固定管板式换热器高起龙.docx

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固定管板式换热器高起龙

吉林化工学院

过程装备与控制工程课程设计

题目：

固定管板换热器

教学院机电工程学院

专业班级过程装备与控制工程0706班

学生姓名高起龙

学生学号07420622

指导教师高艳

2010年12月29日

前　　言

换热器设备是化学工业、石油工业、石油化工等生产中最中要的设备之一，为了帮助我们的复习与巩固以往学习过的专业知识，并对换热设备有一个深入了解。

课程设计是我们在学校学习结束阶段的一个综合学习、训练，培养独立工作能力的重要教学环节，毕业设计作为一个独立的教学环节，不同于一门课程的学习，又不同于实际工程设计工作，相同之处在于它是为了教学目的而设置的教学环节。

课程设计是一项学习任务，又是一项独立的创造性工作。

最大限度的采用新技术成就，反映现代技术的发展水平，充分发挥独立工作能力，一定要遵循理论联系实践的原则。

由于知识和经验的不全面性和贫乏，在这次设计中难免有错漏之处，敬请老师给予指教。

目　　录

前　　言1

目　　录2

摘　　要5

符号说明6

第一章　命　题7

第1.1节　概述7

换热器在工业中的应用7

第1.2节　设计任务、思想8

1.2.1　设计任务8

1.2.2　设计思想8

第二章　换热器的工艺设计10

第2.1节　换热器的工艺条件10

第2.2节　估算设备尺寸10

2.2.1　计算传热管数NT10

2.2.2　若将传热管按正三角形排列，计算壳程直径D11

第三章　换热器零部件的结构设计12

第3.1节　传热管12

3.1.1　换热管的型式和尺寸12

3.1.2　换热管的材料12

3.1.3　换热管排列形式及管心距12

第3.2节　折流板13

3.2.1　折流板的主要几何参数14

3.2.2　折流板与壳体间隙14

3.2.3　折流板厚度14

3.2.4　折流板的管孔14

3.2.5　材料的选取15

第3.3节　拉杆、定距管15

3.3.1　拉杆的结构形式15

3.3.2　拉杆直径、数量和尺寸16

3.3.3　拉杆的布置17

第3.4节　防冲板17

第3.5节　接管18

3.5.1　接管的要求18

3.5.2　接管高度（伸出长度）确定18

3.5.3　接管位置最小尺寸19

3.5.4　排气，排液管20

第3.6节　管箱20

3.6.1　管箱结构形式20

第3.7节　管板结构尺寸21

第3.8节　封头22

3.8.1　封头的选用22

3.8.2　热水进、出口处的封头24

第3.9节　法兰25

3.9.1　法兰结构类型25

第3.10节　垫片的选取25

第3.11节　鞍座的选取26

第四章　换热器的机械结构设计27

第4.1节　传热管与管板的连接27

第4.2节　管板与壳体的连接27

第4.3节　管板与管箱的连接29

第五章　换热器的强度设计与校核30

第5.1节　壳体、管箱的壁厚计算30

5.1.1　壳体30

5.1.2　管箱31

结　　论33

参考文献34

致　　谢35

摘　　要

这篇论文主要介绍的是换热器机械计算等相关的设计过程。

本文引用这三年学过的书本知识及相关的技术标准，对换热器的结构、强度进行了系统的阐述。

换热器是目前许多工业部门广泛应用的通用工艺设备。

其中，换热器是目前应用较为广泛的换热设备。

优点：

结构简单，制造方便，在相同管束情况下其壳体内径最小，管程分程较方便。

缺点：

壳程无法进行机械清洗，壳程检查困难，壳体与管子之间无温差补偿元件时会产生较大的温差应力，即温差较大时需采用膨胀节或波纹管等补偿元件以减小温差应力。

我设计的换热器内部以换热管和折流板做为基本构件，冷介质、余热介质分别在管程与壳程之间流动，以达到降温或升温的效果。

换热器由筒体、管箱、封头、支座、换热管、折流板、管板及接管、法兰等组成。

通过强度计算合理选择材料，确保安全运行，提高设备的生产效率，降低设备的制造成本，实现化工单元操作的最佳化。

关键词：

换热器；管箱：

壳体：

管板；封头

符号说明

符号

意义

单位

[σ]t

许用应力

MPa

σt

计算应力

MPa

C

厚度附加量

mm

C1

钢材厚度偏差

mm

C2

腐蚀裕量

mm

Di

圆筒内直径

mm

[Pw]t

最大允许工作压力

MPa

Pc

计算压力

MPa

E

材料的弹性模量

Pa

ф

焊缝系数

——

δ

计算厚度

mm

δd

设计厚度

mm

δn

名义厚度

mm

δe

有效厚度

mm

m

垫片系数

mm

ye

比压力

MPa

A

补强截面积

mm2

B

补强有效宽度

mm

F

压力

N

K

椭圆形封头形状系数

——

M

力矩

N.mm

第一章　命　题

第1.1节　概述

换热器在工业中的应用

换热设备是使热量从热流体传递到冷流体的设备，使化工、炼油、动力、食品、轻工、原子能、制药、机械及其他许多工业部门广泛使用的一种通用设备。

在化工厂中，换热设备的投资约占总投资的10%～20%；在化肥厂中，约占总投资的30%～41%。

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稳到较低的流体，使流体温度达到工艺流程的指标，以满足工业流程上的需要。

由于世界性的能源危机，为了降低能耗，工业生产中对换热器的需求量越来越多，对换热器的质量要求也越来越高。

近几十年来，紧凑式换热器（板式、板翅式、压焊板式换热器等）、热管式换热器、直接接触式换热器等得到发展。

目前国内使用的换热器多为列管换热器和螺旋板换热器。

它的主要特点是管内外换热面积相等。

但是交换系数相差较大的交换介质在管内外进行热量交换时，由于其不平恒性而达不到理想的交换目的，换热效率相对较低。

虽然现在出现大量结构紧凑高效的换热设备，例如：

波纹板换热器、板翅式换热器、螺旋板换热器、伞板换热器等，但在各行业的换热设备中，管壳式换热器仍占据着主导地位。

因为许多工艺过程都具有高温、高压、高真空、有腐蚀等特点，而管壳式换热器具有选材范围广（可为碳钢、低合金钢、高合金钢、铝材、铜材、钛材等），换热表面清洗较方便，适应性强，处理能力大，特别是能承受高温和高压等特点，所以管壳式换热器被广泛应用于化工、炼油、石油化工、制药、印染以及其它许多工业中，它适用于冷却、冷凝、加热、蒸发和废热回收等方面。

管壳式换热器主要由换热管束、壳体、管箱、分程隔板、支座等组成。

换热管束包括换热管、管板、折流板、支持板、拉杆、定距管等。

换热管可为普通光管，也可为带翅片的翅片管，翅片管有单金属整体轧制翅片管、双金属轧制翅片管、绕片式翅片管、叠片式翅片管等，材料有碳钢、低合金钢、不锈钢、铜材、铝材、钛材等。

壳体一般为圆筒形，也可为方形。

管箱有椭圆封头管箱、球形封头管箱和平盖管箱等。

分程隔板可将管程及壳程介质分成多程，以满足工艺需要。

管壳式换热器在结构设计时，必须考虑许多因素，例如传热条件、材料、介质压力、温度、管壳程壁温温差、介质结垢情况、流体性质以及检修和清洗条件等等，从而确定一种适合的结构形式。

对于同一种形式的换热器，由于各种不同工况，往往采用的结构并不相同。

在工程设计中，应按其特定的条件进行分析设计，以满足工艺需要。

第1.2节　设计任务、思想

1.2.1　设计任务

设计课题为固定管板式换热器，设计包括结构设计和强度设计。

结构设计需要选择适用合理、经济的结构形式，同时满足制造、检修、装配、运输和维修等要求；而强度计算的内容包括换热器的材料，确定主要结构尺寸，满足强度、刚度和稳定性等要求，根据设计压力确定壁厚，使换热器有足够的腐蚀裕度。

1.2.2　设计思想

尽可能采用先进的技术、国家与行业标准，使生产达到技术先进，经济合理的要求，符合优质、高产、安全、低消耗的原则，具体有如下几点：

1）根据GB150-1998《钢制压力容器》和GB151-1999〈〈管壳式换热器〉〉等国家标准为基础进行设计。

2）满足工艺和操作要求，所设计出来的流程和设备能保证得到质量稳定的产品，设计的流程与设备需要一定的操作弹性，可方便地进行流量和传热量的调节。

3）满足经济上的要求，设计省热能和电能的消耗，减少设备与基础的费用，选择合适的回流比，节省水蒸汽，设计时要全面考虑，力求总费用尽可能低一些。

4）保证生产安全，保证换热器具有一定的刚度和强度。

设计中根据设计压力确定壁厚,再校核其他零件的强度,进行水压试验，容器是否有足够的腐蚀裕度。

第二章　换热器的工艺设计

第2.1节　换热器的工艺条件

设计条件：

壳程

管程

工作介质：

饱和蒸汽

热水

设计温度：

180℃

90℃

工作温度：

160℃

85℃

设计压力：

0.6MPa

0.7Mpa

工作压力：

0.54Mpa

0.65Mpa

焊缝系数：

0.85

腐蚀余量：

1mm

换热面积：

45m2

第2.2节　估算设备尺寸

2.2.1　计算传热管数NT

拟用传热管规格为ф25x2，管长L＝2m，传热管数NT为

式中符号：

—换热管外径。

mm

—所需换热面积。

m2

L—换热管长。

ｍ

—换热管总数。

根

2.2.2　若将传热管按正三角形排列，计算壳程直径D

取管心距t=1.3d０

t=1.3x25=32（mm）

横过管束中心线的管数

采用单管程结构，则壳程内径为

D=t（nc-1）+（2-3）do=32x（19-1）+（2-3）x25=626（mm）

圆整得D＝700mm

第三章　换热器零部件的结构设计

第3.1节　传热管

3.1.1　换热管的型式和尺寸

换热管有光管、焊接管、螺纹管、波节管、波纹管、三维内外肋管等。

在没有特殊要求的情况下，一般选用光管因为光管加工方便、价格便宜，本装置采用光管。

选择管径时，应尽可能使流速高些，但一般不应超过规定的流速范围。

易结垢、粘度较大的液体宜采用较大的管径。

我国目前试用的列管式换热器系列标准中仅有ф25×2mm及ф19×2mm两种规格的管子。

本装置的壳程介质是饱和蒸汽，是比较容易清洁和不易结垢的流体，因此采用ф25×2mm规格。

3.1.2　换热管的材料

常用材料有碳素钢、低合金钢、不锈钢、铜、铜镍合金、铝合金、钛等。

此外还有一些非金属材料，如石墨、陶瓷等。

本换热器材质选用Q235-A。

3.1.3　换热管排列形式及管心距

管子在管板上的排列有正三角形、正方形和同心圆排列三种方式，如图所示。

传热管的排列应使其在整个换热器圆截面上均匀分布，同时还要考虑流体的性质，管箱结构及加工制造等方面的问题。

正三角形排列的优点有:

管板的强度高；流体走短路的机会少，但管外流体扰动较大，因而对流传热系数较高；相同的壳径内可排列更多的管子；但是正三角形排列蚀管外机械清洗较为困难。

正方形排列的优点是便于清洗列管的外壁，适用于壳程流体易产生污垢的场合；但是在同样的管板面积上可排列的管子数量为最少。

同心圆排列方式优点再也靠近壳体的地方管子分布较均匀，在壳体直径较小的换热器中可以排列的传热管数比三角形排列还多。

本换热器流体的性质属于比较洁净和不易结垢，因此采用正三角形排列，如图（a）所示。

图3.1.1管子的排列方式

管板上两传热管中心距离称为管心距，管心距的大小主要与传热管和管板的连接方式有关，此外还要考虑到管板强度和清洗管外表面时所需的空间。

根据GB151-1999规定管心距为32mm。

第3.2节　折流板

列管式换热器的壳程流体流通截面积大，在壳程流体属对流传热条件时，为增大壳程流体的流速，加强其湍动程度，提高其表面传热系数，需要设置折流板。

折流板有横向折流板和纵向折流板两类，单壳程的换热器仅需设置横向折流板，横向折流板同时兼有支承传热管，防止产生振动作用。

管壳式换热器常用的有弓形和盘环形。

在弓形折流板中，流体在板间错流冲刷管子，而流经折流板弓形缺口时是顺流经过管子后进入下一板间，改变方向，流动中死区较少，比较优越，结构比较简单，一般标准换热器中只采用这种。

盘环形折流板制造不方便，流体在管束中为轴向流动，效率较低。

而且要求介质必须是清洁的，否则沉淀物将会沉积在圆环后面，传热面积失效，一般用于压力比较高而又清洁的介质。

因此，采用单弓形折流板。

3.2.1　折流板的主要几何参数

根据GB151-1999弓形折流板圆缺大小用切去弓弦高占圆筒内直径的百分比来确定，残缺率为15%-45%,常用值为25%。

单弓形折流板缺口弦高h值，宜取0.20-0.45倍的圆筒内直径,取系数为0.25，切去圆缺高度h=0.25x700=175mm

3.2.2　折流板与壳体间隙

折流板外周与壳体内径之间的间隙越小，壳程流体介质在此处的泄漏越小，使传热效率提高，但间隙越小，给制造、安装带来困难。

选取折流板名义外直径D=DN-4.5=700-4.5=695.5mm。

3.2.3　折流板厚度

折流板厚度与壳体直径、换热管无支承长度有关，其厚度根据参考选取δ＝5mm。

3.2.4　折流板的管孔

①、折流板的管孔直径和公差按GB151-99规定，Ⅰ级管束换热器折流板管孔直径d+0.4=25+0.4=25.4mm，及允许偏差

②、管孔中心距折流板上管孔中心距（包括分程隔板处的管孔中心距）t=32,公差为相邻两孔，任意两孔±1.00mm

③、管孔加工折流板上管孔加工后两端必须倒角0.5×45°。

3.2.5　材料的选取

设计温度180℃和设计压力P＝0.6MPa,根据GB150-1998选取Q235-A钢板，它的适用范围：

容器设计压力P≤1.60MPa；钢板使用温度为0～35℃；用于壳体时，钢板厚度不大于20mm；不得用于液化石油气介质以及毒性程度为高度或极度危害介质的压力容器。

Q235-A.F和Q235-A钢板技术要求低，钢板质量差，以往因钢材供应情况的限制，不得不采用。

线技术要求较高的Q235－B已大量生产。

从标准的技术合理性、压力容器的使用安全性以及钢材供应的可能性等方面综合考虑，2002年7月1日起，在现有国内规范中取消了Q235－A.F和A235－A两种钢号。

第3.3节　拉杆、定距管

3.3.1　拉杆的结构形式

折流板与支持板一般均采用拉杆与定距管等元件与管板固定，其固定形式有如下几种：

1）采用全焊接方式，如图（c）拉杆一端插入管板并与管板焊接，每块折流板间距固定后与拉杆焊接固定。

常用于拉杆与折流板为不锈钢结构或换热管外径≤14mm的管束。

2）采用拉杆定距管结构，拉杆一端用螺纹拧入管板，每两块折流板之间的间距用定距管固定，每根拉杆上最后一块折流板与拉杆焊接如图（d）；也有的是最后一块折流板用两个螺母锁紧固定，这种形式易于调节折流板之间夹紧程度，在穿进换热器后，各折流板处于相对自由状态，是列管换热器最常用的形式如图（b）。

3）螺纹与焊接相结合，如图（a）拉杆一端用螺纹拧入管板，然后将每块折流板焊在拉杆上，同样不需要定距管，适于换热管外径≤14mm的管束。

4）定距螺栓拉杆，如图（e）是靠一节节定距螺栓将折流板夹持而达定距及固定折流板的目的。

定距螺栓分A、B两种形式，A型是与管板连接的定距螺栓，其两端均为螺栓，B型是两折流板之间采用的，其一端是螺栓，另一端是螺母，该结构安装简单方便，间距正确。

图3.3.1拉杆的结构形式

本装置的换热管外径为25mm，换热器直径为700mm，根据上述所说选用拉杆定距管结构。

3.3.2　拉杆直径、数量和尺寸

1）、拉杆直径和数量根据GB151－1999规定，拉杆直径d＝16mm，拉杆数量为6根。

2）、拉杆尺寸

拉杆公称直径

/mm

数量

基本尺寸

拉杆直径d/mm

/mm

/mm

/mm

16

6

16

20

60

2.0

3.3.3　拉杆的布置

拉杆应尽量均匀布置在管束的外边缘。

拉杆位置占据换热管的位置，对于大直径换热器，在布管区的中心部位或靠近折流板缺口处也应布置适当数量的拉杆。

第3.4节　防冲板

为了防止壳程物料进口处流体对换热管表面的直接冲刷，引起侵蚀及振动，应在流体入口处装置防冲板，以保护换热管。

设置防冲板时，壳程进出口处的流道面积为接管处圆筒脮表面与防冲板表面之间介质通过的面积；壳程进出口处设置防冲板时，管束进出口处流道面积为折流板与管板或折流板之间距内换热管之间的通道面积减去防冲板的投影面积。

防冲板在壳体内的位置，应使防冲板周边与壳体内壁所形成的流通面积为壳程进口接管截面积的1～1.25倍。

根据GB151-1999规定，防冲板的固定形式有A）防冲板的两侧焊在定距管或拉杆上，也可同时焊在靠近管板的第一块折流板上；B）防冲板焊在圆筒上；C）用U形螺栓将防冲板固定在换热器上。

本装置采用防冲板焊在圆筒上。

根据GB151-1999规定，防冲板的最小厚度：

当壳程进口接管直径小于300mm时，对碳钢、低和金钢取4.5mm；对不锈钢取3mm。

当壳程进口接管直径大于300mm时，对碳钢、低合金钢取6mm；对不锈钢取4mm.本装置的壳程进口接管直径为150mm小于300mm，防冲板的材料为Q235-A，它的厚度取4.5mm。

第3.5节　接管

3.5.1　接管的要求

1）．接管（含内焊缝）不应凸出壳体内表面，并在该部位打磨平滑，以免妨碍管束的拆装。

2）．接管应尽管沿径向或轴向布置，（4管程的例外）以方便配管与检修。

3）．设计温度在300℃以上时，不得使用平焊法兰，必须采用整体法兰。

4）．对利用接管（或接口）仍不能放气和排液的换热器，应在管程和壳程的最高点设置放气口，最低点设计排液口，其最小公称尺寸为20mm。

5）．操作允许时，一般是在高温、高压或不允许介质泄漏的场合，接管与外部管线的连接也可采用焊接。

6）．必要是可设置温度计接口、压力表及液面计接口。

3.5.2　接管高度（伸出长度）确定

接管伸出壳体（或管箱壳体）外壁的长度，主要考虑法兰形式，焊接操作条件，螺栓拆装，有无保温及保温厚度等因素决定。

一般最短应符合下式计算值

l≥h+h１+δ+15（mm）

式中：

h――接管法兰厚度，mm；

h1――接管法兰的螺母厚度，mm；

δ――保温层厚度，mm；

l――接管安装高度，如图a、b

图a壳程接管位置图b管箱接管位置

依据上述要求接管高度为：

热水进口接管高度l=208mm,热水出口接管高度l=208mm,蒸汽进口接管高度l=208mm,排凝出口接管高度l=208mm,管箱排气口接管高度l=158mm,管箱排污口接管高度l=158mm，壳程排气口接管高度l=158mm。

3.5.3　接管位置最小尺寸

壳程接管位置最小尺寸见图a，按下式估算：

无补强圈L2≥do/2+（b-4）+C

管程接管最小尺寸见图b，按下式估算：

无补强圈L2≥do/2+hf+C

为考虑焊缝影响，一般取C≥3倍壳体壁厚且不小于50～100mm。

有时壳径较大且折流板间距也很大，则L1值在设计时尚应考虑第一块折流板与管板的间距，以使流体分布均匀。

依据上述要求接管高度为：

热水进口接管L2=250mm,热水出口接管高度L2=250mm,蒸汽进口接管L2=250mm,排凝出口接管L2=150mm。

3.5.4　排气，排液管

为提高传热效率，排除或回收工作残液（气），凡不能借助其他接管排气，排液的换热器应在其壳程和管程的最高，最低点，分别设置排气、排液接管，排气、排液接管的端部必须与壳体或管箱壳体内壁平齐。

第3.6节　管箱

管箱的作用是把由管道来的管程流体均匀分布到各传热管把管内流体汇集在一起送出换热器。

在多管程换热器中，管箱还起到改变流体流向的作用。

无论那种管箱，其管箱的最小内侧深度应当满足这样的要求：

使连接双程间流体流动的横截面至少大于或等于单管程通过的截面。

3.6.1　管箱结构形式

（1）、A型（平盖管箱）如图（a）装有管箱平盖（或称盲板），清洗管程时只要拆开盲板即可，而不必拆卸整个管箱和与管箱相连的管路，缺点是盲板结构用材多，且尺寸较大是得用锻件，耗费大量机加工时，提高制造成本，并增加一道密封的泄漏可能。

一一般多用于DN<900mm的浮头式换热器中。

（2）、B型封头管箱型如图（b），用于单程或多程管箱，优点是结构简单，便于制造，适于高压，清洁介质，可省掉一块造价高的盲板、法兰和几十对螺栓，且椭圆封头受力情况要比平端盖好的多，缺点是检查管子和清洗管程时必须拆下连接管道和管箱。

（3）、C型、D型管箱这种形式是管箱一端与壳体及管板连成一体，或是用于可拆管束与管板制成一体的管箱，另一端可采用A型结构，减少了泄漏的可能性。

一般用的较少，只在高压情况下采用。

本换热器由于压力不高，所以采用d型管箱。

第3.7节　管板结构尺寸

管板在换热器的制造成本中占有相当大的比重，管板设计与管板上的孔数、孔径、孔间距、开孔方式以及管子的连接方式有关。

１、选用固定管板兼作法兰形式的管板，

图3.7.1固定管板式换热器管板尺寸

这种管板结构尺寸，在依据确定的设计压力，壳体内径来选择或设计法兰，然后根据法兰相应结构尺寸确定管板的最大外径，密封面位置、宽度、螺栓直径、位置、个数等，根据上述确定的壳体内径D=700mm和设计压力PN＝0.6MPa，确定D=730mm、D1=690mm、D2=642mm、D4=600mm、D5=597mm、螺栓孔数n=48

2、管板孔直径和允许公差，由参考得管孔直径为25.25，允许偏差为

3、管板材料

在选择管板材料时，除力学性能外，还应考虑管程和壳程流体的腐蚀性，以及管板和换热管之间的电位差对腐蚀的影响。

本换热器采用Q235-A。

第3.8节　封头

3.8.1　封头的选用

压力容器封头的种类较大，分为凸形封头、锥壳、变径段、平盖及紧缩口等，其中凸形封头包括半球形封头、椭圆形封头、碟形封头和球冠形封头。

采用什么样的封头要根据工艺条件的要求、制造的难易程度和材料的消耗等情况来决定。

1）、半球形封头，在均匀内压作用下，薄壁球形容器的薄膜应力为相同直径圆筒的一半，故从受力分析来看，球形封头是最理想的结构形式。

但缺点是深度大，直径小时，整体冲压困难，大直径采用分瓣冲压其拼焊工作量也较大。

半球形封头常用在高压容器上。

2）、椭圆形封头是由半个椭球面和短圆筒组成，由于封头的椭球部分经线曲率变化平滑连续，故应力分布比较均匀，且椭圆形封头深度较半球形封头小得多，易于冲压成型，是目前中、低压容器中应用较多的封头之一。

3）、碟形封头是带折边的球面封头该边缘弯曲应力与薄膜应力叠加，使该部位的应力远远高于其他部位，故受力状况不佳。

但过渡环壳的存在降低了封头的深度，方便了成型加工，且压制碟形封头的钢模加工简单，使碟形封头的应用范围较为广泛。

4）、锥壳，轴对称锥壳可分为无折边锥壳和折边锥壳，由于结构不连续，锥壳的应力分布并不理想，但其特殊的结构形式有利于固体颗粒和悬浮或粘稠液体的排放，可作为不同直径圆筒的中间过渡段，因而在中、低压容器中使用较为普遍。

对受均匀内压封头的强度计算，由于封头和圆筒相连接，所以不仅需要考虑封头本身因内压引起的薄膜应力，还要考虑与圆筒连接除的不连续应力。

连接处总应力的大少与封头的几何形状和尺寸，封头与圆筒厚度的比值大少有关。

封头设计时，一般应优先选用封头标准中推荐的