化工机械课程设计.docx
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化工与材料学院09级本科生化工机械设备课程设计
北京理工大学珠海学院
课程设计任务书
2011～2012学年第2学期
学生姓名：
马傲专业班级：
化学工程与工艺2班
指导教师：
唐小勇工作部门：
一、课程设计题目
管壳式换热器的设计
二、课程设计内容
1．管壳式换热器的结构设计
包括：
管子数n，管子排列方式，管间距的确定，壳体尺寸计算，换热器封头选择，容器法兰的选择，管板尺寸确定塔盘结构，人孔数量及位置，仪表接管选择、工艺接管管径计算等等。
2.壳体及封头壁厚计算及其强度、稳定性校核
（1）根据设计压力初定壁厚；
（2）确定管板结构、尺寸及拉脱力、温差应力；
（3）计算是否安装膨胀节；
（4）确定壳体的壁厚、封头的选择及壁厚，并进行强度和稳定性校核。
3.筒体和支座水压试验应力校核
4.支座结构设计及强度校核
包括：
裙座体（采用裙座）、基础环、地脚螺栓
5.换热器各主要组成部分选材，参数确定。
6.编写设计说明书一份
7.绘制2号装配图一张，AutoCAD绘3号图一张（塔设备的）。
三、设计条件
（1）气体工作压力
管程：
半水煤气（1、0.80MPa；2、0.82MPa；3、0.85Mpa；4、0.88MPa；5、0.90MPa）
壳程：
变换气（1、0.75MPa；2、0.78MPa；3、0.80Mpa；4、0.84MPa；5、0.85MPa）
（2）壳、管壁温差50℃，tt＞ts
壳程介质温度为320-450℃，管程介质温度为280-420℃。
（3）由工艺计算求得换热面积为120m2，每组增加10m2。
（4）壳体与封头材料在低合金高强度刚中间选用，并查出其参数，接管及其他数据根据表7-15、7-16选用。
（5）壳体与支座对接焊接，塔体焊接接头系数Φ=0.9
（6）图纸：
参考图7-52，注意：
尺寸需根据自己的设计的尺寸标注。
四、进度安排
制图地点：
暂定CC405
时间安排：
从第7周（2012年3月31日）至第10周（2012年4月20日）
序号
内容
主讲人
时间
听课班级
1
化工设备设计的基本知识
唐小勇
4月9日
星期一、三、五上午
09化工1，2
4月11日
09化工1，2
4月13日
09化工1，2
2
管壳式换热器的设计计算
唐小勇
4月9日-13日
上午：
8：
30-11：
30
下午14：
00-17：
30
09化工1，2
3
管壳式换热器结构设计
唐小勇
4月16日
上午：
8：
30-11：
30
下午14：
00-17：
30
09化工1，2
4月17日
09化工1，2
4
管壳式换热器设计制图
唐小勇
4月17日
上午：
8：
30-11：
30
下午14：
00-17：
30
09化工1，2
4月18日
09化工1，2
4月19日
09化工1，2
5
设计说明书的撰写
唐小勇
4月9日-18日
上午：
8：
30-11：
30
09化工1，2
09化工1，2
09化工1，2
6
答辩
唐小勇
4月20日
上午：
8：
30
09化工1
下午14：
30
09化工2
五、基本要求
1.学生要按照任务书要求，独立完成塔设备的机械设计；
2.设计说明书一律采用电子版，2号图纸一律采用徒手绘制；
3.各班长负责组织借用绘图仪器、图板、丁字尺；学生自备图纸、橡皮与铅笔；
4.画图结束后，将图纸按照统一要求折叠，同设计说明书统一在答辩那一天早上8：
30前，由班长负责统一交到HF508。
5.根据设计说明书、图纸、平时表现及答辩综合评分。
六、说明书的内容
1.符号说明
2.前言
（1）设计条件；
（2）设计依据；
（3）设备结构形式概述。
3.材料选择
（1）选择材料的原则；
（2）确定各零、部件的材质；
（3）确定焊接材料。
4.绘制结构草图
（1）换热器装配图
（2）确定支座、接管、人孔、控制点接口及附件、内部主要零部件的轴向及环向位置，以单线图表示；
（3）标注形位尺寸。
（4）写出图纸上的技术要求、技术特性表、接管表、标题明细表等
5.壳体、封头壁厚设计
（1）筒体、封头及支座壁厚设计；
（2）焊接接头设计；
（3）压力试验验算；
6.标准化零、部件选择及补强计算：
（1）接管及法兰选择：
根据结构草图统一编制表格。
内容包括：
代号，PN,DN,法兰密封面形式，法兰标记，用途）。
补强计算。
（2）人孔选择：
PN,DN,标记或代号。
补强计算。
（3）其它标准件选择。
7.结束语：
对自己所做的设计进行小结与评价，经验与收获。
8.主要参考资料。
【格式要求】：
1.计算单位一律采用国际单位；2.计算过程及说明应清楚；
3.所有标准件均要写明标记或代号；4.设计说明书目录要有序号、内容、页码；
5.设计说明书中与装配图中的数据一致。
如果装配图中有修改，在说明书中要注明变更；
6.书写工整，字迹清晰，层次分明；7.设计说明书要有封面和封底，均采用A4纸，装订成册。
七、主要参考资料
1.《化工设备机械基础课程设计指导书》.化学工业出版.2005.1
2.《化工设备机械基础》第五版刁与玮王立业编著2003.3；
3.《化工单元过程与设备设计》匡国柱史启才主编；
4.《化工制图》华东化工学院制图教研室编人民教育出版社1980；
5.《化工设备机械基础》参考资料；
6.《钢制压力容器》GB150-1998；
7.《钢制塔式容器》JB4710-1992；
8.GB151-1999《管壳式换热器》1999年；
9.《压力容器安全技术监察规程》国家质量技术监督局1999年。
教研室主任签名：
年月日
41
管壳式换热器的结构设计
摘要
课程设计理论是学生理论联系实际的一次很好的机会，本次实验就管壳式换热器进行一次课程设计，掌握并了解在工业生产中节能、高效、环保等概念。
换热设备在炼油、石油化工以及在其他工业中使用广泛，它适用于冷却、冷凝、加热、蒸发和废热回收等各个方面。
其中，管壳式换热器虽然在换热效率、设备的体积和金属材料的消耗量等方面不如其他新型的换热设备，但它具有结构坚固、弹性大、可靠程度高、使用范围广等优点，所以在各工程中仍得到普遍使用。
管壳式换热器的结构设计，是为了保证换热器的质量和运行寿命，必须考虑很多因素，如材料、压力、温度、壁温差、结垢情况、流体性质以及检修与清理等等来选择某一种合适的结构形式。
对同一种形式的换热器，由于各种条件不同，往往采用的结构亦不相同。
在工程设计中，除尽量选用定型系列产品外，也常按其特定的条件进行设计，以满足工艺上的需要（得到适合工况下最合理最有效也最经济的便于生产制造的换热器等等）。
关键词：
管壳式换热器课程设计管壳式换热器使用范围管壳式换热器的结构设计
Structuredesignofshell-and-tubeheatexchanger
Abstract
Studentincoursedesigntheoryisagoodopportunityofintegratingtheorywithpractice,thisexperimentonthecoursedesignofshell-and-tubeheatexchanger,industrialproduction,masteringandunderstandingconceptssuchasenergyconservation,effciency,environmentalprotection.
Heatexchangerinoilrefining,petrochemical,andwidelyusedinotherindustries,itissuitableforcooling,heating,evaporationandcondensation,heatrecovery,andvariousotheraspects.
Amongthem,shell-and-tubeheatexchangerintheheattransferefficiency,sizeofequipmentandmetalconsumptionthanothernewtypeofheat-exchangeequipment,butithasastrongstructure,flexibility,highreliability,widelyusedandsoon,sotheprojectisstillbeingwidelyused.
Structuredesignofshell-and-tubeheatexchanger,istoensurethattheheatexchangerandthequalityoflife,youmustconsidermanyfactors,suchasmaterial,pressure,temperatureandwalltemperaturedifference,scaling,fluidproperties,aswellasmaintenanceandcleaning,andsoontochooseanappropriatestructure.
Withaformofheatexchangers,foravarietyofconditions,oftenusedstructuresarenotthesame.
Inengineeringdesign,apartfromusedasfaraspossiblethetrainingseries,oftendesignedaccordingtotheirspecificconditions,tomeettheneedsoftechnology（supportedbymostreasonableundersuitableconditionsthemosteffectiveandmosteconomicmanufactureofheatexchangers,andsoon）.
Keywords：
Coursedesignofshell-and-tubeheatexchangerShell-and-tubeheatexchangeruseStructuredesignofshell-and-tubeheatexchanger
1前言
1.1概述
1.1.1换热器的类型
管壳式换热器是最典型的间壁式换热器，历史悠久，占据主导作用，主要有壳体、管束、管板、折流挡板和封头等组成。
一种流体在管内流动，其行程称为管程；另一种流体在管外流动，其行程称为壳程。
管束的壁面即为传热面。
其主要优点是单位体积所具有的传热面积大，传热效果好，结构坚固，可选用的结构材料范围宽广，操作弹性大，因此在高温、高压和大型装置上多采用列管式换热器。
为提高壳程流体流速，往往在壳体内安装一定数目与管束相互垂直的折流挡板。
折流挡板不仅可防止流体短路、增加流体流速，还迫使流体按规定路径多次错流通过管束，使湍流程度大为增加。
列管式换热器中，由于两流体的温度不同，使管束和壳体的温度也不相同，因此它们的热膨胀程度也有差别。
若两流体温差较大（50℃以上）时，就可能由于热应力而引起设备的变形，甚至弯曲或破裂，因此必须考虑这种热膨胀的影响。
1.1.2换热器介绍及其发展前景
换热器是化工、石油、食品及其他许多工业部门的通用设备，在生产中占有重要地位。
由于生产规模、物料的性质、传热的要求等各不相同，故换热器的类型也是多种多样。
按用途它可分为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等。
根据冷、热流体热量交换的原理和方式可分为三大类：
混合式、蓄热式、间壁式。
间壁式换热器又称表面式换热器或间接式换热器。
在这类换热器中，冷、热流体被固体壁面隔开，互不接触，热量从热流体穿过壁面传给冷流体。
该类换热器适用于冷、热流体不允许直接接触的场合。
间壁式换热器的应用广泛，形式繁多。
将在后面做重点介绍。
直接接触式换热器又称混合式换热器。
在此类换热器中，冷、热流体相互接触，相互混合传递热量。
该类换热器结构简单，传热效率高，适用于冷、热流体允许直接接触和混合的场合。
常见的设备有凉水塔、洗涤塔、文氏管及喷射冷凝器等。
蓄热式换热器又称回流式换热器或蓄热器。
此类换热器是借助于热容量较大的固体蓄热体，将热量由热流体传给冷流体。
当蓄热体与热流体接触时，从热流体处接受热量，蓄热体温度升高后，再与冷流体接触，将热量传给冷流体，蓄热体温度下降，从而达到换热的目的。
此类换热器结构简单，可耐高温，常用于高温气体热量的回收或冷却。
其缺点是设备的体积庞大，且不能完全避免两种流体的混合。
工业上最常见的换热器是间壁式换热器。
根据结构特点，间壁式换热器可以分为管壳式换热器和紧凑式换热器。
紧凑式换热器主要包括螺旋板式换热器、板式换热器等。
管壳式换热器包括了广泛使用的列管式换热器以及夹套式、套管式、蛇管式等类型的换热器。
其中，列管式换热器被作为一种传统的标准换热设备，在许多工业部门被大量采用。
列管式换热器的特点是结构牢固，能承受高温高压，换热表面清洗方便，制造工艺成熟，选材范围广泛，适应性强及处理能力大等。
这使得它在各种换热设备的竞相发展中得以继续存在下来。
使用最为广泛的列管式换热器把管子按一定方式固定在管板上，而管板则安装在壳体内。
因此，这种换热器也称为管壳式换热器。
常见的列管换热器主要有固定管板式、带膨胀节的固定管板式、浮头式和U形管式等几种类型。
热器是化工、石油、能源等各工业中应用相当广泛的单元设备之一。
据统计,在现代化学工业中换热器的投资大约占设备总投资的30%,在炼油厂中占全部工艺设备的40%左右,海水淡化工艺装置则几乎全部是由换热器组成的。
对国外换热器市场的调查表明,虽然各种板式换热器的竞争力在上升,但管壳式换热器仍占主导地位约64%。
新型换热元件与高效换热器开发研究的结果表明,列管式换热器已进入一个新的研究时期,无论是换热器传热管件,还是壳程的折流结构都比传统的管壳式换热器有了较大的改变,其流体力学性能、换热效率、抗振与防垢效果从理论研究到结构设计等方面也均有了新的进步。
目前各国为改善该换热器的传热性能开展了大量的研究,主要包括管程结构和壳程结构强化传热的发展。
1.2设计的目的与意义
换热器是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，以实现不同温度流体间的热能传递，又称热交换器。
换热器是实现化工生产过程中热量交换和传递不可缺少的设备。
在换热器中，至少有两种温度不同的流体，一种流体温度较高，放出热量；另一种流体则温度较低，吸收热量。
在工程实践中有时也会存在两种以上的流体参加换热，但它的基本原理与前一种情形并无本质上的区别。
换热设备在炼油、石油化工以及在其他工业中使用广泛，它适用于冷却、冷凝、加热、蒸发和废热回收等各个方面。
其中，管壳式换热器虽然在换热效率、设备的体积和金属材料的消耗量等方面不如其他新型的换热设备，但它具有结构坚固、弹性大、可靠程度高、使用范围广等优点，所以在各工程中仍得到普遍使用。
管壳式换热器的结构设计，是为了保证换热器的质量和运行寿命，必须考虑很多因素，如材料、压力、温度、壁温差、结垢情况、流体性质以及检修与清理等等来选择某一种合适的结构形式。
对同一种形式的换热器，由于各种条件不同，往往采用的结构亦不相同。
在工程设计中，除尽量选用定型系列产品外，也常按其特定的条件进行设计，以满足工艺上的需要（得到适合工况下最合理最有效也最经济的便于生产制造的换热器等等）。
1.3管壳式换热器的发展史
为了满足电厂对在较高压力下运行的大型换热器（如冷凝器和供水加热器）的需要，在20世纪初，提出了壳管式换热器的基本设计。
经过长期的运用，使设计变得相当成熟和专业化。
当今已广泛地应用于工业上的壳管式换热器，在20世纪初也开始适应石油工业提出的要求。
油加热器和冷却器、再沸器以及各种原油馏分和有关的有机流体的冷凝
器这些设备需要在恶劣的野外条件下运行，流体常常不干净而且又要求高温和高压，因此，设备便于清洗和进行现场修理是绝对需要的。
壳管式换热器发展的早期阶段，出现的最大量的严重问题，不是在传热方面（这可以由实践经验粗略的估算），而是各种部件，特别是管板材料的强度计算问题，还有在制造技术和工程实施中的许多有关的其他问题，如管和管板的连接，法兰和接头管的焊接等。
在20世纪20年代，壳管式换热器的制造工艺得到相当圆满的发展，这主要是由于几个主要制造商努力的结果。
制造设备的传热面积可达500m2,即直径约750mm、长6m，用于急剧增长的石油工业。
在30年代，壳管式换热器的设计者，根据直接经验和在理想管束上的实验数据，建立了很多正确的设计原则。
水-水和水-气换热器的设计，大概与现今的设计差不多。
因为污垢热阻起很大的作用，壳侧流动的粘性流是一个困难的问题，而且，60年代以前的他们的了解很少。
随着壳管式换热器的应用稳步增长，以及对在各种流程条件下性能预计的精度要求越来越高，这造就40年代直至50年代研究活动的激增。
研究内容不仅包括壳侧流动，而且相当重要的还有真实平均温差的计算、结构件特别是管板的强度计算。
多年来发展起来的壳管式换热器，由于其结构坚固并能适应很大的设计和使用条件的变化，已成为最广泛使用的换热器。
1.4管壳式换热器的国内外概况
随着现代新工艺、新技术、新材料的不断发展和能源问题的日益严重,必然带来更多的高性能、高参数换热设备的需求。
换热器的性能对产品质量、能量利用率以及系统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%,换热设备在石油炼厂中约占全部工艺设备投资的35%～40%。
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新型热管和蓄热器等设备,其中板式、板翅式、热管及各类高效传热元件的发展十分迅速。
随着工业装置的大型化和高效率化,换热器也趋于大型化,并向低温差设计和低压力损失设计的方向发展。
当今换热器的发展以CFD（ComputationalFluidDynamics）、模型化技术、强化传热技术及新型换热器开发等形成了一个高技术体系[1]。
该换热器是当前应用最广,理论研究和设计技术完善,运用可靠性良好的一类换热
器。
目前各国为改善该换热器的传热性能开展了大量的研究。
强化传热主要有3种途径提高传热系数、扩大传热面积和增大传热温差,研究主要集中在强化管程和壳程传热面方面。
1.5壳层强化传热
传统的管壳式换热器,流体在壳侧流动存在着转折和进出口两端涡流的影响区,影响了壳侧的给热系数。
壳侧的传热强化研究包括管型与管间支撑物的研究。
1.6管层强化传热
人们想尽各种办法实施强化传热,归结起来不外乎2条途径,即改变传热面的形状和在传热面上或传热流路径内设置各种形状的插入物。
改变传热面形状的方法有多种,用于强化管程传热的有:
横纹管、螺旋槽管、螺纹管（低翅管）和缩放管以及螺旋扁管（瑞典ALLARDS公司生产）。
我国螺纹管的标准翅化率为1.3～2.9（<3）,美、英、日、德等国均有商品化低翅管。
德国Hde公司的螺旋槽管，管内传热效率明显优于光管,
在2300沈阳市广厦热力设备开发制造公司开发的超薄壁（δ=015mm）不锈钢波纹管换热器[3],其承压能力可达8MPa。
该换热器不仅强化了管内外的给热,还由于温差作用下换热管的可伸缩性,使表面结垢容易脱落,因此具有较强的防垢和自动除垢能力。
其传热系数较光管式提高2～3倍。
管内插入物[4,5]是强化管内单相流体传热行之有效的方法之一。
目前管内插入物种类很多,如螺旋线、纽带、错开纽带、螺旋片和静态混合器等。
最近,英国CalGarinLtd公司开发的一种称之为HitranMatrixElements的花环式插入物[6],它是一种金属丝制翅片管子插入物（Wire2FinTubeInserts）,能增强湍流。
中国石化北京设计院与华南理工大学联合研制的交叉锯齿型插入物,是华南理工大学对12种内插件（在Re=300～3500和Pr=135范围内）进行比较后优选的型式,可直接形成流体的混合,尤其
适用高粘度流体的换热。
其在上海乙烯厂原油2蜡油介质换热器中使用,其总传热系数与光滑管相比提高了50%。
1.7提高管壳式换热器传热能力的措施
管壳式换热器的传热能力是由壳程换热系数、管程换热系数和换热器冷、热介质的对数平温差决定的,因此,提高管壳式换热器传热能力的措施包括以下几点。
1、提高管壳式换热器冷、热介质的平均对数温差
冷、热介质平均对数温差除直接受冷、热介质进出口温度影响外,还受到冷、热介质的流动方向和换热流程的影响。
当换热器冷、热流体的温度沿传热面变化时,两种流体逆流平均温差最大,顺流平均温差最小,在实际换热器设计中,冷、热流体多采用交错流方式,其平均对数温差介于逆流和顺流之间。
因此,在设计中应尽量增加换热器冷、热流体的逆流比例,提高冷、热流体的对数平均温差,提高换热器的传热能力。
2、合理确定管程和壳程介质
在换热器设计中,对于壳程安装折流板的换热器来说,Re>100时,壳程介质即达湍流,因此,对于流量小或粘度大的介质优先考虑作为壳程换热介质;由于管程清洗相对于壳程清洗要容易,因此对于易结垢、有沉淀及杂物的介质宜走管程;从经济性考虑,对于高温、高压或腐蚀性强的介质,作为管程换热介质更加合理;对于刚性结构的换热器,若冷、热介质温差大,因壁面温度与换热系数大的介质温度接近,为减小管束与壳体的膨胀差,换热系数大的介质走壳程更加合理,而冷、热介质温差小,两介质换热系数相差大,换热系数大的介质走管程更加合理。
3、采用强化管壳式换热器传热的结构措施
在换热器设计中,通常采用强化传热的措施来提高换热器的传热能力。
强化传热的常用措施有:
采用高效能传热面、静电场强化传热、粗糙壁面、搅拌等。
1.8设计思路、方法
1.8.
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