F170固定管板式換熱器設計含9張CAD圖,f170,固定,板式,換熱器,設計,cad 設計指導教師評閱表 學 院： 專業(yè)： 學生姓名 學 號 班 級 專 業(yè) 指導教師姓名 課題名稱 F170固定管板式換熱器設計 評語：（包括以下方面，①學習態(tài)度、工作量完成情況、材料的完整性和規(guī)范性；②檢索和利用文獻能力、計算機應用能力；③學術水平或設計水平、綜合運用知識能力和創(chuàng)新能力；） 該同學態(tài)度認真，基本完成了規(guī)定的工作量，對初稿進行了三次以上的修改；設計材料比較規(guī)范，設計資料一般，設計中查閱一些文獻資料，對所查文獻做了一定的處理，分析問題和解決問題一般，自學能力一般；在設計過程中也學到了一些化工知識，對換熱器的結(jié)構以及工作原理有一定的了解，能運用所學知識解決設計過程中的一些問題；圖紙、說明書基本符合要求。尚存在一些小錯誤，望多加努力，改進不足。 是否同意參加答辯： 是□ 否□ 指導教師評定成績 分值：66 指導教師簽字： 年 月 日  答辯及最終成績評定表 學 院： 專 業(yè)： 學生姓名 學號 班級 答辯 日期 課題名稱 F170固定管板式換熱器設計 指導 教師 成 績 評 定 分值 評 定 小計 課題介紹 思路清晰，語言表達準確，概念清楚，論點正確，實驗方法科學，分析歸納合理，結(jié)論嚴謹，設計（論文）有應用價值。 30 答辯 表現(xiàn) 思維敏捷,回答問題有理論根據(jù)，基本概念清楚，主要問題回答準確大、深入,知識面寬。 必 答 題 40 自 由 提 問 30 合 計 100 答 辯 評 分 分 值： 答辯小組長（簽章）： 答辯成績a： ×30％＝ 指導教師評分 分 值： 指導教師評定成績b： ×60％＝ 評閱教師評分 分 值： 評閱教師評定成績c： ×10％＝ 最終評定成績： 分數(shù)： 等級： 答辯委員會主任（簽章）： 年 月 日 畢業(yè)答辯記錄表 題目 F170固定管板式換熱器設計 學生姓名 學 號 學 院 專 業(yè) 答辯時間 答辯地點 指導教師 答辯組成員 答辯記錄： 1. 管道的壓力損失是多少？ 管道的壓力損失的有利因素：（1）設計正確的管徑；（2）選擇相應的循環(huán)泵和末端設備，也就是讓系統(tǒng)水循環(huán)起來并且達到熱能傳送目的的設備。 2. 換熱管的數(shù)量是多少？如何排列？ 根據(jù)換熱面積、管子外徑及管子的長度計算得出，換熱管的數(shù)量為135.6根，根據(jù)工藝要求取146根。 排列方式采用三角形排列。 3. 如何采取密封措施？ 換熱器的泄露主要是管子本身泄露和管子端口泄露。熱應力過大、管子變形、堵管工藝不當、沖刷侵蝕、管子振動、腐蝕、材質(zhì)工藝不良。所有換熱器的密封防漏措施就根據(jù)以上原因進行改良。 答辯組秘書簽名： 2 XX工作記錄一 指導時間： 2019年1月15日 作為一個即將畢業(yè)的大四學生，馬上就要到畢業(yè)的時間了，今天我的XX指導老師把我們組所有人召集起來進行了XX指導，老師為我們講了一下XX的整個過程。根據(jù)老師的指導，我的XX需要查閱大量的資料，借鑒別人換熱器相關的設計，然后擬出自己的設計大綱，最終完成設計。 指導老師評語： 盡快按要求把問題總結(jié)，把沒有完成的部分先補完，再檢查修改。  XX工作記錄二 指導時間： 2019年03月19日 經(jīng)過了一段時間的XX，我已經(jīng)查閱了幾部相關的資料，然后寫了我本次XXF170固定管板式換熱器的摘要，所以我對固定管板式換熱器也有了一個基本的了解，其結(jié)構有管子，管板，管箱，殼體等零件所組成，但是也有一些考慮不明白的問題需要對老師進行提問：換熱器的裝配圖需要標注哪些尺寸？鞍座上為何一個地腳螺栓孔是圓的，一個是長圓孔？ 指導老師評語： 換熱器的裝配圖需要標注的尺寸有：外形尺寸、安裝尺寸、裝配尺寸等。鞍座上一個地腳螺栓孔是圓的，一個是長圓孔，是因為當換熱器熱脹冷縮時鞍座的一端可在基座上移動。  XX工作記錄三 指導時間： 2019年04月16日 經(jīng)過一段時間老師的指導，我對XX越來越得心應手，所以我的XX進度比較快，已經(jīng)設計完了對F170固定管板式換熱器的概述，目前初步涉及到固定管板式換熱器的結(jié)構設計，對于結(jié)構設計我也查閱了較多的資料，所以有了一個大概的方向。提問：殼體材料選什么？說明理由。 指導老師評語： 看參考書2有關章節(jié)，從實用性和經(jīng)濟性綜合思考。  XX工作記錄四 指導時間： 2019年04月30日 通過前面的XX，我對F170固定管板式換熱器設計已經(jīng)有點熟練了，設計完了F170固定管板式換熱器的結(jié)構以及選材，接下來就是對換熱器的各種零件的尺寸計算以及流體的狀態(tài)和流速等的計算，需要查閱固定管板式換熱器設計相關的公式進行計算。提問：換熱管排列方式有哪些？ 指導老師評語： 換熱管在管板上的排列有正三角形、正方形和同心圓排列三種方式。  XX工作記錄五 指導時間： 2019年05月14日 對于本次F170固定管板式換熱器的相關計算比較難，所以去跟老師討論的次數(shù)也比較多，因而花費的時間也就比較長，所以在這一段時間里都在進行著F170固定管板式換熱器的各種結(jié)構相關計算。提問：管板厚度的確定應該考慮哪些因素？ 指導老師評語： （1）介質(zhì)成分和濃度：濃度的影響不一，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(zhì)：有害雜質(zhì)包括氯離子、硫離子、氰離子、氨離子等，這些雜質(zhì)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?10℃，腐蝕速度約增加1~3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。  XX工作記錄六 指導時間： 2019年05月27日 這次XX即將要結(jié)束了，最后一部分的設計是對F170固定管板式換熱器的強度校核，所以最后的計算和校核所花費的時間是最長久的，通過這一段時間的設計，我對F170固定管板式換熱器有了一個徹底的認識，但還有很多不足需要跟老師好好學習。提問：物料從換熱器上如何進出？ 指導老師評語： 看介質(zhì)的物理狀態(tài)，一般兩側(cè)都是液體介質(zhì)的話，逆流布置，且高溫流體上進下去，低溫流體下進上出；一側(cè)液體，一側(cè)氣體，一般按順流布置，且都是上進下出 評閱教師評語表 題　　目 F170固定管板式換熱器設計 學生姓名 班級學號 專 業(yè) 評 閱 教師姓名 職 稱 工作單位 評分內(nèi)容 具 體 要 求 總分 評分 開題情況 調(diào)研論證 能獨立查閱文獻資料及從事其他形式的調(diào)研，能較好地理解課題任務并提出實施方案，有分析整理各類信息并從中獲取新知識的能力。 10 7 外文翻譯 英文摘要翻譯準確，語句通順，語法基本無錯誤。 10 6 設計質(zhì)量 論證、分析、設計、計算、結(jié)構、建模、實驗正確合理。 35 22 創(chuàng) 新 工作中有創(chuàng)新意識，有重大改進或獨特見解，有一定實用價值。 10 6 撰寫質(zhì)量 結(jié)構嚴謹，文字通順，用語符合技術規(guī)范，圖表清楚，書寫格式規(guī)范，符合規(guī)定字數(shù)要求。 15 11 綜合能力 能綜合運用所學知識和技能發(fā)現(xiàn)與解決實際問題。 20 15 總 評 分 67 評閱教師 評閱意見 本設計基本完成了任務書規(guī)定的任務，設計說明書質(zhì)量一般，無大的原則性錯誤；說明書、圖紙質(zhì)量較差；綜合分析及動手能力有待加強。 評閱成績 6.7 評閱教師簽名 日 期 課題任務書 學院： 機械工程學院 專業(yè)：機械設計制造及其自動化 指導教師 學生姓名 課題名稱 F170固定管板式換熱器設計 內(nèi)容及任務 擬設計一單殼程雙管程臥式固定管板式換熱器，用于熱量回收。 給定設計參數(shù)如下： 管程介質(zhì)：煙道氣 殼程介質(zhì)：水 管程設計壓力：1.85MPa 殼程設計壓力：1.75MPa 管程設計溫度：320℃ 殼程設計溫度：95℃ 腐蝕余量：自定 換熱面積：170m2 需完成的主要內(nèi)容如下： 1、緒論 2、主體結(jié)構設計 3、材料選擇及零部件結(jié)構設計 4、強度計算與校核 5、加工工藝、裝配程序、安全防腐等 6、繪制裝配圖及零部件圖 7、翻譯外文文獻 擬達到的要求或技術指標 1、首先需在互聯(lián)網(wǎng)、圖書館、工廠廣泛查閱相關科技資料 2、進行結(jié)構、材料及裝置選擇論證時，要求資料詳實，數(shù)據(jù)充分 3、進行強度校核時，要求計算準確，分析詳細，公式的字母含義應標明 4、查閱15篇以上與題目相關的文獻，其中近三年的文獻不少于5篇，鼓勵引用一定的外文文獻；按要求格式獨立撰寫不少于12000字的設計說明書；寫出不少于400字的中文摘要，關鍵詞的個數(shù)一般取5個左右；鼓勵翻譯一篇本專業(yè)外文文獻 5、完成不少于3張零號圖紙的結(jié)構設計圖、裝配圖和零件圖，其中應包含一張以上用計算機繪制的具有中等難度的1號圖紙，同時至少有折合4號圖幅以上的圖紙用手工繪制，并要求圖面整潔，視圖齊全，布局合理，線條、文字及尺寸標注等均應符合有關標準規(guī)定 進度安排 起止日期 工作內(nèi)容 備注 2月18日—3月1日 3月4日—3月15日 3月18日—5月24日 5月27日—5月31日 畢業(yè)設計調(diào)研 集中實習 畢業(yè)設計 畢業(yè)答辯 主要參考資料 [1] 秦叔經(jīng)，葉文邦.化工設備設計全書-換熱器［Ｍ］.北京：化學工業(yè)出版社，2003 [2] 工程材料實用手冊編輯委員會.工程材料實用手冊［Ｍ］.北京：中國標準出版社，2002 [3] 朱有庭.化工設備設計手冊［Ｍ］.北京：化學工業(yè)出版社，2005 [4] 錢頌文.換熱器設計手冊［Ｍ］.北京：化學工業(yè)出版社，2002 [5] 朱振華，邵澤波.過程裝備制造技術［Ｍ］.北京：化學工業(yè)出版社，2011 [6] 華南理工大學化工原理教研組.化工過程及設備設計［Ｍ］.廣州：華南理工 大學出版社，1986 [7] 趙惠清，蔡紀寧.化工制圖 ［Ｍ］.北京：化學工業(yè)出版社，2015 [8] 譚蔚.化工設備設計基礎［Ｍ］.天津：天津大學出版社，2014 教研室 意見 本課題符合專業(yè)人才培養(yǎng)要求，設計任務飽滿，同意下達任務書 □ 本課題不符合專業(yè)人才培養(yǎng)要求，不同意下達任務書□ 教研室主任（簽章）： 年 月 日 開題報告 題　　目 F170固定管板式換熱器設計 學生姓名 班級學號 專業(yè) 1 課題任務的學習與理解 1.1對設計課題換熱器的分析與簡述 換熱器（英語翻譯：heat exchanger），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(chǎn)過程中熱量交換和傳遞不可缺少的設備。換熱器是化工，石油，動力，食品，制藥，能源及其它許多工業(yè)部門的通用設備，在生產(chǎn)中占有重要地位。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，應用更加廣泛。換熱器即可是一種單元設備，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(nèi)的換熱器。換熱器是化工生產(chǎn)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。換熱器按照結(jié)構形式可分為：固定管板式換熱器、浮頭式換熱器、U形管換熱器、填料函式換熱器、板式換熱器。此次著重介紹固定管板式換熱器，固定管板式換熱器是一種實現(xiàn)物料之間熱量傳遞的節(jié)能設備。 1.2對本次課題設計目的的敘述 畢業(yè)課題設計是對我們大學四年所學知識的最后一次全面檢驗，是對我們基本知識、基本理論和基本技能掌握與提高程度的一次總測試。其主要目的是： （1）提高我們技術資料的收集、整理、編譯和運用能力，加強技術文件的撰寫能力，使我們的語言文字在技術文件上的運用、梳理、歸納和總結(jié)的到全面的訓練。 （2）通過綜合運用所學理論知識、生產(chǎn)實踐和設計實踐知識，進行難度較大的塑料模具設計，全面提高我們獨立分析問題和解決問題的能力 ，為我們以后的工作打下良好的基礎。 2 設計題目研究現(xiàn)狀概述 二十世紀20年代出現(xiàn)了板式換熱器，并應用于食品工業(yè)。以板代管制成的換熱器，其結(jié)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。接著英國用釬焊發(fā)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(zhì)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、釬焊和密封的技術的發(fā)展，換熱器制造技術得到進一步的完善，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)造出熱管式換熱器。 近年來，國內(nèi)在節(jié)能增效等方面改進換熱器的性能，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的成績。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，提高了效益。根據(jù)國民經(jīng)濟和社會發(fā)展，“十一五”期間我國經(jīng)濟增長將保持年均7.5%的速度。而石化、鋼鐵作為支柱型產(chǎn)業(yè)，將繼續(xù)保持快速發(fā)展的勢頭，這些行業(yè)的發(fā)展都將為換熱器行業(yè)提供更加廣闊的發(fā)展空間。 據(jù)統(tǒng)計，在現(xiàn)代石油化工企業(yè)中，換熱器的投資占全部投資的30%-40%，在熱電廠中，如果把鍋爐也作為換熱設備，換熱器的投資約占電廠總投資的70%。由此可見，換熱器的合理設計和良好運行對企業(yè)節(jié)約資金、能源和空間都是十分重要的。如今能源危機，為了節(jié)能降耗，提高工業(yè)生產(chǎn)的經(jīng)濟效益，要求開發(fā)適用于不同工業(yè)過程要求的高效換熱設備。這些年來，換熱器的開發(fā)與研究成為人們關注的課題。大量的強化傳熱技術應用于工業(yè)裝置，我國換熱器產(chǎn)業(yè)在技術水平上獲得了快速提升，板式換熱器日漸崛起。與此同時，近幾年，我國在大型管殼式換熱器、大直徑螺紋鎖緊環(huán)高壓換熱器、高效節(jié)能板殼式換熱器、大型板式空氣預熱器方面也獲得了重大突破。而且隨著制造技術的進步，強化傳熱元件的開發(fā)，使得新型高效換熱器的研究有了較大的發(fā)展，根據(jù)不同的工藝條件與換熱工況設計制造了不同結(jié)構形式的新型換熱器，并已在化工、煉油、石油化工、制冷、空分及制藥各行業(yè)得到了應用于推廣，取得了較大的經(jīng)濟效益。 最近幾十年來板式換熱器發(fā)展很快，主要表現(xiàn)在： （1）板式換熱器的種類越來越多，技術性能越來越好，應用范圍越來越廣。從可拆式板式換熱器發(fā)展到釬焊式板式換熱器；從半焊接式、全焊接式發(fā)展到板殼式換熱器；從對稱型發(fā)展到非對稱型；從對稱流道發(fā)展到寬窄流道、寬寬流道；從波深為3-5mm的一般板發(fā)展到波深為2-2.5mm的淺密波紋板。 （2）板式換熱器的技術性能越來越好。工作溫度從可拆式的26℃發(fā)展到板殼式的1000℃；工作壓力從可拆式型的2.5MPa發(fā)展到板殼式的8.0MPa；傳熱系數(shù)從2000W/㎡·k發(fā)展至12000W/㎡·k等等。 （3）板式換熱器的應用范圍越來越廣。板式換熱器向大型化、小型化、高性能化、專業(yè)化、多元化、裝置化發(fā)展。 3 研究的主要內(nèi)容 （1）檢索固定管板式換熱器的相關資料； （2）換熱器總體方案選擇及結(jié)構設計； （3）強度設計計算。 4 設計的內(nèi)容及參數(shù) 擬設計一單殼程雙管程臥式固定管板式換熱器，用于熱量回收。 給定設計參數(shù)如下： 管程介質(zhì)：煙道氣 殼程介質(zhì)：水 管程設計壓力：1.85MPa 殼程設計壓力：1.75MPa 管程設計溫度：320℃ 殼程設計溫度：95℃ 腐蝕余量：自定 換熱面積：170m2 需完成的主要內(nèi)容如下： 1、緒論 2、主體結(jié)構設計 3、材料選擇及零部件結(jié)構設計 4、強度計算與校核 5、加工工藝、裝配程序、安全防腐等 6、繪制裝配圖及零部件圖 7、翻譯外文文獻 5 課題的進度安排 第一階段 2018年11月27日至2018年12月12日，收集資料，閱讀文獻，完成開題報告。 第二階段 2019年3月10日至2019年3月18日，查閱文獻資料，擬定設計方案，開始課題設計。 第三階段 2019年3月26日至2019年3月31日，換熱器固定式的幾何設計和總體設計，計算并校核。 第四階段 2019年4月1日至2019年4月10日，選擇加工工藝，裝配過程，考慮安全防腐等細節(jié) 第五階段 2019年4月10日至2019年5月19日，依據(jù)設計步驟繪制零件圖，裝配圖。 第六階段 2019年5月20日至2019年5月27日，交論文正式稿，做好答辯前準備。 第七階段 2019年5月27日至2019年5月31日，畢業(yè)設計答辯 參考文獻 [1] 秦叔經(jīng)，葉文邦.化工設備設計全書-換熱器［Ｍ］.北京：化學工業(yè)出版社，2003 [2] 工程材料實用手冊編輯委員會.工程材料實用手冊［Ｍ］.北京：中國標準出版社，2002 [3] 朱有庭.化工設備設計手冊［Ｍ］.北京：化學工業(yè)出版社，2005 [4] 錢頌文.換熱器設計手冊［Ｍ］.北京：化學工業(yè)出版社，2002 [5] 朱振華，邵澤波.過程裝備制造技術［Ｍ］.北京：化學工業(yè)出版社，2011 [6] 華南理工大學化工原理教研組.化工過程及設備設計［Ｍ］.廣州：華南理工 大學出版社，1986 [7] 趙惠清，蔡紀寧.化工制圖 ［Ｍ］.北京：化學工業(yè)出版社，2015 [8] 譚蔚.化工設備設計基礎［Ｍ］.天津：天津大學出版社，2014 指導教師批閱意見 指導教師(簽名)： 年 月 日 F170固定管板式換熱器設計 摘 要 換熱器是實現(xiàn)能量間的傳遞與轉(zhuǎn)換的設備，通俗講，就是能量高的流體介質(zhì)向能量低的進行傳遞。 固定管板換熱器是物料間傳熱的節(jié)能裝置。固定管板式換熱器作為換熱設備之一，具有各種優(yōu)點與缺點。優(yōu)點是旁路滲漏流量小、大傳熱面積、結(jié)構簡單、制造方便、結(jié)構穩(wěn)固、可靠性高、適用范圍廣、成本低廉；缺點就是管殼與管壁之間的溫差大、管板與管頭之間容易產(chǎn)生溫差應力、殼側(cè)不可以采用機械清潔、設備的使用壽命相對較低。雖然缺點存在，才能突出優(yōu)點。管板式換熱器就是因為這些優(yōu)點的存在，才會得到廣大人名群眾的信賴以及使用。通常情況下，為了節(jié)省經(jīng)濟，需要對換熱器的強度以及使用壽命格外注意，在設計過程中，就需要設計出最合理的結(jié)構；并且在考慮壓力、溫度、材料、流體性質(zhì)以及溫差等方面的因素下，選擇最適合的結(jié)構。在設計過程中，也分為管形、管徑的設計，換熱管排列形式、管程殼程分程設計及進出口設計、折流板的結(jié)構設計；在計算方面，換熱器的熱力計算，穩(wěn)態(tài)傳熱方程，換熱系數(shù)、壓降等方面的計算，最后還要對換熱器的安裝與維護?？梢粤私猓瑩Q熱器的設計是一個復雜的過程。 在實際生產(chǎn)中，每個行業(yè)的生產(chǎn)條件各不相同，為能得到合適的設備需要設計出不同形式、結(jié)構的換熱器。選擇適合工況的設備，可以增大經(jīng)濟效益。 關鍵詞：換熱器；使用范圍；結(jié)構設計；強度計算；材料 ABSTRACT Heat Heat exchanger is a device to transfer and convert energy. Generally speaking, it means that fluid medium with high energy transfers to fluid medium with low energy. Fixed tubesheet heat exchanger is an energy-saving device for heat transfer between materials. As one of the heat exchange equipments, fixed tube-plate heat exchanger has various advantages and disadvantages. The invention has the advantages of small bypass leakage flow, large heat transfer area, simple structure, convenient manufacture, stable structure, high reliability, wide application range and low cost. Disadvantages are that the temperature difference between the shell and the tube wall is large, the temperature difference stress is easily generated between the tube plate and the tube head, the shell side cannot be cleaned mechanically, and the service life of the equipment is relatively low. Although the shortcomings exist, the advantages can be highlighted. It is because of these advantages that the tube-plate heat exchanger can be trusted and used by the masses. Under normal circumstances, in order to save economy, special attention should be paid to the strength and service life of the heat exchanger. In the design process, the most reasonable structure should be designed. In addition, considering the factors of pressure, temperature, material, fluid property and temperature difference, the most suitable structure is selected. In the design process, it is also divided into the design of pipe shape and pipe diameter, the arrangement form of heat exchange tubes, the split design of shell side and inlet and outlet, and the structural design of baffle plates. In terms of calculation, the thermal calculation of the heat exchanger, the steady heat transfer equation, the calculation of heat transfer coefficient, pressure drop and other aspects, and finally the installation and maintenance of the heat exchanger. It can be understood that the design of heat exchanger is a complicated process. In actual production, the production conditions of each industry are different. In order to obtain suitable equipment, heat exchangers with different forms and structures need to be designed. Selecting equipment suitable for working conditions can increase economic benefits. Key words: heat exchanger; scope of use; structural design; strength calculation; materials 目 錄 1 前言 1 1.1概述 1 1.1.1換熱器 1 1.1.2換熱器的類型 1 1.1.3固定管板式換熱器 2 1.2固定管板式換熱器設計的目的 2 1.3管殼式換熱器現(xiàn)今發(fā)展情況 2 1.4強化換熱器傳熱能力的方法 3 1.4.1擴展傳熱面積 3 1.4.2加大傳熱溫差 3 1.4.3增強傳熱系數(shù) 3 2 換熱器結(jié)構論述 4 2.1換熱器管形的設計 4 2.2換熱器管徑的設計 4 2.3換熱管排列形式的設計 4 2.4管、殼程分程設計 4 2.5折流板的結(jié)構設計 5 2.6管、殼程進、出口的設計 5 2.7 選材方法 6 2.7.1 管殼式換熱器的選型 6 2.7.2 流體空間的選擇 8 2.7.3 流速的選擇 8 2.7.4 材質(zhì)的選擇 9 2.7.5 管子的排列型式 9 3 管殼式換熱器的熱力計算 10 3.1確定參數(shù) 10 3.2穩(wěn)態(tài)傳熱方程 10 3.2.1熱負荷 11 3.2.2總傳熱系數(shù) 11 3.2.3總傳熱面積 12 3.2.4平均溫差 12 3.3結(jié)構初步設計 12 3.4管程換熱系數(shù)計算 13 3.5殼程換熱系數(shù)計算 13 3.6管壁溫度計算 14 3.7管程壓降計算 15 3.8殼程壓降計算 16 4 換熱器的結(jié)構設計 17 4.1換熱器殼體壁厚計算 17 4.2換熱器封頭的選擇 17 4.3容器法蘭的選擇 18 4.4管板 19 4.5計算是否安裝膨脹節(jié) 19 4.6折流板設計 20 5 強度壓力計算和校核 22 5.1殼體厚度校核 22 5.2管子拉脫力校核 23 5.3開孔補強的計算 24 6 換熱器的維護 26 6.1換熱器的防腐 26 6.2換熱器的使用及注意事項 26 小 結(jié) 27 參考文獻 28 致 謝 29 1 前言 1.1概述 1.1.1換熱器 換熱器（heat exchanger），又稱熱交換器，是進行能量的轉(zhuǎn)換的設備。 換熱器作為節(jié)能裝置，通常是在不同溫度下多種流體介質(zhì)之間交換能量。一般在工作條件的限制中，通常要滿足工藝條件的需求，避免呢能量的流失。這也是提高能源效率的主要手段之一。 管板式換熱器最大的特點就是結(jié)構簡單、制造過程也相對于簡單，因此在社會實際運用中普遍。并且在相同的管徑下具有較大的換熱效果，因此換熱效率能夠得到較大的提升，各大供應商與需求商都會傾向于此，帶來更大的經(jīng)濟效益。在換熱器中為了加快流體介質(zhì)的流動速度，設置折流板就能改變。而折流板的作用也是非常重要，可以改變流體的流動速度及其方向，并且也能夠減少流體介質(zhì)之間的短路情況。 1.1.2換熱器的類型 換熱器在工業(yè)領域中作為換熱裝備一直都運用非常廣泛，而且在其他能量傳遞消耗的領域也會運用普遍，需要量一直很多，由于生產(chǎn)規(guī)模、生產(chǎn)條件及生產(chǎn)材料的性質(zhì)不同，供應商與需求商的需求也就不同，因此各有各的特點，在現(xiàn)如今，也需要某些創(chuàng)新，設計出更加優(yōu)良更加符合實際工作情況的換熱器，達到廠家的需求與要求。 換熱器種類繁多，由于換熱條件、傳熱原理等因素的影響，使換熱器得結(jié)構各相徑庭。而結(jié)構的不同也會由此制造出不同的換熱器。 板、管式換熱器。它的換熱使熱的傳遞給冷的，通俗的講就是溫度高的傳遞給溫度低的，并且這兩種介質(zhì)不可以直接接觸，得通過某些物件給隔離，達到換熱目的。 直接接觸式換熱器。顧名思義，該換熱器的兩種介質(zhì)或兩種以上的介質(zhì)是可以直接通過接觸，就是面對面零距離進行傳熱，達到換熱的目的，管內(nèi)的兩種或兩種以上的介質(zhì)可以是相同的也可以是不同的。 蓄能式換熱器?！靶钅堋鳖櫭剂x就是要將能量儲存一段時間，然后將能量在流體介質(zhì)間傳遞。蓄能式換熱器由于某些原因?qū)е略谏鐣羞\用較少，使用方法和操作流程較為復雜，應用相對也就比較少了點。 對于按照傳熱原理不同而劃分，在實際使用中，各大廠家需求最多的也是板、管式換熱器，根據(jù)結(jié)構的不同可以分為管殼式與板式換熱器。 而管殼式換熱器在單位面積上具有傳熱面積大、效果好，架構簡單，便于制造在實際運用中普遍，并且適應性也很強。符合廠家的需求，應用使用方面自然就廣了。 此次，是對固定管板式換熱器的設計（F170）。 1.1.3固定管板式換熱器 它是由管板和殼體組成?？雌饋砗唵?，倒是內(nèi)部也是較為復雜，包含了管束、殼程、封頭等各種零件。在設計過程中，也需要按部就班，一個一個慢慢設計。 固定管板換熱器的管程可分為多道，殼程也可分為多道，按照數(shù)學原理，這可以有很多種結(jié)構排列方式，致使種類繁多，在社會中一直都是廣泛得到運用的。由于清洗困難，不使用骯臟或腐蝕性介質(zhì)。有的時候，在膨脹差變得比較大的時候，通常情況下都會在殼體上面設置膨脹節(jié)，這樣就可以減小管道與殼體側(cè)溫差引起的熱應力變化，從而解決此類問題。 固定管板換熱器的優(yōu)點: 1.旁路滲漏流量??； 2.大傳熱面積； 3.結(jié)構簡單，制造方便，成本低廉。 固定管板換熱器的缺點； 1.管殼與管壁之間的溫差大； 2.管板與管頭之間容易產(chǎn)生溫差應力； 3.殼側(cè)不可以采用機械清潔； 4.設備的使用壽命相對較低。 1.2固定管板式換熱器設計的目的 目的就是為了獲得適合各種工作條件并且經(jīng)濟效益更高的的熱交換器。換熱器的設計過程可分為工藝選擇以及結(jié)構設計。工藝選擇是根據(jù)工作條件而決定的，為了就是得到更具有效益的換熱器。結(jié)構設計是為了保證換熱器的質(zhì)量和使用壽命。 為使換熱器中兩種或多種溫度不同的或能量高低的介質(zhì)可以達到換熱的目的讓能力得到最大程度的利用，就需要設計出能夠做到這一目的的換熱器。 雖然管殼式換熱器因為其缺點的存在，與其他新型換熱器相比仍然有著很大差距，但是它的有點仍然存在，具有結(jié)構勞固、制造簡單、換熱面積大、使用普遍等一些優(yōu)越點，使它在社會中可以得到廣泛的使用。 1.3管殼式換熱器發(fā)展的情況 在生產(chǎn)車間里，有高溫高壓的生產(chǎn)條件，也不是好也不能說壞，在其結(jié)構制造方面仍然有很大缺陷。在能量的流失，使換熱效率降低，結(jié)構復雜使換熱器體積偏大，生產(chǎn)制造的規(guī)?；?，生產(chǎn)空間與發(fā)展空間的日益增大 ，新型換熱器的研究仍然需要改善。在當今發(fā)展中，最為重要的就是提高換熱效率，加強對技術的研究與分析。 我們一般都是根據(jù)管殼式換熱器獨具有的優(yōu)點，而選擇使用，使它在實際運用中一直很普遍。尤其是在高溫高壓和大型化的場合下和機器設備的自動化和機械化。 熱交換器是化學、石油、制藥和能源行業(yè)。在現(xiàn)代工業(yè)中，有統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，在換熱器這一領域中的投入占總投資的一半左右，在煉油廠工廠中，換熱器占總廠全部工作設備中的40%，特別是在海水淡化這一塊，使用的工藝設備大都是由換熱設備構成的。20世紀能源危機有利也有弊，當時就工業(yè)能源苦難，只有改變原來的發(fā)展方式，改革創(chuàng)新才能尋求生機，有效的促進了化學技術的發(fā)展。在社會的進步，生活水平的提高，人們對更先進的技術的向往更加強烈，也要求對能量的利用更標準化。 近年來，我國對強化傳熱技術進行了大量的研究，但是與國外相比，對于新技術的開發(fā)、新型高效換熱設備的研究仍有差距，在推廣方面也趕不上國外，因此也是很有限的。在國內(nèi)加強對換熱器專業(yè)技術的研究是很有必要的，加強制造技術的研究和技術人員的進步，促使換熱技術在國內(nèi)蒸蒸日上，更快趕上國際的步伐，只有強大才有話語權。在制造商供應商上要大膽引進國外的先進技術與設備，從中汲取精華，為中國節(jié)能事業(yè)，可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略做出貢獻，也為自己尋找更大的經(jīng)濟效益。 1.4強化換熱器傳熱能力的方法 1.4.1擴大傳熱面積F 由于在單位體積的傳熱面積越大，傳熱能力就越高，因此可以憑借這一點來增強傳熱效率。而加大傳熱面積可以改變傳熱面的外部形狀，比如將換熱管面設計成螺紋狀或波紋狀等，但是也要符合成產(chǎn)條件的要求。 1.4.2加大傳熱溫差△t 我們只能把兩種介質(zhì)的溫差搞大一點，而這種方式也是現(xiàn)如今最常用的；但是，做任何事情都要符合實際，不能夠超越實際現(xiàn)狀，傳熱溫差也不能無限制的增大，設計過程中也要根據(jù)實際現(xiàn)狀來要求，并且不是所有的工藝上都符合其原理。 1.4.3增強傳熱系數(shù)K 傳熱系數(shù)越低，換熱器傳熱效果越差，因此最有效最可行的方法就是提高傳熱系數(shù)。 強化傳熱能力的三種方法都在實際中得到了應用，在發(fā)展過程中也要實踐中求真知，斌且還需要切合實際狀況，在場地、資金以及效果等因素的干擾下，則需要與實際相通的方法，當前換熱器強化傳熱研究方向是通過控制換熱器傳熱系數(shù)(K)值來提高換熱器傳熱能力。 2 換熱器結(jié)構設計論述 2.1換熱器管形的設計 管子表面是傳熱面，作為傳熱表面，設計出一種能擴大傳熱面積能提高傳熱效率的管子是很重要的。管子的外部形狀在實際運用中通常有兩種，一種是在管子外部上刻有螺紋的，另一種就是對管子的外部形狀不做處理，表面光滑。螺紋管與不做處理的管子在相同條件下，傳熱面積的大小上進行比較，螺紋管管束比光管管束的表面面積就大了很多，由于在單位體積的傳熱面積大傳熱效率高，因此兩者相比較就可以得出螺紋管管束的換熱面積就比不作處理的管束大得多，換熱效率也就大得多了。由于結(jié)構的不同，流體流過其表面上是也會發(fā)生變化，比如流動狀態(tài)由直流變成了向上或向下的改變，速度的改變等等，但是這些改變都有利于提高換熱器的傳熱能力，所以這是一種可以提高傳熱能力而采用的方法，應該得到應用。 如果在某些特殊情況下需用不清潔、易結(jié)垢的流體介質(zhì)，那么螺紋管上的螺紋就可以發(fā)揮較大的作用。 2.2 換熱器管徑的設計 在實際生產(chǎn)中可以了解到，在換熱器這類換熱裝備中，采用管徑小的可以提高換熱效率，并且小管徑可以節(jié)省一些材料，也可以減小換熱器的外部形態(tài)結(jié)構，使零部件看起來更加緊湊。一般采用小管徑是在管束中的流體介質(zhì)符合清潔且不容易結(jié)垢的情況下，達到換熱效率的提高。在人們做的實驗中可以得出一些結(jié)論，條件相同情況下，對于兩種直徑相差6mm的換熱管管子的換熱能力進行比較，其傳熱面積因為直徑而發(fā)生變化，使得前一種管子比后一種管子傳熱效率大百分之三十以上四十一下，能夠節(jié)省的材料在百分之二十以上。由此可見，對管徑的設計對換熱效率的影響也很大。 2.3換熱管排列形式的設計 在工業(yè)生產(chǎn)日常應用中，眾所周知管子的排列型式有三角形、正方形和同心圓三種排列形式，采用不同的排列形式所引起變化也很大，排列形式也與一些因素有關，就像流體的流向、折流板缺口方向都會影響其排列方法及排列形式，流體的流動方向是垂直于折流板的缺口。在選擇的殼程中，會因為介質(zhì)的性質(zhì)或清理方式的不同而選擇不同的管子排列形式，清潔方式的不同也會影響其結(jié)構排列，在殼程的清潔方式為機械清潔時，就可以采用正方形排列；而換熱器殼程小于一定的數(shù)值時采用同心圓排列，可以讓讓管束之間的排列結(jié)構看起來更為緊密，在視覺上更可觀，也能夠減小換熱器的體積，安裝運用更方便。 2.4 管、殼程分程設計及程數(shù)選擇 選擇合適的管程數(shù)殼和殼程數(shù)是很重要的。當換熱面積大的不行時而管子不可以過長時，為了讓流體流動的速度更快，我們就得想辦法，因此就將管束分程。而有時候程數(shù)數(shù)目多了時，也會導致管程中的流動時的阻力和動力消耗能量變大，也會是換熱器平均傳熱過程的溫差降低，因此在設計過程中就需要考慮這些因素。 我們在想管子內(nèi)流體流速加快，一般都會增加管程數(shù)，從而產(chǎn)生多種不同的變化，換熱器傳熱膜系數(shù)會因此變大，流體介質(zhì)流動速度也會因為管程間的壓力降而被限制。安裝平行于管束的隔板也可以完成殼方多程這一過程，但是在現(xiàn)實這一方面，殼程隔板在制造、安裝和檢修等一些方面很是困難，還沒有比較先進的技術可以解決這一問題，因此不宜采用。通常采用的方法就是串聯(lián)幾個換熱器代替殼方多程。 換熱器串聯(lián)也可以增加殼程數(shù)，但是這樣的方式會使其成本增加，通常不采用；添加縱向隔板，可以增加殼程數(shù)，也可以加快流體介質(zhì)的流動速動，從而提高換熱器的換熱效率，所以傳統(tǒng)上常常這種方式增加殼程數(shù)。 在本次設計中，我認為管程數(shù)和殼程數(shù)都采用雙管程和雙殼程。 2.5折流板的結(jié)構設計 通常情況下，設置折流板的主要目的就是為了增加殼程中流體介質(zhì)的流速，提高殼程的傳熱膜系數(shù)，達到提高傳熱系數(shù)的目的。設置折流板在對換熱器的換熱管具有支撐作用，換熱管比實際生產(chǎn)現(xiàn)狀要求長時，管子間所承受的壓力比平常要大一點時，換熱器殼程允許壓力降在滿足設計要求這一要求的情況下，適度的增加折流板的數(shù)量和的減小折流板間的間距，可以起到很多作用，就像可以在一定程度上緩解換熱管的受力情況，在流體之間產(chǎn)生的振動大道不行時就要減小其振動頻率，通常就需要合理的控制折流板間的間距，然而這樣也有利于安裝，折流板在起到這些作用下的情況里，綜合各方面，考慮選擇合適的折流板這也是很重要的一點。 在一些特殊情況下使用折流板不會起到效果，殼程蒸發(fā)、冷凝操作以及傳熱膜系數(shù)很低等情況下，僅僅只能支撐管子，因此在這些情況下不采用折流板。在冷凝操作時不等間距使用折流板可以達到高效傳熱的效果，但是在大多數(shù)通情況下折流板都是等間距使用的。 2.6進、出口的設計 一般情況下，換熱器的進出口是各種流體介質(zhì)進出的地方，為了方便流體的投放于取樣，進出口通常設置在易操作的地方，而殼體管箱就是一個不錯的選擇，這也是這種設備普遍安裝進出口的地方。設置進出口就不可避免會造成殼體與管箱的結(jié)構不穩(wěn)，局部位置的不穩(wěn)定等等。而在工作條件的影響下，也需要考慮其材料的強度問題，管內(nèi)得我壓降問題，也必須在安裝是更加的方便，外觀更加美妙等等。 通常情況下是將管程進、出口放在殼測的頂部或底部，可以讓流體在流過的時候分布更加均勻，達到高效傳熱。 管殼程中的流體介質(zhì)在流動速度太快，流體介質(zhì)為處理，使包含其中的固體物質(zhì)與管殼程進、出口進去或活出來時，發(fā)生碰撞、摩擦，在長期作用會損壞設備，我們就只能想各種辦法來防止這一現(xiàn)象的發(fā)生，通常我們都會在進出口處設置防沖板，顧名思義，防沖板就是防止流體因流速過快而損壞管殼程的進出口，減慢流體流動速度，減小沖擊，增加換熱器的使用壽命。 2.7 選材方法 2.7.1 管殼式換熱器的選型 管殼式換熱器根據(jù)結(jié)構的不同，可以分為其他幾種換熱器，通常都是管子與管板相連接，殼體進行固定換熱器，結(jié)構簡單，應用廣泛。對換熱器的優(yōu)缺點和結(jié)構方面進行一些介紹。 （1）固定管板式換熱器： 根據(jù)圖1就可以看出來,該換熱器的結(jié)構就比較簡單，并且比較緊湊。但是內(nèi)部復雜，流體介質(zhì)流動經(jīng)過是會發(fā)生各種不可控的事情，內(nèi)部所包含的固體顆粒物與內(nèi)部管板的碰撞，造成振動。由于內(nèi)部管板較多，在清洗時就不是很方便了，尤其是在管板間更難，這就可以知道，這種換熱器不可以采用那種容易結(jié)垢的和不是很方便清潔的流體。在溫差的影響下，會降低傳熱效率，產(chǎn)生熱膨脹這一變化，就需要設置另外一種裝置膨脹節(jié)。所以啊，這有多了一種零件也是很復雜了，他可以減少它們所產(chǎn)生的熱應力，但是不能夠消除。所以，該換熱器不適合用于高溫的情況下，尤其是在溫差較大的情況下。采用的流體介質(zhì)也需要慎重選擇。 圖1 固定管板式換熱器 （2） 浮頭式換熱器 該換熱器含有一個浮頭，而這一浮頭是可以自由自在的移動，對熱膨脹沒有限制也沒有要求，所以可以適用于溫差較大的工作條件下，并且也不會產(chǎn)生熱應力。由此可以看出，這種換熱器與固定管板式換熱器相比，它的不足之處就變成了浮頭式換熱器的有點。而在設計過程中，也需要互相吸取精華才能設計出更加出眾的作品。流體介質(zhì)也可以選擇易結(jié)垢的，不易清潔的以及容易腐蝕的，集固定管板式換熱器的缺點與一身，都變成了優(yōu)點。而該換熱器體積大，結(jié)構復雜得多，重量較大，制造成本也相應較高，所以在實際運用就比較少了，比較是要賺錢的，誰都不想在起點就要花費重大的開支，大家都可以理解。 圖2 浮頭式換熱器 （3） U型管式換熱器 從圖中可以看出來，它的管子就是一個U形，可以說很具有特點了，殼體與管是分離的，所以對熱膨脹的影響是可以忽視的，熱應力也就不會產(chǎn)生，可謂一舉兩得，熱補償這效果也是比較出從的，管子U形，流體介質(zhì)的流動速度的變化較大，因此可以增大傳熱效率。管束可以抽出，是其他換熱器都不具有的，特別的存在肯定是有特別的原因，抽出來的管束在清洗方面就比較簡單了，但是管子內(nèi)部的清洗就是一個大問題，一次在選擇流體介質(zhì)的時候需要選擇那種易清洗、不易結(jié)垢的介質(zhì)， 圖3 U型管式換熱器 （4）填料函式換熱器 該換熱器與U形管事?lián)Q熱器一樣，不要考慮熱膨脹的影響，以及熱應力的產(chǎn)生。填料應該就是把流體介質(zhì)直接放進去，由此可見操作簡單，在清洗方面也是比較容易的，沒有浮頭造價相對于就比較低了。但是填料這一過程，介質(zhì)的性質(zhì)方面，不呢能夠泄露污染環(huán)境，就需要采用那些無毒、無味的介質(zhì)，在不易燃燒、不易爆炸、不易揮發(fā)的填料場所。 2.7.2 流體空間的選擇 換熱器現(xiàn)如今主要是解決傳熱效率的缺陷，然而提高傳熱系數(shù)低的，在管內(nèi)流體流經(jīng)的管道也是重中之重，減少流體流動過程中的傳熱能量流失，增大傳熱效率，就要防止流體流動時的能量流失，想辦法去減小。換熱器在殼體內(nèi)部清洗維修都困難，因此在在選擇流體介質(zhì)的時候就要選擇易清洗、不易結(jié)垢的流體走管程。 要使換熱器正常而有效地操作，就必須慎重地選擇流體的流體空間。 （1） 溫度的影響 高溫流體走管程可節(jié)省保溫層以及殼體的厚度，降低成本。 （2） 在高壓作用下的流體應該走管程，這樣就可以減少殼體的厚度，降低成本。 （3） 流體介質(zhì)粘度大和流量小走殼程。 （4） 腐蝕性 腐蝕性強的流體介質(zhì)走管程，以節(jié)省耐腐蝕材料。 （5） 管程間壓力降。 （6） 清潔性 較臟和易結(jié)垢的流體介質(zhì)應走管程，以便于清洗和控制結(jié)垢。 （7） 流體流動速度。 （8） 傳熱膜系數(shù)。 此次設計，水走殼程，煙道氣則走管程。 2.7.3 流速的選擇 換熱器中流體流速會影響傳熱效果，在流速小時，會降低傳熱系數(shù)，還會增加污垢的沉積，致使堵塞，對傳熱存在不利，但是也會增大傳熱面積，增加傳熱，流經(jīng)管道時就比較容易完整的緩慢的通過，不會對管壁撞擊，可增加使用壽命，選擇適宜的流速還需通過 經(jīng)濟衡算才能定出，并且還需考慮結(jié)構上的要求。 表1 常用介質(zhì)流速的范圍 常用介質(zhì) 水 新鮮水 常見液體 易結(jié)垢液體 低粘度油 高粘度油 氣體 管程流速，m/s 1.0～2.0 0.8～1.5 0.5～3 >1.0 0.8～1.8 0.5～1.5 5～30 殼程流速，m/s 0.5～1.5 0.5～1.5 0.2～1.5 >0.5 0.4～1.0 0.3～0.8 2～15 此次設計中選擇煙道氣的流速為2m/s。 2.7.4材質(zhì)的選擇 選擇合適的材料，是對任何零件制造的基礎步驟，換熱器設計過程，零件復雜，各種零件不同材料也相應不同，工作條件的不同。有溫度、壓力、流體的性質(zhì)，材料的工藝性能，經(jīng)濟效益等方面的的影響，選擇合適的材料也是重中之重。一般為了滿足這些要求,從換熱設備的強度或剛度、耐久性使用壽命的角度來考慮,材料的耐腐蝕性能,一直都是一個比較復雜的問題。如果有些輕微的不足之處,都會影響換熱器使用壽命,也會提高設備成本，降低經(jīng)濟效益。在某些方面，材料的性能也會影響換熱器的結(jié)構。 碳鋼和不銹鋼時所用設備常采用的材料。由于含碳適中，綜合性能較好，強度、塑性和焊接性能可較好配合，用途廣泛。 根據(jù)這些條件限制最符合設計的材料選擇Q235材料（A3鋼）。 2.7.5 換熱管的管子排列型式 根據(jù)下面的圖4，了解到管程結(jié)構的三種基本排列方式，換熱器的結(jié)構不同就會選擇不同的排列方式，在實際中的就是三角形排列，因為結(jié)構穩(wěn)固緊湊。 等邊三角形排列用得最普遍，因為管子間距都相等，所以在同一管板面積上可排列最多的管子數(shù)，而且便于管板的劃線與鉆孔。但管間不易清洗，TEMA標準規(guī)定，殼程需要機械清洗時，不得采用三角形排列型式。在殼程需要進行機械清洗時，一般采用正方形排列，管間通道沿整個管束應該是連續(xù)的，且要保證6mm的清洗通道 以下幾種排列方式的優(yōu)越性，正方形排列看起來很規(guī)范，便于使用機械清洗，正三角形才常識中就知道具有結(jié)構穩(wěn)定性，所以三角形排列可以使結(jié)構更加緊固，看起來更加緊湊，而同心圓在外觀上看起來更好，分布均勻，結(jié)構也更加緊湊了一點。選擇合理的排列型式，也是一個很重要的設計步驟，考慮的方面也有很多，設計過程也是復雜的，了解其排列結(jié)構的重要性，也不容忽視。 (a) 正方形排列???? ?? (c) 三角形排列? ? （c）同心圓排列 圖4 換熱管管板上的排列方式 38 3 管殼式換熱器的熱力計算 3.1確定已知參數(shù) 此次設計選擇殼程流體水的溫度為：t=95℃ 選擇管程流體介質(zhì)煙道氣的溫度為：T=320℃。 水在95℃的有關物性參數(shù)如下： 密度 = 定壓比熱容 熱導率 粘度 煙道氣在320℃的有關物性參數(shù)如下： 密度 3 定壓比熱容 熱導率 粘度 流量 = 3.2穩(wěn)態(tài)傳熱方程 熱流體將熱量通過某固定壁面?zhèn)鹘o冷流體的過程稱為傳熱，穩(wěn)態(tài)傳熱方程的基本公式為：Q=KA?t 式中 Q---熱負荷，W K--總傳熱系數(shù)，W/(㎡℃) A---總傳熱面積，㎡ ?tm--進行換熱的流體之間的平均溫度差，℃ 3.2.1熱負荷 根據(jù)能量平衡原理可以得出，煙道氣所釋放的能量等于水所吸收呢能量。取換熱器熱效率為η=0.98 煙道氣冷卻所釋放的能量： Q1=G?γ?η3600 #1 =1.3×1.986×103×1025.04×0.98/3600 =739.4KW 水所吸收的熱量： Q1C=G1?CP1C?t3-t1''?η3600 #2 =1.3×1.986×103×2.55×(70-45)×0.98/3600 = 53.3KW 所以，總傳熱量=739.4+53.3=792.7KW 3.2.2總傳熱系數(shù) 煙道氣側(cè)污垢熱阻： 水側(cè)污垢熱阻： 水吸收系數(shù)： Kj=11α1+γ1+γ2d0di+1α2d0di #3 = = 936 煙道氣冷卻系數(shù)： KjC=11α1c+γ1+γ2d0di+1α2cd0di #4 = = 284.8 傳熱系數(shù)比值： KjK0=936/850=1.10 合理 Kjc/KJ0=284.8/250=1.14 合理 總傳熱系數(shù):K=Kj+Kjc=936+284.8=1220.8 3.2.3總傳熱面積 水吸收熱這一過程的傳熱系數(shù):K0=850W/m 煙道氣冷卻這一過程的傳熱系數(shù):K0C=250W/m 冷凝段的傳熱面積:F0=Q1K0??tm=739400850×23.4= 23.9m2 #5 冷卻段的傳熱面積:F0c=Q1cK0??tmc=53300250×36.5=8.04m2 所以，綜上可得：A=F0+F0c=23.9+8.04=31.94m2 3.2.4平均溫差 冷卻水的流量： G2=Q0Cp2?t2''-t2'=792.74.214×35-25=18811 kg/h #6 設定冷凝段和冷卻段分界處水的溫度為t3 G2=Q0cCp2c?t2''-t3=5330004.214×35-t3=18811 kg/h #7 可解出 t3=28.3℃ 冷凝段溫差： ?tN=t1'-t2''-t1'-t3lnt1'-t2''t1'-t3=36.4℃ #8 對于冷凝方面，冷凝溫度基本一定，故溫差校正系數(shù)為1，因此可以得出有效平均溫差 ?tm=36.4℃ 冷卻段溫差： ?tNc=(t1'-t3)-(t1''-t2')ln(t1'-t3)(t1''-t20'=26.5℃ 由于熱流體出口溫度小于冷流體出口溫度，出現(xiàn)了溫度交叉現(xiàn)象 為避免出現(xiàn)溫度交叉現(xiàn)象，最佳設計的溫度交叉點應正好在第二管程的終端。 查得溫差校正系數(shù)Φ=0.82 所以有效平均溫差?tm=Φ??tNc=0.82×26.5=21.73℃ 綜上，穩(wěn)態(tài)傳熱量： Q=KA?tm#9 代入已知數(shù)據(jù)解得:Q=1220.8×31.94×21.73=847.3KW 3.3結(jié)構初步設計 選用無縫鋼管作換熱管 由此可以知道管子外徑 d0=25mm ，內(nèi)徑 di=20mm 初步可取管子的長度為 l=3mm 計算管子總數(shù)： Nt=F0+F0Cπ?d?l=23.9+8.043.14×0.025×3=135.6根 #10 取管子數(shù)146根 管間距: S=1.25d0=1.25×0.025=0.032m 管束中心的排管數(shù)：Nc=1.1Nt=1.1×146=13.2根 由此可以取管數(shù)為14根 我們可以取殼體的內(nèi)徑為Di=0.6m 由此計算出長度與內(nèi)徑之比：lDi=30.6 =5 合理 弓形折流板弓高：h=Di=0.25×0.6=0.15m 折流板間距： B=Di3=0.63=0.2m 折流板數(shù)量：Nb=1B-1=30.2-1=14 塊 根據(jù)設計條件及工藝方面折流板數(shù)目取13塊。 3.4管程換熱系數(shù)計算 管程流通截面:a2=Nt2?π4?0.022=1462×π4×0.022=0.0229 #11 管程流速：ω2=G2ρ1?a2?3600=18811961.9×0.0229×3600=0.237 m/s #12 管程雷諾數(shù)：Rε2=ρ1ω2diμ2=961.9×0.237×0.02614.46×10-6=7420.2Re #13 管程質(zhì)量流量:W2=ρ2?ω2=961.9×0.237=227.9 kg/s #14 水吸收段的溫度：t2=t2'+t3=41.2+322=36.6℃ 煙道氣冷卻段的溫度： =(+t3)/2=(41.2+29)/2=34.75℃ 水吸收段傳熱系數(shù)：α2=3605(1+0.015t2')ω20.8(100di) =3605×(1+0.015×36.6)×0.2370.8(100×0.02)2 =1537.1 煙道氣冷卻段傳熱系數(shù)：α2c=3605(1+0.015t2c')ω20.8(100di) =3605×(1+0.015×34.75)×0.2370.8(100×0.02)2 =1509.6 3.5殼程換熱系數(shù)計算 殼程流通面積： f1=B?Di?1-d0S=0.200×0.6×1-0.0250.032=0.0263m2#15 殼體當量直徑： dz=Di2-Ntd02Ntd0=0.62-146×0.0252146×0.025=0.0736m#16 水吸收段： ω1=G1ρ1f1*3600=1.3×1.986×1032.13×0.0263×3600=11.8 m/s#17 煙道氣冷卻段：ω1c=G1ρ1cf1*3600=1.3×1.986×103777.87×0.0263×3600=0.035m/s 我們可以假設煙道氣在釋放熱能的冷卻過程中管外壁低的溫度為：tw1=58℃ 所以可以根據(jù)公式計算 膜溫： tm=t1'+tw12=70+582=64℃ 在膜溫下煙道氣的物性參數(shù)： λm=0.1607W/m?℃ ρm=765.41Kg/m3 μm=0.3166×10-3Pa/s 水吸收段管壁所承受的負荷：Γ=G1 =1.3×1.986×1033.14×3600×0.025×184=0.0497 kg/m?s#18 水吸收熱量的雷諾數(shù)： Re1=4Γμm=4×0.04970.3166×10-3Pa=627.9Re#19 碳帶器釋放熱量段的雷諾數(shù)：Rε1C=ρ1cw1cdεμ1c=777.87×0.035×0.05330.3351×10-3=4300Re 我們可以假設水在釋放熱能的冷卻過程中管外壁低的溫度為： tw1c=42℃ 壁溫下煙道氣粘度：μw1=0.3519×10-3Pa?s 粘度修正系數(shù):Φ1=μ1μw10.14=0.3315×10-30.3519×10-30.14=0.993 #20 殼程傳熱因子查得js=75 水吸收段管壁所承受的負荷:Γ=GB'=GlNt23=1.3×1.986×1033×14623=24.3 kg/m?s #21 3.6管壁溫度計算 因為不清楚，只能根據(jù)情況假設取水吸收段管傳熱長度l1=1.8m，煙道氣冷卻段傳熱長度l1c=1.2m 水吸收段管傳熱外壁的熱流密度： q1=Q1Ntπd0l1=739400146×3.14×0.025×1.8=35841.4 W/m2?℃#22 管外壁溫度： tw1'=tm-q11α1+γ1=64.4-35841.4×131394+0.0001762=59℃#23 進行校核：tw1-tw1'=58-59.7=-1.7℃ 誤差不大,符合溫差要求。 煙道氣冷卻段傳熱外壁熱流密度： q1c=Q1cNtπd0l1c=53300146×3.14×0.025×1.2=3875.5Wm2?℃ #24 管外壁溫度： tw12=tm-q1c1α1c+γ1=51.2-3875.5×1400.7+0.0001762=43.4℃ 誤差校核：tw1c-tw12=42-43.4=-1.4℃ 誤差不大,符合溫差要求 。 3.7管程壓降計算 管內(nèi)壁溫度： tw2=t2+q1cd0di1α2c+γ2=37+3875.5×0.0250.0211509.6+0.000344=41.9℃ 在溫下水的物性參數(shù)粘度 μw2=659×10-6Pa?s#25 粘度修正系數(shù):μw2=μ2μw20.14=697.76×10-6659×10-60.14=1.008 #26 查閱書籍可知管程摩擦系數(shù):ξ2=0.042 #27 管程數(shù)：nt=2 管內(nèi)沿程壓降： ΔPi=W222ρ22?lntdi?ξ2?2 =523.242×993.252×3×20.02×0.0421.008=1722.75Pa #28 回彎壓降:?pb=wN222ρ2×4nt=523.2422×993.25×4×2=1102.6Pa #29 取煙道氣進口管處質(zhì)量流速： WN2=1600kg/m?s 進出口管處壓降： ?P2=WN222ρ2×1.5=160022×993.25×1.5=1933.05Pa #30 管程結(jié)垢校正系數(shù)：?d2=1.4 管程壓降?P2=?Pi+?Pb?d2+?PN2 #31 =1722.75+1102.6×1.4+1933.05=5888.54Pa 3.8殼程壓降計算 殼程當量直徑： dε=Di-Nt?d02Di+Nt?d0=0.62-146×0.02520.6+146×0.025=0.0632m #32 雷諾數(shù)：Re11=W1cdεμ1c=777.87×0.035×0.06320.3351×10-3=5136.3Re 參閱書籍可得殼程摩擦系數(shù)：ξ2=0.8 管束壓降 :ΔPi=W12ρ12?Dinb+1dε?ξ1?1 #33 =（777.87×0.035）22×777.87×0.6×（13+1）0.0471×0.80.993=68.46Pa 取煙道氣進出口質(zhì)量流速：WN1=1000Kg/m2s 進出口管壓降：?P1=WN122ρ1×1.5=100022×993.25×1.5=779.7Pa #34 導流板阻力系數(shù)：ξd=5 殼程結(jié)垢修正系數(shù)：φd=5 殼程壓降： ?P1=?P0?d2+?PN1+?Pd=1722.75+1102.61.4+1933.05=5888.54Pa#35 殼程允許壓降：?P1=20000Pa 管程允許壓降：?P2=50000Pa ?P1 < ?P1 ?P20.25mm，取C1=0.25mm 該殼體采用20鋼8mm厚的鋼板制造。 4.2 換熱器封頭的選擇 在設計中，封頭通常是橢圓形，所以上下封頭均選用標準橢圓形封頭，封頭的尺寸及質(zhì)量按選取，《換熱器設計手冊》表1-6-5先去封頭直徑為600.壁厚為8。質(zhì)量為120，表1-6-3選取封頭為DN600×8。 標準橢圓形封頭計算厚度： δ=PcDi2σt?-0.5pc=1.0×6002×92×0.9-0.5×1.0=3.63mm#37 Pw=2σt?δεKDi+0.5δε=2×92×0.9×6.551×600+0.5×6.55=1.79MPa#38 封頭尺寸如下圖： 圖5 封頭尺寸 4.3容器法蘭的選擇 材料的選用是根據(jù)《工程材料使用手冊》選用DN600，榫槽密封面長頸對焊法蘭。法蘭也是個重要元件，選擇設計時也需要認真考慮，它的尺寸大小，內(nèi)外徑等等。 表2 法蘭尺寸 公稱直徑DN/mm 法蘭尺寸/mm 螺柱 d 規(guī)格 數(shù)量 600 740 690 590 643 600 44 23 M22 28 圖6 容器法蘭 4.4 管板 管板，可以根據(jù)名字就可以看出，作為一塊板子，肯定是用來受壓的，一般強度要求很高，要滿足工藝條件，在設計時也要考慮這塊板子的結(jié)構與換熱器相匹配，才能夠最大的展現(xiàn)實用性。 管板的最小厚度除滿足強度計算要求外，當管板和換熱管采用焊接時，應滿足結(jié)構設計和制造的要求，且不小于12mm，當管板采用復合管板，其復層的厚度應不小于3mm。當管板和換熱器采用脹接時，管板的最小厚度滿足表4，若管板采用復合管板，其復層最小厚度應不小于10mm。并應保證復層表面深度不小于8mm的復層化學成分和金相組織符合復層材料的要求。 表3 固定管板式換熱器的管板的主要尺寸 公稱直徑/mm b c d 螺栓孔數(shù) 600 730 690 598 643 36 10 23 28 下圖就是設計管板的基本尺寸： 圖7 管板 4.5 計算是否安裝膨脹節(jié) 管殼壁溫差所產(chǎn)生的軸向力為： F1=αEtt-tsAs+AtAsAt 代入數(shù)據(jù)計算得：F1=11.8×10-6×0.21×10-6×4515273+37268×15273×37268 =1.38×106N 作用于殼體上的軸向力： F2=QAsAs+At 其中Q=π4Di2-nd02Ps+nd0-2δt2Pt #39 =π4[(6002-211×252)×0.78+211×25-2×2.52×0.82] =0.194×106N 代入數(shù)據(jù)計算：F2=0.194×106×1527315273+37268=0.56×106N #40 作用于管子上的軸向力為：F3=QAsAs+At=0.194×106×1527315273+37268=0.56×106N#41 則σs=F1+F2As=1.38×106+0.056×10615273=94MPa