換熱器設(shè)計(jì)論文

1、前 言使熱量從熱流體傳遞到冷流體的設(shè)備成為換熱設(shè)備。它是化工、煉油、動(dòng)力、食品、輕工、原子能、制藥、機(jī)械及其他許多工業(yè)部門(mén)廣泛使用的一種通用設(shè)備，在生產(chǎn)中占有重要地位。在工業(yè)生產(chǎn)中，換熱設(shè)備的主要作用是使熱量由溫度較高的流體傳遞給溫度較低的流體，使流體溫度達(dá)到工藝要求規(guī)定的指標(biāo),以滿足工藝過(guò)程上的需要。此外，換熱設(shè)備也是回收余熱、廢熱特別是低位熱能的有效裝置。在化工生產(chǎn)中換熱器可作為加熱器、冷卻器、冷凝器、蒸發(fā)器和再沸器等，應(yīng)用更加廣泛在本設(shè)計(jì)中，我所設(shè)計(jì)的是U型管換熱器。U型管換熱器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是，只有一塊管板，管束由多根U型管組成，管的兩端固定在同一塊管板上，管子可以自由伸縮。當(dāng)殼體與U形換

2、熱管有溫差時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力。U型管式換熱器結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜，承壓能力強(qiáng)，適用于管、殼壁溫差較大或殼程介質(zhì)易結(jié)垢需要清洗，又不適宜采用浮頭式和固定管板式的場(chǎng)合。特別適用于管內(nèi)走清潔而不宜結(jié)垢的高溫、高壓、腐蝕性大的物料。目 錄1 說(shuō)明部分41.1 緒論11.1.1 換熱器的概述21.1.2 換熱器的分類(lèi)及結(jié)構(gòu)類(lèi)型21.1.3換熱器各零部件作用以及選材22 計(jì)算部分42.1 筒體、封頭和管箱壁厚計(jì)算52.1.1 筒體厚度計(jì)算52.1.2 前端管箱筒體計(jì)算62.1.3 前端管箱封頭計(jì)算72.1.4 后端殼體封頭計(jì)算82.2 管板厚度計(jì)算52.3 換熱管與殼體在溫差和液體壓力聯(lián)合作用下的應(yīng)力計(jì)

3、算92.3.1 筒體及后端筒體封頭的水壓試驗(yàn)校核112.3.2 前端管箱及前端管箱封頭的水壓試驗(yàn)校核132.3.3 封頭的最小厚度校核142.4 管子拉脫力和穩(wěn)定性校核182.5 開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算182.5.1 前端管箱筒體及封頭補(bǔ)強(qiáng)182.5.2 筒體及筒體封頭的補(bǔ)強(qiáng)20結(jié)論22致 謝23參考文獻(xiàn)251 說(shuō)明部分1.1 換熱器的概述 換熱器是使熱流體的部分熱量傳遞到冷流體的設(shè)備，即在一個(gè)大的密閉容器內(nèi)裝上水或其他介質(zhì)，而在容器內(nèi)有管道穿過(guò)。讓熱水從管道內(nèi)流過(guò)。由于管道內(nèi)熱水和容器內(nèi)冷熱水的溫度差，會(huì)形成熱交換，也就是初中物理的熱平衡，高溫物體的熱量總是向低溫物體傳遞，這樣就把管道里水的熱量交換給

4、了容器內(nèi)的水，換熱器又稱(chēng)熱交換器。1.2 換熱器的分類(lèi)及結(jié)構(gòu)類(lèi)型換熱器的分類(lèi)很多，可以按傳熱原理、結(jié)構(gòu)和用途等進(jìn)行分類(lèi)，按其結(jié)構(gòu)分類(lèi)主要有管殼式和板式兩種。根據(jù)冷、熱流體熱量交換的原理和方式基本可以分為三大類(lèi)，即：間壁式、混合式和蓄熱式。1.2.1 間壁式換熱器夾套式換熱器：這種換熱器是在容器外壁安裝夾套制成，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但其加熱面受容器壁面限制，傳熱系數(shù)也不高。為提高傳熱系數(shù)且使釜內(nèi)液體受熱均勻，殼在釜內(nèi)安裝攪拌器。當(dāng)夾套總通入冷卻水或無(wú)相變的加熱劑時(shí)，亦可在夾套中設(shè)置螺旋隔板或其他增加傳動(dòng)的措施，以提高夾套一側(cè)的給熱系數(shù)。為補(bǔ)充傳熱面的不足，也可在釜內(nèi)部安裝蛇管。夾套式換熱器廣泛用于反應(yīng)過(guò)程

5、中的加熱和冷卻。沉浸式蛇管換熱器：這種換熱器是將金屬管彎繞成各種與容器相適應(yīng)的各種形狀，并沉浸在容器內(nèi)的液體中，蛇管換熱器的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能承受高壓，可用耐腐蝕材料制作；缺點(diǎn)是容器內(nèi)液體湍動(dòng)程度低，管外給熱系數(shù)小，為提高傳熱系數(shù)，容器內(nèi)可裝攪拌機(jī)。噴淋式換熱器：這種換熱器是將換熱器成排地固定在鋼架上，熱流體在管內(nèi)流動(dòng)，冷卻水從上方噴淋裝置均勻淋下，故也稱(chēng)噴淋式冷卻器。噴淋式換氣器的管外是一層湍動(dòng)程度較高的液膜，管外給熱系數(shù)較沉浸式增大很多。另外這種換熱器大多放置在空氣流通之處，冷卻水的蒸發(fā)已帶走一部分熱量，可起到降低冷卻水溫度，增大熱推動(dòng)力的作用，因此和沉浸式相比，噴淋式傳熱效果大有改善。套

6、管式換熱器：套管式換熱器是有直徑不同的直管制成的同心套管，并由U形關(guān)頭連接而成，在這種換熱器中，一種流體走管內(nèi)，另一種流體走環(huán)隙，倆者皆可得到較高留速。故，傳熱系數(shù)較大。另外，在套管換熱器中，倆中流體可為純逆流，對(duì)數(shù)平均推動(dòng)力較大，套管換熱器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能承受高壓，應(yīng)用亦方便（可根據(jù)需要增減管段數(shù)），特別是由于套管轉(zhuǎn)熱氣具有傳熱系數(shù)大，傳熱推動(dòng)力大及能夠承受高壓強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，在超高壓生產(chǎn)過(guò)程中（例如操作壓力為30000大氣壓的高壓聚乙烯生產(chǎn)過(guò)程）所使用的換熱器幾乎全部是套管式。管殼式換熱器：管殼式（又稱(chēng)列管式）換熱器是最典型的間壁式換熱器。它在工業(yè)上的應(yīng)用有著悠久的歷史，而且至今仍在所有換熱器中占

7、主導(dǎo)地位。管殼式換熱器重要由殼體、管束、管板和封頭等組成，殼體多成圓形，內(nèi)部裝有平行管束，管束倆段固定有管板上。在管殼式換熱器內(nèi)進(jìn)行換熱倆中流體，一種在管內(nèi)流動(dòng)，其行程稱(chēng)為管程；一種在管外流動(dòng)，其行程稱(chēng)為殼程。管束的壁面即為傳熱面，為提高管外流體給熱系數(shù)，通常在殼體再安裝一定數(shù)量橫向者流擋板，不僅可以防止流體短路，增加流體速度，還迫使流體按規(guī)定路徑多次錯(cuò)流通過(guò)管束，使湍動(dòng)程度大為增加，常用的擋板有圓圈形和圓盤(pán)形兩種，前者應(yīng)用更為廣泛，流體在管內(nèi)每通過(guò)管束一次，稱(chēng)為一個(gè)管程，每通過(guò)殼體一次稱(chēng)為一個(gè)殼程。為提高管內(nèi)流體的速度，可在兩端封頭內(nèi)設(shè)置適當(dāng)隔板，將全部管子平均分割成若干組。這樣，流體每次可

8、通過(guò)部分管子而往返管束多次，稱(chēng)為多管程。同樣，為提高管外流速，殼體內(nèi)安裝縱向擋板，使流體多次通過(guò)殼體空間，稱(chēng)為殼程。在管殼式換熱器內(nèi)，由于管內(nèi)外流體溫度不同，殼體和管束溫度也不同，如兩者溫差很大，換熱器內(nèi)部將出現(xiàn)很大的熱應(yīng)力，可能是管子彎曲，斷裂或從管套上脫落。因此，當(dāng)管束和殼體溫差超高50時(shí)，因采取適當(dāng)?shù)臏囟妊a(bǔ)償措施，消除或減小熱應(yīng)力。1.2.2 混合式換熱器混合式熱交換器是依靠冷、熱流體直接接觸而進(jìn)行傳熱的，這種傳熱方式避免了傳熱間壁及其兩側(cè)的污垢熱阻，只要流體間的接觸情況良好，就有較大的傳熱效率。故凡允許流體互相混合的場(chǎng)合，都可以采用混合式熱交換器，例如氣體的洗滌和冷卻、循環(huán)水的冷卻、汽

9、水之間的混合加熱、蒸汽的冷凝等等。它的應(yīng)用遍及化工和冶金企業(yè)、動(dòng)力工程、空氣調(diào)節(jié)工程以及其他許多生產(chǎn)部門(mén)中。按照用途的不同，可將混合式熱交換器分成以下幾種不同類(lèi)型:冷卻塔（或稱(chēng)冷水塔）:在這種設(shè)備中,用自然通風(fēng)或機(jī)械通風(fēng)的方法,將生產(chǎn)中已經(jīng)提高了溫度的水進(jìn)行冷卻降溫之后循環(huán)使用,以提高系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益（例如熱力發(fā)電廠或核電站的循環(huán)水,合成氨生產(chǎn)中的冷卻水等）,經(jīng)過(guò)水冷卻塔降溫之后再循環(huán)使用。這種方法在實(shí)際工程中得到了廣泛的使用。氣體洗滌塔（或稱(chēng)洗滌塔）:在工業(yè)上用這種設(shè)備來(lái)洗滌氣體有各種目的（例如用液體吸收氣體混合物中的某些組分、凈氣體中的灰塵、氣體的增濕或干燥等），但其最廣泛的用途是冷卻氣體，

10、而冷卻所用的液體以水居多?？照{(diào)工程中廣泛使用的噴淋室，可以認(rèn)為是它的一種特殊形式。噴淋室不但可以像氣體洗滌塔一樣對(duì)空氣進(jìn)行冷卻，而且還可對(duì)其進(jìn)行加熱處理。但是，它也有對(duì)水質(zhì)要求高、占地面積大、水泵耗能多等缺點(diǎn)。所以，目前在一般建筑中，噴淋室已不常使用或僅作為加濕設(shè)備使用。但是，在以調(diào)節(jié)濕度為主要目的的紡織廠、卷煙廠等仍大量使用。噴射式熱交換器：在這種設(shè)備中，使壓力較高的流體由噴管?chē)姵?，形成很高的速度，低壓流體被引入混合室與射流直接接觸進(jìn)行傳熱，并一同進(jìn)入擴(kuò)散管，在擴(kuò)散管的出口達(dá)到同一壓力和溫度后送給用戶?；旌鲜嚼淠鳎哼@種設(shè)備一般是用水與蒸汽直接接觸的方法使蒸汽冷凝。1.2.3 蓄熱式換熱器蓄

11、熱式換熱器用于進(jìn)行蓄熱式換熱的設(shè)備，內(nèi)裝固體填充物，用以貯蓄熱量。一般用耐火磚等砌成火格子（有時(shí)用金屬波形帶等）。換熱分兩個(gè)階段進(jìn)行。第一階段，熱氣體通過(guò)火格子，將熱量傳給火格子而貯蓄起來(lái)。第二階段，冷氣體通過(guò)火格子，接受火格子所儲(chǔ)蓄的熱量而被加熱，這兩個(gè)階段交替進(jìn)行，通常用兩個(gè)蓄熱器交替使用，即當(dāng)熱氣體進(jìn)入一器時(shí),冷氣體進(jìn)入另一器。常用于冶金工業(yè)（如煉鋼平爐的蓄熱室），也用于化學(xué)工業(yè)（如煤氣爐中的空氣預(yù)熱器或燃燒室），人造石油廠中的蓄熱式裂化爐。 蓄熱式換熱器一般用于對(duì)介質(zhì)混合要求比較低的場(chǎng)合。1.3 換熱器各零部件作用以及選材2 計(jì)算部分基礎(chǔ)數(shù)據(jù)： 管程 殼程 設(shè)計(jì)壓力 設(shè)計(jì)溫度 介 質(zhì)

12、循環(huán)水 丙烷 程 數(shù) 2 1 圓筒內(nèi)徑 保溫層材料 巖棉，120mm 換熱面積 170使用壽命 10年2.1 筒體、封頭和管箱壁厚計(jì)算及壓力試驗(yàn)校核2.1.1 筒體厚度計(jì)算根據(jù)操作介質(zhì)、設(shè)計(jì)壓力、設(shè)計(jì)溫度選取筒體材料為16MnR。設(shè)計(jì)壓力、設(shè)計(jì)溫度、內(nèi)徑、鋼板負(fù)偏差、腐蝕裕量、設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力 、焊接系數(shù) 計(jì)算厚度： = = 設(shè)計(jì)厚度： = = 名義厚度： =向上圓整 = 有效厚度： = 2.1.2 前端管箱筒體計(jì)算 設(shè)計(jì)壓力、設(shè)計(jì)溫度、內(nèi)徑、鋼板負(fù)偏差、腐蝕裕量、焊接系數(shù)，設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力。 計(jì)算厚度： = = 設(shè)計(jì)厚度： = = 名義厚度： =向上圓整 = 有效厚度： = =2.1

13、.3 前端管箱封頭計(jì)算 設(shè)計(jì)壓力、設(shè)計(jì)溫度、材料16MnR、內(nèi)徑、鋼板負(fù)偏差、腐蝕裕量、焊接系數(shù)，設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力。選用標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭，則形狀系數(shù)K=1。此時(shí)，則曲面高度。 計(jì)算厚度： 設(shè)計(jì)厚度： = = 名義厚度： = 有效厚度： =2.1.4 后端殼體封頭計(jì)算 材料為16MnR。設(shè)計(jì)壓力、設(shè)計(jì)溫度、內(nèi)徑、鋼板負(fù)偏差、腐蝕裕量、焊接系數(shù)，設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力。 選用標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭，則形狀系數(shù)K=1。此時(shí)，則曲面高度。 計(jì)算厚度： 設(shè)計(jì)厚度： = = 名義厚度： 有效厚度： 2.2 管板厚度計(jì)算 管板設(shè)計(jì)溫度下許用應(yīng)力、管板設(shè)計(jì)溫度下的彈性模量、管板剛度削弱系數(shù)y=0.4、強(qiáng)度削弱系數(shù)u=

14、0.4、管子與管板脹接長(zhǎng)度或焊腳高度根據(jù)GB151-1998表32查得、許用拉托力由GB151-1998表26鋼管焊接： = =面積計(jì)算： 在布管區(qū)范圍內(nèi)，因設(shè)置隔板槽和拉桿結(jié)構(gòu)的需要，而未能被換熱管支承的面積。 = = 管板布管區(qū)面積。 = = 管板布管區(qū)當(dāng)量直徑。 = = 則有： =查GB151-1999表22得： 管板采用16Mn鍛鋼由GB150-1998查得，設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力。管板的設(shè)計(jì)壓力取管程與殼程壓力的較大值，取。管板計(jì)算厚度： = = = =取。2.3換熱管與殼體在溫差和液體壓力聯(lián)合作用下的應(yīng)力計(jì)算2.3.1 筒體及后端筒體封頭的液壓試驗(yàn)校核操作溫度下的許用應(yīng)力，設(shè)計(jì)壓力，

15、設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力，內(nèi)徑，焊接系數(shù)，常溫下的屈服極限，筒體的有效厚度。 (1)試驗(yàn)壓力值 = = 壓力試驗(yàn)前圓筒的薄膜應(yīng)力 = = 因?yàn)?所以，該設(shè)計(jì)選材合格。 (2)壓力及應(yīng)力計(jì)算 圓筒的最大允許工作壓力 因?yàn)?所以，滿足條件。 (3)設(shè)計(jì)溫度下圓筒的計(jì)算應(yīng)力 = = 因?yàn)?所以，滿足強(qiáng)度校核條件。2.3.2 前端管箱及前端管箱封頭的液壓試驗(yàn)校核設(shè)計(jì)壓力、設(shè)計(jì)溫度、內(nèi)徑、焊接系數(shù)、有效厚度、 操作溫度下的許用應(yīng)力、設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力、常溫下的屈服極限。 (1)試驗(yàn)壓力值 = 壓力試驗(yàn)前圓筒的薄膜應(yīng)力 因?yàn)?所以，合格。 (2)壓力及應(yīng)力計(jì)算 圓筒的最大允許工作壓力 因?yàn)?所以，合格。 (

16、3)設(shè)計(jì)溫度下圓筒的計(jì)算應(yīng)力 = = 因?yàn)?所以，合格。2.3.3 封頭的最小厚度校核 根據(jù)GB1501998，標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭的有效厚度不應(yīng)小于封頭內(nèi)直徑的0.15%。 = =1.8 (1)前端管箱封頭 所以，滿足最小厚度要求。 (2)后端殼體封頭 所以，滿足最小厚度要求。2.4管子拉脫力和穩(wěn)定性校核選用的無(wú)縫鋼管 根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)取換熱管根數(shù)為n=450，由、查GB150-1998得管心距、分程隔板槽兩側(cè)相鄰中心距、換熱管按正方形排列。墊片壓緊面中心圓直徑、管子設(shè)計(jì)溫度下許用應(yīng)力、管子設(shè)計(jì)溫度下許用應(yīng)力屈服點(diǎn)。管子設(shè)計(jì)溫度下的彈性模量，管子材料：10鋼。換熱管軸向應(yīng)力： 其中， = =一根換熱管管壁

17、金屬的橫截面積。（1）只有管程設(shè)計(jì)壓力，殼程設(shè)計(jì)壓力。 = =因?yàn)椋?所以，滿足條件。換熱管與管板連接的拉脫力： = =因?yàn)椋?所以，合格。（2）只有殼程設(shè)計(jì)壓力，管程設(shè)計(jì)壓力。 因?yàn)椋?所以，滿足條件。換熱管與管板連接的拉脫力： = =因?yàn)椋?所以，合格。（3）管程設(shè)計(jì)壓力，殼程設(shè)計(jì)壓力同時(shí)作用。 = =因?yàn)椋?所以，合格。 換熱管與管板連接的拉脫力： = =因?yàn)椋?所以，合格。換熱管材料滿足在管程設(shè)計(jì)溫度、設(shè)計(jì)壓力和殼程設(shè)計(jì)溫度、設(shè)計(jì)壓力同時(shí)作用下的許用應(yīng)力。2.5 開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算2.5.1 前端管箱筒體及封頭補(bǔ)強(qiáng)選用接管：無(wú)縫鋼管 則名義厚度： 有效厚度： 接管計(jì)算厚度： 前端管箱通體厚度

18、： 開(kāi)孔削弱截面積： = = 有效寬度： = = 補(bǔ)強(qiáng)區(qū)外側(cè)高度： = = 補(bǔ)強(qiáng)區(qū)內(nèi)側(cè)高度： = = 補(bǔ)強(qiáng)面積計(jì)算： = =殼體有效厚度減去計(jì)算厚度外的多余面積。 = =接管有效厚度減去計(jì)算厚度外的多余面積。 焊縫金屬截面積。 = = 因?yàn)椋?所以，需要開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)。2.5.2 筒體及筒體封頭的補(bǔ)強(qiáng)選用接管：無(wú)縫鋼管則接管名義厚度： 接管有效厚度： 開(kāi)孔削弱所需要的補(bǔ)強(qiáng)截面積： = = 有效寬度： = = 補(bǔ)強(qiáng)區(qū)外側(cè)高度： 補(bǔ)強(qiáng)區(qū)內(nèi)側(cè)高度： 補(bǔ)強(qiáng)面積計(jì)算： = =殼體有效厚度減去計(jì)算厚度外的多余面積。 = =接管有效厚度減去計(jì)算厚度外的多余面積。 焊縫金屬截面積。 = = 因?yàn)椋?所以，不需另外補(bǔ)

19、強(qiáng)。結(jié)論通過(guò)本次設(shè)計(jì)，我了解了一些有關(guān)U型管換熱器的知識(shí)，像是U型管換熱器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，U型管換熱器的應(yīng)用范圍，U型管換熱器的主要作用以及U型管換熱器的以后發(fā)展的方向。 致 謝 通過(guò)做這個(gè)U形管換熱器的設(shè)計(jì)，我懂得了很多與U型管換熱器相關(guān)的知識(shí)及其由理論向?qū)嶋H轉(zhuǎn)變的過(guò)程。 此次換熱器設(shè)計(jì)，我的主要思路還是根據(jù)傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)思路進(jìn)行。在這個(gè)設(shè)計(jì)中，公式繁多，這么多的公式不可能全部記熟，但是我們可以通過(guò)運(yùn)用來(lái)加強(qiáng)理解，通過(guò)多次接觸，我記住了這些重要的公式，相信會(huì)為我以后的工作帶來(lái)便利。在資料查閱方面，我堅(jiān)信一個(gè)可用的、優(yōu)秀的設(shè)計(jì)必須參考大量的有用資料，在查閱的過(guò)程中，不僅找到了我需要的資料，而且學(xué)會(huì)了怎樣查閱到有用的信息，這是非常重要的。 總的來(lái)說(shuō)，通過(guò)這次畢業(yè)設(shè)計(jì)，我的收獲很大。各方面的知識(shí)都有所涉及，而且再次提高了我的制圖水平，而且是對(duì)我大學(xué)四年學(xué)習(xí)東西的一次總結(jié)，使我溫習(xí)