毕业设计(论文)-浮头式换热器的设计.doc
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1、1 摘摘 要要 随着石油化工行业的迅速发展,换热器在石化行业设备中占据着重要的部分 和地位。换热器是一种实现物料之间能量传递的设备,本设计主要是针对的浮头 式换热器,浮头式换热器属于管壳式换热器的一种,是利用间壁使高温流体和低 温流体进行对流传热从而实现物料间的热量传递。 在设计的整个过程中,严格按照 GB150-1998钢制压力容器和 GB151- 1999管壳式换热器等标准进行设计和计算。以及对换热器的强度,刚度和稳 定性的校核。 本设计包括四个部分:说明部分;计算部分;绘图部分和翻译部分。说明部 分主要阐述了浮头式换热器的工艺流程及其在炼油化工生产中的地位,换热器设 备及其发展现状和国内
2、外换热器的最新发展趋势,同时介绍了换热器的结构设计, 换热器主要零部件结构的设计及压力容器常用材料等。最后对压力容器的制造, 检验和验收等问题也作了简单的介绍。计算部分主要针对筒体,封头,和法兰进 行了详细计算,并对其进行了水压试验校核,还对换热器的管板,折流板,鞍座 等进行了相关的设计计算。除此之外,还参阅相关的设计手册及大量的文献,完 成了各个零件图的绘制,还对两万字符的外文进行了翻译等工作。因此,这是份 比较具有创新性的毕业设计。 关键词:浮头式换热器;筒体;压力试验;校核 2 Abstract With the oil of the rapid development of the c
3、hemical industry, heat exchanger equipment in the petrochemical industry occupies an important part and status. Is a heat exchanger to achieve energy transfer between the materials of the equipment, mainly for the design of the floating head heat exchanger, floating head heat exchangers are shell an
4、d tube heat exchanger type is the use of partitions so that high-temperature fluid and low-temperature fluid for convective heat transfer in order to achieve the heat transfer between materials. In the design of the whole process, in strict accordance with GB150-1998 “Steel Pressure Vessels“ and GB1
5、51-1999 “shell and tube heat exchanger“ and other standards for the design and calculation. As well as the heat exchanger strength, stiffness and stability of the check. The design includes four parts: that part of it; calculation part; mapping and translation of some parts. Note on some of the main
6、 floating head heat exchanger and its application in the process of refining the position of chemical production, heat exchanger and the development of equipment and heat exchangers at home and abroad the latest development trends, at the same time introduced the structure of heat exchanger design,
7、heat exchanger design of the structure of the main components and pressure vessels commonly used materials. Finally, pressure vessel manufacturing, testing and acceptance of other issues also made a brief introduction. Calculated for some of the main cylinder, head, and carried out a detailed calcul
8、ation of the flange, and 3 its hydraulic test checking, but also on the heat exchanger tube sheet, baffle, such as a saddle-related design calculation. In addition, see the related design manuals and a lot of literature, completed the mapping of various parts, but also on the20,000 foreign- language
9、 characters for the translation work. Therefore, it is a comparison of graduates with innovative design. Key words: : Floating head heat exchanger; cylinder; pressure test; check 4 目录目录 1 1 前言前言1 1 1.1 管壳式换热器的分类 1 1.2 管壳式换热器的结构 2 1.2.1 管束 2 1.2.2 壳程 3 1.2.3 管子的排列方式 3 1.2.4 管板 3 1.2.5 折流板与折流杆 3 1.3 管
10、壳式换热器相关分析 4 1.3.1 传热系数 4 1.3.2 平均温差 4 1.3.3 流体流速 4 1.3.4 流体压降 4 1.3.5 振动 4 1.3.6 其他 4 1.4 提高管壳式换热器传热能力的措施 5 1.5 管壳式换热器工作原理 6 1.6 管壳式换热器的发展 7 1.6.1 板式支承结构的发展 7 1.6.2 杆式支承结构的发展 7 5 1.6.3 空心环支承结构 8 1.6.4 管式自支承 9 1.7 管壳式换热器特点 .10 1.8 管壳式与其他换热器的比较 .11 1.9 腐蚀与防护 .14 1.9.1 换热器腐蚀的原因 .14 1.9.2 管壳式换热器的防腐蚀措施 .
11、16 1.10 换热器设计软件简介 19 1.10.1HTFS.20 1.10.2 HTRI21 1.10.3 ASPEN PLUS BJAC.22 1.11 结语23 2 2 设计部分设计部分2424 2.1 浮头式换热器筒体的计算: .24 2.1.1 计算条件 .24 2.1.2 厚度的计算 .24 2.2 前后端管箱封头的计算 .25 2.2.1 设计条件 .25 2.2.2 厚度计算 .25 2.2.3 压力试验应力校核 .26 2.2.4 压力试验应力校核 .27 6 2.3 带法兰无折边球形封头及法兰计算 .27 2.3.1 设计条件 .27 2.3.2 厚度计算 .28 2.4
12、 管子排列方式的设计 .31 2.5 开孔补强的计算 .31 2.5.1 筒体开孔所需的补强面积要求 .32 2.5.2 在有效补强范围内作为补强的截面积 .32 2.5.3 选择补强圈补强 .33 2.6 外头盖法兰厚度计算 .33 2.6.1 设计条件 .33 2.6.2 厚度计算 .34 2.7 管板的厚度计算 .38 2.7.1 设计条件 .38 2.7.2 计算各参数 .39 2.7.3 厚度计算 .41 2.7.4 校核换热管轴向力 .42 3 3 致致 谢谢 4545 4 4 参考文献参考文献 4646 7 1 前言 换热器是一种实现物料之间热量传递的节能设备,在石油、化工、冶金
13、、电 力、轻工、食品等行业应用普遍。在炼油、化工装置中换热器占总设备数量的 40左右,占总投资的30 45 。尤其是换热器在化工生产装置中应用十分 广泛,是化工操作单元中的重要组成部分。随着工业装置的大型化和高效率化, 换热器也趋于大型化。目前在大型化工生产装置中,各种换热设备的数量占工艺 设备数量的30以上。因此,了解换热器各方面知识是很有必要的。 换热器种类繁多,形式各异,如管壳式、釜式、板式、板翅式、螺旋板式、 空冷器、套管式、蛇管式、升降膜式等。由于管壳式换热器易于制造、适应性强、 处理量大、成本较低以及可供选用的材料范围广泛,仍是当前应用最广,理论研 究和设计技术最完善,性能可靠的一
14、类换热器,所以这里我们重点研究这它们。 1.1 管壳式换热器的分类 根据管壳式换热器的结构特点,可分为固定管板式、浮头式、U形管式、填 料函式及釜式重沸器等五类,每种结构形式各自发挥不同的作用。 固定管板式换热器它结构简单、紧凑、造价低,往往是管板兼法兰,适用于 管、壳程温差不大或管、壳程温差大,但压力不高,壳程介质干净或虽结垢但通 过化学清洗能清除的场合。其主要缺点是当壳体与管子的壁温或材料的线膨胀系 数相差较大时,在壳体与管中将产生很大的温差应力。 浮头式换热器管束一端的管板可以自由移动,不受温差应力的影响,其结构 复杂,内浮头密封困难,锻件多,造价高。维修时可拆卸浮头,抽出管束进行检 修
15、或更换,适用于管、壳程温差大但工作压力不超过10 MPa的工况,缺点是需要 8 抽出管束。还有一种浮头式换热器也称为填料函式换热器,其管束可自由伸缩, 壳程和管程都可以拆开清洗,结构简单,适用管、壳程温差大工况,但其耐压、 耐温及密封能力差,目前只是在低压与小直径的场合下使用。 U形管式换热器管束可自由伸缩,只有一块管板,密封面少,管束与壳体分 离,消除了温差应力,可抽芯检修更换。适用场合为管、壳程温差大,高温,高 压。壳程需抽芯清洗,要求管内介质干净或虽会结垢但通过化学清洗能清除。其 他类型就不予解释。 1.2 管壳式换热器的结构 图1.管壳式换热器示意图 1.2.1 管束 在管壳式换热器中
16、最简单的是单管程的换热器,如需增加传热面,一般采用 增加管数的方法,管数增加后可将管束分程,以防止管数增加后引起管内流速以 9 及传热系数的降低,从制造、安装、操作的角度考虑,一般采用偶数管程且程数 不宜太多。 1.2.2 壳程 图2.列出了几种代号的壳程型式。E型是最普通的一种,壳程是单程的,管 程可为单程也可为多程;F型为二壳程的换热器,是在壳体中装入了一块平行于 管子轴线方向的纵向隔板;G型也为二壳程的换热器,纵向隔板从管板的一段移 开使壳程流体得以分流;H型与G型相似,但进出口接管与纵向隔板均多一倍。 图2.换热器的壳程型式 1.2.3 管子的排列方式 管子在管板上的排列方式最常见的有
17、4种:正三角排列、转角正三角形排列、 正方形排列和转角正方形排列。 1.2.4 管板 管板是换热器的重要部件之一,用来排布换热管并起着分隔管程、壳程空间 的作用。薄管板有着节省材料的优点,是用于中、低压换热器中;椭圆形管板与 换热器的壳焊接在一起,受力条件较好,适用于高压、大直径的换热器。 1.2.5 折流板与折流杆 折流板体有助于提高壳程的流速,增强湍动,改善传热,在卧式换热器中起 支承管束的作用。常用的折流板有单弓形、双弓形、三重弓形等。折流杆是一种 10 新型支承管子的结构,其优点:在传热量相同的情况下,其压力降比弓形折流板 的换热器降低50 以上,没有传热死区,结垢速率慢,防止了横向流
18、诱发的振 动。 1.3 管壳式换热器相关分析 1.3.1 传热系数 在管侧热阻、壳侧热阻、污垢热阻和管壁热阻中分析导致热阻的主要原因。 一般管壳式换热器的管壁热阻在总热阻中只占很小的比例,对传热系数影响不大。 如是管侧热阻或壳侧热阻起决定作用,应该采取措施有效地增强湍动效果以提高 传热系数,如是污垢热阻起决定作用,应该采取措施使换热器有效除垢以提高传 热系数。 1.3.2 平均温差 平均温差是对数平均温差,但当多管程或多壳程时,需要修正平均温差。 1.3.3 流体流速 一般流体流速都有合理的范围,特别是对于甲类和乙类流体还有安全流速, 因此要分析流速是否合理,操作安全性是否可靠。 1.3.4
19、流体压降 其实流体压降与流速有密切关联,要分析压降是否合理,是否满足工艺要求。 1.3.5 振动 振动对于操作的安全性十分重要,因此对振动的分析也必不可少。 1.3.6 其他 11 换热器的长径比、介质走向、防冲板的设置、折流板间距、换热器清洗等问 题也要在设计中加以注意。 经过结果分析后,一切参数均能满足工艺要求,换热器的工艺设计才能完成。 1.4 提高管壳式换热器传热能力的措施 管壳式换热器的传热能力是由壳程换热系数、管程换热系数和换热器冷、热 介质的对数平均温差决定的,因此,提高管壳式换热器传热能力的措施包括以下 几点。 a.提高管壳式换热器冷、热介质的平均对数温差。冷、热介质平均对数温
20、差 除直接受冷、热介质进出口温度影响外,还受到冷、热介质的流动方向和换热流 程的影响。当换热器冷、热流体的温度沿传热面变化时,两种流体逆流平均温差 最大,顺流平均温差最小,在实际换热器设计中,冷、热流体多采用交错流方式, 其平均对数温差介于逆流和顺流之间。因此,应尽量增加换热器冷、热流体的逆 流比例,提高冷、热流体的对数平均温差,提高换热器的传热能力。 b.合理确定管程和壳程介质。在换热器设计中,对于壳程安装折流板的换热 器来说,Re100时,壳程介质即达湍流,因此,对于流量小或粘度大的介质优先 考虑作为壳程换热介质;由于管程清洗相对于壳程清洗要容易,因此对于易结垢、 有沉淀及杂物的介质宜走管
21、程;从经济性考虑,对于高温、高压或腐蚀性强的介 质,作为管程换热介质更加合理;对于刚性结构的换热器,若冷、热介质温差大, 因壁面温度与换热系数大的介质温度接近,为减小管束与壳体的膨胀差,换热系 数大的介质走壳程更加合理,而冷、热介质温差小,两介质换热系数相差大,换 12 热系数大的介质走管程更加合理。 c.采用强化管壳式换热器传热的结构措施。在换热器设计中,通常采用强化 传热的措施来提高换热器的传热能力。强化传热的常用措施有:采用高效能传热 面、静电场强化传热、粗糙壁面、搅拌等。 1.5 管壳式换热器工作原理 图3为固定管板式换热器的构造。A流体从接管1流入壳体内,通过管间从接 管2流出。B流
22、体从接管3流入,通过管内从接管4流出。如果A流体的温度高于B流 体,热量便通过管壁由A流体传递给B流体;反之,则通过管壁由B流体传递给A流 体。壳体以内、管子和管箱以外的区域称为壳程,通过壳程的流体称为壳程流体 (A流体)。管子和管箱以内的区域称为管程,通过管程的流体称为管程流体(B流体)。 管壳式换热器主要由管箱、管板、管子、壳体和折流板等构成。通常壳体为圆筒 形;管子为直管或U形管。为提高换热器的传热效能,也可采用螺纹管、翅片管等。 管子的布置正如上面所提到的有等边三角形、正方形、正方形斜转45度和同心圆 形等多种形式,前3种最为常见。按三角形布置时,在相同直径的壳体内可排列 较多的管子,
23、以增加传热面积,但管间难以用机械方法清洗,流体阻力也较大。 管板和管子的总体称为管束。管子端部与管板的连接有焊接和胀接两种。在管束 中横向设置一些折流板,引导壳程流体多次改变流动方向,有效地冲刷管子,以 提高传热效能,同时对管子起支承作用。折流板的形状有弓形、圆形和矩形等。 为减小壳程和管程流体的流通截面、加快流速,以提高传热效能,可在管箱和壳 体内纵向设置分程隔板,将壳程分为2程和将管程分为2程、4程、6程和8程等。 管壳式换热器的传热系数,在水-水换热时为14002850瓦每平方米每摄氏度 13 W/(m();用水冷却气体时,为10280W/(m();用水冷凝水蒸汽,为 5704000W/
24、(m()。 1.6 管壳式换热器的发展 1.6.1 板式支承结构的发展 传统的管壳式换热器采用单弓形折流板支承,由于壳程流体在转折和进出口 两端涡流的滞留区易产生传热死区,传热面积无法得到充分利用,并且当流体横 向流过管束时,流体在管子后方形成的卡门旋涡产生周期性交变应力,使管子发 生流体诱导振动 。为了使折流板的性能得到改进,人们又提出了多弓形折流板、 整圆形折流板、异形孔折流板、网状板,偏心孔折流板。这些新型折流板支承结 构的出现主要是为了使流体由横向流动变为纵向流动,从而尽可能消除死区,使 得传热综合性能得到提高,也使得管束的抗振性能得到增强。 1.6.2 杆式支承结构的发展 美国菲利浦
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