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  • BR0.55型板式换热器

BR0.55型板式换热器

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  • 时间2024-03-31 05:14:57
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  • 经理于经理

  摘要 本设计是双管程固定管板式换热器,也是目前应用较为广泛的一种换热器主要完成的是水蒸气-水之间的热量交换固定。这类换热器具有结构相对比较简单、紧凑、可靠性高、适应性广的特点,并且生产所带来的成本低、选用的材料范围广、换热表面的清洗较为方便。固定管板式换热器能承受较高的操作压力和温度,因此在高温度高压力和大型换热器中,其占有非常大的优势。 本次设计的题目是固定管板式换热装置的设计,课题预期达到的目标为: 换热器面积的计算(实际换热面积:160m2),管程壳程压力降的计算(小于等于0.9MPa),工艺结构尺寸的计算:管程数(2管程),换热管的确定(内径:19mm 数量:450根),壳体内径(600mm),壳程数(1壳程)的计算,折流板的选型(形式:弓形折流板,数量:13)等。 换热器的强度计算:对筒体、管箱厚度的计算和校核,对壳体及管箱各处开孔补强,对延长部分兼做法兰的计算及强度核算。经水压试验、压力校核后显示结果全部合格。 换热器的结构设计:折流板、法兰(甲型平焊法兰)、换热管、支座(鞍式支座)、垫片(石棉橡胶板垫片)的规格及选型。 完善设计图纸及设计说明书。 关键词: 换热器; 工艺; 结构; 强度 Abstract Fixed tube plate heat exchanger is a typical structure of the shell and tube heat exchanger and a wide range of heat exchanger. This type of heat exchanger has the characteristics of a simple structure, compact, high reliability and wide adaptability , and low cost of the production, wide choice of used materials, more convenient of cleaning heat exchanger the surface . Fixed tube plate heat exchanger can withstands the higher operating pressure and temperature, so it has the absolute advantage in the possession of high temperature and high pressure heat exchangers and large. This design topic is naphtha condenser design, the goal which the topic anticipated achieved. In this design the craft design of heat exchanger, the heat transfer area computation(actual heat transfer area:160㎡); the tube side pressure drop computation(≤0.4MPa); the craft structure size computation: number of tube passes(2 tube passes). The number of heat exchange tube(inside diameter: 19mm, number: 900), the inside diameter of shell(1000mm), number of shell passes(1 shell passes), the lectotype of baffle board(form: segmental baffle, number: 13) etc. The strength calculation of heat exchanger: the computation and check of cylinder thinckness and channel thinckness, the shell and the reinforcement for opening supplements the intensity, the extension part concurrently makes the flange the computation and the intensity calculation. Examinatation part carried on the hydraulic pressure test, the pressure examination and so on, in which all results has been all qualified. The structural design of the heat exchanger the specification and lectotype of baffle plate, flange(type a manhole weded flange), heat exchange tube、suppot(saddle support)、gasket(paronite gasket)Consummates the design paper and the design instruction booklet. Key words:eat exchanger; Craft; Structure; Intensity; 目 录 第一章引言 1 1.1 换热器的用途 1 1.2 换热器的分类 1 1.3 换热器的发展的新趋势 1 第二章固定管板式换热器的工艺计算 3 2.1传热量与冷水流量 3 2.1.1 选择换热器的类型 3 2.1.2 流程安排 3 2.1.3 确定物性数据 3 2.1.4 估算传热面积 4 2.2 工艺结构尺寸 4 2.2.1 管径和管内流速 4 2.2.2 管程数和传热管数 4 2.2.4 传热管排列和分程方法 5 2.2.5 壳体内径 6 2.2.6 折流板 6 2.2.7 其他附件 7 2.2.8 接管 7 2.3 换热器核算 7 2.3.1 热流量核算 7 2.3.2 壁温核算 10 2.3.3 换热器内流体的流动阻力 10 2.4 换热器的主要结构尺寸和计算结果 12 第三章强度计算 13 3.1 筒体壁厚计算 13 3.2 管箱短节、封头厚度的计算 14 3.2.1 管箱短节厚度的计算 14 3.2.2 封头厚度的计算 14 3.3 管箱短节开孔补强的校核 15 3.4 壳体接管开孔补强校核 16 3.5 管板设计及校核 17 3.5.1 管板计算的有关参数的确定 17 3.5.2 计算法兰力矩 19 3.5.3 管板的计算的相关参数 19 3.5.4 确定和 21 3.5.5 对于其延长部分兼作法兰的管板计算 21 3.5.6 设计条件不同的组合工况 21 第四章结构设计 26 4.1 折流挡板 26 4.2 法兰 26 4.3 换热管 26 4.4 支座 27 4.5 能承受压力的容器选材原则 27 4.6 垫片 28 结论 29 参考文献 30 致谢 31 第一章引言 1.1 换热器的用途 换热器的作用是将热的流体的所具有的部分热量传递给冷的流体的转换设备。换热器在生产中和生活中应用广泛,例如楼体取暖的暖气散热片、汽轮机装置中的冷凝器等,都属于换热器。[1]。换热器在节能技术改革中具有的作用表现在两个方面:一是在生产的基本工艺流程中使用着大量的换热器的效率显然能够大大减少能源的消耗;另一方面,用换热器来回收工业余热,可以明显提高设备的热效率[2]。 1.2 换热器的分类 换热器的分类方法有很多种。按其用途:可将换热器分为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器、再沸器[3~4]。 按其传热方式和作用原理:可分为混合式换热器、蓄热式换热器、间壁式换热器等。在这其中,间壁式换热器在工业生产里的应用相对广泛。根据其换热面的形状可大致分为板面式、管式、扩展表面等形式。在这其中管式换热器的应用比较广泛,管式管热气是通过换热的管壁传到热量的。管式换热器具有结构相对比较简单、制造简单、材料广泛等优点,应用较广泛[5]。 管壳式换热器的形式:管壳式换热器根据其结构的不同,可大致分为固定管板式换热器、浮头式换热器、U形管式换热器、填料函式换热器、釜式重沸器等[6~8]。 1.3 换热器的发展的新趋势 上个世纪20年代诞生板式换热器,它主要使用在在饮食业中。板式换热器具有结构紧密相连、导热效果佳等优点因此衍生成为很多种形式,知道上个世纪30年代,瑞典人提出螺旋板换热器[9~12]。到1930左右,瑞典人既上一次又制造出一台板壳式换热器,主要使用在与纸浆生产[13]。60年代左右,由于空间技术和尖端科学的迅速发展,迫切地需要各种高效能紧凑型的换热器,再加上冲压、钎焊和密封等技术的发展,换热器制造工艺得到加强完善,从而推动了紧凑型板面式换热器的蓬勃发展和大范围的应用 [14]。 加强生产制造成本的标准系列化,促进设备结构的紧凑型,提高设备的传热效率是单签换热器发展的趋势。并在广泛的范围内继续向大型化发展,并CDF(Comptational Fluid Dynamics)模型化技术、强化传热技术及新型换热器开发等形成一个高技术体系[15~16]。 板翅式换热器(冷箱)应用在乙烯裂解,天然气液化还有空气分离等。我国杭州制氧机集团有限公司(杭氧)在引进美国S-W公司技术和关键加工设施——大型真空钎焊炉基础上,生产制造出的乙烯冷箱,设计水平和制造能力已基本达到国际领先水平,并在燕山,扬子,上海,天津,广州及齐鲁等乙烯改造项目中得到应用。板翅式换热器流道多达15股,单体外观尺寸达6m×1.1×1.154m,最高设计压力达5.12Mpa。 管壳式换热器具有结构坚固、弹性大和应用限制范围广等独特优点,一直被大范围的应用。尤其在高温度高压力和大型化的场合下,以及制造工艺上的进一步自动化和机械化,管壳式换热器今后将在广泛的领域内得到继续发展[17]。 第二章固定管板式换热器的工艺计算 2.1 估算换热面积 2.1.1 选择换热器的类型 两流体温度变动情况:热流体进口温度170℃,出口温度140℃;冷流体进口温度70℃,出口的温度为90℃,所以初步确定为固定式管板式换热器。 2.1.2 流程安排 从两物流的操作压力来看,应使温度低的走管程,温度高的走壳程。 2.1.3 确定物性数据 定性温度:对于一般气体和水等低粘度流体,其定性温度可取流体进出口温度的平均值。故壳程流体的定性温度为: 管程流体的定性温度为: 根据定性温度,分别查取壳程和管程流体的有关物性数据。在155℃下的有关物性数据如下: 密度 =1.38kg/ 定压比热容 =1.038kJ/kg·℃ 热导率 =0.0545W/m·℃ 粘度 =2.3×Pa·s N2在80℃下的物性数据: 密度 =1.14kg/ 定压比热容 =1.038kJ/kg·℃ 热导率 =0.051W/m·℃ 粘度 =2.1×Pa·s 2.1.4 传热量与冷水流量 (2-1) 2.平均传热温差: (2-2) 2.2 工艺结构尺寸 2.2.1 管径和管内流速 换热管的规格就是管长还有管径,换热管的管径越大,换热器的单位体积换热面积反之就小。对于干净的流体管径取值可以小一些,但是一些不是很洁净的流体管径,取值就应该大一些,避免发生堵塞现象。 在本次设计中选用Φ25×2较高级冷拔传热管(碳钢),取管内流速=10.8m/s 2.2.2 管程数和传热管数 根据传热管内径和流速确定传热管数: (2-4) 传热管总根数 平均温差校正系数: 按单壳程,两管程结构,查得: 平均传热温差: (℃) (2-7) 由于平均温差校正系数大于0.8,同时壳程流体流量较大,故取单壳程合适。 2.2.4 传热管排列和分程方法 管道的排列方式通常可大致分为三种:三角形、正方形、转角正方形。通过比较,等边三角形排列是比较紧凑的,管道外部流体湍动程度较高,其表面的传热系数较大。正方形排列虽然比较松散传热较差,但是管道外部清洗较为方便,通常对于易长生污垢的流体更为适用。 图2.1 换热管排列方式 综合本设计结构和工艺结构考虑采用正三角形排列方法。 取管心距 (焊接时),则 (2-8) 隔板中心到力气最近一排管中心距离: (2-9) 2.2.5 壳体内径 采用多管程结构,取管板利用率,则壳体内径为: =600(mm) (2-10) 按卷制壳体的进级档,可取600mm。 2.2.6 折流板 折流板的安装是为了更好的提高管道外部对流传热的系数,其挡板的间距与形状需要适当,本文所设计内容采用截面形状为弓形的折流板,弓形大小会增加流体的阻力,太小则不会利于传热。 取弓形折流板圆缺高度为壳体内径的25%,则切去的圆缺高度为: (mm),则: (mm): (2-11) 2.2.7 其他附件 根据本换热器壳体的内径,故按标准取拉杆直径为,拉杆数量4根。 壳程入口处应设防冲挡板[19]。如下表所得: 表2-1 拉杆直径表 换热管外径d 拉杆直径dn 10≤d≤14 10 14〈d〈25 12 25≤d≤57 16 2.2.8 接管 壳程流体进出口接管:取接管内流速为,则接管内径为: (2-12) 圆整后可取内径为360mm。 管程流体进出口接管:取接管内液体流速,则接管内径为: (2-13) 圆整后取管内径为300mm。 (2-14) 当量直径: (2-15) 壳程流通截面积: (2-16) 壳体流体流速及雷诺数分别为: (2-17) (2-18) 普朗特数: (2-19) 粘度校正: 则: (2)管内表面传热系数: (2-20) 管程流体流通截面积: (2-21) 管程流体流速: 普朗特数: (2-22) (3)污垢热阻和管壁热阻 管外侧污垢热阻: 管内侧污垢热阻: 碳钢在该条件下的热导率为 管壁热阻为: (4)传热系数 (2-23) 2.3.2 壁温核算 取两侧污垢热阻为零计算传热管壁温 (2-27) 式中液体的平均温度和为: (℃) (2-28) (℃) (2-29) 传热管平均壁温: ℃ 壳体壁温可近似取为壳程流体的平均温度,即℃。 壳体壁温和传热管壁温之差为: 由于换热器壳程流体的温差不大,壳程压力不高,因此,选用固定管板式换热器较为适宜。 2.3.3 换热器内流体的流动阻力 (1)管程流体阻力 (2-30) (2-31) 传热管对粗糙度,查图得流速, (Pa) (Pa) (2-32) (Pa) 管程流体阻力在允许范围以内[19]。 (2)壳程阻力 (2-33) . (2-34) (2-35) m/s (Pa) 流体流过折流板缺口的阻力: (2-36) m, m (Pa) 总阻力: (Pa) 由于该换热器壳程流体的操作压力较高,所以壳程流体的阻力也比较适宜。 2.4 换热器的主要结构尺寸和计算结果 表2-2 物性参数表 参数 管程 壳程 流率/(Kg/h) 148971 347600 进/出温度/℃ 110/60 29/39 压力/MPa 0.9 0.4 定性温度/℃ 80 155 密度/(Kg/m3) 1.38 1.14 定压比热容/KJ/(Kg.K) 1.038 1.038 粘度/cp 0.211 0.23 热导率/[W/(m.℃)] 0.051 0.054 普朗特数 4.42 4 设备结构参数:壳体内径/mm:600 , 壳程数:1 , 管径/mm:?25×2, 材质:碳钢, 管心距/mm :25 , 管数目/根:450, 折流板数/个:11 , 传热面积/㎡:160, 折流板间距/mm :2000,管程数:2 。 表2-3 计算结果表 主要计算结果 管程 壳程 流速/(m/s) 10.8 20 表面传热系数/[W/(㎡.℃)] 7637 1565 污垢热阻/(㎡.h.℃/Kcal) 0.0002 0.000176 阻力/MPa 0.0288 0.025 传热温差/K 62.3 面积裕度% 17.9 第三章强度计算 3.1 筒体壁厚计算 由工艺设计给定的设计温度155℃,设计压力=1.1=1.1×0.9=0.99,选低合金结构钢板16MnR卷制.材料170℃时的许用应力=170Mpa(假设厚度为6~16mm时)[12]取焊缝系数=0.85,腐蚀裕度C2=2mm.则 计算厚度 (3-1) 设计厚度 (3-2) 对于16MnR,钢板负偏差,因而可取名义厚度。 有效厚度 (3-3) 水压试验压力 (3-4) 所选材料的屈服应力 水压试验应力校核 (3-5) 水压强度满足规定的要求. 气密试验压力 3.2 管箱短节、封头厚度的计算 3.2.1 管箱短节厚度的计算 由工艺设计给定设计参数为:设计温度60℃,设计压力=1.1=1.1×0.4=0.44,选用16MnR钢板,材料许用应力=170Mpa,屈服强度,取焊缝系数 计算厚度 (3-6) 设计厚度 (3-7) 名义厚度 (3-8) 考虑结构,补强,焊接的需要,取 有效厚度 (3-9) 3.2.2 封头厚度的计算 壳体封头选用标准椭圆封头 计算厚度 (3-10) 名义厚度 (3-11) 为便于选材壳体封头厚度取与短节厚度相同. 有效厚度 压力试验应力校核 水压试验压力 (3-12) (3-13) 3.3 管箱短节开孔补强的校核 开孔补强采用等面积补强法,由工艺设计给定的接管尺寸为考虑真实的情况选20号热轧碳素钢管, ,腐蚀裕度 (3-14) 接管计算壁厚 (3-15) 接管有效壁厚 (3-16) 开孔直径 (3-17) 接管有效补强宽度 (3-18) 接管外侧有效补强高度 (3-19) 需要补强面积 (3-20) 可当作补强的面积为 (3-21) (3-22) (3-23) 该接管补强的强度足够,不需另设补强结构。 3.4 壳体接管开孔补强校核 开孔补强采用等面积补强。选取20号热轧碳素钢管,钢管的许用应力, 接管计算壁厚 (3-24) 接管有效壁厚 (3-25) 开孔直径 (3-26) 接管有效补强宽度 (3-27) 接管外侧有效补强高度 (3-28) 需要补强面积 (3-29) 可当作补强的面积为 (3-30) (3-31) (3-32) 无需另设补强结构。 3.5 管板设计及校核 3.5.1 管板计算的有关参数的确定 计算壳程圆筒内直径横截面积 (3-33) 圆筒壳壁金属的横截面积 (3-34) 一根换热管管壁金属的横截面积 (3-35) (3-36) 两管板间换热管有效长度 (估计管板厚度为) (3-37) 管束模数 根据查得(换热管材料为) (3-38) 管子回转半径 (3-39) 管子受压失稳当量长度 由,确定 (3-40) 取 (3-41) 管子稳定许用压应力 根据查得[4] (3-42) ,由公式得为 (3-43) 管板开孔后面积 (3-44) 管板布管区面积 (3-45) 管板布管区的当量直径 (3-36) 系数为 (3-37) 壳体不带波形膨胀节时,换热管束与圆筒刚度比 (3-38) 系数、、 (3-39) (3-40) (3-41) 管板布管区的当量直径与壳程圆筒内径之比 (3-42) 3.5.2 计算法兰力矩 根据,壳程直径,选用甲型平焊法兰,直径螺柱选用,数量,材料为。 预紧状态下需要的最小螺栓面积 垫片选用石棉橡胶板垫片,公称直径,公称压力P=1.0Mpa 垫片型号:1400-1.0JB/T4701-2000,D=1155mm,d=20mm.根据表查得系数,比压力。 3.5.3 管板的计算的相关参数 确定 假定管板的计算厚度,则换热管的加强系数为 (3-43) 刚度参数计算及某些系数的确定 确定(根据) (3-44) (3-45) (3-46) 3.5.4 确定和 由和根据查得 (3-47) 3.5.5 对于其延长部分兼作法兰的管板计算 计算 (3-48) 由和根据查得 计算 (3-49) (3-50) (3-51) 3.5.6 设计条件不同的组合工况 壳程压力作用下的危险组合 壳程压力 管程压力 不计膨胀 由和根据查得 则取与中较大的值 (3-52~55) (1)管板应力 (3-56) (3-57) (3-58) (2)壳体法兰应力 (3-59) 按 (3-60) (3)管子应力 (3-61) (4)壳程圆筒轴向应力 (3-62) (5)拉脱应力 连接形式选用焊接 (3-63) 管程压力作用下的危险组合 壳程压力 管程压 不计膨胀差 (3-64~67) 由和根据查得 则 (3-68~71) (1)管板应力 (3-72) (3-73) (3-74) (3-75) (2)壳体法兰应力 (3-76) 按 (3-77) (3)管子应力 (3-78) (4)壳程圆筒轴向应力 (3-79) (5)拉脱应力 连接形式选用焊接 (3-80) 计算根据结果得出进行的管板设计合格。 第四章结构设计 4.1 折流挡板 挡板的间距对于壳程的流动具有很重要的影响。挡板的间距过小,则不方便制造和维修,太大怎会造成管道外部流体系数下降。通常挡板的间距为壳体内径的0.2倍到1.0倍。我国系列标准中采用的挡板间距为:固定管板式有 100mm、150mm、200mm、300mm、450mm、600mm、700mm、7种;浮头式有100mm、150mm、250mm、300mm、350mm、450mm、(或480mm)、600mm 8种[18]。 4.2 法兰 设备法兰标准有:JB 4710甲型平焊法兰 选用压力范围为0.25~1.6 Mpa JB 4702 乙形平焊法兰 选用压力范围为0.25~4.0 Mpa JB 4703 长颈对焊法兰 选用压力范围为0.6~6.4 Mpa 本设计选用JB 4701甲型平焊法兰 选用压力范围为0.25~1.6 Mpa。 4.3 换热管 目前我国试行的系列标准规定采用Φ25×2和Φ19×2两种规格,对于一般流体是适用的。除此以外还有Φ38×2.5,Φ57×2.5的无缝钢管。本设计选用Φ25×2规格的换热管。 我们国家生产的钢管系列标准中管长有1.5m、2m、3m、4.5m、6m、9m,按选定的管径和流速确定管子数目,再根据所需传热面积,求得管长合理截取。同时管长又应与壳径相适应,一般管长与壳径之比,即L/D为3~4.5。本设计选用3m的管长。 管子的排列方式有等边三角形和正方形两种。与正方形相比,等边三角形排列比较紧凑管外流体湍流程度高,表面传热系数大。正方形排列虽比较松散,传热效果也较差,但管外清洗方便,对亦结垢流体更为适用。本设计选用等边三角形的排列方式[18]。 4.4 支座 化工能承受压力的容器及设备都是通过支座固定在工艺流程中的某一位置上的。支座的形式主要分三大类:立式容器支座、卧式容器支座、球式容器支座。卧式容器支座又可分为鞍式支座、圈式支座和支腿式支座,尤以鞍式支座使用最为广泛。 鞍式支座的结构特征: 1.鞍式支座标准分轻型(代号A)和重型(代号B)两种。轻型用于满足一般卧式容器使用上的要求;重型用以满足卧式换热器、盛装液体重度大和L/D大的卧式容器使用上的要求。 2.根据安装形式,鞍式支座分固定式(代号F)和滑动式(代号S)两种。 3.鞍式支座适用于卧式容器直径DN159~426(用无缝管件筒体)、300~4000(用卷制筒体)的范围内[22]。 本设计选用鞍式支座[23] 图4.1 鞍式支座 4.5 能承受压力的容器选材原则 1.选用能承受压力的容器材料时,一定要考虑容器的工作条件,如温度、压力和介质特征;材料的使用性能,如机械性能、物理性能和化学性能;加工性能,如材料的焊接性能和冷热加工性能;经济合理性能,如材料的价格、制造费用和常规使用的寿命。 2.刚制能承受压力的容器用钢材应依照国家标准《钢制能承受压力的容器》中所列材料选用,标准中规定设计压力不大于35Mpa,对于超出规定的,应进行具体分析,并做试验,经过研究以后决定。 3.钢材的使用温度不超过各钢号许用应力中所对应的上限温度。但要注意的是,碳素钢和碳锰钢在高于425℃温度下经常使用时,应考虑钢中碳化物的石墨化倾向。奥氏体刚的使用温度高于525℃时,钢中的含碳量不应小于0.04%,对于≤-20℃的低温容器材料用钢,还应进行夏比“V”型缺口冲击试验。 4.能承受压力的容器非受压元件用钢必须有良好的可焊性。 5.在考虑压力容器受压元件有足够强度的情况下,一定要考虑他的韧性,以防止外加载荷作用下发生脆性破坏[22]。 4.6 垫片 设备垫片标准主要有: JB4704 非金属软垫片 JB4705 缠绕垫片 JB4706 金属包垫片 正常的情况下,非金属软垫片适用于甲型平焊法兰、乙型平焊法兰、长颈对焊法兰。法兰密封面形式为光滑密封面或凹凸密封面。缠绕垫片适用于乙型平焊法兰、长颈对焊法兰。 非金属软垫片厚度一般根据容器直径选取:容器直径DN≤450mm时,厚度δ=2mm;容器直径DN〉4500mm时,厚度δ=3mm。金属平垫片厚度一般为3~6mm。 垫片的选择要考虑操作介质的性质、操作压力、操作温度以及需要密封的程度;对垫片本身要考虑垫片性能,压紧用的次数。对高温度高压力的情况一般多采用金属垫片;中温中压可采用金属和非金属组合式或非金属垫片;中低压情况多采用非金属垫片;高真空或深冷温度下以采用金属垫片为宜。 根据本设计的基本要求选用石棉橡胶板垫片,确定垫片系数m=2.5,比压力y=20MPa,垫片尺寸D=944㎜,d =904㎜。 结论 半学期的毕业设计即将结束,我完成了固定管板式换热装置的工艺设计、结构设计、强度设计的计算,确定了设备结构,完善了设计图纸。通过这次的毕业设计,使我系统全面地了解了化工设备的设计过程,对化工设备有了更深刻、全面地认识,拓宽了知识领域,为今后的工作打下了坚实的基础。 本设计主要进行了换热面积估算,实际换热面积为160 ㎡,工艺结构尺寸的确定,壳体内径为600,换热管规格为Φ25×2;流动阻力计算;零部件选型,选用甲型平焊法兰,垫片选用石棉橡胶板垫片,鞍式支座,折流板选用弓形折流板,螺栓规格M12×60;设备强度计算,经计算及校核后,所得的数据均符合标准要求。 参考文献 [1]郑津洋,董其伍,桑芝富.过程设备设计[M].化工工业出版社 2005.7 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