列管式換熱器設(shè)計(jì)方案

/列管式換熱器設(shè)計(jì)方案第一節(jié)舉薦的設(shè)計(jì)程序一、工藝設(shè)計(jì)1、作出流程簡圖。2、按生產(chǎn)任務(wù)計(jì)算換熱器的換熱量Q。3、選定載熱體，求出載熱體的流量。4、確定冷、熱流體的流淌途徑。5、計(jì)算定性溫度，確定流體的物性數(shù)據(jù)（密度、比熱、導(dǎo)熱系數(shù)等）。6、初算平均傳熱溫度差。7、按閱歷或現(xiàn)場數(shù)據(jù)選取或估算Ｋ值，初算出所需傳熱面積。8、依據(jù)初算的換熱面積進(jìn)行換熱器的尺寸初步設(shè)計(jì)。包括管徑、管長、管子數(shù)、管程數(shù)、管子排列方式、殼體內(nèi)徑（需進(jìn)行圓整）等。9、核算Ｋ。10、校核平均溫度差D。11、校核傳熱量，要求有15－25％的裕度。12、管程和殼程壓力降的計(jì)算。二、機(jī)械設(shè)計(jì)1、殼體直徑的確定和殼體壁厚的計(jì)算。2、換熱器封頭選擇。3、換熱器法蘭選擇。4、管板尺寸確定。5、管子拉脫力計(jì)算。6、折流板的選擇和計(jì)算。7、溫差應(yīng)力的計(jì)算。8、接管、接管法蘭選擇及開孔補(bǔ)強(qiáng)等。9、繪制主要零部件圖。三、編制計(jì)算結(jié)果匯總表四、繪制換熱器裝配圖五、提出技術(shù)要求六、編寫設(shè)計(jì)說明書其次節(jié)列管式換熱器的工藝設(shè)計(jì)一、換熱終溫的確定換熱終溫對換熱器的傳熱效率和傳熱強(qiáng)度有很大的影響。在逆流換熱時，當(dāng)流體出口終溫順熱流體入口初溫接近時，熱利用率高，但傳熱強(qiáng)度最小，須要的傳熱面積最大。為合理確定介質(zhì)溫度和換熱終溫，可參考以下數(shù)據(jù)：1、熱端溫差（大溫差）不小于20℃。2、冷端溫差（小溫差）不小于5℃。3、在冷卻器或冷凝器中，冷卻劑的初溫應(yīng)高于被冷卻流體的凝固點(diǎn)；對于含有不凝氣體的冷凝，冷卻劑的終溫要求低于被冷凝氣體的露點(diǎn)以下5℃。二、平均溫差的計(jì)算設(shè)計(jì)時初算平均溫差Dtｍ，均將換熱過程先看做逆流過程計(jì)算。1、對于逆流或并流換熱過程，其平均溫差可按式（2－1）進(jìn)行計(jì)算：（2—1）式中，、分別為大端溫差和小端溫差。當(dāng)時，可用算術(shù)平均值。2、對于錯流或折流的換熱過程，若無相變更，則要進(jìn)行溫差校正，即用公式（2－2）進(jìn)行計(jì)算。（2－2）式中是按逆流計(jì)算的平均溫差，校正系數(shù)可依據(jù)換熱器不同狀況由化工原理教材有關(guān)插圖查出。一般要求＞0.8，否則應(yīng)改用多殼程或者將多臺換熱器串聯(lián)運(yùn)用。三、傳熱總系數(shù)Ｋ的確定計(jì)算Ｋ值的基準(zhǔn)面積，習(xí)慣上常用管子的外表面積。當(dāng)設(shè)計(jì)對象的基準(zhǔn)條件（設(shè)備型式、雷諾準(zhǔn)數(shù)Re、流體物性等）和某已知Ｋ值的生產(chǎn)設(shè)備相同或相近時，則可接受已知設(shè)備Ｋ值的閱歷數(shù)據(jù)作為自己設(shè)計(jì)的Ｋ值。表2－1為常見列管式換熱器Ｋ值的大致范圍。由表2－1選取大致Ｋ值，表2-1列管式換熱器中的總傳熱系數(shù)K的閱歷值冷流體熱流體總傳熱系數(shù)W/m2.℃水水850-1700水氣體17-280水有機(jī)溶劑280-850水輕油340-910水重油60-280有機(jī)溶劑有機(jī)溶劑115-340水水蒸汽冷凝1420-4250氣體水蒸汽冷凝30-300水低沸點(diǎn)烴類冷凝455-1140水沸騰水蒸蒸汽冷凝2000-4250輕油沸騰水蒸汽455-1020用式（2－3）進(jìn)行Ｋ值核算。（2－3）式中：a－給熱系數(shù)，W/m2.℃；R－污垢熱阻，m2.℃／W；δ－管壁厚度，mm；λ－管壁導(dǎo)熱系數(shù)，W/m.℃；下標(biāo)ｉ、ｏ、ｍ分別表示管內(nèi)、管外和平均。當(dāng)時近似按平壁計(jì)算，即：在用式（2－3）計(jì)算Ｋ值時，污垢熱阻、通常接受閱歷值，常用的污垢熱阻大致范圍可查《化工原理》相關(guān)內(nèi)容。式中的給熱系數(shù)a，在列管式換熱器設(shè)計(jì)中常接受有關(guān)的閱歷值公式計(jì)算給熱系數(shù)a，工程上常用的一些計(jì)算a的閱歷關(guān)聯(lián)式在《化工原理》已作了介紹，設(shè)計(jì)時從中選用。四、傳熱面積A的確定工程上常將列管式換熱器中管束全部管子的外表面積之和視為傳熱面積，由式（2－4）和式（2－5）進(jìn)行計(jì)算。（2－4）（2－5）式中：－基于外表面的傳熱系數(shù)，W/m2.℃－管子外徑，ｍ；L－每根管子的有效長度，ｍ；n－管子的總數(shù)管子的有效長度是指管子的實(shí)際長度減去管板、擋板所占據(jù)的部分。管子總數(shù)是指圓整后的管子數(shù)減去拉桿數(shù)。五、主要工藝尺寸的確定當(dāng)確定了傳熱面積后，設(shè)計(jì)工作進(jìn)入換熱器尺寸初步設(shè)計(jì)階段，包括以下內(nèi)容：1、管子的選用。選用較小直徑的管子，可以提高流體的對流給熱系數(shù)，并使單位體積設(shè)備中的傳熱面積增大，設(shè)備較緊湊，單位傳熱面積的金屬耗量少，但制造麻煩，小管子易結(jié)垢，不易清洗，可用于較清潔流體。大管徑的管子用于粘性較大或易結(jié)垢的流體。我國列管式換熱器常接受無縫鋼管，規(guī)格為外徑×壁厚，常用的換熱管的規(guī)格：φ19×2，φ25×2.5，φ38×3。管子的選擇要考慮清洗工作的便利及合理運(yùn)用管材，同時還應(yīng)考慮管長和管徑的協(xié)作。國內(nèi)管材生產(chǎn)規(guī)格，長度一般為：1.5，2，2.5，3，4.5，5，6，7.5，9，12ｍ等。換熱器的換熱管長度和殼徑之比一般在6－10，對于立式換熱器，其比值以4－6為宜。殼程和殼程壓力降，流體在換熱器內(nèi)的壓降大小主要確定于系統(tǒng)的運(yùn)行壓力，而系統(tǒng)的運(yùn)行壓力是靠輸送設(shè)備供應(yīng)的。換熱器內(nèi)流體阻力損失（壓力降）越大，要求輸送設(shè)備的功率就越大，能耗就越高。對于無相變的換熱，流體流速越高，換熱強(qiáng)度越大，可使換熱面積減小，設(shè)備緊湊，制作費(fèi)低，而且有利于抑制污垢的生成，但流速過高，也有不利的一面，壓力降增大，泵功率增加，對傳熱管的沖蝕加劇。因此，在換熱器的設(shè)計(jì)中有個適宜流速的選取和合理壓力降的限制問題。一般閱歷，對于液體，在壓力降限制在0.01～0.1MPa之間，對于氣體，限制在0.001～0.01MPa之間。表2－2列出了換熱器不同操作條件壓力下合理壓降的閱歷數(shù)據(jù)，供設(shè)計(jì)參考。表2－2列管式換熱器合理壓降的選取換熱器操作狀況負(fù)壓運(yùn)行低壓運(yùn)行中壓運(yùn)行（包括用泵輸送液體）較高壓運(yùn)行P<0.17P>0.17操作壓力（MPa絕壓）P=0～0.1P=0.1～0.17P＝0.17～1.1P=1.1～3.1P=3.1～8.2合理壓降（MPa）DP＝P/10DP＝ｐ/2DP=0.035△ｐ=0.035～0.18△ｐ=0.07～0.252、管子總數(shù)n的確定。對于已定的傳熱面積，當(dāng)選定管徑和管長后便可求所需管子數(shù)ｎ，由式（2－6）進(jìn)行計(jì)算。（2－6）式中－傳熱面積，；－管子外徑，m；L－每根管子的有效長度，m；計(jì)算所得的管子n進(jìn)行圓整3、管程數(shù)m的確定。依據(jù)管子數(shù)n可算出流體在管內(nèi)的流速，由式（2－7）計(jì)算。（2－7）式中vs－管程流體體積流量，－管子內(nèi)徑，m；n－管子數(shù)。若流速和要求的適宜流速相比甚小時，便需接受多管程，管程數(shù)ｍ可按式（2－8）進(jìn)行計(jì)算。ｍ＝u／（2－8)式中—用管子數(shù)n求出的管內(nèi)流速，ｍ／ｓ；u－要求的適宜流速，ｍ／ｓ；式（2－8）中的適宜流速u要依據(jù)列管式換熱器中常用的流速范圍進(jìn)行選定，參見《化工原理》相關(guān)內(nèi)容，一般要求在湍流下工作（高粘度流體除外），和此相對應(yīng)的Re值，對液體為5×103，氣體則為-。分程時，應(yīng)使每程的管子數(shù)大致相等，生產(chǎn)中常用的管程數(shù)為1、2、4、6、四種。4、管子的排列方式及管間距的確定。管子在管板上排列的原則是：管子在整個換熱器的截面上勻整分布，排列緊湊，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，便利制造并適合流體的特性。其排列方式通常為等邊三角形和正方形兩種，也有接受同心圓排列法和組合排列法。在一些多程的列管式換熱器中，一般在程內(nèi)為正三角形排列，但程和程之間常用正方形排列，這對于隔板的安裝是很有利的，此時，整個管板上的排列稱為組合排列。對于多管程的換熱器，分程的縱向隔板占據(jù)了管板上的一部分面積，實(shí)際排管數(shù)比理論要少，設(shè)計(jì)時實(shí)際的管數(shù)應(yīng)通過管板布置圖而得。在排列管子時，應(yīng)先確定好管間距。確定管間距時應(yīng)先考慮管板的強(qiáng)度和清理管子外表時所需的方法，其大小還和管子在管板上的固定方式有關(guān)。大量的實(shí)踐證明，最小管間距的閱歷值為：焊接法脹接法，一般取(1.3～1.5)管束最外層管子中心距殼體內(nèi)表面距離不小于。5、殼體的計(jì)算。列管式換熱器殼體的內(nèi)徑應(yīng)等于或稍大于（對于浮頭式換熱器）管板的直徑，可由式（2－9）進(jìn)行計(jì)算。Di＝a（b－1）＋2L（2－9）式中Di－殼體內(nèi)徑，mm；a－管間距，mm；b－最外層六邊形對角線上的管子數(shù)；L－最外層管子中心到殼體內(nèi)壁的距離，一般取L=(1～1.5)，mm；若對管子分程則Di＝f＋2Lf值的確定方法：可查表求取，也可用作圖法。當(dāng)已知管子數(shù)n和管間距a后起先按正三角形排列，直至排好ｎ根為止，再統(tǒng)計(jì)對角線上的管數(shù)。計(jì)算出的殼徑Di要圓整到容器的標(biāo)準(zhǔn)尺寸系列內(nèi)。第三節(jié)列管式換熱器機(jī)械設(shè)計(jì)在化工企業(yè)中列管式換熱器的類型很多，如板式，套管式，蝸殼式，列管式。其中列管式換熱器雖在熱效率、緊湊性、金屬消耗量等方面均不如板式換熱器，但它卻具有結(jié)構(gòu)堅(jiān)實(shí)、牢靠程度高、適應(yīng)性強(qiáng)、材料范圍廣等特點(diǎn)，因此成為石油、化工生產(chǎn)中，尤其是高溫、高壓和大型換熱器的主要結(jié)構(gòu)形式。列管式換熱器主要有固定管板式換熱器、浮頭式換熱器、填函式換熱器和U型管式換熱器，而其中固定管板式換熱器由于結(jié)構(gòu)簡潔，造價低，因此應(yīng)用最普遍。列管式換熱器機(jī)械設(shè)計(jì)包括：1、殼體直徑的確定和殼體壁厚的計(jì)算。2、換熱器封頭選擇。3、壓力容器法蘭選擇。4、管板尺寸確定。5、管子拉脫力的計(jì)算。6、折流板的選擇和計(jì)算。7、溫差應(yīng)力的計(jì)算。8、接管、接管法蘭選擇及開孔補(bǔ)強(qiáng)等。9繪制主要零部件圖和裝配圖。下面分述如下：一、殼體直徑的確定和殼體壁厚的計(jì)算。1、已知條件：由工藝設(shè)計(jì)知管程和殼程介質(zhì)種類、溫度、壓力、殼和壁溫差、以及換熱面積。2、計(jì)算(1)管子數(shù)n：列管式換熱器常用無縫鋼管，規(guī)格如下：碳鋼f19×2f25×2.5f32×3f38×3不銹鋼f19×2f25×2f32×2f38×2.5管子材質(zhì)的選擇依據(jù)是介質(zhì)種類，假如介質(zhì)無腐蝕，可選碳鋼，而介質(zhì)有腐蝕則選擇不繡鋼。管長規(guī)格有1500，2000，2500，3000，4500，5000，6000，7500，9000，12000mm。n=A/(pdmL)，其中A—換熱面積(m2)；L—換熱管長度mm；dm—管子的平均直徑mm。由于在列管式換熱器中要安裝4根或6根拉桿。所以實(shí)際換熱管子數(shù)為{n-4(6)}根。(2)管子排列方式，管間距確定。管子排列方式一般在程內(nèi)接受正三角形排列，而在程和程之間接受正方形排列。管間距依據(jù)最小管間距選擇。最小管間距管子外徑（mm）14192532384557最小管間距（mm）16253240485770(3)換熱器殼體直徑的確定殼體直徑計(jì)算公式：當(dāng)接受正三角形排列時為Di=a(b-1)+2L式中Di—換熱器內(nèi)徑；a—管間距；b—正三角形對角線上的管子數(shù)；L—最外層管子的中心到殼壁邊緣的距離。若對管子進(jìn)行分程則Di=f+2L式中f—?dú)んw同一內(nèi)直徑兩端管子中心距mm；Di、L同上。計(jì)算出Di后還要圓整到公稱直徑系列中。(4)換熱器殼體壁厚的計(jì)算計(jì)算壁厚為S=PDi/(2[σ]tΦ－P)式中P—設(shè)計(jì)壓力，MPa；當(dāng)P﹤0.6MPa時，取P=0.6MPa；Di—?dú)んw內(nèi)徑，mm；Φ—焊縫系數(shù)，依據(jù)焊縫狀況選取Φ；[σ]t—?dú)んw材質(zhì)在設(shè)計(jì)溫度時的許用應(yīng)力，MPa。材質(zhì)選取原則同管子的選取原則一樣。計(jì)算出S后還要依據(jù)鋼板厚度負(fù)偏差表選取鋼板厚度負(fù)偏差C1；依據(jù)腐蝕狀況選取腐蝕裕量C2，C2=KaB其中Ka為腐蝕速度(mm/a)，B為容器的設(shè)計(jì)壽命。當(dāng)材料的腐蝕速度為0.05～0.1mm/a時，單面腐蝕取C2=1～2mm，雙面腐蝕取C2=2～4mm。當(dāng)材料的腐蝕速度小于或等于0.05mm/a時，單面腐蝕取C2=1mm，雙面腐蝕取C2=2mm。對于不銹鋼，當(dāng)介質(zhì)的腐蝕性極微時可取C2=0。最終將S+C1+C2圓整到鋼板厚度系列中去，所以總厚度Sn=S+C1+C1+C'，C'—圓整值。二、換熱器封頭選擇各種封頭型式均可選用，但應(yīng)用最多的是標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭，目前已有標(biāo)準(zhǔn)系列。運(yùn)用時可查JB-1154-73標(biāo)準(zhǔn)。見附錄1。三、容器法蘭的選擇1、材質(zhì)：依據(jù)容器接觸介質(zhì)和溫度、壓力條件確定。2、法蘭類型：可供選擇的容器法蘭有三種，即甲型平焊法蘭、乙型平焊法蘭和長頸對焊法蘭。其標(biāo)準(zhǔn)號為JB4700～4707—92，見附錄2。四、管板尺寸確定選用固定式換熱器管板，并兼作法蘭。舉薦接受《鋼制列管式固定管板換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊》中有關(guān)內(nèi)容。見附錄3。五、拉脫力計(jì)算拉脫力的定義是管子每平方米脹接周邊上所受到的力。對于管子和管板是焊接聯(lián)接的接頭，試驗(yàn)表明，接頭的強(qiáng)度高于管子本身和金屬的強(qiáng)度，拉脫力不足以引起接頭的破壞;但對于管子和管板是脹接的接頭，拉脫力則可能引起接頭處和密封性的破壞，或使管子拉脫，為保證管端和管板堅(jiān)實(shí)地連接和良好的密封性能，必需進(jìn)行拉脫力的校核。1、在操作狀況下管子或殼體中的溫差軸向力為F=[at(tt－to)－as(ts－to)]/[1/EtAt＋1/EsAs]式中At、As--換熱器管、殼體壁截面積；at—管材線膨脹系數(shù)1/℃；as—?dú)げ木€膨脹系數(shù)1/℃；to—安裝時溫度℃；tt—操作狀態(tài)下溫度℃。在管子及殼體中的溫差應(yīng)力為：st=F/At；ss=F/As2、在操作壓力下，每平方米脹接周邊上所受到的力Qq=Pf/(pdoL)式中P=｛管程壓力Pt或殼程壓力Ps｝中大者f=0.866a2－p/4，三角形排列=a2－p/4，正方形排列，a--管間距3、在溫差應(yīng)力作用下管子每平方米脹接周邊上所受到的力Qq：Qq=st.at／pdoL=st(－)/4doL式中st—管子中的溫差應(yīng)力；ａt(yī)—每根管子管壁橫截面積，mm2；、—管子外、內(nèi)徑mm。Qq和Qt可能同向亦可能反向同向時：q=Qq+Qt反向時：q=|Qq－Qt|方向確定原則：①當(dāng)Pt>Ps，且tt>ts，則同向②當(dāng)Pt<Pn，且tt<ts，則同向③當(dāng)Pt>Ps，且tt<ts，則反向④當(dāng)Pt<Ps，且tt>ts，則反向4、許用拉脫力：MP