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1、摘要本设计为固定管板式换热器,主要有外壳、管板、封头等部件组成。其特点是造价低，无内漏旁路渗流较小，处理能力大，选用的材料范围广。本设计采用单壳程，双管程。管程工作压力为1.6MPa，工作温度30，介质为水。壳程工作压力2MPa，工作温度138，介质为煤油。换热器作为流体间传热设备，在工业生产中有很高的比重。所以，在换热器的开发与研究上，不仅需要满足各种工艺条件，而且对综合应用能力也有很高得要求。设计时应该加大效率，减少成本，使经济效益也优先考虑。着重探究结构参数，换热性能等方面带来的影响。从查阅资料文献,确定参数和工艺设计计算；然后进行设计及相关图纸的绘制,到最后论文成稿，画出装配图和零件图
2、。固定管板式换热器的设计包括：管子的规格和排列方式、圆筒、封头、管板的材料选择及厚度设计，拆流板、防冲板的选择等。首先是选择管子，以查看介质来确定是否需要清洗为原则。管子在管板上的排列方式选择为正三角形排列。因为此时管板的强度高、流体短路机会少，还可以排列更多的管子。壳体厚度计算式是由圆筒薄膜应力准则推导出的。其最小壁厚应不小于封头内径的0.15%。管板作为管壳式换热器最重要的部件之一，在选材时除力学性能外，还应考虑流体的腐蚀性的影响。在计算时，要在满足材料的强度要求的下，尽量减少管板的厚度。拆流板选择为圆缺型挡板，切去的高度一般是外壳内径的20%25%。换热器类型的选择取决于怎样的生产工艺和
3、生产规模的大小,耗能低,传热效率高。维护换热器意义在提高技术方面具有十分重要的意义。换热器的合理设计可以使工业更为完善,性能得改善也与现有能源合理化的利用的密不可分。关键词： 换热器； 管板； 壳程； 管程； 挡板AbstractThe design of fixed tube plate heat exchanger is mainly composed of a casing, a tube plate, head and other components. The feature is that the cost is low, the seepage flow is small, th
4、e processing capacity is large, and the material range is wide. This design uses a single shell and double tube pass. The working pressure of the pipe is 1.6MPa, the working temperature is 30 degrees centigrade, and the medium is water. Shell side working pressure 2MPa, operating temperature of 138
5、degrees Celsius, medium for kerosene.Heat exchanger, as a heat transfer equipment, has a high proportion in industrial production. Therefore, in the development and research of heat exchanger, not only need to meet the various technical conditions, but also have a very high demand for comprehensive
6、application ability. Design should increase efficiency, reduce costs,so that economic benefits are also a priority. The influence of structural parameters and heat transfer performance is emphasized. From access to the literature,to determine the parameters and process design and calculation, and th
7、en design and drawing the relevant drawings, to the final paper into a draft, drawing the assembly drawing and part drawing.Design of fixed tube plate heat exchanger including: pipe specifications and arrangement, a cylinder, head, tube plate material and thickness design, split flow plate, plates o
8、f the punch plate etc. The first is to select the pipe to see the media to determine whether the need for cleaning as a principle. The arrangement of the tube on the tube plate is selected as the positive triangle. Because of the high strength of the tube sheet at this time, less chance of short cir
9、cuit, also can be arranged more pipes1.The shell thickness calculation is derived from the cylinder thin film stress criterion. The minimum wall thickness shall be not less than 0.15% of the diameter of the head. As one of the most important parts of the shell heat exchanger, the effect of the corro
10、sion of the fluid should be considered in the selection of the material. In the calculation, in order to meet the requirements of the strength of the material, as far as possible to reduce the thickness of the tube sheet.The choice of the type of heat exchanger depends on how the size of the product
11、ion process and scale of production, low energy consumption, high heat transfer efficiency. The significance of maintaining the heat exchanger is of great significance in improving the technology2. The reasonable design of the heat exchanger can make the industry perfect, and the performance improve
12、ment is closely related to the rational utilization of the existing energy.Key words: Heat exchanger； tube sheet； shell side； tube pass； back plate目 录第一章 绪论 11.1 引言 11.2 课题研究的意义 11.3 换热器的分类 21.4 管板式换热器的发展前景 31.5 总结 3第二章 工艺条件的选择及设计方案 42.1 设计方案的拟定 4第三章 换热器的工艺计算 53.1 确定冷热流体的物性参数 53.1.1 确定设计方案 53.2 计算换热
13、器的热负荷Q 63.3 冷却水用量 63.4 平均温差的计算 73.5 计算传热面积 73.6 管子选择和管数的确定 73.6.1 管子的选择 83.6.2 管子的工艺计算 83.7 管子排列方式和管间距的确定 83.7.1 管心距 93.7.2 管子排列方式 83.8 壳体内径的确定 83.9 确定总传热系数 103.9.1 管程换热系数的确定 103.9.2 壳程侧换热系数的确定 103.10 流体压降的计算 123.10.1 管程压降的计算 123.10.2 壳程压降的计算 123.11 壳体壁温的计算 133.11.1 流体平均温度的确定 133.11.2 壳体壁温的确定 13第四章
14、换热器的结构设计 144.1 管子与管板的连接 144.2 管板与壳体的连接 144.3 管板与分程隔板的连接 154.4 管板与法兰的连接 164.5 拉杆与管板的连接 174.6 折流板 184.7 流体进出口接管 204.7.1 煤油进出口 204.7.2 水的进出口 21第五章 换热器元件强度和刚度的计算 225.1 筒体设计及校核 225.1.1 设计参数的确定 225.1.2 厚度计算 225.1.3 筒体的水压试验 235.2 封头 235.2.1 种类和参数的确定 235.2.2 强度计算 235.2.3 封头直边高度 245.3 管箱 255.3.1 强度计算 255.3.2
15、 管箱的水压试验 255.4 管子与管板的拉脱应力 265.5 计算是否安装膨胀节 265.5.1 管、壳壁温差所产生的轴向力 265.5.2 压力作用于壳体上的轴向力 275.5.3 压力作用于管子上的轴向力 285.6 接管开口补强的计算 28第六章 其他辅助结构及标准件的选用 316.1 接管法兰及密封面形式 316.2 鞍座的选择 316.2.1 换热器总质量的计算 316.2.2 鞍座的尺寸及结构选择 326.3 吊耳 336.4 法兰螺栓规格 336.5 拉杆与定距管 336.6 缓冲挡板 336.7 焊条的选择及焊接形式 34总结 36参考文献 37致谢 38沈阳化工大学科亚学院
16、学士学位论文 第一章 绪论第一章 绪论1.1 引言换热器的发展已经有将近一百年的历史，经常被广泛的应用与石油、电力、化工、机械、制药等领域。从80年代至今，由于科学技术以及制造技术的越发成功，理论研究的不断完善，有关与换热器的设计和应用越来越受到世界的关注。其中管壳式换热器仍然占据着不可动摇的优势。换热器是可以将热流体与冷流体间进行相互转换的设备，它也被称为热交换器。各种类型的换热器在工业发展中都作为必不可少的设备，被广泛的应用于化工，制药，电力，冶金，交通，制冷，等行业。换热器类型的选择取决于怎样的生产工艺和生产规模的大小，耗能低，传热效率高。维护换热器意义在提高技术方面具有十分重要的意义。
17、随着工业生产的不断进步，对能源的开发和利用的需求也逐步增高，因而对换热器的要求也越来越高。换热器设计和研究也要日益完善。1.2 课题研究的意义换热器是一种可以合理利用已有的能源并做到节约、更可以用来开发检测新能源的重要设备。换热器的合理设计可以使工业更为完善，性能得改善也与现有能源合理化的利用的密不可分。现如今有限的能源储备已经很难去满足工业生产的需要，以及人们日渐增长的需求。新能源，例如核能、太阳能、地热能等能源，若想提供给工业及生活使用，都需要大量应用各种不同的适合的换热器。因此，合理的利用现有能源并继续开发新型能源已成为世界性的研究课题。目前最为广泛的应用固定管板式换热器，它具有很高的可
18、信赖性，广泛的适应能力等优势。在提高技术方面具有十分重要的意义。固定管板式换热器其特点是造价低，无内漏，旁路渗流较小，处理能力大，选用的材料范围广，清洗方便，可以承受较高操作压力和温度的优势，有着重要的位置，因此，研发此新型的类换热器，对工业发展与经济增长具有重大意义。1.3换热器的分类由于最初制造工艺和科学水平有限，面对体积大的工艺需要时，有很大的限制。随着制造工艺的日益发展，后期逐渐形成管壳式，它不但可以提供较大的传热面积，传热效果也变得很好，也一跃成为工业生产中的大变动。因为流体热交换是所走的的内管和外管的温度是不一样的。所以若两个温度相差很大的流体向交换就会产生该热交换器的显著热应力，
19、从而导致管子出现问题 固定管板换热器管结构简单，只适用于冷热流体和温差小的热传递，不需要清洗。当外壳与内部压力之间的温度差不是很高时，可以选择安装弹性补偿环，以减小热应力。 浮头式换热器管在的一端可以是自由浮动的，不但可以彻底消除热应力，而且便于促进机械清洁和保养。但结构相对复杂，成本也较高。 U型管换热器管是每个弯曲成U形管两端分别固定于下两个领域相同的电路板，由舱壁成进出口商会内管的手段。这样的热交换器被完全消除应力，浮动磁头结构较简单，容易清洗管。换热器按传热原理可分为：间壁式换热器：是可以将温度不同的两种流体在被壁面被分开的空间内流动，通过壁面的对流，使得两种流体之间进行换热。蓄热式换
20、热器：蓄热式换热器有旋转式、阀门切换式等。 流体连接间接式换热器：是把两个表面式换热器由可循环的热载体连接起来的换热器，多用于空气分离。接触式换热器：是通过冷、热流体的直接接触、混合进行热量交换的换热器，这类换热器适合于气、液两流体之间的换热3。流道的选择:热和冷的热交换流体,根据以下原则来选择通道:不洁应该去易结垢流体管,因为管清洗更方便; 腐蚀性流体宜走管 高流体压力管应该去,以避免在压力下的情况; 饱和蒸汽,蒸汽冷凝传热系数的壳由于流速是独立的,且易于冷凝液排出; 如果两种流体大的固定管板式换热器的选择,之间的温差应使流以减少热应力。1.4管板式换热器的发展前景近几年来,随着高温热管技术
21、研究的不断成熟和深入,高温热管换热器的应用领域逐渐扩大,目前已广泛应用于工业、民用和国防等各个领域。在冶金、化学、陶瓷、建材及轻工等工业生产中。新型换热管的形状研究过少，目前的研究仅局限于传统的圆形或矩形换热管上，对更高效的换热管型的探索研究比较缺乏。对换热管排数和排列方式对换热器整体换热性能的影响研究的理论体系还没形成，目前对于此方面的研究多以实验研究为主，然后从实验中提取经验公式，关于管排数的纯理论的换热理论还没有得到建立。从市场需求来看，环境保护，石油化工，能源电力，等行业仍然保持稳定增长，大型风力发电厂的建设，太阳能光伏发电，大型乙烯项目，等工程的开发都将对换热器产业产生巨大的需求拉动
22、。所以换热器的设计要根据场合、环保、节能等方向进行设计。换热器在成产中的作用是非常重要的。在长期使用过程中积累了丰富的经验。在发展过程中不断涌现的新型换热器，生产效率高。因此固定管板式换热器在不断促进自身的发展，因此换热器在工厂中处于主导地位。1.5 总结近年来,我国已进行了大量的技术研究,但在新型换热器的开发方面与其他发达国家仍有很大差距,并且新型换热器的推广和应用非常有限。换热器作为流体间传热设备，在工业生产中有很高的比重。所以，在换热器的开发与研究上，不仅需要满足各种工艺条件，而且对综合应用能力也有很高得要求。设计时应该加大效率，减少成本，使经济效益也优先考虑。着重探究结构参数，换热性能
23、等方面带来的影响，为我国的工艺事业做出贡献。38沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第二章 工艺条件的选择及设计方案第二章 工艺条件的选择及设计方案2.1 设计方案的拟定 根据任务书给定的两流体的温度，来确定设计的换热器类型；再根据两流体的性质，判断是否利于清洗，结垢情况；以便选择管程和壳程。本设计中确定选择水走管程，煤油走壳程。从资料中可查得两流体的物性数据，如密度，粘度，导热系数，比热容等。根据数据来计算出总传热系数，进而对传热面积进行。其次根据管径，管内流速确定传热管数，算出传热管程，管总根数等。然后校正传热温差及壳程数，确定传热管排列方式和分程。根据设计步骤，计算出壳体内径，选择确认折流
24、板，板间距，折流板数等零部件；接着再对换热器的热量，传热系数，传热面积进行核算，面积裕度的计算，最后，对流体的流动阻力进行计算。沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第三章 换热器的工艺参数第三章 换热器的工艺计算3.1 确定冷热流体的物性参数 3.1.1确定设计方案 选择换热器的类型. 两流体温度变化情况：煤油入口温度138C，出口温度40C；水入口温度30C，出口温度42C。考虑到清洗等各种因素，初步确定为固定管板式的列管式换热器。流动空间及流速的确定：由于水容易结垢，为便于清洗，确定水走管程，煤油走壳程。选用252.5 mm的10号碳钢管。 确定流体的定性温度、物性数据： 煤油入口温度为13
25、8,出口温度为40水入口温度为30，出口温度为42 则 T1=138C，T2=40C; t1=30C，t2=42C. 煤油的定性温度： 水的定性温度： C 两流体的温差： C 由于两流体温差大于50，故选用带补偿圈的固定管板式列管换热器4。根据工艺流程，确定工艺参数，介质性质以及流速范围如表3-1 3-2和3-3所示。 表3-1 换热器的已知工艺参数参数壳程（煤油）管程（水）进口T1出口T2进口t1出口t2流量Wm(kg/h)55005500温度(0C)138403042 表3-2 介质的性质 物性流体煤油898250.7152.220.14水369940.7254.1740.626 表3-3
26、 列管式换热器内的适宜流速范围种类流体流速/（m/s）管程壳程一般液体0.530.51.5易结垢液体10.5气体530315 3.2 计算换热器的热负荷Q 煤油的热流量为 (3-1)式中： W1 冷凝蒸汽的质量流量，kg/s； C1液体的比热容；kJ/kg3.3 冷却水用量由于该热流量均由冷却水升温得到，则根据 (3-2) 得 3.4 平均温差的计算本设计中，管程和壳程换热采用逆流操作。平均传热温差可用换热器两端流体温度的对数平均温差表示。 (3-3)式中： t1=T1-t2，t2=T2-t1。 (3-4) (3-5)根据资料由温度校正系数图表查询 可得=0.81平均传热温差 (3-6)3.5
27、 计算传热面积根据资料查得煤油与水之间的传热系数，取K=350W/(m2C). (3-7)考虑15%的面积裕度 (3-8)3.6 管子选择和管数的确定3.6.1 管子的选择管子的形状和规格对传热影响很大。根据我国的材料标准，综合本设计的数据考虑，可选择GB2270的不锈钢标准管。管子规格为，即管子外径为25mm厚度为2.5mm。选用252.5的无缝钢管做换热管。则： 管子外径d0=25mm 管子内径di=20mm 管子长度L=6000mm3.6.2 管子的工艺计算取管内 根据传热管内流速确定单程传热管数 (3-9)所需传热管长度 (3-10)取管长l=6m，则该换热管管程数为 (3-11)传热
28、管总根数为43x2=86（根） 取90根。3.7 管子排列方式和管间距的确定 3.7.1 管心距管板上两传热管中心距离称为管心距。要考虑到清洗管外表面所需要的空间以及管板强度。本次设计采用焊接方式 连接管子和管板，焊接时： 管心距 =31.25mm32mm (3-12)横过管束中心点的管数 ，取10根。 则分程隔板槽两侧相邻管中心距为44mm3.7.2 管子排列方式管子排列应考虑清洗和整体结构的要求。换热管在管板上的排列方式常用的有以下五种基本形式，即正三角形、同心圆排列、转角正三角形、转角正四边形以及正四边形5。具体形式如图3-1所示。图3-1 管子排列方式3.8 壳体内径的确定采用多管程结
29、构，取管板利用率=0.7，则壳体内径为 取DN=400mm (3-13)3.9 确定总传热系数3.9.1 管程换热系数的确定 管截面积 m2 (3-14) 管内流速 (3-15) 管程雷诺数 (3-16) 普朗特数 (3-17) 管程换热系数 =2189（W/m2) (3-18)3.9.2 壳程侧换热系数的确定252.5mm的换热管的中心距s=32mm。则流体通过管间最大截面积 =（m2） (3-19) (3-20) =0.027m (3-21) = (3-22) 普朗特数 (3-23) 壳程煤油被冷却，取1 = (3-24) 污垢热阻Rs0, Rsi: Rs0=0.00017（m2/W) R
30、si=0.00034 （m2/W) 传热系数 =407w/（m2. C） (3-25) 传热面积A (3-26) 安全系数 (3-27) 传热面积裕度 （满足设计要求） (3-28)3.10 流体压降的计算3.10.1 管程压降的计算 管程压降：计算公式，即 (3-29) 式中：Ft结垢校正因数，量纲为一，本设计选用的是252.5mm的换热管，取1.4 ， 由Re=13902.1，u=0.5m/s， (3-30) 3.10.2 壳程压降的计算 采用埃索法，公式即： (3-31) 式子中Fs壳程压降的结垢校正因数，量纲为1，液体取1.15，气体取1.0。本设计煤油为液体，故取Fs=1.15。 (
31、3-32) (3-33) (3-34) (3-35) (3-36) (3-37) 计算说明，管程和壳程的压降都能满足设计要求3.11 壳体壁温的计算 3.11.1 流体平均温度的确定 根据GB1511999中规定：液体在过渡流及湍流阶段平均温度计算公式为： (3-38) 管子内侧平均温度 (3-39) 管子外侧平均温度 (3-40) 则传热壁温 （） (3-41)3.11.2 壳体壁温的确定 当圆筒的外部保温良好时，壳程的流体温度和环境温度相近时，壳体壁温取壳程流体的平均温度6。 (3-42) 壳体壁温和传热壁温之差为 (3-43)沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第四章 换热器的结构设计第四
32、章 换热器的结构设计4.1 管子与管板的连接 管子与管板连接通常采用胀接或是焊接的方法。对于不锈钢的管子与管板，一般均采用焊接结构，不计其温度及压力。管板是重要元件，对于管板的设计，除满足强度要求外，同时应合理考虑其结构设计。如图4.1所示图4.1 管板结构碳钢、低合金钢和不锈钢制整体管板，碳钢、低合金钢管板的隔板槽宽度为12mm，不锈钢管板为11mm，槽深一般不小于4mm。4.2 管板与壳体的连接 管板与壳体的连接方式与换热器的形式有关，在两端的管板均被固定的换热器中，常采用不可拆连接，这时两端管板通常是直接焊在壳体上7。采用如下图4.2所示的结构。图4.2 管板与壳体的连接4.3 管板与分
33、程隔板的连接 管板上应刨出沟槽以安放垫片，以保证管内各程之间的密封。槽宽12mm，交角处用直线过渡。此外，管板上法兰面应与加工成的沟槽凹面相平，隔板两侧第一排管子中心距查文献8得c=38mm。管板与分程隔板的连接采用单层隔板与管板之间的密封连接，由于隔板另一端与封头焊接连接，因此要求隔板材料应与封头材料相同。如图4.3所示图4.3 管板与分程隔板的连接4.4 管板与法兰的连接 当管板兼作法兰时,管箱与法兰的连接一般都为固定管板式换热器。管板与法兰的连接结构型式较多。管板被两法兰夹持而固定的如U型、浮头、填料函及滑动管板式等类型的换热器，由于需要经常洗涤或定期更换管束，所以必须将管板做成可拆卸式
34、。固定式管板换热器的管板可兼作法兰，可以选择具有密封面型式，也根据压力、温度来选用法兰的结构型式。如图4.4图4.4 固定管板式换热器管板的连接型式 管板尺寸 管板尺寸如表4-1。根据GB151-1999管壳式换热器的规定，碳钢、低合金钢固定管板式换热器的管板（16Mn锻件）管板尺寸。图4.5 管板PsMPaPtMPaDD1D2D3D4D5CD2螺柱（栓）hfb规格数量21.653049045549744240012.523M20243242 管板与换热管采用焊接的形式连接。 法兰到接管的距离为150mm 表4-1 管板尺寸4.5 拉杆与管板的连接 对于不锈钢，采用焊接的不可拆连接。拉杆的结构
35、型式拉杆常用的结构型式有：a. 拉杆定距管结构，拉杆与折流板点焊结构。b. 当管板较薄时，也可以选用其他的连接结构。本设计选用拉杆定距管结构。拉杆的尺寸拉杆的长度L按实际需要确定图4.6 拉杆 表4-2 拉杆尺寸 拉杆直径d拉杆螺纹公称直径dnLaLbb101013401.5121215502.0161620602.04.6 折流板 折流板或支持板（以下简称折流板）的结构设计，主要根据工艺过程及要求来确定，设置折流板的主要目的是为了增加壳程流体的流速，提高壳程的传热膜系数，从而达到提高总传热系数的目的。同时，设置折流板对于卧式换热器的换热管具有一定得支撑作用9。图4.7 折流板1图4.8 折流
36、板2从传热的观点考虑，有些换热器不需设置折流板。但为了增加换热器的刚度，防止管子振动，仍需设置，其形状与尺寸均按折流板一样来处理，如图4.9图4.9 折流板安装图折流板间距 折流板最小间距一般不小于圆筒内直径的五分之一，且不小于50mm；特殊情况下也可取较小的间距。折流板最大间距应保换热管的无支撑长度（包括相邻两块缺边方位相同的折流板间距和其他无支撑的换热管长度） 表4-3 折流板厚度/ mm壳体公称内径/mm相邻两折流板间距/mm3003004504506006007507502002503561010400700561010127001000681012161000610121616 经计
37、算，我们采用弓形折流板，取弓形折流圆缺高度为壳体内径的25%，则切去的圆缺高度为： (4-1) 取折流板间距B=0.3D，则： (4-2) 可取B=120mm 折流板的缺口高度=10mm 折流板数 (4-3) 折流板圆缺面水平装配 折流板的间隙 (4-4) 折流板的厚度取6mm4.7 流体进出口接管 流体进出口接管直径由如下公式计算 (4-5) 式中：d接管内径，m； 进出口换热器的体积流量，； u流体在管内流动的适宜速度，4.7.1 煤油进出口 由表选择u1=1.0m/s，那么 选取内径为50mm (4-6) 圆整后选择DN50的接管，材料为与壳体相同的Mn16不锈钢。4.7.2 水的进出口
38、 速度取u2=1.5m/s，那么 (4-7) 取标准管径为76mm。沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第五章 换热器元件强度和刚度的计算第五章 换热器元件强度和刚度的计算5.1 筒体设计及校核5.1.1 设计参数的确定 (1)计算压力不考虑液柱静压，所以计算压力近似等于设计压力，即 (2)确定焊缝系数由于考虑介质的危害程度以及换热器的压力与容积大小，因此确定该换热器为一类压力容器，故焊接接头形式采用双面焊对接接头的100%无损检测10：故取。(3)选择材料根据介质条件及应用场合与管子相同的16MnR。5.1.2 厚度计算 查文献11知16MnR在设计温度条件下的许用应力屈服极限,则壳体的计算厚度：