固定管板式换热器的设计
第一章.设计方案概述和简介
一、概述
在不同温度的流体间传递热能的装置称为热交换器，简称为换热器。化工生产中换热器的使用十分普遍，由于物料的性质、要求各不相同，换热器的种类很多。了解各种换热器的特点，根据工艺要求正确选用适当类型的换热器是非常重要的。
按照热量交换的方法不同，分为间壁式换热器、直接接触式换热器、蓄热式换热器三种。化工生产中绝大多数情况下不允许冷、热两流体在传热过程中发生混合，所以，间壁式换热器的应用最广泛。在换热器中至少要有两种温度不同的流体，一种流体温度较高，放出热量：另一种流体温度较低，吸收热量。换热器在化工、石油、动力、制冷、食品等行业中都有广泛应用，且它们是上述这些行业的通用设备，并占有十分重要的地位
二、列管式换热器的分类
1、 U型管换热器
U型管换热器结构特点是只有一块管板，换热管为U型，管子的两端固定在同一块管板上，其管程至少为两程。管束可以自由伸缩，当壳体与U型环热管由温差时，不会产生温差应力。U型管式换热器的优点是结构简单，只有一块管板，密封面少，运行可靠；管束可以抽出，管间清洗方便。其缺点是管内清洗困难；由于管子需要一定的弯曲半径，故管板的利用率较低；管束最内程管间距大，壳程易短路；内程管子坏了不能更换，因而报废率较高。此外，其造价比管定管板式高10%左右。
2、固定管板式换热器
固定管板式换热器主要是由筒体、封头、管板、换热管、管箱、折流板及法兰等组成，管束两端固定在管板上，管板和筒体之间是刚性连接在一起，相互之间无相对移动，换热器结构简单、制造方便、造价较低；在相同直径的壳体内可排列较多的换热管，而且每根换热管都可单独进行更换和管内清洗；但管外壁清洗较困难。当两种流体的温差较大时，会在壳壁和管壁中产生温差应力，一般当温差大于50摄氏度时就应考虑在壳体上设置膨胀节以减小温差应力。但当管、壳温差大于70摄氏度时，壳程压力超过0.6Mpa时，导致膨胀节过厚失去温差补偿作用。因此，固定管板式换热器适用于壳程流体清洁，不易结垢，管程常用要清洗，冷热流体温差不太大的场合。
三、设计方案选定
1 、换热器类型的选择
按照设计任务书的要求，热流体物料入口温度30.08℃，出口温度120℃，冷流体物料，入口温度142.2℃，出口142.2℃，操作压力小于0.6MPa，物料的温度变化大约为90℃比较大。基于这些要求，应选择固定管板式换热器。
2、流体路径的选择
由于此次设计的换热器所走物料为气体，且需要冷却，所以选择走壳程，并且，固定管板式换热器具有壳体易走较清洁流体，这样，冷却即走管程。按照一般情况，选用规格为 25*2.5mm的碳素钢无缝管。
3、列管式换热器设计的主要内容
固定管板式换热器的设计包括热力设计、流体设计、结构设计以及强度设计。本次设计课题以结构设计与强度校核为主要设计内容。不仅在设计一台新的换热器时需要进行热力设计，而且对于已生产出来的，甚至已投入使用的换热器在检验它是否满足使用时，均需要进行这方面的工作。热力设计是指根据使用单位提出的基本要求，合理的选择运行参数，并根据传热学的知识进行传热计算。
第二章固定管板式换热器的总体结构
一、认识固定管板式换热器
固定管板式换热器主要是由筒体、封头、管板、换热管、管箱、折流板及法兰等组成，管束两端固定在管板上，管板和筒体之间是刚性连接在一起，相互之间无
相对
移
动，
换热
器结
构简
单、
制造
方
便、造价较低；在相同直径的壳体内可排列较多的换热管，而且每根换热管都可
单独进行更换和管内清洗；但管外壁清洗较困难。当两种流体的温差较大时，会在壳壁和管壁中产生温差应力，一般当温差大于50摄氏度时就应考虑在壳体上设置膨胀节以减小温差应力。但当管、壳温差大于70摄氏度时，壳程压力超过0.6Mpa时，导致膨胀节过厚失去温差补偿作用。因此，固定管板式换热器适用于壳程流体清洁，不易结垢，管程常用要清洗，冷热流体温差不太大的场合。二、筒体
筒体是换热器的主要受压元件，筒体大多是由钢板冷（热）卷焊而成。筒体因为要经常抽装管束，所以对壳体的内直径偏、同一截面上最大与最小直径偏差以及直线度的控制比较严格，因此压力容器壳体的材料要具有良好的塑性、焊接性能和好的热加工性能。根据不同的工艺条件，壳体的材料一般选用碳素钢、低合金钢和不锈钢等。
根据图纸所知，本次设计的换热器所走的介质为气体且无腐蚀性，所以本次设计课题的筒体选材为Q235B
三、封头
封头是压力容器的重要组成部分，也是主要的受压元件，常用的有半球形封头、椭圆封头、碟形封头、锥形封头和平封头（即平盖）。其中平封头根据需要有多种形式，结构简单，与其他形式的封头相比，在相同的条件下满足强度要求的厚度较大，中低压容器中应用不多，锥形封头主要用于不同直径的过渡连接、介质中含有固体颗粒或粘度较大时作为容器下部的出料口等。
根据图纸所知，本次设计的换热器的结构较为简单，所以本次课题使用的封头即为标准椭圆封头，材料为Q235B。
半球形封头碟形封头标准椭圆封头
锥形封头平封头
四、管板
管板是管壳式换热器的主要零件，管板的设计是否合理对确保换热器的安全运行、节约金属材料、降低制造成本是至关重要的。
管板一般采用低合金铸造，或者采用低合金钢钢板加工，当采用碳钢时，由于材料的偏析将使管子与管板焊接后出现气孔和裂纹，故应检查管板表面含碳量，不得小于0.19%，或在管板上加两层低碳堆焊来避免偏析的影响。当某种单一的材料不能同时抵抗两侧换热介质的腐蚀时，必须采用双金属板，有时虽只是一种介质具有强烈腐蚀作用，但是管板尺寸较厚，那么采用整体的贵重材料制造管板不如采用复合板经济，而且贵重材料如奥氏体不锈钢的强度和加工性还不如碳钢，导热性能反而差，因此在直径大、压力高的换热器中，采用以强度高而便
宜的低合金钢作为基层的复合板，管板尺寸越
大越经济。
管板的制作方法有：轧制法、堆焊法、爆
炸复合法、焊管复合法、桥面堆焊法
本次设计的换热器，所使用管板材料为
16Mn。
五、接管、法兰、支座及其它附件常用材料
1、容器壳体上各种接管等，要求使用无缝钢管，常用钢管有碳素钢低合金钢低合金耐热钢等。其中碳素钢钢号为20号钢管，使用流体输送，可与Q235 、16MnR等材料配合使用，是最广泛的一类无缝管。
根据该换热器所走介质，接管材料选择20号钢管，接管长度150mm。
2、法兰材料选择
法兰为典型的受压元件，通常由钢板或锻件经切削钻孔后制成，而后与接管组焊而成，因此法兰材料应具有良好的可锻性切削性加工性和可焊性。法兰常用的板材有Q235-A 、Q235-B等。
3、支座承受整个容器的重量，但不受截至压力和温度作用，一般选刚性较好的材料，常用的有Q235-A 、Q 235-B等。
本次设计的换热器支座材料为Q 235-B
六、管箱结构
1、管箱位于壳体两端，其作用是控制及分配管程流体。管程结构如下图，
图A为四管程管箱，适用于较清洁的介质，因检查管子及清洗时只能将管箱整体卸下，故不方便；图B在管箱上装有平盖，只要拆下平盖即可进行清洗和检查，所以工程应用较多，但材料用量较大；图C是将管箱和管板焊成整体，这种结构密封性好，但管箱不能单独拆下，检修、清洗都不方便，实际应用较少。
1、管程
管箱的作用是把管道中来的流体，均匀分布到各换热管和将换热管内流体汇聚到一起送出换热器。
2、分程
为增加换热面积，必须增加换热管数量，而介质在管束中的流速随着话呢管的增加而下降，结果反而使流体的给热系数降低，故增加换热管不一定达到所需换热要求。因此要保持流体在管束中较大流速，可将管束分成若干程数，使流体依次流过各程换热管，以增加流体速度、提高给热系数。
本次设计的换热器为四管程，所以选择的管箱形式为图A。
七、壳程结构
1、壳程主要是由折流板、支撑板、纵向隔板、旁路挡板、拉杆、定距管等元件组成，由于各种形式换热器的工艺性能、适用场合不同，壳程内各种元件的设置也不同，以满足设计要求。
各元件在壳程内设置，按其不同的作用，可分为两类，一类为使壳侧介质对换热管最有效的流动，来提高换热效率而设置的各种挡板，如折流板、纵向挡板、旁路挡板等；另一类为了管束的安装及保护换热管而设置的，如支撑板。
1-1、折流板
折流板的结构设计，要根据工艺过程及要求来确定，折流板的作用是使壳程流体反复的改变方向作错流流动或其他形式的流动，提高管间流体的湍动程度，并可调节折流板间距以获得适宜流速，提高传热效果，另外，折流板还可起到支撑管束的作用。
折流板的类型有：弓形折流板（单弓形和双弓形折流板）、矩形折流板、圆盘-圆环形
本次设计的换热器使用的折流板为单弓形折流板。
折流板的最小间距应不小于圆筒内径的1/5，且不小于50mm ，最大间距应不大于圆筒内直径，所以此次设计的换热器两折流板之间的距离为110mm ，共
需折流板个数为17110
1920
≈
1-3、定距管的个数：根据折流板个数与拉杆个数，确定定距管个数为68根，每根长为102mm ，规格为φ25×2.5mm
1-2、旁路挡板
为了防止壳程边缘介质短路，常设置旁路挡板以迫使壳程介质通过管束之间与管程流体进行换热。旁路挡板可用钢板或扁钢制成，其厚度一般与折流板相同。
旁路挡板嵌入折流板槽内，并与折流板焊接。壳体公称直径DN ≤500mm 时，增设一对旁路挡板；DN ＝500mm 时，增设两对旁路挡板；DN ≥500mm 时，增设三对旁路挡板。
第三章 换热器的选材及计算
根据工作介质、工作温度、工作压力选择合适的材料：
一、换热器设计工艺参数
管口表
二、换热管规格、选材与计算
1、换热管常用规格：一般用外径×壁厚表示，常用碳素钢、合金钢管的规格有Φ19×2mm、Φ25×2.5mm、Φ38×2.5mm；不锈钢的规格有Φ25×2mm,Φ38×2.5mm。换热管的标准管长为 1.5、2.0、3.0、6.0、9.0(单位：m)等。换热管数量、长度和直径根据换热管的换热面积确定，所选换热管直径和长度应符
合标准规格。一般小直径管子单位传热面积的金属消耗量小，行传热系数稍高，但容易结垢，不易清洗，因此，为了提高换热效率，对于较清洁的流体通常选用直径较小的换热管；而对于粘度较大的或污浊的流体通常选用大直径换热管。
本次设计的换热器所走介质比较清洁所以选用小管径换热管5.2*25φmm ，管长为1924mm
2、换热管材料：根据压力、温度、介质的腐蚀性能选择换热管的材料。换热管可采用金属材料有碳素钢管、低合金钢管、高合金钢管、奥氏体不锈钢焊接钢管、铜管、钛管、铝管及其合金管；非合金
材料有石墨、陶瓷、聚四氟
乙烯、塑料等。
根据本次设计换热器的温度、压力、介质的腐蚀性，所以换热管使用的材料为20
3、换热管数的计算
根111924
.1*025.0*4.21d S n ===ππL
其中 n:换管热管数 S ：总换热面积 d ：换热管外径 L;换热管总长度 4、换热管的间距
为了便于清洗以及保证连接质量，换热管间必须保证一定的管间距，要求管间距≥1.25d,相邻换热管的管间距数值可查标准GB151《管壳换热器》，根据换热管外径d 10
12
14 16 19 20 22 25 换热管中心距s
13~14 16
19
22
25
26
28
32
5、换热管排列方式：
换热管在管板上的排列方式主要有正三角形、转角正三角形、正方形、转角正方形排列，正三角形和转角正三角形排列紧凑，同样的管板面积上排列的管子数比正方形多10%左右，同一体积传热面积更大，应用最普遍，但管外不易清洗。适用于壳程介质污垢少，且不需要进行机械清洗的场合，一般在固定管板式换热器中多用三角形排列。
正方形和转角正方形排列，管间小桥形成一条直线通道，便于机械清洗。要经常清洗的管子外表面上的污垢，多用正方形排列或转角正方形排列。
本次设计的换热器所走介质为气体并且不需要经常清洗，所以选择的排列形式为正三角形排列。
查GB151知：最外层管壁与壳壁之间的最短距离不小于8mm 。
三、筒体壁厚计算与选材
[]
22
C P
D P c
t
i
c d +-=?σδ mm d 9.35.198
.01163255098.0=+-???=
δ 名
义厚度
mm C n 2.43.09.31=+=+=δδ
向上圆整到钢板标准规格厚度，即筒体壁厚为6mm 其中 δ圆筒计算厚度 c
p
计算压力 d
δ
圆筒计算厚度
[]t
σ设计温度下筒体材料的许用应力
?焊接接头系数 2
C
腐蚀裕量
四、封头壁厚计算
[]c
t
i
c p D p 5.02K -=
?σδ
mm 4.398
.05.011632550
98.01=?-????=
δ
其中
K 椭圆形封头系数，对标准椭圆封头，K =1
在同等条件下封头壁厚与圆筒壁厚大致相同，便于焊接，经济合理。所以封
头壁厚为6mm 。
筒体的校核
设计温度下圆筒的最大允许工作压力「Pw 」
[][])
(2e i t
e D Pw δ?
σδ+=
[]MPa Pw 3.2)
9.3550(11639.32=+???=
e δ是圆筒的有效厚度 mm
设计温度下圆筒的计算应力t σ
()e
e i c t
D P δδσ2+=
()[]?σσt
t
≤=?+?=6.699
.329.355098.0
封头的校核
设计温度下封头的最大允许工作压力「Pw 」
[][])
(4e i t
e D Pw δ?
σδ+=
[]6.4)
9.3550(11639.34=+???=Pw
设计温度下圆筒的计算应力t σ
()e
e i c t
D P δδσ4+=
()[]?σσt
t
≤=?+?=8.349
.349.355098.0
第四章、管板与壳体、管箱、换热管的连接
一、壳体与管板的连接结构
固定管板式换热器的管板与壳体连接为不可拆的焊接式连接，通常有管板兼做法兰和管板不兼做法兰两种。
管板与壳体的连接形式有两种：可拆式与不可拆
1、对壳体与管板采用焊接形式连接的，由于设备直径的大小、压力的高低以及换热介质的毒性或易燃性等，所以必须考虑采用不同的焊接方法及焊接结构。
2、不带法兰的管板与壳体连接形式，目前常用的--其使用压力不大于4MPa 根据设计要求及使用方便，本设计课题选择的是管板兼做法兰，可拆式
二、管箱与管板的连接结构
管箱与管板的连接形式较多，随着压力的大小、温度的高低以及物料性质、耐腐蚀情况不同，连接处的密封要求，法兰形式也不同。
1、固定管板式换热器的管板兼做法兰，与管箱法兰的连接形式比较简单，根据工艺要求，选择一定的密封面形式。
当管程介质腐蚀或有清洁度要求，管箱采用不锈钢时，这是管板可采用碳钢，但在管板表面衬3～6mm 厚的不锈钢板。
2、可拆式管板，因管束经常需清洗、维修，所以管板与壳体不采用焊接连接，而做成可拆形式，固定在壳体法兰与管箱法兰之间。
三、换热管与管板连接结构
管板是换热器的主要部件之一，一般采用圆形平板，在板上开孔并装设换热管。管板还起分隔管程和壳程空间、避免冷热流体混合的作用。管板与管子的连接方式有胀接、焊接、高温高压下常采用胀、焊并用的方式。
胀接连接
胀接连接，即利用管子与管板材料的硬度差，把胀管器挤压伸入管板孔中的管子端部，使管端直径变大发生塑性变形，而管板孔只产生弹性变形，这样胀管撤去胀管器，管板在弹性恢复力的作用下雨管子外表紧紧贴合在一起，达到密封
和紧固连接的目的，由于胀接是靠管子的变形来达到密封和压紧的一种机械的连接方法，当温度升高时，由于蠕变现象的作用可能引起接头脱落或松动，发生泄漏。因此，胀接适用于换热管为碳钢，管板为碳钢或低合金钢，设计压力不超过4MPa、设计温度不超过300℃，且操作中无剧烈震动，无过大的温度变化及无明显应力腐蚀的场合。
焊接连接
焊接连接是将换热管的端部与管板焊在一起，工艺较胀接简单，压力较低时可使用较薄的管板，不受管子和管板材料硬度的限制，且在高温高压下仍能保持良好的连接效果，所以对于碳钢或低合金钢，大都采用焊接连接，但是焊接连接在焊接接头处产生的热应力可能造成应力腐蚀开裂和疲劳破裂，同时管子、管板间存在间隙，易出现间隙腐蚀。因此焊接连接不适合于有较大的震动及有间隙腐蚀的场合。
胀焊结合
胀接和焊接各有优、缺点，因而目前广泛应用了胀焊结合的方法，该方法能提高连接处的疲劳性能，消除应力腐蚀和间隙腐蚀，提高使用寿命。胀焊结合连接适合于密封性能要求较高的场合；承受震动或疲劳载荷的场合；有间隙腐蚀的场合；采用复合管板的场合。
根据本次换热器设计的需求，本次设计课题选择焊接连接
四、折流板的固定方式
折流板具有以下两种固定方式：
1、拉杆--定距管固定方式，适用于换热管外径≥19mm的管束，拉杆是一根两端皆带有螺纹的长杆，一端拧入管板。折流板穿在拉杆上，各板之间则以套在拉杆上的定距管来保持板间距离。最后一块折流板可用螺母拧在拉杆上予以紧固。
2、拉杆点焊结构，适用于换热管外径≤14mm的管束，即采用螺纹与焊接相结合连接或全焊接连接的。
GB151规定：拉杆数量不少于四根，直径不小于10mm。应尽量分布在管束的外边缘，对于大直径换热管，在布管区或靠近折流板缺口处也应布置适当数量的拉杆。
根据所给图纸与已有计算可知，本次设计的换热器所选换热管束规格为 mm，所以折流板的固定方式为拉杆--定距管固定方式。
25
*
5.2
致谢
经过两个多月的设计，固定管板式换热器基本完毕。其功能基本符合使用需求，能够满足生产的要求。但是由于毕业设计时间较短，所以该设计课题还有许多不尽如人意的地方，希望有机会在以后的工作中改进。通过本次毕业设计，我学到了很多东西，无论在理论上还是在实践中，都让我受溢非浅。这对于我以后的工作和学习都是一种巨大的财富。同时我非常地感谢我的指导老师，老师认真负责的工作态度，严谨的治学精神和深厚的理论水平，在课题设计过程中给予了我不少的帮助。在我不知道如何写论文从何落手的时候给了我指点方向,在我感觉到自己知识有所贫乏的时候给了我细心的指导和技术上的支持。帮助解决了不少的难点，使得毕业设计能及时完成，使我本身的能力得到了不少的提高，在这感谢她们耐心的辅导。
参考文献：
1. 国家质量技术监督局．GB150-1998《钢制压力容器》．北京：中国标准出版社，1998
2. 国家质量技术监督局．GB151-1999《管壳式换热器》．北京：中国标准出版社，1999
3. 高等职业技术教育校本教材王灵果孙爱萍《化工设备与维修》
4. 高职院校建设规划教材王春林庞春虎《化工设备制造技术》
5. 高等院校“十一五”规划教材刘荣杰《化工设计》
6、化工设备全书秦叔经叶文邦《换热器》
7、普通高等院校“十一五”国家级规划教材黄英《化工设计》
固定管板式换热器的注意事项及工作原理 固定管板式换热器在运行中应注意事项有： (1)换热器在新安装或检修完之后必须进行试压后才能使用。 (2)换热器在开工时要先通冷流后通热流，在停工时要先停热流后停冷流。以防止不均匀的热胀冷缩引起泄漏或损坏。 (3)固定管板式换热器不允许单向受热，浮动式换热器管、壳两侧也不允许温差过大。 (4)启动过程中，排气阀应保持打开状态，以便排出全部空气，启动结束后应关闭。 (5)如果使用碳氢化合物，在装入碳氢化合物之前要用惰性气体驱除换热器中的空气，以免发生爆炸。 (6)停工吹扫时，引汽前必须放净冷凝水，并缓慢通气，防止水击。换热器一侧通气时，必须把另一侧的放空阀打开，以免弊压损坏，关闭换热器时，应打开排气阀及疏水阀，防止冷却形成真空损坏设备。 (7)空冷器使用时要注意部分流量均匀，确保冷却效果。 (8)经常注意监视防止泄漏。 固定管板式换热器的工作原理：
图1 [固定管板式换热器]为固定管板式换热器的构造。A流体从接管1流入壳体内，通过管间从接管2流出。B流体从接管3流入,通过管内从接管4流出。如果A流体的温度高于B流体,热量便通过管壁由A流体传递给B流体；反之，则通过管壁由B流体传递给A流体。壳体以内、管子和管箱以外的区域称为壳程，通过壳程的流体称为壳程流体 (A流体)。管子和管箱以内的区域称为管程,通过管程的流体称为管程流体(B流体)。管壳式换热器主要由管箱、管板、管子、壳体和折流板等构成。通常壳体为圆筒形;管子为直管或U形管。为提高换热器的传热效能，也可采用螺纹管、翅片管等。管子的布置有等边三角形、正方形、正方形斜转45°和同心圆形等多种形式，前3 种最为常见。按三角形布置时，在相同直径的壳体内可排列较多的管子，以增加传热面积，但管间难以用机械方法清洗，流体阻力也较大。管板和管子的总体称为管束。管子端部与管板的连接有焊接和胀接两种。在管束中横向设置一些折流板，引导壳程流体多次改变流动方向，有效地冲刷管子，以提高传热效能，同时对管子起支承作用。折流板的形状有弓形、圆形和矩形等。为减小壳程和管程流体的流通截面、加快流速，以提高传热效能，可在管箱和壳体内纵向设置分程隔板，将壳程分为2程和将管程分为2程、4程、6程和8程等。
固定管板式换热器的结构设计 摘要 换热器是化工、石油、动力、冶金、交通、国防等工业部门重要工艺设备之一，其正确的设置，性能的改善关系各部门有关工艺的合理性、经济性以及能源的有效利用与节约，对国民经济有着十分重要的影响。 换热器的型式繁多，不同的使用场合使用目的不同。其中常用结构为管壳式，因其结构简单、造价低廉、选材广泛、清洗方便、适应性强，在各工业部门应用最为广泛。 固定管板式换热器是管壳式换热器的一种典型结构，也是目前应用比较广泛的一种换热器。这类换热器具有结构简单、紧凑、可靠性高、适应性广的特点,并且生产成本低、选用的材料范围广、换热表面的清洗比较方便。固定管板式换热器能承受较高的操作压力和温度，因此在高温高压和大型换热器中，其占有绝对优势。 固定管板式换热器主要由壳体、换热管束、管板、前端管箱（又称顶盖或封头）和后端结构等部件组成。管束安装在壳体内，两端固定在管板上。管箱和后端结构分别与壳体两端的法兰用螺栓相连，检修或清洗时便于拆卸。换热器设计的优劣最终要看是否适用、经济、安全、运行灵活可靠、检修清理方便等等。一个传热效率高、紧凑、成本低、安全可靠的换热器的产生，要求在设计时精心考虑各种问题.准确的热力设计和计算，还要进行强度校核和符合要求的工艺制造水平。 关键词：换热器；固定管板式换热器；结构；设计
The Structural Design of Fixed Tube Plate Heat Exchanger Author : Chen Hui-juan Tutor : Li Hui Abstract Heat exchanger is one of the most important equipments which is used in the fields of chemical, oil, power, metallurgy, transportation, national defense industry. Its right setting and the improvements of performance play an important role in the rationality o technology, economy, energy utilization and saving, which has a very important impact on the national economy. The type of heat exchanger is various, the different use occasions and the purpose is are commonly used for the tube shell type structure, because of its simple structure, low cost and wide selection, easy to clean, strong adaptability, the most widely used in various industry departments. Fixed tube plate heat exchanger is a kind of typical structure of tube and shell heat exchanger, also is a kind of heat exchanger is applied more widely. This kind of heat exchanger has simple and compact structure, high reliability, the characteristics of wide adaptability, and the production of low cost, wide range of selection of materials, heat exchange surface cleaning more convenient. Fixed tube plate heat exchanger can operate under high pressure and temperature, therefore, the heat exchanger in high temperature and high pressure and large in its possession of absolute advantage. Fixed tube plate heat exchanger is mainly composed of shell, heat
固定板管式换热器 设 计 说 明 书 系别： 班级： 姓名： 学号：
一、 设计任务和设计条件 某炼油厂拟用原有在列管式换热器中回收柴油的热量。已知原油 流量为40000kg/h ，进口温度70℃，要求其出口温度不高于110℃；柴油流量为30000kg/h ，进口温度为175℃。设计一适当型号的换热器，已知物性数据： 二、 确定设计方案 ① 初选换热器的规格 当不计热损失时，换热器的热负荷为： Q=W )(12t t c pc C =40000/3600×2.2×103×(110-70)=9.8×105W 逆流过程如图所示： T 2125℃ T 1175℃ t 170℃ t 2110℃ 逆流平均温度差： m t = 8.5970 125110175ln ) 70125()110175( ℃ 初估 值 R= 25.170110125 175 P= 381.070 17570 110 初步决定采用单壳程，偶数管程的固定板管式换热器。经查表得校
正系数 =0.9＞0.8，可行。 ∴ 53.859.80.9 逆m m t t ℃ 初步估计传热系数K 估=200W/(㎡·℃), 则 A m 07.918 .53200108.9t 5 m 估估K Q ∴所设计换热器（固定板管式）的参数选择如下表： ② 计算（管、壳程的对流传热系数和压降）： a. 管程： 流通面积 220175.04 222 002.044m N N d S P T i i 柴油流速 s m S W u i i h i /666.00175.0715360030000 3600 Re 4 3 1049.11064.0715666.002.0 i i i i du 柴油被冷却，所以 ) /(701)133 .01064.01048.2(1490002.0133.0023.0Pr Re 023 .023.0338 .03 .0C m W d i i i i i ?
江汉大学 课题名称: 固定管板式换热器设计 系别: 化学与环境工程学院 专业: 过控１21班 学号: 1222091０４119 姓名: 库勇智 指导教师: 杨继军 时间: 2016年元月 课程设计任务书 设计题目:固定管板式换热器设计 一、设计目得: 1.实用国家最新压力容器标准、规范进行设计,掌握典型得过程装备 设计得全过程、 2.掌握查阅与综合分析文献资料得能力,进行设计方法与设计方案得 可行性研究与论证。 3.掌握软件强度设计计算,要求设计思路清晰,计算数据准确可靠,正 确掌握计算机操作与专业软件得实用。 4.掌握图纸得计算机绘图。 二、设计条件: 设计条件单
管口表 三、设计要求: 1。换热器机械设计计算及整体结构设计 2、绘制固定管板式换热器装配图(一张一号图纸) 3。管长与壳体内径之比在3-2０之间 四、主要参考文献 1.国家质量监督检验检疫总局,GＢ150—2０１1《压力容器》,中国标
准出版社,２011。 2。国家质量监督检验检疫总局,ＴSG R０00４-2009《固定式压力容器安全技术监察规程》,新华出版社,20０9、 3.国家质量监督检验检疫总局,GB151—1999《管壳式换热器》,中国标准出版社,19９９、 4、天津大学化工原理教研室,《化工原理》上册,姚玉英主编,天津科学技术出版社,2012、 5、郑津样,董其伍,桑芝富主编,《过程装备设计》,化学工业出版社,2010。 6。赵惠清,蔡纪宁主编,《化工制图》,化学工业出版社,２0０８。7.潘红良,郝俊文主编,《过程装备机械设计》,华东理工大学出版社,20０6、 ８。E.U、施林德尔主编,《换热器设计手册》第四卷,机械工业出版社,１98９。 前言 换热设备就是用于两种或两种以上流体间、一种流体一种固体间、固体粒子间或者热接触且具有不同温度得同一种流体间热量(或焓)传递得装置。 换热器就是化工、石油、动力、冶金、交通、国防等工业部门重要工艺设备之一,其正确得设置,性能得改善关系各部门有关工艺得合理性、经济性以及能源得有效利用与节约,对国民经济有着十分重要得影响。在炼油、化工装置中换热器占总设备数量得４0％左右,
固定管板式换热器的设计 学生：库勇智，化学与环境工程学院 指导教师：王小雨，江汉大学 摘要 换热器是用来在流体间交换热量的装置，在化学专业中具有非常重要的地位，被使用于化工各行业中。由于其中固定管板式换热器管板和壳体是一体构造，具有结构简单、造价十分便宜的优点，所以被普遍的使用。 这篇设计说明书上面着重说明了换热器的换热面积、各个设计压力和设计温度以及接管等数据参数。根据上面所给的数据和换热器类型来对换热器的各个零部件，即换热管根数，尺寸、排列方式，壳体和管箱、封头等等，最后校核、压力试验，根据工艺结构选出材料，最后作图。 本设计说明书的每一部分都是完全参照GB150-2011《压力容器》和GB151-2014《热交换器》中固定管板式换热器的有关标准来计算、校核和选型的。 关键词 管壳式换热器；固定管板式换热器；加热器
Abstract Heat exchanger is a device for exchanging heat between the fluids and in chemistry has a very important position, is used in the chemical industry. Because of the fixed tube plate heat exchanger tube plate and the shell is an integral structure, with has the advantages of simple structure, low cost advantages, so be widely use. The design specification above illustrates the change of the heat exchange area of the heat exchanger, each design pressure and temperature and over data parameters. According to the data given above and the heat exchanger type heat exchanger parts, i.e. the heat exchange tube number, size, arrangement, shell and tube box, head, and so on, finally checking, pressure test, selected according to process structure materials. Finally, drawing. The design specification is strictly according to GB150-2011< pressure container > and heat GB151-2014< exchanger is > fixed tube plate heat exchanger of the relevant provisions of the calculation, selection and checking. Key words Shell and tube heat exchanger ；fixed tube heat exchanger ；heater
一 列管换热器工艺设计 1、根据已知条件，确定换热管数目和管程数： 选用.5225?φ的换热管 则换热管数目：5.737019 .014.35.2110 A 0≈??== d l n p π根 故738=n 根 管程数：对于固定板式换热器，可选单管程或双管程，为成本计，本设计采用单管程。 2、管子排列方式的选择 （1）采用正三角形排列 （2）选择强度焊接,由表1.1查的管心距t=25mm 。 表1.1 常用管心距 管外径/mm 管心距/mm 各程相邻管的管心距/mm 19 25 38 25 32 44 32 40 52 38 48 60 （3）采用正三角形排列，当传热管数超过127根，即正六边形的个数a>6时，最外层六边形和壳体间的弓形部分空间较大，也应该配置传热管。不同的a 值时，可排的管数目见表1.2。具体排列方式如图1，管子总数为779根。 表1.2 排管数目 正六角形的数目a 正三角形排列 六角形对角线上的管数b 六角形内的管数 每个弓形部分的管数 第一列 第二列 第三列 弓形部分的管数 管子总数 1 3 7 7 2 5 19 19 3 7 37 37 4 9 61 61 5 11 91 91 6 13 12 7 127 7 15 169 3 1 8 187 8 17 217 4 24 241 9 19 271 5 30 10 21
301 11 23 397 7 42 439 12 25 469 8 48 517 13 27 547 9 2 66 613 14 29 631 10 5 90 721 15 31 721 11 6 102 823 16 33 817 12 7 114 931 17 35 919 13 8 126 1045 18 37 1027 14 9 138 1165 19 39 1411 15 12 162 1303 20 41 1261 16 13 4 198 1459 21 43 1387 17 14 7 228 1616 22 45 1519 18 15 8 246 1765 23 47 1657 19 16 9 264 1921 图1.1折流板的管孔及换热管及拉杆分布 3、壳程选择 壳程的选择：简单起见，采用单壳程。 4、壳体内径的确定 换热器壳体内径与传热管数目、管心距和传热管的排列方式有关。壳体的内径需要圆整成标准尺寸。以400mm为基数，以100mm为进级档，必要时可以50mm为进级档。 对于单管程换热器，壳体内径公式0 b t+ - D d = ~ )3 2( )1 (
浅谈换热器管板与换热管胀焊并用连接的制造工艺 GB151－1999标准中规定，强度胀接适用于设计压力≤4MPa、设计温度≤300℃、无剧烈振动、无过大温度变化及无应力腐蚀的场合；强度焊接适用于振动较小和无间隙腐蚀的场合；胀、焊并用适用于密封性能较高、承受振动或疲劳载荷、有间隙腐蚀、采用复合管板的场合。由此可见，单纯胀接或强度焊接的连接方式使用条件是有限制的。胀、焊并用结构由于能有效地阻尼管束振动对焊口的损伤，避免间隙腐蚀，并且有比单纯胀接或强度焊具有更高的强度和密封性，因而得到广泛采用。目前对常规的换热管通常采用“贴胀＋强度焊”的模式；而重要的或使用条件苛刻的换热器则要求采用“强度胀＋密封焊”的模式。胀、焊并用结构按胀接与焊接在工序中的先后次序可分为先胀后焊和先焊后胀两种。 1 先胀后焊 管子与管板胀接后，在管端应留有15mm长的未胀管腔，以避免胀接应力与焊接应力的迭加，减少焊接应力对胀接的影响，15mm的未胀管段与管板孔之间存在一个间隙。在焊接时，由于高温熔化金属的影响，间隙内气体被加热而急剧膨胀。据国外资料介绍，间隙腔内压力在焊接收口时可达到200～300MPa的超高压状态。间隙腔的高温高压气体在外泄时对强度胀的密封性能造成致命的损伤，且焊缝收口处亦将留下肉眼难以觉察的针孔。目前通常采用的机械胀接，由于对焊接裂纹、气孔等敏感性很强的润滑油渗透进入了这些间隙，焊接时产生缺陷的现象就更加严重。这些渗透进入间隙的油污很难清除干净，所以采用先胀后焊工艺，不宜采用机械胀的方式。由于贴胀是不耐压的，但可以消除管子与管板管孔的间隙，所以能有效的阻尼管束振动到管口的焊接部位。但是采用常规手工或机械控制的机械胀接无法达到均匀的贴胀要求，而采用由电脑控制胀接压力的液袋式胀管机胀接时可方便、均匀地实现贴胀要求。采用液袋式胀管机胀接时，为了使胀接结果达到理想效果，胀接前管子与管板孔的尺寸配合在设计制造上必须符合较为严格的要求。只有这样对于常规设计的“贴胀＋强度焊”可采用先胀后焊的方式，而对特殊设计的“强度胀＋强度焊”则可采用先贴胀，再强度焊，最后强度胀的方法。 2 先焊后胀 在制造过程中，一台换热器中有相当数量的换热管，其外径与管板管孔孔径之间存在着较大的间隙，且每根换热管其外径与管板管孔间隙沿轴向是不均匀的。当焊接完成后胀接时，管子中心线必须与管板管孔中心线相重合。当间隙很小时，上端15mm的未胀管段将可以减轻胀接变形对焊接的影响。当间隙较大时，由于管子的刚性较大，过大的胀接变形将越过15mm未胀区的缓冲而对焊接接头产生损伤，甚至造成焊口脱焊。所以对于先焊后胀工艺，控制管子与管板孔的精度及其配合为首要的问题。当管子与管板腔的间隙小到一定值后，胀接过程将不至于损伤到焊接接头的质量。有关资料显示，管口的焊接接头承受轴向力的能力是相当大的，即使是密封焊，焊接接头在做静态拉脱试验时，管子拉断了，焊口将不会拉脱。然而焊口承受切向剪力的能力相对较差，所以强度焊后，由于控制达不到要求，可能造成过胀失效或胀接对焊接接头的损伤。 3 合理的制造工艺 3.1 管子与管孔的公差控制 (1)换热管 在采购换热管时要求每台换热器所使用的换热管在冷拔加工时应采用同一坯料(炉批次)的原料，并在同一台经校验试验合格的拉管机上生产，这样才能保证每根换热管具有相同的材质、规格与精度。换热管外径的均匀一致能保证管子与管板管孔的间隙，内径的均匀一致能保证与液袋式胀管机胀头的匹配性，从而延长胀头的使用寿命。一般管子与管板管孔间隙要求控制在(0.3±0.05)mm范围内，而液袋式胀管机胀头外径与管子内径的公差也应控制在 (0.3±0.05)mm范围内。 (2)管板 为使换热器管板管孔与管子外径在同一公差范围内，首先必须根据到货换热管外径的实际精度尺寸决定管板管孔的加工精度，如上所述，管板管孔与已到货换热管实际均匀外径间隙仍应控制在(0.3土0.05)mm范围内。 3.2换热管与管板的加工及验收
换热器设计： 一：确定设计方案： 1、选择换热器的类型 两流体温度变化情况，热流体进口温度130°C，出口温度80°C；冷流体进口温度40°C，出口温度65°C。该换热器用自来水冷却柴油，油品压力0.9MP，考虑到流体温差较大以及壳程压强0.9MP，初步确定为浮头式的列管式换热器。2、流动空间及流速的确定 由于冷却水容易结垢，为便于清洗，应使水走管程，柴油走壳程。从热交换角度，柴油走壳程可以与空气进行热交换，增大传热强度。选用Φ25×2.5 mm 的10号碳钢管。 二、确定物性数据 定性温度:可取流体进口温度的平均值。 壳程柴油的定性温度为 T1=130°C，T2=80°C，t1=40°C，t2=65°C T=(130+80)/2=105(°C) 管程水的定性温度为 t=(40+65)/2=52.5(°C) 已知壳程和管程流体的有关物性数据 柴油105°C下的有关物性数据如下: ρ=840 kg/m3 密度 定压比热容C o=2.15 kJ/（kg·k） 导热系数λo=0.122 W/(m·k) 粘度μo=6.7×10-4N·s/m2 水52.5°C的有关物性数据如下： ρ=988 kg/m3 密度 i C=4.175 kJ/（kg·k） 定压比热容 i λ=0.65 W/(m·k) 导热系数 i
粘度 μi =4.9×10-4 N·s/m 2 三、计算总传热系数 1.热流量 m 0=95000(kg/h) Q 0= m 0C o Δt o =95000×2.15×(130-80)=10212500kJ/h=2836.8(kw) 2.平均传热温差 m t '?=(Δt 1-Δt 2 )/ln(Δt 1/Δt 2)=[(130-65)-(80-40)]/ln[(130-65)/(80-40)]=51.5(°C) 其中Δt 1=T 1-t 2，Δt 2=T 2-t 1。 3.水用量 W c =Q 0/(C i Δt i )=10212500/[4.175×(65-40)]=97844.3kg/h=27.18kg/s 平均温差 1 221t t T T R --= =406580 130--=2 1112t T t t P --= =40 1304065--=0.28 选择卧式冷凝器，冷凝在壳程，为一壳程四管程，查图可得t ??=0.88。 m t m t t '??=???=0.88×51.5=45.32°C 管子规格5.225?φ，L=3m 。 管束排列方式：正三角形排列。 一壳程四管程三角形管束排列方式285.2175.011==n K ，。 四、传热面积初值计算 取总传热系数K=335W/(m 2.°C) 18632 .45335108.28363 =??=?=m t K Q F m 2 一管子面积 3102031???==-ππL d F i =0.1884m 2 管子数 9871884 .01861=== F F N t 管子中心距 o d t 25.1==1.25×25=31.25mm ，取t=32mm
固定管板式换热器 一 换热管 1换热管外径 取换热管外径为25*2.5。 2换热管数量及长度 *(0.1)A n d L π=- A 换热面积 D 换热管外径 l 换热管长度 A=402m 取安全系数1.125，1*1.12546A A == 140*1.125 248*(0.1) 3.14*0.02*(30.1)A n d L π==≈-- n=248 L=3
3布管 （1）换热管排列方式 采用正三角形排列 （2）换热管中心距 查阅课本139页表5-3确定换热管中心距是32mm 。 二换热器壳体 1换热器内径计算 0*(1)(2~3)*D t b d =-+ t 管心距 d 0 换热管外径 D 壳体内径 17.32281b === 0*(1)(2~3)*D t b d =-+ t=32mm 32*(17.322811)2*25572.32992 D =-+= 取D=600mm
2筒体壁厚计算 水蒸气工作压力1.27Mpa ，脱盐水工作压力1.28Mpa 。 材料选16MnR 工作温度T=150/170℃ 查阅课本32页确定设计设计温度T W =170/190℃ 脱盐水走壳程，水蒸气走管程。 *2*[]*c i t c p D p δσφ=- δ 圆筒的计算壁厚 c p 圆筒的计算压力 []t σ 许用应力 φ 焊接接头系数 []t σ 156 查阅课本32页确定c p =1.28+0.18=1.46Mpa GB150规定焊接接头系数容器受压元件焊接接头的工艺特点以及无损检测的抽查率确定，查阅课本38页确定φ=0.85。 * 1.46*600 3.322*[]*2*156*0.86 1.46 c i t c p D mm p δσφ==≈-- d C δδ=+ 查阅课本40也确定C 2=1.5mm 。 查阅课本39页确定C 1=0.3mm C= C 1 + C 2=1.8mm 3.321 1.8 5.121d C mm δδ=+=+= 元整后6n mm δ= (3)布管限定圆 查阅GB15132*L i D D b =-
板式换热器选型与计算方法 板式换热器的选型与计算方法 板式换热器的计算方法 板式换热器的计算是一个比较复杂的过程，目前比较流行的方法是对数平均温差法和NTU法。在计算机没有普及的时候，各个厂家大多采用计算参数近似估算和流速-总传热系数曲线估算方法。目前，越来越多的厂家采用计算机计算，这样，板式换热器的工艺计算变得快捷、方便、准确。以下简要说明无相变时板式换热器的一般计算方法，该方法是以传热和压降准则关联式为基础的设计计算方法。 以下五个参数在板式换热器的选型计算中是必须的： 总传热量(单位:kW). 一次侧、二次侧的进出口温度 一次侧、二次侧的允许压力降 最高工作温度 最大工作压力 如果已知传热介质的流量，比热容以及进出口的温度差，总传热量即可计算得出。 温度 T1 = 热侧进口温度 T2 = 热侧出口温度 t1 = 冷侧进口温度 t2= 冷侧出口温度 热负荷 热流量衡算式反映两流体在换热过程中温度变化的相互关系，在换热器保温良好，无热损失的情况下，对于稳态传热过程，其热流量衡算关系为： （热流体放出的热流量）=（冷流体吸收的热流量）
在进行热衡算时，对有、无相变化的传热过程其表达式又有所区别。 （1）无相变化传热过程 式中 Q----冷流体吸收或热流体放出的热流量，W； mh,mc-----热、冷流体的质量流量，kg/s； Cph,Cpc------热、冷流体的比定压热容，kJ/(kg·K)； T1,t1 ------热、冷流体的进口温度，K； T2,t2------热、冷流体的出口温度，K。 （2）有相变化传热过程 两物流在换热过程中，其中一侧物流发生相变化，如蒸汽冷凝或液体沸腾，其热流量衡算式为： 一侧有相变化 两侧物流均发生相变化，如一侧冷凝另一侧沸腾的传热过程 式中 r,r1,r2--------物流相变热，J/kg； D,D1,D2--------相变物流量，kg/s。 对于过冷或过热物流发生相变时的热流量衡算，则应按以上方法分段进行加和计算。 对数平均温差(LMTD) 对数平均温差是换热器传热的动力，对数平均温差的大小直接关系到换热器传热难易程度.在某些特殊情况下无法计算对数平均温差,此时用算术平均温差代替对数平均温差，介质在逆流情况和在并流情况下的对数平均温差的计算方式是不同的。在一些特殊情况下，用算术平均温差代替对数平均温差。 逆流时： 并流时：
固定管板式换热器设计
目录 第一章绪论 (3) 1.1什么是管壳式换热器······································３ １．2管壳式换热器的分类········································３ 第二章总体结构设 计·············································４ 2.1固定管板式换热器结构 (4) 第三章机械设计 (4) ３．1工艺条件··················································４ 3.２设计计算 (4) （1）管子数 n···············································５ (２）换热管排列形式········································５（3）管间距的确定···········································５ (4)壳程选择···············································５ 3.3 筒体 (6) （1）换热器壳体内径的确定··································６ （2)换热器封头的选择 (6) 3．4 折流板 (6) （1）折流板切口高度的确定 (6) (2）确定折流板间距........................................６（３)折流板的排列方式.. (7) (4）折流板外径的选择······································７（5)折流板厚度的确定······································７ （６)折流板的管孔确定 (7) ３.5 拉杆、定距管 (7) （1）拉杆的直径和数量 (7) （２）拉杆的尺寸 (8) （３）拉杆的布置············································９ (4）定距管 (9) ３.6、防冲
换热器管板孔沟槽刀的简易设计 在换热器管束制造过程中，管板与换热管的连接方式主要有胀接、焊接、胀焊并用等方式。为了保证换热管与管板连接的密封性及抗拉脱强度，提高换热管与管板的胀接质量，通常采用在管孔上开槽的形式。原有管板挖槽依靠镗床利用手工摆动装有挖刀的芯轴来控制挖刀挖槽的深度，准确性差，造成槽的深度不一样，且挖槽后圆孔内壁出现很多毛剌难以消除，使管子胀接在管板的圆孔内后连接牢度低，密封性差。这种方式已不能完全满足批量管板沟槽的加工所以根据生产的实际需要我们设计了结构简单、经济耐用的沟槽刀具。 标签：换热管管板开槽沟槽刀简易设计 目前，管壳式热交换器（冷却器、加热器）广泛应用于石油、化工、轻工、制药能源等工业生产中。为了提高换热器的密封性能和增加拉脱力，越来越多的换热器采用了胀接（贴胀或强度胀）的密封形式，即在两端的管板孔内增加密封槽。其中对于薄管板（厚度小于25mm）一般开单槽，对于厚度大于25mm的一般设置两个沟槽，在一些有特殊要求的情况下有些设置三个沟槽。如图一。 其中δ为管板的厚度；K为槽的深度。 1 目前存在的问题 随着换热器的发展，换热器的换热面积及直径越来越大，一台管壳式换热器可能有几百根乃至上千根换热管，相应管板上就有成百上千个管孔。在每个管孔上加工两个沟槽，对机械加工带来很大的挑战。 1.1 用镗床加工如果采用在镗床上加工的方法，加工费用、加工精度以及进度都无法保证。 1.2 使用成型刀具加工如果采用外购的成型刀具，购买刀具的费用大巨大、且这种成型刀具不耐用，对中小型企业是一笔不小的开支。随着生产的换热器数量的增加，这种矛盾则更为突出。我们经过反复研究、试验、实践，设计了一款管板孔开沟槽刀具。该款刀具结构简单，并能保证沟槽的加工质量；操作过程简单，且价格低廉，适用于各种企业。目前我公司已成功用于批量生产。 2 设计原理 使用普通钻床，利用定位装置安装一活动刀头，运用钻床的上、下移动及转动来完成开槽工序。 该沟槽刀如图二所示，其组成分为刀头、刀杆、定心套、定位轴、调整螺栓、锥柄、刀体、限位螺栓、连接套等20个组件。其特点是，首先将刀杆与衬套及刀体三者利用定位轴固定为一体，工作时三者可同时转动；接着穿入定心套、轴
板式换热器的计算方法 板式换热器的计算是一个比较复杂的过程，目前比较流行的方法是对数平均温差法和NTU法。在计算机没有普及的时候，各个厂家大多采用计算参数近似估算和流速-总传热系数 曲线估算方法。目前，越来越多的厂家采用计算机计算，这样，板式换热器的工艺计算变得 快捷、方便、准确。以下简要说明无相变时板式换热器的一般计算方法，该方法是以传热和 压降准则关联式为基础的设计计算方法。 以下五个参数在板式换热器的选型计算中是必须的： 总传热量(单位:kW). 一次侧、二次侧的进出口温度 一次侧、二次侧的允许压力降 最高工作温度 最大工作压力 如果已知传热介质的流量，比热容以及进出口的温度差，总传热量即可计算得出。 温度 T1 = 热侧进口温度* A3 F7 y& G7 S+ Q T2 = 热侧出口温度3 s' _% s5 s. T" D0 q4 b t1 = 冷侧进口温度& L8 ~: |; B: t2 M2 w$ z t2= 冷侧出口温度 热负荷 热流量衡算式反映两流体在换热过程中温度变化的相互关系，在换热器保温良好，无热损失的情况下，对于稳态传热过程，其热流量衡算关系为：0 B N/ I" A+ m0 z' H9 ~ （热流体放出的热流量）=（冷流体吸收的热流量） 在进行热衡算时，对有、无相变化的传热过程其表达式又有所区别。 （1）无相变化传热过程 式中 Q----冷流体吸收或热流体放出的热流量，W；# Q/ p3 p: I4 ~0 N' I) W mh,mc-----热、冷流体的质量流量，kg/s；+ Z: I9 b- h9 h" r3 P) {/ ^ Cph,Cpc------热、冷流体的比定压热容，kJ/(kg·K)；6 L8 t6 b3 o& m/ n T1,t1 ------热、冷流体的进口温度，K； T2,t2------热、冷流体的出口温度，K。 （2）有相变化传热过程 两物流在换热过程中，其中一侧物流发生相变化，如蒸汽冷凝或液体沸腾，其热流量衡 算式为：& w3 v) j4 I4 R 一侧有相变化1 Y# e$ B6 c& z% C3 W- W* J 两侧物流均发生相变化，如一侧冷凝另一侧沸腾的传热过程 式中
固定管板式换热器的设计 第一章.设计方案概述和简介 一、概述 在不同温度的流体间传递热能的装置称为热交换器，简称为换热器。化工生产中换热器的使用十分普遍，由于物料的性质、要求各不相同，换热器的种类很多。了解各种换热器的特点，根据工艺要求正确选用适当类型的换热器是非常重要的。 按照热量交换的方法不同，分为间壁式换热器、直接接触式换热器、蓄热式换热器三种。化工生产中绝大多数情况下不允许冷、热两流体在传热过程中发生混合，所以，间壁式换热器的应用最广泛。在换热器中至少要有两种温度不同的流体，一种流体温度较高，放出热量：另一种流体温度较低，吸收热量。换热器在化工、石油、动力、制冷、食品等行业中都有广泛应用，且它们是上述这些行业的通用设备，并占有十分重要的地位 二、列管式换热器的分类 1、 U型管换热器 U型管换热器结构特点是只有一块管板，换热管为U型，管子的两端固定在同一块管板上，其管程至少为两程。管束可以自由伸缩，当壳体与U型环热管由温差时，不会产生温差应力。U型管式换热器的优点是结构简单，只有一块管板，密封面少，运行可靠；管束可以抽出，管间清洗方便。其缺点是管内清洗困难；由于管子需要一定的弯曲半径，故管板的利用率较低；管束最内程管间距大，壳程易短路；内程管子坏了不能更换，因而报废率较高。此外，其造价比管定管板式高10%左右。 2、固定管板式换热器 固定管板式换热器主要是由筒体、封头、管板、换热管、管箱、折流板及法兰等组成，管束两端固定在管板上，管板和筒体之间是刚性连接在一起，相互之间无相对移动，换热器结构简单、制造方便、造价较低；在相同直径的壳体内可排列较多的换热管，而且每根换热管都可单独进行更换和管内清洗；但管外壁清洗较困难。当两种流体的温差较大时，会在壳壁和管壁中产生温差应力，一般当温差大于50摄氏度时就应考虑在壳体上设置膨胀节以减小温差应力。但当管、壳温差大于70摄氏度时，壳程压力超过0.6Mpa时，导致膨胀节过厚失去温差补偿作用。因此，固定管板式换热器适用于壳程流体清洁，不易结垢，管程常用要清洗，冷热流体温差不太大的场合。
目 录 第1章 工艺概述 (1) 1.1装置概况 (1) 1.2工艺原理（催化裂化） (1) 1.3工艺流程说明（吸收稳定部分） (2) 第2章 工艺设计 (3) 2.1设计概述 (3) 2.2设计课题 (3) 2.3设计参数的确定 (4) 2.4初算换热器的传热面积0S (4) 2.4.1 换热器的热流量（忽略热损失） (4) 2.4.2 水蒸气的消耗量（忽略热损失） (4) 2.4.3平均传热温差 (5) 2.4.4计算传热面积 (5) 2.5主要工艺及结构基本参数的计算 (5) 2.5.1换热管选择 (5) 2.5.2计算壳体内直径i D (6) 2.5.3画出排管图 (6) 2.5.4计算实际传热面积0S 及过程的总传热系数0()K 选 (7) 2.5.5折流板直径c D 数量及有关尺寸的确定 (7) 2.5.6拉杆的直径和数量与定居管的选定 (7) 2.6换热器核算 (7)
2.6.1换热器内流体的压力降 (7) 2.6.2热流量核算 (8) 第3章结构设计 (10) 3.1折流挡板 (10) 3.2 法兰 (10) 3.3换热管 (11) 3.4支座 (11) 3.5压力容器选材原则 (11) 3.6垫片 (12) 第4章强度计算 (13) 4.1筒体壁厚计算 (13) 4.2流体进、出口接管直径 (13) 4.3其他结构尺寸 (14) 4.4支座反力 (14) 4.5筒体弯矩 (15) 4.5.1圆筒中间处截面上的弯矩 (15) 4.5.2支座处横截面间弯距 (16) 4.6系数计算 (16) 4.7筒体轴向应力 (16) 4.7.1轴向应力 (16) 4.7.2应力校核 (17) 4.8鞍座处圆筒周向应力 (18) 4.9鞍座应力 (18) 第5章设计结果汇总 (19) 参考文献 (20)
目录 1.换热器选型和工艺设计 (3) 1.1设计条件 (3) 1.2换热器选型 (3) 1.3工艺设计 (3) 1.3.1传热管根数的确定 (4) 1.3.2传热管排列和分程方法 (4) 1.3.3壳体径 (4) 2 换热器结构设计与强度校核 (4) 2.1 管板设计 (4) 2.1.1管板材料和选型 (5) 2.1.2管板结构尺寸 (5) 2.1.3管板质量计算 (6) 2.2法兰与垫片 (6) 2.2.1管箱法兰与管箱垫片 (7) 2.3 接管 (8) 2.3.1接管的外伸长度 (9) 2.3.2 接管位置设计 (9) 2.3.3 接管法兰 (10) 2.4管箱设计 (12) 2.4.1管箱结构形式选择 (12) 2.4.2管箱最小长度 (12) 2.5 换热管 (13) 2.5.1 布管限定圆 (13) 2.5.2 换热管与管板的连接 (13) 2.6 拉杆与定距管 (14) 2.6.1 拉杆的结构形式 (14) 2.6.2 拉杆的直径、数量及布置 (14) 2.6.3 定距管 (15)
2.7防冲板 (15) 2.7.1防冲板选型 (15) 2.7.2防冲板尺寸 (16) 2.8 折流板 (16) 2.8.1 折流板的型式和尺寸 (16) 2.8.2 折流板的布置 (17) 2.8.3 折流板重量计算 (17) 3.强度计算 (18) 3.1壳体和管箱厚度计算 (18) 3.1.1 壳体、管箱和换热管材料的选择 (18) 3.1.2 圆筒壳体厚度的计算 (18) 3.1.3 管箱厚度计算 (19) 3.2 开孔补强计算 (20) 3.2.1 壳体上开孔补强计算 (20) 3.3 水压试验 (20) 3.4支座 (21) 3.4.1支反力计算如下： (21) 3.4.2 鞍座的型号及尺寸 (22) 4焊接工艺设计 (23) 4.1.壳体与焊接 (23) 4.1 .1壳体焊接顺序 (23) 4.1.2 壳体的纵环焊缝 (24) 4.2 换热管与管板的焊接 (24) 4.2.1 焊接工艺 (24) 4.2.2 法兰与短节的焊接 (25) 4.2.3管板与壳体、封头的焊接 (26) 4.2.4接管与壳体焊接 (26) 总结 (28) 参考文献 (28)
软件批准号：CSBTS/TC40/SC5-D01-1999 DATA SHEET OF PROCESS EQUIPMENT DESIGN 工程名： PROJECT 设备位号： ITEM 设备名称： 021000 EQUIPMENT 图号： 00000000000001 DWG NO。 设计单位：神雕是的发放神雕爱疯阿斯蒂芬艾丝凡 DESIGNER
设计计算条件 壳程管程 设计压力p 4 MPa设计压力p t 1 MPa s 设计温度t 120 ?C设计温度t t70 ?C s 壳程圆筒外径Do 325 mm 管箱圆筒外径Do 325 mm 材料名称20(GB8163) 材料名称20(GB8163) 简图 计算内容 壳程圆筒校核计算 前端管箱圆筒校核计算 前端管箱封头(平盖)校核计算 后端管箱圆筒校核计算 后端管箱封头(平盖)校核计算 管箱法兰校核计算 开孔补强设计计算 管板校核计算
计算所依据的标准 GB 150.3-2011 计算条件 椭圆封头简图 计算压力 P c 1.00 MPa 设计温度 t 70.00 ? C 外径 D o 325.00 mm 曲面深度 h o 83.00 mm 材料 Q235-B (板材) 设计温度许用应力 [σ]t 114.12 MPa 试验温度许用应力 [σ] 116.00 MPa 钢板负偏差 C 1 0.30 mm 腐蚀裕量 C 2 1.00 mm 焊接接头系数 φ 1.00 压力试验时应力校核 压力试验类型 液压试验 试验压力值 P T = 1.25P c t ] [][σσ= 1.0000 (或由用户输入) MPa 压力试验允许通过的应力[σ]t [σ]T ≤ 0.90 σs = 211.50 MPa 试验压力下封头的应力 σT = φδδ.2))5.02(.(e e o T K KD p --= 24.45 MPa 校核条件 σT ≤ [σ]T 校核结果 合格 厚度及重量计算 形状系数 K = ??? ? ???????? ? ?--+2 o )(22261nh o h n h D δδ = 1.0406 计算厚度 δh = ()c t o c 5.02][2P K D KP -+φσ = 1.47 mm 有效厚度 δeh =δn - C 1- C 2= 6.70 mm 最小厚度 δmin = 3.00 mm 名义厚度 δnh = 8.00 mm 结论 满足最小厚度要求 重量 8.16 Kg 压 力 计 算 最大允许工作压力 [P w ]= ()e o e t 5.02][2δφδσ--K KD = 4.66810 MPa 结论 合格