【正文】 .......................................................... 51 殼體的縱環(huán)焊縫 ........................................................................... 51 換 熱管與管板的焊接 .............................................................................. 51 焊接工藝 ....................................................................................... 51 焊接缺陷 ....................................................................................... 51 法蘭與筒體的焊接 .................................................................................. 52 第 6 章 換熱器的安裝、試車(chē)與維護(hù) ................................................................... 53 安裝 .......................................................................................................... 53 場(chǎng)地和基礎(chǔ) ................................................................................... 53 安裝前的準(zhǔn)備 ............................................................................... 53 地腳螺栓和墊鐵 ........................................................................... 53 其他要求 ....................................................................................... 53 試車(chē) .......................................................................................................... 53 維護(hù) .......................................................................................................... 54 總結(jié) ......................................................................................................................... 55 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） VI 參考文獻(xiàn) ................................................................................................................. 56 致謝 ......................................................................................................................... 57 附錄 ......................................................................................................................... 58 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 1 前言 畢業(yè)設(shè)計(jì)是教學(xué)計(jì)劃的最后一個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)，也是最重要的教學(xué)環(huán)節(jié)之一，是學(xué)生獲得學(xué)士學(xué)位的必要條件。設(shè)計(jì)主要達(dá)到以下 的目的： 了解課題內(nèi)容及意義，通過(guò)對(duì) 換熱器 的設(shè)計(jì)掌握過(guò)程裝備的一般設(shè)計(jì)方法和步驟，加深對(duì)化工原理、工程熱力學(xué)、過(guò)程裝備設(shè)計(jì)等專(zhuān)業(yè)課程知識(shí)的理解，使理論聯(lián)系實(shí)際。 培養(yǎng)嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)、科學(xué)的工作態(tài)度和獨(dú)立解決問(wèn)題的能力 本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的題目是原油換熱器設(shè)計(jì)。 這次設(shè)計(jì)中的主要內(nèi)容為換熱器的工藝計(jì)算、換熱器的結(jié)構(gòu)與強(qiáng)度設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，我盡量采用較新的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，做到既滿足設(shè)計(jì)要求，又使結(jié)構(gòu)優(yōu)化，降低成本，以提高經(jīng)濟(jì)效益為主，力爭(zhēng)使產(chǎn)品符合生產(chǎn)實(shí)際需要，適合市場(chǎng)激烈的競(jìng)爭(zhēng)。 因?yàn)閾Q熱器設(shè)計(jì)是屬于壓力容器設(shè)計(jì)范疇，與我所學(xué)的課程有緊密的聯(lián)系，所以這次設(shè)計(jì)對(duì)我的設(shè)計(jì)能力有了很大的提高。換熱器在設(shè)計(jì)過(guò)程中為技術(shù)分析與產(chǎn)品開(kāi)發(fā)可以為設(shè)計(jì)者提供一個(gè)廣闊的思維想象空間，還能激發(fā)設(shè)計(jì)者的創(chuàng)新意識(shí)。 由于水平有限，在設(shè)計(jì)過(guò)程中一 定存在許多疏漏和不夠合理之處，懇請(qǐng)各位老師和同學(xué)批評(píng)指正。換熱器是化工、石油、動(dòng)力、食品及其它許多工業(yè)部門(mén)的通用設(shè)備，在生產(chǎn)中占有重要地位。 換熱器種類(lèi)很多，但根據(jù)冷、熱 流體 熱量 交換的原理和方式基本上可分三大類(lèi)即：間壁式、混合式和蓄熱式。 換熱器的應(yīng)用 在工業(yè)生產(chǎn)中，換熱器的主要作用是將能量由溫度較高的流體傳遞給溫度較低的流體，是流體溫度達(dá)到工藝流程規(guī)定的指標(biāo)，以滿足工藝流程上的需要。例如，高爐爐氣（約1500℃）的余熱，通過(guò)余熱鍋爐可生產(chǎn)壓力蒸汽，作為供汽、供熱等的輔助能源，從而提高熱能的總利用率，降低燃料消耗，提高工業(yè)生產(chǎn) 經(jīng)濟(jì)效益。換熱器的設(shè)計(jì)、制造、結(jié)構(gòu)改進(jìn)及傳熱極力的研究十分活躍，一些新型高效換熱器相繼面世。 換熱器的分類(lèi)及特點(diǎn) 按照傳熱方式的不同，換熱器可分為三類(lèi)： 又稱(chēng)混合式換熱器，它是利用冷、熱流體直接接觸與混合的作用進(jìn)行熱量的交換。 在這類(lèi)換熱器中，熱量傳遞是通過(guò)格子磚或填料等蓄熱體來(lái)完成的。由于兩種流體交變轉(zhuǎn)換輸入，因此不可避免地存在著一小部分流體相互摻和的現(xiàn)象，造成流體的“污染”。 這是工業(yè)中最為廣泛使用的一類(lèi)換熱器。按照傳熱面的形狀與結(jié)構(gòu)特點(diǎn)它又可分為： 管式換熱器：如套管式、螺旋管式、管殼式、熱管式等； 板面式換熱器：如板式、螺旋板式、板殼式等； 擴(kuò)展表面式換熱器：如板翅式、管翅式、強(qiáng)化的傳熱管等。 管殼式換熱器是目前用得最為廣泛的一種換熱器，主要是由殼體、傳熱管束、管板、折流板和管箱等部件組成，其具體結(jié)構(gòu)如下圖所示。進(jìn)行換熱的冷熱兩種流體，一種在管內(nèi)流動(dòng)，稱(chēng)為管程流體；另一種在管外流動(dòng)，稱(chēng)為殼程流體。折流板可以提高殼程流體速度，迫使流體按規(guī)定路程多次橫向通過(guò)管束，增強(qiáng)流體湍流程度。為提高管內(nèi)流體速度，可在兩端管箱內(nèi)設(shè)置隔板，將全部管子均分為若干組。為提高管外流速，也可以在殼體內(nèi)安裝縱向擋 板，迫使流體多次通過(guò)殼體空間，稱(chēng)為多殼程。 這種換熱器的結(jié)構(gòu)不算復(fù)雜，造價(jià)不高，可選用多種結(jié)構(gòu)材料，管內(nèi)清洗方便，適應(yīng)性強(qiáng)，處理量較大，高溫高壓條件下也能應(yīng)用，但傳熱效率、結(jié)構(gòu)的緊湊性、單位傳熱面的金屬消耗量等方面尚有待改善。如果兩流體溫度相差較大，換熱器內(nèi)將產(chǎn)生很大的熱應(yīng)力，導(dǎo)致管子彎曲、斷裂或從管板上拉脫。根據(jù)所采用的補(bǔ)償措施，管殼式換 熱器可以分為以下幾種主 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 要類(lèi)型： 圖 0 管殼式換熱器 固定管板式換熱器：其結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。與其它型式的管殼式換熱器相比，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，當(dāng)殼體直徑相同時(shí)，可安排更多的管子，也便于分程，同時(shí)制造成本較低。如果管子發(fā)生泄漏或損壞，也便于進(jìn)行堵管或換管，但無(wú)法在管子的外表面進(jìn)行機(jī)械清洗，且難以檢查，不適宜處理臟的或有腐蝕性的介質(zhì)。 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 浮頭式換熱器：其結(jié)構(gòu)如圖 2 所示。浮頭端設(shè)計(jì)成可拆結(jié)構(gòu)，使管束能容易的插入或抽出殼體。這樣為檢修、清洗提供了方便。因此在安裝時(shí)要特別注意其密封。 浮頭式換熱器的 缺點(diǎn)：（ 1）小浮頭易發(fā)生內(nèi)漏；（ 2） 金屬材料 耗量大，成本高 20%；（ 3）結(jié)構(gòu)復(fù)雜 。一束管子被彎制成不同曲率半徑的 U型管，其兩端固定在同一塊管板上，組成管束，從而省去了一塊管板與一個(gè)管箱。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)便宜，管束可以在殼體中抽 出，管外清洗方便，但管內(nèi)清洗困難，故最好讓不易結(jié)垢的物料從管內(nèi)通過(guò)。 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 雙重管式換熱器：將一組管子插入另一組相應(yīng)的管子中而構(gòu)成的換熱器，其結(jié)構(gòu)可以參看圖 4。其特點(diǎn)是內(nèi)插管與外套管之間沒(méi)有約束，可自由伸縮。 填料函式換熱器：圖 5 為填料函式換熱器的結(jié)構(gòu)。拆下管箱、填料壓蓋等有關(guān)零件后，可將管束抽出殼體外，便于清洗管間。由于減少了殼體大蓋，它的結(jié)構(gòu)較浮頭式換熱器簡(jiǎn)單，造價(jià)也較低，但填料處容易泄漏，工作壓力與溫度受一定限制，直徑也不宜過(guò)大。 雙殼程結(jié)構(gòu)：在換熱器管束中間設(shè)置縱向隔板，隔板與殼體內(nèi)壁用密封片阻擋物流內(nèi)漏，形成雙殼程結(jié)構(gòu)。 螺旋折流板式換熱器：螺旋折流板可以防止死區(qū)和返混，壓降較小。 雙管板結(jié)構(gòu)：在普通結(jié)構(gòu)的管板處增加一個(gè)管板，形成的雙管板結(jié) 構(gòu)用于收集泄漏介質(zhì)，防止兩程介質(zhì)混合。國(guó)內(nèi)已使用的新效的換熱管有以下幾種： 螺紋管：又稱(chēng)低翅片管，用光管軋制而成，適用于管外熱阻為管內(nèi)熱阻 倍以上的單相流及渣油、蠟油等粘度大、腐蝕易結(jié)垢物料的換熱。 表面多孔管：該管為光管表面形成一層多孔性金屬敷層，該敷層上密布的小孔能形成許多汽化中心 ，強(qiáng)化沸騰傳熱。 波紋管：為擠壓成型的不銹鋼薄壁波紋管，管內(nèi)、管外都有強(qiáng)化傳熱的作用，但波紋管換熱器承壓能力不高，管心距大而排管少，殼程短而不易控制。尤其在化工、石油、能源設(shè)備等部 門(mén)所使用的換熱設(shè)備中，管殼式換熱器仍處于主導(dǎo)地位，因此本次畢業(yè)設(shè)計(jì)特針對(duì)這類(lèi)換熱器中的浮頭式換熱器的工藝設(shè)計(jì)以及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行介紹。工藝設(shè)計(jì)中包括了熱力設(shè)計(jì)以及流動(dòng)設(shè)計(jì)，其具體運(yùn)算如下所述： 設(shè)計(jì)條件 表 21煤油 與原油的操作參數(shù) 原 油 煤 油 設(shè)計(jì)壓力 （ Mpa） 進(jìn)口溫度（ 176。 C） 流 量 （ kg/h） 進(jìn)口溫度 （ 176。 C） 流 量 （ kg/h） 69 101 95400 300 100 23184 定性溫度： 對(duì)于一般氣體和水等低黏度流體，其定性溫度可取流體進(jìn)、出口溫度的平均值。 ℃ 導(dǎo)熱系數(shù) W/（ m178。 103）Pa178。 103）m2178。這是因?yàn)椋罕焕鋮s的流體走殼程可便于散熱，而傳熱系數(shù)大的流體應(yīng)走管程，這樣可降低管壁的溫差，減少熱應(yīng)力，同時(shí)對(duì)于浮頭式換熱器，一般是將易結(jié)垢流體流經(jīng)管程。A （ 1） 傳熱計(jì)算（熱負(fù)荷計(jì)算） 熱負(fù)荷： c p c o i h p h i oQ = m c ( t t ) = m c ( T T ) 式中 ： mc， mh—— 冷熱流體的質(zhì)量流量， kg/s； cpc， cph—— 冷熱流體的定壓比熱， J/(kg178。 理論上， cQ = hQ ，實(shí)際上由于熱量損失， cQ ≠ hQ ，通常熱負(fù)荷應(yīng)該取 max（ cQ ， hQ ）。 （ 2）有效平均溫差 39。 39。A 339。mQ 37 22 10A 22 4 mK t 18 0 90 .4?? ? ??估； 工藝結(jié)構(gòu)尺寸 （ 1） 管徑和管內(nèi)流速 選用φ 25mm179。 （ 2）管程數(shù)和傳熱管數(shù) 可依據(jù)傳熱管內(nèi)徑和流速確定單程傳熱管數(shù) vs 22iq 954 00 / ( 360 0 805 )N = = 88π ? ???； 按 單管程計(jì)算，所需的傳熱管長(zhǎng)度為 osA 39。根據(jù)本設(shè)計(jì)實(shí)際情況，采用標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，取傳熱管長(zhǎng) l=7m，則該換熱器的管程數(shù)為 p L 33N = = 6l6?； 傳熱管總根數(shù) n=88179。 殼體直徑按下式估算。 （ 4）折流板 采用弓形折流板，取弓形折流板圓缺高度為殼體內(nèi)徑的 25%，則切去的圓缺高度為 h=179。 取折流板間距 B=，則 B=179。 K/w； id 、 od 、 md —— 分別是傳熱管內(nèi)徑、外徑及平均直徑， m； wλ —— 傳熱管壁材料導(dǎo)熱系數(shù)， W/（ m2﹒ K）； b—— 傳熱管壁厚， m。 179。 551 . 8 1 . 86 1 0 6 1 0f 1 1 0 . 4 9 3R e 2 3 6 5 . 3??? ? ? ? ?； 而湍流情況下的 39。 1/ 3 i wiλα = R e P r ( μ /μ )d ； 工程上，當(dāng)液體被加熱時(shí)，取 (μ /μ ) =，當(dāng)液體被冷卻時(shí)，取(μ /μ ) =，而管程流體原油是被加熱的，則有 39。iiα =f α 0 .4 9 3 5 6 4 2 7 8? ? ?W/（ m2﹒ K）； （ 2）殼程流體傳熱膜系數(shù) Oα ： 管程流體流通截面積： 2ootd = B