冷却煤油列管式换热器设计.doc

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1、目录摘要IAbstract:II1 前言11.1 列管式换热器的应用11.2 管壳式换热器各种形式及优缺点11.2.1 固定管板式换热器优缺点21.2.2 浮头式换热器优缺点21.2.3 U形管换热器优缺点31.2.4 外填料函式换热器优缺点31.2.5 滑动管板填料函式换热器优缺点31.2.6 双管板换热器优缺点41.2.7 薄管板换热器优缺点41.3列管式换热器的结构41.3.1 管程结构41.3.2壳程结构52 设计方案82.1设计要求82.2设计任务92.3 换热器冷热流体通道的选择92.4 流速的选择102.5设计优化102.6确定设计方案113 工艺计算123.1 确定物性数据12

2、3.2 估算传热面积123.3 工艺结构尺寸133.4换热器核算144 机械设计194.1 壳体直径的决定194.2 换热器壳体壁厚的计算194.3 换热器封头的选择与和计算204.4板管尺寸确定204.5折流板的选择和计算214.6容器法兰的选择215 设计结果汇总225.1 固定管板换热器主要设计参考列表226 换热器装配图246.1 换热器技术特征表246.2 换热器CAD图247 设计总结25致谢语26参考文献272012届化学工程与工艺毕业设计(论文)冷却煤油列管式换热器设计李燕琳(重庆三峡学院化学与环境工程学院化学工程与工艺专业2008级 重庆万州 404100)摘要 换热器是实现

3、化工生产过程中热量交换和传递不可缺少的设备。而列管式换热器是目前化工生产过程中的主要传热设备。本次设计是使用循环冷水来完成煤油冷却的操作过程。设计包括设计方案的确定，主要设备的工艺设计计算（物料衡算、热量衡算、工艺参数的选定、设备的结构设计和工艺尺寸的设计计算、以及工艺核算），工艺流程图，主要设备的零件图等内容。势必以最优方法的选择满足列管式换热器的要。关键词 换热器 列管式 冷却煤油IThe design of cooling tube heat exchangerLI Yan-lin(Department of chemistry and environmental engineering

4、, the Grade of 2008,Chemical Engineering and Technology, Chongqing Three Gorges University, Wanzhou, Chongqing, 404000)Abstract: Heat exchanger is essential equipment of heat exchange and transmission in achieving chemical production process. While currently, the tubular heat exchanger is the main h

5、eat transfer equipment in process of chemical production. This design uses the circulating cooling-water to complete the kerosene cooling process. The design includes the design scheme, the craft of the main equipments design (material balance, heat balance, process parameter selection, equipment st

6、ructure design and process dimensions of the design calculation, and the process of accounting), process flow, main equipment parts diagram etc. It is bound to the optimal method to meet the selection of tubular heat exchanger. Keywords: heat exchanger tubular heat exchanger cooling kerosene1 前言列管式换

7、热器是把换热器与管板连接，再用壳体固定。它的形式大致分为固定管板式、浮头式、U形管式、外填料式、填料函滑动管板式等几种。根据介质的种类、压力、温度、污垢和其他条件，管板与壳体的连接方式，换热器的形式与传热条件，造价，维修检查方便等情况。根据各种结构形式的特点来选择设计制造各种列管式换热器。本设计主要是根据满足冷却煤油的要求来设计和选择合理的换热器类型。1.1 列管式换热器的应用 换热器是化学、石油化学及石油炼制工业中以及其他一些行业中广泛使用的热量交换设备，它不仅可以单独作为加热器、冷却器等使用，而且是一些化工单元操作的重要附属设备，因此在化工生产中占有重要的地位。通常在化工厂得建设中换热器投

8、资比例11%，在炼油厂中高达40%。随着化学工业的迅速发展及能源价格的提高，换热器的投资比例将进一步加大，因此，对换热器的研究备受重视，从换热器的设计、制造、结构改进到传热机理的研究十分活跃，一些新型高效换热器相继问世1。由于工业生产中所用换热器的目的和要求各不相同，换热器设备的类型也多种多样。按换热器设备的传热方式主要有直接接触式、蓄热式和间壁式三类。虽然直接接触式和蓄热式换热器设备具有结构简单，制造容易等特点，但由于在换热器过程中，有高温流体和低温流体相互混合和部分混合，使其在应用上受到限制。因此工业上所用换热设备以间壁式换热器居多。间壁式换热器的类型也多种多样，从其结构上大致上可分为管式

9、换热器和板式换热器。不同换热器有各自的优缺点和适用条件。特别是列管式换热器在现阶段的化工生产中应用最为广泛，而且设计资料和数据都较完善，技术上比较成熟2。列管式换热器在化工生产中主要作为加热（冷却）器、蒸发器或再沸器及冷凝器使用。在这些不同的传热过程中，有些为无相变传热，有些是有相变化传热，它们具有不同的传热机理，遵循不同的流体力学和传热规律，因此在设计方法上存在一些差异。1.2 管壳式换热器各种形式及优缺点列管式换热器是目前化工及酒精生产上应用最广的一种换热器。它主要由壳体、管板、换热管、封头、折流挡板等组成。所需材质 ，可分别采用普通碳钢、紫铜、或不锈钢制作。在进行换热时，一种流体由封头的

10、连结管处进入，在管流动，从封头另一端的出口管流出，这称之管程；另-种流体由壳体的接管进入，从壳体上的另一接管处流出，这称为壳程。列管式换热器种类很多，目前广泛使用的按其温差补偿结构来分，主要有固定板式换热器、U型管式换热器、浮头式列管换热器、填料函式换热器3。1.2.1 固定管板式换热器优缺点图 1-1 固定管板式换热器这类换热器的结构比较简单、紧凑、造价便宜，但管外不能机械清洗。此种换热器管束连接在管板上，管板分别焊在外壳两端，并在其上连接有顶盖，顶盖和壳体装有流体进出口接管。通常在管外装置一系列垂直于管束的挡板。同时管子和管板与外壳的连接都是刚性的，而管内管外是两种不同温度的流体。因此，当

11、管壁与壳壁温差较大时，由于两者的热膨胀不同，产生了很大的温差应力，以至管子扭弯或使管子从管板上松脱，甚至毁坏换热器。为了克服温差应力必须有温差补偿装置，一般在管壁与壳壁温度相差50以上时，为安全起见，换热器应有温差补偿装置。但补偿装置（膨胀节）只能用在壳壁与管壁温差低于6070和壳程流体压强不高的情况。一般壳程压强超过0.6Mpa时由于补偿圈过厚，难以伸缩，失去温差补偿的作用，就应考虑其他结构。1.2.2 浮头式换热器优缺点图 1-2 浮头式换热器换热器的一块管板用法兰与外壳相连接，另一块管板不与外壳连接，以使管子受热或冷却时可以自由伸缩，但在这块管板上连接一个顶盖，称之为“浮头”，所以这种换

12、热器叫做浮头式换热器。其优点是：管束可以拉出，以便清洗；管束的膨胀不变壳体约束，因而当两种换热器介质的温差大时，不会因管束与壳体的热膨胀量的不同而产生温差应力。其缺点为结构复杂，造价高。造价约比固定管板高20%左右，材料消耗量大，而且由于浮头的端盖在操作中无法检测，所以在制造和安装时要特别注意其密封，以免发生意外。管束和壳体的间隙较大，在设计时要避免短路。至于壳程的压力也受滑动接触的密封限制。1.2.3 U形管换热器优缺点图 1-3 U形管式换热器U形管换热器是管壳式换热器的一种，属石油化工设备，由管箱、壳体及管束等主要部件组成，因其换热管成U形而得名。U 形管式换热器仅有一个管板，管子两端均

13、固定于同一管板上。此类换热器的特点是管束可以自由伸缩，不会因管壳之间的温差而产生热应力，热补偿性能好；管程为双管程，流程较长，流速较高，传热性能较好；承压能力强；管束可从壳体内抽出，便于检修和清洗，且结构简单，造价便宜。但管内清洗不便，管束中间部分的管子难以更换，又因最内层管子弯曲半径不能太小，在管板中心部分布管不紧凑，所以管子数不能太多，且管束中心部分存在间隙，使壳程流体易于短路而影响壳程换热。此外，为了弥补弯管后管壁的减薄，直管部份需用壁较厚的管子。这就影响了它的使用场合，仅宜用于管壳壁温相差较大，或壳程介质易结垢而管程介质清洁及不易结垢，高温、高压、腐蚀性强的情形。1.2.4 外填料函式

14、换热器优缺点 外填料函式换热器适用于壳程压力较高、较严重腐蚀的介质、温差较大而经常需要换管束的冷却器，从结构上来说它比浮头式换热器或固定管板式换热器优越得多。它具有浮头式换热器的优点，又克服了固定管板式换热器的缺点，结构较浮头换热器简单，制造方便，易于检修。但是在壳程内易于挥发、易燃、易爆、有毒及贵重介质，不宜采用外填料函式换热器2。1.2.5 滑动管板填料函式换热器优缺点动管板填料函式换热器有两种，单填料函式换热器和双填料函式换热器。管束可从壳体抽出，易于清洗。单填料函式换热器在填料内侧密封处，管程与壳程之间仍会产生串流现象，当两滑种介质混合而不相容时，往往会产生事故。 双填料函式换热器是在

15、单填料函式换热器的基础上，对填料密封结构进行了改进，它不仅具有单填料函式换热器的优点，而且密封性能更为可靠。双填料函式以圈为主要密封，防止内漏及外漏，而以外圈为辅助密封，防止外漏。并在两填料圈之间设计一个泄漏引起出管与低压放空总管相通，以防止泄漏而引起事故发生。该结构适用与有毒、易燃、易爆等介质。1.2.6 双管板换热器优缺点 双管板换热器一般有两种形式，普通型双管板和整块式双管板。在实际使用中，采用普通型双管板较为普遍，由于整块式双管板加工麻烦，所以采用较少。双管板式换热器主要用于当两程之间的物料相混合后，将会产生严重后果，这种形式在下列情况下采用。（1）防腐蚀：管程和壳程的介质不接触时不会

16、产生腐蚀现象，但当两种介质混后会引起严重的腐蚀。（2）劳动保护：如一程为剧毒的介质，如果渗入另外一程内，而将引起剧毒的物质波及到大面积的场合。（3）安全方面：当两种介质相混后，会引起燃烧或爆炸。（4）设备的污垢：当两种介质想混后，会形成脂状物质或聚合物。（5）催化剂中毒：当一种介质混入另一种介质后会使催化剂中毒。（6）还原反应：当一种介质与另一种介质接触后，可能会污染产品，使产品质量下降。1.2.7 薄管板换热器优缺点 薄管板换热器在工程项目中，正逐渐推广使用。在中压、直径DN2000以下的薄管板换热器，使用中取得了较满意的结果。薄管板换热器在设计时可以省去繁复的管板厚度计算，以及解决厚管板材

17、料的供应困难，特别是不锈钢和贵金属材料，如钛材料等厚板的供应困难。对管板本生来说，薄管板比厚板管在同样工况下，材料可节省70%80%。当压力较高时可达到90%，这对不锈钢和贵重金属意义更大，而且加工方便。由于薄管板换热器具有这些优点，所以它是一种很有发展前途的换热器。1.3列管式换热器的结构1.3.1 管程结构（1）换热管布置和排列间距 常用换热器规格有19mm2mm、25mm2mm、25mm2.5mm。小直径的管子可以承受更大的压力，而且管壁较薄；同时，对于相同的壳径，可排列较多的管子。因此，单位体积的传热面积更大，单位传热面积的金属耗量更少。所以在管程结垢不很严重以及允许压力降较高的情况下

18、，采用19mm2mm直径的管子更为合理。如果管程走得是易结垢的流体，则因该采用较大直径的管子，有时采用38mm2.5mm或更大的直径管子。标准管子的长度常用的有1500mm、2000mm、3000mm、6000mm等。当选用其他尺寸的管长时，应根据管长得规格裁用，避免材料的浪费4。换热管管板的排列方式有正方形直列、正方形错列、三角形直列、三角形错列和同心圆排列。正三角形排列结构紧凑，正方形排列便于机械清洗，同心圆排列用于小壳径换热器，外圆管布管均匀，结构更为紧凑。我国换热器系列中，固定管板式多采用正三角形排列；浮头式则以正方形错列排列居多，也有正三角形排列。对于多管程换热器，常采用组合排列方式

19、。每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，采用正方形排列方式。管板上两管子中心的距离a称为管心距。管心距取决于管板的强度、清洗管子外表时所需的空隙、管子在管板上的固定方法等。当管子采用焊接方法固定时，相邻两根管的焊缝太近，会相互受到影响，使焊接质量不易保证。而采用胀接固定时，过小的管心距会造成管板在胀接时由于挤压力的作用发生变形，失去管子与管板的链接力。管子材料常采用碳钢、低合金钢、不锈钢、铜、铝合金等。应根据工作压力、温度和介质腐蚀性等条件决定。此外还有些非金属材料，如石墨、陶瓷、聚四氟乙烯等亦有采用。在设计和制造换热器时，正确选用材料很重要。既满足工艺条件的要求，又要经济。

20、对化工设备而言，由于各部分可采用不同材料。应注意由于不同种类的金属接触而产生的电化学腐蚀作用。（2）管板 管板的作用是将受热管束连接在一起，并将管程和壳程的流体分隔开来。管板与管子的连接可胀接或焊接。胀接法是利用胀管器将管子扩胀，产生显著的塑性变形，靠管子与管板间的挤压力达到密封紧固的目的。胀接法一般用在管子为碳素钢、管板为碳素钢或低合金钢、设计压力不超过4MPa、设计温度不超过350的场合。焊接法在高温、高压条件下更能保证接头的严密性。管板与壳体的连接有可拆和不可拆两种。固定管板常采用不可拆连接。两端管板直接焊在外壳上并兼作法兰，拆下顶盖可检修胀口或清洗管内。浮头式、U形管式等使壳体清洗方便

21、。常将管板夹在壳体法兰和顶盖法兰之间构成可拆连接。（3）封头和管箱 封头和管箱位于壳体两端，其作用是控制及分配管程流体。 封头：当壳体直径较小时常采用封头。接管和封头可用法兰或螺纹连接，封头与壳体之间用螺纹连接，以便卸下封头，检查和清洗管子。 管箱：换热器管内流体进、出口的空间称为管箱，壳径较大的换热器大多数采用管箱结构。由于清洗、检修管子时需拆下管箱，因此管箱结构应便于装拆。 分程隔板：当需要的换热器面很大时，可采用多管程换热器。对于多管程换热器，在管箱内应设分程隔板，将管束分为顺次串接的若干组，各组管子数目大致相等。这样可提高介质流速，增强传热。管程多者可达到16程，常用的有2、4、6程，

22、其布置方案要根据其设计要求。1.3.2壳程结构 介质流经传热管外面的通道部分称为壳程。壳程内的结构，主要由折流板、支承板、旁路挡板及缓冲板等元件组成。由于各种换热器的工艺性能、使用的场合不同，壳程内对各种元件的设置形式亦不同，以此来满足设计的要求。各元件在壳程的设置，按其不同的作用分为两类：一类是为了壳侧介质对传热管最有效的流动，来提高换热器设备的传热效果而设置的各种挡板，如折流板、纵向挡板、旁路挡板等；另一类是为了管束的安装及保护列管而设置的支承板、管束的导轨以及缓冲板等。（1）壳体 壳体是一个圆筒形的容器，壳壁上焊有接管，供壳程流体进入和排出之用。直径小于400mm的壳体通常用钢管制成，大

23、于400mm的可用钢板卷焊而成。壳体材料根据工作温度选择，有防腐要求时，大多数考虑使用复合金属板。 介质在壳程的流动方式有多种形式，单壳程形式应用最为普遍。如壳侧传热膜系数远小于管侧，则可采用纵向挡板分隔成双壳程形式。用两个换热器串联也可得到同样的效果。为降低壳程压降，可采用分流或错流等形式。壳体内径D取决于传热管数N、排列方式和管心距a。计算式如下：式中a管心距，mm d0换热管外径，mm nc横过管束中心线的管数，该值与管子排列方式有关。正三角形排列： 正方形排列： 多管程： 式中N排列管子数； 管板利用率。正三角形排列：2管程 大于4管程正方形排列：2管程 大于4管程 壳体内径D的计算值

24、最终应圆整到标准值。（2）折流板 在壳程管束中，一般都装有横向折流板，用以引导流体横向流过管束，增加流体速度，以增强传热；同时器支撑管束、防止管束振动和管子弯曲的作用。折流板的形式有圆缺形、环盘形和孔流形等。 圆缺形折流板又称为弓形折流板，是常用的折流板，有水平圆缺和垂直圆缺两种，切缺率（切掉圆弧的高度与壳内径之比）通常为20%-50%。垂直圆缺用于水平冷凝器、水平再沸器和含有悬浮固体粒子流体用的水平交换器等。垂直圆缺时，不凝气不能在折流板顶部积存，而在冷凝器中，排水也不能在折流板底部积存。弓形折流板有单弓形和双弓形，双弓形折流板多用于大直径的换热器中。 环盘形折流板，是由圆板和环形组成的，压

25、降较小，但传热也差些。在环形板背后有堆积不凝气或污垢，所以不多用。 孔流形折流板使流体穿过折流板孔和管子之间的缝隙流动，压降大，仅适用清洁流体，其应用更少。 折流板的间隔，在允许的压力损失范围内希望尽可能小。一般推荐折流板间隔最小值为壳内径的1/5或者不小于50mm，最大值决定于支持管所必须的最大间隔。（3）其他主要附件 旁路挡板。如果壳体和管束之间间隙过大，则流体不通过管束而通过这个间隙旁路，为防止这种情况，往往采用旁路挡板。 假管。为减少管程分程所以引起的中间穿流的影响，可设置假管。假管的表面形状为两端堵死的管子，安置于分程隔板槽背面两管板之间但不穿过管板，可与折流板焊接以便固定。假管通常

26、是每隔3-4排换热管安置一根。 拉杆和定距管。为了使折流板能牢靠地保持在一定位置上，通常采用拉杆和定距管。（4）壳程接管 壳程流体进、出口的设计直接影响换热器的传热效率和换热管的寿命。当加热蒸汽或高速流体流入壳程时，对换热管会造成很大的冲刷，所以常将壳程接管在入口处加以扩大，即将接管做成喇叭形，以起到缓冲的作用。第 27 页 共 27 页2 设计方案2.1设计要求 列管式换热器的应用已有很久的悠久历史，现在，它被当坐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、能源设备等部门使用的换热设备中，列管式换热器仍处于主导地位。同时板式换热器也已成为高效、紧凑的换热设备，大量地应用

27、于工业中。列管式换热器的设计资料较完善，已有系列化标准。目前我国列管式换热器的设计、制造、检验、验收按钢制管壳式换热器（GB 151）标准执行。 在换热器中至少有两种温度不同的流体，一种是温度较高的热流体，放出热量；另一种是温度较低的流体，吸收热量。满足热流体的热交换才是最基本的设计要求。本设计是对煤油冷却的设计，热流体是煤油，冷流体是水。 随着换热器在工业生产中的地位和作用不同，换热器的类型也多种多样，不同类型的换热器各有优缺点，性能各异。在换热器的设计中，首先应根据工艺要求选择适用的类型，然后计算换热所需传热面积，并确定换热器的结构尺寸。 完善的换热器在设计或选型时应满足以下各项基本要求：

28、 （1）合理地实现所规定的工艺条件传热量、流体的热力学参数（温度、压力、流量、相态等）与物理化学性质（密度、粘度、腐蚀性等）是工艺过程所规定的条件、设计者应根据这些条件进行计算，经过反复比较，使所设计的换热器具有应尽可能小的传热面积，在单位时间内传递尽可能多的热量。其具体做法如下： 增大传热系数 在综合考虑流体阻力及不发生流体诱发振动的前提下，尽量选择高的流速。 提高平均传热温差 对无相变的流体，尽量采用接近逆流的传热方式。因为这样不仅可提高平均温差，还有助于减少结构中的温差应力。在允许的条件时，可提高热流体的进口温度或降低冷流体的进口温度。 妥善布置传热面 例如在管壳式换热器中，采用合适的管

29、间距或排列方式，不仅可以加大单位空间内传热面积，还可以改善流体的流动特性。错列管束的传热方式比并列管束的好。 （2）安全可靠 换热器是压力容器，在进行强度、刚度、温差应力以及疲劳寿命计算时，应根据我国钢制石油化工压力容器设计规定与钢制管壳式换热器设计规定等。 列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需要进行热力设计，而且对于以生产出来的，甚至已投入使用的换热器的检验它是否满足使用要求，均需要这方面的工作。所以在换热器的设计时需要满足其以上的基本要求。2.2设计任务设计一个煤油流量6500kg/h从140冷却到40的列

30、管式换热器。冷却水走管程，入口温度30，出口温度40。如图 1 所示5。 设计一个满足上述要求的列管式换热器，以其效率最优化、经济最优化、实用最优化为原则设计该冷却煤油列管式换热器。图 1 循环水冷却煤油流程图2.3 换热器冷热流体通道的选择 在列管换热器中，哪种流体在什么条件下走管程（或壳程），选择的一般原则为：（1）不洁净和易结垢的流体宜走管程，因管内清洗方便；（2）腐蚀性流体宜走管程，以免管束和壳体同时受腐蚀，且清洗、检修方便；（3）压强高的流体宜走管程，以免壳体同时受压；（4）有毒流体宜走管程，使泄漏机会减少；（5）被冷却的流体宜走壳程，便于散热，增强冷却效果；（6）饱和蒸汽宜走壳程，

31、便于排出冷凝液和不凝气，且蒸汽洁净不污染；（7）流量小或黏度大的流体宜走壳程，因折流档板的作用可使在低雷诺数（Re100）下即可达到湍流，但也可在管内采用多管程；（8）若两流体温差较大，宜使大的流体走壳程，使管壁和壳壁温差减小； 在具体选择时，上述原则经常不能同时兼顾，会互相矛盾，这时要根据实际情况，抓住主要问题，作为选择的依据。2.4 流速的选择流体在壳程或管程中的流速，不仅影响对流传热系数的大小，而且也影响垢层热阻，影响流体流动阻力，影响经济的合理性。比如增加流速，对流传热系数会增大，同时也减少了污垢在管子壁面沉积的可能性，降低了垢层热阻，从而使K值提高，所需传热面积减少，设备投资费用也减

32、少。但随着流速增加，流体阻力会很快增加，动力消耗增大，操作费用增加。而流速过低，对流传热系数减小，污垢沉积严重，热阻增加，对传热不利。所以适宜的流速要通过经济换算才能确定。一般所选择的流速，应尽可能避免在层流下流动。如表 2-1所示表 2-1 列管式换热器中常用的流速范围 流体种类流速u(ms-1)管程 壳程 一般液体 0.53 0.21.5 易结垢液体 1 0.5 气体 530 3152.5设计优化近几年来波纹管型换热器以其传热效果好、不结垢、不易堵，同时具有原传统的固定管板换热器结构简单、适用性强等优点，在化工等行业广泛使用。新型不锈钢波纹管是选用特种不锈钢板材，滚压卷成几种规格圆形薄壁光

33、管，将焊缝错开套装成多层薄壁圆形光管，再经特殊工艺凸起成型的多层波纹管。该波纹管的管内流动呈等直径流束型式和弧形流束型式，使流速和压力周期性的变化，冷热流体产生强烈扰动，实现了复合强化换热。 这种换热器采用波纹型强化换热管代替壳管式换热器中的直管，将波纹管的优点与壳管结构的优点结合起来，成为一种新型、高效的换热器。 新型不锈钢波纹管强化机理：新型不锈钢波纹管特殊的波峰与波谷设计，使管内流动分为等直径流速型式和弧形流速型式，流体沿流动方向在波峰出流速降低、静压增大，波谷处速度增加、静压减小，使流速和压力周期性德变化，冷热流体流动时会产生强烈扰动，流动状态达到充分湍流，极大的破坏了边界层的形成，使

34、得波纹管传热系数明显高于直管，总传热系数可达到直管的2倍。但管内流动阻力比直管略大，且流速越高，流动阻力越大。以总传热系数达到最高值为目标函数，通过试验和计算整理，得出双层波纹管最佳设计波峰、波距等参数。 本设计将会将以上的优点运用于设计中让其最优化6。2.6确定设计方案（1） 初步选择换热器的类型 两流体温度变化情况：热流体进口温度140C，出口温度40C;；冷流体进口温度为30C，出口温度设为40C，为节约能源该换热器用循环冷却水，冬季操作时，其进口温度会降低，考虑到这一因素，估计该换热器的管壁温度和壳体壁温之差较大，因此选择带膨胀节固定管板式换热器。（2） 流程安排 从物流的来看了，冷却

35、水的污垢热阻要小于煤油的污垢热阻，综合各因素，得出结论为使循环冷却水走管程，煤油走壳程。3 工艺计算3.1 确定物性数据定性温度：对于一般液体和水等低粘度流体其定性温度可取流体进出口温度的平均值。故壳程液体的定性温度管程流体的定性温度为根据定性温度，分别查取壳程和管程流体的有关物性数据。煤油在90C下的有关物性数据如下：密度 0=825kg/m3 定压热容 cp0=2.22kJ/(kgC)热导率 0=0.14W/(mC)粘度 0=0.071510-5Pas循环冷却水在30C下的物性数据：密度 i=995.7kg/m3定压热容 cpi=4.174kJ/(kgC)热导率 i=0.6176W/(m.

36、C)粘度 i=0.800710-3Pas 3.2 估算传热面积1. 热流量:2. 平均传热温差: 先按纯逆流计算，得平均传热温差校正及壳程数：平均传热温差校正系数按单壳程，2n管程结构，查得的 平均传热温差由于平均传热温差校正系数大于0.8，同时壳程流体流量较大，故取单壳程比较合适。3. 传热面积：查数据，假设K=250W/m2C7,则估算的传热面积为4. 冷却水用量3.3 工艺结构尺寸1. 管径和管内流速：选用252.5传热管，取管内流速为1.2m/s。2. 管程数和传热管数：依据传热管内径和流速确定单程传热管数，为按单程管计算，所需的传热管长度为设传热管l=5m,则该换热器的管程数为程数无

37、5管程，故取Np=6(管程）为了便于布置管道，故取NT=132（根）3. 传热管排列和分程方法:采用正方形排列法8。隔板中心到离其最近一排管中心距各程相邻管的管心距为44mm。4. 壳体内径：采用多管程结构，取管板利用率则壳体内径为5. 折流板：采用弓形折流板，取弓形折流板圆缺高度为壳体内径的25%，则切去的圆缺高度为 取折流板间距B=0.3D,则 3.4换热器核算1.热流量核算（1）壳程表面传热系数 用克恩法计算，见式9当量直径壳程流通截面积（2）换热器核算10壳程流体流速及雷诺准数分别为黏度校正（3）管内表面传热系数管程流体流通截面积管程流体流速普朗特数（4）污垢热阻和管壁热阻11管外污垢

38、热阻 Rso=0.0004m2K/W管内污垢热阻 Rsi=0.0006m2K/W管壁热阻计算，碳钢在该条件下的热导率为50W/mK（5）总传热系数（6）传热面积裕度该换热器的实际传热面积Ap该换热器的面积裕度计算为为保证换热器操作的可靠性，一般应使换热器的面积裕度大于15%-20%。满足此要求，则所设计的换热器较为合适。本设计传热面积裕度合适，该换热器能够完成生产任务。2壁温核算：应管壁很薄，且管壁热阻很小，故管壁温度计算得，由于该换热器用水冷却，冬季操作时，进口温度将会降低，所以取最高温度25c计算。计算中，应按照最不利的操作条件考虑，因此，取两侧污垢热阻为零计算传热管壁温，于是按照12式中

39、液体的平均温度tm和气体的平均温度分别为: 传热管平均壁温壳体壁温和传热管壁温差为温差小于50C。故可选用固定管板式换热器。3.换热器内流体的流动阻力（1）管程流动阻力 其中Ns=1；NP=1.15 由Re=12730.3,传热管对粗糙度0.2/20=0.01,查莫狄图得i=0.042,流速u=0.46618m/s, =994kg/m3,所以-局部阻力系数，一般情况取3，Fs=1,5一般情况下液体流过换热器的阻力为，在管程流体阻力允许范围之内。（2）壳程阻力13其中Ns=1，Fs=1.15；流体流经管束的阻力总阻力 由于该换热器壳程阻力操作压力较高，所以壳程流体阻力也满足。4 机械设计4.1

40、壳体直径的决定由工艺计算得(内径)所以近似去Di=500mm。4.2 换热器壳体壁厚的计算 在压力容器的设计中，一般都是根据工艺要求先确定其内径。强度设计的任务就是根据给定的内径、设计压力、设计温度以及介质腐蚀性等条件，设计出合适的厚度，以保证设备能在规定的使用寿命内安全可靠的运行。 由内压薄壁圆筒设计公式14式中 圆筒的计算厚度，它为安全承受压强为P的圆筒所需的最小理论计算厚度理论厚度，mm； 圆筒的计算压力，MPa； 圆筒的内径，mm； 钢板在设计温度t下的许用应力，MPa； 焊接接头系数，1，查表9-69。选用16MnR钢板，在设计温度下其许用应力=163MPa；一般=1.1MPa；焊接

41、接头系数选双面焊接局部=0.85；所以内压薄壁圆筒厚度得出的计算厚度不能作为选用钢板的依据，这里还有两个实际因素需要考虑，钢板负偏差和腐蚀裕量。将设计厚度加上钢板负偏差后向上圆整至钢板的标准规格的厚度称为圆筒的名义厚度，用根据上述计算厚度=2mm，预计钢板的名义厚度在3.2-3.5mm，查得C1=0.25，腐蚀裕量C2=1mm,则所以实际薄壁圆筒的厚度为，选用16MnR钢板制造薄壁圆筒。4.3 换热器封头的选择与和计算容器封头又称端盖，是容器的重要组成部分，按其形状分为三类：凸形封头、锥形封头和平板封头。其中凸形封头包括半球行封头、椭圆形封头、蝶形封头（或称带折边的球形封头）、球冠形封头（或称

42、无折边球形封头）四种。本次设计选用标准椭圆形封头，因为圆筒体采用标准椭圆形封头，其封头厚度接近与圆筒体厚度，这样筒体和封头可采用同样厚度的钢板来制造，故常采用标准椭圆形封头作为圆筒体的封头。定义的标准椭圆形封头公式将选用16MnR钢板，在设计温度下其许用应力=163MPa；=1.1MPa；焊接接头系数选双面焊接局部=0.85；带入公式得 与薄壁圆筒一样得出钢板的名义厚度在3.2-3.5mm，查得C1=0.25mm，腐蚀裕量C2=1mm,则所以标准椭圆形封头的厚度为，选用16MnR钢板制造薄壁圆筒。4.4板管尺寸确定 管板是管壳式换热器的主要部件。管板设计是否合理对确保换热器的安全运行、节约金属

43、材料，降低制造成本是至关重要的，由GB151管壳式换热器中的选用固定式换热器管板，并兼作法兰，根据图表选择管板厚度为20mm，则符合其管子加强系数的核算。4.5折流板的选择和计算 折流板：采用弓形折流板，取弓形折流板圆缺高度为壳体内径的25%，则切去的圆缺高度为取折流板间距B=0.3D，则 折流板数：4.6容器法兰的选择1. 材质：根据容器接触介质和温度、压力条件确定。2. 法兰类型：可供选择的容器法兰有三种，即甲型平焊法兰、乙型平焊法兰和长颈对焊法兰，其标准号为JB4700470792。5 设计结果汇总5.1 固定管板换热器主要设计参考列表表 5-1 主要设计参数参数管程壳程流率/(kg/h)34571.1266500进出口温度/C30/40140/40压力/MPa1.11.1物性定性温度/C3590密度/(kg/m3)994825定压比热容/(kJ/(kgK)4.1742.22粘度/(Pas)0.72810-30.71510-3热导率/(W/(mK)0.62