【壓縮機(jī)級間管殼式換熱器的設(shè)計6500字（論文）】

壓縮機(jī)級間管殼式換熱器的設(shè)計目錄TOC\o"1-2"\h\u12546壓縮機(jī)級間管殼式換熱器的設(shè)計 1110651.緒論 2298361.1換熱器概述 2212821.2管殼式換熱器的結(jié)構(gòu)及性能特點(diǎn) 282911.3選題意義 3295701.設(shè)計方案的確定 4101592.1設(shè)計初始數(shù)據(jù) 4102332.2管殼換熱器的型式 482832.3流程的選擇 572713.確定流體的定性溫度及物性數(shù)據(jù) 5178853.1定性溫度 5187143.2物性參數(shù) 5305214.管殼式換熱器的工藝計算 6249064.1估算總傳熱系數(shù) 6127994.2估算傳熱面積 737355.換熱器的工藝結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計 7231275.1管徑和管內(nèi)流速 7106055.2管程數(shù)和傳熱管數(shù) 7246675.3傳熱管的排列和分程方法 8239185.4殼體內(nèi)徑 854535.5殼程折流板 8251786.換熱器的主要傳熱參數(shù)核算 8223776.1熱量核算 829964換熱器的理論傳熱面積 10126456.2.換熱器內(nèi)流體的流動阻力 11229146.3接管直徑 1213025則 12138397.換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計與強(qiáng)度校核 13126237.1殼體與管箱厚度的確定 1322820查資料得封頭的型號參數(shù)如下 14238337.2法蘭與墊片 14180007.3管板設(shè)計 15135907.4拉桿 1631847.5分程隔板和防沖板 16293267.6折流板 17138578.總結(jié) 176739參考文獻(xiàn) 19摘要：管殼式換熱器普遍應(yīng)用于化工、動力、電力等工業(yè)領(lǐng)域。在化工中可作為冷卻器用于給壓縮機(jī)組中的高溫氣體降溫。在壓縮當(dāng)中氣體由體積變化會形成很多的熱，將妨礙次一級的氣體壓縮，此時形成的熱量需經(jīng)由換熱器向外排出，可以說換熱器應(yīng)用得當(dāng)直接影響壓縮機(jī)組的運(yùn)行效率。在現(xiàn)今快速發(fā)展的時代，國家和企業(yè)都慢慢開始注重節(jié)約能源、綠色發(fā)展。為了可循環(huán)長久的發(fā)展，逐漸重視節(jié)能減排，此時換熱器的設(shè)計和制造顯得尤為重要。本文是設(shè)計一臺中間冷卻器，其工藝參數(shù)要滿足所給定的設(shè)計條件。本設(shè)計選定列管式換熱器，通過查閱國內(nèi)外最新文獻(xiàn)資料，根據(jù)選定的設(shè)計參數(shù)，初步確認(rèn)換熱器的面積，依設(shè)計計算要求進(jìn)行計算選型和驗(yàn)算，整理處理好的各種工藝數(shù)據(jù)并使用CAD畫出換熱器結(jié)構(gòu)圖。最終設(shè)計出符合要求的換熱器。關(guān)鍵詞：管殼式換熱器；工藝計算；交換熱量1.緒論1.1換熱器概述換熱器是一種將高溫流體與低溫流體進(jìn)行熱量交換，用來實(shí)現(xiàn)工業(yè)物料間熱量傳遞的節(jié)能設(shè)備，在石油、化工、動力、核能等工業(yè)領(lǐng)域有較為廣泛的應(yīng)用REF_Ref24509\r\h[1]。資料證明，在煉油化工廠中，各類型的換熱器約占全設(shè)備成本投入的百分之四十，動力消耗約是總體能量消耗率的20%至30%REF_Ref26736\r\h[2]。所有換熱器非常消耗能源。據(jù)相關(guān)資料揭示，換熱器的市場領(lǐng)域有近乎三分之一是屬于石油和化工行業(yè)。一般在工業(yè)物料生產(chǎn)中都有加熱、冷卻等工藝流程，這些過程需要設(shè)置換熱器。不僅如此，在機(jī)械、集中供暖和制冷等行業(yè)都需要用到換熱器。由此能證明換熱器應(yīng)用十分普及并且其使用量也較為龐大。換熱器按操作過程分為混合式換熱器、蓄熱式換熱器和間壁式換熱器，其中管殼式換熱器是典型的間壁式換熱器。管殼式換熱器按照結(jié)構(gòu)形式可分為:固定管板式換熱器、浮頭式換熱器、U形管換熱器、雙重管式換熱器、填函式換熱器和雙管板換熱器等REF_Ref26828\r\h[3]。XE"管殼式換熱器按照結(jié)構(gòu)形式可分為\:固定管板式換熱器、浮頭式換熱器、U形管換熱器、雙重管式換熱器、填函式換熱器和雙管板換熱器等多種。"前三種應(yīng)用較為普遍。1.2管殼式換熱器的結(jié)構(gòu)及性能特點(diǎn)圖1固定管板式換熱器管殼式換熱器的主要組成部件為殼體、擋板、管板、管箱、管束和封頭等REF_Ref8233\r\h[4]。管束的兩端固定在管板上。兩種流體在管殼式換熱器中進(jìn)行換熱，其在管中流動的行程稱為管程，在管外流動的行程稱為殼程，管壁即是換熱面REF_Ref8233\r\h[4]。把管束固定在管板上可采用焊接法或者是脹接法。殼體與管板連接方式以及殼程進(jìn)出口與殼體的連接方式都是焊接，管板外圓周用螺栓與封頭法蘭固定在一起，管程流體的進(jìn)出口管則焊在封頭的適當(dāng)位置，依據(jù)管長設(shè)折流擋板，這類換熱器管程可以用隔板分成任何程數(shù)，殼程也可用縱向擋板分為多殼程，二者搭配應(yīng)用REF_Ref24808\r\h[5]。

管殼式換熱器構(gòu)造簡易，操作可靠，運(yùn)行穩(wěn)定且可在環(huán)境要求較高的條件下工作，故在工程上廣泛應(yīng)用REF_Ref3708\r\h[6]。如今為了讓換熱器得到進(jìn)一步的完善和升級，在設(shè)計過程如換熱性能、壓降損失、機(jī)械加工、經(jīng)濟(jì)性等角度出發(fā)進(jìn)行更優(yōu)化的設(shè)計。已經(jīng)在增大換熱效率、縮減傳熱面積、提升設(shè)備熱強(qiáng)度等方面獲得了很好的成就。換熱器的大面積應(yīng)用對于節(jié)省能源有著十分顯著的效果，大大降低了企業(yè)的工業(yè)成本，使其效益增長REF_Ref11320\r\h[7]。1.3選題意義工業(yè)生產(chǎn)中用到氣體，有時要求氣體具有較高的壓力，需要采用多級壓縮，分級逐步提升工業(yè)氣體的壓力REF_Ref27698\r\h[8]。工業(yè)氣被壓縮機(jī)壓縮后會使其溫度上升。需要將出口的工業(yè)氣溫度降到近乎初溫，才繼續(xù)下一個階段的壓縮。降溫的過程需要利用換熱器。熱空氣將通過換熱器進(jìn)行熱量交換，冷卻水會帶走熱氣的部分熱量，從而達(dá)到降溫效果，以便下個階段繼續(xù)壓縮達(dá)到壓縮要求。分級壓縮機(jī)在石油化工、能源和冷凍工程等方面有著非常廣泛的應(yīng)用REF_Ref32072\r\h[9]。我國經(jīng)濟(jì)在不斷的發(fā)展，能源的消耗在迅速增大，隨著經(jīng)濟(jì)的上升發(fā)展，能源消耗問題對經(jīng)濟(jì)的制約效果逐漸顯得突出，采取實(shí)現(xiàn)節(jié)約能源減少廢物排放的措施開始變得重視起來REF_Ref27698\r\h[8]。因?yàn)槎嗉墘嚎s機(jī)用途廣泛，能源消耗量大，在級間安裝符合要求的冷卻器冷卻高溫氣體可以減少壓縮機(jī)的耗功，達(dá)到節(jié)能的目的。在各種型式的換熱器當(dāng)中，管殼式換熱器所具備的優(yōu)點(diǎn)有結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)行過程穩(wěn)定和構(gòu)件的材料選擇性廣等。當(dāng)今管殼式換熱器是使用普遍的型式，所以此次設(shè)計確定為管殼式換熱器。設(shè)計方案的確定2.1設(shè)計初始數(shù)據(jù)類型參數(shù)質(zhì)量流量（kg/s）進(jìn)口溫度/℃出口溫度/℃流速（m/s）設(shè)計壓力/MPa熱空氣29842101.6冷卻水-2030-0.4條件：壓降不允許超過0.1MPa。2.2管殼換熱器的型式此次設(shè)計是根據(jù)冷卻介質(zhì)的特點(diǎn)和考慮到其它綜合因素。選定固定管板式換熱器。用來冷卻壓縮后的熱空氣。折流擋板的功能：冷卻水流動過程會受到折流擋板的部分阻礙，然后形成湍流，從而增大對流表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，使傳熱效率變大。2.3流程的選擇本次設(shè)計的換熱器選擇熱空氣走管程，冷卻水走殼程。兩者之間確定為逆流交換熱量，選擇原因是：為防止殼體壓力過大，選擇在管內(nèi)走熱空氣，也可減少殼體的金屬消耗;熱空氣流動速度的變動可使傳熱系數(shù)大小發(fā)生改變。可提高其流速從而增大對流傳熱系數(shù)。而流速的改變可通過使用多管程的方法實(shí)現(xiàn)。3.確定流體的定性溫度及物性數(shù)據(jù)3.1定性溫度管程高溫空氣的定性溫度：t殼程水的定性溫度：t3.2物性參數(shù)壓縮熱空氣（1.6Mpa）在70℃下的有關(guān)物性數(shù)據(jù)如下：密度ρi=12.55kg/m3定壓比熱容Cpi=1.009kJ/(kg?K）熱導(dǎo)率λi=0.0296W/(m?K)粘度μi=0.0000206Pa?s普朗特數(shù)Pr=0.702無量綱循環(huán)冷卻水在25℃下的有關(guān)物性數(shù)據(jù)如下：密度ρo=995.6kg/m3定壓比熱容Cpo=4.18kJ/(kg?K）熱導(dǎo)率λo=0.613W/(m?K)粘度μo=0.000801Pa?s普朗特數(shù)Pr=5.462無量綱4.管殼式換熱器的工藝計算4.1估算總傳熱系數(shù)4.1.1熱流量（忽略熱損失）Q=式中：qm1-壓縮熱空氣的流量，kg/scpi-壓縮熱空氣的定壓比熱容，kJ/(kg?K)?t1-壓縮熱空氣的溫差，Q-熱流量，W.4.1.2平均傳熱溫差（忽略熱損失）?其中：T1-壓縮熱空氣進(jìn)口溫度，℃T2-壓縮熱空氣出口溫度，℃t1-冷卻水進(jìn)口溫度，℃t2-冷卻水出口溫度，℃再計算平均傳熱溫差校正系數(shù)，R=P=溫度校正系數(shù)為平均傳熱溫差校正為：?因?yàn)棣?gt;0.84.1.3冷卻水用量m其中：cp2-冷卻水的定壓比熱容，kJ/(kg?K)?t2-冷卻水的溫差，mo-冷卻水的質(zhì)量流量，kg/h4.2估算傳熱面積已知總傳熱系數(shù)范圍110-230W/(m2·K），依據(jù)經(jīng)驗(yàn)假定總傳熱系數(shù)K’=170W/(m2·K）,則傳熱面積為A=5.換熱器的工藝結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計5.1管徑和管內(nèi)流速選擇φ25×2.5mm的傳熱管（碳鋼管）；取熱空氣流速ui5.2管程數(shù)和傳熱管數(shù)單程傳熱管數(shù)n依據(jù)單程管計算傳熱管長度L=單程傳熱管過長，所以取管長?=3mN傳熱管總根數(shù)N=515.3傳熱管的排列和分程方法采用組合排列法，每程均按正三角形排列，隔板兩側(cè)按照正方形排列。取管間距t=1.25橫過管束中心線的管數(shù)為n5.4殼體內(nèi)徑采用雙管程結(jié)構(gòu)，取管板利用率η=0.7D=1.05t則取D=450mm。5.5殼程折流板采用弓形折流板，設(shè)弓形折流板圓缺高度等于殼體內(nèi)徑的14，則切去的圓缺高度為h=0.25D=0.25×450=112.5mm查資料：折流板間距一般為D3，則取折流板間距折流板數(shù):N換熱器的主要傳熱參數(shù)核算6.1熱量核算6.1.1殼程對流換熱系數(shù)?其中：①粘度校正為(②當(dāng)量直徑d③殼程流通截面積S④殼程冷卻水的流速u⑤雷諾數(shù)Re⑥普朗特數(shù)Pr=5.462即殼程冷卻水的傳熱系數(shù)?6.1.2.管程對流換熱系數(shù)采用公式?管內(nèi)流體被冷卻，n=0.3①管程流通截面積S②管程熱空氣流速及雷諾數(shù)uRe③普朗特數(shù)Pr=即管程熱空氣的傳熱系數(shù)?6.1.3.總傳熱系數(shù)查資料REF_Ref31925\r\h[10]得：管內(nèi)側(cè)污垢熱阻Ri=0.000176(管外側(cè)污垢熱阻R碳鋼的導(dǎo)熱系數(shù)λ該換熱器的總傳熱系數(shù)為K此計算值與初設(shè)值K’=170W/(m2·K)的關(guān)系：K滿足換熱器設(shè)計所要求的KK6.1.4.傳熱面積換熱器的理論傳熱面積S=換熱器的實(shí)際傳熱面積S換熱器的面積裕度為H=傳熱面積裕度大于要求的0.15~0.20S面積裕度為H=在0.15~6.2.換熱器內(nèi)流體的流動阻力6.2.1管程流動阻力?式中：FtNsNp當(dāng)Re>10λ直管部分的壓降：?彎管回路中的壓降：?總壓降：?因?yàn)?P6.2.2.殼程流動阻力計算殼程阻力公式：?式中：FsNs流體橫過管束的壓降：?其中：F-管子排列方法對壓降的校正因數(shù)，取F=0.5;foncNB當(dāng)Re>500時，fn故??總壓降：?因?yàn)?P6.3接管直徑①殼程流體進(jìn)出口接管：取接管內(nèi)水的流速為ui=0.26m/d取標(biāo)準(zhǔn)管徑為125mm.查資料得管的外徑＝133mm，管厚＝4mm，伸出高度=150mm。②管程流體進(jìn)出口接管：取接管內(nèi)空氣的流速為uo=10m/s則d取標(biāo)準(zhǔn)管徑為150mm.即取管的外徑＝換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計與強(qiáng)度校核7.1殼體與管箱厚度的確定冷卻水設(shè)計溫度為25℃，設(shè)計壓力為0.3MPa。本次設(shè)計的換熱器為常規(guī)容器，所以采用低碳低合金鋼制造，選擇16MnR為殼體和管箱的材料。7.1.1圓筒殼體厚度的計算及校核選雙面焊對接接頭，選擇全方位無損探傷，焊接系數(shù)Φ=1.0；依據(jù)相關(guān)規(guī)定得：C1=0.6mm,C2δ設(shè)計厚度：δ名義厚度：δn=δd查其最小厚度為6mm,則計算的厚度不滿足要求，取δ有效厚度：δ水壓試壓壓力：P水壓試壓應(yīng)力：σ水壓試壓應(yīng)力校核σ故所設(shè)的厚度滿足要求。7.1.2管箱厚度計算及校核選用標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭，材料為16MnR,故K=1，其中C采用雙面焊對接接頭，部分進(jìn)行無損探傷的焊接形式，取Φ=0.85材料在70℃的許用應(yīng)力為[σδ設(shè)計厚度：δ名義厚度：δ考慮到和法蘭及管板連接的最小厚度取δ名義厚度：δ水壓試壓壓力：P水壓試壓應(yīng)力：σ水壓試壓校核：σ故所設(shè)的厚度滿足要求。查資料得封頭的型號參數(shù)如下DN(mm)總深度H(mm)直段長度L(mm)內(nèi)表面積A(㎡)容積(m3)4501132600.250.0167.2法蘭與墊片7.2.1管箱法蘭與封頭法蘭選擇的法蘭參數(shù)如下表所示：表7-1法蘭尺寸Dn/mmD/mmD1/mmD2/mmD/mmb/mm螺栓規(guī)格螺栓數(shù)目法蘭重量/kg4505655104822532M22×901217.807.2.2墊片采用墊片型式為金屬包墊片，材料為0Cr18Ni9，結(jié)構(gòu)如圖7-2所示，其尺寸如表7-2：圖7-2墊片表7-2管箱墊片尺寸PN(Mpa)DN(mm)外徑D(mm)內(nèi)徑d(mm)墊片厚度反包厚度Ｌ1450504472347.3管板設(shè)計7.3.1管板厚度設(shè)計采取BS法，假設(shè)管板厚度為δ3=K則K已知：G1=2.9計算σr和σσσ校核σ查資料得：16MnR鋼材的σrσσ符合要求，說明假設(shè)厚度合適。管板厚度δ7.3.2管板參數(shù)依照殼體內(nèi)徑尺寸，管板參數(shù)列于下表：表7-3管板參數(shù)參數(shù)名稱參數(shù)值管板直徑Da/mm450管板外徑D/mm565管板厚度δ3n30螺栓孔直徑d2/mm18螺栓規(guī)格M16×80螺栓數(shù)量n2/個12螺栓孔高度bf/mm28管板螺栓孔間距D1/mm530管板法蘭直徑Df/mm565管板螺栓內(nèi)側(cè)邊間距D4/mm4877.4拉桿本換熱器殼體內(nèi)徑為450mm，查閱資料得：表7-4拉桿參數(shù)拉桿螺紋公稱直徑/mm拉桿長/m前螺紋長La/mm后螺紋長Lb/mm拉桿數(shù)/根162.930206047.5分程隔板和防沖板查閱資料REF_Ref13513\r\h[11]，此設(shè)計換熱器的公稱直徑Di=450mm<600mm，對于碳鋼，得隔板厚度為：b＝10mm；分程隔板長L=260+25+112+5+32?10=424mm；殼程流體：ρ即不需要設(shè)置防沖板。7.6折流板前面已計算出：折流板數(shù)NB=19塊；圓缺高度h=110mm查閱《換熱器設(shè)計手冊》REF_Ref13763\r\h[12]得：折流板直Da=450?3.5?0.5=446mm，折流板厚度C＝5mm。折流板的管孔，按GB151規(guī)定I級換熱器，管孔直徑=19+A折流板的排列如下：圖7-3折流板排列方式8.總結(jié)此次畢業(yè)論文設(shè)計題目是“壓縮機(jī)級間管殼式換熱器的設(shè)計”。設(shè)計前期主要是在知網(wǎng)上查閱關(guān)于管殼式換熱器的文章以及百度文庫里的相關(guān)文獻(xiàn)，了解本次設(shè)計的換熱器在工業(yè)生產(chǎn)中的作用以及對于壓縮機(jī)的影響，以便于后期設(shè)計出符合冷卻熱空氣要求的換熱器。查閱資料后，有了大致的設(shè)計基本思路。分別從管殼式換熱器的工藝計算、工藝結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計、強(qiáng)度校核以及主要構(gòu)件的選擇等方面展開。

在論文的設(shè)計撰寫過程中得到了鍛煉和提升，之前自我認(rèn)知中查閱資料是件簡單的事，但這次畢業(yè)設(shè)計徹底改變了我的認(rèn)知，其實(shí)查資料很講究技巧且相對比較靈活。在設(shè)計數(shù)據(jù)計算過程中要確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確，否則將會影響到之后的傳熱面積、總傳熱系數(shù)以及阻力損失等各階段計算和選型。設(shè)計初始數(shù)據(jù)敲定后，要查資料收集相關(guān)數(shù)據(jù)，了解到設(shè)計換熱器要考慮管程和殼程的平均溫度是否得當(dāng)；換熱器和管板的連接方式；殼程圓筒應(yīng)力計算時焊接系數(shù)如何選擇等問題。因?yàn)橛嬎懔枯^大，這方面我花費(fèi)了將近一周時間，要確保公式和參數(shù)值的準(zhǔn)確性，就必須有計劃地進(jìn)行計算。由于在估算總傳熱系數(shù)時估算不當(dāng)導(dǎo)致我后期需要重算多次，最終查閱資料才確定所設(shè)計換熱器正確的總傳熱系數(shù)范圍，最終得到正