煤油冷却器的设计分解

摘要

本文对煤油冷却器进行了设计，主要包括传热设计、换热器的结构和强度设计。

传热设计主要是根据给定的工艺设计条件初选换热器类型为固定管板式换热器，估算换热面积；校核传热系数，并计算出实际的换热面积，经验证传热面积符合设计要求；管程及壳程的压力降经计算满足工艺要求。换热器的结构设计主要包括换热器内各零部件（如接管、折流板、定距管、管箱、鞍座、膨胀节等）的设计。强度设计包括对封头和筒体壁厚进行设计计算；对开孔处进行开孔补强计算并确定补强圈的尺寸；对管板和膨胀节进行壁厚设计和应力校核，结论表明各承压元件处的强度设计均满足强度要求。

关键词：固定管板式换热器；传热；强度

Abstract

The design manual is about the kerosene cooler, which include the heat transfer calculation of heat exchanger, the structure and the strength calibration of heat exchanger.

The heat transfer calculation process is based on the given design conditions to choose the fixed tubesheet heat exchanger, and then, estimate the heat-transfer area. Meanwhile the process above still include checking heat transfer coefficient and the calculation of the actual heat transfer area ,which can meet the design

requirement .The pressure drop is calculated and meet the technical requirement . The design of the structure is just depending on the selected type of heat exchanger to design the heat exchanger’s components and parts , such as vesting ,baffled plates, the spacer pipe , tube boxes, saddles and the expansion joint. The strength calibration includes the thickness calculation of shell cover and the shell. Based on the opening reinforcement calculation, reinforcement pad can be determined. The thickness of tube sheet and the expansion joint is calculated, and then the stress is checked. The results show that the pressure-bearing components can meet the intensity requirements.

Key word: Shell-Tube heat exchanger; heat transfer; strength.

目录

1 绪论 (5)

1.1 换热器的应用 (5)

1.2 换热器的主要分类 (5)

1.3 换热器的优化设计 (8)

1.4 设计课题的意义 (10)

1.5 课题主要研究内容 (10)

2 传热设计 (11)

2.1试算并初选换热器规格 (11)

2.2核算总传热面积 (13)

2.3计算压强降 (16)

3 结构设计 (18)

3.1筒体和封头设计 (18)

3.2 管板与换热管 (18)

3.3 壳体与管板、管板与换热管的连接 (19)

3.4膨胀节、折流板以及其他结构设计 (21)

4 强度设计 (23)

4.1 筒体和封头、法兰及开孔补强计算 (23)

4.2 管板强度设计 (27)

4.3膨胀节计算 (52)

5 结论 (55)

参考文献 (56)

致谢 (57)

附录 (58)

1. 绪论

过程设备在生产技术领域中的应用十分广泛，是在化工、炼油、轻工、交通、食品、制药、冶金、纺织、城建、海洋工程等传统部门所必需的关键设备，而换热设备则是广泛使用的一种通用的过程设备。在化工厂中，换热设备的投资约占总投资的10%～20%；在炼油厂，约占总投资的35%～40%。

1.1 换热器的应用

在工业生产中，换热器的主要作用是将能量由温度较高的流体传递给温度较低的流体，是流体温度达到工艺流程规定的指标，以满足工艺流程上的需要。此外，换热器也是回收余热、废热特别是低位热能的有效装置。例如，高炉炉气（约1500℃）的余热，通过余热锅炉可生产压力蒸汽，作为供汽、供热等的辅助能源，从而提高热能的总利用率，降低燃料消耗，提高工业生产经济效益。

随着我国工业的不断发展，对能源利用、开发和节约的要求不断提高，因而对换热器的要求也日益加强。换热器的设计、制造、结构改进及传热的研究十分活跃，一些新型高效换热器相继面世。

1.2 换热器的主要分类

在工业生产中，由于用途、工作条件和物料特性的不同，出现了不同形式和结构的换热器。

1.2.1 换热器的分类及特点

按照传热方式的不同，换热器可分为三类：

(1)直接接触式换热器

又称混合式换热器，它是利用冷、热流体直接接触与混合的作用进行热量的交换。这类换热器的结构简单、价格便宜，常做成塔状，但仅适用于工艺上允许两种流体混合的场合。(2)蓄热式换热器

在这类换热器中，热量传递是通过格子砖或填料等蓄热体来完成的。首先让热流体通过，把热量积蓄在蓄热体中，然后再让冷流体通过，把热量带走。由于两种流体交变转换输入，因此不可避免地存在着一小部分流体相互混合的现象，造成流体的“污染”。

蓄热式换热器结构紧凑、价格便宜，单位体积传热面比较大，故较适合用于气--气热交换的场合。

(3)间壁式换热器

这是工业中最为广泛使用的一类换热器。冷、热流体被一固体壁面隔开，通过壁面进行传热。按照传热面的形状与结构特点它又可分为：

a.管式换热器：如套管式、螺旋管式、管壳式、热管式等；

b.板面式换热器：如板式、螺旋板式、板壳式等；

c.扩展表面式换热器：如板翅式、管翅式、强化的传热管等。

1.2.2 管壳式换热器的分类及特点

管壳式换热器是目前用得最为广泛的一种换热器，主要是由壳体、传热管束、管板、折流板和管箱等部件组成。壳体多为圆筒形，内部放置了由许多管子组成的管束，管子的两端固定在管板上，管子的轴线与壳体的轴线平行。进行换热的冷热两种流体，一种在管内流动，称为管程流体；另一种在管外流动，称为壳程流体。为了增加壳程流体的速度以改善传热，在壳体内安装了折流板。折流板可以提高壳程流体速度，迫使流体按规定路程多次横向通过管

束，增强流体湍流程度。

流体每通过管束一次称为一个管程；每通过壳体一次就称为一个壳程。为提高管内流体速度，可在两端管箱内设置隔板，将全部管子均分为若干组。这样流体每次只通过部分管子，因而在管束中往返多次，这称为多管程；同样。为提高管外流速，也可以在壳体内安装纵向挡板，迫使流体多次通过壳体空间，称为多壳程。多管程与多壳程可以配合使用。

这种换热器的结构不算复杂，造价不高，可选用多种结构材料，管内清洗方便，适应性强，处理量较大，高温高压条件下也能应用，但传热效率、结构的紧凑性、单位传热面的金属消耗量等方面尚有待改善。

由于管内外流体的温度不同，因之换热器的壳体与管束的温度也不同。如果两流体温度相差较大，换热器内将产生很大的热应力，导致管子弯曲、断裂或从管板上拉脱。因此，当管束与壳体温度差超过50℃时，需采取适当补偿措施，以消除或减少热应力。根据所采用的补偿措施，管壳式换热器可以分为以下几种主要类型：

（1)固定管板式换热器：换热器的管端以焊接或胀接的方法固定在两块管板上，而管板则以焊接的方法与壳体相连。与其它型式的管壳式换热器相比，结构简单，当壳体直径相同时，可安排更多的管子，也便于分程，同时制造成本较低。由于不存在弯管部分，管内不易积聚污垢，即使产生污垢也便于清洗。如果管子发生泄漏或损坏，也便于进行堵管或换管，但无法在管子的外表面进行机械清洗，且难以检查，不适宜处理脏的或有腐蚀性的介质。主要的缺点是当壳体与管子的壁温或材料的线膨胀系数相差较大时，在壳体与管中将产生较大的温差应力，因此为了减少温差应力，通常需在壳体上设置膨胀节，利用膨胀节在外力作用下产生较大变形的能力来降低管束与壳体中的温差应力。

（2)浮头式换热器：管子一端固定在一块固定管板上，管板夹持在壳体法兰与管箱法兰之间，用螺栓连接；管子另一端固定在浮头管板上，浮头管板夹持在用螺柱连接的浮头盖与钩圈之间，形成可在壳体内自由移动的浮头，故当管束与壳体受热伸长时，两者互不牵制，因而不会产生温差应力。浮头部分是由浮头管板，钩圈与浮头端盖组成的可拆联接，因此可以容易抽出管束，故管内管外都能进行清洗，也便于检修。由上述特点可知，浮头式换热器多用于温度波动和温差大的场合，尽管与固定管板式换热器相比其结构更复杂、造价更高。

（3)U型管式换热器：一束管子被弯制成不同曲率半径的U型管，其两端固定在同一块管板上，组成管束，从而省去了一块管板与一个管箱。因为管束与壳体是分离的，在受热膨胀时，彼此间不受约束，故消除了温差应力。其结构简单，造价便宜，管束可以在壳体中抽出，管外清洗方便，但管内清洗困难，故最好让不易结垢的物料从管内通过。由于弯管的外侧管壁较薄以及管束的中央部分存在较大的空隙，故U型管换热器具有承压能力差、传热能力不佳的缺点。

（4)双重管式换热器：将一组管子插入另一组相应的管子中而构成的换热器。管程流体（B 流体）从管箱进口管流入，通过内插管到达外套管的底部，然后返回，通过内插管和外套管之间的环形空间，最后从管箱出口管流出。其特点是内插管与外套管之间没有约束，可自由伸缩。因此，它适用于温差很大的两流体换热，但管程流体的阻力较大，设备造价较高。（5)填料函式换热器：管束一端与壳体之间用填料密封，管束的另一端管板与浮头式换热器同样夹持在管箱法兰和壳体法兰之间，用螺栓连接。拆下管箱、填料压盖等有关零件后，可将管束抽出壳体外，便于清洗管间。管束可自由伸缩，具有与浮头式换热器相同的优点。由于减少了壳体大盖，它的结构较浮头式换热器简单，造价也较低，但填料处容易泄漏，工作压力与温度受一定限制，直径也不宜过大。

1.3 换热器的优化设计

换热器的优化设计就是要求所涉及的换热器在满足一定的要求下，一个或数个指标达到最好。

应用场合不同，选取的性能指标也有所不同，常用的性能指标有重量、体积、嫡产率、阻力或经济性等。传统的优化方法一般选取总成本最小为目标函数，基于遗传算法caputo Antonio 提出了总成本最小的管壳式换热器优化设计方法，总成本包括投入成本、每年由于消耗泵功而支出的成本，其优化结果表明，该优化设计方法可使换热器的成本大幅度降低，在一验证算例中总成本降幅超过50%。以成本最小为目标函数的换热器优化设计方法虽然降低了成本，但成本的降低会以牺牲有效度为代价，这对于换热器设计而言是不利的。

近年来，一些先进的优化方法被引入到换热器的优化设计当中。换热器性能的优化能够提高换热过程的能源利用率，在能源日益短缺的今天具有重要的意义。目前对换热器优化的研究方法和思路各不相同，但总的趋势是基于热力学第二定律寻求合适的目标函数。由此形成了最小嫡产方法，并应用于换热器的优化设计。Yilmaz等人对基于热力学第二定律的换热器评价准则嫡和火用进行了介绍，并对它们的应用和彼此之间的相互关系进行了分析。Muralikrishnaandls在管壳式换热器设计中，提出一种在压降图上确定其可行区域的方法。可以很方便地在计算机上运行。陈维汉提出了考虑综合性能优化的换热器热设计方法，该方法充分考虑了换热器的结构特征与尺寸、流体流动与对流换热过程的性能以及它们之间存在的优化关系，并获得令人满意的结构费用省、运行费用低、传热性能好的换热器。Wilde全面评价了用于换热器设计的不同最优化方法，并致力于研究用显式表示约束方程和目标函数的几何规划和其他搜索方法。

模糊优化设计是根据人们对换热器的设计要求达到“重量轻，换热效率高，压降小”这种多目标、但又无确切边界的“模糊”的问题，运用结构模糊优化理论寻求目标相对达到最优。在满足较高传热系数的条件下，实现了低压降、小重量等目标的要求。于颖等人应用模糊优化理论对板翅式换热器进行优化设计，该方法充分考虑到压降、效率和质量的影响，解决了换热器设计中多目标之间相互矛盾的问题。同时针对复杂的工程实际情况，利用更完善的构造隶属函数的方法对板翅式换热器进行多目标优化计算，经模糊优化设计后，板翅式换热器的结构参数和综合技术指标有了明显改善。

1.4 设计课题的意义

在我国石油化工产业换热器受到普遍的重视，而换热器的广泛应用性，决定了换热器换热性能的改善设计理论的不断创新，企业经济的收益和工业的飞速发展都具有一定的积极作用为节约能源和保护环境有显著的贡献。在换热设备中，使用量最大的是管壳式换热器,这种换热器结构简单、牢固，操作弹性大，应用材料广。虽然在传热效率、紧凑性和金属耗量等方面不及某些新型换热设备，但其应用历史悠久，设计资料完善，并已有系列化标准，加之其独特的优点，在近代层出不穷的新型换设备中，仍不失其重要地位，特别是在高温高压和大型换热设备中仍占绝对优势。

本文在已有的计算基础上，依据相应的标准，进行煤油冷却器的设计，包括其传热设计、结构设计和强度设计三部分。通过设计提高换热器的热效率和减少能源消耗，达到更高效，更节能的原则。

1.5课题主要研究内容

本文对煤油冷却器进行了设计，主要包括：

（一）、煤油冷却器的传热设计；

（二）、煤油冷却器的结构设计；

（三）、煤油冷却器元件的强度设计。

2.传热设计

2.1 试算并初选换热器规格

2.1.1 设计任务

设计一台煤油冷却器。煤油入口温度120℃，出口温度40℃；处理能力25t/h.冷却介质为循环水，入口温度25℃。设计压力1.5 MPa，要求换热器管壳两侧的压降皆不应超过1.0at。

2.1.2 确定流体通入空间

两流体均不发生相变的传热过程，因水的对流传热系数一般较大，并易结垢，故选择冷却水走换热器的管程，煤油走壳程。

2.1.3 确定流体的定性温度、物性数据，并选择列管式换热器的形式

被冷却物质为煤油，入口温度为120℃,出口温度为40℃

冷却介质为自来水，入口温度为25℃，出口温度为35℃

煤油的定性温度：T m=(120+40)2?=80℃

水的定性温度：t m=(25+35)2?=30℃

两流体的温差：T m?t m=80?30=50℃ 由于两流体温差不大于50℃，故选用固定管板式列管换热器。

2.1.4 计算热负荷Q

按管内煤油计算,即

Q=W p C p?(T1?T2)=2.5×104

3600

×2.28×103×(120?40)=1.27×106W

若忽略换热器的热损失，水的流量可由热量衡算求得,即

W c=

Q

C p?(t2?t1)

=

1.27×106

4.178×103×(35?25)

=30.32kg/s

2.1.5 计算两流体的平均温度差，并确定壳程数逆流温差

?t m′=?t2??t1

ln

Δt2

Δt1

=

(T2?t2)?(T1?t1)

ln

T2?t2

T1?t1

=

(120?35)?(40?25)

ln

120?35

40?25

=40.4℃

R =

T 1?T 2t 1?t 2=120?4035?25=8 P =T 2?t 2T 1?t 1=35?25120?25

=0.118 由R 和P 得温度校正系数为φ?t =0.82，所以校正后的温度为

?t m =φ?t ?t m ′=0.82×40.4=33.13℃

又因φ?t =0.82 >0.8，故可选用单壳程的列管式换热器

2.1.6 初步选择换热器规格

根据管内为水，管外为有机液体，K 值范围为290-700，假设K=350.初选固定板式换热器规格尺寸如下：

外壳直径D 600mm 管排方式——正三角形排列 管数n 232 管程数 2

管长L 6m 管尺寸 ?25×2.5mm （20 钢） 壳程数 1 公称压力P 1.5Mpa 中心距 32mm 公称面积S 107.5 m 2

图2.1 管路布置图

换热器的实际传热面积

S 0=nπd 0(L ?0.1)=232×3.14×0.025×(6?0.1)=107.45m 2

采用此换热面积的换热器，则要求换热过程的总传热系数为：

K 0=Q S 0?t m = 1.27×106

107.35×33.13

=356.6w ∕(m 2?℃) 2.2 核算传热面积

2.2.1 计算管程对流传热系数αi

因为管中水的质量流量为W c =30.25kg ∕s 则水的体积流量为

V c =W c ρ=30.32995.7

=0.03045m 3∕s A i =n N p π4d i 2=2322×π4

×0.0202=0.03644m 2 u i =V c A i =0.030450.03644?=0.8356m s ??