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1、Hefei University化工机械与设备课程设计题 目：浮头式换热器的机械设计系 别：化学材料与工程系班 级：姓 名：学 号：组 别：组 员：教 师：日 期：2017年1月化工设备机械课程设计任务书 1、 设计题目 浮头式换热器的设计2、 设计目的在给定工艺条件与化工原理设计的基础上,把所学相关专业知识综合运用,巩固和强化有关机械课程的基本理论和基础知识。3、 设计任务 参数名称壳程管程设计压力（MPa）1.81.0操作压力（MPa）0.250.2设计温度（）17090操作温度（）125/70（进口/出口）25/40（进口/出口）流量（Kg/h）25000-物料（-）间二甲苯溶液水程数（
2、个）1自定4、 设计内容1.根据传热参数进行换热器的选型和校核；2.对换热器主要原件进行结构设计和强度和强度校核，包括筒体、前端封头管箱、外头盖、封头、法兰、管板、支座；3.设计结果汇总；4.设计装配图和重要的零件图5.设计评述5、 人员安排2-3人一组6、 进度安排 第1-2天内查找资料，完成概述等相关撰写，第3-4天完成主体设计计算，第5-6天 提交文字说明并绘制。目录第1章概述1第2章工艺计算32.1设计条件32.2核算换热器传热面积32.2.1初算换热器传热面积32.2.2校核平均温差62.2.3校核换热面积72.3压力降的计算72.3.1管程压力降72.3.2壳程的压力降82.4换热
3、器壁温计算92.4.1换热管壁温计算92.4.2圆筒壁温的计算102.5本章小结10第3章换热器结构设计与强度计算113.1壳体与管箱厚度的确定113.1.1壳体和管箱材料的选择113.1.2圆筒壳体厚度的计算113.1.3管箱厚度计算113.2开孔补强计算133.2.1壳体上开孔补强计算133.2.2外头盖开孔补强计算143.3换热管163.3.1换热管的排列方式163.3.2布管限定圆163.3.3排管163.3.4换热管束的分程173.3.5换热管与管板的连接173.4管板设计183.4.1管板与壳体的连接183.4.2管板计算183.4.3管板重量计算233.5折流板243.5.1折流
4、板的型式和尺寸243.5.2折流板排列243.5.3折流板的布置243.5.4折流板重量计算253.6法兰与垫片253.6.1固定端法兰与垫片263.6.2外头盖法兰与浮头垫片273.6.3接管法兰型式与尺寸28第4章换热器的安装、试车与维修294.1安装294.1.1场地和基础294.1.2安装前的准备294.1.3地脚螺栓和垫铁294.1.4其他要求294.2试车294.3维护29总 结30参考文献31第1章 概述换热器是国民经济和工业生产领域中应用十分广泛的热量交换设备。 随着现代新工艺、新技术、新材料的不断开发和能源问题的日趋严重，世界各国已普遍 把石油化工深度加工和能源综合利用摆到十
5、分重要的位置。换热器因而面临着新 的挑战。换热器的性能对产品质量、能量利用率以及系统运行的经济性和可靠性 起着重要的作用，有时甚至是决定性的作用。目前在发达的工业国家热回收率已 达 96%。换热设备在现代装置中约占设备总重的 30%左右，其中管壳式换热器仍然占绝对的优势，约 70%。其余 30%为各类高效紧凑式换热器、新型热管热泵和蓄热器等设备，其中板式、螺旋板式、板翅式以及各类高效传热元件的发展十分迅速。 在继续提高设备热效率的同时，促进换热设备的结构紧凑性，产品系列化、标准化和专业化，并朝大型化的方向发展。浮头式换热器是管壳式换热器系列中的一种，换热管束包括换热管、管板、折流板、支持板、拉
6、杆、定距管等。换热管可为普通光管，也可为带翅片的翅片管，翅片管有单金属整体轧制翅片管、双金属轧制翅片管、绕片式翅片管、叠片式翅片管等，材料有碳钢、低合金钢、不锈钢、铜材、铝材、钛材等。壳体一般为圆筒形，也可为方形。管箱有椭圆封头管箱、球形封头管箱和平盖管箱等。分程隔板可将管程及壳程介质分成多程，以满足工艺需要。管壳式换热器主要有固定管板式，U型管式和浮头式换热器。针对固定管板式与U型管式的缺陷，浮头式作了结构上的改进，两端管板只有一端与外壳固定死，另一端可相对壳体滑移，称为浮头。浮头式换热器由于管束的膨胀不受壳体的约束，因此不会因管束之间的差胀而产生温差热应力。浮头式换热器的优点还在于方便拆卸
7、，清洗方便，对于管子和壳体间温差大、壳程介质腐蚀性强、易结垢的情况很能适应。其缺点在于结构复杂、填塞式滑动面处在高压时易泄露，这使其应用受到限制，适用压力为：1.0Mpa6.4Mpa。 换热器（热交换器）是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，换热器按传热方式的不同可分为混合式（混合式换热器是通过冷、热流体的直接接触、混合进行热量交换的换热器，又称接触式换热器）、蓄热式（蓄热式换热器是利用冷、热流体交替流经蓄热室中的蓄热体（填料）表面，从而进行热量交换的换热器）和间壁式（随间壁式换热器的冷、热流体被固体间壁隔开，并通过间壁进行热量交换的换热器，因此又称表面式换热器，这类换热器应用最广）三类。在
8、我国换热器的制造技术远落后于外国，由于制造工艺和科学水平的限制，早期的换热器只能采用简单的结构，而且传热面积小、体积大和笨重，如蛇管式换热器等。随着制造工艺的发展，逐步形成一种管壳式换热器，它不仅单位体积具有较大的传热面积，而且传热效果也较好，长期以来在工业生产中成为一种典型的换热器。 在我国随着经济快速发展的同时，各种不同型式和种类的换热器发展很快，新结构、新材料的换热器不断涌现。为了适应发展的需要，我国对某些种类的换热器已经建立了标准，形成了系列。完善的换热器在设计或选型时应满足以下基本要求：（1） 合理地实现所规定的工艺条件；（2） 结构安全可靠；（3） 便于制造、安装、操作和维修；（4
9、） 经济上合理。所谓提高换热器性能，就是提高其传热性能。狭义的强化传热系数指提高流体和传热之间的传热系数。其主要方法归结为下述两个原理：温度边界层减勃和调换传热面附近的流体。因此最近十几年来，强化传热技术受到了工业界的广泛重视，得到了十分迅速的发展，凝结是工业中普遍遇到的另一种相变换热过程，凝结换热系数很高，但经过强化措施还可以进一步提升换热效率。1. 管外凝结换热的强化（1）冷却表面的特殊处理（2）冷却表面的粗糙化（3）采用扩展表面2. 管内凝结换热的强化（1）扩展表面法（2）采用流体旋转法（3）改变传热面形状按照设计要求，在结构的选取上，为了增大温差校正系数，采用了1-4型，即一个壳程两个
10、管程。首先，通过换热计算确定换热面积与管子的根数初步选定结构。然后按照设计的要求以及一系列国际标准进行结构设计，在结构设计时，要考虑许多因素，例如传热条件、材料、介质压力、温度、流体性质以及便于拆卸等等。之后对有些部件用ANSYS进行了强度校核并进行对其优化设计。由于时间和资料有限，本人的认识也不够全面，在设计过程中可能还存在许多问题，望老师们给予批评和指正。第2章 工艺计算 在换热器设计中，首先应根据工艺要求选择适用的类型，然后计算换热所需要的传热面积。工艺设计中包括了热力设计以及流动设计，其具体运算如下所述：2.1 设计条件介质水间二甲苯溶液入口温度（）25125出口温度（）4070质量流
11、量（Kg/h）-25000密度(kg/)998864比热容kj/(kg)4.1831.70导热系数W/（m）0.5990.167黏度mPas1.0050.611压力（MPa）1.81.02.2 核算换热器传热面积 2.2.1 初算换热器传热面积2.2.1.1 传热计算（热负荷计算）热负荷： 式中：冷热流体的质量流量，J/(kgk)；冷热流体的定压比热，J/(kgk)；冷流体的进、出口温度，k；热流体的进、出口温度，k。理论上，=，实际上由于热量损失，通常热负荷应该取max（，）。这里按理论设计计算。 故。2.2.1.2 有效平均温差的计算选取逆流流向，这是因为逆流比并流的传热效率高。其中为较小
12、的温度差，为较大的温度差。 因为 ，故采用对数平均温度差，则 （2-3）2.2.1.3 按经验值初选总传热系数 查表选得=490W/（）；2.2.1.4 初算出所需的传热面积 （2-4） 考虑到所用传热计算式的准确程度及其他未可预料的因素，应使所选用的换热器具有换热面积留有裕度10%-25%，故有：2.2.1.5 总传热系数K的校验管壳式换热换热器面积是以传热管外表面为基准，则在利用关联式计算总传热系数也应以管外表面积为基准，因此总传热系数K的计算公式如下： （2-5） 式中：K总传热系数，W/（K）； 、分别为管程和壳程流体的传热膜系数，W/（K）； 、分别为管程和壳程的污垢热阻，K/w；
13、、分别是传热管内径、外径及平均直径，m； 传热管壁材料导热系数，W/（K）； 传热管壁厚，m。2.2.1.6 管程流体传热系数其计算过程如下：初选管内流体（冷却水）的流速 ，可知流体处于湍流状态； 当流体在管内流动为过渡流的时候，对流传热系数可先按湍流的公式计算， W/（K）；2.2.1.7 壳程流体传热系数其计算过程如下：换热器内需装弓形折流板，根据GB151-1999可知，折流板最小的间距一般不小于圆筒内直径的1/5，且不小于，故根据浮头式换热器折流板间距的系列标准，可取折流板间距。因为壳体选择为卷制圆筒，根据GB150-1999可知壳体内径。管间流速是根据流体流过管间最大截面积计算：其中：管外径，即25， 为换热管中心距，此时选择换热管在管板上的排列方式为正方形排列，因为这样便于机械清洗，查GB151-1999得。 当换热管呈正方形排列时，其当量直径为 ；同时： 故可用Kern法求，即： 与都已经算出，而，同时查钢管壁热导率为，则有故，合适。2.2.2 校核平均温差与平
