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固定管板式管壳式冷却器设计方案说明书固定管板式管壳式冷却器设计说明书目录第一章 概述31.1 换热器简单介绍31.2 本设计的目的与意义3第二章 管壳式换热器的性能及特点42.1 列管式换热器的类型52.1.1固定管板式换热器52.1.2 浮头式换热器52.1.3 U型管换热器62.1.4 填料涵式换热器 62.2题目要求换热器的设计62.2.1换热管及其在管板上的排列72.2.2 管板和管子的连接82.2.3管箱92.2.4 壳体及其与管板的连接102.2.5折流板112.2.6 拉杆和定距管122.3 管壳式换热器的标准13第三章 煤油冷却器设计计算143.1 设计任务与设计方案的确定143.1.1原始资料143.1.2选择换热器类型143.1.3 流动空间及流速的确定143.1.4确定物性数据143.1.5传热量及平均温差153.1.6 估算传热面积及传热面结构163.1.7 管程计算183.1.8 壳程结构及壳程计算183.1.9 需用传热面积203.1.10 阻力计算21第四章 设计心得体会24参考文献26附录27第一章 概述1.1 换热器简单介绍在石油化工生产中，常需要加热或冷却，及热量的传递。热量的传递有导热、对流和辐射三种基本方式。本设计是导热与对流两种传热方式的组合。当一种流体与另一种流体进行热交换而且不允许混合时，就要求在间壁式热交换器中进行，冷热流体被固体传热面隔开。本次设计的题目是固定管板的管壳式煤油冷却器，冷却器是换热设备中的一种，它是按在化工生产中所用的各种换热设备的功能和用途不同进行分类的。用水或其他冷却介质冷却液体或气体的装置称为冷却器。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。在换热器中至少要有两种流体，一种流体温度较高，放出热量；另一种流体则温度较低，吸收热量。在工程实践中有时也会存在两种以上流体参加换热的换热器，但它的基本原理与前一种情形并无本质上的区别。1.2 本设计的目的与意义通过本次课程设计，培养学生多方位、综合地分析考察工程问题并独立解决工程实际问题的能力。主要体现在以下几方面：1） 资料、文献、数据的查阅、收集、整理和分析的能力。要科学、合理、有创新地完成一项工程设计，往往需要各种数据和相关资料。因此，资料、文献和数据的查找、收集是工程设计必不可少的基础工作。2） 工程的设计计算能力和综合评价的能力。为了使设计合理要进行大量的工艺计算和设备的设计计算。本设计包括热工计算和冷却器设备的结构计算。3） 工程设计表达能力。工程设计完成后，往往要交付他人实施或与他人交流，因此，在工程设计进行和完成过程中，都必须将设计理念、思想、设计过程和结果用文字、图纸和表格的形式表达出来。只有完整、流畅、正确地表达出来的工程设计内容，才可能被他人理解、接受，顺利付诸实施。通过本设计不仅可以进一步巩固学生所学的相关知识，提高学生学以致用的综合能力，尤其对传热学、流体力学等课程更加熟悉，同时还可以培养学生尊重科学、注重实践和学习严谨、作风踏实的品格。第二章 管壳式换热器的性能及特点管壳式换热器具有悠久的使用历史，虽然在传热效率、紧凑性及金属耗量等方面不如近年来出现的其他新型换热器；但其具有结构坚固、可承受较高的压力、制造工艺成熟、适应性强，其允许压力可以从高真空到41.5MPa，温度可以从-100C以下到 1100C高温及选材范围广等优点，目前，仍是化工生产中应用最广泛的一种间壁式换热器，按其结构特点有固定管板、U形管、和浮头和填料涵式换热器式四种形式。三种各有优缺点，适用于不同的场合。管壳式换热器主要是由壳体、管束、管板、管箱及折流板等组成，管束和管板是刚性连接在一起的。2.1列管式换热器的类型2.1.1固定管板式换热器固定管板式换热器的两端和壳体连为一体，管子则固定于管板上，它的结构简单；在相同的壳体直径内，排管最多，比较紧凑；由于这种结构使壳侧清洗困难，所以壳程宜用于不易结垢和清洁的流体。当管束和壳体之间的温差太大而产生不头脑感的热膨胀时，常会使管子与管板的接口脱开，从而发生介质的泄露。为此常在外壳上焊一膨胀节，但它仅能减小而不能完全消除由于温差而产生的热应力，且在多程换热器中，这种方法不能照顾到管子的相对移动。由次可见，这种换热器比较适用于温差不大或温差较大但壳程压力不高的场合。2.1.2 浮头式换热器浮头式换热器针对固定板式换热器的缺陷做了结构上的改进。两端管板只有一端与壳体完全固定，另一端则相对于壳体作某些移动，该端称之为浮头。次类换热器的管束膨胀不受壳体的约束，所以壳体与管束之间不会由于膨胀量的不同而产生热应力。而且在清洗和检修时，紧需将管束从壳体中抽出即可，所以能适用于管壳壁间温差教大，或易于腐蚀和易于结垢的场合。但该类换热器结构复杂、笨重，造价约为固定管板式高左右，材料消耗量大，而且由于浮头的端盖在操作中无法检查，所以在制造和安装时要特别注意其密封，以免发生内漏，管束和壳体的间隙较大，在设计时要避免短路。至于壳程的压力也受滑动接触面的密封限制。2.1.3 U型管换热器U型管换热器仅有一个管板，管子两端菌固定于同一管板上。这类换热器的特点是：管束可以自由伸缩，不会因管壳之间的温差而产生热应力，热补偿性能好；管程为双管程，流程较长，流速较高，传热性能较好；承受压力强；管束可以从壳体内抽出，便于检修和清洗，且结构简单，造价便宜。但管内清洗不便，管束中间部分管子难以更换，又因为最内层管子弯曲半径不能太小，在管板中心部分布管不紧凑，所以管子数不能太多，且管束中心部分存在间隙，使壳程流体易于短路而影响壳程换管。此外，为了弥补弯管后管壁的减薄，直管部分必须用壁较厚的管子。这就影响了它的使用场合，仅宜用于管壳壁温差较大，或壳程介质易结垢而管程介质不易结垢，高温、高压、腐蚀性强的情形。2.1.4 填料涵式换热器此类换热器的管板也仅有一端与壳体固定，另一端采用填料函密封。它的管束也可以自由膨胀，所以管壳之间不会产生热应力，且管诚和壳程都能清洗，结构较浮头式简单，造价较低，加工制造方便，材料消耗较少。但由于填料密封处易于泄露，故壳程压力不能过高，也不宜用于易挥发、宜燃、易爆、有毒的场合。管壳式换热器工作时，一种流体走管内、称为管程，另一种流体走管外壳体内）、称为壳程。管内流体从换热管一端流向另一端一次，称为一程；管内流体从换热管一端经过U形弯曲段流向另一端一次，称为两程。两管程以上就需要在管板上设置分程隔板来实现分程。2.2题目要求换热器的设计本设计要求是带有固定管板的管壳式冷却器。下面介绍其特点：所谓“固定管板”是指管板和壳体之间也是刚性连接在一起，相互之间无相对移动，具体结构如图2-1所示。这种换热器结构简单、制造方便、造价较低；在相同直径的壳体内可排列较多的换热管，而且每根换热管都可单独进行更换和管内清洗；但管外壁清洗较困难。当两种流体的温差较大时，会在壳壁和管壁中产生温差应力，一般当温差大于50时就应考虑在壳体上设置膨胀节以减小或消除温差应力。固定管板式换热器适用于壳程流体清洁，不易结垢，管程常要清洗，冷热流体温差不太大的场合。图2-1 固定管板管壳式换热器1封头；2法兰；3排气口；4壳体；5换热管；6波形膨胀节；7折流板或支持板）；8防冲板；9壳程接管；10管板；11管程接管；12隔板；13封头；14管箱；15排液口；16定距管；17拉杆；18支座；19垫片；20、21螺栓、螺母 2.2.1换热管及其在管板上的排列换热管是壳式换热器的传热元件，它直接与两种介质接触。常用换热管为：碳钢、低合金钢管有192、252.5、383、573.5；不锈钢管有252、382.5。采用小管径、布管数量多，单位体积的传热面积增大、金属耗量少，结构紧凑，传热效率也稍高一些；但制造较麻烦，且小直径管子易结垢，不易清洗。所以一般对清洁流体用小直径的管子，粘性较大的或污浊的流体采用大直径的管子。 在相同传热面积下，换热管越长则壳体、封头的直径和壁厚就越小，经济性越好；但换热管过长，经济效果不再显著且清洗、运输、安装都不太方便。换热管的长度规格有1.5、2.0、3.0、4.5、6.0、7.5、9.0、12.0m，化工生产中6m管长的换热器最常用。换热器一般都用光管，为了强化传热，也可用螺纹管、带钉管及翅片管等。图2-2 换热管的排列形式 换热管在管板上的排列形式有正三角形、转角正三角形、正方形和转角正方形等。如图2-2所示。三角形排列布管多，结构紧凑，但管外清洗不便；正方形排列便于管外清洗，但布管较少、结构不够紧凑。一般在固定管板式换热器中多用三角形排列，浮头式换热器多用正方形排列。2.2.2 管板和管子的连接管板是换热器的主要部件之一，一般采用圆形平板，在板上开孔并装设换热管。管板还起分隔管程和壳程空间、避免冷热流体混合的作用。管板和管子的连接方式有胀接和焊接，对于高温高压下常采用胀、焊并用的方式。图2-3 胀接连接胀接连接是利用管子与管板材料的硬度差，使管孔中的管子在胀管器的作用下直径变大并产生塑性变形，而管板只产生弹性变形，胀管后管板在弹性恢复力的作用下与管子外表紧紧贴合在一起，达到密封和紧固连接的目的，如图2-3所示。由于胀接是靠管子的变形来达到密封和压紧的一种机械连接方法，当温度升高时，由于蠕变现象的作用可能引起接头脱落或松动，发生泄漏。因此，胀接适用于换热管为碳钢，管板为碳钢或低合金钢，设计压力不超过4MPa、设计温度不超过350，且无特殊要求的场合。焊接连接是将换热管的端部与管板焊在一起，工艺简单、不受管子和管板材料硬度的限制，且在高温高压下仍能保持良好的连接效果，所以对于碳钢或低合金钢，温度在300以上，大都采用焊接连接，如图2-4所示。图2-4 管板与换热管的焊接连接 因为当温度在300以上时，蠕变造成胀接残余应力松弛，将使胀口失效。目前广泛采用焊接加胀接。这种方法能够提高接头的抗疲劳性能，并且能消除应力腐蚀和间隙腐蚀，从而延长接头的使用寿命。2.2.3管箱管箱位于壳体两端，其作用是控制及分配管程流体。管箱的结构如图2-5所示，其中a）图适用于较清洁的介质，因检查管子及清洗时只能将管箱整体卸下，故不够方便；b）图在管箱上装有平盖，只要拆下平盖即可进行清洗和检查，所以工程应用较多，但材料用量较大；。 第三章 煤油冷却器设计计算3.1 设计任务与设计方案的确定3.1.1原始资料对固定管板的管壳式煤油冷却器进行传热计算、结构计算和阻力计算。在该换热器中，将16t/h的T-1煤油从160 冷却至40 ，冷却水进口和出口温度分别为30和40，煤油的工作压力为0.1MPa，水的工作压力为0.3MPa。完成该设计任务。3.1.2选择换热器类型根据已知条件，为了使煤油冷却效果好，油温均匀，而且该换热器用循环冷却水冷却，冬季操作时进口温度会降低，考虑到这一因素，估计该换热器的管壁温和壳体壁温之差较大，选两台固定管板的管壳式热交换器串联工作。3.1.3 流动空间及流速的确定由于热流体煤油进口温度160出口温度40；冷却水的进口和出口温度分别为30和40，煤油的工作表压力为0.1Mpa，水的工作表压力为0.3Mpa。水的结垢性强，工作压力也较高，故使其在管程流动，而煤油的温度、压力均不高，且较洁净，在壳程流动是合适的。选用252.5的碳钢管，管内流速取=1.14m/s。据热交换器原理与设计附录F查取），则=25mm。3.1.4确定物性数据定性温度：对于一般气体和水等低黏度流体，其定性温度可取流体进出口温度的平均值。根据流体力学知煤油属于低黏度流体。壳程煤油的定性温度为= 管程流体的定性温度为= 根据定性温度，在化学化工物性数据手册中分别查取壳程和管程流体的有关物性数据。分别的到100的煤油和35的水的物性数据如下表3-1。表3-1 煤油和水的物性数据表密度/m3）定压比热容kJ/kg）导热系数W/m）粘度kg/ms）100的煤油=766=2.38=0.1042=0.00054535的水=994.06=4.178=0.625=0.000723分别确定该温度下煤油和水的普兰德数、：3.1.5传热量及平均温差1）有传热学知识可知传热量可有下式计算：其中为热损失系数，根据相关资料取为0.98。2）逆流时的对数平均温差：3）冷却水用量:4）壳程参数P、R:5）温差修正系数：=6）有效平均温差的计算：3.1.6 估算传热面积及传热面结构1）由换热器设计手册初选传热系数为=260W/m3,据此估算出传热面积:。2）管程所需流通面积：3）每程管数： 取为84根。其中为管子内径，=25-22.5=20mm。为了不使管子太长并且符合国标和行业的规定，因此该冷却器按双层设计，那么。为两台冷却器总的层数。4）每根管长： 去标准长度为=0.45m。根据第二章的介绍，考虑各方面的因素采用组合排列的方式，即每层内按正三角形排列，隔板两侧采用正方形排列。管板上两根管子中心线的距离称为管间距，其大小主要与管板强度和清洁管子外表所需间隙、管子在管板上的固定方法有关。本设计选用的固定方法为焊接法。因此有热交换器原理与设计的表2.3与表2.4选数据如下：5）管间距s=32mm ,分层隔板处管间距=44mm。平行于流向的管距=，垂直与流向的管距。图3-1 管子排列草图6）估计壳体直径在400mm700mm之间，所以有热交换器原理与设计的表2.6查得拉杆直径为16mm。根据表2.7查的拉杆数为4根。下图3-1便是该冷却器的侧视草图。7）根据该图我们可以读出六边形层数a=7,一台管子数n1=168根，因此就可得出两台冷却器传热面积，由图可量出管束中心至最外层管中心距离为235.59mm，于是管束外缘直径为:8）壳体内径:其中，且不小于10mm，故=0.4962+20.0125=0.5212m，按GB151-99去标准直径为0.55m。9）长径比/=4.5/0.55=8.18 结果在425之间，估计算与估值是合理的。3.1.7 管程计算1）管程接管直径:按钢管标准取值为。2）管程雷诺数计算：3）管程换热系数：3.1.8 壳程结构及壳程计算为了提高流体的流速和湍流强度，强化壳程流体的传热，在管外空间常装设纵向隔板或折流板。由于纵向隔板安装难度较大，并且它与壳体壁之间容易存在间隙而产生流体泄露等，在它两侧的流体温度不同又存在热的泄露，往往降低了装设纵向隔板的效果。考虑以上两个方面的问题，本设计不采用纵向隔板。图3-2 冷却器折流板据第二章的内容，该冷却器选择了弓形折流板，这是由于在弓形折流板中，流体流动中的死角较小，结构简单，其在热交换器中的排列选为上下方向交替排列型。折流板的圆形角选为，由于液体中没有气体，所以折流板不用开通液口。其结构如图3-2所示。1）根据折流板间距在0.21）之间，取为=0.3m。折流板数目块。2）由草图3-1可数出折流板上管孔数为144个，折流板上管孔直径查GB151-99为0.0254m。由草图3-1数出通过折流板上管子数为144根，折流板缺口处管数为24根。折流板直径查GB151-99规定为0.5455m。3）折流板缺口面积：4）错流区内管数占总数的百分数:代入数据计算后的=0.60475）缺口处管子所占的面积：6）流体在缺口处流通面积：=-=0.0449-0.0163=0.02867）流体在两折流板间错流流通截面积： 8）壳程流通截面积9）壳程接管直径，有钢管的标准选相近规格。10）由有草图3-1可得错流区管排数=8排。11）每一缺口内的有效错流管排数排12）旁通流道数根据图可得出=1，选取旁通挡板数为3对。13）错流面积中旁流面积所占分数： 14）一块折流板上管子和管孔间泄露面积： 15）折流板外缘与壳体内壁之间泄露面积： 16）壳程雷诺数：17）查附录里图可得理想管束传热因子： 查附录里图可得折流板缺口校正因子： 查附录里图可得折流板泄露校正因子： 查附录里图可得旁通校正因子： 从而可得壳程传热因子18）壳程质量流量19）假定壳侧避免温度为66，查与此温度对应的煤油黏度由此得出壳侧换热系数:3.1.9 需用传热面积根据附录中各种油品及溶液的污垢热阻经验数据的：水垢热阻,煤油污垢热阻。在这里计算省略了管壁热阻。2）传热面积,由此计算如下数据：1）沿程阻力： =15564 Pa其中L为两台冷却器每根管子有效长度，所以L=224.5=182）回弯阻力3）进出口连接管阻力100000 Pa，所以50000 Pa,而=26868 Pa 50000 Pa,计算结果在规定范围内。查热交换器原理与设计的图2.36、2.37、2.38可得理想管束摩擦系数=0.21，折流板泄露校正系数=0.53,旁路校正系数=0.78，由于间距相等不需校正，所以折流板间距不等的校正系数Rs=1。据此计算如下：5）理想管束错流段阻力6）理想管束缺口处阻力7）壳程总阻力8）两台壳程总阻力根据热交换器原理与设计的表2.10的规定，因为本换热器壳程操作压力为100000Pa在0100000 Pa之间，所以=0.5P=50000Pa,而=1714Pa 50000 Pa,计算结果在规定范围内。自此设计计算全部完成，下面将该煤油冷却器的结构尺寸和计算结果列于下表3-2。表3-2煤油冷却器的结构尺寸和计算结果管程壳程流量 /h16000107185进/出口温度/30/40160/40压力/MPa0.30.1形式管壳式中的固定管板式台数2壳体内径/550管心距/32管径/252.5管子排列管长/4500折流板数/个14管数目/根168折流板间距/300传热面积/118.7拉杆数4程数2流速/m/s）1.140.175表面传热系数/W/k）5336.2342.6污垢热阻/k/W）0.000340.00017阻力/ Pa26868.4281928.4217热流量/KW1243.9467传热温差/40. 6181传热系数/W/K）266.8提供面积与所需面积比1.034材质碳钢补：本设计中壳程流速计算：第四章 设计心得体会时间像针尖上的一滴水滴在大海里，无声无息地消逝而去。但是我在设计里所学到的知识远不能用短短的两周来衡量。在这两周里,从查资料开始，细心琢磨，直到弄明白煤油冷却器设计的流程，才依据老师给的例题计算,计算给设备的结构尺寸 ,画CAD,编电子版说明书，脚踏实地地慢慢走过来。这其中有同学的互相帮助,有我自己的努力与认真,更离不开张老师的悉心指导。在设计的过程中，我运用了Excel进行程序编制，在编制的过程中，我获得了许多书本中所不能够得到的东西。经过此过程让我对Excel的用运更加熟练，其中的一些原理也渐渐开始明白。其次当我和同学一起编时，他给我找出了许多错误，这也让我更加深刻地理解一个简单的道理一个的力量是有限的，团体的力量是不可估量的。我认为我们的工作是一个团队的工作，团队需要个人，个人也离不开团队，必须发扬团结协作的精神。我们经常聚在一起讨论系统中各个要点的原理。在课程设计中只有一个人知道原理是远远不够的，必须让每个人都知道，否则一个人的错误，就有可能导致整个工作失败。团结协作是我们成功的一项非常重要的保证，而这次设计也正好锻炼我们这一点，这也是非常宝贵的。 通过这次课程设计，我想说：为完成这次课程设计我们确实很辛苦，但苦中仍有乐，和团队人员这十几天的一起工作的日子，让我们有说有笑，相互帮助，配合默契，多少人间欢乐在这里洒下，大学里一年的相处还赶不上这十几来天的实习，我感觉我和同学们之间的距离更加近了。在设计的过程中遇到许多不理解的问题，但是在老师悉心的指导下我终于搞明白了，最后消除了设计道路上的拦路虎。并且在次过程中我也发现了我的很多不足之处,自己有很多的知识漏洞,自己的实践经验还比较缺乏,理论联系实际的能力还急需提高,同时书本上的知识也需要得到巩固。通过这次课程设计培养了我的综合运用所学知识的能力,锻炼了我吃苦耐劳的精神,还使我懂得了理论与实际相结合是很重要的,只有理论是远远不够的,只有把所学的理论知识与实践相结合起来,从理论中得出结论,才能真正为社会服务,从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。 从前感觉学的许多科目没有实际意义，到现在觉得以前的专业知识不够扎实，给自己的设计过程带来了很大的麻烦。对我而言，知识上的收获重要，精神上的丰收更加可喜。让我知道了学无止境的道理。我们每一个人永远不能满足于现有的成就，人生就像在爬山，一座山峰的后面还有更高的山峰在等着你。挫折是一份财富，经历是一份拥有。这次课程设计必将成为我人生旅途上一个非常美好的回忆！参考文献1史美中 王中铮主编，热交换器原理与设计，东南大学出版社 , 1989.11。2.刘光启、马连湘、刘杰编，化学化工物性数据手册，化学工业出版社北京，2001.3.GB4557.184机械制图图纸幅面及格式4GB15199管壳式换热器5 化工部六院编，化工设备技术图样要求，化学工业设备设计中心站，1991年。6.钱颂文主编，换热器设计手册，化学工业出版社北京，2002年8月。7. 换热器的选型和设计指南8.化工部六院编，化工设备技术图样要求，化学工业设备设计中心站，1991年。9.邹华生、钟理、伍钦、赖万东编著，传热传质过程设备设计，华南理工大学出版社广州，2007年6月。山东万合制冷设备有限公司 谢谢观看！42 / 42