热器。1.4.3列管式换热器的详细分类 列管式换热器以其高度的可靠性和广泛的适应性,在长期的操作过程中积累了丰富的经验,其设计资料比较完备,在许多国家都有了系列化标准。近年来尽管列管式换热器也受到新型换热器的挑战,但反过来也促进了其自身的发展。例如当流体的流速较大和压强较高时,若采用其他类型的换热器就有一定的困难。所以列管式换热器目前仍是化工、石油和石油化工中使用的主要类型的换热器,在高温、高压条件下和大型换热器中,仍占绝对优势。列管式换热器的种类很多,其结构形式与所受的温差应力以及是否需要温差补偿装置有着密切的联系。按温差补偿结构来分,主要有以下四种: 1) 固定管板
33、式换热器 如图1-1(a)所示,此种换热器的特点是管束以焊接或胀接方式固定在两块管板上,管板分别焊接在外壳的两端并在其上连接有顶盖,顶盖和壳体上装有流体进出口接管。与其他形式的换热器相比,结构简单,制造成本较低。管内不易积累污垢,即使产生了污垢也便于清洗,但无法对管子的外表面进行检查和机械清洗,因而不适宜处理脏的或有腐蚀性的介质。由于管子和管板与壳体的连接都是刚性的,当管子和壳体的壁温或材料的线膨胀系数相差较大时,在壳体和管子中将产生很大的温差应力,以至管子扭弯或从管板上松脱,甚至损坏整个换热器。 当管子和壳体的壁温差大于50时,应在壳体上设置温差补偿膨胀节,依靠膨胀节的弹性变形可以减少温差应
34、力,膨胀节的形式较多,常见的有形、平板形和形等几种。由于形膨胀节的挠性与强度都比较好,所以使用得最为普遍。当要求较大的补偿量时,宜采用多波形膨胀节。当管子和壳体的壁温差大于60和壳程压强超过0.6MPa时,由于补偿圈过厚,难以伸缩,失去温差补偿的作用,就应考虑其他结构。 2) 浮头式换热器 如图1-1(b)所示,换热器的一块管板用法兰与壳体连接,另一块管板不与壳体连接,且能自由移动。当管束与壳体受热或受冷产生伸缩时,两者互不牵制,因而不会产生温差应力。浮头部分由浮头管板、钩圈与浮头端盖组成,为可拆连接,管束可以抽出,故管内外都能清洗,也便于检修。由于结构复杂,其造价较高。 3) 填料函换热器
35、如图1-1(c)所示,浮头部分伸在壳体之外,它与壳体之间的空隙用一填料函密封,使换热器管束的一端可以自由伸缩。当管束和壳体间的温差较大,管束腐蚀严重且需经常更换时,采用这种形式的换热器比较合适。这种换热器以制造、清洗和检修都比较方便,造价也比浮头式的低。 4) 形管换热器 如图1-1(d)所示,换热器被弯成形,管的两端固定在同一块管板上,省去了一块管板和一个管箱(流道室)。形管具有自由伸缩的特点,可以完全消除热应力。管束可以从壳体中抽出,管外清洗方便,但管内清洗困难,所以宜让不结垢的流体从管内流过。因弯管时,必须保证一定的曲率半径,所以管束的中心部分存在较大的空隙,在相同直径的壳体中排列的管子
36、数较固定管板式少,价格比固定管板式高10。 综观上述不同种类的换热器,由于本设计题目为水-异丁烷换热器的设计,水和异丁烷均为洁净流体,不易结垢,传热温度和热负荷都较小,且管壳程的压力较低,所以结合设计条件和项目经费,选择经济实用的固定管板式换热器,这种换热器具有单位体积传热面积大,结构紧凑,坚固,传热效果好,而且能用多种材料制造,适用性较强,操作弹性大,结构简单,造价低廉,且适用于高温、高压的大型装置中。并且固定管板式换热器能得到最小的壳体内径,管程可分多程,壳程也可分成双程,规格范围广,故在工程中广泛应用。2 工艺结构的计算2.1 设计任务和设计条件题目:水-异丁烷换热器的设计设计参数:热负
37、荷:Q=200KW; 介质流量:根据热负荷计算;设计压力(MPa):管程 0.3,壳程 0.53;设计温度():管程入口 25,管程出口 35; 壳程温度 40,壳程入口 饱和气,壳程出口 饱和液;介质:管程 水,壳程 异丁烷;允许压降:100000Pa。2.2 确定设计方案 1)选择换热器的类型异丁烷属于无色气体、无毒,对金属无腐蚀性,微溶于水,与水无反应,能溶于乙醚。两流体温度变化情况:热流体进口温度40,出口温度40,冷流体进口温度25,其出口温度为35,所以由于管壁温与壳体壁温的温差较小,且壳程压力较小,故选取固定管板式冷凝器。固定管板式换热器具有单位体积传热面积大,结构紧凑,坚固,传
38、热效果好,而且能用多种材料制造,适用性较强,操作弹性大,结构简单,造价低廉,且适用于高温、高压的大型装置中。并且固定管板式换热器能得到最小的壳体内径,管程可分多程,壳程也可分成双程,规格范围广,故在工程中广泛应用。 2)流程的安排和确定从两流体的操作压力看,应使异丁烷饱和气体走管程,循环冷却水走壳程。但由于循环冷却水易结垢,若其流速太低,将会加快污垢增长速度,使换热器的传热能力下降,所以从总体考虑,应使循环水走管程异丁烷饱和气体走壳程。另外由于异丁烷饱和气体属于气体,对金属无腐蚀性,并且对于饱和蒸汽的冷凝换热器,饱和蒸汽一般走壳程,以便于冷凝液的排出,所以水走管程,异丁烷走壳程非常合适。2.3
39、 确定物性温度和物性数据定性温度:对于一般气体和水等低粘度流体,其定性温度可却流体进出口温度的平均值。故壳程异丁烷的定性温度为: ;管程水的定性温度为:;查物性参数表可得:1.壳程异丁烷在40下的有关物性数据如下:1)异丁烷为饱和气体时的物性参数密度 ;定压比热容 ;热导率 ;粘度 ;2) 异丁烷为饱和液体时的物性参数 密度 ; 定压比热容 ; 热导率 ; 粘度 ;2.管程水在30下的有关物性数据如下: 密度 ; 定压比热容 ; 热导率 ; 粘度 ;2.4 估算传热面积热负荷:Q=200KW;2.4.1管程冷却水的流量;2.4.2壳体异丁烷的质量流量由参考文献19中公式:; Q:流体相变产生的
40、传热速率,kw :流体的气化相变焓,异丁烷的相变焓为311.5 kJ/kg :流体的质量流量,kg/s所以: ;2.4.3平均传热温差先按纯逆流计算,依据文献11式(4-40)得; 冷凝器操作情况如图2-1所示:2.4.4传热面积的估算 按照文献11表4-7,取,依据文献11式(4-34)得;2.5 工艺结构尺寸的计算2.5.1 管径和管内流速根据参考文献12表3-2,由GB8163选用的普通碳素钢钢管,根据表3-3和3-4取管程流速。2.5.2 计算管程数和传热管数依据文献12式(3-9)确定单程传热管数(根);按单程管计算,所需的传热管长度为;按单程管设计,传热管过长,宜采用多管程结构。根
41、据GB151-1999,现取传热管长度,则该换热器的管程数为:(管程);所以,传热管总根数为:(根);2.5.3 平均传热温差和壳程数依据文献12式(3-13a)和(3-13b)得:; 按单壳程、四管程查温差矫正系数图得: ;平均传热温差 ;当时,多管程换热器内出现温度逼近现象,在这种情况下,就需考虑采用多壳程结构的换热器或多台换热器串联来解决。由于平均传热温差校正系数,则不需设置多壳程结构。同时,壳程流体流量较大,故取单壳程合适。2.5.4 传热管的排列和分程方法换热管在管板上的排列有正三角形排列、正方形排列和正方形错列三种排列方式。各种排列方式都有其各自的特点:正三角形排列:排列紧凑,管外
42、流体湍流程度高;正方形排列:易清洗,但给热效果较差;正方形错列:可以提高给热系数。所以,选择正方形错列排列,能够有效提高给热系数。管子排列方式如图2-2所示:图2-2 换热管排列示意图取管间距:;隔板中心侧到离其最近一排管中心距离为:;则各程相邻管的管心距为44mm。每程各有传热管22根,其前后管箱中隔板设置和介质的流通顺序按照文献12图3-14选取。选取情况如图2-3所示:2.5.5 壳体内径的计算采用多管程结构,壳体内径可按照文献12式(3-20)估算。正四边形排列4程管子时,取管板利用率。则壳体内径为:;按卷制壳体的进级档100mm,经圆整可取D=500mm。2.5.6折流板采用弓形折流
43、板,根据文献12,由折流板尺寸确定原则,取弓形折流板的圆缺高度为壳体内径的20%,则切去的圆缺高度为:;考虑到制造过程中的管孔变形而影响换热管的穿入,故被切除处最边缘上的管孔应小于0.5个孔位。则取圆缺高度为:。折流板的最小间距:,则最小;折流板的最大间距:,故取;所以取折流板数NB : (块);取折流板圆缺面水平装配。由参考文献12表4-3可得折流板厚度为5mm。2.5.7其他附件拉杆数量与直径按文献12表(4-7)和(4-8)选取。本换热器传热管外径为25mm,其拉杆直径为16mm,取拉杆数量为4个。壳程入口处,应设置防冲挡板,厚度取5mm。2.5.8 接管1)管程流体进出口接管根据文献1
44、2表3-3到3-5,可确定管内冷却水流速为,则接管内径为;圆整后可取接管内径为100mm。2)壳程流体进出口接管根据文献12,可确定进口接管内气体流速为,则接管内径为:; 圆整后可取进口接管内径为150mm。由于出口接管流出饱和液体,体积流量较入口的气体体积流量小很多,考虑到制造安装的统一性,则取壳程出口接管内径与管程接管内径相同,为100mm。2.6换热器核算2.6.1 换热器的热流量核算 1)壳侧系数壳侧壁温。冷凝平均温度为:40。40时异丁烷的物理性质a) 饱和液体时,; ; ;b) 饱和气体时,;根据参考文献13,估算管束直径:;由于正方形排列管子,四管程时:,;且;所以,;在平均蒸汽
45、温度下的蒸汽密度:;中排的管数为: ;水平换热管的载荷,单位管周长的冷凝物速率为:;根据参考文献13公式(12.51):; 2)管内表面传热系数 依据文献12式(3-32)和(3-33)得;管程流体流通截面积;管程流体流速和雷诺数为:; ;普朗特数为:;由于管内流体被加热,则; 3)污垢热阻和管壁热阻 依据文献12表(3-10),可取管程冷却水侧的热阻 ;壳程异丁烷侧的热阻 ;钢的导热系数 ; 管壁热阻 ; 4) 传热系数 依据文献12表(3-21),可得 ;在初步计算时,假设的总传热系数为。通过核算,该换热器在规定的流动条件下,所提供的传热系数为,所以假设合适。 5) 传热面积和面积裕度 依据文献12式(3-35)可得所计算的传热面积Ac为; 该换热器的实际传热面积A为; 该换热器的面积裕度依据文献12式(3-36)计算为 ; 所以,由于面积裕度在(15%20%)之间,则该换热器面积裕度合适,能够完成生产任务。2.6.2壁温核算因管壁很薄,管壁热阻小,故管壁温度可按文献12式
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