固定管板式换热器的设计毕业设计(编辑修改稿)

固定管板式换热器的设计毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

第 1 章 文件综述 4 定管板式热交换器的设计计算，则着重介绍固定管板式热交换器。 固定管板式热交换器结构简介 固定管板式热交换器由管板、管箱、壳程、管子等零部件组成，管束连接在管板上，管板和壳体之间焊接，管束两端用胀接或焊接的方法将管子固定在管板上，壳体进出口管直接焊接在筒体上，管板外圆周和封头法兰直接用螺栓紧固，管程的进出口管直接焊接在管箱上，管束内根据换 热管长度设置多块折流板，这类换热器的管程可以用隔板分程多个程数。 固定管板式热交换器的优点是结构简单、紧凑，并可以承受较高的压力，造价低，管程的清洗方便，管子损坏的时候易于堵管或者更换；缺点是当管束和壳体的壁温或者材料的线膨胀系数差别较大时，壳体和管束中的热应力较大。 这种热交换器适用于壳侧介质比较清洁而且不容易结构并能进行清洗，管、壳程两侧的温差较小或温差较大但是壳侧的压力不高的场合。 在管壳式热交换器的基本设计方法中，要在满足工艺过程要求的前提下，达到安全和经济的目标。 热交换器的设计中的主要任务有参数选择、结构设计、传热计算和压降计算等。 设计主要包括了管子排列、管子支承结构、管程数、管长、壳体形式、热交换器类型、冷热流体流动通道等工艺计算和壳体、封头、管板等零部件的结构、强度设计计算。 热交换器的工艺设计计算依据设计任务的不同可以分为设计计算和校核计算，包括换热面积的计算与选型两方面。 一般情况下已知冷流体和热流体的物性和处理量。 进出口压力和温度由工艺方面的要求来确定。 在设计中需要选择或确定 的有三大类数据：结构数据、物性数据和工艺数据。 设计计算是根据已知的数据来计算热交换器的换热面积，从而来决定这个热交换器所需要的结构，可以来选定已有的标准热交换器；而校核计算则是对已经有的热交换器进行一些运行参数的核定，校核它是否满足预定的要求。 热交换器的各零部件的设计和选择依据的标准是 GB15120xx[2]《 热交换器》。 热交换器分为管程和壳程，流经换热管的内通道以及其相贯通的部分称之为管程，流经换热管外通道以及与其相贯通的部分称为壳程。 整个热交换器的设计过程中，由于热交换器是压力容器的一种，则 GB15020xx[3]《钢制压力容器》也是一个运用较多的标准，其他对法兰、垫片的标准则选用新的能源部发布的HG/T2061520xx[4] 《钢制管法兰》，螺纹的选择用到了 GB/T19620xx[5]《螺纹规格标准》，而在制作过程中的选用则用到的是 ~[6]《容器支座》，在整体的设计中，熟练运用标准是一项非常重要的技能。 中国石油大学（北京）本科毕业设计 5 在管程结构当中，换热管占了整个热交换器的大部分重量，换热管除了光管之外还能采用各式各样的强化传热管，比如翅片管、螺纹管、螺旋槽管等。 当管内外两侧的给热系数较大的时候，翅片管的翅片布置应在给热系数较低的一侧。 换热管是具有标准的尺寸（外径壁厚）的钢管，主要分为无缝钢管和不锈钢管。 在设计热交换器的时候，采用小管径的换热管时，可使传热系数提高、单位面积的传热面 积增大、金属耗量减少、结构紧凑。 据简单的估算，将同直径热交换器的换热管尺寸由 φ25mm改为 φ19mm，传热面积便可以增加 40% 左右，同时节约20% 以 上的 金属。 但小管径的流体有较大阻力，且不方便清洗，容易结垢堵塞。 通常情况下，大直径的管子用于黏性较大或污浊的流体，小管径的管子则用于相对较清洁的流体。 换热管常用的材料通常有碳素钢、铜、铜镍合金、铝合金、低合金钢、不锈钢、钛等。 除此之外，也能够用一些非金属材料，如陶瓷、石墨、聚四氟乙烯等。 换热管的排列方式主要有正方形、转角正三角形、正三角形、转角正方形等。 正三角形的排列方式能够在相同的管板上排列最多的管数，所以用的最普遍，但是管外不便于清洗。 为便于管外清洗，可采用正方形或转角正方形排列的管束。 管板是管壳式热交换 器里面最重要的零部件之一，其作用是排布换热管。 将管程和壳程的流体分开，避免冷热流体的混合，同时受到管程、壳程的压力和温度的作用。 管板在选材的时候不仅要考虑力学性能，还要考虑管程和壳程流体的腐蚀性，以及管板和换热器之间存在的电位差对腐蚀的影响。 当流体腐蚀较低或者基本没有腐蚀性的时候，管板一般采用压力容器用的碳素钢或者锻件或低合金钢板来制造。 当流体的腐蚀性较强时，管板应采用耐腐蚀材料，如不锈钢钛、铝、铜、等。 对于厚度较大的管板，为达到降低造价，工程上常采用钛 +钢、不锈钢 +钢、钛 +钢等复合板，或堆焊衬里。 在热交换 器承受高温、高压时，高温、高压对管板的要求是具有矛盾的。 增大管板的厚度，管板便可以承受更大的压力，但是当管板两侧的温差较大的时候，沿管板内部厚度方向的热应力会增大；若减小管板的厚度，可以适当的降低它的热应力，但是承压能力会下降一些。 而且，在开车和停车的时候，由于厚管板的温度变化较慢，换热管壁厚薄，温度变化较快，所以在换热管和管板的连接处会产生出较大的热应力，大的热应力往往会导致换热管和管板连接的地方发生破坏。 因此，在满足强度的要求下，应尽量减少管板的厚度。 管板设计时的基本考虑是：把实际复杂的管板简化为承受均 匀分布的载荷，置于弹性的基础上并且受到在管孔有平均削弱作用的当量圆板。 同时也在这个基础上考虑管束对于管板的挠度有约束作用，但忽略对于管板的转角具有约束作用；管板周边没有布管区域对管板有应力影响，把管板划分成为两个区，即靠第 1 章 文件综述 6 近中央的布管区和靠近周边较窄的不布管区；不同结构形式的热交换器，管板边缘处具有不同形式的连接结构，根据具体的情况，考虑了壳体、法兰、管箱、封头、垫片等元件对管板边缘转角产生的约束作用；管板兼做法兰时，法兰力矩对管板应力的影响。 管板的设计思路包括管板的弹性分析、危险工况、管板应力校核、管板应力 调整。 总体下来，管板的计算非常复杂，手算的工作量很大，目前我国已开发出过程设备强度计算的软件，比如 SW6，在实际工程计算中运用软件计算便会大大缩短设计计算的工作量 [7]。 管箱位于换热器的两端，其作用是将管道输送过来的流体均匀分布到各个换热管，把管内的流体汇聚在一起并送出热交换器。 在多管程热交换器里，管箱还能起到改变流体流向的作用。 管程是在管内流动着的流体从一端流到另一端，在管壳式热交换器中，最简单的是单管程的热交换器。 根据工艺设计要求，需要增加换热面积的时候，可采用增加换热管的长度或管数的方法。 过于加长 换热管的长度会受到加工、运输、安装及维修等多方面的限制，因此经常用增加管数的方法来实现换热面积的增加。 管板与换热管的连接是管壳式热交换器的设计、制造中最关键的技术之一，也是热交换器出事故率最高的部位，所以，热交换器中管板和换热管的连接质量的好坏直接影响了热交换器的使用效果和使用寿命。 主要有采用强度胀接、强度焊、胀焊并用的方法 [8]。 在壳程结构中主要由壳体、折流板或折流杆、拉杆、防冲挡板、纵向隔板、防短路结构等元件组成。 壳体一般情况下是个圆筒，在筒壁上焊有接管，可以流入和排出流体。 折流板的设置是为了提 高壳程流体的流速并增加湍动，使壳程流体垂直地冲刷管束，改善传热，增加壳程流体的传热系数，减少结垢。 在卧式热交换器中，折流板的还有支承作用。 折流板一般是等间距布置，管束两端的折流板应放置在靠近壳程进出口接管。 折流板上的管孔和换热管之间的间隙、折流板和壳体内壁之间的间隙应该符合要求，间隙过大会泄漏严重，对传热不利，还会引起振动；间隙过小，会使安装困难。 折流板一般采用拉杆和定距管连接在一起 [9]。 其他零部件可根据需求来设定或者选用，如折流杆、防短路结构（挡管、旁路挡板、中间挡板）、防冲板、支座、静电接地板、铭牌 等。 上述基本设计主要在工程设计中用到的为主，当今社会是一个不断发展和进步的社会，能源和资源的紧缺让人们不得不努力开发新型的 热交换器 ，研究新型的高效的 热交换器 元件，各工业部门都在努力发展大容量、高性能的设备，减少设备的投资和使用费用。 当今的化工等生产中的环境更加恶劣，介质的腐蚀、毒性等情况会更加突出，所以新型材料也不断的加入 热交换器 的设计制造中。 中国石油大学（北京）本科毕业设计 7 在这样的世界大环境下，各国都加快了先进 热交换 技术和节能技术的发展。 我国十分重视传热强化和热能的回收利用这些方面的研究和开发工作，开发了适用于不同的工业生产过程要 求的高效 热交换 设备来提高经济效益，并且取得了丰硕的成果。 其中，传热强化和节能技术是 热交换技术 研究的主体方向。 传热强化是改善传热性能的技术，可以通过提高和改善传热速率，来达到使用最经济的传热设备来传递一定热量的目的，也可以通过提高传热系数、增加平均传热温差、扩大换热面积等来实现。 目前还普遍用槽管、翅片管、螺纹管、波纹管等新型管子来扩展表面以达到强化传热。 同时也常会有通过改变壳程挡板结构、改变管束支承结构等方法来减少或者消除壳程的流动和传热的滞留死区，从而使换热面积能够得到充分得利用，达到壳程强化传热的效果 [10]。 总之，在这个能源紧缺的时代，对热量的充分利用显得尤为重要。 在这个大发展的背景下，我国的 热交换器 也取得了巨大的突破，但是由于我国的热交换器起步相对较晚，在一些高端热交换器领域，比如模型化技术、电脑程序应用于设计计算、高新材料在 热交换器 的运用等方面相对于发达国家较薄弱。 而且我国的化工、炼油、轻工业等正处于快速发展的阶段，提高热交换器的本土效率和产量便可以减少大量的热交换器进口，并能有效的减少国内大多数需要用到热交换器公司的开支，同时也能促进我国热交换器的大发展。 热交换器的优化 热交换器 的优化升级是重要的研究方向。 祁飞，刘国振，贾晓艳在《固定管板式换热器热处理有关问题的探讨》 [11]一文中分析道，设备是否进行焊后热处理选用哪种热处理，应首先分析其热处理的目的，充分理解标准中含义，再做出正确的选择，从而才能设计且制造出合格产品。 热交换器 的优化主要从结构设计、制作工艺、热处理、新技术开发应用等方面出发，用以提高换热效率、延长使用寿命、升级控制方案。 刘执彬、徐勇在《固定管板换热器传热效率影响因素分析》[12]一文中，总结固定管板换热器传热效率的影响因素有：流动路线及防短路设置、折流板间距、管束在 壳程接管进口或出口处的流通面积。 并建议，根据工艺设计参数（介质流速、压力降等）依据伯努利方程确定介质在换热器内的流速，再以此流速来设计折流板弓高和间距。 周蕾在《固定管板式换热器的研究与优化》 [13]中，对固定管板式 热交换器 的固定管板厚度随工作压力 (壳程与管程压力 )改变的变化情况和不同 热交换器 公称直径条件下的管板布管情况进行了系统的研究，采用线性加权法对固定管板式 热交换器 的整体进行了优化。 陈文星，陈士玮在《换热 第 1 章 文件综述 8 器优选的灰靶决策法》 [14]一文中， 灰靶理论应用到 热交换器 设计方案的评价与优选中，取得了与采用其 他方法分析一致的结果，显示了它的有效性和实用性。 而且整个分析过程简便，为其他一般化工设计方案优选提供 了一种实用的方法。 王伟，商玉坤，王立刚在《焦化厂粗煤气冷却用固定管板式换热器改进》 [15]提出了结构设计上 的改进和制造过程中的几个问题。 王武超，赵竞全在《冷凝器动态性能仿真研究》 [16]一文中应用移动边界法（ MB)对冷凝器建立了动态仿真数学模型，模型体现了冷凝器内各个相区长度随时间的变化，模型最终可以化为常微分线性方程组的形式，在求解上更为方便且兼顾了仿真的效率和精度，模型可提供冷凝器详细的性能参数；研究 了在系统不同的控制参数阶跃情况下冷凝器的动态响应，获得了冷凝器的动态特性，冷凝器的动态特性是冷凝器动态优化设计和编制系统控制规律的基础。 该文中的冷凝器建模方法适合于系统级仿真研究。 况莉在《循环水换热器泄漏故障分析和对策》 [17]一文中，提出了循环水换热器泄漏故障分析和对策，使得换热器运行效果良好，达到了降低维修费用，保证装置长周期稳定运行的目的，为以后类似换热器的维护改造提供了有益的经验。 刘维亭，张冰，朱志宇在《主冷凝器模糊控制系统设计》 [18]一文中，从主冷凝器的特性出发，对真空－凝水过冷度控制系统进行了 深入地研究，详细阐述了系统的设计准则、设计模型及实现方法。 该系统硬件采用了数字信号处理芯片，以保证系统的实时性，软件采用了模糊－神经网络算法以克服系统模型的不确定性。 设计出了工作稳定可靠，具有较强的鲁棒性的换热系统。 中国石油大学（北京）本科毕业设计 9 第 2 章 热力计算 原始数据和基本符号 原始数据表 表 原始数据表 Table Raw data table 管程 壳程 工作介质 流体名称 回流液 原油 气相密度 流体密度（ kg/） 701 798k 污垢热阻值 (℃ /W) 物性 μ（ kg/(ms)） 10 10 (kJ/(kg℃ )) λ（ W/（ m℃ ）） 操作压力 正常 /最大 MPa（ G） 进 /出口操作温度（ ℃ ） 194/ 环境温度 （ ℃ ） 壁温 （ ℃ ） 进口管流体流速（ m/s） 主要材料 （推荐） 碳素钢 碳素钢 腐蚀速率 （ mm/a） 基本符号 A ——壳程圆筒的内径横截面积， 2mm ； dA ——在 布。