年產(chǎn)500萬噸的原油-減壓渣油換熱器結(jié)構(gòu)計算設(shè)計摘要煉油廠常減壓裝置的閃底油-減壓渣油換熱器殼程操作介質(zhì)為減壓渣油，這種介質(zhì)具有粘稠、流動性差等特點。該換熱器結(jié)構(gòu)形式通常采用傳統(tǒng)的弓形折流板形式，這種結(jié)構(gòu)容易形成換熱死區(qū)，從而造成傳熱面積未充分利用以及換熱管外壁嚴重結(jié)垢，致使換熱性能大大降低?；诖?，本文擬設(shè)計一套500萬噸/年煉油常減壓裝置減壓渣油換熱器，解決常減壓渣油換熱器換熱效果低、檢修周期短、維修成本高等問題，為整個常減壓裝置長周期運行提供支持。首先完成了換熱面積等工藝計算，確定了換熱管束、管程等；其次對換熱器進行結(jié)構(gòu)設(shè)計、強度校核，并進行圖紙繪制；最后完成換熱器經(jīng)濟及環(huán)保性分析。關(guān)鍵詞：常減壓裝置；換熱器；結(jié)構(gòu)設(shè)計目錄第1章引言 第1章引言1.1課題背景換熱器在我國石油化工、煉油、冶金、輕工、制藥、食品等行業(yè)應(yīng)用極為普遍，是保證設(shè)備正常運轉(zhuǎn)不可缺少的部件，在能源消費及設(shè)備投資方面均占整個工程的重要份額[1-6]。在煉油工業(yè)中，由于原油重質(zhì)化和劣質(zhì)化，使其粘度增大、流動性變差；減壓渣油是常減壓蒸餾裝置中的重油部分，色黑粘稠，含有多種金屬成分，粘度比較大，常溫下呈半固體狀；換熱器在各個加工工藝中被廣泛使用，弓形折流板換熱器是應(yīng)用最廣泛的管殼式換熱器[7]。通常普通的弓形折流板能造成曲折的流道系統(tǒng)(Z字形流道)，這樣會導致較大的死角和相對高的返混，而這些死角又能造成殼程結(jié)垢加劇，對傳熱效率不利；返混也能使平均溫差失真和縮小[8]。弓形折流板換熱器結(jié)構(gòu)及內(nèi)部流體流動如圖1-1所示。在原油換熱中換熱器結(jié)構(gòu)形式采用傳統(tǒng)的弓形折流板形式，這種形式的換熱器流動阻力大、存在流動死區(qū)，容易結(jié)垢，換熱系數(shù)低[9-12]；從而造成傳熱面積未充分利用以及換熱管外壁嚴重結(jié)垢，致使換熱性能大大降低。而螺旋折流板具有較高的傳熱系數(shù)；殼側(cè)流阻較小，無滯流區(qū)；不易污垢沉積；它既可用于清潔的介質(zhì)，也適用于高粘原油和渣油等易結(jié)垢的介質(zhì)。因此本文主要設(shè)計一套常減壓原油-渣油換熱器，包括工藝計算、結(jié)構(gòu)設(shè)計、強度校核，圖紙繪制及環(huán)保經(jīng)濟性分析。(a)(b)圖1-1弓形折流板換熱器及內(nèi)部流體流動示意圖1.2主要內(nèi)容通過工藝條件比選確定換熱器形式；最終確定換熱器各結(jié)構(gòu)參數(shù)。參照GB/T713-2014《鍋爐和壓力容器用鋼板》、GB/T5310-2008《高壓鍋爐用無縫鋼管》、GB/T4237-2015《不銹鋼熱軋鋼板和鋼帶》等相關(guān)標準，選擇換熱器合適的主體材料和各零部件材料。依據(jù)GB/T151-2014《熱交換器》以及GB/T150-2011《壓力容器》對換熱器換熱器進行結(jié)構(gòu)設(shè)計和強度校核。主要內(nèi)容包括：

（1）文獻/現(xiàn)場調(diào)研，資料查閱：了解目前國內(nèi)換熱器研究進展。

（2）進行換熱器工藝計算；（3）進行換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計、強度校核；

（4）完成圖紙繪制；（5）完成必要的經(jīng)濟性評價和環(huán)境影響分析。第2章?lián)Q熱器綜述第2章?lián)Q熱器綜述2.1換熱器工作原理熱量從高溫物體傳遞給低溫物體稱為傳熱。熱量傳遞的形式有：傳導，對流和輻射。在間接式換熱設(shè)備中主要是以傳導和對流兩種形式進行換熱的，根據(jù)流體傳熱原理及能量守恒定律，換熱器在整個工作過程中，應(yīng)符合傳熱方程式[13](2-1)和熱平衡方程式(2-2)： (2-1)式中：Q——熱負荷，熱交換器每單位小時傳遞的熱量，kJ/h；F——傳熱表面積，m2；K——熱交換器的傳熱系數(shù)，kJ/m2·℃。傳熱系數(shù)K是一個流體的性質(zhì)，與流速、流體種類、管板材質(zhì)、管板壁結(jié)垢情況及流體流動狀態(tài)有關(guān)。 （2-2）式中：Mc——熱容，可用W表示，kJ/kg·℃；——熱流體的進口溫度，℃； t1——熱流體的出口溫度，℃；——冷流體的進口溫度，℃； ——冷流體的出口溫度，℃。2.2換熱器分類及應(yīng)用按照冷熱流體換熱方式，換熱器可以分為間壁式、混合式（直接接觸式）、蓄熱式等。間壁式換熱器又分為管式和板面式等；其中管式換熱器有管殼式、套管式、熱管式等；而板面式換熱器包括板式、板翅式、螺旋板式等。其中管殼式換熱器是應(yīng)用最為普遍的，按照結(jié)構(gòu)特點可以分為固定管板式換熱器、浮頭式換熱器、Ｕ型管換熱器和雙管板換熱器等，其中前三種的應(yīng)用比較普遍。2.2.1管殼式換熱器管殼式換熱器由具有許多平行管（也稱為管束）的圓柱形殼構(gòu)成，允許兩種流體分別流過管內(nèi)空間（管側(cè)）和管外空間（殼側(cè)）進行熱交換。管殼式換熱器具有結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，材料選擇范圍廣，對高溫高壓適應(yīng)性強的特點。主要有固定管板式換熱器、浮頭式換熱器、Ｕ型管換熱器。（1）固定管板式換熱器固定管板式換熱器中通過焊接材料將換熱管固定在管板上，冷流體和熱流體分別穿過管側(cè)和殼側(cè)以進行熱傳遞。如圖2-1所示。圖2-1固定管板式換熱器固定管板式換熱器的優(yōu)點是：設(shè)計制造結(jié)構(gòu)簡單、造價成本低，傳熱面積大，管束易于拆卸，管程清洗維護比較方便；缺點是殼程基本不能進行清洗維護，一旦發(fā)生腐蝕，便將管束和殼體報廢，從而在一定程度上縮短了使用壽命。管側(cè)流體與殼側(cè)流體之間的溫差不應(yīng)太大，當冷、熱流體之間的溫度差大于50℃時，便會產(chǎn)生溫差應(yīng)力，從而損壞管板和管束；為了避免這種溫差應(yīng)力，會選擇在殼體上放置膨脹節(jié)。而膨脹節(jié)的壓力限制又制約著殼程的壓力不能太高。因此，管板式換熱器通常適用于殼程介質(zhì)是潔凈的流體，且冷、熱兩種流體溫度差低于50℃或是雖溫度差高于50℃但殼程壓力不高的工況[14]。（2）U型管式換熱器U型管式換熱器的結(jié)構(gòu)比較簡單，換熱管為U型設(shè)計，如圖2-2所示。圖2-2U型管式換熱器每根換熱管制成U型，并且換熱管的兩段都固定在同一塊管板上，管束是雙管程管束，管程流程長且流速快，從而提高了傳熱效率。每根換熱管都可以自由的伸縮，所以當殼體和管束之間的溫度差較大時，不會產(chǎn)生溫差應(yīng)力，也不會損壞換熱器；U型管式換熱器可以將管束從殼體中抽出，方便清潔和維護，從而延長了換熱器的使用壽命。U型管式換熱器的優(yōu)點是整體設(shè)計結(jié)構(gòu)簡單，由于只在一端有管板，所以焊接面比較小，成本也比較低，殼體側(cè)的清洗和維修更方便；缺點是將管子制作成U型，難以清潔管的內(nèi)部，并且難以在管束的中間更換換熱管，最內(nèi)層的管子彎曲直徑有限導致內(nèi)層管間距太大，無法保證管板的利用率[15]。因此，U型管式換熱器通常適用于管側(cè)介質(zhì)比較清潔的流體，且冷、熱流體之間的溫差較大的工況。（3）浮頭式換熱器浮頭式換熱器是經(jīng)常出現(xiàn)在常減壓裝置中的換熱器。如圖2-3所示，主要有殼體、管束、固定管板、浮頭、浮頭管板等。管束固定在管板上，固定管板一端與殼體連接；浮頭管板一端不與殼體連接，稱為浮頭，這部分在殼體內(nèi)可以浮動，能夠自由調(diào)節(jié)[16]，而且不會存在溫差應(yīng)力。正因為浮頭的存在，管束可以從殼體內(nèi)抽出，便于清洗維護。適用于殼程介質(zhì)不夠潔凈，或者冷熱流體溫差過大的工況。缺點是結(jié)構(gòu)比較復雜，耗材消耗量大，造價比較高，對浮頭端的密封要求很高。圖2-3浮頭式換熱器2.2.2板式換熱器板式換熱器通過將許多波紋板作為傳熱板壓緊一定距離并使用密封墊片組裝而成的可拆卸的換熱器。冷熱流體流經(jīng)傳熱板波紋形成的特殊通道，實現(xiàn)熱交換。板式換熱器的結(jié)構(gòu)優(yōu)點是整個設(shè)備的體積較小，結(jié)構(gòu)緊湊[17]。與管殼式換熱器相比，占地面積僅為管殼式換熱器的一半。組裝和拆卸方便，并且清潔和維護也方便。缺點是由于使用密封墊圈壓緊和組裝，密封性能相對較差，容易發(fā)生泄漏。在換熱器的每一層之間形成矩形通道，熱量通過板片傳遞。具有熱效率高，結(jié)構(gòu)緊湊，安裝方便，使用壽命長等特點。在相同條件下，其傳熱系數(shù)比普通管殼式換熱器高出3倍以上，占地面積僅為管式換熱器的1/3，熱回收率高，約90%。2.2.3板翅式換熱器板翅式換熱器是一種緊湊輕便的傳熱設(shè)備，具有很高的傳熱效率和較強的適應(yīng)性。通常由翅片、隔板、封條和導流組成。在兩隔板間安裝翅片、導流片組成夾層（通道），按照流體的不同方式將夾層疊置，將其焊接以形成板束，板束是板翅式換熱器的核心部件，再安上封頭、接管等即可。板翅式換熱器因其結(jié)構(gòu)緊湊，傳熱強度高等特點，被人們認為是最有發(fā)展前景的新型換熱器之一。2.3新型換熱器及其優(yōu)化2.3.1新型換熱器由于對于節(jié)能高效的要求越來越高，以上一些比較常見的換熱器再也無法滿足要求，因此大量的新型換熱器被研發(fā)出來。新型橢圓形套管-管翅式蒸發(fā)式冷凝器橢圓形套管-管翅式蒸發(fā)式冷凝器是套管換熱器的一種[18]，簡單結(jié)構(gòu)模型見圖2-4。它將風冷式和水冷式冷凝器相結(jié)合，不僅解決了水冷式冷凝器耗水量大的問題，也克服了風冷式冷凝器容易受到環(huán)境溫度影響的缺點，節(jié)能又高效。圖2-4蒸發(fā)式冷卻器結(jié)構(gòu)圖微通道換熱器微通道換熱器是利用微通道換熱的原理[19]，結(jié)構(gòu)簡圖見圖2-5。對于其他傳統(tǒng)尺寸的換熱器來說，微通道換熱器以單位尺寸換熱量高，換熱效率高，運行平穩(wěn)，使用周期長等優(yōu)勢，被越來越多的學者進行研究。圖2-5微通道換熱器結(jié)構(gòu)簡圖導孔板殼式換熱器板殼式換熱器是在管式換熱器和板式換熱器的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，是一種高效的換熱器設(shè)備[20]。板片是圓形波紋板，且兩邊分有一個導孔，板束是在圓形筒體內(nèi)的，具體結(jié)構(gòu)見圖2-6。

圖2-6導孔板殼式換熱器結(jié)構(gòu)分解圖纏繞管式換熱器纏繞管式換熱器由殼體和纏繞在筒體上的管程組成[21]，結(jié)構(gòu)見圖2-7。它以耐高溫，換熱速度快，構(gòu)造緊湊等優(yōu)勢，在石油化工、制藥以及LNG工業(yè)中被廣泛應(yīng)用[22]。圖2-7纏繞管式換熱器2.3.2換熱器優(yōu)化當前，換熱器在各行業(yè)中越來越重要，在這個建設(shè)能源節(jié)約，環(huán)境友好型現(xiàn)代化工業(yè)社會中，研發(fā)高效節(jié)能的換熱器愈發(fā)重要。所以，在換熱器行業(yè)發(fā)展過程中，換熱器的優(yōu)化成為換熱器研發(fā)的主要方向。（1）換熱器強化傳熱通過傳熱方程來看，提高傳熱量的途徑有兩種，第一種是提高傳熱系數(shù)；第二種是增加傳熱面積。提高傳熱系數(shù)可以從以下兩個方面進行，一是減少換熱器污垢層，二是改變板片的材料。增大傳熱面積可以從兩個方面進行[23]：一是管程強化傳熱。通過改變換熱管的內(nèi)外傳熱表面可以促進湍流，增加傳熱面積。螺旋槽紋管、橫紋槽管、縮放管、波節(jié)管[24]、粗糙表面管、螺旋扁管等都屬于異型管，如圖2-8所示。利用管內(nèi)插入物來改變換熱管內(nèi)部流體行動形態(tài)也可以增加傳熱面積，一般主要用紐帶和螺旋片。由于管內(nèi)插入物結(jié)構(gòu)簡單，對傳熱管形狀無影響等優(yōu)點，對管內(nèi)插入物進行研究的學者也逐漸增加[25-28]。二是殼程強化傳熱。傳統(tǒng)的單弓形折流板支承，存在流動死區(qū)和壓降大的問題[29]，對其進行優(yōu)化，采用折流桿支承結(jié)構(gòu)，及新型的折流板支承結(jié)構(gòu)如多方形，整圓形，異型孔網(wǎng)狀板，螺旋形[30]等，這些結(jié)構(gòu)都可以改變殼程流體的流動方向，同時增強管束的抗振性。不僅如此，不同的螺旋折流板對換熱器性能影響也很大[31]。圖2-8常用螺旋形表面強化管結(jié)構(gòu)（2）換熱器腐蝕及泄漏管殼式換熱器在石油化工領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，但也存在著腐蝕、泄漏等問題。換熱器一旦泄漏，對工藝的進行、以及設(shè)備和工人的安全都是極為危險的。經(jīng)分析，換熱器列管破損是在氧腐蝕、列管振動和渦流的共同作用下形成的[32]。一般情況下，大多數(shù)的泄漏都是換熱器腐蝕所導致的。發(fā)生腐蝕的原因，通常有三種：第一，是冷卻水水質(zhì)的影響，鹽、各種礦物質(zhì)和金屬離子會在冷卻水循環(huán)過程中不斷累積，濃度增大，導致電導率也逐漸增大，形成電流分解水中的碳酸氫鹽形成垢。管壁上垢層越積越厚，會導致管道局部腐蝕；第二，受管殼式換熱器結(jié)構(gòu)特點的影響；第三，換熱管材質(zhì)不佳也會導致腐蝕的發(fā)生而泄漏。對于換熱管的腐蝕問題，根據(jù)腐蝕的機理，有以下解決方法：（1）加強換熱器的密封性；（2）選擇合適的材料；（3）改進管束材質(zhì)。對換熱管添加防腐涂層，注意日常維修，添加緩蝕劑也可以有效的避免腐蝕現(xiàn)象。對于換熱器的優(yōu)化，許多學者從不同角度入手，運用不同的模型或者算法，對換熱器進行優(yōu)化。ArzuSencanSahin等人基于人工蜂群算法對管殼式換熱器的設(shè)計進行經(jīng)濟優(yōu)化[33]；MaidaBarbaraReyesRodriguez等人將“entransy耗散”與生態(tài)功能相結(jié)合，提出了一種新的殼管式換熱器生態(tài)影響評價方法[34]。2.4換熱器研究進展國外在換熱器研發(fā)方面起步較早。歐美發(fā)達國家于19世紀90年代起開始競相開發(fā)各種型式的高效換熱器。德國Linden公司1895年在低溫甲醇洗、空分等工序開始研發(fā)使用高效緊湊式的纏繞管換熱器；法國Packinox公司于20世紀80年代、90年代首次在催化重整裝置、加氫裝置應(yīng)用大型板殼式換熱器替代傳統(tǒng)的管殼式換熱器。我國第一臺管殼式換熱器于1960年生產(chǎn)，達到了美國電信與制造工程師協(xié)會的標準，標志著中國進入了熱交換器的生產(chǎn)市場[35]。換熱器因其在節(jié)能和環(huán)保方面的獨特優(yōu)勢而吸引了眾多行業(yè)的關(guān)注。直至今年，換熱器企業(yè)總規(guī)模會以每年大約10%~15%比例增長[36]。不過至今還有許多因素限制了換熱器的發(fā)展，必須對于限制其發(fā)展的相關(guān)問題進行進一步研究，提高換熱效率和使用壽命。由于換熱器的遍及，更多的學者參與到換熱器研究領(lǐng)域。在國內(nèi)，劉彬彬[37]對非軸對稱截面換熱器在強化傳熱方面與傳統(tǒng)管式換熱器進行了比較研究；袁雨文[38]等人通過數(shù)值模擬，分析了多流程板殼式換熱器的流量分布特性并進行了優(yōu)化；謝洪濤[39]等人對微通道換熱器在其通道結(jié)構(gòu)和優(yōu)化設(shè)計兩個方面進行分析，為未來微通道內(nèi)流動沸騰強化傳熱的發(fā)展提供方向；封蔚建[40]等人采用正交試驗和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法對平直翅片管式換熱器的換熱和流阻特性做出分析研究，并給出了一種優(yōu)化組合結(jié)構(gòu)；閆君芝[41]等人利用CAD對單弓形折流板管式換熱器進行3D建模，然后將模型導入fluent中進行換熱過程的數(shù)值模擬，為換熱器性能優(yōu)化和選取適合的殼體流體提供了理論基礎(chǔ)；施素麗[42]等人采用數(shù)值模擬的方法，分析了換熱器取熱方式是怎樣影響單罐蓄熱系統(tǒng)釋熱性能規(guī)律的，同時研究了釋熱過程中熔鹽側(cè)流場變動，對于熔鹽單罐蓄放熱系統(tǒng)設(shè)計得到了理論依據(jù)；古新[43]等人對扭轉(zhuǎn)流管式換熱器進行了數(shù)值模擬和正交實驗，通過兩者對比，數(shù)值模擬方法的可行性得到了驗證，并提供了一種新方法來優(yōu)化換熱器殼程結(jié)構(gòu)；姚立影[44]和宋康[45]分別對換熱器入口管箱和入口管段進行了優(yōu)化分析；孟雪[46]等人運用AspenEDR軟件對殼管式換熱器做了設(shè)計和校核，研究結(jié)果表明該軟件結(jié)果可靠，計算過程簡捷，大大減少了設(shè)計時間。國外也對換熱器在不同領(lǐng)域的應(yīng)用進行了研究。KeshavarzzadehAmirH[47]等人利用各種優(yōu)化技術(shù)對地源換熱器幾何形狀進行多目標進化優(yōu)化；Bi?erNihat[48]等人采用CFD和田口法對新型三邊折流板殼管式換熱器進行了優(yōu)化設(shè)計；HamedArjmandi[49]等人利用CFD和響應(yīng)面法，優(yōu)化了渦發(fā)生器加扭帶雙管換熱器的幾何結(jié)構(gòu)；VoTuyen[50]等人建立了一維解析模型，并通過數(shù)值模型和實驗模型進行了液吸式三管換熱器的熱工特性及優(yōu)化設(shè)計；SerafymChyhryn[51]等人對柔性區(qū)域供熱系統(tǒng)板式換熱器進行建模與分析，提出了性能更優(yōu)的模型；OliviaC.daRosa[52]等人采用了超臨界二氧化碳微通道熱交換器來提高電子設(shè)備的排熱量；RajeshRavi[53]等人設(shè)計了雙管、長翅片逆流式換熱器(PFCHE)，利用這種新型換熱器充分利用柴油機排氣余熱。第3章?lián)Q熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計第3章?lián)Q熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計3.1換熱器工藝計算3.1.1設(shè)計條件工藝條件參數(shù)見表3-1。管程殼程介質(zhì)名稱原油減壓渣油工作壓力（MPa）2.12.22設(shè)計壓力（MPa）2.312.44入口溫度（℃）200255出口溫度（℃）220225設(shè)計溫度（℃）240275介質(zhì)流量（m3/h）767——表3-1已知換熱器參數(shù)原油質(zhì)量流量：3.1.2確定換熱器的類型考慮到傳統(tǒng)的弓形折流板形式容易形成換熱死區(qū)，從而造成傳熱面積未充分利用及換熱管外壁嚴重結(jié)垢，致使換熱性能大大降低，而螺旋折流板換熱器具有消除殼側(cè)流動死區(qū)、降低泵功消耗、提高單位壓降換熱系數(shù)、抑制殼側(cè)結(jié)垢、減小管束跨度和抑制管束振動等優(yōu)點，故選擇螺旋折流板換熱器。3.1.3確定物性數(shù)據(jù)定性溫度計算：管程原油的定性溫度為殼程減壓渣油的定性溫度為式中：Ti——冷流體的進口溫度，℃； T0——冷流體的出口溫度，℃；ti——熱流體的進口溫度，℃； t0——冷流體的出口溫度，℃。根據(jù)定性溫度，查閱資料得殼程和管程流體的有關(guān)物性數(shù)據(jù)見表3-2:表3-2物性數(shù)據(jù)密度（kg/m3）粘度(Pas)定壓比熱容kJ/(kgC)導熱系數(shù)W/(mC)原油8153.010-32.200.128減壓渣油9826.010-42.5工藝計算（1）熱負荷（3-1）式中：cp1——原油的定壓比熱容，kJ/（kgC） W1——原油質(zhì)量流量，kg/hT1——原油溫差，C假設(shè)換熱過程無相變，管程和殼程熱交換量相等， （3-2）式中：——減壓渣油的定壓比熱容，kJ/(kgC)——減壓渣油質(zhì)量流量，kg/h——減壓渣油溫差，（2）對數(shù)平均溫差（3-3）（3）總傳熱系數(shù)K初選傳熱系數(shù) （4）傳熱面積（3-4）考慮20%的面積裕度，3.1.5工藝結(jié)構(gòu)（1）管徑和管內(nèi)流速選取無縫鋼管，取管程原油流速（最大1.8m/s）（2）管程數(shù)和傳熱管數(shù)依據(jù)傳熱管內(nèi)徑和流速確定單程傳熱管：（3-5）按單程管計算，所需的傳熱管長度為：（3-6）按單程設(shè)計，傳熱管過長，宜采用多程管結(jié)構(gòu)，現(xiàn)取傳熱管長，則換熱器管程程數(shù)為 傳熱管總管數(shù)：（3）平均傳熱溫差及殼程數(shù)平均傳熱溫差校正系數(shù)： 按單殼程、兩管程結(jié)構(gòu)，溫差校正系數(shù)查表3-3得，表3-3溫差校正系數(shù)平均傳熱溫差：3.1.6換熱器核算（1）傳熱系數(shù)=1\*GB3①殼程對流傳熱系數(shù)：（3-7）當量直徑由轉(zhuǎn)角正方形排列得：（3-8）殼程流通截面積： （3-9）殼程流體流速、雷諾數(shù)及普蘭德數(shù)： （3-10） （3-11）殼程對流傳熱系數(shù)：=2\*GB3②管程對流傳熱系數(shù)： （3-12）管程流通截面積： （3-13）管程流體流速、雷諾數(shù)及普蘭德數(shù)： 管程對流傳熱系數(shù)： 無縫鋼管導熱系數(shù)：管程污垢熱阻：殼程污垢熱阻：（2）總傳熱系數(shù)K（3-14）（3）傳熱面積 （3-15）換熱器實際傳熱面積： （3-16）面積裕度為： （3-17）傳熱面積裕度合適，能夠滿足設(shè)計要求。換熱器內(nèi)流動阻力管殼式換熱器允許的壓力降范圍見表4-4。=1\*GB3①管程流動阻力： （3-18）式中：pL——流體流過直管因摩擦阻力引起的壓力降，Pa；pr——流體流經(jīng)回彎管中因摩擦阻力引起的壓力降，Pa；pn——流體流經(jīng)管箱進出口的壓力降，Pa；Ft——結(jié)構(gòu)校正系數(shù)，無因次，對192mm的管子，取1.5；Np——管程數(shù)，為2；Ns——殼程數(shù)，為1；（3-19）（3-20）（3-21）式中：v1——管內(nèi)流速，m/s；di——管內(nèi)徑，m；l——管長，m；i——摩擦系數(shù)，無量綱，由，得又，，則：管程流動阻力在允許范圍之內(nèi)。表3-4管殼式換熱器允許的壓力降范圍換熱器的操作壓力,MPa允許的壓力降，MPap<0.1(絕對)p=0.1pp=00.1(表壓)p=0.5pp>0.1(表壓)p<0.05=2\*GB3②殼程流動阻力： （3-22）式中：p1——流體橫過管束的壓力降，Pa；p2——流體通過折流板缺口的壓力降，Pa；Fs——殼程壓力降的結(jié)垢修正系數(shù)，無因次，對液體可取1.15；（3-23）（3-24）式中：F——管子排列方法對壓力降的修正系數(shù)，對正方形排列，取0.4；f0——殼程流體摩擦系數(shù)，；nc——橫過管束中心線的管子數(shù)，對正方形排列，；v0——按殼程流通截面積計算的流速，m/s； 已知，；，，則：殼程流動阻力在允許范圍之內(nèi)。3.2換熱管設(shè)計3.2.1換熱管的選用換熱管按GB/T8163-2018《輸送流體用無縫鋼管》的規(guī)定選擇。對設(shè)計條件進行綜合考慮，根據(jù)目前國內(nèi)常用的換熱管規(guī)格，選擇00Cr19Ni10，管子規(guī)格為19×2。3.2.2管長、管數(shù)的確定設(shè)計管程為2管程，管長為6000mm，管數(shù)為1450根。3.2.3傳熱面積校核設(shè)計要求的傳熱面積為500m2。實際傳熱面積：，滿足設(shè)計要求。3.2.4換熱管的排列傳熱管在管板上的排列有五種基本形式，有正方形、轉(zhuǎn)角正方形、正三角形、轉(zhuǎn)角正三角形以及同心圓排列。如下圖3-1所示。圖3-1管子排列方式由于介質(zhì)減壓渣油具有粘稠、流動性差等特點，正三角形和轉(zhuǎn)角正三角形排列不利于清洗，正方形和轉(zhuǎn)角正方形排列，管間間隔大，更適用于要經(jīng)常清洗管子外表面上污垢的換熱器，本設(shè)計選擇轉(zhuǎn)角正方形形排列。3.2.5管心距根據(jù)《換熱器設(shè)計手冊》，當管子外徑為19mm時，管心距可取25mm，因此本設(shè)計取的管心距為25mm。管子的排列方式及幾何尺寸如圖3-2所示。圖3-2管子排列方式3.2.6管程（1）管束分程方式本次設(shè)計采用兩管程，必須在管箱中安裝分程隔板。分程要求為各管程內(nèi)管子數(shù)目相等，分程隔板形式簡單，密封長度短。管束分程方法有平行和T形方式。換熱器常用的程數(shù)及前后管箱隔板形式和介質(zhì)的流通順序如圖4-3所示。采用多管程可以使流體在管內(nèi)依次往復流過多次，增加管內(nèi)流體的流速，從而提高傳熱系數(shù)，強化傳熱。所以本設(shè)計根據(jù)設(shè)計要求選用兩管程平行的分程方式。（2）分程隔板查GB/T151-2014《熱交換器》，選擇分程隔板厚度δ=12mm；且其材料應(yīng)與管箱材料一樣，所以隔板材料為Q235B，其中槽寬為12mm，槽深為4mm。圖3-3隔板及流通順序圖3.3換熱器主體設(shè)計3.3.1殼體(1)計算壓力pc的確定因為忽略了液柱靜壓，所以取設(shè)計壓力作為計算壓力，即。(2)確定焊縫系數(shù)由于該換熱器是易燃易爆、無毒介質(zhì)的中壓容器，所以該換熱器為類壓力容器，故焊接接頭形式為雙面焊對接接頭的局部無損檢測，取φ=0.85。(3)初步選擇材料由于考慮到介質(zhì)的腐蝕性和易燃性，根據(jù)工作溫度選擇耐高溫、耐腐蝕的材料Q345R。(4)殼體內(nèi)徑換熱器殼體內(nèi)徑由傳熱管數(shù)、管心距和傳熱管的排列方式?jīng)Q定。對于多管程換熱器，殼體的內(nèi)徑還與管程數(shù)有關(guān)?？捎霉?4-1)計算： (3-25)式中：D——換熱器殼體內(nèi)徑，mm；T——管心距，mm；N——排列管數(shù)；η——管板利用率，對于轉(zhuǎn)角正方形排列，η=0.60.8。圓整取。3.3.2封頭管箱設(shè)計（1）管箱封頭的選用封頭選用標準橢圓封頭，EHA1200×16，材料Q345R。（2）封頭管箱結(jié)構(gòu)管箱法蘭采用的是帶頸對焊法蘭，取法蘭頸部大小端的平均值為管箱的名義壁厚，即16mm。管箱的總長度L1：1366mm；管箱的直段長度L2：1025mm；管箱內(nèi)徑Di：1200mm；管箱外徑D0：1309mm。（3）封頭管箱墊片選用管箱墊片型號為：G21-1200-2.5-4，具體結(jié)構(gòu)見圖3-4。圖3-4管箱墊片結(jié)構(gòu)圖其中D=1308mm，d=1254mm。3.3.3支座的選擇臥式容器一般選用支座類型為鞍式支座。鞍座分為兩種型式，一種為固定式鞍座，另外一種為活動式鞍座。設(shè)備一般均用兩個鞍座來支撐，并且選用一個固定鞍座和一個滑動鞍座。這是因為如果溫度發(fā)生了變化，設(shè)備會產(chǎn)生熱脹或者冷縮的現(xiàn)象，這必須要求設(shè)備在運行過程中擁有自由伸縮的能力，否則在器壁與支座連接處中將產(chǎn)生過大的熱應(yīng)力。根據(jù)NB/T47065.1-2018《容器支座第1部分：鞍式支座》，如果設(shè)備的直徑范圍為DN159-4000，則可以選用鞍式支座。其中相同的公稱直徑又分輕、重兩種結(jié)構(gòu)型式，它們有不同的承載能力。輕型承重小，可以承載一般容器；重型承重大，可以承載換熱器等，介質(zhì)比重較大或長徑比較大的設(shè)備。綜上所述，本設(shè)計固定式支座采用120包角重型帶墊板的BI型鞍式支座，活動式支座采用150包角重型帶墊板的B型鞍式支座，其公稱直徑為1200mm，材料與筒體相同，為Q345R；查表得支座間距為3800mm，結(jié)構(gòu)見圖3-5、圖3-6。圖3-5BI型鞍式支座結(jié)構(gòu)圖3-6B型鞍式支座結(jié)構(gòu)3.3.4外頭蓋的設(shè)計（1）結(jié)構(gòu)尺寸計算本設(shè)計選擇的是B型鉤圈式浮頭，其結(jié)構(gòu)圖見圖3-7。圖3-7鉤圈式浮頭??a——取決于管束和殼體的伸縮量；?b、b1、b2、bn——按GB/T151-2014?的規(guī)定，其結(jié)構(gòu)尺寸如圖3-8，b=5mm，b1=5mm，b2=14.5mm，bn=13mm；圖3-8結(jié)構(gòu)尺寸c——裝配及擰緊浮頭螺母所需空間尺寸，應(yīng)考慮在各種情況下的熱膨脹量，不應(yīng)小于60mm，取c=80mm；Dfi——浮頭法蘭和鉤圈的內(nèi)徑Dfi=Di-2(b1+b2)+3=1200-2×(5＋14.5)+3=1164mm；Df0——浮頭法蘭和鉤圈的外徑Df0=Dw-20=1300-20=1280mm；DL——布管限定圓直徑DL=Di-2(b1+b2+b)=1200-2×(5+14.5+5)=1151mm；D——外頭蓋內(nèi)直徑Di+100=1200+100=1300mm；D0——浮動管板外直徑D0=Di-2b1=1200-2×5=1190mm。（2）外頭蓋封頭封頭選用標準橢圓封頭，EHA1300×16，材料為Q345R。（3）外頭蓋法蘭根據(jù)NB/T47023-2012《長頸對焊法蘭》，浮頭蓋公稱直徑為1300mm，選取與筒體相連接的浮頭蓋法蘭型號為法蘭FM1300-2.5，材料為16MnII。（4）外頭蓋墊片選用管箱墊片型號為：M21-1200-進出接管設(shè)計在換熱器的殼體和管箱上要有進出接管。大多數(shù)管箱都裝有排液管和排氣管。所以本設(shè)計的換熱器有管程介質(zhì)進出口、殼程介質(zhì)進出口、放空口。（1）管程流體進出口接管取接管內(nèi)原油流速，由公式（3-26）得接管內(nèi)徑為：（3-26）根據(jù)標準GB17395-2008《無縫鋼管》，初步選用外徑為356的熱軋無縫鋼管，鋼管厚度為11mm。（2）殼程流體進出口接管取接管內(nèi)減壓渣油流速，由公式（3-27）得接管內(nèi)徑為：（3-27）根據(jù)標準GB17395-2008《無縫鋼管》，初步選用外徑為219的熱軋無縫鋼管，鋼管厚度為8mm。（3）接管法蘭：根據(jù)HG20592鋼制管法蘭的選用方法，選用法蘭型號為WN350-5.0RF、WN200-5.0RF。接管外伸長度：接管外身長度也稱接管伸出長度，是指管法蘭面到殼體外壁的距離。依據(jù)《換熱器設(shè)計手冊》，可確定管箱接管長度L=250mm、殼體接管長度L=200mm。（3）排氣管和排液管的設(shè)計為提高傳熱效率，排除或回收工作殘液（氣）及凝液，凡不能借助其他接管排氣或排液的換熱器，應(yīng)在其殼程和管程的最高、最低點，分別設(shè)置排氣、排液接管，其結(jié)構(gòu)和尺寸如圖3-9所示。圖3-9排氣（液）管排液口直徑為40mm，排氣管直徑為25mm。設(shè)置的位置分別在殼體的上部分和底部。3.3.6管板設(shè)計（1）初選材料根據(jù)介質(zhì)要求及應(yīng)用場合，管板采用鍛件16MnII。（2）初選形式本設(shè)計所用管板有兩種，一種是固定管板，在封頭管箱和筒體連接處；另一種是浮動管板，在外頭蓋和筒體連接處。根據(jù)《換熱器設(shè)計手冊》，選擇管板為整體管板形式，尺寸見圖3-10和3-11。（3）管子排列方式本設(shè)計選擇轉(zhuǎn)角正方形排列。（4）殼體法蘭根據(jù)壓力容器法蘭標準（NB/T47021-2012），分別確定外頭蓋法蘭和管箱法蘭，外頭蓋法蘭是連接外頭蓋和筒體，管箱法蘭是連接封頭管箱和筒體。外頭蓋法蘭型號：法蘭-FM1300-4.0，材料為16MnII管箱法蘭型號：法蘭-FM1200-4.0，材料為16MnII圖3-10浮動管板尺寸圖圖3-11固定管板尺寸圖3.3.7折流板、拉桿、定距管的選用設(shè)計由于管殼式換熱器的殼體內(nèi)部流通界面極大，并且在殼程內(nèi)流體介質(zhì)屬于對流傳熱，所以增大殼程流體的流速，可以加強殼體內(nèi)部湍流程度，提高殼程傳熱系數(shù)，這可以通過設(shè)置折流板來實現(xiàn)。根據(jù)JB/T4714-92《浮頭式換熱器和冷凝器型式與基本參數(shù)》，殼程兩接管中心距為4500mm。由于介質(zhì)的進出口軸線需要在螺旋折流板的正上方或下方，即：（n+0.5）H=4500；其中n計算出應(yīng)為整數(shù)；n=12,折流板間距為392mm,在這段距離布置12組螺旋折流板。本設(shè)計為螺旋折流板，螺旋折流板的形狀是由一個等腰三角形和一個弓形組成的一個扇形，見圖3-12。圖3-12中，R為等腰三角形的一個邊長(即螺旋面展開的外半徑)，mm；r為折流板實際半徑，mm；θ為折流板的扇形角，(°)；B為弓形的弦長，mm。螺旋折流板板安裝后是以外圓O點的連線形成的一條螺旋曲線，與其它螺旋結(jié)構(gòu)的螺旋曲線相同，其展開圖如圖3-13所示。螺旋升角λ按公式（3-28）計算：（3-28）圖3-12螺旋折流板形狀圖圖3-13螺旋折流板曲線展開圖圖3-12中，由公式（3-29）：（3-29）式中為正螺旋面外圓展開周長的計算公式，設(shè)Do為正螺旋面展開外圓直徑，R0為半徑，；則由公式（3-30）可得： （3-30）式中，R0是在螺旋升角為λ時板的邊長。因為折流板是一個平直的板片，所以必須將其形成為近似螺旋形的彎曲表面，以使流體沿流動通道中流動。在安裝過程中，將螺旋節(jié)距之間的擋板分成4等分，將每個1/4板放置在每等分的中線處，然后以O(shè)—O’中心線為軸心扭轉(zhuǎn)半個螺旋升角，使板片形成另一個角度α(安裝傾角)，因此，螺旋折流板片的實際邊長R按公式（3-31）式計算：（3-31）要求出板片扇形角θ，首先必須求出底邊長B，它與實際安裝傾角α和其在圓筒體內(nèi)實際安裝后的投影長度H有關(guān)，見圖。圖3-14折流板在筒體內(nèi)投影從圖3-14中可看出，若已知安裝傾角α，則可得： （3-32）（3-33）此次設(shè)計的螺旋折流板式換熱器安裝傾角α=6°；筒體內(nèi)直徑為1200mm，折流板外圓直徑為D=1190mm，半徑r=595mm；當折流板間距過大時會影響傳熱效果，所以折流板的最大間距不大于筒體內(nèi)徑，最小間距大于或等于筒體內(nèi)經(jīng)的1/5，且不小于50mm。依據(jù)《換熱器設(shè)計手冊》，螺旋折流板之間的間距H=392mm，按照上述計算出螺旋折流板片尺寸如下：按照公式（3-28），計算出按照公式（3-30），計算出按照公式（3-31），計算出由，計算出按照公式（3-32），計算出按照公式（3-33），計算出查GB/T151-2014可知折流板的最小厚度為8mm，此時可選其厚度為10mm。根據(jù)《換熱器設(shè)計手冊》中的表1-2-21，可以確定旁路擋板的對數(shù)為2。采用假管來作為旁路擋板，為了制造的方便，假管選用和換熱管一樣的規(guī)格和材料，19mm×2mm無縫鋼管。根據(jù)表3-4、表3-5，拉桿選用12mm，數(shù)量12條；定距管為19mm×2m無縫鋼管。表3-4拉桿直徑選用表換熱管外徑d10d1414<d<2525d57拉桿直徑dn101216表3-5拉桿數(shù)量選用表公稱直徑DN,mm拉桿直徑dn,mm<40040070070090090013001244812拉桿的長度L按實際需要確定，拉桿的連接尺寸見圖3-15。圖3-15拉桿的連接尺寸3.3.8附件（1）吊耳吊耳結(jié)構(gòu)尺寸見圖3-16。圖3-16吊耳的結(jié)構(gòu)尺寸（2）防松支耳與帶肩螺柱防松支耳與帶肩雙頭螺柱配套使用,見圖3-17，防松支耳應(yīng)對稱均布,數(shù)量至少設(shè)置4個。圖3-17防松支耳與帶肩螺柱第5章經(jīng)濟性及環(huán)保分析第4章?lián)Q熱器強度校核計算4.1殼體校核4.1.1厚度計算Di=1200mm,pc=1.1pw=1.12.22=2.442MPa,Tw=275℃,C1=0.3mm,C2=1mm,=0.85材質(zhì)為Q345R，查表得ReL(Rp0.2)=345MPa,t=160MPa（4-1）式中：——計算厚度，mm；——計算壓力，MPa；——筒體內(nèi)直徑，mm；——設(shè)計溫度下的材料許用應(yīng)力，MPa；——焊接接頭系數(shù)，本設(shè)計取值為0.85；名義厚度：復驗鋼板名義厚度為16.0mm，t=160MPa，選擇正確；故最終筒體厚度選16.0mm合適。4.1.2水壓試驗強度校核（4-2） （4-3）（4-4）（4-5）因為<，所以水壓試驗強度校驗符合要求。4.2封頭校核4.2.1厚度計算（4-6）式中： ——計算厚度，mm；——計算壓力，MPa；——封頭內(nèi)直徑，mm；——設(shè)計溫度下的材料許用應(yīng)力，MPa；——焊接接頭系數(shù)，本設(shè)計取值為0.85；名義厚度： 4.2.2最大允許工作壓力（4-7）所以封頭強度合格。4.3接管開孔補強4.3.1管程介質(zhì)進出口開孔補強允許不另行補強的最大接管內(nèi)徑為89mm，進出口管外徑為356mm，故需考慮開孔補強。則開孔直徑，滿足等面積法開孔補強計算的適用條件，故可用等面積法進行補強計算。（1）計算厚度（4-8）（2）開孔所需補強面積接管使用20鋼，強度削弱系數(shù)接管有效厚度為：開孔所需補強面積：（4-9）（3）有效補強范圍①有效寬度B取最大值（4-10）故②有效高度外側(cè)有效高度取最小值（4-11）故內(nèi)側(cè)有效高度取最小值（4-12）故（4）有效補強面積①殼體多余金屬面積殼體有效厚度：殼體多余金屬面積 （4-13）=2\*GB3②接管多余金屬面積接管計算厚度接管多余金屬面積 （4-14）=3\*GB3③接管區(qū)焊縫面積(焊腳取)（4-15）需另加補強。采用補強圈補強，補強圈坡口焊接接頭型式為D型。補強圈尺寸選擇DN35016，材質(zhì)為Q345R。4.3.2殼程介質(zhì)進出口開孔補強允許不另行補強的最大接管內(nèi)徑為89mm，進出口管外徑為219mm，故需考慮開孔補強。則開孔直徑，滿足等面積法開孔補強計算的適用條件，故可用等面積法進行補強計算。（1）計算厚度（2）開孔所需補強面積接管使用00Cr19Ni10，強度削弱系數(shù)接管有效厚度為：開孔所需補強面積：（3）有效補強范圍①有效寬度B取最大值故②有效高度外側(cè)有效高度取最小值故內(nèi)側(cè)有效高度取最小值故（4）有效補強面積①殼體多余金屬面積殼體有效厚度：殼體多余金屬面積 =2\*GB3②接管多余金屬面積接管計算厚度接管多余金屬面積 =3\*GB3③接管區(qū)焊縫面積(焊腳取6.0mm)需另加補強。采用補強圈補強，補強圈坡口焊接接頭型式為D型。補強圈尺寸選擇DN20016，材質(zhì)為Q345R。4.4管板校核查《換熱器設(shè)計手冊》可知，本設(shè)計的管板屬于管板、殼體與管箱連接方式中的e型，結(jié)構(gòu)如圖4-1所示。圖5-1管板、殼體與管箱連接方式4.4.1換熱器計算數(shù)據(jù)（1）換熱器設(shè)計條件殼程設(shè)計壓力ps=2.44MPa；管程設(shè)計壓力pt=2.31MPa；管板設(shè)計溫度275℃；殼程腐蝕裕量：Cs=2mm；管程腐蝕裕量：Ct=1.5mm；管程數(shù)：2（2）結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)換熱器公稱直徑DN1200；換熱管外徑d=19mm；管壁厚度δt=2mm；根數(shù)n=1450；管長L0=6000mm；受壓失穩(wěn)當量長度lcr=1000mm；換熱管轉(zhuǎn)置正方形排列，管間距S=25mm；殼程側(cè)管板結(jié)構(gòu)槽深h1=3mm；管程側(cè)隔板槽深h2=4mm；夾持管板的殼程法蘭和管箱法蘭采用法蘭-FM1200-4.0墊片為纏繞墊片，按GB/T150表9-1壓緊面型式1a，；管板剛度削弱系數(shù)η=0.4；管板強度削弱系數(shù)μ=0.4；（3）各元件材料及其設(shè)計數(shù)據(jù)換熱管材料00Cr19Ni10；根據(jù)GB/T150-2011，設(shè)計溫度下許用應(yīng)力;屈服點σst=177MPa；彈性模量；管板材料16MnII鍛件；設(shè)計溫度下的許用應(yīng)力；彈性模量；許用拉脫力4.4.2換熱管穩(wěn)定許用壓應(yīng)力換熱管穩(wěn)定許用壓應(yīng)力[σ]cr (4-16) (4-17) (4-18)由公式(4-3)可知<。換熱管合格。4.4.3結(jié)構(gòu)參數(shù)的計算（1）墊片壓緊力作用中心圓直徑DG

因為b0=9.5>6.4mm，所以。

DG=墊片接觸面積外徑-2b（2）設(shè)置隔板槽和拉桿，布管區(qū)沒有被換熱器支承的面積Ad，對轉(zhuǎn)角正方形排列，隔板槽兩側(cè)換熱管之間管排中心距Sn=38mm。沿隔板槽一側(cè)的排管根數(shù)n’=725；（4-19）殼程圓筒內(nèi)直徑橫截面積：（4-20）殼程圓筒金屬橫截面積： （4-21）（3）管板布管區(qū)當量直徑Dt（4-22） （4-23）（4-24）（4）管板布管區(qū)開孔后的面積A1查GB151附錄J得：一根換熱管金屬橫截面積a=106.81mm2。（4-25）4.4.4系數(shù)計算（1）系數(shù)計算（4-26）（4-27） （4-28）管束模數(shù)Kt：（4-29）管數(shù)無量綱剛度：（4-30）（2）確定管板設(shè)計壓力由于不能保證ps和pt在任何情況下都同時作用，故 （4-31）（3）計算，查系數(shù)C和Gwe （4-32） （4-33）（4-34）查圖4-2可得，C=0.25，Gwe=.5管板計算厚度和名義厚度計算厚度： （4-35）名義厚度：管板名義厚度應(yīng)大于或等于下列三部分之和，即圓整（4-36）圓整4.4.6有效管長的計算校核依據(jù)剛得到的管板名義厚度，再重復上述步驟，得到在正確的管子有效長度下的管板厚度。（4-37）由公式(5-29)可得：由公式(5-30)可得：查圖4-2得到C=0.23；Gwe=5.0。由公式(4-9)可得：圓整=60mm故管板的名義厚度為60mm。4.5換熱器校核在換熱器運行過程中，有不同的工況，所以在換熱器校核過程中，需要計算在三種工況下的不同應(yīng)力進行校核。由于換熱器一個完整的個體，還是有多個部分組成的，需要考慮各部件之間的相互作用，所以還應(yīng)該計算以及換熱管對管板的拉脫力。4.5.1換熱器軸向應(yīng)力按三種工況分別進行計算（1）殼程設(shè)計壓力，管程 (4-38)由公式可得： (4-39)由公式可得：（2）只有管程設(shè)計壓力，殼程設(shè)計壓力由公式(5-37)可得：由公式(5-38)可得：（3）殼程設(shè)計壓力與管程設(shè)計壓力同時作用由公式(5-37可得：由公式(5-38)可得：4.5.2換熱管與管板連接拉脫力，滿足要求。（4-40）式中： （4-41）——換熱管最小伸出長度，mm；——最小坡口深度，mm。第5章經(jīng)濟性及環(huán)保分析5.1經(jīng)濟性分析5.1.1基建投資的經(jīng)濟性分析（1）直接材料費直接材料費包括：主材費、外購外協(xié)件費、輔助材料費主材指組成設(shè)備工程實體的主要材料，在這里選用的是Q345R。對于同一設(shè)備而言，制造材料不同成本也就不同，Q345R是壓力容器行業(yè)中的廣泛用材，它既能保證設(shè)備的力學性能，相對價格也比較低，而且它的加工性能優(yōu)良。外購外協(xié)件由鍛件、鑄件、標準件、非金屬零件及專用件等組成，需要按照要求和需求進行合理采購，以控制該部分的成本。本設(shè)計中的輔助材料費用主要是焊接材料費?；谏鲜鲆蛩?，對材料費進行估算。計入非標設(shè)備計價重量的零部件包括管板、法蘭、接管、換熱管、封頭管箱、外頭蓋、筒體、支座和內(nèi)部構(gòu)件（折流板、隔板、導流筒），而設(shè)備內(nèi)閥門、儀表等另行計算。其中Q345R的市場價格為5000元/噸，無縫鋼管20鋼的價格約為3600元/噸，Q235的市場價格為3950元/噸，16MnII的市場價格為4200元/噸，則各項目的成本如下：=1\*GB3①筒體、封頭管箱、外頭蓋、支座四部分的質(zhì)量為8024kg，材料為Q345R，材料價格為：元=2\*GB3②接管、換熱管該部分質(zhì)量約為7450kg，材料為20鋼，材料價格為：元=3\*GB3③管板、法蘭管板包括浮動管板和固定管板，法蘭包括筒體法蘭和鉤圈法蘭，管板和法蘭的材料相同，都為16MnII，總質(zhì)量為2640kg，材料價格為：元=4\*GB3④內(nèi)部組件內(nèi)部組件包括51個螺旋形折流板（5.3kg/個）、1個導流筒（16kg/個）、1個隔板（3.6kg/個）和4個拉桿（9.2kg/個）。這些內(nèi)構(gòu)件材料都是Q235A，總價約為：=5\*GB3⑤儀表閥門對此部分進行估價約為80000元。=6\*GB3⑥輔助材料費由于不同的焊接方式和焊接材料，會產(chǎn)生不同的費用，根據(jù)經(jīng)驗估價為10000元。（2）制造費用基本制作費包括人工費和機械費，簡稱人機費，該部分價格會隨市場價格變化而變化，不確定因素較高。對此部分估價為100000元。（3）管理費用管理費用包括對施工現(xiàn)場的管理、設(shè)備本身的管理工藝管理費，估計該部分價格為150000元。（4）土建費用由于該設(shè)計換熱器體積較大，占地面積較大，土建費用較高，約為150000元。5.1.2運行成本的經(jīng)濟分析（1）設(shè)備自然壽命（物質(zhì)壽命）：10年。（2）設(shè)備經(jīng)濟壽命（設(shè)備未壞因經(jīng)濟上不合算而淘汰）：10年。（3）設(shè)備技術(shù)壽命（設(shè)備未壞因技術(shù)落后而淘汰）：10年。（4）運行成本（環(huán)保設(shè)備正常運行所需的全部費用）：10萬/年。5.1.3環(huán)保設(shè)備的技術(shù)經(jīng)濟指標（1）收益類指標處理能力：767m3/h。（2）設(shè)備運行壽命：10年。（3）三廢資源化能力：過熱的減壓榨油所帶有的熱量通過換熱器熱量傳遞給分餾塔進料，分餾進料經(jīng)加熱再進入分餾塔進行分餾，相當于進行了預處理，不僅減少了熱量的散失，而且也減少了煤炭的使用。（4）降低損失水平：螺旋折流板式換熱器，即在滿足柴油油品品質(zhì)的基礎(chǔ)上，增加了分餾進料的溫度，進行了熱量的回收，減少了煤炭的使用，提升了環(huán)境質(zhì)量，大大減少了處理前的環(huán)境污染賠償費；利用渣油的余熱對分流進料進行預熱，不需要消耗其他燃料，大大減少了運行成本。（5）非貨幣計量效益：螺旋折流板式式換熱器換熱，渣油余熱得到利用，減少了后期煤炭的使用量，避免了污染環(huán)境，改善了環(huán)境質(zhì)量。（6）運行后每年少交煤炭成本和排污費：15萬。5.1.4消耗類指標（1）投資總額：投資總額是指設(shè)置設(shè)備而花費全部開銷，65萬。（2）運行費用：8萬元/年。（3）設(shè)置耗用時間：是環(huán)保設(shè)備從投資到實際運轉(zhuǎn)所用的時間，為45天。（4）有效運行時間：常用有效利用率表示=年累計運行時間/年計劃運行時間=0.97。5.1.5綜合指標（1）壽命周期費用指設(shè)備在設(shè)計、研發(fā)開始，經(jīng)過制造和長期使用，一直到被其他設(shè)備替代的時間周期內(nèi)所支出的全部費用，36萬。（2）投資回收期=1\*GB3①靜態(tài)投資回收期（不考慮資金的時間價值） (5-1)式中：T靜態(tài)——靜態(tài)回收期，年；TI——投資總額，元；M——年平均凈收益，元。M=15-1=14萬元由公式(5-1)可以得出：=2\*GB3②動態(tài)投資回收期（考慮資金的時間價值）(5-2)式中：T動態(tài)——動態(tài)回收期，年；i——年利率或投資收入率，%，取i為20%。由公式(5-2)可知，由上面的計算結(jié)果可以看出，T動態(tài)>T靜態(tài)，原因是T動態(tài)考慮了貨幣資金的時間價值。（3）基準投資回收期4年。5.1.6經(jīng)濟性分析結(jié)論非標設(shè)備預算是項目的主要耗資部分，合理控制設(shè)備造價可以有效減少項目投資，設(shè)備運行過程中進行及時維護和檢修可延長使用年限，提高項目經(jīng)濟性。鍛件、鑄件、標準件、非金屬零件及專用件等，按照需求、多方比較后進行采購可合理控制該部分費用。焊接材料費的計算應(yīng)根據(jù)設(shè)備的材質(zhì)、結(jié)構(gòu)、技術(shù)參數(shù)、材料規(guī)格等，利用材料消耗定額確定電焊條等輔助材料的用量，合理購入。人工費和機械費等價格會隨市場價格變化浮動，不確定因素較高。合理控制設(shè)備造價可以有效減少項目投資，設(shè)備運行過程中進行及時維護和檢修可延長使用年限，提高項目經(jīng)濟性。5.2環(huán)保分析5.2.1裝置能耗分析相同直徑下，螺旋折流板式換熱器具有更大的換熱面積，可以強化常壓塔頂循環(huán)油余熱回收，減少塔頂?shù)蜏責岬闹苯优艞墸岣咴蛽Q熱溫度，從而提高脫前原油換熱效果，強化電脫鹽罐使用效果，減少設(shè)備結(jié)垢腐蝕。同等換熱效果下，螺旋折流板換熱器殼程原油的壓降將低于弓形折流板換熱器，從而降低原油泵動力消耗?，F(xiàn)階段能源危機已經(jīng)引起了國內(nèi)外的普遍關(guān)注，在保證效益的基礎(chǔ)上，有效減少能耗和合理利用資源成為各國普遍追求的現(xiàn)實目標。我國為實現(xiàn)良性循環(huán)發(fā)展也頒布了《節(jié)約能源法》、《高耗能特種設(shè)備節(jié)能監(jiān)督管理方法》等多種技術(shù)規(guī)范，其中均提出了具體的節(jié)能減耗標準。本文在設(shè)計換熱器時也全面執(zhí)行了節(jié)能減耗這一環(huán)保理念，避免浪費能源，以盡可能的提升能源的利用率。5.2.2裝置環(huán)保分析現(xiàn)今時代在工業(yè)快速發(fā)展的同時也造成了嚴重的環(huán)境污染，因此環(huán)保性成為評價機械設(shè)備的一個主要標準。本設(shè)計中螺旋折流板換熱器內(nèi)所有物料無毒無害，無腐蝕性，設(shè)備中法蘭為凹凸面密封，管箱、殼體之間的連接采用密封墊片，防止了流體的泄漏；本設(shè)計中換熱器無污染排放，無需考慮物料排放的影響。噪聲源主要由管殼程輸送原油和減壓渣油的泵造成，為減小噪聲對環(huán)境的影響，可在設(shè)備外壁外側(cè)，涂刷阻尼材料，提高其隔聲性能；基座采用減震降噪措施（安裝減震墊），泵側(cè)安裝隔聲罩。隔聲罩整體結(jié)構(gòu)可以設(shè)計成組合開啟式，以利設(shè)備檢修；有散熱要求的隔聲罩設(shè)有進、出風口，便于通風散熱；在車間辦公室等功能房間作吸聲處理，以降低混響噪聲；在個別高噪聲作業(yè)點設(shè)置隔聲值班間；在車間適當位置設(shè)置聲門、窗，以減少噪聲外部環(huán)境的影響。5.2.3環(huán)保分析結(jié)論綜上，本設(shè)備高度重視環(huán)保，提高了能源利用率，減少能源的浪費，做到無污染、無泄漏，為全球能源可持續(xù)利用貢獻一份力量。5.3本章小結(jié)該裝置可達到后續(xù)加工工藝的要求，有效提高了環(huán)境資源的利用率，符合國家倡導的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略和節(jié)能減排方針政策，投入使用可帶來十分可觀的經(jīng)濟和社會效益，并且符合環(huán)保的相關(guān)規(guī)定。參考文獻徐榮.螺旋折流板換熱器的設(shè)計計算及工業(yè)應(yīng)用[D].東南大學,2017.錢頌文.換熱器設(shè)計手冊[M].北京:化學工業(yè)出版社,2002.55-99楊世銘,陶文銓.傳熱學[M]:第3版.北京:高等教育出版社,1998:138-143史美中,王中錚.熱交換器原理與設(shè)計[M].南京:東南大學出版社,2003.1,54-75陶文銓.數(shù)值傳熱學（第2版）[M].西安:西安交通大學出版社,2001潘國昌.郭慶豐.化工設(shè)備設(shè)計[M].北京:清華大學出版社,1996:3233.蔣連勝.管殼式換熱器的失效、破壞后成因與控制[J].廣州化工,2016,44(16):173-175.劉斌.常減壓裝置中螺旋折流板換熱器結(jié)構(gòu)的分析與設(shè)計[D].東北石油大學,2010.杜文靜,王紅福,程林.螺旋折流板換熱器殼程流動特性[J].化工學報,2015,65(8):2970-2975.LutchaJ，NemcanskyJ.Performanceimprovementoftubularheatexchangersbyhelicalbaffles.ChemicalEngineeringReseairch&Design,1990,68(3):263-270.StehlikP,NemcanskyJ,KralD,etal.Gomparisanofcorrectionfactorsforshell-and-tubeheatexchangerswithsegmentalorhelicalbaffles[J].HeatTransferEngineering,1994,15(1):55-65.董聰.三分螺旋折流板換熱器殼側(cè)流動和傳熱性能研究[D].東南大學,2014.張奇.如何提高換熱器的換熱效率[J].中國金屬通報,2019,(11):160-161.郭亞東.淺談?chuàng)Q熱器的分類及應(yīng)用前景[J].化工管理,2013(06):87.聶修民.過程裝備與控制工程綜合實驗系統(tǒng)設(shè)計與研究[D].長春理工大學,2012.肖克,張巨偉,于妍.管殼換熱器的發(fā)展和前景[J].當代化工,2015,44(12):2821-2824.時龍,劉慶.典型換熱器的設(shè)計研究進展[J].造紙裝備及材料,2020,49(04):30-31.谷雅秀,王俊煒,劉廣東,潘嵩,李模華,王新如.新型橢圓形套管-管翅式蒸發(fā)式冷凝器研究[J].制冷學報,2020,41(04):103-110.葛洋,姜未汀.微通道換熱器的研究及應(yīng)用現(xiàn)狀[J].化工進展,2016,35(S1):10-15.劉家瑞,趙巍,黃曉東,張華.導孔型板殼式換熱器的研究與展望[J].熱能動力工程,2016,31(03):1-8+134.高興輝,周幗彥,涂善東.纏繞管式換熱器殼程強化傳熱性能影響因素分析[J].化工學報,2019,70(07):2456-2471.丁超,胡海濤,丁國良,等.運行工況對LNG繞管式換熱器殼側(cè)換熱特性的影響[J].化工學報,2018,69(6):2417-2423.林文珠,曹嘉豪,方曉明,張正國.管殼式換熱器強化傳熱研究進展[J].化工進展,2018,37(04):1276-1286.張亮,原亞東,孫志強,陳賀敏.波紋管對管殼式換熱器內(nèi)流體傳熱及流動特性的影響[J].熱能動力工程,2019,34(04):73-78.ELMAAKOULA,LAKNIZIA,SAADEDDINES,etal.NumericalcoMPariso-nofshell-sideperformanceforshellandtubeheatexchangerswithtrefoil-hole,helicalandsegmentalbaffles[J].AppliedThermalEngineering,2016,109:175-185.EIAMSA-ARDS,WONGCHAREEK.ConvectiveheattransferenhancementusingAg-waternanofluidinamicro-fintubecombinedwithnon-uniformtwistedtape[J].InternationalJournalofMechanicalSciences,2018.146:337-354.滿長忠,胡敬偉,郁雙鑫,等.新型扭帶在層流中強化傳熱性能的數(shù)值模擬研究[J].熱科學與技術(shù),2019,18(1):42-49.LIZX,JAFARYARSM,SHAFEEA,etal.Investigationofnanofluidentropygenerationinaheatexchangerwithhelicaltwistedtapes[J].JournalofMolecularLiquids,2018,266:797-805.張海燕.管殼式換熱器的優(yōu)化設(shè)計[J].中國機械,2014,(14):106-107.王正方,王勇.管殼式螺旋折流板換熱器的發(fā)展與現(xiàn)狀[C].//中國機械工程學會.2007年中國機械工程學會年會論文匯編.2007.JianWen,HuizhuYang,SiminWang,XinGu.PIVexperimentalinvestigationonshell-sideflowpatternsofshellandtubeheatexchangerwithdifferenthelicalbaffles[J].InternationalJournalofHeatandMassTransfer,2017,104.宋道明.淺談?chuàng)Q熱器的泄漏研究[J].設(shè)備管理與維修,2019,(23):25-27.Designandecono