浮头式换热器Ⅱ型毕业论文

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1、 . 摘要换热设备是炼油厂的典型设备，主要用于原有和油品等的换热或冷却。换热器种类很多，根据冷、热流体热量交换的原理和方式基本上可分三大类即：间壁式、混合式和蓄热式。在三类换热器中，间壁式换热器应用最多，管壳式换热器是间壁式换热器的主要类型。本次我的设计题目是减二中/原油冷却器，换热器形式选用管壳式换热器中的浮头式。首先是根据给定的工艺参数进行前期的工艺计算，这部分的主要目的是确定浮头式换热器的具体型号，以与一些对接下来的结构设计有影响的关键数据。工艺计算的大体容为传热面积计算、初步选型、传热系数校核、有效平均温度差、校核传热面积、流体助力计算、壁温计算。其中初步选型后要对初选的传热系数进行校

2、核，如果不合格要要重新选型、反复试算。在流体阻力校核部分要考虑操作成本与制造成本的平衡关系。其次是结构计算。这部分是对管板、接管、法兰等具体零件的设计和选用。材料选用方面：对于主要承压元件选用Q345R为材料。由于介质腐蚀性不高，所以选用20钢为换热管的材料。材料的选用与制造成本紧密相连，所以应该在保证设计要求的前提下尽量降低成本。关键词 浮头式换热器；换热管；选材67 / 74AbstractHeat exchanger is a typical refinery equipment, mainly for the original and the heat transfer oil, et

3、c., or cooling. Many types of heat exchangers, according to the cold, the thermal fluid heat exchange principles and methods are basically divided into three main categories namely: partitions type, hybrid andregenerative. In the three types of heat exchangers, the partitions heat exchangers most wi

4、dely used. Shell and tube heat exchanger is the partitions of the main types of heat exchangers. The subject of my design is to reduce II / oil coolers, heat exchangers in the form of shell and tube heat exchangers used in the floating head. First, according to the given process parameters pre-proce

5、ss calculation, the main purpose of this section is to determine the specific floating head heat exchanger models, and some impact on the structural design of the next key data. Process in general terms the contents of the heat transfer area calculation, the initial selection, checking the heat tran

6、sfer coefficient, effective mean temperature difference, check the heat transfer area, fluid power calculations, the wall temperature calculation. Which after the initial selection of the heat transfer coefficients of primary check, if failed to be re-selection, repeated the spreadsheet. Check the f

7、luid resistance part of operating costs and to consider the balance between manufacturing cost. Followed by in calculations. This part is the management board to take over, flanges and other specific parts of the design and selection. Material selection: the selection of components for the main pres

8、sure for the material Q345R. As corrosive media is not high, so use 20 steel for the tubes of the material. Selection of materials and manufacturing costs are closely linked, so the design should ensure that the premise of minimizing costs. KeywordsFloating Head Heat Exchanger Design Check目 录摘要IAbst

9、ract第一章绪论11.1 课题背景11.2 研究的目的和意义71.3 本次设计简介7第二章换热器的应用与发展和分类特点92.1 换热器的应用与发展92.2 换热器的分类与特点10第三章换热器设计方案确定133.1 本次的设计要求133.2 确定设计方案133.3 完成设计所具备的工作条件与解决办法133.4 本章小结14第四章研究步骤、方法与设计产品的确定154.1 原始数据154.2 流体的物性参数154.3 传热量与平均温差154.4 估算传热面积与传热面结构164.5 管程计算194.6 壳程结构与壳程计算194.7 需用传热面积224.8 阻力计算234.9 封头、壳体和固定管板的尺

10、寸确定234.10 浮头箱和浮头的尺寸确定244.11 壳体法兰和支座的确定264.12 本章小结30结论31参考文献32致34附录1 开题报告35附录2 文献综述40附录3 译文44附录4 译文原文52第一章 绪论1.1 课题背景（1）我国换热器发展前景换热器（热交换器）是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，换热器按传热方式的不同可分为混合式（混合式换热器是通过冷、热流体的直接接触、混合进行热量交换的换热器，又称接触式换热器）、蓄热式（蓄热式换热器是利用冷、热流体交替流经蓄热室中的蓄热体（填料）表面，从而进行热量交换的换热器）和间壁式（随间壁式换热器的冷、热流体被固体间壁隔开，并通过间壁进

11、行热量交换的换热器，因此又称表面式换热器，这类换热器应用最广）三类。在我国换热器的制造技术远落后于外国，由于制造工艺和科学水平的限制，早期的换热器只能采用简单的结构，而且传热面积小、体积大和笨重，如蛇管式换热器等。随着制造工艺的发展，逐步形成一种管壳式换热器，它不仅单位体积具有较大的传热面积，而且传热效果也较好，长期以来在工业生产中成为一种典型的换热器。 在我国随着经济快速发展的同时，各种不同型式和种类的换热器发展很快，新结构、新材料的换热器不断涌现。为了适应发展的需要，我国对某些种类的换热器已经建立了标准，形成了系列。完善的换热器在设计或选型时应满足以下基本要求：合理地实现所规定的工艺条件；

12、结构安全可靠；便于制造、安装、操作和维修；经济上合理。70年代的世界能源危机，有力促进了换热强化技术的发展。为了节能将耗，提高工业生产经济效益，要求开发适用于不同工业过程要求的高效换热设备。所以这些年来，换热器的开发和研究成了人们关注的课题。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。所谓提高换热器性能，就是提高其传热性能。狭义的强化传热系数指提高流体和传热之间的传热系数。其主要方法归结为下述两个原理：温度边界层减勃和调换传热面附近的流体。因此最近十几年来，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，凝结是工业中普遍遇到的另一种

13、相变换热过程，凝结换热系数很高，但经过强化措施还可以进一步提升换热效率。管外凝结换热的强化对冷却表面的特殊处理，主要是为了在冷却表面上产生珠状凝结。珠状凝结的换热系数可比通常的膜状凝结高510倍，由于水和有机液体能润湿大部分的金属壁面，所以应采用特殊的表面处理方法（化学覆盖法、聚合物涂层法和电镀法等），使冷凝液不能润湿壁面，从而形成珠状凝结。用电镀法在表面涂一层贵金属，如金、铂、钯等效果很好，缺点是价格昂贵。冷却表面的粗糙化粗糙表面可增加凝结液膜的湍流度，亦可强化凝结换热。实验证明，当粗糙高度为0.5mm时，水蒸气的凝结换热系数可提高90%。值得注意的是，当凝结液膜增厚到可将粗糙壁面淹没时，粗

14、糙度对增强凝结换热不起作用。有时当液膜流速较低时，粗糙壁面还会滞留液膜，对换热反而不利。采用扩展表面在管外膜状凝结中常常采用低肋管，低肋管不但增加换热面积，而且由于冷凝流体的表面力，肋片上形成的液膜较薄，因此其凝结换热系数可比光管高75%100%。应用螺旋槽管和管外加螺旋线圈。螺旋槽管，管子外壁均有螺纹槽，既可强化冷凝换热，又可强化冷却侧的单相对流换热，与光管相比其凝结强度可提高3550%。在管外加螺旋线圈，由于表面力使凝结液流到金属螺旋线圈的底部而排出，上部与四周液膜变薄，从而凝结换热系数有时甚至可提高2倍。管凝结换热的强化扩展表面法采用肋管是强化管凝结的最有效的方法，试验表明，其换热系数比

15、光管高2040%。按光面计算则换热系数可高12倍。采用流体旋转法采用螺旋槽管等流体旋转法可以强化凝结换热。换热效率同比提升30%，但此时流动阻力也会增加。改变传热面形状改变传热面形状的方法有多种，其中用于无相变强化传热的有横波纹管、螺旋螺纹管和缩放管，还有螺旋扁管和偏置折边翅片管。都是高效换热元件。值得注意的是，在强化凝结换热之前，应首先保证凝结过程的正常进行。例如，排除不凝气体的影响，顺利地排除冷凝液等。改变实践证明，在降低流体在壳程的阻力并保证流体在湍流状态下流动，这样才能充分的提高介质的换热系数，翅片管、横螺纹管、螺旋螺纹管都一样，不但可用于单相对流传热，也可以有效的用于管流动沸腾传热（

16、螺纹管在湍流时可使对流传热系数增加一倍多）。当然现在各式换热器的设计各有新颖之处，结构上各具特色。原有的换热器厂家最近也研制出一种新型Hybrid换热器，他克服了板式因密封问题而受到限制的弱点，很有发展前途。 近年来，随着制造技术的进步，强化换热元件的开发，使得新型高效换热器的研究有了较大的发展，根据不同的工艺条件与工况设计制造了不同结构形式的新型换热器，也取得了较大的经济效益。故我们在选择换热设备时一定要根据不同的工艺、工况要求选择。换热器的作用可以是以热量交换为目的。在即定的流体之间，在一定时间交换一定数量的热量；也可以是以回收热量为目的，用于余热利用；也可以是以保证安全为目的，即防止温度

17、升高而引起压力升高造成某些设备被破坏。换热器的作用不同，其设计、选型、运行工况也各不一样。对换热器的基本要换热器要满足换热要求，即达到需求的换热量和热媒温度;换热器的热损失要少，换热效率要高;流动阻力要小;要有足够的机械强度，抗腐蚀和抗损坏能力要强，维护工作量要少;结构要合理，工作要安全可靠，即零部件之间因为温升而产生的热应力不会导致换热器破裂;要便于制造、安装和检修;经济上要合理，设奋全寿命期的总投资要少（总投资包括设备与附属装置初投资费用和运行维护管理费用）;生活热水系统的换热器应易于清除水垢，以上要求常常相互制约，难于同时满定，因此应视具体情况，在换热器的选型和设计中有所侧重，满足工程对

18、换热器的主要要求。因为换热器故障率较低，并且供暖为季节性负荷，有足够的检修时间，生活热水系统暂停供热也不会造成重大影响，所以可不设备用换热器。换热器台数的选择和单台能力的确定应适应热负荷的分期增长，并考虑供热的可靠性。未来，国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。国经济发展带来的良好机遇，以与进口产品巨大的可转化性共同预示着我国换热器行业良好的发展前景。同时，行业发展必须要注重高端产品的研发。（2）国外换热器发展前景在国外

19、二十世纪20年代出现板式换热器，并应用于食品工业。以板代管制成的换热器，结构紧凑，传热效果好，因此陆续发展为多种形式。30年代初，瑞典首次制成螺旋板换热器。接着英国用钎焊法制造出一种由铜与其合金材料制成的板翅式换热器，用于飞机发动机的散热。30年代末，瑞典又制造出第一台板壳式换热器，用于纸浆工厂。在此期间，为了解决强腐蚀性介质的换热问题，人们对新型材料制成的换热器开始注意。 60年代左右，由于空间技术和尖端科学的迅速发展，迫切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进一步完善，从而推动了紧凑型板面式换热器的蓬勃发展和广泛应用。此外，自60年代开始，为

20、了适应高温和高压条件下的换热和节能的需要，典型的管壳式换热器也得到了进一步的发展，这一类换热器不但是从材料上有了较大的突破，而且采用新颖的理念，增加强化传热。70年代中期，为了进一步减小换热器的体积，减轻重量和金属消耗，减少换热器消耗的功率，并使换热器能够在较低温差下工作，人们更是采用各种科学的办法来增强换热器的传热。对国外换热器市场的调查表明，管壳式换热器占64%。虽然各种板式换热器的竞争力在上升，但管壳式换热器仍将占主导地位。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。现就几种新型换热器的特点简介如下：一、气动喷涂翅片管换热

21、器俄罗斯提出了一种先进方法，即气动喷涂法，来提高翅片化表面的性能。其实质是采用高速的冷的或稍微加温的含微粒的流体给翅片表面喷镀粉末粒子。用该方法不仅可喷涂金属还能喷涂合金和瓷（金属瓷混合物），从而得到各种不同性能的表面。通常在实践中翅片底面的接触阻力是限制管子加装翅片的因素之一。为了评估翅片管换热器元件进行了试验研究。试验是采用在翅片表面喷涂ac铝，并添加了 24a白色电炉氧化铝。将试验所得数据加以整理，便可评估翅片底面的接触阻力。将研究的翅片的效率与计算数据进行比较，得出的结论是：气动喷涂翅片的底面的接触阻力对效率无实质性影响。为了证实这一点，又对基部（管子）与表面（翅片）的过渡区进行了金相

22、结构分析。对过渡区试片的分析表明，连接边界的整个长度上无不严密性的微裂纹。所以，气动喷涂法促进表面与基本相互作用的分支边界的形成，能促进粉末粒子向基体的渗透，这就说明了附着强度高，有物理接触和金属链形成。因而气动喷涂法不但可用于成型，还可用来将按普通方法制造的翅片固定在换热器管子的表面上，也可用来对普通翅片的底面进行补充加固。可以预计，气动喷涂法在紧凑高效换热器的生产中，将会得到广泛应用。二、螺旋折流板换热器在管壳式换热器中，壳程通常是一个薄弱环节。通常普通的弓形折流板能造成曲折的流道系统（z字形流道），这样会导致较大的死角和相对高的返混。而这些死角又能造成壳程结垢加剧，对传热效率不利。返混也

23、能使平均温差失真和缩小。其后果是，与活塞流相比，弓形折流板会降低净传热。优越弓形折流板管壳式换热器很难满足高热效率的要求，故常为其他型式的换热器所取代（如紧凑型板式换热器）。对普通折流板几何形状的改进，是发展壳程的第一步。虽然引进了密封条和附加诸如偏转折流板与采取其他措施来改进换热器的性能，但普通折流板设计的主要缺点依然存在。为此，美国提出了一种新方案，即建议采用螺旋状折流板。这种设计的先进性已为流体动力学研究和传热试验结果所证实，此设计已获得专利权。此种结构克服了普通折流板的主要缺点。螺旋折流板的设计原理很简单：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

24、分之一，其倾角朝向换热器的轴线，即与换热器轴线保持一倾斜度。相邻折流板的周边相接，与外圆处成连续螺旋状。折流板的轴向重叠，如欲缩小支持管子的跨度，也可得到双螺旋设计。螺旋折流板结构可满足相对宽的工艺条件。此种设计具有很大的灵活性，可针对不同操作条件，选取最佳的螺旋角；可分别情况选用重叠折流板或是双螺旋折流板结构。三、新型麻花管换热器Alares公司开发了一种扁管换热器，通常称为麻花管换热器。美国休斯顿的布朗公司做了改进。螺旋扁管的制造过程包括了“压扁”与“热扭”两个工序。改进后的麻花管换热器同传统的管壳式换热器一样简单，但有许多激动人心的进步，它获得了如下的技术经济效益：改进了传热，减少了结垢

25、，真正的逆流，降低了成本，无振动，节省了空间，无折流元件。由于管子结构独特使管程与壳程同时处于螺旋运动，促进了湍流程度。该换热器总传热系数较常规换热器高40%，而压力降几乎相等。组装换热器时也可采用螺旋扁管与光管混合方式。该换热器严格按照ASME标准制造。凡是用管壳式换热器和传统装置之处均可用此种换热器取代。它能获得普通管壳式换热器和板框式传热设备所获得的最佳值。估计在化工、石油化工行业中具有广阔的应用前景。四、非钎焊绕丝筋管螺旋管式换热器在管子上缠绕金属丝作为筋条（翅片）的螺旋管式换热器，一般都是采用焊接方法将金属丝固定在管子上。但这种方法对整个设备的质量有一系列的影响，因为钎焊法必将从换热

26、中“扣除”很大一部分管子和金属丝的表面。更重要的是，由于焊料迅速老化和破碎会造成机器和设备堵塞，随之提前报损。俄罗斯推荐一种新方法制造绕丝筋管，即借助在管子上缠绕和拉紧金属丝时产生的机械接触来固定筋条。采用此法能促进得到钎焊时的连续特性（即将金属丝可靠地固定在管子上，而管子的截面又不过分压紧），故对于金属丝仅用做隔断时，可以认为是较钎焊更受欢迎的方法。但若利用金属丝作为筋条（翅片）以增加换热面积时，只有当非钎焊筋条的有效传热面不小于钎焊连接时，才应更偏重于此方法。试验表明，当金属丝与管子为线性接触时，有效传热面最大，但此时金属丝会沿管子滑动。所以关键是要选取最佳的接触宽度，也就是绕丝时管子变形

27、留下的痕迹的宽度。这样，非钎焊时的有效传热面要比钎焊时大。该换热器推荐用于氦技术和冷却工艺。1.2 研究的目的和意义换热器是国民经济和工业生产领域中应用十分广泛的热量交换设备 ，随着现代新工艺、 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、能量利用率以与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。目前在发达的工业国家热回收率已达 96% 。换热设备在现代装置中约占设备总重的30% 左右，其中管壳式换热器仍然占绝对的优势，约70% 。其余30% 为各类高效

28、紧凑式换热器、新型热管热泵和蓄热器等设备，其中板式、螺旋板式、板翅式以与各类高效传热元件的发展十分迅速。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，并朝大型化的方向研究发展。1.3 本次设计简介浮头式换热器是管壳式换热器系列中的一种，管壳式换热器以其对温度、压力、介质的适应性，耐用性与经济性，在换热设备中始终占有约70%的主导地位。因此管壳式换热器的标准化工作为世界各工业发达国家所重视，也为ISO国际标准化组织的所重视。因此出现了TEMA、API660、JISB8249等一批管壳式换热器标准，ISO目前也正在与API联手并会同有关国家编ISO管壳式换热器

29、标准。总的来说管壳式换热器主要由换热管束、壳体、管箱、分程隔板、支座等组成。换热管束包括换热管、管板、折流板、支持板、拉杆、定距管等。换热管可为普通光管，也可为带翅片的翅片管，翅片管有单金属整体轧制翅片管、双金属轧制翅片管、绕片式翅片管、叠片式翅片管等，材料有碳钢、低合金钢、不锈钢、铜材、铝材、钛材等。壳体一般为圆筒形，也可为方形。管箱有椭圆封头管箱、球形封头管箱和平盖管箱等。分程隔板可将管程与壳程介质分成多程，以满足工艺需要。管壳式换热器主要有固定管板式，U型管式和浮头式换热器。针对固定管板式与U型管式的缺陷，浮头式作了结构上的改进，两端管板只有一端与外壳固定死，另一端可相对壳体滑移，称为浮

30、头。浮头式换热器由于管束的膨胀不受壳体的约束，因此不会因管束之间的差胀而产生温差热应力。浮头式换热器的优点还在于方便拆卸，清洗方便，对于管子和壳体间温差大、壳程介质腐蚀性强、易结垢的情况很能适应。其缺点在于结构复杂、填塞式滑动面处在高压时易泄露，这使其应用受到限制，适用压力为：1.0Mpa6.4Mpa。 按照设计要求，在结构的选取上，为了增大温差校正系数，采用了1-2型，即壳侧一程管侧二程。首先，通过换热计算确定换热面积与管子的根数初步选定结构。然后按照设计的要求以与一系列国际标准进行结构设计，在结构设计时，要考虑许多因素，例如传热条件、材料、介质压力、温度、流体性质以与便于拆卸等等。由于时间

31、和资料有限，本人的认识也不够全面，在设计过程中可能还存在许多问题，望老师们给予批评和指正。第二章 换热器的应用与发展和分类特点2.1 换热器的应用与发展它是化工、炼油、动力、食品、轻工、原子能、制药、机械与其它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10%20%；在炼油厂中，约占总投资的35%40%。例如，如烟道气（约200300）、高炉炉气（约1500）、需要冷却的化学反应工艺气（3001000）等的余热，通过余热锅炉可生产压力蒸汽，作为供热、供气、发电和动力的辅助能源，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。由于制造工艺和科学水平

32、的限制，早期的换热器只能采用简单的结构，而且传热面积小、体积大和笨重，如蛇管式换热器等。随着制造工艺的发展，逐步形成一种管壳式换热器，它不仅单位体积具有较大的传热面积，而且传热效果也较好，长期以来在工业生产中成为一种典型的换热器。二十世纪20年代出现板式换热器，并应用于食品工业。以板代管制成的换热器，结构紧凑，传热效果好，因此陆续发展为多种形式。30年代初，瑞典首次制成螺旋板换热器。接着英国用钎焊法制造出一种由铜与其合金材料制成的板翅式换热器，用于飞机发动机的散热。30年代末，瑞典又制造出第一台板壳式换热器，用于纸浆工厂。在此期间，为了解决强腐蚀性介质的换热问题，人们对新型材料制成的换热器开始

33、注意。60年代左右，由于空间技术和尖端科学的迅速发展，迫切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进一步完善，从而推动了紧凑型板面式换热器的蓬勃发展和广泛应用。此外，自60年代开始，为了适应高温和高压条件下的换热和节能的需要，典型的管壳式换热器也得到了进一步的发展。近二三十年来，化工、石油、轻工等过程工业得到了迅猛发展。能源紧缺已成为世界性重大问题之一，各工业部分都在大力发展大容量、高性能设备，以减少设备的投资和运转费用。因此，要求提供尺寸小，重量轻、换热能力大的换热设备。特别是20世纪70年代的世界能源危机，加速了当代先进换热技术和节能技术的发展。

34、世界各国十分重视传热强化和热能回收利用的研究和开发工作，开发适用于不同工业过程要求的高效能换热设备来提高工业生产经济效益，并取得了丰硕成果。到目前为止，已研究和开发出多种新的强化传热技术和高效传热元件。为了强化传在研究和发展热管的基础上又创制出热管式换热器。2.2 换热器的分类与特点在工业生产中，由于用途、工作条件和物料特性的不同，出现了各种不同形式和结构的换热设备。按作用原理或传热方式分类：按换热设备热传递原理或传热方式进行分类，可分为以下几种主要形式。 直接接触式换热器这类换热器又称混合式换热器，它是通过冷、热流体的直接接触、混合进行热量交换的换热器。如冷却塔、冷却冷凝器等。为增加两流体的

35、接触面积，以达到充分换热，在设备中常放置填料和栅板，通常采用塔状结构。直接接触式换热器具有传热效率高、单位容积提供的传热面积大、设备结构简单、价格便宜等优点，但仅适用于工艺上允许两种流体混合的场所。由于两流体混合换热后必须与时分离，这类换热器适合于气、液两流体之间的换热。例如，化工厂和发电厂所用的凉水塔中，热水由上往下喷淋，而冷空气自下而上吸入，在填充物的水膜表面或飞沫与水滴表面，热水和冷空气相互接触进行换热，热水被冷却，冷空气被加热，然后依靠两流体本身的密度差得以与时分离。蓄热式换热器这类换热器又称回热式换热器。它是借助于由固体(如固体调料或多孔性格子砖等)构成的蓄热体与热流体和冷流体交替接

36、触，把热量从热流体传递给冷流体的换热器。在换热器首先由热流体通过，把热量积蓄在蓄热体中，然后由冷流体通过，由蓄热体把热量释放给冷流体。由于两种流体交替与蓄热体接触，因此不可避免地会使两种流体少量混合。若两种流体不允许混合，则不能采用蓄热式换热器。蓄热式换热器结构紧凑、价格便宜、单体体积传热面积大，故较适合用于气-气热交换的场合。如炼焦炉下方预热空气的蓄热室。这类换热器主要用于回收和利用高温废气的热量。以回收冷量为目的的同类设备称蓄冷器，多用于空气分离装置中。间壁式换热器这种换热器又称表面式换热器。它是利用间壁（固体壁面）将进行热交换的冷、热两种流体隔开，互不接触，热量由热流体通过间壁传递给冷流

37、体的换热器。间壁式换热器是工业生产中应用最为广泛的换热器，其形式多种多样。中间载热体式换热器这类换热器是把两个间壁式换热器由在其中循环的载热体连接起来的换热器。载热体在高温流体换热器和低温流体换热器之间循环，在高温流体换热器中吸收热量，在低温流体换热器中把热量释放给低温流体，如热管式换热器。间壁式换热器分类：间壁式换热器根据传热面的结构不同可分为管式、板面式和其他型式。（1）管式换热器这类换热器都是通过管子壁面进行传热的换热器。按传热管的结构形式不同大致可以分为蛇管式换热器、套管式换热器、管壳式换热器和缠绕管式换热器等。（2）板面式换热器此类换热器都是以板面作为传热面，按传热板面的结构形式可分

38、分为以下五种：螺旋板式换热器、板式换热器、板翅式换热器、板壳式换热器和伞板换热器。板面式换热器的传热性能要比管式换热器优越，由于其结构上的特点，使流体能在较低的速度下就达到湍流状态，从而强化了传热。板面式换热器采用板材制造，在大规模组织成产时，可降低设备成本，但其耐压性能比管式换热器差。（3）其他型式换热器这类换热器是指一些具有特殊结构的换热器，一般是为满足某些工艺特殊要求而设计的，如石墨换热器、聚四氟乙烯换热器和热管换热器等。第三章 换热器设计方案确定3.1 本次的设计要求设计一种换热器，要求将15t/h的T-1煤油由150冷却到50。本次设计需要进行：总体参数设计计算传热学计算结构的三维设

39、计换热器的工程图设计：总装配图一；零件图33.2 确定设计方案冷却剂的选用因为水是最容易获得，并且廉价，所以本次设计中选用的冷却剂为水。流程安排本设计中的两流体均不发生相变的传热过程，因水的对流传热系数一般较大，冷却水一般为循环水，而循环水易结垢，为便于清洗，应采用冷却水走换热器的管程，煤油走壳程。换热器的类型设计两流体温度变化情况：热流体进口温度：150，出口温度50，冷流体进口温度29，出口温度39。由于该换热器的管壁温度和壳体温度有较大温差，大于50，因此需要考虑热补偿，设煤油压力1MPa，冷却水压力也为1MPa。该换热器用循环冷却水冷却，冬季操作时，其进口温度会降低，考虑到这一因素，估

40、计该换热器的管壁温和壳体壁温之差较大，因此初步选用浮头式换热器（型）。3.3 完成设计所具备的工作条件与解决办法为完成本毕业设计，将运用在校学习的工程制图，力学，材料学，过程装备设计与计算机等相关知识，结合在生产实习等实践教学中，学习的换热器与零部件的加工制造和装配知识，以与学习的有关换热器的设计知识，通过对各种技术资料的收集调研，分析计算，设计绘图的实践，学习掌握由原理方案的设想，转化为结构的设计思路与设计方法。熟练掌握各方面的知识。计算机辅助设计软件：SW6-1998 v6.0 、AutoCAD2004 、Solid works 、ANSYS、MS office等软件。工具书：化工英汉词典

41、、化工设计手册GB 150-1998钢制压力容器、GB 151-1999管壳式换热器3.4 本章小结初步确定本次设计为浮头式换热器（型），循环冷却水走管程，煤油走壳程。第四章 研究步骤、方法与设计产品的确定4.1 原始数据水进口温度：=29水出口温度：=39水工作压力：P2=1MPa煤油进口温度：=150煤油出口温度：=50油工作压力：P1=1MPa煤油流量：15t/h4.2 流体的物性参数查物性表得：煤油的定性温度：煤油的密度：煤油的比热：煤油的导热系数：煤油的粘度:煤油的普兰德数：水的定性温度：水的密度：水的比热:水的导热系数：水的粘度：水的普兰德数：4.3 传热量与平均温差传热量确定热损

42、失系数（4-1）冷却水用量（4-2）逆流时的对数平均温差（4-3）参数P与R（4-4）（4-5）有效平均温差确定温差修正系数：（4-6）则有效平均温差4.4 估算传热面积与传热面结构估算传热面积查参考资料初选传热系数（4-7）管子材料、规格与管水的流速选择管子材料与规格选用碳25*2.5的碳钢无缝钢管。因为所选择的流速要使流体呈湍流状态，所以保证设备在较大的传热系数下进行热交换，所以选用管程水的流速。管程所需流通截面（4-8）每程管数（4-9）每根管长（4-10）现取每根管长为6m则 （4-11）所以选用两台型浮头式换热器管子排列管子的排列方式常用友：等边三角形排列法（或称正六角形排列）、同心

43、圆排列法和正方形排列法，本次管子排列方式选为等边三角形。按等边三角形排列时，流体流动方向与三角形的一条边垂直，最侧六边形的边长等于S，通常在管板周边与六边形的边之间的六个弓形部分部排列管子，但当层数a6时，则在这些弓形部分也应排列管子，这时最外层管子的中心不应超出最大六边形的外接圆周。由热交换器原理与设计中表2.3可知管中心距s=32mm分程隔板槽处管中心距=44mm平行于流向的管距mm垂直于流向的管距mm由热交换器原理与设计中的2.1.5节得出拉杆直径为16mm作管子排列草图,如图4-1所示。图4-1 管子排列草图由草图可知六边形层数a=6。一台管子数。估计壳体直径在400700mm之间，所

44、以由热交换器原理与设计的表2.7可知一台拉杆数为4。一台传热面积：两台传热面积：管束中心至最外层管中心距离：0.226m管束外缘直径壳体径（4-12）且，故（4-13）按GB151-1999规定，取标准直径DN=0.6m 63016mm的无缝钢管作为壳体。长径比： 合理4.5 管程计算管程接管直径（4-14）取标准无缝钢管 mm管程雷诺数（4-15）管程换热系数（4-16）4.6 壳程结构与壳程计算折流板形式选为弓形折流板缺口高度：折流板的圆心角为120折流板间距：（4-17）取0.3m折流板数目：（4-18）折流板上管孔数：146个折流板上管孔直径由GB151-1999查得为0.0254m通

45、过折流板上管子数为136个折流板缺口处管子数为8根折流板直径由GB151-1999规定为：（4-19）折流板缺口面积：（4-20）错流区管数占总管数的百分数：（4-21）缺口处管子所占面积：（4-22）流体在缺口处流通面积：（4-23）流体在两折流板间错流流通截面积：（4-24）壳程流通截面积：（4-25）壳程接管直径：（4-26） 取煤油的流速为1m/s取标准无缝钢管为88错流区管排数由草图可知每一缺口的有效错流管排数：（4-27）旁流通道数旁路挡板数选3对错流面积中旁流面积所占分数：（4-28）一块折流板上管子和管孔间泄露面积：（4-29）折流板外缘与壳体壁之间泄露面积：（4-30）壳程雷

46、诺数：（4-31）理想管束传热因子由热交换器原理与设计中图2.28得：折流板缺口校正因子由热交换器原理与设计中图2.29得：折流板泄露校正因子：（4-32）（4-33）查图2.30得：旁通校正因子： （4-34）与查热交换器原理与设计图2.31得：壳程传热因子：（4-35）壳程质量流速：（4-36）壳侧壁面温度假定为40壁温下煤油粘度经查物性表得：壳侧换热系数：（4-37）4.7 需用传热面积水垢热阻：煤油污垢热阻：传热系数：（4-38）传热面积： （4-40）传热面积之比：（4-41）检查壳侧壁温：（4-42）4.8 阻力计算管摩擦系数查热交换器原理与设计图2.35得：0.0065管侧壁温假

47、定为40壁温下水的粘度：两台换热器沿程阻力：（4-43）两台换热器回弯阻力：（4-44）进口连接管阻力：（4-45）两台管程阻力：（4-46）煤油穿过热交换器原理与设计中表2.10的规定，所以此设计方案可行。4.9 封头、壳体和固定管板的尺寸确定根据压力容器设计规采用材质为20的标准椭圆封头，在满足强度要求的情况下，已知管程设计温度为46.8，则46.8，根据碳钢板需用应力查表得，P=1.2MPa所以其壁厚可用以下公式计算：（4-47）实取8mm曲面高度：（4-48）D封头的平均直径封头箱的也取公称直径为600mm的标准无缝钢管，厚度为8mm，长度为530mm。壳体和固定管板的尺寸确定前面已经

48、初步确定使用公称直径为600mm的630*8mm的标准无缝钢管作为壳体。壳体厚度：（4-49）8mm，所以初步确定的壳体可以使用。径,长度取5768mm固定管板的尺寸确定外径：板厚：管板上开孔数与孔间距与管的排列一致。管板材料选用A3钢。管子与管板的连接必须牢固、不泄漏，不产生大的应力变形，最常见的连接方法为胀接，胀接只能用于工作压力低与4MPa和温度低于300的场合；对于高温、高压、易燃、易爆的运行条件多采用焊接，但采用焊接容易产生热应力且间隙中流体不流动很容易造成间隙腐蚀，采用胀焊并用的方法可以避免。由于工作压力和温度都不是特别高，而且管子的间距比较大，管板和管子的连接采用胀接。换热管在管

49、板的胀接长度L=38mm。4.10 浮头箱和浮头的尺寸确定外头盖公称直径：（4-50）外头盖同样采用材质为20的标准椭圆形封头，=8mm，箱体长为430mm曲面高度：（4-51）如图示为浮头端的装配图，包括碟形盖，钩圈法兰和浮动管板，由于浮动管板要与管子胀接后从壳体一端伸到另一端，因此管板的外直径应小于壳体径，其主要尺寸如图4-2所示。图4-2 浮头结构浮动管板外直径：浮动管板厚：浮头法兰外径：（4-52）浮头法兰直径：（4-53）蝶形盖半径：（4-54）厚度取15mm钩圈的型式查GB151可知选为B型钩圈，具体尺寸按规定来取由于是多管程换热器，故此处需要用到分程隔板。查GB151-1999可

50、知：分程隔板槽槽深，槽宽为12mm，且分程隔板的最小厚度为8mm，厚度选为10mm。4.11 壳体法兰和支座的确定压力容器和管道法兰联接中，常用的密封面型式有以下三种。（1）平面型密封面密封表面是一个突出的光滑平面（又称突平面）。这种密封面结构简单，加工方便，便于进行防腐衬里。但螺栓上紧后，垫圈材料容易往两侧伸展，不易压紧，用于所需压紧力不高且介质无毒的场合。（2）凹凸型密封面它是由一个凸面和一个凹面所组成，在凹面上放置垫圈，压紧时，由于凹面的外侧有挡台，垫圈不会挤出来。（3）榫槽型密封面密封面是由一个榫和一个槽所组成，在垫圈放在槽。这种密封面规定不用非金属软垫圈，可采用缠绕式金属包垫圈，易获

51、得良好的密封效果。它适用于密封易燃、易爆、有毒介质。密封面的凸面部分容易破坏，运输与装拆时都应注意。在选取密封面时综合考虑介质因素和装拆的因素，壳体法兰均采用凹凸面型密封面，管箱接管法兰采用平面型密封面，壳体接管法兰采用凹凸型密封面。根据前面算出的此次设计的换热器壳体、封头的公称直径为600mm，浮头箱的公称直径为700mm，管程接管为80mm，壳程接管为128mm，为了便于工人们的生产、节省成本，故在法兰选择的方面上也选择/T4703-2000标准对焊法兰，如图4-34-7所示，管口的具体尺寸如表4-1所示。图4-3 壳体与封头连接法兰（两个）图4-4 壳体与浮头箱连接法兰（壳体侧）图4-5

52、 壳体与浮头箱连接法兰（浮头箱侧）图4-6 壳程接管法兰图4-7 管程接管法兰表4-1 管口表卧式设备一般采用两个鞍座。这是因为基础水平高度有可能不一致，如果使用多个支座，将会造成支座反力分布不均匀，从而引起设备的局部应力增大，因此采用两个支座。采用双支座时，一个鞍座为固定支座，地脚螺栓为圆孔；另一个鞍座为活动支座，地脚螺栓为长圆孔，配合两个螺母，第一个螺母拧紧后，倒退一圈，然后再用第二个螺母锁紧。这样，可以使设备在温度变化是自由伸缩。如图4-8所示图4-8 鞍式支座本换热器为卧室压容器，应该选用鞍式支座，依照/T4712-92双鞍式支座标准，选用B1型鞍式支座，具体尺寸如表4-2所示。表4-

53、2 鞍座尺寸公称直径允许载荷（）鞍座高度h底板腹板筋板垫板螺栓间距l2鞍座质量（kg）增加mm高度增加的质量（kg）l1b1l3b3弧长b4e6001652005501501083001208710200636400245鞍式支座在换热器上的布置应该按照下列原则确定：（1） 当；（2） 当；（3） 尽量使和相近，如图4-9所示。图4-9 鞍式支座转配尺寸在本换热器设计中，。4.12 本章小结经过前面的传热计算、结构计算、阻力计算和工程计算得出此次浮头式（型）换热器的一些结构设计尺寸，具体详细的装配尺寸和零件尺寸会在四工程制图里表现出来。换热器的主要数据如表4-3所示。表4-3 换热器的主要数据

54、项目数据项目数据壳径600mm管尺寸 25mmX2.5mm管程数Np（N）2管长l（L）3.0m管数n144管排列方式正三角形排列传热面积67.82管心距32mm结论通过六个月的辛苦努力，我的毕业设计终于圆满完成。虽然做的过程很辛苦，但是看到自己的成果，我感到很欣慰。作为大学四年的最后一道大作业毕业设计，使我在各个方面都有了很大的提高，收获很大。具体表现在以下几个方面：通过在设计中经常查资料提高了我们检索和查阅资料的能力；进一步扎实了所学的理论知识，对所学基础知识和专业知识进行了一次综合应用和系统复习；思维方式和设计思想更加全面化和系统化。养成了勤学好问的习惯，敢于面对困难，能够独立的查找和解

55、决问题，也提高了自己的创新能力。将理论知识和生产实际相结合，为以后的工作和学习打下了很好的基础，但是，设计过程中仍然存在不足之处，有的问题还需要进一步展开研究。具体如下：(1) 管子的胀接没有进行分析计算；(2)由于管程与壳程的分程使管子的排列不均匀，故存在旁流与侧流的问题，此问题尚未进行分析；(3)通常在进液管口有挡板控制流速和引流，此结构尚未设计。参考文献1 朱聘冠.换热器原理与计算M. ：清华大学，19872 史美中，王中铮.热交换器原理与设计M.：东南大学， 19963 钱颂文.换热器设计手册M.：化学工业，20034 庄俊，徐通明，石寿椿.热管与热管换热器M.：交通大 学， 1987

56、5 董大勤.化工设备机械基础M.：化学工业，19906 化工设备机械基础编写组.化工设备机械基础M.：石油化学 工业出版 社，19787 克勤，王秀珍，王正.石油化工容器与设备M.：华中理工 大学， 19908 美贾瓦特M.H.化工设备结构分析与设计M.：出版 社，20039 顾芳珍，国桓.化工设备设计基础M.：大学， 199710 黄振仁，新利.过程装备成套技术,：化学工业,200111 黄振仁，新利.过程装备成套技术设计指南M.：化学工业 ， 200312 津洋，董其伍，桑芝富.过程装备设计M.：化学工业出版 社，200513 邹广华，强.过程装备制造与检测M.：化学工业， 200314

57、美James R.Farr Maan H.Jawad，ASME压力容器设计指南第二 M.： 化学工业，200315 濮良贵，纪名刚.机械设计第八版M.：高等教育，200616 邓文英.金属工艺学第四版M.：高等教育200717 教育部高等学校机械学科过程装备与控制工程专业教学指导分委 员会.过程装备与控制工程M.：化学工业，200618 成大先.机械设计手册第五版M.：化学工业，200819 GB 150-1998.钢制压力容器S.：中国标准，200320 GB 151-1999.管壳式换热器S.：中国标准，200421 HG 20582-1998.钢制化工容器强度计算规定S.化工部工程建设

58、标准编辑中心出版，199822 4732-1995.钢制压力容器分析设计标准S.：新华出版社，199523 史美中 王中铮，热交换器原理与设计（第二版），东南大学出 版社；24 钱颂文，换热器设计手册，化学工业，2002；25 崇麟，板式换热器工程设计手册，机械工业，1994；致在整个设计过程中我的于老师给了我很大的帮助和支持。在设计中，我经常遇到一些问题难以解决，当我带着问题去请教时，他都不是直接给出答案，而是旁敲侧击的给我一些指引，让我充分发挥自己的思维，一步步地将问题慢慢的解决。每次遇到做得不好的地方，老师都给我耐心的讲解和分析。他告诉我们考虑问题要从多方面考虑，每次同他讨论一些问题都让

59、我受益匪浅。他一丝不苟的作风是我学习中的榜样；他循循善诱的教导思路给予我无尽的启迪。在此我衷心的感指导老师于敏之教授，！在设计过程中还得到了其他老师与同学的大力帮助在此一并表示最衷心的感！附录1 开题报告燕 山 大 学本科毕业设计（论文）开题报告课题名称： 锅炉用水系统集成设计 学院（系）：车辆与能源学院 年级专业：08热能与动力工程2 班 学生： 任晓 指导教师： 于敏之 完成日期： 2012.4.7 一、 综述本课题国外研究动态，说明选题的依据和意义换热器是进行热交换操作的通用工艺设备，被广泛应用于各个工业部门，尤其在石油、化工生产中应用更为广泛。以炼油厂为例，换热器占设备总金属消耗量的

60、20%左右。它既是工艺流程中的重要装备，同时又是企业减少能源消耗、降低生产成本的主要手段。因此换热器技术水平是炼油厂先进程度的重要标志之一。进入 20 世纪 70 年代后，随着石化行业技术的发展，国外换热器技术也有了显著的进步。首先在换热器两个传热界面之一的管程采用了螺纹管、异形管、插物等强化传热新技术，使管程传热有了较大的突破。但是从间壁传热原理上讲，控制一台换热器传热效率的是传热能力相对较差一侧的传热能力，而这一侧往往是壳程。于是美国人首先发明了折流杆列管式换热器。首先它的轴向流动方式，减少了壳程流体的滞流、回流和死区，提高了佩克莱常数 Pe 值，减少了压降和污垢沉积；而且杆后的卡门涡街脱落效应在传热管子表面产生紊流，提高了壳侧膜传热系数。折流杆的夹持作用又抑制了破坏性振动，使换热器大型化成为可能。但是折流杆传热器不是万能的，它有着自己的局限性，特别在低 Re 数、高粘度介质中很难形成有效卡门涡街，达不到高传热效率的要求。为进一步提高壳程传热能力，于是产生了螺旋折流板式列管换热器。螺旋折流板换热器壳程中的介质既不是横向流，也不是纵向流，而是一种螺旋状斜向流，该种流动方式能适用包括高粘原油、渣油在的所有介质，这种