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• 本文标题：190kW固定管板式换热器设计-1.doc
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• 内容摘要：190kW固定管板式换热器设计 学院， 专业， 姓名， 指导老师， 工业自动化学院 能源与动力工程 潘宝莹 学号， 职称， 160407103272 宋侃 高级工程师 中国珠海 二二0年五月  诚信承诺书 本人郑重承诺，本人承诺呈交的毕业设计190kW固定管板式换热器设计是在指导教师的指导下，独立开展研究取得的成果，文中引用他人的观点和材料，均在文后按顺序列出其参考文献，设计使用的数据真实可靠。 本人签名， 日期，年月日 190kW固定管板式换热器设计 摘要 在工程中，将至少有两种温度不同的流体参与换热，以一定的传热方式在流体间相互传递热量的设备称为热交换热器。换热器种类繁多，应用也极为普遍，尤其是管壳式换热器，是目前工业生产中应用最为广泛的换热器类型。 本研究对象是总负荷190kW固定管板式换热器。通过查阅各种相关文献及设计标准规范，对换热器的发展现状和趋势发展历史分类特点等方面进行了解，并对换热器设计过程进行研究，按照换热器设计步骤对换热器做工艺计算强度计算并进行校核，再通过得出的结构尺寸绘制CAD图纸。 关键词，换热器，固定管板式换热器，工艺计算，强度计算 Designof190kWfixedtubeplateheatexchanger Abstract Inengineeringwecalledtheheatexchangerthatthereareatleasttwokindsoffluidswithdifferenttemperaturesparticipatinginheatexchangeandtheequipmentthattrafeheatbetweenthefluidsinacertain。 Thispapermainlyfocusesonthedesignoffixedtubesheetheatexchangerwithatotalloadof190kw。Thisarticlewillusevariousrelatedliteraturesanddesignspecificatioasdesignstandardstoundetandthedevelopmentstatusandtrendsdevelopmenthistoryclassificationcharacteristicsofheatexchangeetc。andstudytheheatexchangerdesignprocessandexchangetheminaccordancewiththeheatexchangerdesignsteps。TheheaterperformsthermalcalculationstructuralcalculationandcheckandthendrawsCADdrawingsbasedontheobtainedstructuraldimeio。 Keywords:Heatexchangerfixedtubeplateheatexchangerthermalcalculationstructuralcalculation 目录 1前言 。。。1 1。1换热器设计的目的及意义 1 1。2换热器的发展 1 1。2。1换热器的发展历史 1 1。2。2换热器发展现状和趋势 2 1。2。3应解决的主要问题 2 1。3换热器分类 3 2换热器设计 。。。5 2。1设计原理 5 2。2设计参数 5 2。3设计方案 5 2。3。1换热器类型 5 2。3。2流体流动路径选择 5 2。4设计过程 6 2。4。1计算有效平均温差 6 2。4。2估算换热面积 6 2。4。3换热管选择 7 2。4。4计算定性温度 7 2。4。5流体物性参数 7 2。4。6计算流体质量流量 9 2。4。7计算管子数和壳体内径 9 2。4。8折流板 10 2。4。9管程传热系数 11 2。4。10壳程传热系数 12 2。4。11计算总传热系数校核传热面积 13 2。4。12计算管程压降 13 2。4。13计算壳程压降 14 2。4。14换热器型号 15 2。4。15受压元件强度计算 15 2。4。16其他结构计算 21 3设计总结 。。。。22 参考文献 。。。。23 致谢 。。。。24 附录 。。。。25 附录A工艺计算结果汇总 25 附录B设备强度计算书 27 附录C固定管板式换热器CAD图纸 57 附录D文献翻译 58 1前言 换热器是一种实现物料间热量交换，令流体温度达到工艺指标来满足工艺需求的工程设备，在工业中使用广泛，也是通用于许多工业部门的工艺设备。它是过程工业中的关键设备，具有保障工业系统正常运行，使工艺介质符合要求，节约和减少能源浪费的作用，在整个工业系统的能耗量较大，投资占比大。因此设计出合理的换热器，有利于工业技术发展和资源空间的节约。提高换热器传热效能并减少占用空间等技术在当今社会中非常具有经济效益和社会效益[1]。 换热器种类繁多，通常有许多不同的分类方式，其中最主要的是根据传热的方式分类，分为间壁式混合式蓄热式。本文研究对象是管壳式，列管式，换热器，属于间壁式类型，它结构较为简单能适应高温高压下的设计工况选材种类多制造成本低等优点。 1。1换热器设计的目的及意义 本次设计将通过查阅文献和相关规范设计出热负荷为190kW的合理的固定管板式换热器。换热器发展迅速，而由于能源日渐短缺，目前换热器的研究正在向大型化高效化和节能化的方向发展，譬如各种板式换热器的发展，但是由于管壳式换热器具有非常有益于工艺过程的优点，例如适应高温高压的工作环境等，因此它目前仍然占据着工业生产的主导地位，然而比起板式换热器，它的换热效率持续低下结构紧凑性不足并且金属消耗大等缺点，所以我们有必要研究如何发挥它的优点同时又克服缺点。而随着工业的发展，基于保护环境和节能的重点要求，增加换热器的优化手段和合理设计改善显得尤为重要。 1。2换热器的发展 1。2。1换热器的发展历史 换热器是过程工业中应用范围很广泛的通用工艺设备。近年来随着工业发展它的类型不断增多，早期因为工艺制造手段和技术水平不高，所以当时的换热器具有简单结构传热效率低占用空间大笨重的缺点。随后制造工艺的不断发展，出现了管壳式换热器，它比之前的换热器，在节省空间的同时还能具有较高的效率，所以它一直是工业生产中一种非常典型的换热器类型。 在1920~1940年间陆续出现结构更加紧凑传热效果更佳的板式换热器，螺旋板式换热器和板壳式换热器，瑞典制造，，还有铜及其合金制成的板翅式热交换器，由英国制造，出现在螺旋板式之后板壳式之前，。在1960~1970年间，因为空间技术和尖端科学更进一步的发展，工业生产对于各种传热效率高结构紧凑的热交换器需求非常迫切，又因为各种工艺制造技术的发展使得换热器的制造手段得到更加发展和完善，两者为高效紧凑式换热器的发展提供的非常大的推动作用，此后，管壳式换热器应对工业生产对高温高压条件下的换热需求和节约减耗的要求，得到了进一步发展。到了1970年中，为了提高传热性能减少能耗，出现了以热管为主要传热载体的一种换热器类型，称为热管换热器。80年代后，许多强化元件被投入到市场，而高效型换热器同时也因此开始大量出现。到了本世纪，强化传热技术得到重视并开始投入研究，因此逐渐发展了起来，并广泛应用于工业中，世界换热器总体技术水平火速升高，板式换热器也火速发展起来。但是目前而言，管壳式换热器还是占据主导地位。 1。2。2换热器发展现状和趋势 换热器被广泛应用于工业生产中，与各种工业产业之间形成产业链。2008年，世界换热器产业市场总规模约500亿美金，其中欧美市场就占了约40%，中国俄罗斯巴西印度四个国家总占比30%，其中中国换热器市场规模占比达11% 2010年我国换热器产业市场规模已经达到亿元，主要涉及领域为石油化工冶金空调电力机械食品等。其中石油化工毫无疑问是市场份额最大的，可达30%之多。仅随其后的是对专业换热器需求量较大的领域如石油化工的航天器件半导体器件风力发电机组太阳能光伏发电多晶硅生产等，市场规模达26%。其他行业如电力冶金占比有16%，机械工业和船舶行业基本在8%左右，集中供暖和食品行业占比都在6%上下波动。 2011~2019年间，中国石油化工电力环境保护船舶机械食品制药等行业蓬勃发展，扩大了热交换器的市场，因此换热器的市场规模不断加大，每年可持近10%的增长率，预计今年我国换热器市场规模可突破12001300亿元。 当前世界换热器产业正在不断往大型化高效化节能化发展，这正是大势所趋的发展方向[2]。近年来，换热器市场保持稳定增长，这有赖于多个发展中国家对换热器的需求。发达国家正在继续为板式换热器的发展投入更多的资源并且加强研发力量，与此同时管壳式换热器的生产重心则不断向着意大利日本韩国印度中国等国家及地区转移。另外金砖四国及东南亚国家和地区迅速发展必然依赖着对换热器的需求，因此这部分国家和地区将成为换热器市场的焦点及换热器生产商的竞争重点。 1。2。3应解决的主要问题 管壳式换热器是目前应用最为广泛热交换器类型，对于不同的传热条件，经常因为结构类型有限，介质物理性质变化多端，并且缺少针对性的优化设计手段，使得它处于传热效率较低的操作环境中[3]。但是随着化工工业的快速发展及节能技术的推广，许多新式加工技术被开发出来，提高了传热效能，减少能源浪费，但是这些加工技术使得整个换热系统更加大型且复杂，换热面积急剧增加，而为了解决这类问题，强化换热技术成为目前换热器技术重点发展方向，由此合理设计并优化换热器变得尤为重要。 本次任务应解决的主要问题是对给定条件的换热器进行热计算，结构计算，阻力计算及强度计算，最后绘制相关CAD图纸。 1。3换热器分类 换热器种类和形式有很多，分类方式也有许多种，其中最主要的分类方式是以传热原理分类，可分为为混合式蓄热式间壁式。因为所设计的换热器是管壳式换热器的类型之一，以下主要针对管壳式的类型做简单的介绍，它是最早开始标准化和规范化的通用换热设备，按其结构主要分为四类。 固定管板式换热器 如图1。1所示。它是一种最为典型的管壳式换热器，同时也是目前应用最多的结构形式。它的管板延长作法兰固定连接在壳体上连接形成整体结构，其管束两端又与管板连接，相当于壳体管板和管束是一个整体，而两端管箱则通过法兰与管板用紧固件连接起来，因此称为固定管板式换热器。他是三种换热器中结构最简单的紧凑性也是最好的，而且重量较轻，相同壳程下管子数较多，同直径下传热面积较大，因此被广泛应用。但是由于壳程不可拆卸而无法进行清洗，所以最好考虑安排不易结垢或清洁介质流过。它在使用过程中会产生或大或小的热膨胀，导致换热管与管板连接处脱离开来，而产生间隙使发生流体泄漏出来，因此为了避免意外发生，设计者在设计时需要通过计算考虑是否需要增加膨胀节，以最大程度地减少热应力，但这很大程度上增加了成本，而且换热管无法相对移动。因此它比较适用于壁温差较小，或是温差大时壳程压力不高的场合，还可用于壳程介质干净和壳体介质易结垢但可化学清洗的场合。 图1。1固定管板式换热器 U形管式换热器 如图1。2所示。该类型换热器最明显的结构是管束呈U字形的弯管，仅一端有管板，且换热管两端都固定这端的管板上，弯曲段结构非常简单，零部件不多且没有被固定，因此管束可不受温差产生的热应力影响而自由伸缩，因此它的热补偿性能较好[4]。它制造成本低结构不会很复杂，由于管束可拆卸，壳程可清洗，但无法有效清洁管内，因为U形弯管需要柔性端钻轴进行清洁，所以不应用于管内有不清洁流体的场合。又因为弯曲管的半径要求比较苛刻，物料排布不如固定管板式均匀，管板有效利用率被削减，另外，更换换热管并不简单，大部分靠近中心的管子不能换。最小弯管直径通常是管外径的三倍，因此其中央通道隔板通道比直管换热器大很多易造成短路，所以通常安装挡管或中间挡板才能有效减少流动死区，增加传热效率。U形管换热器可以应用于高温高压的场合，但在压力较高的情况下，要通过增加弯管壁厚减少管子损耗。由于以上缺点，它的应用受到非常大的限制，应用场合很少。 图1。2U形管式换热器 浮头式换热器 如图1。3所示。它是四种换热器中最通用成本最高的换热器，它仅有一端管板与壳体通过法兰固定，另一端可以自由地漂浮在壳内，此端为浮头端[5]，但这一端的管箱筒体直径必须大于同端管板。它是允许管束自由膨胀的，因此不会产生热应力。管束可拆卸清洗，适用于管壳壁温差较大，或管内外都是不清洁流体，还能适合介质有腐蚀性的场合，但因为其结构不简单且重量不轻，造价比起固定管板式高些，是因为零部件更多，，耗材量大，管壳间隙较大，它的应用受限。 图1。3BES型换热器 填料函式换热器 如图1。4所示。结构与浮头式差别不大，也是仅有一块管板与壳体相连，另一块则连接一个能自由伸缩的浮头而不与壳体相连，但不同的是，填料函式的浮头是露在壳体外的，因此管壳间不会产生热应力。它的结构较浮头式更为简单，造价也低，管束可抽出，管程壳程都容易清洗，检修方便。它不受热应力限制，也容易清洗，但是因为填料处密封性欠佳而容易发生泄漏事故。所以壳程压力不能太高，且不适于易燃易爆易挥发贵重介质和有毒介质的场合[6]。 图1。4填料函式换热器 2换热器设计 2。1设计原理 在设计换热器时，只是根据经验粗略估值计算或者盲目地增大换热面积及其裕度就会造成能源浪费，因此只有经过具体的计算，才能使投入使用的换热器，在安全和经济方面的得到可靠的保证[7]。设计换热器需要考虑各种因素，而各种因素间又相互影响，设计的过程较为复杂，因此设计过程需要根据设计条件和要求发生改变。 换热器设计包括热计算，结构计算，阻力计算，强度计算，其中热计算是设计基础，也是最关键的设计步骤，一般分成两种计算形式，包括设计性热计算和校核性热计算。其中设计性热计算是以计算的换热面积作为最终结果，而相同的换热面积可以有各种各样的结构尺寸，因此通常需要交叉进行，而校核计算则是与之相反，它的目的在于确定现成换热器介质的出口温度，判断该换热器能否完成非设计工况下的换热任务。本文以设计性热计算为原理进行设计。 2。2设计参数 表2。1设计任务参数表 固定管板式换热器，BEM， 流体介质 进口温度 ℃ 出口温度 ℃ 操作压力pw MPa 允许压力kPa 总负荷 kW 热流体 空气 100 45 1。5 35 190 冷流体 循环水 32 40 0。5 34 2。3设计方案 2。3。1换热器类型 该换热器总负荷为190kW。依据设计条件可确定管程数和壳程数，两流体终温没有出现相交的情况，则可以选定换热器壳程为单壳程，管程为2。考虑维护和清理问题，选择卧式换热器。 2。3。2流体流动路径选择 从流体换热系数，清洁程度及流量三方面进行考虑，循环水换热系数约为空气的40倍，同时结垢程度较高，流量大，因此，循环水宜走管程，空气走壳程。 2。4设计过程 2。4。1计算有效平均温差 2。4。1。1计算对数平均温差 令，则对数平均温差为 ，式2。1， 2。4。1。2计算平均温差校正系数 令R=，T1T2，，t2t1，=7，P=，t2t1，，T1t1，=0。1， 图2。1对数平均温差校正系数[3] 通过查图2。1得平均温差校正系数FT=0。9720。8，换热器合理，则有效平均温差为 T=TmFT==0。972×31=30℃，式2。2， 式中T有效平均温差，℃ 2。4。2估算换热面积 参考换热器设计手册附录2总传热系数推荐值，气水换热器的传热系数范围为16~279W(m2℃，，则初选传热系数K为160W(m2℃，，换热面积为 ，式2。3， 2。4。3换热管选择 2。4。3。1管径和管材的选择 管径的选择影响传热性能和压力降，小管径换热器结构紧凑，成本较低，传热性能较好，但是同时会使得压力降较大而不满足设计要求，所以应按照设计要求选择合适的换热管径。常用的换热管径有两种，分别为和。考虑管内流体易结垢问题，决定采用规格的光管。 换热管材料的选择通常从流体腐蚀性温度压力流速成本等方面考虑。本设计选用常用的无缝碳素钢管。 2。4。3。2管子排列和管心距 管子排列方式有三种，分别为三角形三角形排列同心圆排列正方形排列。等边三角形方式排列在六边形层数大于6时，对于简单紧凑等要求要比其他两种更合理，因此选用等边三角排列。 一般认为管心距s≥1。25do为宜，常用管心距查GBT28712。22012表1可得，规格的换热管管心距PT为32mm，隔板相邻两边管管心距44mm。 2。4。3。3管长选择 标准的换热管长度有1。0m，1。5m，2。0m，2。5m，3m，4。5m，6m，7。5m，9m，12m[8]。管子长度对于传热系数和压力降都有影响。在没有相变过程的传热，传热系数与管长成正比，传热面积一定时，管程数和压力降成反比，而过长的管子制造起来有一定的困难，由此管长一般为3m6m9m，根据设计参数，初步选择3m管长的换热管。 2。4。4计算定性温度 定性温度按GBT1512014附录B计算。 壳程空气定性温度，，式2。4， 管程循环水定性温度，，式2。5， 2。4。5流体物性参数 流体物性参数由其定性温度决定。循环水的物性参数通过chemicalogicsteamtabcompanion软件查得，如图2。2所示，将主要参数列出并化单位如表2。2所示。 图2。2查询软件所得循环水物性参数 表2。2循环水物性参数 ...
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