管壳式换热器毕业设计论文

摘要 摘要 本文主要是根据给定的参数和工艺要求来设计相应的管壳式换热器。本文首先根据工艺条件进行计算，选定换热器型式，本设计选定固定管板式列管换热器，确定换热器参数。然后进行结构设计和强度计算，进行四种工况校核，其结果都满足要求。最后进行接管补强，水压试验，结果都满足要求。根据 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 选取接管、法兰、鞍式支座、垫片等。 本设计通过对壳体内外的研究，对换热器有了初步的认识，并根据相关知识，进行了一系列设计计算，并最终完成柴油冷却器总体的结构设计，绘制设备总图及零部件图。其中包括换热器总图，管束图，折流板零件图，管箱零件图等。 关键词 管壳式换热器, 工艺计算, 强度计算 Abstract This article mainly according to the given parameters and technical requirements to design the corresponding tube heat exchanger. At first, this paper calculated according to the process conditions, select heat exchanger type, the design selected fixed tube plate shell and tube heat exchanger, heat exchanger parameters. Then carries on the structure design and strength calculation, four kinds of working condition checking, the result is meet the requirements. Finally take over reinforcement, hydrostatic test, the result is meet the requirements. According to the standard selection of takeover, flange, saddle support, gaskets, etc. This design through the study of shell inside and outside, have a preliminary understanding of the heat exchanger, and according to the relevant knowledge, made a series of design calculation, and finally complete the overall structure design of diesel oil cooler, drawing equipment assembly drawing and parts drawing. General layout, including the heat exchanger tube bundle, baffle plate parts diagram, tube box parts drawing and so on. Keywords shell and tube heat exchanger, process calculation , strength calculation; 目 录 I 摘要 II Abstract 1 第1章 绪论 1 1.1 课 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 背景 1 1.2 发展现状及趋势 2 1.3 存在的问题 2 1.4 课题的研究目的和意义 3 第2章 换热器的工艺计算 3 2.1 设计任务和操作条件 3 2.2确定设计方案 3 2.3确定物性数据 3 2.4估算传热面积 4 2.5工艺结构尺寸 6 2.6核算换热器 9 2.7本章小结 11 第3章 浮头式换热器的强度计算 11 3.1壳体计算 12 3.2.前端管箱筒体计算 13 3.3管箱封头的设计 13 3.4浮头设计计算 15 3.5壳程外压作用下浮头盖的计算 15 3.6管板的设计计算 20 3.7接管及开孔补强计算 21 3.8.浮头法兰计算 25 3.9.钩圈 25 3.10 分程隔板 25 3.11其他结构的选择 29 第四章 管壳式换热器检修、安装、使用和维修 29 4.1概述 29 4.2检测 29 4.3安装、使用、维修 30 4.4本章小结 31 结论 32 主要参考文献 33 致谢 34 附录1 39 附录2 44 附录3 外文翻译 59 附录4 外文 第1章 绪论 1.1 课题背景 在石油、化工、冶金、电力、轻工、能源等部门所使用的换热设备中,管壳式换热器处于主导地位。它适用于冷却、冷凝、加热 、蒸发及废热回收方面，是理论研究水平最高、设计技术最完善、标准化、规范化、历史久远及计算机软件开发最早的换热设备。它的工艺设计一般是指传热设计和压降（或流动）设计，传热尤为复杂。近年来随着节能技术的发展,换热器的应用领域不断扩大,带来了显著的经济效益，给管壳式换热器增添了新的生命力。因此对其进行研究就具有很大的意义。这种换热器结构坚固，处理能力大、选材范围广，适应性强，易于制造，生产成本较低，清洗较方便，在高温高压下也能适用。为了提高和强化管壳式换热器的传热效率，近年来 各国开展许多了研究工作，除了对管壳式换热器的设计方法作改进外，主要是对该换热器的传热管件及结构做改动，从而实现强化传热 。新近由瑞士Allares公司技术，后经Brown Fintube Ltd改进的高效传热元件-偏置折边翅边管和螺旋扁管。Hamon-Lummus公司又新推出一种SRC翅片管，用于冷凝传热。管壳式换热器是换热器的基本类型之一，19世纪80年代开始就已应用在工业上。这种换热器结构坚固，处理能力大、选材范围广，适应性强，易于制造，生产成本较低，清洗较方便，在高温高压下也能适用。为了提高和强化管壳式换热器的传热效率，近年来 各国开展了许多研究工作，除了对管壳式换热器的设计方法作改进外，主要是对该换热器的传热管件及结构做改动，从而实现强化传热。 1.2 发展现状及趋势 随着社会经济的发展，为了适应节约资源和能源的时代要求，对换热器的要求也越来越高。综合考虑各方面因素，要制造出低成本，高能效的换热器，在推动生产发展因素的同时，也会获得较高的经济效益。故其的提升空间很大，有待改进的方面还很多。 1.3 存在的问题 我国换热器技术通过几十年的发展，已经跻身世界先进行列，但在某些方面仍存在着一些不足，具体表现在：科研、产业之间还不能紧密的结合在一起，不能及时地实现科技成果的产业化；基础研究相对薄弱，管束腐蚀和磨蚀失效，管子与管板的连接失效，管束振动失效，管束泄漏，介质腐蚀，物性参数计算问题，传热性能问题，计算方法等。与国外公司相比，在经营管理方面还有待完善。 1.4 课题的研究目的和意义 近年来世界能源危机，有力的促进了传热强化技术的发展。为了节能降耗，提高工业生产效益，要求开发适用于不同工业过程要求的高效能换热设备。这是因为，随着能源的短缺，可利用热源的温度越来越低，换热允许温差将变得越来越小，故对换热技术的发展和换热性能的要求也就更高。所以，这些年来，换热器的开发与研究日益成为人们关注的话题。 在技术进步与经济效益催动下，国外推出了多种新型换热器，例如，ABB公司的螺旋折流板换热器（HelixchangerTM）、Hamon-Lummus公司SRCk空冷式冷凝器、Packinox换热器、NTIW列管式换热器、日本的Hybrid混合式换热器等。这些国外针对新型换热器的研究有的着重于强化管内传热，有的着着眼于壳程强化传热，有的改进了管箱设计，有的在于防腐防垢等。换热器的开发与研究日益成为人们关注的话题。 第2章 换热器的工艺计算 2.1 设计任务和操作条件 两流体的温度变化情况：热流体急冷水进口温度85℃，出口温度65℃，工作压力为1.2Mpa，流量为,82835Kg/h；冷流体石脑油进口温度9.85℃，出口温度60℃，工作压力为1.2Mpa，流量为66613Kg/h。 2.2确定设计方案 2.2.1两流体温度变化情况： 热流体的进口温度为85℃，出口温度为65℃； 冷流体的进口温度为9.85℃，出口温度为60℃ 2.2.2流程安排： 从两物料的特性看，因为石脑油是易燃易爆，轻度毒性，且易结垢的液体，故选择水走壳程。使温度高的热流体急冷水走管程，可利用换热管向外散热,减少热量损失。 2.3确定物性数据 定性温度，对于一般气体和水等低粘度流体，其定性温度可取流体进出口温度的平均值，故壳程石脑油的定性温度为： 管程水的定性温度为：75℃ 密 度 比热容 粘 度 Pa·S 导热系数 石脑油 712.35 2.0804 0.1238 急冷水 975.45 4,1925 0.6634 表2-1壳程和管程流体的有关物性数据 2.4估算传热面积 2.4.1热负荷 2.4.2 急冷水用量 2.4.3平均传热温差 按单壳程，多管程进行计算，逆流时平均温差为： 2.4.4计算换热面积 由化工原理附录，低温流体为水，高温流体为油，K的经验值为260-710W/(㎡ ℃) 初选K=400 W/(㎡ ℃ 考虑12.5%的面积裕度 2.5工艺结构尺寸 2.5.1管径与管内流速的选择 选取传热管尺寸φ19×2mm ,料为10号钢管 管内物料为水，选择管内流速为μ1=0.95m/s 2.5.2单程传热管数的确定 可依据传热管内经和流速确定单程传热管数 2.5.3管长度的确定 按单程计算 按单程管设计，传热管过长，宜采用多管程结构。 根据实际情况，采用标准设计，取传热管长l=5500mm，则该换热器的管程数为： 换热管总数： 2.5.4平均传热温度校正及壳程数 平均传热温度校正系数 正方形排列不紧凑，但便于机械清扫，常用于壳程介质易生污的浮头式换热器；采用正方形。 管心距 其换热管分程隔板槽两侧相邻的管心距 横过管束中心线的管数 2.5.6筒体内径的确定 采用多管程结构，壳程体内径可按式估算，取管板利用率 ，则壳体内径 圆整取标准系列，取 2.5.7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h为： 折流板间距B 流板折数 折流板圆缺面水平装配 2.5.8其他附件 查的，DN=800mm，栏杆直径为φ12mm，数量为6 根。 因壳程介质具有腐蚀性，壳程入口处应设置防冲挡板。 2.5.9接管 壳程流体进出口接管，取接管内流速为1m/s，则接管内径为 选用无缝钢管，尺寸为φ194×6mm。 管程流体进出口接管，取接管内流速为1m/s，则接管内径为 选用无缝钢管，尺寸为φ194×9mm。 2.6核算换热器 2.6.1核算总传热系数 2.6.1.1管程对流传热系数 当量直径 流通截面积 流速 雷诺数 普朗特数 2.6.1.2壳程对流传热系数 壳程流通截面积 流速 当量直径 雷诺数 普朗特数 取 2.6.1.2污垢热阻 取管内污垢热阻 取管内污垢热阻 管壁热阻 碳钢在该条件下的导热系为50 W/m °C 2.6.1.4总传热系数 管壁热阻可忽略时，总传热系数 为 2.6.1,5传热面积裕度 传热面积 实际传热面积 该换热器的面积裕度为 该换热器能够完成生产任务。 2.6.2核算压强降 2.6.2.1.管程压降 管程阻力结构校正系数 管程数 壳程数 单程至管阻力 有Re=23881，传热管相对粗糙度度为0.01，查莫狄图得 ，流速为0.41m/s。 管程流体阻力在允许的范围内 2.6.2.2.壳程压降 流体流经管束的压降 管子形式对阻力损失的影响 F=0.3 流体流经过折流板的压降 总压降 计算表明，管程壳程压强降都满足要求。 表2-2 换热器的主要结构尺寸和计算结果表 管 程 壳 程 流 量 kg/h 83825 66613 温 度 ℃ 85/65 9.85/60 压力MPa 1.2 1.2 物性 定性温度℃ 34.925 75 密度kg/m3 975.45 712.35 热容kJ/kg ℃ 4.1925 2.0804 粘 度Pa s 3.835×10-4 4.95×10-4 导热系数 w/m ℃ 0.6634 0.1238 普兰特数 2.423 8.32 设备结构参数 型 式 浮头式 台 数 1 壳体内径 mm 800 壳程数 1 管 径 mm 管心距mm 25 管 长mm 5500 管子排列 转角90°正方形排列 管数目（根） 560 折流板数(个) 16 传热面积m2 160 折流板距mm 320 管程数 4 材 质 碳钢 主要计算结果 管 程 壳 程 流 速m/s 0.41 传热膜系数w/m2 ℃ 4218.52 816 污垢热阻m2 ℃/w 0.000345 0.000517 压力损失kPa 6.732 3.387 热负荷kW 1931 传热温差℃ 33.1 传热系数w/m2 ℃ 390 裕 度% 22.84 2.7本章小结 本章主要阐述了浮头式换热器的工艺计算，根据设计任务和操作条件确定换热器类型，查找物性数据。进行传热计算，工艺结构尺寸的确定，管子的规格确定，数目的计算。是否分程。其他零部件的初步选定。壳体的公称直径，接管的计算及确定。管、壳程流体的阻力计算，以及总传热系数校核。 第3章 浮头式换热器的强度计算 表3-1管、壳程计算相关部分数据 管程 壳程 压力 MPa 操作 1.2 1.2 设计 1.32 1.32 温度 ℃ 操作(进/出) 85/65 9.85/60 设计 100 70 介质 急冷水 石脑油 腐蚀裕量mm 2 2 程数 4 1 焊接接头系数 0.85 0.85 3.1壳体计算 3.1.1筒体计算 根据工艺条件壳程的设计压力为1.0Mpa，焊缝采用单面焊对接接头局部无损探伤，焊接接头系数 ，材料选Q345R，100℃下材料的许用应力 按GB6654-1996，取钢材厚度负偏差,C1=0.3mm 腐蚀裕量 ， 圆筒计算壁厚 为 设计厚度 名义厚度 有效厚度 液压试验 对于内压容器，耐压试验的的目的是：在超设计压力下，考核缺陷是否会发生快速扩展造成破坏或开裂造成泄漏，检验密封结构的密封性能。 水压试验压力 式中 耐压试验压力， ； 压力容器的设计压力， ； 耐压试验压力系数；对于钢和有色金属，液压试验时 。 压力试验允许通过的应力水平 (((T( 0.90 (s =292.5 试验压力下圆筒的应力 由于(T( (((T ，所以满足条件 3.2.前端管箱筒体计算 .管程的设计压力P=1.32MPa；焊接接头系数 设计温度70℃；腐蚀裕量 。在此筒体的材料选择Q345R设计温度需用应力 ，钢板负偏差 ，腐蚀余量2mm。 筒体简图如下： 图3-2通体简图 计算厚度 名义厚度 有效厚度 液压实验 对于内压容器，耐压试验的的目的是：在超设计压力下，考核缺陷是否会发生快速扩展造成破坏或开裂造成泄漏，检验密封结构的密封性能。 实验压力值 实验压力下圆筒的应力 校核 ，所以、合格。 3.3管箱封头的设计 根据工艺条件的要求、和制作的难易程度和材料的消耗情况采用标准椭圆封头最合理。 根据 标准，取管箱封头为 ，曲面高度h1=200mm。直边高度 ，材料选用Q345R。 最大允许工作压力： 应力校核： 为保证耐压实验时管器材料处于弹性状态，在耐压试验前必须按下式校核试验时封头的薄膜应力 液压试验时， 应满足 ≤ =0.9×0.8×345=248.4MPa 满足要求。 3.4浮头设计计算 根据GB151---1999《管壳式换热器》[7]选用钩圈式浮头，浮头端盖选用球冠形封头，根据换热器筒体内径 ，查GB151---1999《管壳式换热器》表46可得封头球面内半径 图3-4浮头简图 表3-2布管限定圆参数表 换热器形式 固定管板式/U形式 浮头形式 布管限定圆直径 选择所用参数并绘制表格 3-3布管限定圆参数表 序号 项目 单位 数值 项目 单位 数值 1 4 布管限定圆直径 771 2 5 垫片压紧力作用中心圆直径 3 14 封头球面内半径 600 4 15.5 螺栓中心圆直径 布管限定圆直径 浮头法兰和钩圈的内直径 浮头法兰和钩圈的外直径 外头盖内直径 浮动管板外径 螺栓中心圆直径Db 3.5壳程外压作用下浮头盖的计算 分别按设计压力计算，然后取最大值。 计算压力 ，封头的材料仍选择Q345R。 封头材料的许用应力 焊接接头系数 取腐蚀裕量C2=3mm，厚度负偏差C1=0.3mm。 3.5.1按内压设计 3.5.2按外压设计 假设厚度，取内压计算值8mm A=0.000989mm 查图GB150图6-5. B=170 此时许用外压力 满足壳程内外压的要求。 3.6管板的设计计算 3.6.1设计压力及设计温度的选取 A）设计压力-Pd Pd =max（Pt、Ps）=1.32MPa B）设计温度 取较高侧的设计温度。T=100℃。 3.6.2结构系数的确定 A）DG-垫片压紧力作为中心圆的直径，mm 按JB4703-2000，A800-1.6 D4选取，管板外圆直径为863mm。 因 故 N -垫片的接触宽度，mm b0-基本密封宽度，mm b -有效密封宽度，mm DG=847mm B） 在布管区内，因设置隔板槽和拉杆结构的需要，而未能被换热管支承的面积， 。对于正方形排列 式中： 换热管中心距, mm2； 隔板槽两侧相邻管中心距，mm； N.-沿隔板槽一侧的排管根数。 取n=29 C）管板布管区当量直径Dt 换热管正方形排列的浮头式换热器， 管板布管区的面积为: D）面积 管板布管区内开孔后的面积为： 一根换热管管壁金属横截面积从GB151附录J查得a=106.81mm2 560根换热管管壁金属横截面积 Na=560×106.81=59813.6mm2 E）系数 管束模数为 设计温度下换热管材料的弹性模量； 管板布管区当量直径，mm。 换热管的有效长度为： 式中 换热管长，mm。 管板的名义厚度，mm； 换热管与管板胀接长度或焊脚高度，mm。 根据换热管外径 查《管壳式热交换器设计手册GB151》知管板最小厚度 ，在这里取 。 在这里换热管和管板的连接方式选择焊接，参考《管壳式热交换器设计手册GB151》表33取 。 所以 管板刚度削弱系数，一般可取 F）计算Pa查系数C 管板强度削弱系数一般为0.4 查GB151图23得C=0.475 G）换热管稳定许用应力系数 换热管回转半径查 GB151附录J得 i=6.05 因 故 3.6.3管板厚度计算 管侧 结构开槽5mm，C2 =2mm 壳侧 结构开槽0mm，C2 =0mm 计算厚度加结构尺寸及腐蚀裕量 取值为44mm 原厚为40mm，计算值为44mm 应重假设厚度 重查GB151图23得C=0.475 故名义厚度为44mm合适。 3.6.4换热管轴向应力校核 A） 只有管程设计压力壳程为0 Pt=1.32MPa Ps=0PMa 按A与 查GB151图24得Gwe =5.6 12.79MPa＜112MPa，校核通过。 B） 只有壳程设计压力 管程为0 Pt=0MPa Ps=1.32PMa 按A与 查GB151图24得Gwe =5.6 因为： 故校核通过。 3.6.5热管与管板连接的拉脱力校核 利用换热管与管板强度焊接结构尺寸 l-换热管与连接的焊缝尺寸，mm l=1.5+2=3.5mm 校核通过 3.7接管及开孔补强计算 3.7.1外壳接管开孔补强计算 (1)设计条件 计算压力：Pc=1.32MPa 计算温度：100℃ 接管实际外伸长度：200 接管实际内伸长度：0 接管焊接接头系数：0.85 接管腐蚀裕量：2 接管厚度负偏差： 接管材料许用应力：189MPa （2）开孔补强计算 ——壳体计算厚度为8 ； ——接管计算厚度 ； 接管直径d=di+2C2=182+2×2=186mm （3）削弱金属面积A fr=1 （4）壳体多余金属面积A1 接管计算壁厚 外侧有效厚度 接管多余的截面积A2 故不需补强 3.7.2管箱接管开孔补强计算 (1)设计条件 计算压力：Pc=1.32MPa 计算温度：100℃ 接管实际外伸长度：200 接管实际内伸长度：0 接管焊接接头系数：0.85 接管腐蚀裕量：2 接管厚度负偏差： 接管材料许用应力：189MPa （2）开孔补强计算 ——壳体计算厚度为8 ； 接管直径d=di+2C2=176+2×2=180mm （3）削弱金属面积A fr=1 （4）壳体多余金属面积A1 接管计算壁厚 故不需补强 3.8.浮头法兰计算 3.8.1 机构尺寸设计 1、浮头法兰和钩圈的外直 浮头法兰和钩圈的内直径按 中 结构尺寸选取， 按照螺柱直径及经验估算，本设计取螺柱中心圆直径1030mm。 螺柱 个数 ，螺柱材料 垫片选用 包垫 ，JB4718 尺寸 厚度 D0为浮头管板外直径， 则 ， 垫片有效密封宽度 管板垫片压紧力作用中心圆直径 查 表 ，垫片系数 ，垫片比压力 螺柱按300℃设计，可取 设法兰厚度 2、按GB151-99表47内压计算（Pt=0MPa，Ps=1.32MPa），结果见表3-4： 表3-4 浮头法兰内压计算 设计条件 垫片及螺栓计算 计算压力 垫片 材料：0Cr18Ni19 包耐油石棉橡胶板 设计温度 外径×内径×厚度= 法兰 材料： 螺栓直径 螺栓数量 个 许用应力 设 螺栓 材料 许用应力 或 （取两者较大值）为4004mm2 操作情况下法兰受力 力臂 力矩 操作情况下法兰总力矩： 预紧螺栓时法兰受力 力臂 力矩 操作状态： 预紧状态： 法兰厚度 操作状态： 预紧状态： 法兰厚度 取 与 之大者，且不小于球冠形封头名义厚度 的两倍。 (3)外压计算Pt=0MPa，Ps=1.32MPa。见表3-5 表3-5 浮头法兰外压计算表 设计条件 垫片及螺栓计算 计算压力 垫片 材料：0Cr18Ni19 包耐油石棉橡胶板 设计温度 外径×内径×厚度= 法兰 材料： 螺栓直径 螺栓数量 个 许用应力 设 螺栓 材料 许用应力 或 （取两者较大值）为4004mm2 操作情况下法兰受力 力臂 力矩 操作情况下法兰总力矩： 预紧螺栓时法兰受力 力臂 力矩 操作状态： 预紧状态： 法兰厚度 操作状态： 预紧状态： 法兰厚度 取 与 之大者，且不小于球冠形封头名义厚度 的两倍。 (4)综合内压及外压的计算结果取大值，确定 。 根据内外压工况计算结果，故取 此时考虑双面腐蚀，有 3.9.钩圈 查 选B型钩圈， 为钩圈设计厚度， ； 为浮动管板厚度， ； 则 3.10 分程隔板 由于是多管程换热器，故此处需要用到分程隔板。查 可知：分程隔板槽槽深 ，取为 ,槽宽为 ，取分程隔板的最小厚度为 。 3.11其他结构的选择 3.11.1支座选择 鞍式支座如图2-9所示。鞍式支座在换热器上的布置，因 ，取 。 采用双支座时，一个鞍座为固定支座，地脚螺栓为圆孔；另一个鞍座为活动支座，地脚螺栓为长圆孔，配合两个螺母，第一个螺母拧紧后，倒退一圈，然后再用第二个螺母锁紧。这样，可以使设备在温度变化是自由伸缩。如图示： 图3-1 鞍式支座 JB/T4712.1-2007,鞍座BI 600-S 材料Q345R 置于对称分布的鞍座上卧式容器所受的外力包括载荷和支座反力。容器受重力作用时，双鞍座卧式容器可近似看成支承在两个铰支点上受均布载荷的外伸简支梁 支座的安放位置也有一定的标准，一般支座与壳体端面的距离A<0.2L，L为壳体的长度。查JB/T4712.1-2007标准，在DN500mm~900mm、120o包角重型带垫板或不带垫板鞍式支座结构。 3.11.2法兰选择 3.11.2.1壳体的接管法兰的选择 压力容器法兰是压力容器的常用部件，是连接压力容器部件的基本元件。法兰应该是个组件，包括法兰垫片和连接螺栓或螺柱以及螺母。其作用是使不同的受压元件组合在一起，同时保证连接部位不产生泄露。 本次设计的换热器公称直径为800mm，设计压力为1.32MPa,参考设计标准应当选择对焊法兰。 壳体法兰 我国压力容器行业，压力容器法兰分类主要按结构形式进行划分。本设计采用对焊法兰。 壳体接管采用平颈对焊法兰，由于管箱、壳体、浮头箱直径都不一样，因此在选用法兰时，不能只按标准选取。如图6为壳体与浮头箱的对接法兰，DN=800mm的是按标准选取的。 3.11.2.2管箱接管法兰选择 管箱接管采用平颈对焊法兰，如图示： 图4-2 接管法兰 设计尺寸按化工机械标准设计 3.11.3.拉杆的选取 常用的拉杆结构有两种，拉杆定距管结构和拉杆折流板点焊结构。这里选用拉杆定距管结构，适用于换热管外径大于或者等于19mm的管束。如图所示： 图4-3拉杆定距管结构简图 拉杆的直径和数量 拉杆的直径和数量可以按GB151《管壳式热交换器设计手册》 表43和表44选用 因为换热管的外径为 由表得拉杆直径选择为 进一步选择拉杆的数目8 Lb=60mm La=15mm d=12mm 在保证大于或者等于所给定的拉杆中截面积的前提下，拉杆的直径和数量可以变动，但其直径不得小于10mm，数量不得小于4根。 拉杆的长度按需要确定。 拉杆的布置 拉杆应尽量均匀布置在管束的外边缘。对于大直径的换热器，在布管区内或者靠近折流板的缺口处应布置适当数量的拉杆，任何折流板应不少于3个支撑点。 3.11.4防冲与导流 管程设置防冲板的条件 当管程采用轴向入口接管或换热管内流体流速超过 时，应设置防冲板，以减少流体不均匀分布和对换热管端的冲蚀。因为本设计管内水流速为0.95m/s，所以不需要设计防冲挡板。 第四章 管壳式换热器检修、安装、使用和维修 4.1概述 设计确定后，制造质量是换热器最终建造质量的重要组成部分。因此，换热器制造单位必须按照《压力容器安全技术监察规程》（1999版）的规定具备健全的质量保证体系，并持有国家主管部门颁发的批准书和许可证。在全国制造过程中接受安全监察机构（或其授权的检验机构）的全面监督。如果建造主要制造监理时（监理内容在 合同 劳动合同范本免费下载装修合同范本免费下载租赁合同免费下载房屋买卖合同下载劳务合同范本下载 中商定）制造单位还应配合业主做好监理。 制造完成后，制造单位必须向业主提供完整的制造出厂资料，资料应符合国家标准的规定，并附有安全监察机构的监督检验报告。还应向业主提供监督检验机构打好钢印的产品铭牌。 4.2检测 接接头先经形状尺寸及外观检查合格后，再进行无损检测，所有A、B类焊缝应进行20%的射线或局部超声检测，检测长度不小于250mm。纵焊缝和环焊缝相交叉部位必须进行无损检测，对焊缝交叉部位及开孔区将被其它元件覆盖的焊缝部位必须全部检测；对经过局部超声或射线检测的焊接接 头，如果在检测部位发现超标缺陷时，则应进行不少于该焊缝接头长度10%的补充局部检测，且不少于250mm，如仍不合格，则应对该焊接接头全部检测，另外，对于公称直径大于或等于250mm的接管对接接头的无损检测比例及合格级别应与壳体主体焊缝焊缝要求相同；对于公称直径小于250mm，其壁厚小于28mm时仅做表面无损检测，合格级别为Ⅰ级。 4.3安装、使用、维修 安装换热器得基础必须足以使换热器不发生下沉，安装时采用混泥土基础，换热器通过鞍式支座由地脚螺栓将其与基础牢固的连接起来。在装换热器之前应严格地进行基础质量的检查和验收工作，主要项目如下：基础表面状况；基础标高、表面位置、形状和主要尺寸以及预留孔是否符合设计要求；地脚螺栓的位置是否正确，螺纹情况是否良好，螺帽和垫圈是否齐全；放置垫圈的表面是否平整等。 基础验收完后，需在安装换热器之前在基础上放垫铁，安放垫铁处的基础表面必须铲平，以使两者很好得接触。 4.4本章小结 本章主要介绍了筒体、法兰、管束、管箱的组装和焊接问题，另外稍微介绍了一点检测和安装、使用和维修时注意的问题。 结论 这次毕业设计首先根据所给的任务书查阅相关书籍、了解换热器的背景和现阶段的主要成果。首先查阅相关书籍资料，确定两介质的物性数据，然后对管壳式换热器进行工艺计算。确定固定管板式换热器为4管程，以及换热管Φ19×2，传热面积S=184㎡，DN800，换热管长度L=5500mm，初步定折流板间距为320mm，管程接管尺寸为φ194×9mm，壳程接管尺寸φ194×6mm，固定管板厚为44mm，外径为863mm，钩圈厚为44mm，外径计算为880mm，内径为762mm。为通过压强将校核和总传热系数校核确定所选换热器型号符合要求。按标准选取接管，封头，法兰，垫片，支座，折流板的形式和尺寸。最终确定了工艺结构尺寸，在之后根据GB151-99、GB150-98等有关换热器设计的书籍对换热器的结构进行设计和强度进行了校核，包括筒体壁厚和标准椭圆封头壁厚的计算，得出壁厚均为8mm；水压试验和壳体的强度校核，其都满足要求；四种危险工况的校核，都满足要求；开孔补强，经过计算，接管不需补强。并了解了一些管壳式换热器的检验，安装和维修知识。最后进行换热器的绘图。 经过计算和校核，选取此型号的固定管板式列管换热器满足工艺要求和强度要求，所以此换热器合格。 主要参考文献 [1]姚玉英，陈常贵，柴诚敬编著.化工原理（第2版）[M].天津：天津大学出版社，2004.3 [2]贾绍义，柴诚敬主编.化工原理课程设计[M].天津：天津大学出版社，2002.8 [3]秦叔经，叶文邦等编.换热器[M].北京：化学工业出版社，2002.12 [4]全国压力容器标准化技术委员会编.GB151-1999《管壳式换热》标准释义[M].昆明：云南科技出版社，2000.11 [5]T.Kuppan著.换热器设计手册[M].钱颂文等译.北京：中国石化出版社，2003 [6] 中国石化集团上海工程有限公司编.化工工艺设计手册（第四版）[M].北京：化学工业出版社，2009.6 [7] 于风叶，史红刚. 管壳式换热器的设计原则[J].石油化工设计,2009,26(4):19-21 [8]周蕾.固定管板式换热器的研究与优化[D].青岛，青岛科技大学化工过程机械专业，2006. [9] 郑津洋，董其伍，桑芝富主编.过程设备设计（第2版）[M]. 北京：化学工业出版社，2005.5 [10].GB150《钢制压力容器设计标准》石油化工出版社,2009,26(4):19-21 [11].GB151《管壳式热交换器设计手册》北京：化学工业出版社，2005.5 [12].JB/T4712.1-2007标准北京：化学工业出版社，2005.5 [13].JB/T4700-4707-2000<<压力容器法兰>>石油化工设计2009,26(4):19-21 致谢 在近四个月的毕业设计过程中，我的导师和同学们给予了我很多的帮助和支持。乔老师积极地指导我们，努力引导我们搜集相关的资料和书籍解决我们毕业设计遇到得问题。虽然我是这个组里唯一一个做设计的，但在整个毕业设计过程中，导师既鼓励我独自思考问题和解决问题，又热情帮助我解决所碰到的问题，帮我找其他老师一起辅导我。 此次设计中，我学到了很多东西。我通过查阅大量相关资料，与同学交流经验，向老师请教等多种方式，在设计中才明白很多以前学过的东西是应该这样应用的，还有以前不懂得知识问题这次也解决可。深深地知道做设计的不易，不仅要了解设备的结构，还要了解各个部件的特殊设计，材料的选择。此次设计大大增强了我的自学以及接受新知识的能力，也补充了以前学习中的不足，增强了对所学专业知识的理解，知道如何去设计它，如何组装等等细节为问题。由于经验以及所学知识的有限，对一些知识和问题理解不够深刻，设计中有很多不足之处，这需要我更努力学习，积累经验，不断提高自己的能力。 选择做设计，提高了我的动手能力，也让我充分体会到了在创造过程中探索的艰难和乐趣。虽然这个设计做的不是很好，但是在设计过程中所学到的东西是我这次毕业设计的重大收获和财富。特别要感谢我的指导老师们，孙老师倾心的指导，乔老师的尊尊教诲，郭老师的细心解答。我深深地感受到老师们的兢兢业业的精神，以及他们平易近人的性格。最后还要感谢其他同学，没有我们大家的努力和相互学习不可能完成设计，谢谢大家！给了我一温馨圆满的大学生活。再次真心的感谢。 附录1 燕山大学里仁学院 毕业设计（ 论文 政研论文下载论文大学下载论文大学下载关于长拳的论文浙大论文封面下载 ）开题报告 课题名称：石脑油/急冷水换热器设计 学院（系）： 里仁学院建环系 年级专业： 10级过程装备4班 学生姓名： 赵 金 英 指导教师： 乔 桂 英 完成日期： 2014 年 3月 17 日 一、综述本课题国内外研究动态，说明选题的依据和意义 换热器是一种实现物料之间热量传递的节能设备,因其换热效率、流体力学性能等方面有着突出的表现而得到越来越多的关注和研究，在石油、化工、冶金、电力、轻工、食品等行业应用普遍。目前,在换热设备中,管壳式换热器使用量最大。它适用于冷却、冷凝、加热 、蒸发及废热回收方面，是理论研究水平最高、设计技术最完善、标准化、规范化、历史久远及计算机软件开发最早的换热设备。它的工艺设计一般是指传热设计和压降（或流动）设计，传热尤为复杂。近年来随着节能技术的发展,管壳式换热器向高温、高压以及大容量的发展，应用领域不断扩大,带来了显著的经济效益，给管壳式换热器增添了新的生命力。因此对其进行研究就具有很大的意义。 管壳式换热器是换热器的基本类型之一，19世纪80年代开始就已应用在工业上。这种换热器结构坚固，处理能力大、选材范围广，适应性强，易于制造，生产成本较低，清洗较方便，在高温高压下也能适用。为了提高和强化管壳式换热器的传热效率，近年来 各国开展了许多研究工作，除了对管壳式换热器的设计方法作改进外，主要是对该换热器的传热管件及结构做改动，从而实现强化传热。 管壳式换热器管程结构发展 管程强化传热可归结为两个方面:改变传热面的形状和在传热面上或传热流路径内设置各种形状的物体。改变传热面形状，在管子壁面上形成有规律或无规律分布的凸起物,或将管壁本身沿轴向制成波纹状或螺旋状等,这些传热面上的各种形状的凸起物既是促进体,又起断续阻断边界层发展的作用，提高传热面积。试验研究表明,管内插入纽带之后,层流换热,则对流传热系数可增大2~3倍,最大可达10倍,压降增加3倍以上。管内插入不同形式的螺旋线圈强化层流区加热油的情况,结果表明内插螺旋线圈强化层流区换热,传热系数可高达3·5倍,而强化紊流区换热时,传热系数只提高30%~50%。壳程的传热强化研究包括管型与管间支撑物的研究。根据不同的管束支承结构可分为板式支承、杆式支承、管子自支承等几种形式。传热管外表面形状的改变主要是在其外表面上加工出沟槽和翅片,外表面有沟槽的传热管主要包括螺旋槽管、横纹管、波纹管等。新近又由瑞士Allares公司技术，后经Brown Fintube Ltd改进的高效传热元件-偏置折边翅边管和螺旋扁管。Hamon-Lummus公司又新推出一种SRC翅片管，用于冷凝传热。最近，江楠等提出了一种新型的管束自支承结构,该结构将太阳棒针翅管或钉头管与变截面混合管束支承有机结合在一起。其具有相当理想的强化传热效果,针翅管或钉头管在换热管有规律的分布,构成诸多扰流元,破坏流体边界层起到强化传热作用，管子各段受力均匀,起到良好的支承和抗振作用。换热器的选材也要综合考虑，既要考虑材料的抗腐蚀性，强度，韧度，又要考虑其经济性。 总之，随着社会经济的发展，为了适应节约资源和能源的时代要求，对换热器的要求也越来越高。综合考虑各方面因素，要制造出低成本，高能效的换热器，在推动生产发展因素的同时，也会获得较高的经济效益。故其的提升空间很大，有待改进的方面还很多。 2、 研究的基本内容，拟解决的主要问题 1、研究基本内容：熟悉和掌握相关理论知识和标准，严格按照国际压力容器相关标准、行业标准及规范完成所有设计内容，达到设计目标。设计要求选材合理，结构合理，强度计算完整准确，设计计算说明书书写工整，设计图纸表达清晰，图面整洁。 2拟解决的主要问题： (1)．工艺计算：壳程:混合石脑油，流量66613kg/h，操作压力1.2Mpa，进口温度9.85℃，出口温度为60℃；管测：急冷水，初始温度为85℃，流量为82835kg/h，操作压力为1.2Mpa。按此条件设计换热器。 (2)．进行换热器的结构设计，进行各主要构件的强度计算； (3)．编制设计计算说明书，字数20千字以上，外文资料翻译5千字以上，设计图纸绘图量6A1以上。 三、研究步骤、方法及措施 1.查阅相关资料了解设计意义和目的。 2.根据所学知识进行相关计算。 3.查阅标准核对计算结果是否符合要求。 4.根据计算数据绘制按要求绘制图纸。 四、研究工作进度 1 — 3周：检索相关技术资料，熟悉毕业课题，并撰写开题报告和文献综述。 4 — 7周：完成初步方案设计，进行工艺计算和强度计算，完成外文资料翻译。 8 — 11周：完成换热器的总体结构设计，绘制设备总图。 12 —14周：绘制设备的零部件图。 15 —16周：撰写设计说明书，并答辩。 五、主要参考文献 [1]邓颂九,提高管壳式换热器传热性能的途径[M].化学工程,1992,20（2）:30-36. [2]棚泽一郎,换热技术研究开发与最新动向.配管技术 [日],1995,37（7）:51-56. [3]化工设备设计全书《换热器》. [4]柴诚敬,张国亮.化工流体流动与传热[M].北京:化学工业出版社,2000. [5]王元文,管壳式换热器的优化设计[J]. 江苏:广东化工 2005,（3）:43-44. [6]秦叔经，叶文邦等编管壳式换热器[J].化学工业出版社,2005.12.1. [7]董其伍,刘敏珊,苏立建 .管壳式换热器研究进展 [D].上海. 上海冶金研究所.2000.1. [8]董其伍,刘敏珊.管壳式换热器研究进展[J].化工设备与管道,2006,43(6):18-22. [9]邓先河,邓颂九·螺旋槽管管壳式换热器的传热与阻力研究[J]·化学工程,1991,(1):12-14. [10]程俊国,冯俊,等,螺旋管的传热及流阻性能[J].重庆大学学报,1980,(3):81-94. [11]江楠.管壳式换热器管束的支承结构[J].化工进展,2006,25(增刊):204-207. [12]李华.太阳棒针翅优化和针翅结构参数对传热和压降的影响[J].制冷，2002,2(1):2-6. [13]董宝春.管壳式换热器的工艺设计[J].甘肃石油和化工, 2009,3(3):34. [14]贺运初.换热器的强化传热与优化设计[J].化工装备技术,1997,(2):25-28. [15] 吴金星,董其武,刘敏珊,郑州大学;王志文,华东理工.管壳式换热器失效分析\预防及在线测量.安全分析[J].郑州工业大学学报,1997,6(4):58-59. [16]Mukherjee Raji Effectively design shell-and -tube heat exchangers Chemical Engineering Prog- -ress,1998. [17] Gulyani BB.Estimating numbuer of shells in shell and tube heat exchangers a new approach based on temperature cross [J] . Transactions of the ASME J.of Heat Transfer ,2000,122(3);566-571. [18] Aurioules G.Comply with ASME code during early design stage[J].Cemical engineering progress 1998,94(6):45-50. 附录2 燕山大学里仁学院 毕业设计（论文）文献综述 课题名称： 石脑油/急冷水换热器设计 学院（系）： 里仁学院建环系 年级专业： 10级过程装备4班 学生姓名： 赵 金 英 指导教师： 乔 桂 英 完成日期： 2014年3月17日 一、课题国内外现状 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、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。 在石油、化工、冶金、电力、轻工、能源等部门所使用的换热设备中,管壳式换热器处于主导地位。它适用于冷却、冷凝、加热 、蒸发及废热回收方面，是理论研究水平最高、设计技术最完善、标准化、规范化、历史久远及计算机软件开发最早的换热设备[1]。它的工艺设计一般是指传热设计和压降（或流动）设计，传热尤为复杂[2]。近年来随着节能技术的发展,换热器的应用领域不断扩大,带来了显著的经济效益[3]，给管壳式换热器增添了新的生命力。因此对其进行研究就具有很大的意义[4]。这种换热器结构坚固，处理能力大、选材范围广，适应性强，易于制造，生产成本较低，清洗较方便，在高温高压下也能适用。为了提高和强化管壳式换热器的传热效率，近年来 各国开展许多了研究工作，除了对管壳式换热器的设计方法作改进外，主要是对该换热器的传热管件及结构做改动，从而实现强化传热[5] 。新近由瑞士Allares公司技术，后经Brown Fintube Ltd改进的高效传热元件-偏置折边翅边管和螺旋扁管。Hamon-Lummus公司又新推出一种SRC翅片管，用于冷凝传热。 近年来世界能源危机，有力的促进了传热强化技术的发展。为了节能降耗，提高工业生产效益，要求开发适用于不同工业过程要求的高效能换热设备[6]。这是因为，随着能源的短缺，可利用热源的温度越来越低，换热允许温差将变得越来越小，故对换热技术的发展和换热性能的要求也就更高[7]。所以，这些年来，换热器的开发与研究日益成为人们关注的话题[8,16]。 在技术进步与经济效益催动下，国外推出了多种新型换热器，例如，ABB公司的螺旋折流板换热器（HelixchangerTM）、Hamon-Lummus公司SRCk空冷式冷凝器、Packinox换热器、NTIW列管式换热器、日本的Hybrid混合式换热器等。这些国外针对新型换热器的研究有的着重于强化管内传热，有的着着眼于壳程强化传热，有的改进了管箱设计，有的在于防腐防垢等。换热器的开发与研究日益成为人们关注的话题。 国内已经进行了大量的强化传热技术的研究 ,但在新型高效换热器的开发方面与国外差距仍然较大 ,并且新型高效换热器的实际推广和应用仍非常有限。尚需从事换热器专业的技术员在制造工艺面加大力度进行研究, 使我国换热器技术从各个方面赶上国际水平,也需要各换热设备使用厂家勇于引进和推广新型高效换热器,为我国的节能事业做出贡献。 二、研究主要成果 1）江楠等提出了一种新型的管束自支承结构,该结构将太阳棒针翅管或钉头管与变截面混合管束支承有机结合在一起[9]。李华等的研究表明其具有相当理想的强化传热效果,并提出了优化条件:针翅长径比3~6,针翅长度15~36 mm,针翅直径4mm~1/5 d(d基管外径),针翅纵向间距大于10mm,且纵向间距与针翅直径比大于2[10]。其具有相当理想的强化传热效果,针翅管或钉头管在换热管有规律的分布,构成诸多扰流元,破坏流体边界层起到强化传热作用，管子各段受力均匀,起到良好的支承和抗振作用。 2)空心环支承是由华南理工大学化学工程研究所邓先和等首先研究的[11],它是由直径较小的钢管截成短节,均匀分布在换热管之间的同一截面上,呈线接触,在紧固装置螺栓力的作用下,使管束对紧密固定。 3)螺旋折流板换热器[12,13],国外称Heliexchanger换热器,是ABB公司的新产品,它突破了壳程介质Z形折返的传统方式。 4)美国菲利浦石油公司于20世纪70年代,为改进传统换热器中管子与折流板的切割破坏和流体诱导作用,开发了壳程流体纵流折流杆式换热器[2]。 三、发展趋势 随着社会经济的发展，为了适应节约资源和能源的时代要求，对换热器的要求也越来越高。综合考虑各方面因素，要制造出低成本，高能效的换热器，在推动生产发展因素的同时，也会获得较高的经济效益。故其的提升空间很大，有待改进的方面还很多。 四、存在问题 我国换热器技术通过几十年的发展，已经跻身世界先进行列，但在某些方面仍存在着一些不足，具体表现在：科研、产业之间还不能紧密的结合在一起，不能及时地实现科技成果的产业化；基础研究相对薄弱，管束腐蚀和磨蚀失效，管子与管板的连接失效，管束振动失效，管束泄漏，介质腐蚀[14]，物性参数计算问题，传热性能问题，计算方法等[15,17,18]。与国外公司相比，在经营管理方面还有待完善。 5、 主要参考文献 [1]董其伍,刘敏珊,苏立建 . 管壳式换热器研究进展 [D].上海. 上海冶金研究所.2000.1. 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[18] Aurioules G.Comply with ASME code during early design stage[J].Cemical engineering progress 1998,94(6):45-50. 附录3 外文翻译 电厂冷凝器管道布置的数值研究 Hui Zeng, Ji’an Meng, Zhixin Li 摘要： 本文对用于电厂300兆瓦机组的冷凝器的流动和传热性能采用多孔介质模型进行了数值分析。三种典型的管道排列方式均被分析研究。分析结果表明这三种管道排列方式因为过低的整体平均传热系数和过高的背压，都没有满足热交换协会标准（HEI标准）。一个新的管束布置是基于对冷凝器中的蒸汽流速，传热系数和空气的质量分数分布的模拟结果而开发出来的。这种新型的管道布置与HEI标准相比拥有更好的冷凝性能。 1.介绍 电厂冷凝器（一个庞大复杂的壳管式换热器）是在一个电厂中最重要的辅助设备之一。 增强冷凝器传热率会降低涡轮排气压力从而增加电厂的热效率。较高的传热系数也将减少冷凝器的大小。一个冷凝器有大量的冷却管（一个用于300兆瓦的机组的冷凝器大约有20000管），并且冷凝器中蒸汽流动和传热性能高度依赖于冷却管的布置。如果管子不能很好地排列，总传热系数会降低，并且涡轮排气压力，即冷凝器背压，将会增加。因此，管道的布置必须经过良好的冷凝设计来进行优化。如今许多公司已经开发出具有高性能的管道排列布局。它们中的一些现在被广泛地使用，例如由法国阿尔斯通公司开发的帽形管道排列，由德国巴克杜尔公司开发的双峰形管道排列，由美国西屋公司开发的菱形管道布置，由瑞士ABB公司开发的教会窗形管道排列布置，以及由日本东芝公司开发的AT型管道排列。 电厂冷凝器传统上一般根据冷凝器制造商基于在以往的设计和实验测试而给出的建议来设计，并且通常基于热交换学会（HEI标准）［1］制定的标准来设计。然而，这种方法没有将包括管排列等一些影响传热率的因素考虑在内。计算机和数值模拟技术的提高已经使人们有可能模拟出流体流动与传热在冷凝器中的数值分布了。在1972年，帕坦卡和斯波尔丁[2]开发了一个基于多孔介质的概念来分析壳管式换热器的瞬态行为的程序，这大大减少了计算时间以及存储时间，并且提供了一个采集大量实验数据的简单方法。冷凝器中的流动与传热的数值模拟现在已被许多研究人员进行。戴维森和罗维[3]考虑到了不可冷凝的气体的影响而使用了单相模型。Al-Sanea等人[4]和Bush等人[5]的用于比较的二维两相模型和实验数据表明，所述冷凝器的下半部的实验数据预测值非常一致，但在靠近管套的顶部有一些差异。张[6-9]等人从二维单相模型到准三维和两阶段模型做了一系列的研究。马林[10]用三维的方式在PHOENICS软件中的海洋冷凝器模型所计算的整体冷凝率与实测数据非常吻合。奥米斯顿等人[11] HYPERLINK "http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S135943111200124X" \l "bib12" [12]分析了冷凝器仿真模型的收敛，然后发现了一个可以在短的时间内获得解决方法的新算法。胡，张二人开发了一个修正的k-ε湍流模型对冷凝器进行模拟[13] ，随后评估不同的封闭关系对数值模拟的影响[14] [15] 。 这些模型已经被用于冷凝管布置的分析。Sato等人[16]数值估计一个AT形管排列的冷凝器的性能，经过液压模拟试验证实，发现新的管道排列的冷凝器的传热性能与以往的设计相比高了20%。罗伊等人[17]数值计算了具有菱形管装置的蒸汽冷凝器的性能，并研究了各种操作参数对冷凝器性能的影响。雷蒙等人[18]分析了各种操作参数对教会窗形冷凝器的冷凝器压力和总传热系数的影响并将结果与HEI标准相比较。Prieto等人[19]对同一冷凝器HEI标准和使用二维和三维模型的数值模拟的预测结果进行比较，然后建议使用数学模型来优化管道分布。Gong等人[20]通过二维空间计算程序分析了大亚湾核电站的管道排布。结果表明，B-D公司的新型管束排列与旧型相比在很多方面有重大改进。Wang等人[21]研究了N-11220-1发电厂冷凝器的热力性能，并指出冷凝器可以通过更换管束排列或增加围绕管束的蒸汽流道的大小的方法来改善。Zhou等人[22]引入了安装折流板这一手段，它是通过计算得以确认的提高冷凝器的流动和传热特性的手段。 虽然现在有许多大容量机组，但在世界各地仍有许多300 兆瓦机组在使用。由于600兆瓦和1000兆瓦发电机组的冷凝器和300兆瓦机组的相似，所以300 兆瓦机组的高性能的冷凝管的排列布置可以对大型机组的设计给予指导。这项研究分析了某电厂300兆瓦机组的冷凝器的流动和传热情况。在研究管道布置对于冷凝器性能的影响中研究了三种典型的管道排列。然后发现，通过数值计算结果改良的新型管道排列有显著的冷凝性能的提高。 2.1．物理模型 图.1显示了一个300 兆瓦机组冷凝器的三种典型的管道排列。类型A是一个帽形管结构，类型B是一个双位峰形管结构，类型C是一个菱形管布置。这三种管道布置，现均已广泛应用于电厂。由于所有的冷凝器都是在其中心平面对称，因此图.1只示出了一半管束。 图.1. 300 MW机组的冷凝器三种典型管道排布 图2示出A型管道装置的冷凝器的整个横截面，在冷凝器中有两个不同的流动区域，冷却管道集中的冷凝器管束区域和自由流动区域。从涡轮排出的蒸汽进入冷凝器壳体的顶部，然后流经管束区域冷凝。在每个管束的中心有排气口，用于排出非冷凝气体（主要是空气）和未冷凝的蒸汽。此外，挡板控制在管束中的蒸汽流量。一些管道排布会在排气口前布置一个独立的管束，并由隔板与主冷凝区隔离。这个区域被命名为高空气质量分数空气​​冷却区域。冷凝器为双管程，所以每个管束被分成与管的数目相等的两部分。冷却水进入下部管束，然后从上部管束排出。冷凝器几何和操作参数列于表1中。 图.2. 冷凝器截面 表1.冷凝器几何和操作参数 2.2.数学模型 正如在以前的研究中，一个两维的单相数值模型用于分析在冷凝器中的流动和传热，以节省计算时间。将管道模拟为一个复杂的多相多孔介质，而壳外侧的多组分流动简化成蒸汽和空气的混合物组成的单相流动。冷凝器的几何形状和边界条件是对称的，所以只需对冷凝器的左半部分进行了数值模拟。 管束多孔介质中采用的是无相孔隙，β，定义为流体所占的体积与冷凝器总体积的比值。在本工作中，在自由流动区域β f被设置为1，而在管束区域，其中管道被布置为等边三角形布局，β b被定义为 (1) 其中D。是管外径，P t是管心距 二维稳态下情况下直角坐标系中质量，动量，和空气的质量分数方程如下： 蒸汽与空气混合气的质量守恒方程： 方程（ 2 ） (2) 蒸汽与空气混合气的动量守恒方程： 方程（ 3 ） (3) 方程（ 4 ） (4) 空气质量分数守恒方程： 方程（ 5 ） (5) 式中 是单位体积的蒸汽冷凝速率，F ü和F v是由于管束形成的在在x和Ÿ方向的流动阻力分力，μ是动力粘度，D是在蒸汽中空气的扩散系数，μ t是湍流动态粘度和Dt是蒸汽中空气的湍流扩散系数，Ya是空气的质量分数。 每单位体积的蒸汽冷凝率 ，由蒸汽的焓的减少量等于冷却水的内能的增量来计算 方程（ 6 ） (6) 其中L是冷凝潜热，Ti是入口的冷却水温度，To是出口的冷却水温度，并Ŧ s是对应所述蒸汽压力的饱和温度所计算得到的蒸汽温度。。 总热阻R ，是 方程（ 7 ） (7) 其中Rw, Rf, Rt, Rc和 Ra分别是水侧、结垢，管壁，冷凝水和空气的热阻。Rw, Rt, Rc和Ra由各种半经验的传热关系所得出 [9] 。污垢热阻, Rf,是基于一个洁净因子，FC,，和整体传热系数, ha,使用的HEI标准预测得出的.方程（ 8 ） EMBED Equation.KSEE3 \* MERGEFORMAT (8) 该RNG k-ε模型[23]通过湍流粘度，μt，和蒸汽中空气的湍流扩散系数, Dt来模拟湍流， 计算区域的边界条件分别为： 蒸汽入口：速度和空气质量分数均在入口边界指定。 排气口：总容积的通风率是固定的。在排气口的压力是均匀的，如果有一个以上的排气口，所有的排气口具有相同的压力。 墙壁：外壳壁和冷凝器的折流板被假定为防滑的和不可渗透的。 对称面：沿中心线对称线所有的场变量的交叉流方向的衍生物设定为零。 使用商业软件FLUENT 6.2进行仿真。离散化的计算是基于SIMPLEC算法，该算法具有用于离散控制方程的QUICK格式。 3.仿真结果 对300 兆瓦机组的三种不同的管道排布的冷凝器性能进行了数值分析。工程经验表明一个良好的管束排布具有高而且均匀的传热系数，防止空气集中在主冷凝区域，并防止蒸汽泄漏，即防止蒸汽直接到达空气冷却区（或排气口），而不流经主冷凝区。 3.1．A型管道布置的冷凝器的冷凝性能 A型管道是一个帽形管的布置。所用于分析的半个冷凝器中只有一个管束。该管被布置成一个连续的封闭的一束，管束被弯曲以形成蒸汽入口的分支通道。排气口和空气冷却区域是在管束的中心。 使用Gambit2.0生成一个非均匀四边形网格，在管束区域内分布细小，在外部自由流动区域分布粗糙，计算不同单元的尺寸来测试网格的独立性。整体的平均传热系数和冷凝器的不同单元尺寸的背压如表2所示。结果表明，在管束区域，4.5毫米网格足够细微以产生一个网状无关解。这一网格大小也适用于另一半的管道分布。 表2.网格独立性测试结果 图三显示示出A型管道装置的冷凝器的仿真结果，图三（A）中的流线表明，蒸汽以均匀的向下流速从顶部进入冷凝器，并通过主流道围绕管束流动，并且从管束圆周外围进入管束。由于侧墙的影响，在左主流道的流动阻力比右主流道大，在右主流道中对称平面对流动阻力没有影响。流经右主流道中的蒸汽进入底槽，然后向上流动，进入左主通道，直到到达下方管束的中间部分。分支流道与主流道相连接以引导蒸汽更深入流进管束以及使蒸汽更均匀地进入管束区域。A型管装置的流动模式的缺点在于，在右侧的管束的附近会产生一些涡流，在此区域压力较低而引起蒸汽流动的逆转，从进入管束而转为形成涡柳。此外，一部分蒸汽通过上部管束的中间蒸气流动通道直接从空气冷却区域泄露。 A型管子排列方式的冷凝器中蒸汽速度分布示于图3（b）。当蒸汽在向下流动进入右侧主流道的初始端时可达到最大速度，约为120m/s。在管束区域，最高速度发生在上部管束的顶部和底部的管束的左侧部分，速度大于20米/秒。当蒸汽流经管道流向排气口时，它的速度由于冷凝而很快减小，在靠近排气口的区域速度下降到低于1米/秒。轮廓线还表明，在右侧较低管束部分存在一个低速区域，流速小于1m/s A型管子排列方式的冷凝器中空气质量分数分布示于图.3（c）。空气的质量分数在大部分管束区域中远远小于0.01，并且当蒸汽被冷凝时质量分数会增大。图.3（c）是同样显示出空气冷却区域的空气质量分数在排气孔处急剧上升到约0.3。蒸汽处于涡流流动状态和较低的管束右侧部分的低流速区域时，形成显著地高空气浓度，和排气口处一样，空气的质量分数可高达0.3。 A型管子排列方式的冷凝器的传热系数分布示于图.3（d）。传热系数最高处位于管束外围区域，在这块区域蒸汽开始冷凝，并且空气的质量分数不是很高，其传热系数可高达4000W的米-2  Ķ -1。在管束区域内部，空气质量分数很高，所以传热系数是最低的，其值小于100W米-2  Ķ -1。高空气质量分数对于蒸汽的凝结形成很大的热阻。因此，在低管束右侧部分的高空气浓度区，传热系数也很低。 综上所述，A型管子排列冷凝器中的蒸汽流动是合理的。这种管道安排使蒸汽能够均匀地进入管束区域周围的所有的管子，并且分支管道使蒸汽能够更深入管束来冷凝。空气冷却区域也适用合理。然而，在涡流流动时，高空气浓度区域和蒸汽泄漏进入空气冷却区域将会降低传热性能。 图.3. A型管束排布的冷凝器的仿真结果 3.2. B型管道布局冷凝器的性能 B型管道布局是冷凝器的一半，由两个相同的管束组成的双峰形状的管道布局。这两个管束是平行的，加上它们之间的通道，此半部分的冷凝器一共有三个垂直的主通道。在双峰型管束的两峰之间有一个通向内部管束的分支通道。通风口与冷却区处于分支流道的末端。在两管束间的垂直的主流道以及分支流道均为锥形。 表4显示了B型管道布局的冷凝器的模拟结果。 表4（a）显示了蒸汽首先向下流动穿过中间的和右边的主通道，然后进入了主通道的底部，并最终向上流动穿过左边的主通道直达管束左边的最高点拐角。接着，蒸汽沿着流动通道从不同位置进入到了管束中。由于涡流只存在于上、下管束的折流板之下，所以B型布局的分支通道比A型布局要简单。蒸汽通过每个管束底部拐角处的通道泄露进入到冷却区。 表4(b)显示了B型管道布局的冷凝器中的速度分布。最大速度为130m/s，出现在右侧主流道的中部。B型布局与A型布局的速度分布要均衡的多，尤其是在上部管束中。但是，在下部管束的低速区中，两管束中的蒸汽会互相干扰。低速区的速度比A布局中低速区的速度要快。表4（c）显示了B型布局的冷凝器中空气质量分数的分布。数值结果显示了空气集中区域位于下部管束，但是空气质量分数并不高，最大值仍小于0.1. 表4(d)显示了B型管道布局冷凝器的换热系数分布。B型的换热系数分布比A型的更均匀，同时高换热系数的区域也更大。即便如此，有旋流动及高空气浓度仍会降低换热性能。 数值结果表明有锥形主通道和分支通道的B型管道布局是一个好的设计，它使蒸汽均匀无旋地流进管束。空气集中区的空气质量分数并不高同时换热系数分布比A型管道布局更均匀。B型管道布局的缺点在于两个管束中的蒸汽会相互影响。并且仍然存在一些由主通道至空气冷却区的缝隙。 图4.B型管束排布的冷凝器的仿真结果 3.3 C型管道布局下的冷凝器性能 C型布局是冷凝器的半个部分由两个相似但并不相同的管束组成的菱形管道布局。两个管束垂直放置，因此在两管束中有一个水平的主通道。将管道向外移动使得管束近似成为菱形，同时形成了小的次要分支通道。这种设计使得C型管道布局中没有独立的空气冷却区域。 图5 显示了C型管道布局冷凝器的模拟结果。表5(a)显示了蒸汽的流线，蒸汽在右侧主通道中一路向下，但是在左边的主通道中蒸汽只向下流动了一半，然后转到了水平的主通道中然后流到了右边的主通道中。这两股蒸汽混合并围绕着底下的管束流动，直到到达左边顶部的转角。蒸汽全部流入管束，但是并不直接流向通风口。此流动有三处涡旋使得蒸汽流远离了通风口，它们分别位于上管束的左下部，下管束的左上部及右下部。 图5(b)显示了C型管道布局冷凝器的速度分布。最大速度约为100m/s，出现在水平流道的中间。每个管束中央在靠近通风口和涡流的地方存在着很大的低速区。 图5（c）显示了C型管道布局冷凝器的空气质量分数分布。图中可看出最大空气质量分数并不位于通风口，而是在涡旋中心。因此，此处的空气浓度非常高并且空气吸力很小。 图5(d)显示了C型管道布局冷凝器的换热系数分布。在外围，换热系数为4000 w/(m²*K),但是在空气集中区，换热系数迅速大幅降低到低换热系数区域。 因为C型管道布局，所以空气质量分数在近通风口处相对较低而在涡流区十分高。流动形式在同风口处因为受到涡旋的影响，形成了一片很大的低换热系数区。因此C型管道布局冷凝器并不是很好。但是C型管道布局使蒸汽全部进入管束因此除了在高空气浓度区，蒸汽流动很均匀。如果排气性能够好以便能避免形成高空气浓度，那么C型管道布局冷凝器的性能将被很好的改进。 图4.C型管束排布的冷凝器的仿真结果 表3. 不同管束排布冷凝器的冷凝性能 3.4 三种管道布局的比较 冷凝器的性能主要表示为总体的平均换热系数和背压。越高的平均换热系数将形成更低的冷凝器背压，即有更好的涡轮机热效率。三种布局的冷凝器性能列在表3中，为了比较，同时将 用HEI标准方法求得的值列在表中。三种布局都有缺点。在冷凝器性能上B型布局比 HEI标准 结果稍低，其他两种布局与之相较差很多，即总体平均换热系数更低而背压更高。因此，B型布局是三者中最好的。由于C型布局没有独立的空气冷却区，所以C型布局的冷凝器性能最差，它的总体平均换热系数是HEI标准结果的63.7%，背压为6.37kPa，比HEI标准结果高大约1.5kPa。 4. 新型冷凝器管道布局 新型管道布局画于图6，旨在提升冷凝器性能。这种管道布局参照了自然树枝的形状，将管束安排成两棵树的样子。从图6中可以看出，这种管道布局有锥形通道，通道上有许多围绕着树形管束的次级锥形分支通道，其能使更多均匀的蒸汽流入管束。通风口位于管束的中央。由于流动接近通风口所以使空气冷却区汇聚在一起从而加大了蒸汽的冷凝速率。同时为了消除蒸汽泄漏通道管道应被小心放置。管道被集中成一个管束来消除由多管束产生的流动扰动。 图7显示了这种新型管道布局的预计结果。图7（a）显示的冷凝器中的流线表明在左边的通道中没有向上的流动并且流过右边主通道的蒸汽只流进底部主通道。次级分支通道在引导蒸汽没有明显涡旋地流入管束中起了关键性的作用。因此，蒸汽十分均匀地进入管束并进入空气冷却区。 图7(b)显示了新型管道布局冷凝器的速度分布。在锥形通道中的速度分布比其余三种布局的速度分布要更均匀，在蒸汽流过逐渐收缩的通道后最终更加均匀地进入管束。在管束中，速度分布集中在空气排出通道和通风口，这意味着蒸汽在管束中的冷凝同样十分均匀。 图7（c）显示了新型管道布局冷凝器的空气质量分数分布。空气质量分数从管束的外表面开始至空气冷却区不断增加。当蒸汽与空气的混合流经过空气冷却区时空气质量分数从0.01显著地增加到0.3以上，这表示空气冷却区的效果十分好。由于边界条件不对称，在管束的右下部分出现了局部的高质量分数区域，但是 其质量分数也只有大约0.01，并不严重影响冷凝器的性能。 图7（d）显示了新型管道布局冷凝器的换热系数分布。从图中能可看出此种布局的整个管束中的换热系数要比B型管道布局要均匀得多，其在主冷凝区有着更高的 换热系数。由于空气浓度的增加，管束底部的换热系数要比其他冷凝区的换热系数要小。 综上，相较于其他布局，新型管道布局拥有更好的流动模式及更均匀的换热系数分布，所以它十分高效。对于相同的操作环境，其总体平均换热系数是 3709W/(m²*K) ，背压为4.68kPa。因此，新型管道布局冷凝器的性能与比HEI标准优秀，其换热系数比C型管道布局高80%，背压低1.7kPa。 新型管道布局已经在中国河北省的西柏坡能源 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 中得到应用。2号冷凝器就是按照新型管道布局改造的。表4中列出了测量得到发电电力、入口温度、冷却水的温升以及在不同情况下改造后的2号冷凝器（采用新型布局）与老式冷凝器（采用C型管道布局）的背压。为了比较两种管道布局的冷凝器性能，在设计工况下的背压Pd是由测量数据计算得出的。新型管道布局冷凝器的平均背压是4.96kPa,比老式的低了1.42kPa。这结果表明了新型管道布局冷凝器的性能有了显著地提高并简介确认了上文提到的数值结果。 图.6新型管束排布 图.7.新型管束排布冷凝器的仿真结果 表4.不同管束排布的老的重建的冷凝器的测量数据 5.总结 通过对三种典型的管道布局的数值分析，得出了对于一项300 MW能源计划的冷凝器的流动及换热性能的分析。在这三种管道布局中，B型是最好的，其整体平均换热系数以及背压都接近HEI Standards。C型是最差的，它的整体平均换热系数只有HEI标准的63.7%，背压为6.37kPa，比HEI标准高了1.5kPa。为了发明一种新的管道布局设计，所以分析了三种典型的管道布局。数值模拟显示了新型管道布局使蒸汽更加均匀地进入管束且没有明显的空气聚集区，其性能也比HEI标准更高。这种新型的管道布局同样可以用在更高的能源部件上。 附录4 外文 毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。 作 者 签 名：　　 　 　　日　 期：　　 　 　　 ​​​​​​​​​​​​ 指导教师签名：　　 　 　　 日　　期：　　 　 　　 使用授权说明 本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 作者签名：　　 　 　　 日　 期：　　 　 　　 ​​​​​​​​​​​​ 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权　　 　 　大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 涉密论文按学校规定处理。 作者签名： 日期： 年 月 日 导师签名： 日期： 年 月 日 注 意 事 项 1.设计（论文）的内容包括： 1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作） 2）原创性声明 3）中文摘要（300字左右）、关键词 4）外文摘要、关键词 5）目次页（附件不统一编入） 6）论文主体部分：引言（或绪论）、正文、结论 7）参考文献 8）致谢 9）附录（对论文支持必要时） 2.论文字数要求：理工类设计（论文）正文字数不少于1万字（不包括图纸、程序清单等），文科类论文正文字数不少于1.2万字。 3.附件包括：任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）。 4.文字、图表要求： 1）文字通顺，语言流畅，书写字迹工整，打印字体及大小符合要求，无错别字，不准请他人代写 2）工程设计类题目的图纸，要求部分用尺规绘制，部分用计算机绘制，所有图纸应符合国家技术标准规范。图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工程字书写，不准用徒手画 3）毕业论文须用A4单面打印，论文50页以上的双面打印 4）图表应绘制于无格子的页面上 5）软件工程类课题应有程序清单，并提供电子文档 5.装订顺序 1）设计（论文） 2）附件：按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订 3）其它 I _1234568017.unknown _1234568145.unknown _1234568209.unknown _1234568241.unknown _1234568257.unknown _1234568265.unknown _1234568273.unknown 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