1、四川理工学院毕业设计（论文）四川理工学院毕业设计（论文） 年产10万吨氢氧化钠溶液的列管式换热器设计与分析学 生： 学 号：09011010216专 业：过程装备与控制工程班 级：20092指导教师： 四川理工学院机械工程学院二O一三年六月四 川 理 工 学 院毕业设计（论文）任务书设计（论文）题目： 年产10万吨氢氧化钠溶液列管式换热器的设计与分析 学院：机械工程学院 专业：过程装备与控制工程 班级：2009.2 学号 09011010216学生： 指导教师： 接受任务时间 2013.03.01 系主任 （签名）院长 （签名）1毕业设计（论文）的主要内容及基本要求 壳程 管程 设计压力（MP
2、a）： 0.8 0.6工作压力（MPa）： 0.7 0.5设计温度（ oC ）： 150 90工作温度（ oC ）： 130（进）110（出） 80（进）90（出）介 质： 水 氢氧化钠溶液 (质量分数40%)腐蚀裕度： 1.0 0焊缝接头系数：0.85 设计寿命：10年2指定查阅的主要参考文献及说明（1）机械设计手册，机械工业出版社；（2）化工设备丁作明等编；（3）机械制图，清华大学出版社； （4）GB1502011压力容器； （5）化工原理，天津大学出版社； （6）GB1511999管壳式换热器； 期刊主要有：化工机械、 流体机械3进度安排设计（论文）各阶段名称起 止 日 期1资料收集，阅
3、读文献，完成开题报告3月 1 日至3月24日2完成所有结构设计和设计计算工作3月25日至4月21日3完成所有图纸绘制4月22日至5月22日4完成说明书的撰写5月23日至6月7日5完成图纸和说明书的修改，答辩的准备与毕业答辩6月 8 日至6月14日摘要换热器是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，又称热交换器。本次是设计列管式换热器的设计，介质为水和氢氧化钠溶液。目的是为了掌握列管式换热器的结构，以及设计思路。首先根据物料介质的特点选取换热器的类型，此次选用的是固定管板式换热器。根据选择的类型进行工艺结构设计。此次设计主要包括以下几个部分：工艺设计（主要包括换热器的选型，换热面积计算，压强降、传
4、热系数的核算）、结构设计（换热器主要件的材料选用，结构尺寸设计）、强度校核等。关键词： 固定管板式换热器 工艺设计 结构设计ABSTRACTThe heat exchanger is a equipment that transmit a part energy of the heat fluid to the cold fluid. This is the design of shell and tube heat exchanger, the medium is water and Sodium hydroxide solution. The design is in order to l
5、earn the structure of the shell and tube heat exchanger, and the design train of thought. First of all, according to the Medium characteristics to choose type heat exchanger. We choose the fixed tube plate heat exchanger about this design. We make structural design on the type. This design mainly in
6、cludes the following several parts: process design that including selection of heat exchanger, heat exchange area computation, the pressure drop and heat transfer coefficient of the calculation), structural design that including main parts material selection of the heat exchanger and the structure s
7、ize design, Strength check, etc.Keywords: Fixed tube plate heat exchanger; Process design; The structure design.目录摘要2ABSTRACT3第一章 绪论211.1 概述211.2 换热器的发展历史211.3 换热器的分类及其特点221.3.1 按作用原理或传热方式分类221.3.2 按用途分类231.4 管壳式换热器241.4.1 基本类型251.4.2 设计方法281.4.3 主要控制参数281.4.4 管壳式换热器腐蚀分析291.4.5 管壳式换热器防腐保护291.5换热器的技术
8、发展动向29第二章 工艺设计332.1 设计方案332.1.1 选择换热器的类型332.1.2 流向选择332.2 初选换热器的规格332.2.1 物性的确定332.2.2 计算热负荷和氢氧化钠溶液的流量332.2.3两流体的平均温差。342.2.4换热器的初选342.3 压强降的核算362.4 总传热系数的核算382.5设计参数及计算结果表41第三章 换热器的结构设计423.1设计条件423.2封头设计423.2.1封头的设计423.2.2 封头与筒体的连接433.3 管箱短节433.4 分程隔板443.5 筒体443.6 换热管443.6.1 换热管的排列方式443.6.2 排管与分程45
9、3.6.3 换热管与管板的连接453.7 管板的设计463.7.1 管板的结构尺寸选取。463.7.2管孔外径与允许偏差473.7.3管板与壳体的连接473.8 接管的设计473.8.1壳程接管473.9 折流板513.9.1折流板的结构与尺寸513.9.2折流板上的管孔523.10拉杆、定距管523.10.1 拉杆的形式523.10.2拉杆的结构尺寸533.11防冲板533.11.1管程设置防冲板的条件533.11.2壳程设置防冲板的条件533.12膨胀节543.13 管箱553.13.1 管箱结构553.13.1 管箱法兰563.14 支座563.14.1 支座的布置563.14.2 支座
10、的结构尺寸57第四章 换热器的强度计算584.1前端管箱筒体计算584.2前端管箱封头计算594.3后端管箱筒体计算604.4后端管箱封头计算614.5壳程圆筒计算614.6延长部分兼作法兰固定式管板624.7换热管内压计算704.8换热管外压计算714.9管箱法兰计算724.10 鞍座校核734.10.1 鞍座承受载荷734.10.2 鞍座强度校核744.11接管开孔补强74第五章 换热器的制造与检验765.1 总体制造工艺765.2 换热器质量检验765.3 管箱、壳体、头盖的制造与检验765.4 换热管的制造与检验775.5 管板与折流板的制造与检验775.6 换热管与管板的连接775.
11、7 管束的组装775.8 管箱、浮头盖的热处理78第六章 结论79参 考 文 献80致谢81第一章 绪论1.1 概述换热器是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，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。在石油、化工、轻工、制药、能源等工业生产中，常常用作把低温流体加热或者把高温流体冷却，把液体汽化成蒸汽或者把蒸汽冷凝成液体。随着经济的发展，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。换热器的应用广泛，日常生活中取暖用的暖气散热片、汽轮机装置中的凝汽器和航天火箭上的油冷却器等，都是换热器。它的主要功能是保证工艺过程对介质所要求的特定温度，同时
12、也是提高能源利用率的主要设备之一。换热器既可是一种单元设备，如加热器、冷却器和凝汽器等；也可是某一工艺设备的组成部分，如氨合成塔内的换热器。换热器是化工生产中重要的单元设备，根据统计，热交换器的吨位约占整个工艺设备的20%有的甚至高达30%，其重要性可想而知。1.2 换热器的发展历史二十世纪20年代出现板式换热器，并应用于食品工业。以板代管制成的换热器，结构紧凑，传热效果好，因此陆续发展为多种形式。30年代初，瑞典首次制成螺旋板换热器。接着英国用钎焊法制造出一种由铜及其合金材料制成的板翅式换热器，用于飞机发动机的散热。30年代末，瑞典又制造出第一台板壳式换热器，用于纸浆工厂。在此期间，为了解决
13、强腐蚀性介质的换热问题，人们对新型材料制成的换热器开始注意。60年代左右，由于空间技术和尖端科学的迅速发展，迫切需要各种高效能紧凑型的换热器，再加上冲压、钎焊和密封等技术的发展，换热器制造工艺得到进一步完善，从而推动了紧凑型板面式换热器的蓬勃发展和广泛应用。此外，自60年代开始，为了适应高温和高压条件下的换热和节能的需要，典型的管壳式换热器也得到了进一步的发展。70年代中期，为了强化传热，在研究和发展热管的基础上又创制出热管式换热器。换热器中流体的相对流向一般有顺流和逆流两种。顺流时，入口处两流体的温差最大，并沿传热表面逐渐减小，至出口处温差为最小。逆流时，沿传热表面两流体的温差分布较均匀。在
14、冷、热流体的进出口温度一定的条件下，当两种流体都无相变时，以逆流的平均温差最大顺流最小。在完成同样传热量的条件下，采用逆流可使平均温差增大，换热器的传热面积减小；若传热面积不变，采用逆流时可使加热或冷却流体的消耗量降低。前者可节省设备费，后者可节省操作费，故在设计或生产使用中应尽量采用逆流换热。当冷、热流体两者或其中一种有物相变化(沸腾或冷凝)时，由于相变时只放出或吸收汽化潜热，流体本身的温度并无变化，因此流体的进出口温度相等，这时两流体的温差就与流体的流向选择无关了。除顺流和逆流这两种流向外，还有错流和折流等流向。在传热过程中，降低间壁式换热器中的热阻，以提高传热系数是一个重要的问题。热阻主
15、要来源于间壁两侧粘滞于传热面上的流体薄层(称为边界层)，和换热器使用中在壁两侧形成的污垢层，金属壁的热阻相对较小。增加流体的流速和扰动性，可减薄边界层，降低热阻提高给热系数。但增加流体流速会使能量消耗增加，故设计时应在减小热阻和降低能耗之间作合理的协调。为了降低污垢的热阻，可设法延缓污垢的形成，并定期清洗传热面。一般换热器都用金属材料制成，其中碳素钢和低合金钢大多用于制造中、低压换热器；不锈钢除主要用于不同的耐腐蚀条件外，奥氏体不锈钢还可作为耐高、低温的材料；铜、铝及其合金多用于制造低温换热器；镍合金则用于高温条件下；非金属材料除制作垫片零件外，有些已开始用于制作非金属材料的耐蚀换热器，如石墨
16、换热器、氟塑料换热器和玻璃换热器等。1.3 换热器的分类及其特点在工业生产中，由于用途、工作条件（温度、压力）和物料特性（介质）的不同，出现了各种不同形式和结构的换热器。1.3.1 按作用原理或传热方式分类 按传热原理以及传热方式进行分类，换热器可进行以下几种方式分类。（1）表面式换热器（间壁式）表面式换热器是温度不同的两种流体在被壁面分开的空间里流动，通过壁面的导热和流体在壁表面对流，两种流体之间进行换热。表面式换热器有管壳式、套管式和其他型式的换热器。（2）蓄热式换热器蓄热式换热器通过固体物质构成的蓄热体，把热量从高温流体传递给低温流体，热介质先通过加热固体物质达到一定温度后，冷介质再通过
17、固体物质被加热，使之达到热量传递的目的。蓄热式换热器有旋转式、阀门切换式等。蓄热式换热器通过结构紧凑、价格便宜、单位体积传热面积大，故适合气气热交换场合。（3）流体连接间接式换热器（中间载体式）流体连接间接式换热器，是把两个表面式换热器由在其中循环的热载体连接起来的换热器，热载体在高温流体换热器和低温流体之间循环，在高温流体接受热量，在低温流体换热器把热量释放给低温流体图1-1 图1-2（4）直接接触式换热器直接接触式换热器是两种流体直接接触进行换热的设备，例如，冷水塔、气体冷凝器等。具有传热效率高、单位容积提供的传热面积大、设备结构简单、价格便宜等优点，但不适用于流体混合的场合。1.3.2
18、按用途分类（1）加热器 加热器是把流体加热到必要的温度，但加热流体没有发生相的变化 （2）预热器预热器预先加热流体，为工序操作提供标准的工艺参数。（3）过滤器过热器用于把流体（工艺气或蒸汽）加热到过热状态。（4）蒸发器蒸发器用于加热流体，达到沸点以上温度，使其流体蒸发，一般有相的变化。1.4 管壳式换热器 管壳式换热器又称列管式换热器。管壳式换热器是一个量大而品种繁多的产品，迫切需要新的耐磨损、耐腐蚀、高强度材料。我国在发展不锈钢铜合金复合材料、铝镁合金及碳化硅等非金属材料等方面都有不同程度的进展，其中尤以钛材发展较快。钛对海水、氯碱、醋酸等有较好的抗腐蚀能力，如再强化传热，效果将更好，目前一
19、些制造单位已较好的掌握了图1-3 管壳式换热器钛材的加工制造技术。对材料的喷涂，我国已从国外引进生产线。铝镁合金具有较高的抗腐蚀性和导热性，价格比钛材便宜，应予注意。近年来国内在节能增效等方面改进换热器性能，提高传热效率，减少传热面积降低压降，提高装置热强度等方面的研究取得了显著成绩。换热器的大量使用有效的提高了能源的利用率，使企业成本降低，效益提高。管壳式换热器管壳式换热器是管壳式换热器主要有壳体、管束、管板和封头等部分组成，壳体多呈圆形，内部装有平行管束或者螺旋管，管束两端固定于管板上。在管壳换热器内进行换热的两种流体，一种在管内流动，其行程称为管程；一种在管外流动，其行程称为壳程。管束的
20、壁面即为传热面。管子的型号不一，过程一般为直径16mm 19mm或者25mm三个型号，管壁厚度一般为1mm，1.5mm，2mm以及2.5mm。进口换热器，直径最低可以到8mm，壁厚仅为0.6mm。大大提高了换热效率，今年来也在国内市场逐渐推广开来。管壳式换热器，螺旋管束设计，可以最大限度的增加湍流效果，加大换热效率。内部壳层和管层的不对称设计，最大可以达到4.6倍。这种不对称设计，决定其在汽-水换热领域的广泛应用。最大换热效率可以达14000w/m2.k，大大提高生产效率，节约成本。同时，由于管壳式换热器多为金属结构，随着中国新版GMP的推出，不锈钢316L为主体的换热器，将成为饮料，食品，以
21、及制药行业的必选。1.4.1 基本类型根据管壳式换热器的特点，可分为固定管板式、浮头式、U形管式、填料函式、和釜式重沸器五类，如图所示。（1）固定管板式换热器 固定管板式换热器的典型结构如图1-4所示，管束连接在管板上，管板与壳体焊接。其优点式结构简单、紧凑，能承受较高的压力，造价低，管程清洗方便，管子损坏时易于堵管或更换；缺点是管束与壳体的壁温或材料的线膨胀系数相差较大时，壳体与管束中将产生较大的热应力。这种换热器使用于壳侧介质清洗且不易结垢并能进行清洗，管、壳程两侧温差不大或温差较大但是壳程压力不高的场合。图1-4 固定管板式换热器 为减少热应力，通常在固定管板式换热器中设置柔性元件（如膨
22、胀节、挠性管板等），来吸收膨胀差。 （2）浮头式换热器 浮头式换热器的典型结构见图1-4所示，两端管板只有一段与壳体固定，另一端可相对壳体自由移动，称为浮头。浮头由浮动管板、钩圈和浮头端盖组成，是可拆连接，管束可从壳体内抽出。管束与壳体的热变形互不约束，因而不会产生热应力。钩圈对保证浮头端的密封、防止介质间的串漏起着重要作用。随着浮头式换热器的设计、制造技术的发展，以及长期以来使用经验的积累，钩圈的结构形式也得到了不段的改进和完善。钩圈一般都为对开式结构，要求密封可靠，结构简单、紧凑、便于制造和拆装方便。 浮头式换热器的优点是管间与管内清洗方便，不会产生热应力；但其结构复杂，造价比固定管板式换
23、热器高，设备笨重，材料消耗量大，且浮头端小盖在操作中无法检查，制造时密封要求高。适用于壳体与管束之间壁温差较大或壳程介质以结构的场合。（3）U形管式换热器 U形管式换热器的典型结构见图1-6 所示。这种换热器的结构特点是，只有一块管板，管束由多跟U形管组成，管的两端固定在同一块管板上，管子可以自由伸缩。当壳体与U形换热管由温差时，不会产生热应力。 图 1-5 浮头式换热器图1-6 U形管式换热器由于受弯管曲率半径的限制，其换热管排布较少，管束最内层管间距离较大，管板的利用率较低；壳程流体易形成短路，对传热不利。当管子泄露损坏时，只有管束最外围处的U形管才便于更换，内层换热管不能够更换，只能堵死
24、，而坏一根U形管相当于坏两根管，报废率较高。 U形换热器的结构比较简单、价格便宜，承压能力差，适用于管、壳壁温差较大或壳程介质易结垢需要清洗，又不适宜采用浮头式和固定管板式的场合。特别适用于管内走清洁而不易结垢的高温、高温、高压腐蚀性强的物料。 （4）填料函式换热器填料函式换热器结构如图1-7、1-8所示。这种换热器的特点与浮头式换热器相类似，浮头部分露在壳体以外，在浮头与壳体的滑动接触面处采用填料函式密封结构。由于采用填料函式密封结构，使得管束在壳体轴向可以自由伸缩，不会产生壳壁与管壁热变形差而引起的热应力。其结构较浮头式换热器简单，加工制造方便，节省材料，造价比较低廉，且管束可以从壳体内抽
25、出，管内、管间都能进行清洗，维修方便。因填料重沸器处易产生泄露，填料式换热器一般适用于4MPa以下的工作条件，且不适用易挥发、易燃、易爆、有毒及贵重介质，使用温度也受填料的物性限制。填料函式换热器现在已很少使用。图1-7 填料函双壳程换热器 图1-8 填料函分流式换热器 （5）釜式重沸器釜式重沸器的结构如图1-8所示。这种换热器的管束可以分为浮头式、U形管式和固定管板式结构，所以它具有浮头式、U形管式换热器的特性。在结构上与其他换热器不同之处在于壳体上部设置了一个蒸发空间，蒸发空间的大小由产气量和所要求的蒸发品质所决定。产气量大、蒸气品质要求高者蒸发空间大，否者可以小些。此种换热器与浮头式、U
26、形管式换热器一样，清洗维修方便，可以处理不清洁、易结垢的介质，并能承受高温高压。图1-8 釜式重沸器1.4.2 设计方法在满足工艺过程要求的前提下，换热器应该达到安全与经济的目标。换热器设计的主要任务是参数的选择、结构设计、传热计算、及压强降计算等。设计主要包括壳体形式、管层数、换热管类型、管长、管子排列、管子支承结构（如折流板结构等）、冷热流体的流动通道等工艺设计和封头、壳体、管板等零部件的结构、强度设计计算。换热器的工艺设计计算，依据设计任务的不同可分为设计计算和校核计算两种，包括计算换热器换热面积和选型两个方面。一般已知冷、热流体的处理量和他们的物性、进出口温度、压力由工艺要求确定、设计
27、中需选择或确定的数据有三大类，即物性数据、结构数据和工艺数据。设计计算式由已知数据计算换热面积，进而决定换热器的结构，可选定标准形式的换热器；校核计算是对已知换热器核定一些运行参数，校核它是否满足预定的换热要求。通常的设计步骤如图1-9所示1.4.3 主要控制参数1.管壳式换热器的主要控制参数为加热面积、热水流量、换热量、热媒参数等。（1）、根据已知冷、热流体的流量，初、终温度及流体的比热容决定所需的换热面积。初步估计换热面积，一般先假定传热系数，确定换热器构造，再校核传热系数K值。 （2）、选用换热器时应注意压力等级，使用温度，接口的连接条件。在压力降，安装条件允许的前提下，管壳式换热器以选
28、用直径小的加长型，有利于提高换热量。（3）、换热器的压力降不宜过大，一般控制在0.010.05MPa之间；（4）、流速大小应考虑流体黏度，黏度大的流速应小于0.51.0m/s；一般流体管内的流速宜取0.41.0m/s；易结垢的流体宜取0.81.2m/s。（5）、高温水进入换热器前宜设过滤器。（6）、热交换站中热交换器的单台处理和配置台数组合结果应满足热交换站的总供热负荷及调节的要求。在满足用户热负荷调节要求的前提下，同一个供热系数中的换热器台数不宜少于2台，不宜多于5台。1.4.4 管壳式换热器腐蚀分析管壳式换热器的材料一般以碳钢、不锈钢和铜为主，其中碳钢材质的管板在作为冷却器使用时，其管板与
29、列管的焊缝经常出现腐蚀泄漏，泄漏物进入冷却水系统污染环境又造成物料浪费。管壳式换热器在制作时，管板与列管的焊接一般采用手工电弧焊，焊缝形状存在不同程度的缺陷，如凹陷、气孔、夹渣等，焊缝应力的分布也不均匀。使用时管板部分一般与工业冷却水接触，而工业冷却水中的杂质、盐类、气体、微生物都会构成对管板和焊缝的腐蚀，这就是我们常说的电化学腐蚀。研究表明，工业水无论是淡水还是海水，都会有各种离子和溶解的氧气，其中氯离子和氧的浓度变化，对金属的腐蚀形状起重要作用。另外，金属结构的复杂程度也会影响腐蚀形态。因此，管板与列管焊缝的腐蚀以孔蚀和缝隙腐蚀为主。从外观看，管板表面会有许多腐蚀产物和积沉物，分布着大小不等的凹坑。以海水为介质时，还会产生电偶腐蚀。化学腐蚀就是介质的腐蚀，换热器管板接触各种各样的化学介质，就会受到化学介质的腐蚀。另外，换热器管板还会与换热管之间产生一定的双金属腐蚀。 综上所述，影响管壳式换热器腐蚀的主要因素有：（
