毕业论文——浮头式换热器设计.doc

1、南华大学机械工程学院毕业设计（论文） 第 1 页 共 75 页 浮头式换热器设计 摘要： 本次设计的题目是浮头式换热器。浮头式换热器是管壳式换 热器的换热器系列中的一种，它的特点是两端管板只是一端与外壳固定 ，另一端可相对壳体滑移，称为浮头式。浮头由浮动管板钩圈和浮头端盖组成。它不会因为管束之间的差胀而产生温差热效应，同时还具有拆卸方便、易清洗的优点， 另外与其他类型的管壳式换热器一样， 能在高温、高压下工作，所以在化工工业方面应用广泛。本设计中的浮头式换热器主要参照 GB151 在给定的设计条件下进行工艺设计，然后对筒体、管束、浮头端进行详细的机械结构设计、计算和校核，对于换热 器的一些零部

2、件则根据设计参数查找标准。对于具体的设计步骤与准则在设计说明书中有详细的说明。 关键字 :换热器；浮头；管板；钩圈 南华大学机械工程学院毕业设计（论文） 第 2 页 共 75 页 The design of floating-head heat exchanger Abstract: The topic of my study is the design of floating-head heat exchanger. The floating-head heat exchanger is a special type of tube and shell heat exchanger. It

3、is special for its floating head. One of its tube sheet is fixed， while another can float in the shell， so called floating head. The floating head floating tube sheet hook and loop and floating head cover. It is not because of the differential expansion between the tubes and the temperature differen

4、ce between the thermal effects, but also has to facilitate the demolition, the advantages of easy to clean, but in addition it can work in high temperature and high pressure same as the other tube and shell heat exchanger, so widely used in the chemical industry. The design of the floating head heat

5、 exchanger major reference GB151,first make process design in a given design conditions, and then on the cylinder, tube, floating head end, a detailed mechanical structural design, calculation and check, for some of the heat exchanger components according to the design parameters. The specific desig

6、n steps and design criterion is described in design specification. Keywords: heat exchanger; floating head; tube plate; hook and loop 前 言 换热器是实现热量传递的一种设备，在工业生产中起着重要的作用，在各个化工相关领域得到了广泛的应用。 在工业生产中， 人们 通过换热器来将热量从一温度较高的物料传递到另南华大学机械工程学院毕业设计（论文） 第 3 页 共 75 页 一温度较低的物料。例如，在合成氨的生产中，通过废热锅炉来降温以实现控制温度的目的； 在精馏塔结构

7、中设置冷凝器；用换热器来实现飞机发动机的散热等等。这都是换热器在工业生产中的应用。 换热器 按 结构 形式 分 成 好几种 ，其中管壳式换热器应用最为广泛。本次设计的是浮头式换热器，是管壳式换热器的一种，和其他管壳式换热 器一样，能适应高温、高压的工作环境，同时，还容易清洁，但造价比较贵。在设计的过程中，我根据设计说明书，翻阅了 相关资料，查了相关的国家标准，从工艺计算、结构设计以及强度校核等方面设计出了符合条件的浮头式换热器，并绘制了图纸。 本次设计是对我大学四年学习成果的检验，但因为本人水平有限、知识比较匮乏，设计中难免有错误以及不当之处，希望各位老师、同学能给予指正。 1. 概述 1.1

8、 研究的目的和意义 在化工、炼油 、制药 等工业生产中，绝大部分的工艺过程都有加热、冷却和冷凝的 过程，这些被总称为换热过程，而使这些换热过程得以实现的设备称为换热设备 ,作为通用工艺设备被广泛应用于化工、炼油、动力、原子能和其他许多工业部门。 据统计，在化工 厂，换热设备的投资约占总投资 的 10% 20%；在 石油炼 厂中，约占 全部工艺设备 投资的 35% 40%。 可以看出在提高传热效南华大学机械工程学院毕业设计（论文） 第 4 页 共 75 页 率的同时，促进换热设备的结构紧凑性以及产品的系列化、标准化与专业化不仅可以对现有生产技术进行提高，还能节约企业生产成本。 1.2 国内外的研

9、究现状以及发展趋势 上个世纪 70 年代初发生世界性能源危机 ， 有力地促进了传热 强 化技术的发展 。 当今换热器技术的发展以 CFD（计算流体力学技术）、模型化技术、强化传热技术等形成一个高技术体系。 最近十几年，强化传热技术受到了工业界的广泛重视，得到了十分迅速的发展，国内外先后推出了板式、螺旋板式、板翅式等高效的传热设备。 早期，我国换热器的制造技术远远落后于国外，由于工艺以及技术的限制，当时的换热器只能采用简单的结构，不但传热面积小，而且体积大、笨重。近年来， 借着国内经济迅猛发展良好机遇，的 国内的换热器制造技术已经有了长足的发展， 各种类型和种类的换热器发展猛烈，使用新结构、新材

10、料的换热器不断涌现， 但与国外有不小的差距，特别是在新型高效换热器领域。 未来，国内市场需求将会有以下特点：产品质量水平应有更高的要求，特别是在环保与节能方面，更是发展的重点方向；产品的性价比应该更高；产品的多样化与系列化；产品品牌的需求；生产厂家的大型化与集团化。 在国外二十世纪 20 年代 出现了板式换热器，一出现就应用在了食品行业。板式换热器的结构紧凑、传热效果好，后来被发展出了多种结构形式。 30 年代初，瑞典制成了螺旋板换热器，接着英国用钎焊法制成了由铜及其合金材料制造的板翅式换热器，并应用于飞机发动机散热。 30年代 末，瑞典 又首次制成了板壳式换热器，并应用于纸浆工厂。同时，腐蚀

11、问题渐渐被人们重视，越来越多的人注意到了新材料的应用。 到了 60 年代， 随着制造工艺的进一步完善 ，紧凑型板面式换热器得到了蓬勃的发展和广泛的应用，同时 为了满足在高温、高压条件下的工艺要求， 典型管壳式换热器也得到了进一步发展，增加了强化传热。 70 年代，逐渐向体积减小、重量减小、消耗减少、适应性增强方面发展。 在国外市场， 现如今，虽然板式换热器发展迅速，市场竞争力不断上升，但管壳式换热器仍占住着主导地位。随着动力、石油化工工业的发展，换热设备也渐渐 向着高温、高压、大型化方向发展。 南华大学机械工程学院毕业设计（论文） 第 5 页 共 75 页 1.3 本次设计研究的主要内容 本次

12、设计的是浮头式换热器，是管壳式换热器的一种 ，具有高度的可靠性和广泛的适应性，在现如今的各种换热器中占住着主导地位。 该换热器设计参考的前提是常减压装置中的工艺条件， 根据装置工艺条件选择具体的流量、温度、压力等参数。 浮头式换热器的主要优点是 管束可以抽出，以方便清洗管、壳程 ； 介质间温差不受限制；可在高温、高压下工作，一般温度小于等于 450 ，压力小于等于 6.4MPa；可用于结垢比较严重的场合；可用于管程易腐蚀场合。 但结构复杂 ，成本高，制造安装要求高。 浮头式换热器是由管箱、筒体、管板、封头、折流板、换热管等零部件组成，根据换热管材料、尺寸、管数、管程压力、管壁温度、管程数以及壳

13、体材料、内径、厚度、壳程压力、温度等条件下确定管板的厚度、折流板的形状、尺寸与数量、折流板的布置情况和确定换热器的结构尺寸。根据已知的工作状况，选定换热器所在的化工工艺过程，从而根据工艺条件，以确定换热器内介质的物性参数；根据工艺结构尺寸结合已知条件，进一步计算换热器结构参数；最后进行换热器核算。 2. 换热器工艺设计 2.1 设计参数 滑油流量 50m3/h， 进口温度 45 ,出口温度 40 ,冷却水流量 54m3/h,进口温度 33，管程壳程操作压力为 0.435MPa。 2.2 设计方案 换热器按设计要求选择浮头式换热器。 如下图所示，循环冷却水容易结垢，而且，当流速慢的时候，结垢的速

14、度还会增长，从而导致换热器的流量下降。 综合考虑，水走管程，滑油走壳程，南华大学机械工程学院毕业设计（论文） 第 6 页 共 75 页 选择逆流。 图 2.1 并、逆流示意图 2.3 物性参数的确定 对于一般滑油和水，粘度低，定性温度 可以 取进出口温度的平均值，则滑油的定性温度为： T= 24045 =42.5 查取 滑油在 42.5下的物性 参数 有： 密度 1 876 kg/ 3m 定压比热容 1pc =1.955 kJ/(kg K) 热导率 1 =0.144 W/(m K) 粘度 =0.21 pa s 则热流量为： 1Q = 1pc qv 1 1t =1.955 50 876( 45-

15、40)=428145kJ/h 即 1Q = 3600428145 =119 kw 其中， qv 体积流量 3m /h 假设冷却水的出口温度为 35 南华大学机械工程学院毕业设计（论文） 第 7 页 共 75 页 则水的定性温度为： T= 23335 =34 查物性表可得水在 34下的物性参数为： 密度 2 994.3 kg/ 3m 定压比热容 2pc =4.174 kJ/(kg K) 热导率 2 =0.624 W/(m K) 粘度 2 =0.742 310 Pa s 由热流量得冷却水的温差： 2t = 1Q /（ 2pc qv 2 ） =428145/(4.174 54 994.3)=1.9

16、故假设比较合理 。 则总传热系数 K取经验值为： K=510 W/( K) 2.4 估算传热面积 按纯流体计算，由于 小大 tt / =(45-35)/(40-33)=1.42 所以 tm= 2 t ）（ 小大 t =(10+7)/2=8.5 K 可求换热面积为： PA = 1Q /(K mt )=119/(5108. 5)=27.5 2.5 确定工艺结构尺寸 2.5.1 传热管的选择 小 管径 的 结构紧凑，单位体积传热面积 大，成本 少 ，故 选 192 较高级冷拔 换 热管 (材质为碳钢 )，取管内流速为 u=1.3m/s。 2.5.2 传热管数与管程数 南华大学机械工程学院毕业设计（论

17、文） 第 8 页 共 75 页 单程传热管数 为 ： sn V/(4 2id u)=3.10 1 5.07 8 5.03 6 0 0 54 2 65.3 根 则传热管长度为： L PA / 0d sn 27.5/（ 3.140.01565 ） = 8.98 m 一般按四管程设计会使传热管长度适中，则取管长为： L=2.25 m 则传热管总根 数为： TN =654 260 根 2.5.3 平均传热温差的校正以及壳程数 换热器采用的是多壳程，则流体的流动形式不是纯粹的并流与逆 流 ，使得平均温差的计算变得复杂 。对于错流或复杂流动的流体的平均温差， 查设计手册知， 常用图算法，过程如下： R=

18、(1T -2T )/(2t -1t )=(45-40)/(35-33)=2.5 P= (2t -1t )/(1T - 1t )=(35-33)/(45-33)=0.167 其中 R 热流体的温降 /冷流体的温升 P 冷流体的升温 /两流体最初温差 1T 、 2T 热流体进、出口温度 1t 、 2t 冷流体 进、出口温度 南华大学机械工程学院毕业设计（论文） 第 9 页 共 75 页 按单壳程、四管程结构，查圆筒和管子几何参数计算图有： 图 2.2 单壳程管子参数图 图 2.3 四壳程管子参数图 则平均传热温差校正系数为： t 0.96 0.8，故单壳程合适 求得平均传热温差为： m t = t tm=0.968. 5=8.16 2.5.4 传热管的排列 以及分程 换热管 排列方式主要有正三角形、正方形和转角正三角形、转角正方形。南华大学机械工程学院毕业设计（论文） 第 10 页 共 75 页 正三角形排列可以 在同样的管板面积上 排更多的管子，但是管外不易清理，故采用组合排列法。即管程内按正三角形排列，隔板两侧用 正方形排列，如下图所示。 图 2.4 传热管排列方式 换热管中心距宜不小于 1.25 倍的换热器外径，根据常用的换热器中心距表有： 表 2.1 换热器中心距 换热器中心距为 ： S=25 mm 分程隔板槽两侧相邻管中心距为： Sn=38 mm 结构 如图所示：