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：
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、设计目的：
1.实用国家最新压力容器标准、规范进行设计，掌握典型的过程装
备设计的全过程。
2.掌握查阅和综合分析文献资料的能力，进行设计方法和设计方案
的可行性研究和论证。
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和专业软件的实用。
4.掌握图纸的计算机绘图。
二、设计条件：
设计条件单
名称管程壳程
物料名称循环水甲醇
工作压力0.45Mpa 0.05Mpa
操作温度40℃70℃
推荐钢材10，Q235-A，16MnR
换热面积60㎡
推荐管长Φ=25
32-39㎡40-75㎡76-135㎡
2m 2．5 3m
管口表
符号公称直径用途
a 200 冷却水金口
b 200 甲醇蒸汽进口
c 20 放气口
d 70 甲醇物料出口
e 20 排净物
f 200 冷却水出口
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的同一种流体间热量（或焓)传递的装置。
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。在炼油、化工装置中换热器占总设备数量的40%左右，占总投资的30%-45%。随着节能技术的发展，应用领域不断扩大，利用换
热器进行高温和低温热能回收带来了显着的经济效益。
在工业生产中，换热设备的主要作用是使热量由温度较高的流体传递给温度较低的流体，使流体温度达到工艺过程规定的指标，以满足工艺过程上的需要。此外，换热设备也是回收余热、废热特别是低品位热能的有效装置。
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。根据管壳式换热器的结构特点，可分为固定管板式、浮头式、U型管式、填料函式和釜式重沸器五类。
固定管板式换热器
固定管板式换热器结构简单，制造成本低，管程清洗方便，管程可以分成多程，壳程也可以分成双程，规格范围广，故在工程上广泛应用。壳程清洗困难，对于较脏或有腐蚀性的介质不宜采用。当膨胀之差较大时，可在壳体上设置膨胀节，以减少因管、壳程温差而产生的热应力。
固定管板式换热器的特点是：
1、旁路渗流较小；
2、锻件使用较少，造价低；
3、无内漏；
4、传热面积比浮头式换热器大20%～30%。
固定管板式换热器的缺点是：
1、壳体和管壁的温差较大，壳体和管子壁温差t≤50℃,当t≥50℃时必须在壳体上设置膨胀节；
2、易产生温差力，管板与管头之间易产生温差应力而损坏；
3、壳程无法机械清洗；
4、管子腐蚀后连同壳体报废，设备寿命较低。
固定管板式换热器的机械设计除了最关键的换热板片以外，还有两块墙板，我们称为框架板和压力板，框架板为外侧不可活动的墙板，压力板为换热板片另一侧的可用拉杆螺栓调整位置的墙板；数根拉杆螺栓，用来加紧框架板和压力板；立柱；上下导杆，连接在框架板和立柱之间，用来支撑并给压力板和换热。半片导向；框架板和立柱上可安装底脚底脚，用于固定机器。除此以外，还可以有法兰，过滤器，温度计和压力计等一系列附件。
固定管板式换热器管束连接在管板上，管板与壳体焊接。其优点是结构简单紧凑，能承受较高的压力，造价低，管程清洗方便，管子损坏时易于堵管或更换；缺点是当管束与壳体的壁温或材料的线膨
胀系数相差较大时，壳体与管束中将产生较大的热应力。这种换热器适用于壳侧介质清洁且不易结垢并能进行清洗，管、壳程两侧温差不大或温差较大但壳侧压力不高的场合。
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，强度和工艺条件。
目录
一、设计计算
1.工艺条件 (11)
2.计算
（1）管子数 n (11)
（2）管间距的确定 (12)
（3）换热器壳体直径的确定 (12)
（4）换热器壳体壁厚的计算 (12)
（5）换热器封头选择 (13)
（6）容器法兰选择 (13)
（7）管板尺寸的确定 (14)
（8）管箱 (14)
（9）折流板设计 (14)
（10）支座 (15)
（11）开孔补强 (15)
（12）管子脱拉力计算 (16)
（13）是否安装膨胀节 (17)
（14）接管、法兰 (18)
（15）连接紧固件 (20)
（16）防冲板 (20)
（17）水压试验 (20)
二、结构连接 (21)
1.换热管与管板的连接 (21)
2.管板与壳体，管箱的连接 (21)
3.管法兰与接管的连接 (22)
三、设备总装 (23)
四、个人总结 (26)
一、设计计算
1、工艺条件 名称
管程 壳程 物料名称
循环水 甲醇 工作压力
0.45MPa 0.05MPa 操作温度
40 ℃ 70 ℃ 推荐钢材
10, Q235 - A , 16MnR 换热面积
60 m 2 管长
2.5m 管径
φ=25mm*2.5mm 2、计算
(1)管子数n
选
的无缝钢管，材质20号钢，管长3m 。
因为
所根均3065.2025.014.360L d =??==πF n 采用正三角形排列，正三角形排列比较紧凑，在一定的壳径内可排列较多的管子，且传热效果好，但管外清洗较为困难。而正方形排列，管外清洗方便，适用于壳程中的流体易结垢的情况，其传热效果较正三角形差些。以上排列方式中最常用的是正三角形错列，用于壳
侧流体清洁，不易结垢，后者壳侧污垢可以用化学处理掉的场合。由《化工原理》上册附录28查得中心排管为23，换热器内管子总根数为467，取拉杆数为10，所以实际管数457根
管程分程，管程数取1层
(2)管间距的确定
由于换热管外径为25mm ，《化工原理》上册附录28得管间距
。
(3)换热器壳体直径的确定
式中 ——换热器内径，mm ； c n ——正六角形对角线上的管子数，中心排管数23=c n o d ——最外层管子的中心到壳壁边缘的距离，取mm 。
故 754252)123(32=?+-?=mm D i mm
圆整后取壳体内径mm D i 800=
(4)换热器壳体壁厚的计算
材料选用Q345R ，计算壁厚
式中 ——计算压力，取；MPa P P
w c 5.01.1== 故mm 32.145.01.18.0189280045.01.1=?-????=
δ 因为，所以取。
查HG/T20580-20581-2011《化工设备手册》腐蚀裕量mm C 22=，
对Q345R 钢板负偏差mm C 3.01=。
圆整后取mm n 6=δ。
(5)换热器封头选择
左右封头均选用标准椭圆形封头，根据JB/T 4746-2002标准，封头为mm mm DN 6800?=，曲面高度mm h 2001=,直边高度mm h 252=，材料选用Q345R 。
(6)容器法兰的选择
材料选用20号钢。根据JB/T 4701-2000标准，选用DN800
，
的平封面甲型平焊法兰。DN=800mm ；D=930mm ；；mm D 8901=；mm D 8453=；mm 40=δ
(7)管板尺寸的确定
选用固定式换热器管板型，并兼作法兰，材料选用16Mn 锻件。直径
D=930mm ，厚度方法选用强度胀接。，管板与筒体间的连接mm 40=δ管板
尺寸查GB151-1999，则管板管孔直径为25.25mm 。
图2-2容器法兰
图2-1 换热器封头
(8)管箱
公称直径DN=800mm 厚度为=δ6mm 由于壳层为甲醇，较清洁，可选结构为封头管箱，管箱筒节长l=400mm 。
(9)折流板设计 折流板选用弓形，高度；mm D h i 6004
3==
折流板间距取500mm;查GB151-1999《管壳式换热器》5.9表34得折流板最小厚度为6mm ，折流板外径为DN-4.5即795.5mm ，查5.9表39管孔直径为25.8mm ，材料为Q235-A 钢。
拉杆查GB151-1999《管壳式换热器》表43和44选用直径
；
mm 12=φ，数量8根，材料为Q235-A 钢。 (10)支座
采用双鞍座，根据JB/T 4712-2007，鞍座DN BI800-S ，选用120度包角， L=2500mm ，LB=0.6L=1500mm
A=0.2L=500mm 。
鞍座材料选用Q235-A ，垫板材料选用16MnR 。
查JB/T4712.1-2007,鞍座的各部分尺寸为:
鞍式支座的结构参数（JB/T4712.1-2007） 公称
直径
/
DN 鞍座高度底板 腹板 筋板 垫板 螺栓间距
h L3 b3 δ3 弧长
800 200
72
0 150 10 10 400 120 10 940 260 6 65 530
(11)开孔补强
根据GB151-1999《管壳式换热器》换热器壳体和封头上的接管处开孔需要补强，常用的结构是在开孔外面焊上一块与容器壁材料和厚度都相同，即6mm 厚的16MnR 钢板。其补强结构如图所示。
接管
补强圈
壳体
（12）管子拉脱力计算
计算数据按表1选取。
表1
项目 管子 壳体
操作压力/MPa 0.45 0.05 材质 20钢 16MnR
线膨胀系数/(1/℃)
图2-3开孔补强结构
弹性模量/MPa
许用应力/ MPa 130 189
尺寸/mm ；mm 25005.225??φ ；mm DN 6800?
管子根数 457
管间距/mm 32
管壳壁温差/℃
管子与管板的连接方式 强度胀接
胀接长度/mm
在操作压力下，管子每平方米胀接周边上所受到的力
其中 ，
温差应力导致管子每平方米胀接周边上所受到的力
其中
由上述计算有
由于管子和管板的连接采用强度胀接，管子的许用拉脱力远小于0.5倍材料的许用应力。因此，拉脱力在许用范围内。
（13） 计算是否安装膨胀节 管、壳壁温差所产生的轴向力： 压力作用于壳上的轴向力：
其中
；)](45.02045005.0)25450800[(4
14.3222N ??+??-= =77665.9（N ）
则；)(1012.0)(8.1253525
.7948108.1529808.152989.7766562N N F ?==+?= 压力作用于管子上的轴向力： 则；MPa As F F s 67.6621=+=σ
根据GB 151-1999《管壳式换热器》的设计规定，在考虑热应力的情况下管子和壳体上的应力均小于3倍的许用应力，实际所求的应力均较小，满足设计要求，故本换热器不必安装膨胀节。
(14)接管、法兰
壳层接管在入口处加以扩大，做成喇叭形，起缓冲效果，或者在换热器进口处设置挡板。接管材料选用20号钢。
根据设计条件管口公称直径，查HG/T20592《钢制管法兰》选用对劲平焊法兰，公称压力为0.6MPa 。材料为20号钢。
对于DN200选取7219?φmm 接管,对于DN70选取489?φmm 接管, 对于DN20选取225?φmm 接管。
接管高度 公称直径/mm
DN 200 DN80 DN20 接管高度/mm 200 150 150
根据化工设备机械基础,由于换热器的压力不高，而且流体无毒，所以选用对颈平焊法兰，材料选用20号钢，密封面型式选用突面密封，其公称直径分别为：
对颈平焊钢制管法兰（摘自HG/T 20593-2009） 公称 直径管子
直径 连 接 尺 寸 法兰 厚度 法兰
法兰螺栓中螺栓螺栓孔螺纹
DN 外径D 心圆直
径K 孔直径L 数量n h T C 内径
B 1
PN0.6MPa 20 25 90 65 11 4 M10 14 26 80
89 190 150 18 4 M16 18 91 200 219 320 280 18 8 M16 22 222
（15）连接紧固件
因为介质仅为水和甲醇，因此密封性要求一般，因为选择垫片采用价格相对较低的石棉橡胶板，螺母螺栓选用Q235-A 。
垫片尺寸D=844，d=804。
石棉橡胶板
（16） 防冲板
本课程设计的壳程流体为甲醇蒸汽，其)./(223022s m kg <ρυ，故不需防冲板。
（17）.水压试验
水压试验压力 MPa p p C T 069.025.1==
所选材料的屈服应力 MPa s 345=σ
水压试验应力校核 MPa S S D p e e i T T 5.77
.32)7.3800(069.02)(=?+=+=σ 所以φσσs T 9.0<，水压试验满足强度要求。
二、结构连接
1．换热管与管板的连接
选用强度焊接连接。
制造加工方便，保证换热管与管板连接的密封性和抗拉脱强度的焊接，目前采用较广泛。
查GB151，，可知其相接各部分的尺寸如下：
换热管外伸长度
换热管规格
ф25×2.5
外径×壁厚
换热管最小伸出长度/
l
1
K/mm 0.5
2.管板与壳体及管箱的连接
管板与壳体及管箱的连接
3.管法兰与接管连接
管法兰与接管采用内外焊接
管法兰与接管焊接
三、设备总装
1. 换热管
直管一律采用整根管子而不允许有接缝。管子应该进行校直，管子两端须用磨管机清除氧化皮、铁锈、及污垢等杂质直至露出金属光泽。除锈长度不小于两倍管板厚度。当管子与管板的连接采用胀接工艺时，管端硬度应低于管板硬度。同一根换热管的对接焊缝，直管不得超过一条；包括至少50mm直管段范围内不得有拼接焊缝。管端破口应采用机械方法加工，焊前应清洗干净。
换热管组装要求两管板相互平行，允许误差不得大于1mm，两管板间长度误差为±2mm；管子与管板应垂直；拉感应牢靠固定；定距管两端面要整齐；穿管时管子头不能用铁器直接敲打。
2. 筒体
换热器筒体的圆度要求较高，必须保证壳体与折流板之间有合适的间隙。如太大就要影响换热效果，太小就要增加装配的难度。切割好的钢板应根据钢板厚度、操作压力高低选定破口形式进行边缘加工。用钢板卷制时，内直径允许偏差可通过外圆周长加以控制，其外周长允许上偏差10mm；下偏差为0。
3 . 封头和管箱
封头和管箱的厚度一般不小于壳体的厚度。分程隔板两侧全长均应焊接，并应具有全焊透的焊缝。由于焊接应力较大，故管箱和封头法兰等焊接后，须进行消除应力的热处理，最后进行机械加工。
4. 折流板
由于折流板很薄，钻孔时钻头的推力使管板中心变形，故可将下料或圆整的折流板去掉毛刺并校平，重叠、压紧后沿周边点焊、然后一起钻孔。
为了保证顺利穿管，必须是折流板的管孔与管板中心在同一直线上，可以将管板当作钻模放在折流板上，压紧后进行引孔，即以管板危机出现在折流板上钻出和管板孔距一致的定位孔，然后取下管板，将折流板压紧，并换上合适的钻头。
5.管板
管板由低合金钢锻件16MnR制成，加工前表面不平度不得大于2mm，如超过此值，应先进行校平，然后进行加工。
拼接管板的对接接头应进行100%射线或超声检测，按JB4730-94进行表面检测，检测结果不低于Ⅲ级，或超声检测中的Ⅰ级为合格。
换热管与管板的连接：二者采用焊接的形式连接，连接部位的换热管和管板孔表面，应清理干净，不得有毛刺、铁屑、锈斑、油污等。焊渣及凸出于换热器内壁的焊瘤均应清除。
管板与换热管焊接时，管孔表面粗糙度Ra值≤25μm。
6. 换热器安装
1.安装位置：根据该换热器的结构形式，在换热器的两端留有足够的空间来满足拆装、维修的需要。
2.基础：必须使换热器不发生下沉。在活动支座的一端应予埋滑板。
3.地脚螺栓和垫铁
（1）活动支座的地脚螺栓应装有两个紧锁的螺母，螺母与底板间应留有1～3mm的间隙。
（2）地脚螺栓两侧均有垫铁。设备找平后，斜垫铁，可与设备支座底板焊牢，但不得与下面的平垫铁或滑板焊死。
（3）垫铁的安装不应妨碍换热器的热膨胀。
四、个人总结
为期两个星期的课程设计就要结束，这次设计的是固定管板式换热器的机械设计。虽然为期不长，但收获颇多。
首先，这次课程设计是我们接触的一个专业课程设计，所要用到的知识很多，包括机械设计基础、化工制图、化工原理、过程装备设计和换热器原理与设计等方面的知识。这些知识不是机械的相加，而是需要全面的考虑和整体布局，不止一次因为考虑不全而要重新来过，有时会不耐烦，可想想不耐烦对我没有任何益处，便及时的调整过来。这次设计巩固我以前所学习的知识，让我专业知识有了更深的认识和理解。
其次，这次课程设计还培养了我细心认真的做事态度，以及严谨的工作态度、平和的心态。这次设计工作量大，用到的知识多，需要查的资料有很多，在查标准的过程中，会有很多细节的问题，很繁琐，只有静下心来，有条理，有顺序的进行，才不会出错。有时为了一个数据查找了好几本书，还是找不到结果的时候，是挺纳闷的，很容易让人想放弃。但有目标在，逼自己一下，继续寻找，努力终会结果，这结果就是对努力的奖励，感觉自己又离成功更近了一步。
特别想说的是，第一次做好交给老师，因为没有用心，基本的问题都没搞清楚，得到了老师的细心指导和教育，受益匪浅，所以说，做任何事情都要全力以赴，坚持到底，付出总会有回报。此外，在CAD画图的过程中，也遇到很多问题，包括图纸的美观，图形的清晰分明，字体的大小，画图的规范等等，这些细节都在不断的失败和摸索中得到学习，画图的技巧也得到提高。对很多设计规范都有了初步的认识。
因此，特别感谢这次学习的机会，让我们把所学的知识得以运用，不仅在专业上有所提高，在处理问题，面对问题上，都有了很大提高，在心态上面也变得平和冷静。同时，让我明白什么是严谨的科学态度，怎样才可以做好设计的工作，也感谢老师对我们的帮助和指导。
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、防冲板··9 3.7、接管··9 （1）接管的公称直径··9 （2）接管的壁厚确定··9 （3）接管高度的确定··9 3.8 法兰··10 （1）容器法兰的选用··10 （2）接管法兰··10 3.9 垫片的选用··11 3.10 管板的设计与计算··11 3.11 支座··12 3.12 圆筒节的设计··13 第四章列管式换热器机械结构设计··13 4.1 传热管与管板的连接··14 4.2 管板与壳体及管箱的连接··14 4.3 管法兰与接管连接··14
第五章强度计算··15 5.1 换热器壳体壁厚的计算··15 5.2 管箱短节··16 第六章安装制造··16 6.1 换热器制造··16 6.2 换热器安装··17 参考文献··18 心得体会··18
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。
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、设计目的： 1.实用国家最新压力容器标准、规范进行设计，掌握典型的过程装 备设计的全过程。 2.掌握查阅和综合分析文献资料的能力，进行设计方法和设计方案 的可行性研究和论证。 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和专业软件的实用。 4.掌握图纸的计算机绘图。 二、设计条件： 设计条件单 名称管程壳程 物料名称循环水甲醇 工作压力0.45Mpa 0.05Mpa 操作温度40℃70℃ 推荐钢材10，Q235-A，16MnR 换热面积60㎡ 推荐管长Φ=25 32-39㎡40-75㎡76-135㎡ 2m 2．5 3m
管口表 符号公称直径用途 a 200 冷却水金口 b 200 甲醇蒸汽进口 c 20 放气口 d 70 甲醇物料出口 e 20 排净物 f 200 冷却水出口 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，
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 (
化工原理课程设计（论文） 煤油冷却器的设计 学院 专业 年级 学号 学生姓名 指导教师 2011年 11月
目录 一．任务书 (4) 1.1题目 1.2任务及操作条件 1.3列管式换热器的选择及设计要求 二．概述 (5) 2.1换热器概述 2.2固定管板式换热器 2.3设计背景及设计要求 三．物料数据的确定 (10) 3.1试算并初选换热器规格 3.2计算总传热系数 3.3计算传热面积 四．工艺结构尺寸 (13) 4.1.管径和管内流速 4.2.管程数和传热管数 4.3传热管排列和分程方法 4.4壳体内径 4.5折流板 4.6接管 4.7拉杆和定距管 4.8管板厚度
4.9封头 4.10缓冲挡板 4.11放气孔、排液孔 4.12膨胀节 4.13胀接 4.14密封垫圈 五．换热器核算 (20) 5.1壳程对流传热系数 5.2管程对流系数 5.3传热系数K 5.4传热面积 5.5计算压强降 六．工艺计算结果汇总表 (25) 七．后记 (26) 参考文献 (27)
煤油冷却器的设计 一．化工原理课程设计任务书 1.1设计题目：煤油冷却器的设计 1.2设计任务及操作条件 1.处理能力 19.6*104 吨/年煤油 2.设备型式列管式换热器 3.操作条件 a 煤油：入口温度145℃，出口温度 35℃ b 冷却介质：自来水，入口温度 30℃，出口温度 40℃ c 允许压强降：不大于105 pa d 煤油定性温度下的物性数据：密度为825kg/m3 ，粘度为7.15*10-4 pa*s，比热容为2.22kJ/（kg *℃），导热系数为0.14w/（m*℃） e 每年按330天计，每天24小时连续运行 1.3换热器的选择及设计要求 列管式换热器的形式主要依据换热器管程与壳程流体的温度差来确定。由于两流体的温差大于50 C，故选用带补偿圈的固定管板式换热器。这类换热器结构简单、价格低廉，但管外清洗困难，宜处理壳方流体较清洁及不易结垢的物料。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。
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：
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
中南大学 化工原理课程设计 2010年01月22日 题目设计说明书指导老师夏柳荫 学生姓名徐春波学院化学化工学院学生学号1503070127 专业班级制药0701班
目录 一、设计题目及原始数据（任务书） (3) 二、设计要求 (3) 三、列环式换热器形式及特点的简述 (3) 四、论述列管式换热器形式的选择及流体流动空间的选择 (8) 五、换热过程中的有关计算（热负荷、壳层数、总传热系数、传热 面积、压强降等等） (10) ①物性数据的确定 (14) ②总传热系数的计算 (14) ③传热面积的计算 (16) ④工艺结构尺寸的计算 (16) ⑤换热器的核算 (18) 六、设计结果概要表（主要设备尺寸、衡算结果等等） (22) 七、主体设备计算及其说明 (22) 八、主体设备装置图的绘制 (33) 九、课程设计的收获及感想 (33) 十、附表及设计过程中主要符号说明 (37) 十一、参考文献 (40)
一、设计题目及原始数据（任务书） 1、生产能力：17×104吨/年煤油 2、设备形式：列管式换热器 3、设计条件： 煤油：入口温度140o C，出口温度40 o C 冷却介质：自来水，入口温度30o C，出口温度40 o C 允许压强降：不大于105Pa 每年按330天计，每天24小时连续运行 二、设计要求 1、选择适宜的列管式换热器并进行核算 2、要进行工艺计算 3、要进行主体设备的设计（主要设备尺寸、横算结果等） 4、编写设计任务书 5、进行设备结构图的绘制（用420*594图纸绘制装置图一张：一主视图，一俯视图。一剖面图，两个局部放大图。设备技术要求、主要参数、接管表、部件明细表、标题栏。） 三、列环式换热器形式及特点的简述 换热器概述 换热器是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，以实现不同温度流体间的热能传递，又称热交换器。换热器是实现化工生产过程中热量交换和传递不可缺少的设备。
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。
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、设计目的： 1.实用国家最新压力容器标准、规范进行设计，掌握典型的过程装 备设计的全过程。 2.掌握查阅和综合分析文献资料的能力，进行设计方法和设计方案 的可行性研究和论证。 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和专业软件的实用。 4.掌握图纸的计算机绘图。 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.
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
化学工程基础课程设计 设计题目：管壳式换热器（固定管板式）学生姓名：X X X 专业班级：1001 学号：1115020126 指导教师： 西安科技大学化学与化工学院 2013年1月14日
管壳式换热器设计任务书 一、设计目的 培养学生综合运用本门课程及有关选修课程基础理论和基本知识去完成换热单元操作设备设计任务的实践能力 二、设计目标 设计的设备必须在技术上是可行的，经济上是合理的，操作上是安全的，环境上是友好的 三、设计题目 管壳式换热器设计——固定管板式 四、设计任务及操作条件 1. 设计任务 设备型式：管壳式换热器 ——固定管板式 处理任务：物 料：原油 处理量 4900kg/h 2. 操作条件 （1）热流体(原油)：入口温度140℃; 出口温度40℃ （2）冷却介质：水（入口30℃，出口40℃） （3）允许压降：不大于0.1MPa （4）物性数据 原油定性温度下的物性数据 ( ) () C m W C kg kJ c s Pa m kg o o o po o o ?=?=??==-/128.0/2.2100.3/81533λμρ导热系数定压比热容粘度密度 水的定性温度35℃下的物性数据： ) (10725.0)/(626.0) /(08.4) /(99433s Pa k m w k Kg KJ C m Kg p ??=?=?==-μλρ
目录 一、设计概述 (2) 1、换热器的简单介绍 (2) 2、设计的目的及意义 (3) 二、方案设计 (4) 1、工艺设计计算 (4) 1.1确定设计方案 (4) 1.2确定物性数据 (4) 1.3计算总传热系数 (5) 1.4计算传热面积 (6) 2、换热器设备结构设计计算 (6) 2.1管径和管内流速 (6) 2.2管程数和传热管数 (6) 2.3传热管排列和分程方法 (7) 2.4壳体内经 (7) 3、换热器的核算 (8) 3.1面积核算 (8) 3.2换热器内流体的流动阻力核算 (10) 三、设计结果一览表 (12) 四、参考文献 (13) 五、主要符号说明 (14) 六、设计感想 (15)
基于ANS YS的固定管板式 换热器的热应力分析及评定 陈满儒,孙文迪 (陕西科技大学设计与艺术学院,陕西西安 710021) 摘要:应用ANS YS有限元分析软件对固定管板式换热器进行热应力分析及评定。由应力强度云图可知最大应力强度发生在管板锻件的管程侧过渡圆角处。设定3条应力评定路径,进行线性化处理,在内压与热载荷作用下,对各路径上的一次加二次应力进行评定,得到应力评定结果。关键词:ANS YS;换热器;应力分析;应力评定 中图分类号:TH222 文献标识码:A 文章编号:1672-1616(2011)05-0040-03 换热器是石油、化工、冶金、电力、轻工、食品等行业普遍应用的一种换热工艺设备[1]。换热器设计的好坏直接影响其工艺过程,为了有效地利用能源,对换热器性能进行分析和研究是非常有意义的。 固定管板式换热器是由管箱、壳体、管板、管子等零部件组成的。管板与壳体通过焊接固定在一起,而管板与管子要通过胀接、焊接或胀焊结合连接在一起。由于管内流体与壳程流体存在温差,因此换热器中必定存在温差应力,这种温差应力将与管壳程流体压力造成的机械应力叠加。当应力较高时则会在换热器的不同部位造成不同形式的失效,如壳体强度或稳定性破坏、管子的强度或稳定性破坏、管子与管板之间拉脱、管板与壳体连接部位的破坏、管板强度破坏等,当温差应力太大时还应考虑使用膨胀节[2]。因此,换热器应力分析应包括不同危险工况并对不同部位进行分析与评定,才能保证其安全可靠的运行。 1 固定管板式换热器参数及热应力分析模型 1.1 工作条件及结构参数 某固定管板式换热器结构示意图如图1所示,管板为带凸肩的整锻件,凸肩高度为35mm,壳程侧凸肩计算壁厚为17mm,管程侧凸肩计算壁厚为18mm,凸肩与管板连接处锻造圆角半径为15m m,管板外直径为840mm,管板计算厚度为100mm。壳程金属设计温度下的设计应力强度S m= 183M Pa,管程金属设计温度下的设计应力强度S m=118MPa,壳程设计压力为0.58MPa,管程设计压力为2.00MPa,壳程操作温度为140.5℃,管程操作温度为250.0℃,空气环境温度设为20.0 ℃。 图1 固定管板式换热器结构简图 1.2 热应力分析模型 建立如图2所示的热应力分析模型,其中与管板锻件连接的壳程筒体及管程筒体的长度足够长,远大于2.5倍的边缘应力衰减长度,一般而言,当不必考虑两侧管板轴向差异时,才可利用轴向对称性建模,而壳程分析长度应为壳程总长度的一半。由于主要讨论管板及其与两端筒体连接区的应力分布规律,因而忽略开孔接管、管箱封头及支座等。考虑到结构和载荷的对称性,沿换热器的纵向对称面切开取其1/4作为分析模型体。结构纵向对称面约束了法向位移,壳程筒体横截面约束了轴向位移,管箱筒体端面施加相应的轴向平衡力。 收稿日期:2011-01-08 作者介绍:陈满儒(1957-),男,陕西西安人,陕西科技大学教授,硕士,主要研究方向为包装工程。 402011年3月 中国制造业信息化 第40卷 第5期