循环水冷却器设计

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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，从而使设备局部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经济损失，对

2、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 150-2021?压力容器?、GB 151-1999?管壳式换热器?等标准和?固定式压力容器平安技术监察规程?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确实定，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、换热管

3、、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 designAbstract: 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 indisp

4、ensable 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 departments, e

5、specially 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 away the

6、 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 economi

7、c 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 and wal

8、l temperature fluid of convective heat transfer and heat transfer between the material. In this design, the GB 150-2021 , 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 reference to De

9、sign 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 transfer coeffici

10、ent, and heat transfer area, wall temperature and pressure drop calculation. 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 calculation an

11、d 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.关键词：换热器、换热面积、管板、换热管等。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

12、和意义 .1 1.2 本设计的目的和要求 .2 1.3 国内外现状和开展趋势 .22 管壳式换热器的分类和选型 .3 2.1 分类 .3 2.2 选型 .63 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 .224

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

14、材料 .37 4.4.5 管板计算的相关参数确实定 .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确实定 .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.

15、8 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确实定 .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 .715 换热器的制造与检验要求 .71 5.1 圆筒 .72 5.2 管箱 .73 5.3 换

16、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 .746 总结 .747 主要参考文献 .75致谢语 .76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；在炼油厂中，约占总投资的。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，使流体温度到达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、废热特别是低位热能的有效装置。例如，烟道气约、高炉炉气约、需要冷

17、却的化学反响工艺气等的余热，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。

18、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，并朝大型化的方向开展是非常重要的。 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，从而使设备局部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。特别是在水资源缺乏的今天，循环水冷却器可以节约大量珍贵的水资源，同时，也可以影响企业的经济损失。所以对循环水冷却器的设计

19、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开展。在换热器向高参数、大型化开展的今天，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。通过这次设计，帮助我们复习和稳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

20、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，通过这些局部，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，经过反复比拟，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平安可靠，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、柱的阻碍，根据需要可添置气、液排放口，检查孔与敷设保

21、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 国内外现状和开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开展，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良换热器性能，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，使企业本钱降低，效益提高。钢铁行业和化工行业的开展都将为换热器行业提供更加广阔的开展空间。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开展的重点；要求产品性价比提高；

22、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；大工程工程青睐大企业或企业集团产品。随着动力、石油化工工业的开展，其设备也继续向着高温、高压、大型化方向开展。而换热器在结构方面也有不少新的开展。螺旋折流板换热器是最新开展起来的一种管壳式换热器是由美国ABB公司提出的。其根本原理为: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

23、况下传递相同热量时该换热器可减少的传热面积节省材料。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;根本不存在震动与传热死区不易结垢。对于低雷诺数下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、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

24、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。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

25、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，而坏一根U形管相当于

26、坏两根管，报废率较高。结构比拟简单、价格廉价，承压能力强，适用于管、壳壁温差较大或壳程介质易结垢需要清洗，又不适宜采用浮头式和固定管板 式的场合。特别适用于管内走清洁而不易结垢的高温、高压、腐蚀性大的物料。 图2-3 U形管式换热器（4） 填料函式换热器 填料函式换热器的结构如图2-4、2-5所示，这种换热器的结构特点与浮头式换热器相类似，浮头局部露在壳体以外，在浮头与壳体的滑动接触面处采用填料函式密封结构。由于采用填料函式密封 结构，使得管束在壳体轴向可以自由伸缩，不会产生壳壁与管壁热变形差而引起的热应力。其结构较浮头式换热器简单，加工制造方便，节省材料，造价比拟低廉，且管束从壳体内可以抽出

27、，管内、管间都能进行清洗，维修方便。因填料处易产生泄漏，填料函式换热器一般适用于以下的工作环境，且不适用于易挥发、易燃、易爆、有毒及贵重介质，使用温度也受填料的物性限制。填料函式换热器现在已很少采用。 图2-4 填料函双壳程换热器图2-5 填料函分流式换热器（5） 釜式重沸器 釜式重沸器的结构如图2-6所示，这种换热器的管束可以为浮头式、U形管式和固定管板式结构，所以它具有浮头式、U形管式换热器的特性。在结构上与其他换热器不同之处在于壳体上部设置一个蒸发空间，蒸发空间的大小由产气量和所要求的蒸气品质所决定。产气量大、蒸气品质要求高者蒸发空间大，否那么可以小些。此换热器与浮头式、U形管式换热器一

28、样，清洗维修方便，可处理不清洁、易结垢的介质，并能承受高温、高压。 图2-6 釜式重沸器2.2 选择换热器的类型 两流体温度变化情况： 热流体循环水进口温度：55，出口温度40； 冷流体冷却水进口温度：10，出口温度35； 对于黏度较低的流体，其定性温度可取流体进出口温度的平均值。 热流体的定性温度， 冷流体的定性温度；由于两流体温差小于，不必考虑热补偿。因此初步确定选择用固定管板式换热器。固定管板式换热器的两端和壳体连为一体，管子那么固定于管板上，它的结构简单，在相同的壳体直径内，排管最多，比拟紧凑，由于这种结构使壳侧清洗困难，所以壳程易用于不易结垢和清洁的流体。3 换热器的工艺设计3.1

29、工艺计算3.1.1 流径选择（1） 选择原那么 不清洁或易结垢的流体宜走容易清洗的一侧。对于直管管束，宜走管程；对 于U形管管束，宜走壳程。 腐蚀性流体宜走管程，以免壳体和管束同时被腐蚀。 压力高的流体宜走管程，以防止制造较厚的壳体。 为增大对流传热系数，需要提高流速的流体宜走管程，因管程流通截面积一 般比壳程小，且做成多管程也较容易。 两流体温差较大时，对于固定管板式换热器，宜将对流传热系数大的流体走 壳程， 以减少管壁与壳体的温差，减小热应力。 蒸气冷凝宜走壳程，以利于排出冷凝液。 需要冷却的流体宜选壳程，便于散热，以减少冷却剂用量。但温度很高的流 体，其热能可以利用，宜选管程，以减少热损

30、失。 黏度大或流量较小的流体宜走壳程，因有折流挡板的作用，在低下 即可到达湍流。（2） 选择流径 循环水相比照拟洁净，选择循环水走壳程，冷却水走管程，既有利于冷却水冷却效率高，也可借助外界温度加速循环水冷却。3.1.2 确定物性参数 由前面计算可知，循环水的定性温度为，冷却水的定性温度为. 根据定性温度，分别查取循环水和冷却水的有关物性参数，列表3-1如下： 表3-1 物性参数表物性壳程(循环水)管程(冷却水)符号数据符号数据密度 比热容 粘度导热系数进口温度5510出口温度40353.1.3 热负荷及冷却水用量计算 (1) 热负荷的计算 由于是冷却过程，故热负荷按热流体循环水计算。 热负荷：

31、 (2) 冷却水用量的计算 由有， 3.1.4 传热平均温度差的计算 根据间壁两侧流体温度沿传热面是否有变化，即是否有升高或降低，可将传热分为恒温传热和变温传热两类。假设间壁的一侧或两侧流体沿传热面的不同位置温度不同，即流体从进口到出口，温度有了变化，或是升高或是降低，这种情况的传热称为变温传热。在变温传热中，沿传热面温度差是变化的，所以在传热计算中需要求出传热过程的平均温度差。本设计就属于变温传热中两侧变温传热的情况。 根据两侧流体变温下的温度差变化情况，可分为逆流、并流、错流和折流。在逆流即冷、热两流体在传热面两侧流向相反操作时，热流体和冷流体用可以比并流操作时少，所以工程上多采用逆流操作

32、，在本设计中先按逆流计算，再校正。 先求逆流时的传热平均温度差： , ； 3.1.5 计算传热面积 根据热流体为循环水，冷流体为冷却水，根据?化工原理课程设计?12有表3-2取传热系数， 表3-2 管壳式换热器中值的大致范围 热流体 冷流体传热系数 水 水 轻油 水 重油 水 气体 水 水蒸汽冷凝 水 水蒸汽冷凝 气体 低沸点烃类蒸汽冷凝常压 水 高沸点烃类蒸汽冷凝常压 水 水蒸汽冷凝 水沸腾 水蒸汽冷凝 轻油沸腾 水蒸汽冷凝 重油沸腾 那么有估算的传热面积：3.1.6 计算工艺结构尺寸（1） 管径和管内流速 管径 选择管径时，应尽可能使流速高些，但一般不应超过规定的流速范围。 我国目前适用的

33、管壳式换热器系列标准中仅有换热管规格为： 、。采用小管径，可使单位体积的传热面积增大、结构紧凑、金属耗量减少、传热系数提高。据估算，将同直径换热器的换热管由改为，其传热面积可增加左右，节约金属以上，但小管径流体阻力大，不便清洗，易结构堵塞。一般大管径管子用于粘性大或污浊的流体，小直径管子用于较清洁的流体。所以本设计选用规格。 管内流速流体在壳程或管程中的流速增大，不仅对流传热系数增大，也可减少杂质沉积或结垢，但流体阻力也相应增大。故应选择适宜的流速，通常根据经验选取。根据?化工原理?P174有，管壳式换热器常用流速的范围如表3-3和不同黏度液体在列管换热器中的流速在钢管中如表3-4，由于冷却水

34、黏度小于，最大流速为，取管内流速10。 表3-3 管壳式换热器常用流速的范围 流体的种类 一般液体 易结垢液体 气体 流速 管程 壳程 表3-4 不同黏度液体在列管换热器中的流速在钢管中液体黏度 最大流速液体黏度最大流速 2管程数和换热管数流体从换热管的一端流到另一端，称为一个流程。在换热管长度和数量一定时，为了提高管内流速和传热效率，常采用管束分程的方法，使介质在管束内的流通面积减少，流程加长和流速提高。我国规定有1、2、4、6、8、10、12七种分程数，最常用的是2程和4程。依据换热管内径和流速确定单程传热管数：由有， ， 那么， 根，取整数根。 按单程管计算，所需的传热管长度为 按单管程

35、设计，传热管过长，宜采用多管程结构。根据本设计实际情况，采用标准设计，现取换热管长，那么该换热器管程数为管程。传热管总根数根3平均传热温差校正及壳程数 为提高传热效果，故需核算温差校正系数： ； ； 按单壳程、双管程结构，由和的值，查化工原理10教材传热章中的图得，即选用单壳程、双管程较为适宜。 实际传热平均温度差为4换热管排列和分程方法 在管壳式换热器中，换热管的空间排列方式常见的有同心圆、正三角形及正方形三种。换热管的排列应使其在整个换热器圆截面上均匀分布，同时还要考虑流体的性质，管箱结构及加工制造等方面的问题。同心圆排布多用在小直径换热管中，优点是管子与换热器壳壁间的距离较均匀，但管排数

36、超过6排时空间利用率不及后两种，故工业换热器中换热管的主要排列方式为正三角形及正方形排 列。正三角形及正方形排列按照管子相对壳程流体的流向，又可分为直列与错列又称转角排列，如图3-1所示。错列时壳程流体对换热管外壁的冲刷程度优于直列。因此，换热管的空间排列方式一般采用正方形错列或正三角形错列。 图3-1 排列方式 正三角形排列对壳程空间的利用率优于正方形排列，相同的壳体内径可排列更多的管子，但对壳程机械清洗的便利性不如后者，仅适用于壳程不需要清洗的固定管板式换热器。本换热器流体的性 质属于比拟洁净和不易结垢，因此采用正三角形排列8。采用组合排列法，即每程内均按正三角形排列，隔板两侧采用正方形排

37、列。 如图3-2所示。图3-2管子在管板上的排列布管限定圆：在设计时要将管束限制在限定圆内。根据GB 151-1999?管壳式换热器?5.6.3.3表13，对于固定管板式换热器，布管限定圆直径为其中，为固定管板式或U形换热器最外层换热管外外表至壳体内壁的最短距离，一般不小于，那么 。 管板上两换热管中心距离成为管心距。管心距取决于管板的强度、清洗管子外外表时所需的空隙、管子在管板上的固定方法等。 取管心距，那么：， 根据?化工设备课程设计指导?P10311，如表3-5，取。 表3-5 常用换热管中心距 换热管外径 101214161920 22 25换热管中心距13141619222526 2832换热管外径 303235384550 5557换热管中心距 384044485764 7072 根据?化工设备课程设计指