管殼式換熱器的設計與分析講解

1、四川理工學院畢業(yè)設計（論文）年產10萬噸氫氧化鈉溶液的列管式換熱器設計與分析生: 號: 業(yè)：過程裝備與控制工程 級:指導教師:四川理工學院機械工程學院O一三年六月四川理工學院畢業(yè)設計（論文）任務書設計（論文）題目：年產10萬噸氫氧化鈉溶液列管式換熱器的設計與分析學院：機械工程學院 專業(yè)：過程裝備與控制工程 班級:2009.2學號09011010216學生： 指導教師：接受任務時間 201 3.03.01系主任（簽名）院長（簽名）1.畢業(yè)設計（論文）設計壓力（MPa） 工作壓力（MPa） 設計溫度（C 工作溫度（C 介 質： 腐蝕裕度： 焊縫接頭系數(shù)：的主要內容及基本要求 殼程0.80.7150

2、130 （進）110水1.00.85(出)管程0.60.59080 （進）90 （出）氫氧化鈉溶液（質量分數(shù)40%）0設計壽命：10年2.指定查閱的主要參考文獻及說明（1）機械設計手冊，機械工業(yè)出版社;（3）機械制圖，清華大學出版社；（2）化工設備丁作明等編；（4） GB1502011壓力容器;（5）化工原理，天津大學出版社； 期刊主要有：化工機械、流體機械（6） GB151 1999管殼式換熱器；3.進度安排設計（論文）各階段名稱起止日期1資料收集，閱讀文獻，兀成開題報告3月1日至3月24日2完成所有結構設計和設計計算工作3月25日至4月21日3完成所有圖紙繪制4月22日至5月22日4完成說

3、明書的撰寫5月23日至6月7日5完成圖紙和說明書的修改，答辯的準備與畢業(yè)答辯6月8日至6月14日摘要換熱器是將熱流體的部分熱量傳遞給冷流體的設備，又稱熱交換器。本次是設計列管式換熱器的設計，介質為水和氫氧化鈉溶液。目的是為了掌握列管式換熱器的結構，以及設計 思路。首先根據(jù)物料介質的特點選取換熱器的類型， 此次選用的是固定管板式換熱器。 根據(jù)選 擇的類型進行工藝結構設計。此次設計主要包括以下幾個部分：工藝設計（主要包括換熱器 的選型，換熱面積計算，壓強降、傳熱系數(shù)的核算）、結構設計（換熱器主要件的材料選用， 結構尺寸設計）、強度校核等。關鍵詞：固定管板式換熱器 工藝設計 結構設計ABSTRACT

4、The heat exchanger is a equipment that transmit a part energy of the heat fluid to the cold fluid. This is the design of shell and tube heat exchanger, the medium is water and Sodium hydroxide solution. The design is in order to learn the structure of the shell and tube heat excha nger, and the desi

5、g n train of thought.First of all, accord ing to the Medium characteristics to choose type heat excha ngeWe choose the fixed tube plate heat excha nger about this desig n. We make structural desig n on the type. This desig n mainly in cludes the follow ing several parts: process desig n that in clud

6、i ng selecti on of heat excha nger, heat excha nge area computati on, the pressure drop and heat tran sfer coefficie nt of the calculati on), structural desig n that in clud ing main parts material select ion of the heat excha nger and the structure size desig nStre ngth check, etc.Keywords: Fixed t

7、ube plate heat excha nger; Process desig n; The structure desig n.目錄摘要ABSTRACT 第一章緒論11.1概述11.2換熱器的發(fā)展歷史 11.3換熱器的分類及其特點 21.3.1按作用原理或傳熱方式分類 21.3.2 按用途分類31.4管殼式換熱器31.4.1 基本類型41.4.2 設計方法71.4.3 主要控制參數(shù)81.4.4管殼式換熱器腐蝕分析 81.4.5管殼式換熱器防腐保護 91.5換熱器的技術發(fā)展動向 9第二章工藝設計122.1設計方案122.1.1 選擇換熱器的類型 122.1.2 流向選擇122.2初選換熱器的

8、規(guī)格 122.2.1 物性的確定122.2.2 計算熱負荷和氫氧化鈉溶液的流量 122.2.3兩流體的平均溫差 。132.2.4換熱器的初選132.3壓強降的核算 152.4總傳熱系數(shù)的核算 172.5設計參數(shù)及計算結果表 20第三章?lián)Q熱器的結構設計213.1設計條件213.2封頭設計213.2.1 封頭的設計213.2.2 封頭與筒體的連接 223.3管箱短節(jié)223.4 分程隔板 233.5筒體233.6換熱管233.6.1 換熱管的排列方式 233.6.2 排管與分程243.6.3 換熱管與管板的連接 243.7管板的設計253.7.1 管板的結構尺寸選取 。 253.7.2管孔外徑與允許

9、偏差 263.7.3管板與殼體的連接263.8 接管的設計 263.8.1 殼程接管 263.9 折流板 303.9.1 折流板的結構與尺寸 303.9.2 折流板上的管孔 313.10 拉桿、定距管 313.10.1 拉桿的形式 313.10.2 拉桿的結構尺寸 323.11 防沖板 323.11.1 管程設置防沖板的條件 323.11.2 殼程設置防沖板的條件 323.12 膨脹節(jié) 333.13 管箱 343.13.1 管箱結構 343.13.1 管箱法蘭 353.14 支座 353.14.1 支座的布置 353.14.2 支座的結構尺寸 36第四章 換熱器的強度計算 374.1 前端管箱

10、筒體計算 374.2 前端管箱封頭計算 384.3 后端管箱筒體計算 394.4 后端管箱封頭計算 404.5 殼程圓筒計算 404.6 延長部分兼作法蘭固定式管板 414.7 換熱管內壓計算 494.8 換熱管外壓計算 504.9 管箱法蘭計算 514.10 鞍座校核 524.10.1 鞍座承受載荷 524.10.2 鞍座強度校核 534.11 接管開孔補強 53第五章 換熱器的制造與檢驗 555.1 總體制造工藝 555.2 換熱器質量檢驗 555.3 管箱、殼體、頭蓋的制造與檢驗 555.4 換熱管的制造與檢驗 565.5 管板與折流板的制造與檢驗 565.6 換熱管與管板的連接 565

11、.7 管束的組裝 565.8 管箱、浮頭蓋的熱處理 57第六章 結論 58參 考 文 獻 60致謝 62四川理工學院畢業(yè)設計第一章緒論1.1概述換熱器是將熱流體的部分熱量傳遞給冷流體的設備，又稱熱交換器。換熱器是實現(xiàn)化工 生產過程中熱量交換和傳遞不可缺少的設備。在石油、化工、輕工、制藥、能源等工業(yè)生產 中，常常用作把低溫流體加熱或者把高溫流體冷卻，把液體汽化成蒸汽或者把蒸汽冷凝成液 體。隨著經(jīng)濟的發(fā)展，各種不同型式和種類的換熱器發(fā)展很快，新結構、新材料的換熱器不 斷涌現(xiàn)。換熱器的應用廣泛，日常生活中取暖用的暖氣散熱片、汽輪機裝置中的凝汽器和航 天火箭上的油冷卻器等，都是換熱器。它的主要功能是保

12、證工藝過程對介質所要求的特定溫 度，同時也是提高能源利用率的主要設備之一。換熱器既可是一種單元設備，如加熱器、冷 卻器和凝汽器等；也可是某一工藝設備的組成部分，如氨合成塔內的換熱器。換熱器是化工 生產中重要的單元設備，根據(jù)統(tǒng)計，熱交換器的噸位約占整個工藝設備的20%有的甚至高達30%，其重要性可想而知。1.2換熱器的發(fā)展歷史二十世紀20年代出現(xiàn)板式換熱器，并應用于食品工業(yè)。以板代管制成的換熱器，結構 緊湊，傳熱效果好，因此陸續(xù)發(fā)展為多種形式。30年代初，瑞典首次制成螺旋板換熱器。接著英國用釬焊法制造出一種由銅及其合金材料制成的板翅式換熱器，用于飛機發(fā)動機的散 熱。30年代末，瑞典又制造出第一臺

13、板殼式換熱器，用于紙漿工廠。在此期間，為了解決強 腐蝕性介質的換熱問題，人們對新型材料制成的換熱器開始注意。60年代左右，由于空間技術和尖端科學的迅速發(fā)展， 迫切需要各種高效能緊湊型的換熱 器，再加上沖壓、釬焊和密封等技術的發(fā)展，換熱器制造工藝得到進一步完善，從而推動了 緊湊型板面式換熱器的蓬勃發(fā)展和廣泛應用。此外，自60年代開始，為了適應高溫和高壓條件下的換熱和節(jié)能的需要，典型的管殼式換熱器也得到了進一步的發(fā)展。70年代中期，為了強化傳熱，在研究和發(fā)展熱管的基礎上又創(chuàng)制出熱管式換熱器。換熱器中流體的相對流向一般有順流和逆流兩種。順流時，入口處兩流體的溫差最大， 并沿傳熱表面逐漸減小，至出口處

14、溫差為最小。逆流時，沿傳熱表面兩流體的溫差分布較均 勻。在冷、熱流體的進出口溫度一定的條件下，當兩種流體都無相變時，以逆流的平均溫差 最大順流最小。在完成同樣傳熱量的條件下，采用逆流可使平均溫差增大，換熱器的傳熱面積減??；若 傳熱面積不變，采用逆流時可使加熱或冷卻流體的消耗量降低。前者可節(jié)省設備費，后者可 節(jié)省操作費，故在設計或生產使用中應盡量采用逆流換熱。當冷、熱流體兩者或其中一種有物相變化（沸騰或冷凝）時，由于相變時只放出或吸收汽 化潛熱，流體本身的溫度并無變化，因此流體的進出口溫度相等，這時兩流體的溫差就與流 體的流向選擇無關了。除順流和逆流這兩種流向外，還有錯流和折流等流向。在傳熱過程

15、中， 降低間壁式換熱器中的熱阻，以提高傳熱系數(shù)是一個重要的問題。熱阻主要來源于間壁兩側 粘滯于傳熱面上的流體薄層（稱為邊界層），和換熱器使用中在壁兩側形成的污垢層，金屬壁 的熱阻相對較小。增加流體的流速和擾動性，可減薄邊界層，降低熱阻提高給熱系數(shù)。但增加流體流速會 使能量消耗增加，故設計時應在減小熱阻和降低能耗之間作合理的協(xié)調。為了降低污垢的熱 阻，可設法延緩污垢的形成，并定期清洗傳熱面。一般換熱器都用金屬材料制成，其中碳素鋼和低合金鋼大多用于制造中、低壓換熱器； 不銹鋼除主要用于不同的耐腐蝕條件外，奧氏體不銹鋼還可作為耐高、低溫的材料；銅、鋁 及其合金多用于制造低溫換熱器；鎳合金則用于高溫條

16、件下；非金屬材料除制作墊片零件外， 有些已開始用于制作非金屬材料的耐蝕換熱器，如石墨換熱器、氟塑料換熱器和玻璃換熱器 等。13換熱器的分類及其特點在工業(yè)生產中，由于用途、工作條件（溫度、壓力）和物料特性（介質）的不同，出現(xiàn) 了各種不同形式和結構的換熱器。1.3.1按作用原理或傳熱方式分類按傳熱原理以及傳熱方式進行分類，換熱器可進行以下幾種方式分類。（1）表面式換熱器（間壁式）表面式換熱器是溫度不同的兩種流體在被壁面分開的空間里流動，通過壁面的導熱和流 體在壁表面對流，兩種流體之間進行換熱。表面式換熱器有管殼式、套管式和其他型式的換 熱器。（2）蓄熱式換熱器蓄熱式換熱器通過固體物質構成的蓄熱體，

17、把熱量從高溫流體傳遞給低溫流體，熱介質 先通過加熱固體物質達到一定溫度后，冷介質再通過固體物質被加熱，使之達到熱量傳遞的 目的。蓄熱式換熱器有旋轉式、閥門切換式等。蓄熱式換熱器通過結構緊湊、價格便宜、單位體積傳熱面積大，故適合氣一氣熱交換場合。（3）流體連接間接式換熱器（中間載體式）流體連接間接式換熱器，是把兩個表面式換熱器由在其中循環(huán)的熱載體連接起來的換熱 器，熱載體在高溫流體換熱器和低溫流體之間循環(huán)，在高溫流體接受熱量，在低溫流體換熱11器把熱量釋放給低溫流體圖1-1直接接觸式換熱器圖1-2蓄熱式換熱器（4）直接接觸式換熱器直接接觸式換熱器是兩種流體直接接觸進行換熱的設備，例如，冷水塔、氣

18、體冷凝器等。具有傳熱效率高、單位容積提供的傳熱面積大、設備結構簡單、價格便宜等優(yōu)點，但不適用 于流體混合的場合。132按用途分類（1）加熱器加熱器是把流體加熱到必要的溫度，但加熱流體沒有發(fā)生相的變化（2）預熱器預熱器預先加熱流體，為工序操作提供標準的工藝參數(shù)。（3）過濾器過熱器用于把流體（工藝氣或蒸汽）加熱到過熱狀態(tài)。（4）蒸發(fā)器蒸發(fā)器用于加熱流體，達到沸點以上溫度，使其流體蒸發(fā)，一般有相的變化。14管殼式換熱器管殼式換熱器又稱列管式換熱器。管殼式換熱器是一個量大而品種繁多的產品，迫 切需要新的耐磨損、耐腐蝕、高強度材料。我國在發(fā)展不銹鋼銅合金復合材料、鋁鎂合 金及碳化硅等非金屬材料等方面都有

19、不同程度的進展，其中尤以鈦材發(fā)展較快。鈦對海水、氯堿、醋酸等有較好的抗腐蝕能力，如再強化傳熱，效果將更好，目前一些制造單 位已較好的掌握了圖1-3管殼式換熱器鈦材的加工制造技術。對材料的噴涂，我國已從國外引進生產線。鋁鎂合金具有較高的抗腐 蝕性和導熱性，價格比鈦材便宜，應予注意。近年來國內在節(jié)能增效等方面改進換熱器性能， 提高傳熱效率，減少傳熱面積降低壓降，提高裝置熱強度等方面的研究取得了顯著成績。換 熱器的大量使用有效的提高了能源的利用率，使企業(yè)成本降低，效益提高。管殼式換熱器管殼式換熱器是管殼式換熱器主要有殼體、管束、管板和封頭等部分組成，殼體多呈圓形，內部裝有平行管束或者螺旋管，管束兩端

20、固定于管板上。在管殼換熱器內進 行換熱的兩種流體，一種在管內流動，其行程稱為管程；一種在管外流動，其行程稱為殼程。 管束的壁面即為傳熱面。管子的型號不一，過程一般為直徑16mm 19mm或者25mm三個型號， 管壁厚度一般為1mm，1.5mm，2mm以及2.5mm。進口換熱器，直徑最低可以到8mm，壁厚 僅為0.6m m。大大提高了換熱效率，今年來也在國內市場逐漸推廣開來。管殼式換熱器，螺 旋管束設計，可以最大限度的增加湍流效果，加大換熱效率。內部殼層和管層的不對稱設計， 最大可以達到4.6倍。這種不對稱設計，決定其在汽-水換熱領域的廣泛應用。最大換熱效率 可以達14000w/m2.k，大大提

21、高生產效率，節(jié)約成本。同時，由于管殼式換熱器多為金屬結構，隨著中國新版GMP的推出，不銹鋼316L為主體的換熱器，將成為飲料，食品，以及制藥行業(yè)的必選。1.4.1基本類型根據(jù)管殼式換熱器的特點，可分為固定管板式、浮頭式、U形管式、填料函式、和釜式重沸器五類，如圖所示。（1）固定管板式換熱器固定管板式換熱器的典型結構如圖1-4所示，管束連接在管板上，管板與殼體焊接。其 優(yōu)點式結構簡單、緊湊，能承受較高的壓力，造價低，管程清洗方便，管子損壞時易于堵管或更換；缺點是管束與殼體的壁溫或材料的線膨脹系數(shù)相差較大時，殼體與管束中將產生較 大的熱應力。這種換熱器使用于殼側介質清洗且不易結垢并能進行清洗，管、

22、殼程兩側溫差 不大或溫差較大但是殼程壓力不高的場合。圖1-4 固定管板式換熱器為減少熱應力，通常在固定管板式換熱器中設置柔性元件（如膨脹節(jié)、撓性管板等） ， 來吸收膨脹差。（2）浮頭式換熱器浮頭式換熱器的典型結構見圖1-4所示，兩端管板只有一段與殼體固定，另一端可相對 殼體自由移動，稱為浮頭。浮頭由浮動管板、鉤圈和浮頭端蓋組成，是可拆連接，管束可從 殼體內抽出。管束與殼體的熱變形互不約束，因而不會產生熱應力。鉤圈對保證浮頭端的密封、防止介質間的串漏起著重要作用。隨著浮頭式換熱器的設計、 制造技術的發(fā)展，以及長期以來使用經(jīng)驗的積累，鉤圈的結構形式也得到了不段的改進和完 善。鉤圈一般都為對開式結構

23、，要求密封可靠，結構簡單、緊湊、便于制造和拆裝方便。浮頭式換熱器的優(yōu)點是管間與管內清洗方便，不會產生熱應力；但其結構復雜，造價比 固定管板式換熱器高，設備笨重，材料消耗量大，且浮頭端小蓋在操作中無法檢查，制造時 密封要求高。適用于殼體與管束之間壁溫差較大或殼程介質以結構的場合。（3）U形管式換熱器U形管式換熱器的典型結構見圖1-6所示。這種換熱器的結構特點是，只有一塊管板， 管束由多跟U形管組成，管的兩端固定在同一塊管板上，管子可以自由伸縮。當殼體與U形換熱管由溫差時，不會產生熱應力。圖1-5 浮頭式換熱器圖1-6 U形管式換熱器由于受彎管曲率半徑的限制，其換熱管排布較少，管束最內層管間距離較

24、大，管板的利用率較低；殼程流體易形成短路，對傳熱不利。當管子泄露損壞時，只有管束最外圍處的U形管才便于更換，內層換熱管不能夠更換，只能堵死，而壞一根U形管相當于壞兩根管，報廢率較高。U形換熱器的結構比較簡單、價格便宜，承壓能力差，適用于管、殼壁溫差較大或殼程 介質易結垢需要清洗，又不適宜采用浮頭式和固定管板式的場合。特別適用于管內走清潔而 不易結垢的咼溫、咼溫、咼壓腐蝕性強的物料。（4）填料函式換熱器填料函式換熱器結構如圖1-7、1-8所示。這種換熱器的特點與浮頭式換熱器相類似，浮 頭部分露在殼體以外，在浮頭與殼體的滑動接觸面處采用填料函式密封結構。由于采用填料 函式密封結構，使得管束在殼體軸

25、向可以自由伸縮，不會產生殼壁與管壁熱變形差而引起的 熱應力。其結構較浮頭式換熱器簡單，加工制造方便，節(jié)省材料，造價比較低廉，且管束可 以從殼體內抽出，管內、管間都能進行清洗，維修方便。因填料重沸器處易產生泄露，填料式換熱器一般適用于4MPa以下的工作條件，且不適用易揮發(fā)、易燃、易爆、有毒及貴重介質，使用溫度也受填料的物性限制。填料函式換熱器 現(xiàn)在已很少使用。圖1-7填料函雙殼程換熱器J.I! 注r仁爭g旳衛(wèi)r - |-JiJ-二一強一. J.J =一-一”亠.,_丁巧一plIL ji i * ； J-_一f *-j E L； l圖1-8 填料函分流式換熱器(5) 釜式重沸器釜式重沸器的結構如圖

26、1-8所示。這種換熱器的管束可以分為浮頭式、U形管式和固定 管板式結構，所以它具有浮頭式、U形管式換熱器的特性。在結構上與其他換熱器不同之處在于殼體上部設置了一個蒸發(fā)空間，蒸發(fā)空間的大小由產氣量和所要求的蒸發(fā)品質所決定。產氣量大、蒸氣品質要求高者蒸發(fā)空間大，否者可以小些。此種換熱器與浮頭式、U形管式換熱器一樣，清洗維修方便，可以處理不清潔、易結垢 的介質，并能承受咼溫咼壓。圖1-8釜式重沸器1.4.2設計方法在滿足工藝過程要求的前提下，換熱器應該達到安全與經(jīng)濟的目標。換熱器設計的主要 任務是參數(shù)的選擇、結構設計、傳熱計算、及壓強降計算等。設計主要包括殼體形式、管層數(shù)、換熱管類型、管長、管子排列

27、、管子支承結構(如折流板結構等)、冷熱流體的流動通道等工藝設計和封頭、殼體、管板等零部件的結構、強度設計計算。換熱器的工藝設計計算，依據(jù)設計任務的不同可分為設計計算和校核計算兩種，包括計 算換熱器換熱面積和選型兩個方面。一般已知冷、熱流體的處理量和他們的物性、進出口溫 度、壓力由工藝要求確定、設計中需選擇或確定的數(shù)據(jù)有三大類，即物性數(shù)據(jù)、結構數(shù)據(jù)和 工藝數(shù)據(jù)。設計計算式由已知數(shù)據(jù)計算換熱面積，進而決定換熱器的結構，可選定標準形式 的換熱器；校核計算是對已知換熱器核定一些運行參數(shù)，校核它是否滿足預定的換熱要求。通常的設計步驟如圖1-9所示1.4.3主要控制參數(shù)1. 管殼式換熱器的主要控制參數(shù)為加

28、熱面積、熱水流量、換熱量、熱媒參數(shù)等。(1) 、根據(jù)已知冷、熱流體的流量，初、終溫度及流體的比熱容決定所需的換熱面積。初步估計換熱面積，一般先假定傳熱系數(shù)，確定換熱器構造，再校核傳熱系數(shù)K值。(2) 、選用換熱器時應注意壓力等級，使用溫度，接口的連接條件。在壓力降，安裝條 件允許的前提下，管殼式換熱器以選用直徑小的加長型，有利于提高換熱量。(3) 、換熱器的壓力降不宜過大，一般控制在 0.010.05MPa之間；(4) 、流速大小應考慮流體黏度，黏度大的流速應小于0.51.0m/s； 般流體管內的流 速宜取0.41.0m/s；易結垢的流體宜取0.81.2m/so(5) 、高溫水進入換熱器前宜設

29、過濾器。(6) 、熱交換站中熱交換器的單臺處理和配置臺數(shù)組合結果應滿足熱交換站的總供熱負 荷及調節(jié)的要求。在滿足用戶熱負荷調節(jié)要求的前提下，同一個供熱系數(shù)中的換熱器臺數(shù)不 宜少于2臺，不宜多于5臺。1.4.4管殼式換熱器腐蝕分析管殼式換熱器的材料一般以碳鋼、不銹鋼和銅為主，其中碳鋼材質的管板在作為冷卻器 使用時，其管板與列管的焊縫經(jīng)常出現(xiàn)腐蝕泄漏，泄漏物進入冷卻水系統(tǒng)污染環(huán)境又造成物 料浪費。管殼式換熱器在制作時，管板與列管的焊接一般采用手工電弧焊，焊縫形狀存在不同程 度的缺陷，如凹陷、氣孔、夾渣等，焊縫應力的分布也不均勻。使用時管板部分一般與工業(yè) 冷卻水接觸，而工業(yè)冷卻水中的雜質、鹽類、氣體

30、、微生物都會構成對管板和焊縫的腐蝕， 這就是我們常說的電化學腐蝕。研究表明，工業(yè)水無論是淡水還是海水，都會有各種離子和 溶解的氧氣，其中氯離子和氧的濃度變化，對金屬的腐蝕形狀起重要作用。另外，金屬結構 的復雜程度也會影響腐蝕形態(tài)。因此，管板與列管焊縫的腐蝕以孔蝕和縫隙腐蝕為主。從外 觀看，管板表面會有許多腐蝕產物和積沉物，分布著大小不等的凹坑。以海水為介質時，還 會產生電偶腐蝕?；瘜W腐蝕就是介質的腐蝕，換熱器管板接觸各種各樣的化學介質，就會受 到化學介質的腐蝕。另外，換熱器管板還會與換熱管之間產生一定的雙金屬腐蝕。綜上所述，影響管殼式換熱器腐蝕的主要因素有：(1) 介質成分和濃度：濃度的影響不

31、一，例如在鹽酸中，一般濃度越大腐蝕越嚴重。碳 鋼和不銹鋼在濃度為50%左右的硫酸中腐蝕最嚴重，而當濃度增加到 60%以上時，腐蝕反而 急劇下降；(2) 雜質：有害雜質包括氯離子、硫離子、氰離子、氨離子等，這些雜質在某些情況下 會引起嚴重腐蝕(3) 溫度：腐蝕是一種化學反應，溫度每提升10C，腐蝕速度約增加13倍，但也有 例外；(4) ph值：一般ph值越小，金屬的腐蝕越大；(5) 流速：多數(shù)情況下流速越大，腐蝕也越大。1.4.5管殼式換熱器防腐保護針對冷卻塔防腐問題，傳統(tǒng)方法以補焊為主，但補焊易使管板內部產生內應力，難以消 除，可能造成冷卻塔管板焊縫再次滲漏。 現(xiàn)西方國家多采用高分子復合材料的

32、方法進行保護， 其中應用最多的是美嘉華技術產品。其具有優(yōu)異的粘著性能及抗溫、抗化學腐蝕性能，在封 閉的環(huán)境里可以安全使用而不會收縮，特別是良好的隔離雙金屬腐蝕和耐沖刷性能，從根本 上杜絕了修復部位的腐蝕滲漏，為冷卻塔提供一個長久的保護涂層。15換熱器的技術發(fā)展動向換熱器的相關技術發(fā)展主要表現(xiàn)在以下幾個方面。(1) 防腐技術的應用近年來，在換熱器防腐蝕領域的研究和設計方面取得較為顯著地成果，如陽極保護技術 的開發(fā)和新型防腐蝕材料的運用等。(2) 強化技術各種新型、高效換熱器逐步取代現(xiàn)有的常規(guī)產品。電場動力效應強化傳熱技術、添加物 強化沸騰傳熱技術、通入惰性氣體強化傳熱技術、滴狀冷凝技術、微生物傳

33、熱技術、磁場動 力傳熱技術、納米流體傳熱技術等將得到研究和發(fā)展。(3) 抗振技術由于工業(yè)生產規(guī)模的日益增大，換熱器的尺寸也越來越大，因流體誘導振動所造圖1-9管殼式換熱器的設計步驟成的破壞事故顯著增多。目前，已出現(xiàn)多種新型殼程支撐結構和其他的抗振方法的新型換熱 器，他們在工業(yè)生產中獲得廣泛的應用，大大延長了換熱器的使用壽命。（4）大型化和微小型化并重隨著成套裝置的大型化，換熱器向大型化發(fā)展，同時由于微電子、航空航天、醫(yī)療化學生物工程、材料科學等場合的特殊要求而向微小型化發(fā)展。大型化換熱器直徑超過5米。微小型換熱器與普通換熱器相比。其主要特點在于單位體積內的傳熱面積很大，比普通換熱器 要高12個

34、數(shù)量級。（5）先進制造技術先進技術制造的進步主要表現(xiàn)在各種強化管加工工藝的日漸成熟和新材料焊接工藝水 平的提高。許多新材料在換熱器的設計中的應用帶來了焊接工藝的進步，進一步推動了新形 換熱器的發(fā)展。（6）防垢技術結垢不僅照成換熱器傳熱傳熱其效率的降低和輸入動力的增加，而且大大減少有效傳熱 面積和增大材料的浪費，甚至是換熱器發(fā)生堵塞失效。隨著結垢機理的研究，防止結垢的方 法也獲得了發(fā)展，如采用表面涂層或特殊表面形狀、管內彈簧插入人物或清洗球等在線除垢、 聲波除垢、使用除垢劑以及改變流到結構等技術方法均得到了一定的工業(yè)運用。（7）研究升段隨著計算機流體力學（CFD）的發(fā)展和計算機軟硬件技術的飛速進

35、步，以及大型商業(yè)化 CFD軟件的日益成熟，通過計算機程序來對復雜的流體流動現(xiàn)象進行數(shù)值模擬和仿真已成可 能。當前用CFD方法對換熱器進行數(shù)值模擬已成為新型換熱器開發(fā)研究的一種手段，CFD方法已成為性能檢驗和性能評價的有效方法之一。隨著工業(yè)中經(jīng)濟效益與社會中環(huán)境保護的要求，制造水平不斷的提高，新能源的逐漸開 發(fā)，研究手段日益發(fā)展，各種新思路與新結構的涌現(xiàn)，換熱器將朝著更高效、經(jīng)濟、環(huán)保的 方向發(fā)展。四川理工學院畢業(yè)設計第二章工藝設計2.1設計方案2.1.1選擇換熱器的類型在實際生產換熱過程中，水和氫氧化鈉溶液必須間隔開來，不接觸，不混合；并呈 連續(xù)流動狀態(tài)，管殼式換熱器最符合本次設計要求，所以本

36、次設計采用管殼式換熱器。 在管殼式換熱器中包括：固定管板板式換熱器、U形管換熱器、浮頭式換熱器。1) 固定管板式結構簡單、造價低廉。但殼程不易檢修和清洗，因此殼方流體應是較潔凈且不易結垢的物料。當兩流體溫差大于50C因考慮熱補償。2) U形管換熱器結構簡單、重量輕，適用于高溫和高壓的場合。管內清洗比較困 難，因此管內流體必須潔凈；且因管子需一定的彎曲半徑，故管板的利用率差。3) 浮頭式換熱器管束可以從殼體中抽出，便于清洗和檢修。但該種換熱器結構較 復雜，金屬耗量較多造價也較高。在本次設計中根據(jù)兩種流體溫度的變化情況：水進口溫度為130C，出口溫度為110C ;氫氧化鈉溶液的進口溫度為 80C，

37、出口溫度為90C。換熱器的工作壓力：殼程 壓力為0.7MPa,管程壓力為0.6MPa。兩流體都較潔凈、不易結垢，兩流體的溫差不大 且操作壓力與溫度也較低，所以選擇固定管板式換熱器就能滿足本次設計的要求。2.1.2流向選擇從兩種流體的情況來看，均為腐蝕小，不結垢的液態(tài)流體。主要目的是把氫氧化鈉 溶液加熱到指定溫度。故安排氫氧化鈉溶液從管程通過，水從殼程通過。2.2初選換熱器的規(guī)格2.2.1物性的確定表2-1介質的物性3密度 /(kg/m )比熱容 /(kJ/kg. C)粘度/Pa.s導熱系數(shù)/(W/m. C )NaoH溶液143034830.231 勺00.621水982.5425223.83咒

38、10,0.692.2.2計算熱負荷和氫氧化鈉溶液的流量按300個工作日計算，一天工作12個小時。氫氧化鈉溶液吸收的熱量：Qc 二WcCpcW -t2)W(2-1)Qc8=268731 W100.832 4186 (90 -80)氫氧化鈉溶液的流量:8Wc -10 /(300 12) =27778 Kg/h水的流量:Wh 二Q/Cph(T-T2)268731 36004252 (130 -110)= 1136 kg/h(2-2)2.2.3兩流體的平均溫差按單殼程，多管程進行計算，逆流時平均溫差為:逆流時：缶t2 =130 -90 =40 C辻2 =T2=110-80 =30 C因為:I所以:=t

39、| =t240 =30-35 C因為:h 1290 80P =0.25 1308090 80所以,查化工原理可得 二=0.98 ,因此t = ;:.t：tm= 0.98 35 = 34.3C由于溫度校正系數(shù)0.8，故采用單殼程換熱器。2.2.4換熱器的初選假設換熱器的總傳熱系數(shù) K值為350W/( m2 C) 估算的傳熱面積：300x12x3600假設管程流速u=0.6m/s計算管子數(shù):nsns管子總長:QtmK(2-3)2S=22.4 m24wc / 二 3600二di2u(2-4)4 27778/1430 36003.14 0.22 0.6= 28.6 ： 29(根)L=S/n 二d= 2

40、4/29 3.14 0.02 = 13.2m管長取I =3m管程數(shù)：Np二丄p lNp = 13.2 = 4.4p3（2-5）N = 4ns（2-6）N =4 29=112 (根)D 二嘰-1) 2b1（2-7）故管程數(shù)取4程管子總數(shù)：換熱器的殼徑：式中D殼體內徑；t管心距（正三角形排列）；nc橫過管束中心線的管子數(shù)；b1管束中心線上最外層管的中心至殼體內壁的距離，一般取b1 = （11.5）d。m；又因為：nc =1.1、N 112 =11.6 T2 根（2-8）所以D =32(12 -1)2 25 =427 mm；經(jīng)過圓整D取450 mm。因此 D=450 mm, n=112,傳熱面積 S

41、=22.4 m2.此數(shù)據(jù)與標準型固定管板式換熱器中管程為4管程，公稱壓力為I.OMpa。殼徑為450mm,管子25 2.5,，L=3m的參數(shù)相似。故可以選取這個型號的換熱器進行校核設計。參數(shù)如表 2-2:表2-2換熱器的參數(shù)殼徑/mm450管子尺寸/mm$25x2.5公稱壓強/MPa1.0管長/m3公稱面積/m223.9管子總數(shù)104管程數(shù)4管子排列方式正三角形排列實際傳熱面積S = n二dL =23.7m2 , 總傳熱系數(shù) 心衛(wèi) 330 W/( m2 -C)。Sit2.3壓強降的核算1) 管程流動阻力(2-9)(2-10)Pt =(PJNsNpFs殼程數(shù)Ns =1 ;管程數(shù)Np =1 ;管程

42、結垢校正系數(shù)Fs近似取為1.4管程流通面積 Adj20.022 104 = 0.00816m24 Np 44i =Vs/A =27778/(3600 4130 0.00816) = 0.66m/s(2-11)ReidiUi p0.02 0.66 14300.00231= 8171(2-12)換熱器管程局部阻力：z 0 1設管壁粗糙度；=0.1，則 0.1、0.G5 , Rej已在上一節(jié)求出為10202由參考文獻化di 19工原理可查的 i =0.032所以流體流經(jīng)傳熱管直管阻力：21R = i丄竺di 2式中局部阻力是系數(shù)一般取為(2-14)Pr=3 1430 0.66 934Pa所以：管程流

43、動阻力:R =(1822 +934)x1.4x1x4 =15434Pa壓力降很小，滿足設計要求2）殼程流動阻力Ps - 1 PoP FsNs(2-15)對于氣體殼程結垢校正系數(shù)Fs =1.15 ;殼程數(shù)Ns=1 流體流過管束的阻力：Po =FfoNTC Nb 1:-u22(2-16)2(2-13)cccc31430x0.66 c= 0.0391822 Pa0.02對于正三角形排列F =0.5 ， n n = . 104 ：T2取折流板間距h=150mm。折流板數(shù)取Nb=19殼程流通面積Ao 二 h(D- ncdo) =0.15(0.45 -12 0.025) = 0.0225m2o=11376

44、/(3600 982.5 0.0225) = 0.14m/sRe。=d。p/二=0.025 0.14 982.5 105 /23.8 14430fo =5.0 Re嚴8 =5.0 14430 228 = 0.56所以：“982 5匯 0 142：Po =0.5 0.56 1219 1=647Pa2流體流過折流板缺口的阻力：2B )Pu22x0.15 982.5x 0.142AR = Nb3.5 -1-19x3.5-1-518 Pa(2-17)D丿20.45 丿2殼程總阻力：也 Ps =(647 +518)料 131.15 =1340 Pa滿足要求。2.4總傳熱系數(shù)的核算1）殼程表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)=

45、0.36 de0.5530.14Re Pr3()b w(2-18)因換熱管米用正二角形，殼程的當量直徑 de :4(t2-、d。2)叱023 1424( 0.0320.025 )43.14 0.025=0.027 m(2-19)殼程流通截面積：(2-20)d00.0252S 二 hD(10)=0.15 0.45 (1)=0.0148 mt0.032殼程流速:u。V11376S。3600 0.0148 982.5= 0.22m/s雷諾數(shù):Redu;?0.027 0.22 982.523.83 10*工 24490(2-21)普郎特數(shù):= 1.8(2-22)pc/= 4252 28.83 10-人

46、0.69介質為液體被冷卻取（丄/%）0.14 =0.95第二章工藝設計：。=0.36 069 24490055 1.83 0.95.14 = 1158 W/(m2：C)0.022）管內表面?zhèn)鳠嵯禂?shù):i =0.023Re0.8 Prdi(2-23)123由式（2-12）ReidiUi ?cJc= 8171由于 4000乞 Re 10000,校正系數(shù) =1-6 105/Rei =0.96Cpj3843 0.231 10,i0.621-12.96(2-24)因為流體是被加熱的n取為0.4。.。23 益“汕佗肘4 注1276 W/(m2c)污垢熱阻和管壁熱阻，有 GB-151可取為RS。=1.7 10

47、*m2 C/WRS =3.52 10* m2C/W管壁熱阻可忽略。由總傳熱系數(shù)計算公式：(2-25)丄=J + R& + RS + 丄 Ko - idii dio ： o所以:Ko127581.7 10,3.4252520 20 2576=407W/( m2 C)四川理工學院畢業(yè)設計由于Ko/K =407/330 =1.23 ，在范圍1.151.25之間，滿足條件。則計算傳熱面積：Qatm268731407 34.72= 19.03 m實際傳熱面積為:面積裕度:23.7-19.0319.03= 24.5%(2-26)面積裕度在15%25%之間，滿足設計要求2.5設計參數(shù)及計算結果表表2-3設計

48、參數(shù)及計算結果表參數(shù)殼程管程流率(m3/h)1137627778進/出溫度/C130/11080/90設計壓力/MPa0.80.6物性設計溫度/c15090密度 /(kg/m3)982.5430定壓比熱容/(kJ/( kg C)42523483黏度/(Pa s)23.83 XI05-20.231 X0熱導系數(shù)/ W/(m C )0.690.621普朗特數(shù)1.812.96設 備 結 構 參 數(shù)形式固定管板臺數(shù)1殼體內徑/ mm450殼程數(shù)4管徑/ mm*25X2.5管心距32管長/ mm3000管子排列正三角形管數(shù)目/根104管程數(shù)1傳熱面積/m223.7主要計算結果殼程管程流速/(m/s)0.

49、660.14表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)/ W/(m 2 -c )11581276污垢熱阻/ (m2 C )/ W-41.7 X0-43.52 X0熱流量/kW268731傳熱溫差/c34.7傳熱系數(shù)/ W/(m 2 C)407裕度/%24.5%第三章?lián)Q熱器的結構設計換熱器的結構設計，主要確定有關部件的結構形式、結構尺寸、零件之間的聯(lián)接等，比 如，封頭結構尺寸；接管與筒體的連接管板結構尺寸確定；折流板尺寸、間距確定；管板與 換熱管的聯(lián)接；管板與殼體、管箱的聯(lián)接；管箱結構；法蘭與墊片等等。3.1設計條件表3-1換熱器管、殼程的設計、工作壓力與設計溫度設計壓力MPa工作壓力MPa設計溫度C管程0.60.590殼程

50、0.80.71503.2封頭設計封頭選擇EHA型標準橢圓封頭。材料選用 Q245R。結構入圖3-127圖3-1 EHA型標準橢圓封頭3.2.1封頭的設計根據(jù)工作壓力為0.6MPa，管程設計溫度90C，設計標準推薦選用長短軸比值為 2的 標準橢圓型封頭。材料選用與筒體相同的 Q245R。設計溫度下的J ， 1 =147 MPa， 取焊縫系數(shù)為 =0.85，腐蝕裕量C2 =1.0mm,厚度負偏差C、1 = 0.3mm。封頭計算厚度由下式：PcDi-0.5FC0.6匯4502 147 0.85-0.5 0.6= 1.08 mm(3-1)封頭設計厚度:= C2 =1.08 1 二 2.08 mm四川理

51、工學院畢業(yè)設計封頭名義厚度：6 = +G 十圓整=2.08 + 0.3 + 圓整=3 mm內徑為450 mm使厚度不的小于6 mm。所以取封頭名義厚度：、n = 6 mm封頭有效厚度：札= -n - Ci - C2 = 6 - 0.3 -1.0 = 4.7 mm參照JB/T4737,封頭尺寸如表3-2：表3-2封頭尺寸表公稱直徑DN / mm曲面咼度A / mm直邊高度h2 / mm名義厚度/ mm450138256322封頭與筒體的連接封頭與筒體連接如圖3-2直邊長度圖3-2封頭與筒體連接453.3管箱短節(jié)選用與封頭一樣的材料 Q245R，短節(jié)厚度GB150.3-2011計算按式（3-1），

52、設計溫 度下的t 1 =147 MPa，取焊縫系數(shù)為=0.8，腐蝕裕量 C1.0 mm，厚度負偏差6 = 0.3mm。2- Pc064502 147 0.85 - 0.6=1.08 mm(3-2)短節(jié)設計厚度：、d 二、.C2 = 1.08 仁 2.08 mm短節(jié)名義厚度：0 = 十G十圓整=2.08 + 0.3 +圓整=3 mm內徑為450 mm使厚度不的小于6 mm。所以取短節(jié)名義厚度：、n = 6 mm短節(jié)有效厚度:、飛=、n-C2 = 6 - 0.3-1.0 = 4.7 mm3.4分程隔板按GB151-1999,表6有，Dn乞600mm時。材料為Q245R的分程隔板最小厚度取8mm。3.5筒體由GB151-99規(guī)定，低合金鋼筒體的最小厚度不得小于6mm。取C 0.3mm，C2 -1mm,焊接接頭系數(shù)取為0.85。筒體計算厚度由下