固定管板式换热器整体结构设计.doc

2 固定管板式换热器整体结构设计 2.1换热器类型的选择 两流体温度变化情况：热流体进口温度140℃，出口温度40℃；冷流体（循环水）进口温度30℃，出口温度40℃。该换热器用循环水冷却，冬季操作时进口温度会降低，考虑到这一因素，估计该换热器的管壁和壳体壁温之差较大，因此初步选定带膨胀节的固定管板式换热器。 2.2 换热器内流体流动空间及流速的确定 由于循环冷却水较易结垢，为便于水垢清洗，应使循环水走管程，油品走壳程。选用的碳钢管，管内流速取。 2.2.1冷热流体物性数据的确定 定性温度：可取流体进口温度的平均值。 壳程油的定性温度为： ℃ 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。 油在90℃下的有关物性数据如下： 密度 ㎏/m3 定压比热容 /（㎏·℃） 导热系数 （m·℃） 粘度 循环冷却水在35℃下的物性数据如下： 密度 ㎏/m3 定压比热容 /（㎏·℃） 导热系数 /（m·℃） 粘度 2.2.2总传热系数的计算 （1）热流量 （2）平均传热温度 ℃ （3）冷却水用量 （kg/h） （4）总传热系数K 管程传热系数： =2731W/（m2·℃） 壳程传热系数： 假设壳程的传热系数W/（m2·℃） 污垢热阻 管壁的导热系数； 2.3传热面积的计算 考虑15%的面积裕度 。 2.4工艺结构设计 （1）管径和管内流速 选用传热管（碳钢），取管内流速。 （2）管程数和传热管数 依据传热管内径和流速的确定单程传热管数 按单程管计算，所需的传热管长度为 按单管程设计，传热管过长，宜采用多管程结构。先取传热管长L=6m，则该换热器管程数为 传热管总根数 （3）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，双管程结构，温差校正系数应查有关图表。但R=10的点在图上难以读出，因而相应以1/R代替R，PR代替P，查同一图线，可得 平均传热温差 （4）传热管排列和分程方法 采用组合排列法，即每程内均按正三角形排列，隔板两侧采用正方形排列。取管心距 ，则 横过管束中心线的管数 ，其排列形式如图2.1所示。 图2.1 换热管排列形式 （5）壳体内径 采用多管程结构，取管板利用率，则壳体内径为 圆整可取。 （6）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，故可取。 取折流板间距，则 可取为150mm。 折流板数 但考虑到实际情况，换热管还要和管板装配，管板有一定厚度，且壳体还需要装接管，所以取37块折流板，中间的折流板距离不变，仍为150mm，两边各去掉一块，使换热管有足够的长度和管板装配。 折流板圆缺面水平装配。 （7）接管 壳程流体进出口接管：取接管内油品流速为，则接管内径为 取标准管径为50mm。 管程流体进出口接管：取接管内循环水流速，则接管内径为 取标准管径为80mm。 取双管程单壳程的结构，查手册各种标准，应选取126根换热管，这样排管合适，又满足了热量交换要求。换热管束布局如图2.2所示。 图2.2 换热管排列形式 3 膨胀节的设计 在固定式换热器中，因壳程流体与管程流体之间具有温差，而壳体和换热管均与管板固定连接，在使用中会引起壳体和换热管之间的膨胀差，造成壳体和换热管受到轴向载荷，避免壳体和换热管拉伸破坏、换热管失稳、换热管从管板上拉脱的方法有多种，如选用U型管换热器、浮头式换热器等，上述两种方法补偿应力大，但制造较复杂，费用高。在应力不大的情况下可选择在壳体中间设置一个变形补偿元件——膨胀节以降低壳体与换热管的轴向载荷。膨胀节除了位移补偿的作用外，还同时兼有减震降噪和密封的功能。 3.1 判断是否需要设置膨胀节 分别计算筒体及换热管上所产生的应力，以及换热管与管板连接的拉脱力，当应力或拉脱力超过许用峰值时，则必须设置膨胀节。 （1）筒体上产生的应力 式中F1——壳体和换热管之间的温差所产生的轴向力， F2—壳程和管程压力作用于壳体上的力， —换热管与壳体的热膨胀变形差 —壳程壳体壁金属横截面积，mm2 —换热管管壁金属横截面积，mm2 —壳程壳体材料弹性模量， —换热管材料弹性模量， —换热管材料线膨胀系数，℃-1 —壳体材料线膨胀系数，℃-1 —沿长度平均的换热管金属温度，℃ —沿长度平均的壳体金属温度，℃ —制造环境温度，℃ —壳程与管程压力产生的力，N