1、 循环水冷却器设计 摘要 ： 传热过程是化工生产过程中存在的及其普遍的过程，实现这一过程的换热设备种类繁多，是不可缺少的工艺设备之一。由于使用条件不同，换热设备可以有各种各样的型式和结构。其中以管壳式换热器应用更为广泛。现在，它被当 作一种传统的标准换热设备在很多工业部门中大量使用，尤其在化工、石油、能源设备等部门所使用的换热设备中仍处于主导地位。 循环水冷却器是换热设备中的一种，是企业生产中的重要设备。它的作用是通过温度相对较低的水来把其他设备所产生的热量带走，从而使设备部分的温度保持在一个生产 所需要的水平，使设备正常工作。因此，循环水冷却器的设计对企业的生产是很重要的，它很可能影响企业的
2、经济损失，对其的设计具有很强的实际意义。 本设计是对管壳式换热器中固定管板式换热器的研究。固定管板式换热器属于管壳式换热器的一种，是利用间壁使高温流体和低温流体进行对流传热从而实现物料间的热量传递。在本设计中以 GB 150-2011压力容器、 GB 151-1999管壳式换热器等标准和固定式压力容器安全技术监察规程为依据，并参考换热器设计手册，首先通过方案的论证，确定物料的物性参数，再结合工作条件，选定换热器的形式。根据设计任务，完成对换热面积、总换热系数等工艺参数的确定，同时进行换热面积、壁温和压力降的核算。再根据工艺参数进行机械设计，机械设计主要包括对筒体、管箱、管板、折流板、封头、换热
3、管、鞍座及其它零部件，如拉杆、定距管等的计算和选型等，并进行必要的强度核算，最后运用AutoCAD 绘制固定管板式换热器的装配图及零部件图，并编写说明书。 关键词 ： 换热器、换热面积、管板、换热管。 Circulating water cooler design Abstract: The heat transfer process is the chemical production process of existence and its general process, heat equipment for this process is various, is one of the
4、indispensable process equipment. Due to the use of different conditions, heat exchange equipment can have various types and structure. The tubular heat exchanger applied more widely. Now, it is regarded as a kind of traditional standard heat exchange equipment widely used in many industrial departme
5、nts, especially used in chemical, petroleum, energy equipment department.Heat transfer equipment is still in a dominant position. Circulating water cooler is a change of thermal equipment, is the important equipment in the production. It is the role of the relatively low temperature water to take aw
6、ay the heat generated by the other device, so as to make part of the temperature is maintained at the required a production level, so that the normal operation of the equipment. Therefore, the production design of circulating water cooler of enterprise is very important, it is likely to affect the e
7、conomic losses of enterprises, which is of great practical significance to the design. This design is for the study of fixed tube plate heat exchanger on the tube shell type. A fixed tube plate heat exchanger, belonging to the shell and tube heat exchanger, is the use of the high temperature fluid a
8、nd wall temperature fluid of convective heat transfer and heat transfer between the material. In this design, the GB 150-2011 “,“ GB 151-1999 “pressure vessel shell and tube type heat exchanger“ standards and “fixed pressure vessel safety technology supervision regulation“ as the basis, and with ref
9、erence to “Design Handbook“ heat exchanger, the scheme is demonstrated, to determine the physical material parameters, combined with the working conditions, select the type of heat exchanger. According to the design task, determine the process parameters on the heat transfer area, the total heat tra
10、nsfer coefficient, and heat transfer area, wall temperature and pressure drop ca lculation. Then the mechanical design based on process parameters, mechanical design including the tube, tube box, tube plate, baffle, head, tube heat exchanger, saddle and other parts, such as the bar, fixed pitch pipe
11、 calculation and selection, and calculated the strength necessary, finally using AutoCAD drawing fixed tube plate heat exchanger the assembly diagram and parts diagram, and writing a specification. keyword:heat exchanger,the heat transfer area,tube sheet,heat exchange tube. 目 录 1 概述 .1 1.1 选题的根据和意义
12、.1 1.2 本设计的目的和要求 .2 1.3 国内外现状和发展趋势 .2 2 管壳式换热器的分类和选型 .3 2.1 分类 .3 2.2 选型 .6 3 换热器的工艺设计 .7 3.1 工艺计算 .7 3.1.1 流径选择 .7 3.1.2 确定物性参数 .7 3.1.3 热负荷及冷却水用量计算 .8 3.1.4 传热平均温度差的计算 .8 3.1.5 计算传热面积 .9 3.1.6 计算工艺结构尺寸 .9 3.2 换热器核算 .15 3.2.1 传热能力核算 .15 3.2.2 壁温核算 .18 3.2.3 换热器内流体的流动阻力 .19 3.3 换热器主要结构尺寸和计算结果 .22 4
13、换热器的机械设计 .23 4.1 计算筒体厚度 .23 4.1.1 筒体材料的选择 .23 4.1.2 筒体厚度 .23 4.2 计算管箱短节、封头厚度 .24 4.2.1 管箱的结构形式 .25 4.2.2 管箱结构尺寸 .25 4.2.3 管箱短节及封头厚度 .26 4.3 开孔补强的校核 .29 4.3.1 管箱短节开孔补强的校核 .29 4.3.2 筒体节开孔补强的校核 .31 4.3.3 排气口、排液口开孔补强的校核 .33 4.4 管板设计 .33 4.4.1 换热管与管板的连接 .34 4.4.2 管板与壳体的连接 .35 4.4.3 管板与管箱的连接 .37 4.4.4 管板材
14、料 .37 4.4.5 管板计算的相关参数的确定 .38 4.4.6 计算法兰力矩 .40 4.4.7 管板计算的另一些相关参数的确定 .45 4.4.8 校核设计条件不同的组合工况 .47 4.5 换热管 .59 4.5.1 换热管的型式 .59 4.5.2 换热管的材料与质量等级 .60 4.5.3 管孔 .60 4.6 折流板 .60 4.6.1 材料的选取 .60 4.6.2 折流板的间隙 .60 4.6.3 折流板的厚度 .61 4.7 拉杆、定距管 .61 4.7.1 拉杆的结构形式 .61 4.7.2 拉杆直径、数量和尺寸 .61 4.7.3 拉杆与管板的连接结构 .62 4.8
15、 防冲板和导流筒 .63 4.9 支座 .63 4.9.1 鞍式支座的结构特征 .63 4.9.2 支座反力的计算 .64 4.9.3 鞍座的型号及尺寸 .65 4.9.4 鞍座的布置 .65 4.10 接管 .66 4.10.1 接管的要求 .66 4.10.2 接管高度（伸出的高度）的确定 .66 4.10.3 接管位置最小尺寸 .67 4.10.4 接管尺寸 .68 4.10.5 管法兰的选择 .68 4.11 膨胀节 .70 4.11.1 膨胀节的作用 .71 4.11.2 设置膨胀节的条件 .71 5 换热器的制造与检验要求 .71 5.1 圆筒 .72 5.2 管箱 .73 5.3
16、 换热管 .73 5.4 管板 .73 5.5 换热管与管板的连接 .73 5.6 折流板 .74 6 总结 .74 7 主要参考文献 .75 致谢语 .76 1 循环水冷却器设计 1 概述 使热量从热流体传递到冷流体的设备称为换热器。它是化工、炼油、动力、食品、轻工、原子能、制药、机械及其他许多工业部门广泛使用的一种通用设备。在化工厂中，换热设备的投资约占总投资的 %20%10 ；在炼油厂中，约占总投资的 %40%35 。 在工业生产中，换热设备的主要作用是由温度较高的流体传递给温度较低的流体，使流体温度达到工艺过程规定的指标，以满足工艺过程 上的需要。此外，换热设备也是回收余热、废热特别是
17、低位热能的有效装置。例如，烟道气（约C300200 ）、高炉炉气（约 C1500 ）、需要冷却的化学反应工艺气（ C1000300 ）等的余热，通过余热锅炉可生产压力蒸汽，作为供热、供气、发电和动力的辅助资源，从而提高热能的总利用率，降低燃料消耗和电耗，提高工业 生产经济效益 9。 1.1 选题的依据和意义 换热器是一种实现物料之间热量传递的节能设备，是在石油、化工、石油化工、冶金、电力、轻工、食品等行业普遍应用的一种工艺设备。在日常生活中随处可见，因此换热器的研究备受世界各国政府及研究机构的高度重视，在全世界第一次能源危机爆发以来，各国都在下大力量寻找新的能源及在节约能源上研究新的途径。随着
18、现代新工艺、新技术、新材料的不断开发和能源问题的日趋严重，世界各国已普遍把石油化工深度加工和能源综合利用摆到十分重要的位置。换热器因而面临着新的挑战。换热器的性能对产品质量、 能量利用率以及系统运行的经济性和可靠性起着重要的作用，有时甚至是决定性的作用。在继续提高设备热效率的同时，促进换热设备的结构紧凑性，产品系列化、标准化和专业化，并朝大型化的方向发展是非常重要的。 循环水冷却器作为换热设备中的一种，是企业生产中非常重要的设备。它的作用是通过温度相对较低的水来把其他设备所产生的热量带走，从而使设备部分的温度保持在一个生产所需要的水平，使设备正常工作。因此，循环水冷却器的设计对企业的生产是很重
19、要的。特别是在水资源缺乏的今天，循环水冷却器可以节约大量宝贵的水资源，同时，也可 以影响企业的经济损失。所以对循环水冷却2 器的设计具有很强的实际意义。 本设计是有关管壳式换热器类型中的一种，管壳式换热器具有可靠性高、适用性广等优点，在各工业领域中得到最为广泛应用。近年来，尽管受到了其他新型换热器的挑战，但反过来也促进了其自身的发展。在换热器向高参数、大型化发展的今天，管壳式换热器仍占主导地位，其可靠性和可能性已被充分证明，也更显示其独有的长处。 1.2 本设计的目的和要求 在化工、石油、动力、制冷、食品等行业中广泛使用各种换热器，且它们是上述这些行业的通用设备，并占有十分重要的地位。 通过这
20、次设计，帮助我们复习和巩固了以往学习过的知识，提高了综合运用专业知识分析和解决实际问题的能力，并对换热器有了一个深入的了解。这次设计主要有工艺计算、结构设计和强度设计，以及最后完成装配图和零部件图，通过这些部分，对换热器的设计和结构有了充分的了解，可以整体把握对化工设备的设计，提高画图能力。 在这次的设计中，要求有：（ 1）合理地实现所规定的工艺条件，应根据热力学参数和物理化学性质进行相关计算，经过反复比较，使所设计的换热器具有尽可能小的传热面积，在单位时间内传递尽可能多的热量；（ 2）安全可靠， 在进行强度、刚度、温差应力以及疲劳寿命计算时，应遵照我国 GB 151-1999管壳式换热器等有
21、关规定与标准；（ 3）有利于安装、操作与维修，设备与部件应便于运输与拆装，在厂房移动时不会受到楼梯、梁、柱的妨碍，根据需要可添置气、液排放口，检查孔与敷设保温层；（ 4）经济合理，以整个系统中各种设备为对象进行经济核算或设备的优化。 1.3 国内外现状和发展趋势 换热器是一个量大而品种繁多的产品，由于国防工业技术的不断发展，换热器操作条件日趋苛刻，迫切需要新的耐磨损、耐腐蚀、高强度材料。近年来国内在节能增效等方面改 进换热器性能，提高传热效率，减少传热面积降低压降，提高装置热强度等方面的研究取得了显著成绩。换热器的大量使用有效的提高了能源的利用率，使企业成本降低，效益提高。钢铁行业和化工行业的
22、发展都将为换热器行业提供更加广阔的发展空间。未来，国内市场需求将呈现以下特点：对产品质量水平提出了更高的要求，如环保、节能型产品将是今后发展的重点；要求3 产品性价比提高；对产品的个性化、多样化的需求趋势强烈；逐渐注意品牌产品的选用；大工程项目青睐大企业或企业集团产品。 随着动力、石油化工工业的发展，其设备也继续向着高温、高压、大型化 方向发展。而换热器在结构方面也有不少新的发展。螺旋折流板换热器是最新发展起来的一种管壳式换热器是由美国 ABB 公司提出的。其基本原理为 :将圆截面的特制板安装在“拟螺旋折流系统”中每块折流板占换热器壳程中横剖面的四分之一其倾角朝向换热器的轴线即与换热器轴线保持
23、一定倾斜度。相邻折流板的周边相接与外圆处成连续螺旋状。每个折流板与壳程流体的流动方向成一定的角度使壳程流体做螺旋运动能减少管板与壳体之间易结垢的死角从而提高了换热效率。在气一水换热的情况下传递相同热量时该换热器可减少 %40%30 的传热面积节省材料 %30%20 。相对于弓形折流板螺旋折流板消除了弓形折流板的返混现象、卡门涡街从而提高有效传热温差防止流动诱导振动 ;在相同流速时壳程流动压降小 ;基本不存在震动与传热死区不易结垢。对于低雷诺数下 ）（ 1000eR 的传热螺旋折流板效果更为突出。 2 管壳式换热器的分类及选型 2.1 分类 根据管壳式换热器的结 构特点，可分为固定管板式、浮头式
24、、 U 形管式、填料函式和釜式重沸器五类。 （ 1）固定管板式换热器 固定管板式换热器的典型结构如图 2-1所示，管束连接在管板上，管板与壳体焊接。其优点是结构简单、紧凑、能承受较高的压力，造价低，管程清洗方便，管子损坏时易于堵管或更换；缺点是当管束与壳体的壁温或材料的线膨胀系数相差较大时，壳体和管束中将产生较大的热应力。这种换热器适用于壳侧介质清洁且不易结垢并能进行清洗，管、壳程两侧温差不大或温差较大但壳侧压力不高的场合。为减少热应力，通常在固定管板式换热器中设置柔性元件（如膨胀节 、挠性管板等），来吸收热膨胀差。 4 图 2-1 固定管板式换热器 （ 2）浮头式换热器 浮头式换热器的典型结
25、构如图 2-2所示，两管板中只有一端与壳体固定，另一端可相对壳体自由移动，称为浮头。浮头有浮动管板、钩圈和浮头端盖组成，是可拆连接，管束可从壳体内抽出。管束与壳体的热变形互不约束，因而不会产生热应力。 浮头式换热器的特点是管间和管内清洗方便，不会产生热应力；但其结构复杂，造价比固定管板式换热器高，设备笨重，材料消耗量大，且浮头端小盖在操作中无法检查，制造时对密封要求较高。适用于壳体和管束之间壁温差较大或壳程 介质易结垢的场合。 图 2-2 浮头式换热器 （ 3） U 形管式换热器 U形管式换热器的典型结构如图 2-3所示，这种换热器的结构特点是，只有一块管板，管束由多根 U形管组成，管的两端固定在同一块管板上，管子可以自由伸缩。当壳体与 U形换热管有温差时，不会产生热应力。 由于受弯管曲率半径的限制，其换热管排布较少，管束最内层管间距较大，管板的利用率较低，壳程流体易形成短路，对传热不利。当管子泄漏损坏时，只有管束外围处的 U 形管才便于更换，内层换热管坏了不能更换，只能堵死，而坏
