u型管换热器毕业设计说明书

u型管换热器毕业设计说明书内容摘要：

用率达到 80%～ 90%。 由此可见，工业炉烟气的余热回收，应首先满足炉内需要以节省炉用高质燃料；然后早考虑外部需要，争取得到更大的经济效益。 对于其他余热的回收，也应遵守以节约燃料为中心进行综合利用的原则。 由于工业余热分布广、形式各种各样，故节能方案也各不相同，但在各种节能方案中，换热器几乎是不可缺少的。 换热器的发展 换热器在工业中的应用，至少已有 200 余年的历史。 200 余年的换热器发展史，可大致划分为三个时期： 20 世纪以前为原始时期； 20 时间的前 50年为初步发展时期；近 30 余年为迅速发展时期。 （ 1）原始时期 这个时期的换热器大都是由铸铁管组装而成的管式换热器，主要用于动广东石油化工学院专科毕业设计： U 型管换热器设计 4 力、化工、钢铁等工业部门。 19 实际 50 年代，考贝尔和西门子分别发明了炼铁炉和炼钢炉用的蓄热室。 由于用蓄热室预热空气比用当时的金属换热器所能达到的温度高，因而逐渐取代了原始的铸铁管换热器，成为 19 世纪后50 年中工业炉的主要换热设备。 （ 2）初步发展时期 20 世纪初，换热器开始进入了一个新的发展时期 ─在科学理论指导下的初步发展时期。 在 20 世纪的前 50 年中，换热器的发展发生了如下变化： ① 管式换热器发展迅速 50 年代初， U 型管式、套管式、绕管式、蛇管式等各种管式换热器，其结构已近于比较完善的程度，许多国家都制订了系列标准。 随着冶金工业的发展，钢、合金钢、铝、钢等均已成为管式换热器广泛采用的材料。 为了提高换热器的效率， 30 年代已出现了肋片管式换热器。 这一时期，管式换热器在所有的换热设备中占据着绝对优势。 ② 出现了多种板式结构换热器 由于 “板式 ”传热表面的传热性能比 “管式 ”优越，相继出现了板式、螺旋板式、板肋式、板壳式等以板片为基本构件的换热器。 与管式换热器相比，这些板式结构换热器的突出优点是传热效率高、结构紧凑、质量 小、因此受到各工业部门的重视。 （ 3）迅速发展时期 进入 50 年代以后，科学技术和工业生产有了飞速发展，使换热器也进入了一个飞速发展时期。 ① 管式换热器的发展 随着强化传热技术的发展，各种型式的强化传热管相继出现。 在 U 型管式换热器中，强化传热管已被广泛采用，在提高传热效率、提高紧凑性和降低材料消耗等方面均取得了显著效果。 通过选用新型材料和对关键受力部件的改进，操作温度和压力都有了明显的提高，目前 U 型管式换热器的最高操作温度可达 1500℃ （压力为 8MPa）。 ② 板式结构换热器得到广泛应用 随着工艺和传热学的 发展，板式结构换热器在设计和生产上遇到的问题逐步得到解决，近 20 年来发展很快，已在许多工业部门中得到广泛应用。 在压力较低、温度不高、流量不很大的若干场合，各种板式结构换热器已逐步第一章 绪论 5 取代管式换热器。 其中的螺旋板式换热器作为一种高效换热设备，发展尤为迅速。 2．换热器的发展趋势 当前换热器发展的基本趋势将是：继续提高设备的传热效率，促进设备结构的紧凑性，加强生产制造的标准系列化和专业化，并在广泛的范围内继续向大型化的方向发展。 U 型管式换热器：由于它具有结构坚固、弹性大和使用材料范围广等独特的优点，今后仍将在广泛 的领域内得到继续发展。 尤其在高温、高压和大型化的场合下，更有其广阔的发展前途。 但为了加强其传热效率，在高温和高压的条件下，采用电焊焊接式的翅片管的结构将会得到重视和发展。 制造工艺上进一步机械化和自动以及起采用各种新技术，在发展 U 型管式换热器方面仍将占有重要的地位。 板式换热器：该种形式的换热器进一步发展的趋势，将是提高操作温度和操作压力，设计大型板片以增大它的处理量，扩大它的使用范围，并采用新的结构材料和新的制造工艺。 其中尤以研制新的垫片材料，改进密封结构，增强板片的刚度，以便提高操作温度和操作压力，扩大使 用范围等，将是今后发展的重点。 螺旋板换热器的近期发展，将对其各种结构形式的换热器扩大其应用场合，同时，如何进一步提高其承压能力，增大处理量，并改进焊接工艺，以适应石油及化学工业的要求。 1． 2 换热器的分类及其特点 换热器的类型随工业发展而增多 ,早期的换热设备由于制造工艺和科学反应产物平的限制 ,多有结构简单、换热面积小和体积较大等特征。 在化工生产中，由于用途、工作条件和热载体的特性等的不同，对换热器提出了不同的要求，所以出现了各种不同形式和结构的换热器。 为了便于区分和分析研究，可将换热器按下列方式进行 分类。 换热器的分类 1．按作用原理或传热方式分类 （ 1）混合式换热器 它是利用两种换热流体的直接接触与混合的作用来进行热量交换的。 混合式换热器操作的一个主要因素，就是要使两种流体的接触面积尽可能大，以促进它们之间的热量交换。 为了获得更大的接触面积，可在设备中防止隔栅填料，有时也可把液体喷成细滴。 此类设备通常做成塔状。 广东石油化工学院专科毕业设计： U 型管换热器设计 6 （ 2）蓄热式换热器 它是让两种温度不同的流体先后通过同一种固体填料的表面，首先让热流体通过，把热量蓄积在填料中，然后，当冷流体再通过时，将热量带走，这样在填料被加热和被冷却 的过程中，进行着热流体和冷流体之间的热量传递。 在使用这种换热器时，不可避免地会使两种流体有少量混合，且必然是成对的使用，即当一个通入热流体时，另一个则通入冷流体，并靠自动阀进行交替切换，使生产得以连续进行。 （ 3）间壁式换热器 它是利用一种固体壁面将进行热交换的两种流体隔开，使它们通过壁面进行传热。 这种形式的换热器使用最广泛。 2．按生产中使用目的分类 即分为冷却器、加热器、冷凝器、汽化器（或再沸器）和换热器等。 3．按换热器所用材料分类 一般可把换热器分成金属材料和非金属材料两类。 4．按换热器传 热面的形状和结构分类 它用于区分各种形式的间壁式换热器。 其分类有： （ 1）通过管壁传热的换热器（即 “管式 ”） ① 蛇管式换热器 ② 套管式换热器 ③ U 型管式换热器：这类换热器又可分为 U 型管式、 U 形管式和浮头式。 （ 2）通过板面传热的换热器（即 “板面式 ”） ① 螺旋板式换热器 ② 板式换热器 ③ 伞板式换热器 ④ 板翅式换热器 ⑤ 板壳式换热器 （ 3）其它形式的换热器 这类换热器一般都是为了满足某些特殊要求而出现的，有些还处于发展阶段，其中比较成熟的，如回转式换热器和热管等。 第一章 绪论 7 1． 3 U 型管式换热器的设计 U 型管 式换热器的设计资料较完善，已有系列化标准。 目前我国 U 型管式换热器的设计、制造、检验、验收按 “钢制 U 型管式换热器 ”（ GB151）标准执行。 U 型管式换热器的设计和分析包括热力设计、流动设计、结构设计以及强度设计。 其中以热力设计最为重要。 不仅在设计一台新的换热器时需要进行热力设计，而且对于已生产出来的，甚至已投入使用的换热器在检验它是否满足使用要求时，均需进行这方面的工作。 热力设计指的是根据使用单位提出的基本要求，合理地选择运行参数，并根据传热学的知识进行传热计算。 流动设计主要是计算压降，其目的就是为换热器 的辅助设备 —例如泵的选择做准备。 当然，热力设计和流动设计两者是密切关联的，特别是进行热力计算时常需从流动设计中获取某些参数。 结构设计指的是根据传热面积的大小计算其主要零部件的尺寸，例如管子的直径、长度、根数、壳体的直径、折流板的长度和数目、隔板的数目及布置以及连接管的尺寸等等。 在某些情况下还需对换热器的主要零部件 —特别是受压不均做应力计算，并校核其强度。 对于在高温高压下工作的换热器，更不能忽视这方面的工作。 这是保证安全生产的前提。 在做强度计算时，应尽量采用国产的标准材料和部件，根据我国压力容器安全技术规 定进行计算或校核。 广东石油化工学院专科毕业设计： U 型管换热器设计 8 第二章 换热器的工艺计算 U型管式换热器的工艺设计只要包括以下内容： 1． 根据换热任务和有关要求确定设计方案； 2． 初步确定换热器的结构和尺寸； 3． 核算换热器的传热面积和流体阻力； 4． 确定换热器的工艺结构。 2． 1 设计条件 表 21 设计条件 壳程 管程 流体名称 混氢油 反应产物 总流量（ t/h） 25 工作温度 / 进 / 出 (℃ ) 134/316 370/210 压力 /(MPa) 2． 2 确定物性数据 在以上条件下，查得其基本物性数据为： 表 22 物性数据 介 质 密度（ kg/m3） 比热容（ KJ/kg℃ ） 黏度（ Pas） 导热系数（ W/(m℃ )） 反应产物 994 4． 174 0． 735103 0． 626 混氢油 789 103 2． 3 符号说明  0——热流体的密度， kg/m3；  0——热流体的黏度， Pas；第二章 换热器的工艺计算 9  0——热联体的导热系数， W/(m℃ )； 0Cp ——热流体的比热容， KJ/kg℃ ； iCp ——冷流体的比热容， KJ/kg℃ ；  i——冷流体的密度， kg/m3  i——冷流体的黏度，  i——冷流体的导热系数， Tn ——换热管数目。 2． 4 流体走向的确定 两流体为均不发生相变的传热过程，因反应产物的对流传热系数一般较大，且易结垢，故选择冷却反应产物走换热器的管程，混氢油走壳程。 2． 5 估算传热面积，初选换热器的规格 计算热负荷和冷却反应产物的用量 )( 00 ih TTCpWQ  = 32 5 0 0 0 2 .3 9 1 0 ( 3 1 6 1 3 4 ) / 3 6 0 0 3 0 2 0 6 9 4 W   （ 21） )( 0ttCp QW iic  = 33 0 2 0 6 9 4 3 6 0 0 1 6 2 8 3 /4 . 1 7 4 1 0 ( 3 7 0 2 1 0 ) k g h    （ 22） 式中 hW ——热流体的质量流量 kg/s； cW ——冷流体的质量流量 kg/s； 0Cp ——热流体的比热容， KJ/kg℃ ； iCp ——冷流体的比热容， KJ/kg℃ ； iTT,0 ——热流体始末的温度， ℃ ； 0t ， it ——冷流体的始末温度， ℃。 计算两流体的平均温度差 广东石油化工学院专科毕业设计： U 型管换热器设计 10 ( 316 134) ( 370 210)316 134lnln370 210hcmhcttt tt       =230176。 C （ 23） 而 2570 3512500  tt TTR i i 000 ittP Tt （ 24） 查得： t。 所以 00 .8 6 2 3 0 1 9 7 . 8m t mt t C        （ 25） 初选换热器的规格 根据两流体的情况，假设 )/(300 2 CmWK  ，故 23020694 5 0 .93 0 0 1 9 7 .8p mQAmKt   （ 26） 式中 PA ——估算传热面积， 2m ； cA ——实际传热面积， 2m。 初步选用 U 型管式式换热器。 据此，由换热器系列标准初选换热器为下表所示： 表 23 初选换 热器参数 壳径 /mm 600 管子尺寸 /mm 20 25 中心排管数 16 管长 /m 管程流通面积 /m2 管子总数 241 管程数 2 管子排列方法 正三角形 实际传热面积 22 3 2 3 .1 4 0 .0 2 5 ( 4 .5 0 .1 ) 8 0 .1cA n d L m      （ 27） 若选择该型号的换热器，则要求过程的总传热系数为 290w。 2． 6 换热管的排列和管心距 —般说来，正三角形排列在相同的管板面积上可排较多的管子，而且管外表面传热系数较大，但正三角形排列时管外机械清洗较为困难，而认 管外流体的流动阻力也较大。 在本设计中壳程中介质混氢油是非腐蚀性介质利于清洗，但由于是多管程结构，采用组合排列方法。 每一程内都采用正三角形排列，而在各程之间为了便于安装隔板，采用矩形排列方法。 所以本设计采第二章 换热器的工艺计算 11 用常规的正三角形排列。 管心距 25 5otd  。