化工原理课程设计——换热器的设计.docx

中南高校化工原理课程设计说明书a煤油冷却器的设计学院X化学化工学院班皴：化10802学号i1505080802姓名*邱运仁时间：2010年9月书目-2-1.1. 题目1.2. 任务与操作条件1.3. 列管式换热器的选择与核算二概-3一2.1.换热器概述2.2.固定管板式换热器2. 3.设计背景与设冲要求三热量设-53.1.初选换热器的类型3. 2.管程支配（流淌空间的选择）与流速确定3. 3.确定物性数据3. 4.计算总传热系数3. 5.计第传热面积四.机械结构设.-9-4.1.管径和管内流速4.2.管程数和传热管数4. 3.平均传热温差校正与壳程数4. 4.壳程内径与换热管选型汇总4. 4.折流板4. 6.接管4. 7.壁厚的确定、封头4. 8.管板4. 9.换热管4. 10.分程隔板4.11拉杆-4.12.换热管与管板的连接1.13. 防冲板或导流筒的选择、鞍式支座的示意图（B1.型）4. 14.膨胀节的设定探讨§五换热器核-21-5.1. 热量核算5. 2.压力降核算六管束振1.2. 2.设备形式：列管式换热器1.3. 3.操作条件(1) .煤油：入口温度160C,出口温度60C(2) .冷却介质：循环水，入口温度17C,出口温度30。C(3) .允许压强降：管程不大于0.IMPa,壳程不大于40KPa(4) .煤油定性温度下的物性数据P=825kgm3,黏度7.15×10,Pa.s,比热容2.2kJ(kg."C),导热系数0.14W(m.C)1.3.列管式换热器的选择与核算1.4. 1.传热计算1.5. 2.管、壳程流体阻力计算1.6. 3.管板厚度计算1.6.4. 膨胀节计算1.3. 5.管束振动1.3.6. 管壳式换热器零部件结构§二.四2. 1.换热器概述换热器是化工、炼油工业中普遍应用的典型的工艺设备。在化工,换热器的费用约占总费用的10%20%,在炼油厂约占总费用35%40机换热器在其他部门如动力、原子能、冶金、食品、交通、环保、家电等也有着广泛的应用。因此，设计和选择得到运用、高效的换热器对降低设备的造价和操作费用具有特别重要的作用。在不同温度的流体间传递热能的装置称为热交换器，即简称换热螺旋笆代沉醉式用于管内流体的冷却、冷凝或管外流体的加热喷淋式只用于管内流体的冷却或冷凝板iff式板式拆洗便利，传热面能调整，主要用于粘性较大的液体间换热螺旋板式可进行严格的逆流操作，有自洁的作用，可用做回收低温热能伞板式结构紧凑，拆洗便利，通道较小、易堵，要求流体干净板壳式板束类似于管束，可抽出清洗检修，压力不能太高混合式适用于允许换热流体之间干脆接触蓄热式换热过程分阶段交替进行，适用于从高温炉气中回收热能的场合3. 2.固定管板式因设计须要，卜面简洁介绍一下固定管板式换热器。固定管板式即两端管板和光体连结成一体，因此它具有结构简洁造价低廉的优点。但是由于壳程不易检修和清洗，因此壳方流体应是较为干净且不易结垢的物料。当两流体的温度差较大时，应考虑热补偿。有具有补偿圈（或称膨胀节）的固定板式换热器，即在外壳的适当部位焊上一个补偿圈，当外壳和管束的热膨胀程度不同时，补偿圈锯割作用，短时间内即可将管子切开发生局部失效。6.1.3接头泄漏管子与管板的连接处是换热器中特别重要的结构,然而在工程实际中，由于管子振动使管子与管板连接处受力较大，从而导致胀接或焊接点的损坏,造成泄漏。6.1.4应力疲惫管子振动的振幅较大时，管子反豆弯折的扭弯应力较高，长时间的连续振动会使管子断裂。这种损伤还会由于腐蚀作用而加速。6.1.5流金失效振动使换热管产生交变应力，导致管子表层的氧化层脱落,管子表面留下坑点。在坑点处引起应力集中，导致管子失效,缩短了管子寿命。6.1.6材料跳陷扩展振动所引起的应力脉动会使管材中的微观缺陷扩展，以致产生大裂纹,最终使管子受到破坏。另外，横流流淌与激振机理与流体介质还有肯定的关系，详细见下表：流淌状况漩泯分别湍流抖振流体弹性不稳定性声共振液流中可能发生可能发生重要表6.1.6.横流流淌与激振机理与流体介质关系表气流中不能发生可能发生重要重要6. 2.2紊流抖振紊流抖振是一个由随机力作用的衰减振动，管子仅在其固有频率旁边产生响应,振动的峰值出现在脉动力的主频率与管子的固有频率重合之处。脉动力的主频率K,为：=r3.05(1.-)2+0.28'式中：fb紊流脉动的频率,HzU相邻两管间的流体平均速度,m/sd0管子的外径,mT管束的横向管间距,m1.两个连续管排间的中心线距离,m紊流脉动的频率范围较宽且具有很强的随机性。由紊流抖振而诱发的振动不很规律,较少导致大范围的共振响应。紊流抖振不是导致管了破坏的主要缘由，而是产生流体弹性激振的重要因素。通常认为，当管子间距较小时，由于没有足够的空间产生漩涡分别,紊流的影响是主要的。当管子间距与管径之比小于1.5时,漩涡分别一般不会引起管子大幅度振动。7. 2.3流体弹性激振换热器内密集的管束中，任何一根管子的运动都会变更四周的流场。流场的变更则使作用在相邻管子上的流体发生相应的变更,从而使受力作用的管子发生振动，从而进一步变更了作用在其中的流体力。一根管上的位移会对相邻的管子施加流体力而使其也产生位移。这种流体力与弹性位移的相互作用就叫做流体弹性激振。它一般是在已有其它机理诱发起管子运动的状况下产生的。其特点是流体速度一旦超过某一临界速度值并稍有增加时，振幅即有大幅度增加，若阻尼不太大时，形成的振幅将始终增大到管子相互碰撞。这种振动在流体速度减小到远低于初始速度时仍会持续。管束发生流体弹性不稳定时候的临界横流速度Vc可以按下面的公式进行计算：式子中：%一一质量阻尼参数，无因次，可按公式R=34）进行计弊;d”换热器的外径，m：f11换热管的固有频率，Hz；Kc一一比例系数探讨表明，流体速度较低时，振动可能由漩涡脱落或紊流抖振引起,而在速度较高区域,诱发振动机理主要是流体激振。6.3管束振动的计算通过以上管束振动的分析可知，管子的振动与管子的系统的固有频率、系统的阻尼和流体流淌特性等因素有关。在换热器中，换热管两端与管板连接，中间山等间距布置的多个折流板支撑，但匏近两端管板的折流板与管板之间的跨距比中间跨距要大。换热管与管板之间不论采纳焊接、胀接或胀接焊接并用，都不能发生振动和位移，因而在固有频率分析时可看作刚性固定支撑；管束中间用弓形折流板支撑，管子与折流板管孔之间有很小的的间隙，管子可以转动，但不能发生纵向位移，因而可以看作是筒支。换热管的简化模型为多跨度梁,因此，求解换热管的固有频率归结为求解多跨度梁的固有频率，其理论基础是梁的横向振动微分方程。换热器管束的管子具有多个固有频率，每一种固有频率对应一种不同振型。当受其中一种特定频率的激发载荷作用时，就可以发生某种振型的共振。利用管子两端的固定条件与管子在中间管子简支处的连续条件，求解方程组可得到换热管的各阶固有频率。影响管子振动关键是第一二阶的固有频率。对于多跨直管的固有频率求解方程相当困难，为便利计算，美国的管壳式换热器制造者协会设计了相应的计算公式和振型常数，将等跨距宜管的固有频率简化为跨度数和两端支捺条件确定的参数，由下面的式子计算：换热管发生振动的基本条件是各种激振力的频率等于或接近换热管的固有频率。因此，要想有效防振，必需分别算出漩涡脱流频率口、紊流抖振频率f2和管广的固有频率，用下式推断：a）当壳程流体是气体或液体时，O.5<f1fn<0.6;0.5<ffn<0.6;b）当管程流体是气体或蒸汽时,0.8<f,fn<1.2j0.8<ffn<1.2;C）当壳程流体是气体或液体时，应有横向流速v>v.6.4振动的防止与有效利用换热器内流体诱导振动的机理相当困难，能够有效地防止振动的完整的设计准则尚未建立起来。这就须要在运行过程中依据不同的操作状况,采纳不同的措施来防止换热器的振动。振动是不行避开的但是稍微的振动不但不会带来损坏,而且还有强化传热和削减结垢的作用。但是剧烈的振动应当实行必要的防振措施以减缓振动，避开换热器振动破坏。抗振的根本途经是激振力频率尽量避开管子的固有频率。工程实践中常采纳以下的抗振措施：(1)制定合理的开停工程序，加强在线监测，严格限制运行条件,在流体入口前设置缓冲板或导流筒，既可以避开流体干脆冲击管束,降低流速，又可以减小流体脉动。(2)降低换热器壳侧流体速度是防止管束振动的最干脆的方法。因为当传热元件的固有频率不变时，降低流速，可使流体脉动的频率降低,从而避开共振的产生,但同时传热效率也会随之降低。(3)提高传热元件的固有频率是防止振动的另一个关键因素，削减跨距与有效质量,增加材料的弹性模量与惯性矩，都可以提高传热元件的固有频率。适当增大管壁厚度、增大圆管直径和折流板厚度,折流板上的管孔与管子采纳紧密协作，间隙不要过大，可以优化结构设计等。(4)变更管束支撑形式,采纳新型的纵向流管束支撑,例如折流杆式、空心环式、整圆形异形孔折流板,还可以用折流带或折流棒来代替折流板等。这些方法都可以有效地防止管束振动。(5)在换热管外表面沿周向缠绕金属丝或沿轴向安装金属条，可抑制周期性漩涡的形成。当然。振动问题最好是在事前预防,而不是待振动出现后再去修正。这就要求我们能在设计过程中充分考虑各种因素，只有这样才能使设计的产品更加完善,操作运用更加平安牢嵬。§七.设计结果表汇换热器主要结构尺寸和计算结果表参数管程光程进、出口温度，C30/40140/40压力，MPa33142317流量,kg/h6705612626物性物性温度，C3590密度，kgm3994825定压比热容,kJ(kgtC)4.182.22粘度，Pas0.0007250.000715热导率，WmC0.6260.14结构参数形式管板式换热器光程数1壳体内径，mm600台数1管径，mm砂25X2.5管心距，mm32管长，mm6000管子排列管数，根232折流板数，个29传热面积，m2100折流板间距，mm200管程数2材质碳钢主要计算结果管程壳程流速，m/s0.4970.2176污垢热阻，m2CW0.0003440.000172热流量，KW778.6传热温差，C32传热系数，W/(m2K)390裕度/%21.88§.参考文献1夏清，姚玉英,陈常贵,等.化工原理M.天津：天津高校出版社，20012华南理工高校化工原理教研组.化工过程与设备设计M.广州：华南理工高校出版社，版963刁玉玮，王立业.化工设备机械基础(第五版HM.大连:大连理工高校出版社，20004大连理工高校化工原理教研室.化工原理课程设计M.大连：大连理工高校出版社，19965魏崇光，郑晓梅.化工工程制图M.北京:化学工业出版社，1998