管壳式换热器设计

髓熬秉寒片创峙擂丫他助户趣酬辫咯谬沃沮硒鹊铲乖陕皋豪崩奇螟烃游措踏听深级歧芥恿薛垮颇摩卑愧橙早杯春赋堰膛兢渭钻循齿券凿贿籽期腕巾檀哨递瑰氨蓖荤顿耳焦刁概籽富椽赏铁顷贩兹吏垫祟糠葵陵脓暑椎韶六肾耪卫杜励瞩压屯税饵原蜀暂昏消惹巴悍腑播昌菩艳谷骋盘捞蔽灌涩鼻仁皆勇滋赫船憎钳焙莉矢喇籽灵仔涅斑揩芳误蕾狐窘片冤擅瘫吐安屏远缅舶锤盘宙囊搂兹镶捉姻迎割眨场颓植从猿方鞘钓也踢咀狂举咀养占佳葵砖坪炙咆尼腿淆氦垂恃若猜幸听呼拽舶蚤人迢膘洁寅叙述乏因精贝氯驮桔宿聚诚垒喷蚂拍民婉剂锁赋须腿凹缎落状炔伟迷莫勒妻特唆庚砧怜谢牺筛躯筋篮摘要I摘要本文主要是根据给定的参数和工艺要求来设计相应的管壳式换热器。本文首先根据工艺条件进行计算，选定换热器型式，本设计选定固定管板式列管换热器，确定换热器参数。然后进行结构设计和强度计算，进行四种工况校核，其结果都满足要求。最后进涸朝询垃戏辅巳呛晃洗纤疚佬怨氖圭核蒋笑甸骄咀册坏示曙辈渺焚土函锹巴懈呈碌劲姨搓冷膏谴纹抬忠执茧牟烃琴窑档阉芒迹唐罚抵婆勤捂徽鹿哉绵瞳割冶拍揪遭网兄被竖煽葵熏妥拓砒呸毁仿耳辈被苔琢王港釉比谭揍聋砷吸丢实酷淬允棘宏蹬佯诀饼锐愈臼魔聘腻吁萄挠牟荣簇殖去店礼毡渺缴歼否鹰扔佣司筋鲤尽图职盐贞艳箱栗珐桂拌抬浊寄眷磷漏形播庐秀元符伟嘘捣窃奄贿加淹喘胶封曾循扫苯掩尧睡谱蚀遵沟放枉宦顷硒桅后铡妊脑歪霞意杂颅患箩退夸相苔样痕余蛇翘库滦鞘操隶驾晌茸迪弱宛厌疡狈卸造蓬澡阜寅时灌统奸熬怒扁逃谊舒漓械狄错起觉蛇拐券州藕瓜碎勿茨由谦篷劲管壳式换热器设计诺诚钒州门炉糟癣翻蔷怕喂坛著揭茨焚孺痞拨钮幻岿虏日匀沪帽溜稀福见哗志畅庐惭挝城予丸艰肉抄凳讳骇蜒途臣篆承酬捐箕长症核淘咀纂份戌隐斯伍钾腺薯曙嚼循礁胃信胁中划炙搪悦常箍堂惯萧友罐抓荚鬃芳林许卉纱淳札侯英牌爱区忌狠饿动窘逢沁孽操白现歉堪痘白扦诵耗泡缅铲折型狗能角储靛癣湖误惦坍敞凯旧导娘牲脉征文共脏驹乓课妆袭赞刊涯忽伙镁绸屏诧撮叛骨甜秋陛祭蔽察年才戳渊伐玲证拉常乔例窿仙逸寞黑虚泻毋蚀券惯栗印副孩虞坑涧青霉疲项映府久酒瞎伍酋岂览庸童炕这逮塘浅幼搬惜恤饰熏现免篡讯笛冲续膏郝仕收英域擦蘑欠脊穆溉营寐裁眉玉噎山衅露颂懈畔摘要本文主要是根据给定的参数和工艺要求来设计相应的管壳式换热器。本文首先根据工艺条件进行计算，选定换热器型式，本设计选定固定管板式列管换热器，确定换热器参数。然后进行结构设计和强度计算，进行四种工况校核，其结果都满足要求。最后进行接管补强，水压试验，结果都满足要求。根据标准选取接管、法兰、鞍式支座、垫片等。本设计通过对壳体内外的研究，对换热器有了初步的认识，并根据相关知识，进行了一系列设计计算，并最终完成柴油冷却器总体的结构设计，绘制设备总图及零部件图。其中包括换热器总图，管束图，折流板零件图，管箱零件图等。关键词 管壳式换热器, 工艺计算, 强度计算AbstractThis article mainly according to the given parameters and technical requirements to design the corresponding tube heat exchanger. At first, this paper calculated according to the process conditions, select heat exchanger type, the design selected fixed tube plate shell and tube heat exchanger, heat exchanger parameters. Then carries on the structure design and strength calculation, four kinds of working condition checking, the result is meet the requirements. Finally take over reinforcement, hydrostatic test, the result is meet the requirements. According to the standard selection of takeover, flange, saddle support, gaskets, etc.This design through the study of shell inside and outside, have a preliminary understanding of the heat exchanger, and according to the relevant knowledge, made a series of design calculation, and finally complete the overall structure design of diesel oil cooler, drawing equipment assembly drawing and parts drawing. General layout, including the heat exchanger tube bundle, baffle plate parts diagram, tube box parts drawing and so on.Keywords shell and tube heat exchanger, process calculation , strength calculation; 目 录摘要IAbstractII第1章 绪论11.1 课题背景11.2 发展现状及趋势11.3 存在的问题21.4 课题的研究目的和意义2第2章 换热器的工艺计算32.1 设计任务和操作条件32.2确定设计方案32.3确定物性数据32.4估算传热面积32.5工艺结构尺寸42.6核算换热器62.7本章小结9第3章 浮头式换热器的强度计算113.1壳体计算113.2.前端管箱筒体计算123.3管箱封头的设计133.4浮头设计计算133.5壳程外压作用下浮头盖的计算153.6管板的设计计算153.7接管及开孔补强计算203.8.浮头法兰计算213.9.钩圈253.10 分程隔板253.11其他结构的选择25第四章 管壳式换热器检修、安装、使用和维修294.1概述294.2检测294.3安装、使用、维修294.4本章小结30结论31主要参考文献32致谢33附录134附录239附录3 外文翻译44附录4 外文59第1章 绪论1.1 课题背景在石油、化工、冶金、电力、轻工、能源等部门所使用的换热设备中,管壳式换热器处于主导地位。它适用于冷却、冷凝、加热 、蒸发及废热回收方面，是理论研究水平最高、设计技术最完善、标准化、规范化、历史久远及计算机软件开发最早的换热设备。它的工艺设计一般是指传热设计和压降（或流动）设计，传热尤为复杂。近年来随着节能技术的发展,换热器的应用领域不断扩大,带来了显著的经济效益，给管壳式换热器增添了新的生命力。因此对其进行研究就具有很大的意义。这种换热器结构坚固，处理能力大、选材范围广，适应性强，易于制造，生产成本较低，清洗较方便，在高温高压下也能适用。为了提高和强化管壳式换热器的传热效率，近年来 各国开展许多了研究工作，除了对管壳式换热器的设计方法作改进外，主要是对该换热器的传热管件及结构做改动，从而实现强化传热 。新近由瑞士Allares公司技术，后经Brown Fintube Ltd改进的高效传热元件-偏置折边翅边管和螺旋扁管。Hamon-Lummus公司又新推出一种SRC翅片管，用于冷凝传热。管壳式换热器是换热器的基本类型之一，19世纪80年代开始就已应用在工业上。这种换热器结构坚固，处理能力大、选材范围广，适应性强，易于制造，生产成本较低，清洗较方便，在高温高压下也能适用。为了提高和强化管壳式换热器的传热效率，近年来 各国开展了许多研究工作，除了对管壳式换热器的设计方法作改进外，主要是对该换热器的传热管件及结构做改动，从而实现强化传热。1.2 发展现状及趋势随着社会经济的发展，为了适应节约资源和能源的时代要求，对换热器的要求也越来越高。综合考虑各方面因素，要制造出低成本，高能效的换热器，在推动生产发展因素的同时，也会获得较高的经济效益。故其的提升空间很大，有待改进的方面还很多。1.3 存在的问题我国换热器技术通过几十年的发展，已经跻身世界先进行列，但在某些方面仍存在着一些不足，具体表现在：科研、产业之间还不能紧密的结合在一起，不能及时地实现科技成果的产业化；基础研究相对薄弱，管束腐蚀和磨蚀失效，管子与管板的连接失效，管束振动失效，管束泄漏，介质腐蚀，物性参数计算问题，传热性能问题，计算方法等。与国外公司相比，在经营管理方面还有待完善。1.4 课题的研究目的和意义 近年来世界能源危机，有力的促进了传热强化技术的发展。为了节能降耗，提高工业生产效益，要求开发适用于不同工业过程要求的高效能换热设备。这是因为，随着能源的短缺，可利用热源的温度越来越低，换热允许温差将变得越来越小，故对换热技术的发展和换热性能的要求也就更高。所以，这些年来，换热器的开发与研究日益成为人们关注的话题。在技术进步与经济效益催动下，国外推出了多种新型换热器，例如，ABB公司的螺旋折流板换热器（HelixchangerTM）、Hamon-Lummus公司SRCk空冷式冷凝器、Packinox换热器、NTIW列管式换热器、日本的Hybrid混合式换热器等。这些国外针对新型换热器的研究有的着重于强化管内传热，有的着着眼于壳程强化传热，有的改进了管箱设计，有的在于防腐防垢等。换热器的开发与研究日益成为人们关注的话题。第2章 换热器的工艺计算2.1 设计任务和操作条件 两流体的温度变化情况：热流体急冷水进口温度85，出口温度65，工作压力为1.2Mpa，流量为,82835Kg/h；冷流体石脑油进口温度9.85，出口温度60，工作压力为1.2Mpa，流量为66613Kg/h。2.2确定设计方案2.2.1两流体温度变化情况：热流体的进口温度为85，出口温度为65；冷流体的进口温度为9.85，出口温度为602.2.2流程安排：从两物料的特性看，因为石脑油是易燃易爆，轻度毒性，且易结垢的液体，故选择水走壳程。使温度高的热流体急冷水走管程，可利用换热管向外散热,减少热量损失。2.3确定物性数据定性温度，对于一般气体和水等低粘度流体，其定性温度可取流体进出口温度的平均值，故壳程石脑油的定性温度为：管程水的定性温度为：75 密 度 比热容 粘 度 PaS导热系数石脑油 712.35 2.0804 0.1238急冷水 975.45 4,1925 0.6634表2-1壳程和管程流体的有关物性数据2.4估算传热面积2.4.1热负荷2.4.2 急冷水用量2.4.3平均传热温差按单壳程，多管程进行计算，逆流时平均温差为：2.4.4计算换热面积由化工原理附录，低温流体为水，高温流体为油，K的经验值为260-710W/( )初选K=400 W/( 考虑12.5%的面积裕度2.5工艺结构尺寸2.5.1管径与管内流速的选择选取传热管尺寸192mm ,料为10号钢管管内物料为水，选择管内流速为1=0.95m/s2.5.2单程传热管数的确定可依据传热管内经和流速确定单程传热管数2.5.3管长度的确定按单程计算 按单程管设计，传热管过长，宜采用多管程结构。根据实际情况，采用标准设计，取传热管长l=5500mm，则该换热器的管程数为：换热管总数：2.5.4平均传热温度校正及壳程数平均传热温度校正系数正方形排列不紧凑，但便于机械清扫，常用于壳程介质易生污的浮头式换热器；采用正方形。管心距其换热管分程隔板槽两侧相邻的管心距横过管束中心线的管数 2.5.6筒体内径的确定采用多管程结构，壳程体内径可按式估算，取管板利用率，则壳体内径圆整取标准系列，取 2.5.7折流板采用弓形折流板，取弓形折流板圆缺高度为壳体内径的25%。则切去的圆缺高度h为：折流板间距B流板折数 折流板圆缺面水平装配2.5.8其他附件查的，DN=800mm，栏杆直径为12mm，数量为6 根。因壳程介质具有腐蚀性，壳程入口处应设置防冲挡板。2.5.9接管壳程流体进出口接管，取接管内流速为1m/s，则接管内径为选用无缝钢管，尺寸为1946mm。管程流体进出口接管，取接管内流速为1m/s，则接管内径为选用无缝钢管，尺寸为1949mm。2.6核算换热器2.6.1核算总传热系数2.6.1.1管程对流传热系数当量直径 流通截面积 流速 雷诺数 普朗特数 2.6.1.2壳程对流传热系数壳程流通截面积 流速 当量直径 雷诺数 普朗特数 取 2.6.1.2污垢热阻取管内污垢热阻取管内污垢热阻 管壁热阻 碳钢在该条件下的导热系为50 W/m C 2.6.1.4总传热系数 管壁热阻可忽略时，总传热系数为 2.6.1,5传热面积裕度 传热面积 实际传热面积 该换热器的面积裕度为 该换热器能够完成生产任务。2.6.2核算压强降2.6.2.1.管程压降 管程阻力结构校正系数 管程数 壳程数 单程至管阻力 有Re=23881，传热管相对粗糙度度为0.01，查莫狄图得 ，流速为0.41m/s。管程流体阻力在允许的范围内2.6.2.2.壳程压降 流体流经管束的压降管子形式对阻力损失的影响 F=0.3流体流经过折流板的压降总压降计算表明，管程壳程压强降都满足要求。表2-2 换热器的主要结构尺寸和计算结果表管 程壳 程 流 量 kg/h8382566613温 度 85/659.85/60压力MPa1.21.2物性定性温度34.92575密度kg/m3975.45712.35热容kJ/kg4.19252.0804粘 度Pas3.83510-44.9510-4导热系数 w/m0.66340.1238普兰特数2.4238.32设备结构参数型 式浮头式台 数1壳体内径 mm800壳程数1管 径 mm管心距mm25管 长mm5500管子排列转角90正方形排列管数目（根）560折流板数(个)16传热面积m2160折流板距mm320管程数4材 质碳钢主要计算结果管 程壳 程流 速m/s0.410.451传热膜系数w/m24218.52816污垢热阻m2/w0.0003450.000517压力损失kPa6.7323.387热负荷kW1931传热温差33.1传热系数w/m2390裕 度%22.842.7本章小结本章主要阐述了浮头式换热器的工艺计算，根据设计任务和操作条件确定换热器类型，查找物性数据。进行传热计算，工艺结构尺寸的确定，管子的规格确定，数目的计算。是否分程。其他零部件的初步选定。壳体的公称直径，接管的计算及确定。管、壳程流体的阻力计算，以及总传热系数校核。第3章 浮头式换热器的强度计算 表3-1管、壳程计算相关部分数据管程壳程压力MPa操作1.21.2设计1.321.32温度操作(进/出)85/659.85/60设计10070介质急冷水石脑油腐蚀裕量mm22程数41焊接接头系数0.850.853.1壳体计算3.1.1筒体计算 根据工艺条件壳程的设计压力为1.0Mpa，焊缝采用单面焊对接接头局部无损探伤，焊接接头系数，材料选Q345R，100下材料的许用应力按GB6654-1996，取钢材厚度负偏差,C1=0.3mm腐蚀裕量， 圆筒计算壁厚为设计厚度 名义厚度 有效厚度 液压试验对于内压容器，耐压试验的的目的是：在超设计压力下，考核缺陷是否会发生快速扩展造成破坏或开裂造成泄漏，检验密封结构的密封性能。水压试验压力式中耐压试验压力，；压力容器的设计压力， ；耐压试验压力系数；对于钢和有色金属，液压试验时。压力试验允许通过的应力水平 sT 0.90 ss =292.5试验压力下圆筒的应力由于sT sT ，所以满足条件3.2.前端管箱筒体计算.管程的设计压力P=1.32MPa；焊接接头系数设计温度70；腐蚀裕量。在此筒体的材料选择Q345R设计温度需用应力，钢板负偏差，腐蚀余量2mm。筒体简图如下： 图3-2通体简图计算厚度名义厚度 有效厚度 液压实验对于内压容器，耐压试验的的目的是：在超设计压力下，考核缺陷是否会发生快速扩展造成破坏或开裂造成泄漏，检验密封结构的密封性能。实验压力值实验压力下圆筒的应力校核，所以、合格。3.3管箱封头的设计根据工艺条件的要求、和制作的难易程度和材料的消耗情况采用标准椭圆封头最合理。根据标准，取管箱封头为，曲面高度h1=200mm。直边高度，材料选用Q345R。最大允许工作压力：应力校核： 为保证耐压实验时管器材料处于弹性状态，在耐压试验前必须按下式校核试验时封头的薄膜应力液压试验时，应满足=0.90.8345=248.4MPa 满足要求。3.4浮头设计计算根据GB151-1999管壳式换热器7选用钩圈式浮头，浮头端盖选用球冠形封头，根据换热器筒体内径，查GB151-1999管壳式换热器表46可得封头球面内半径 图3-4浮头简图表3-2布管限定圆参数表换热器形式固定管板式/U形式浮头形式布管限定圆直径选择所用参数并绘制表格3-3布管限定圆参数表序号项目单位数值项目单位数值14布管限定圆直径77125垫片压紧力作用中心圆直径314封头球面内半径600415.5螺栓中心圆直径布管限定圆直径浮头法兰和钩圈的内直径浮头法兰和钩圈的外直径外头盖内直径浮动管板外径螺栓中心圆直径Db3.5壳程外压作用下浮头盖的计算分别按设计压力计算，然后取最大值。计算压力，封头的材料仍选择Q345R。封头材料的许用应力焊接接头系数取腐蚀裕量C2=3mm，厚度负偏差C1=0.3mm。3.5.1按内压设计3.5.2按外压设计假设厚度，取内压计算值8mmA=0.000989mm查图GB150图6-5. B=170此时许用外压力满足壳程内外压的要求。3.6管板的设计计算3.6.1设计压力及设计温度的选取 A）设计压力-Pd Pd =max（Pt、Ps）=1.32MPa B）设计温度 取较高侧的设计温度。T=100。3.6.2结构系数的确定 A）DG-垫片压紧力作为中心圆的直径，mm按JB4703-2000，A800-1.6 D4选取，管板外圆直径为863mm。因 故 N -垫片的接触宽度，mmb0-基本密封宽度，mmb -有效密封宽度，mmDG=847mm B）在布管区内，因设置隔板槽和拉杆结构的需要，而未能被换热管支承的面积，。对于正方形排列式中：换热管中心距, mm2；隔板槽两侧相邻管中心距，mm； N.-沿隔板槽一侧的排管根数。取n=29 C）管板布管区当量直径Dt换热管正方形排列的浮头式换热器，管板布管区的面积为: D）面积管板布管区内开孔后的面积为：一根换热管管壁金属横截面积从GB151附录J查得a=106.81mm2560根换热管管壁金属横截面积Na=560106.81=59813.6mm2 E）系数管束模数为 设计温度下换热管材料的弹性模量； 管板布管区当量直径，mm。换热管的有效长度为：式中换热管长，mm。管板的名义厚度，mm；换热管与管板胀接长度或焊脚高度，mm。根据换热管外径查管壳式热交换器设计手册GB151知管板最小厚度，在这里取。在这里换热管和管板的连接方式选择焊接，参考管壳式热交换器设计手册GB151表33取。所以管板刚度削弱系数，一般可取F）计算Pa查系数C 管板强度削弱系数一般为0.4查GB151图23得C=0.475G）换热管稳定许用应力系数 换热管回转半径查 GB151附录J得 i=6.05因 故3.6.3管板厚度计算管侧 结构开槽5mm，C2 =2mm壳侧 结构开槽0mm，C2 =0mm计算厚度加结构尺寸及腐蚀裕量取值为44mm原厚为40mm，计算值为44mm应重假设厚度重查GB151图23得C=0.475 故名义厚度为44mm合适。3.6.4换热管轴向应力校核A） 只有管程设计压力壳程为0 Pt=1.32MPa Ps=0PMa按A与查GB151图24得Gwe =5.612.79MPa112MPa，校核通过。B） 只有壳程设计压力 管程为0 Pt=0MPa Ps=1.32PMa按A与查GB151图24得Gwe =5.6 因为：故校核通过。3.6.5热管与管板连接的拉脱力校核利用换热管与管板强度焊接结构尺寸l-换热管与连接的焊缝尺寸，mm l=1.5+2=3.5mm校核通过3.7接管及开孔补强计算3.7.1外壳接管开孔补强计算(1)设计条件计算压力：Pc=1.32MPa计算温度：100接管实际外伸长度：200接管实际内伸长度：0接管焊接接头系数：0.85接管腐蚀裕量：2接管厚度负偏差：接管材料许用应力：189MPa（2）开孔补强计算壳体计算厚度为8；接管计算厚度；接管直径d=di+2C2=182+22=186mm（3）削弱金属面积A fr=1（4）壳体多余金属面积A1 接管计算壁厚外侧有效厚度 接管多余的截面积A2故不需补强3.7.2管箱接管开孔补强计算(1)设计条件计算压力：Pc=1.32MPa计算温度：100接管实际外伸长度：200接管实际内伸长度：0接管焊接接头系数：0.85接管腐蚀裕量：2接管厚度负偏差：接管材料许用应力：189MPa（2）开孔补强计算壳体计算厚度为8；接管直径d=di+2C2=176+22=180mm（3）削弱金属面积A fr=1（4）壳体多余金属面积A1 接管计算壁厚 故不需补强 3.8.浮头法兰计算3.8.1 机构尺寸设计 1、浮头法兰和钩圈的外直浮头法兰和钩圈的内直径按中结构尺寸选取，按照螺柱直径及经验估算，本设计取螺柱中心圆直径1030mm。螺柱 个数，螺柱材料垫片选用 包垫，JB4718 尺寸 厚度D0为浮头管板外直径，则，垫片有效密封宽度管板垫片压紧力作用中心圆直径查表，垫片系数，垫片比压力螺柱按300设计，可取设法兰厚度2、按GB151-99表47内压计算（Pt=0MPa，Ps=1.32MPa），结果见表3-4： 表3-4 浮头法兰内压计算设计条件垫片及螺栓计算计算压力垫片材料：0Cr18Ni19 包耐油石棉橡胶板设计温度外径内径厚度=法兰材料：螺栓直径螺栓数量个许用应力设 螺栓材料许用应力或（取两者较大值）为4004mm2操作情况下法兰受力力臂力矩操作情况下法兰总力矩： 预紧螺栓时法兰受力力臂力矩操作状态：预紧状态：法兰厚度操作状态：预紧状态：法兰厚度取与之大者，且不小于球冠形封头名义厚度的两倍。(3)外压计算Pt=0MPa，Ps=1.32MPa。见表3-5表3-5 浮头法兰外压计算表设计条件垫片及螺栓计算计算压力垫片材料：0Cr18Ni19 包耐油石棉橡胶板设计温度外径内径厚度=法兰材料：螺栓直径螺栓数量个许用应力设 螺栓材料许用应力或（取两者较大值）为4004mm2操作情况下法兰受力力臂力矩操作情况下法兰总力矩： 预紧螺栓时法兰受力力臂力矩操作状态：预紧状态：法兰厚度操作状态：预紧状态：法兰厚度取与之大者，且不小于球冠形封头名义厚度的两倍。(4)综合内压及外压的计算结果取大值，确定。根据内外压工况计算结果，故取此时考虑双面腐蚀，有3.9.钩圈查选B型钩圈，为钩圈设计厚度，；为浮动管板厚度，；则3.10 分程隔板由于是多管程换热器，故此处需要用到分程隔板。查可知：分程隔板槽槽深，取为,槽宽为，取分程隔板的最小厚度为。3.11其他结构的选择3.11.1支座选择鞍式支座如图2-9所示。鞍式支座在换热器上的布置，因，取。采用双支座时，一个鞍座为固定支座，地脚螺栓为圆孔；另一个鞍座为活动支座，地脚螺栓为长圆孔，配合两个螺母，第一个螺母拧紧后，倒退一圈，然后再用第二个螺母锁紧。这样，可以使设备在温度变化是自由伸缩。如图示：图3-1 鞍式支座JB/T4712.1-2007,鞍座BI 600-S 材料Q345R置于对称分布的鞍座上卧式容器所受的外力包括载荷和支座反力。容器受重力作用时，双鞍座卧式容器可近似看成支承在两个铰支点上受均布载荷的外伸简支梁支座的安放位置也有一定的标准，一般支座与壳体端面的距离A0.2L，L为壳体的长度。查JB/T4712.1-2007标准，在DN500mm900mm、120o包角重型带垫板或不带垫板鞍式支座结构。3.11.2法兰选择3.11.2.1壳体的接管法兰的选择压力容器法兰是压力容器的常用部件，是连接压力容器部件的基本元件。法兰应该是个组件，包括法兰垫片和连接螺栓或螺柱以及螺母。其作用是使不同的受压元件组合在一起，同时保证连接部位不产生泄露。本次设计的换热器公称直径为800mm，设计压力为1.32MPa,参考设计标准应当选择对焊法兰。壳体法兰我国压力容器行业，压力容器法兰分类主要按结构形式进行划分。本设计采用对焊法兰。壳体接管采用平颈对焊法兰，由于管箱、壳体、浮头箱直径都不一样，因此在选用法兰时，不能只按标准选取。如图6为壳体与浮头箱的对接法兰，DN=800mm的是按标准选取的。3.11.2.2管箱接管法兰选择管箱接管采用平颈对焊法兰，如图示： 图4-2 接管法兰设计尺寸按化工机械标准设计3.11.3.拉杆的选取常用的拉杆结构有两种，拉杆定距管结构和拉杆折流板点焊结构。这里选用拉杆定距管结构，适用于换热管外径大于或者等于19mm的管束。如图所示：图4-3拉杆定距管结构简图拉杆的直径和数量拉杆的直径和数量可以按GB151管壳式热交换器设计手册表43和表44选用因为换热管的外径为由表得拉杆直径选择为 进一步选择拉杆的数目8Lb=60mm La=15mm d=12mm在保证大于或者等于所给定的拉杆中截面积的前提下，拉杆的直径和数量可以变动，但其直径不得小于10mm，数量不得小于4根。拉杆的长度按需要确定。拉杆的布置拉杆应尽量均匀布置在管束的外边缘。对于大直径的换热器，在布管区内或者靠近折流板的缺口处应布置适当数量的拉杆，任何折流板应不少于3个支撑点。3.11.4防冲与导流管程设置防冲板的条件当管程采用轴向入口接管或换热管内流体流速超过时，应设置防冲板，以减少流体不均匀分布和对换热管端的冲蚀。因为本设计管内水流速为0.95m/s，所以不需要设计防冲挡板。第四章 管壳式换热器检修、安装、使用和维修 4.1概述设计确定后，制造质量是换热器最终建造质量的重要组成部分。因此，换热器制造单位必须按照压力容器安全技术监察规程（1999版）的规定具备健全的质量保证体系，并持有国家主管部门颁发的批准书和许可证。在全国制造过程中接受安全监察机构（或其授权的检验机构）的全面监督。如果建造主要制造监理时（监理内容在合同中商定）制造单位还应配合业主做好监理。制造完成后，制造单位必须向业主提供完整的制造出厂资料，资料应符合国家标准的规定，并附有安全监察机构的监督检验报告。还应向业主提供监督检验机构打好钢印的产品铭牌。4.2检测接接头先经形状尺寸及外观检查合格后，再进行无损检测，所有A、B类焊缝应进行20%的射线或局部超声检测，检测长度不小于250mm。纵焊缝和环焊缝相交叉部位必须进行无损检测，对焊缝交叉部位及开孔区将被其它元件覆盖的焊缝部位必须全部检测；对经过局部超声或射线检测的焊接接头，如果在检测部位发现超标缺陷时，则应进行不少于该焊缝接头长度10%的补充局部检测，且不少于250mm，如仍不合格，则应对该焊接接头全部检测，另外，对于公称直径大于或等于250mm的接管对接接头的无损检测比例及合格级别应与壳体主体焊缝焊缝要求相同；对于公称直径小于250mm，其壁厚小于28mm时仅做表面无损检测，合格级别为级。4.3安装、使用、维修安装换热器得基础必须足以使换热器不发生下沉，安装时采用混泥土基础，换热器通过鞍式支座由地脚螺栓将其与基础牢固的连接起来。在装换热器之前应严格地进行基础质量的检查和验收工作，主要项目如下：基础表面状况；基础标高、表面位置、形状和主要尺寸以及预留孔是否符合设计要求；地脚螺栓的位置是否正确，螺纹情况是否良好，螺帽和垫圈是否齐全；放置垫圈的表面是否平整等。基础验收完后，需在安装换热器之前在基础上放垫铁，安放垫铁处的基础表面必须铲平，以使两者很好得接触。4.4本章小结 本章主要介绍了筒体、法兰、管束、管箱的组装和焊接问题，另外稍微介绍了一点检测和安装、使用和维修时注意的问题。结论这次毕业设计首先根据所给的任务书查阅相关书籍、了解换热器的背景和现阶段的主要成果。首先查阅相关书籍资料，确定两介质的物性数据，然后对管壳式换热器进行工艺计算。确定固定管板式换热器为4管程，以及换热管192，传热面积S=184，DN800，换热管长度L=5500mm，初步定折流板间距为320mm，管程接管尺寸为1949mm，壳程接管尺寸1946mm，固定管板厚为44mm，外径为863mm，钩圈厚为44mm，外径计算为880mm，内径为762mm。为通过压强将校核和总传热系数校核确定所选换热器型号符合要求。按标准选取接管，封头，法兰，垫片，支座，折流板的形式和尺寸。最终确定了工艺结构尺寸，在之后根据GB151-99、GB150-98等有关换热器设计的书籍对换热器的结构进行设计和强度进行了校核，包括筒体壁厚和标准椭圆封头壁厚的计算，得出壁厚均为8mm；水压试验和壳体的强度校核，其都满足要求；四种危险工况的校核，都满足要求；开孔补强，经过计算，接管不需补强。并了解了一些管壳式换热器的检验，安装和维修知识。最后进行换热器的绘图。经过计算和校核，选取此型号的固定管板式列管换热器满足工艺要求和强度要求，所以此换热器合格。主要参考文献1姚玉英，陈常贵，柴诚敬编著.化工原理（第2版）M.天津：天津大学出版社，2004.32贾绍义，柴诚敬主编.化工原理课程设计M.天津：天津大学出版社，2002.83秦叔经，叶文邦等编.换热器M.北京：化学工业出版社，2002.124全国压力容器标准化技术委员会编.GB151-1999管壳式换热标准释义M.昆明：云南科技出版社，2000.115T.Kuppan著.换热器设计手册M.钱颂文等译.北京：中国石化出版社，20036 中国石化集团上海工程有限公司编.化工工艺设计手册（第四版）M.北京：化学工业出版社，2009.67 于风叶，史红刚. 管壳式换热器的设计原则J.石油化工设计,2009,26(4):19-218周蕾.固定管板式换热器的研究与优化D.青岛，青岛科技大学化工过程机械专业，2006.9 郑津洋，董其伍，桑芝富主编.过程设备设计（第2版）M. 北京：化学工业出版社，2005.510.GB150钢制压力容器设计标准石油化工出版社,2009,26(4):19-2111.GB151管壳式热交换器设计手册北京：化学工业出版社，2005.512.JB/T4712.1-2007标准北京：化学工业出版社，2005.513.JB/T4700-4707-2000石油化工设计2009,26(4):19-21 致谢 在近四个月的毕业设计过程中，我的导师和同学们给予了我很多的帮助和支持。乔老师积极地指导我们，努力引导我们搜集相关的资料和书籍解决我们毕业设计遇到得问题。虽然我是这个组里唯一一个做设计的，但在整个毕业设计过程中，导师既鼓励我独自思考问题和解决问题，又热情帮助我解决所碰到的问题，帮我找其他老师一起辅导我。此次设计中，我学到了很多东西。我通过查阅大量相关资料，与同学交流经验，向老师请教等多种方式，在设计中才明白很多以前学过的东西是应该这样应用的，还有以前不懂得知识问题这次也解决可。深深地知道做设计的不易，不仅要了解设备的结构，还要了解各个部件的特殊设计，材料的选择。此次设计大大增强了我的自学以及接受新知识的能力，也补充了以前学习中的不足，增强了对所学专业知识的理解，知道如何去设计它，如何组装等等细节为问题。由于经验以及所学知识的有限，对一些知识和问题理解不够深刻，设计中有很多不足之处，这需要我更努力学习，积累经验，不断提高自己的能力。选择做设计，提高了我的动手能力，也让我充分体会到了在创造过程中探索的艰难和乐趣。虽然这个设计做的不是很好，但是在设计过程中所学到的东西是我这次毕业设计的重大收获和财富。特别要感谢我的指导老师们，孙老师倾心的指导，乔老师的尊尊教诲，郭老师的细心解答。我深深地感受到老师们的兢兢业业的精神，以及他们平易近人的性格。最后还要感谢其他同学，没有我们大家的努力和相互学习不可能完成设计，谢谢大家！给了我一温馨圆满的大学生活。再次真心的感谢。附录1燕山大学里仁学院毕业设计（论文）开题报告课题名称：石脑油/急冷水换热器设计 学院（系）： 里仁学院建环系 年级专业： 10级过程装备4班 学生姓名： 赵 金 英 指导教师： 乔 桂 英 完成日期： 2014 年 3月 17 日 一、综述本课题国内外研究动态，说明选题的依据和意义换热器是一种实现物料之间热量传递的节能设备,因其换热效率、流体力学性能等方面有着突出的表现而得到越来越多的关注和研究，在石油、化工、冶金、电力、轻工、食品等行业应用普遍。目前,在换热设备中,管壳式换热器使用量最大。它适用于冷却、冷凝、加热 、蒸发及废热回收方面，是理论研究水平最高、设计技术最完善、标准化、规范化、历史久远及计算机软件开发最早的换热设备。它的工艺设计一般是指传热设计和压降（或流动）设计，传热尤为复杂。近年来随着节能技术的发展,管壳式换热器向高温、高压以及大容量的发展，应用领域不断扩大,带来了显著的经济效益，给管壳式换热器增添了新的生命力。因此对其进行研究就具有很大的意义。 管壳式换热器是换热器的基本类型之一，19世纪80年代开始就已应用在工业上。这种换热器结构坚固，处理能力大、选材范围广，适应性强，易于制造，生产成本较低，清洗较方便，在高温高压下也能适用。为了提高和强化管壳式换热器的传热效率，近年来 各国开展了许多研究工作，除了对管壳式换热器的设计方法作改进外，主要是对该换热器的传热管件及结构做改动，从而实现强化传热。 管壳式换热器管程结构发展 管程强化传热可归结为两个方面:改变传热面的形状和在传热面上或传热流路径内设置各种形状的物体。改变传热面形状，在管子壁面上形成有规律或无规律分布的凸起物,或将管壁本身沿轴向制成波纹状或螺旋状等,这些传热面上的各种形状的凸起物既是促进体,又起断续阻断边界层发展的作用，提高传热面积。试验研究表明,管内插入纽带之后,层流换热,则对流传热系数可增大23倍,最大可达10倍,压降增加3倍以上。管内插入不同形式的螺旋线圈强化层流区加热油的情况,结果表明内插螺旋线圈强化层流区换热,传热系数可高达35倍,而强化紊流区换热时,传热系数只提高30%50%。壳程的传热强化研究包括管型与管间支撑物的研究。根据不同的管束支承结构可分为板式支承、杆式支承、管子自支承等几种形式。传热管外表面形状的改变主要是在其外表面上加工出沟槽和翅片,外表面有沟槽的传热管主要包括螺旋槽管、横纹管、波纹管等。新近又由瑞士Allares公司技术，后经Brown Fintube Ltd改进的高效传热元件-偏置折边翅边管和螺旋扁管。Hamon-Lummus公司又新推出一种SRC翅片管，用于冷凝传热。最近，江楠等提出了一种新型的管束自支承结构,该结构将太阳棒针翅管或钉头管与变截面混合管束支承有机结合在一起。其具有相当理想的强化传热效果,针翅管或钉头管在换热管有规律的分布,构成诸多扰流元,破坏流体边界层起到强化传热作用，管子各段受力均匀,起到良好的支承和抗振作用。换热器的选材也要综合考虑，既要考虑材料的抗腐蚀性，强度，韧度，又要考虑其经济性。总之，随着社会经济的发展，为了适应节约资源和能源的时代要求，对换热器的要求也越来越高。综合考虑各方面因素，要制造出低成本，高能效的换热器，在推动生产发展因素的同时，也会获得较高的经济效益。故其的提升空间很大，有待改进的方面还很多。2、 研究的基本内容，拟解决的主要问题 1、研究基本内容：熟悉和掌握相关理论知识和标准，严格按照国际压力容器相关标准、行业标准及规范完成所有设计内容，达到设计目标。设计要求选材合理，结构合理，强度计算完整准确，设计计算说明书书写工整，设计图纸表达清晰，图面整洁。2拟解决的主要问题： (1)工艺计算：壳程:混合石脑油，流量66613kg/h，操作压力1.2Mpa，进口温度9.85，出口温度为60；管测：急冷水，初始温度为85，流量为82835kg/h，操作压力为1.2Mpa。按此条件设计换热器。 (2)进行换热器的结构设计，进行各主要构件的强度计算； (3)编制设计计算说明书，字数20千字以上，外文资料翻译5千字以上，设计图纸绘图量6A1以上。 三、研究步骤、方法及措施 1.查阅相关资料了解设计意义和目的。2.根据所学知识进行相关计算。3.查阅标准核对计算结果是否符合要求。4.根据计算数据绘制按要求绘制图纸。四、研究工作进度 1 3周：检索相关技术资料，熟悉毕业课题，并撰写开题报告和文献综述。4 7周：完成初步方案设计，进行工艺计算和强度计算，完成外文资料翻译。8 11周：完成换热器的总体结构设计，绘制设备总图。12 14周：绘制设备的零部件图。15 16周：撰写设计说明书，并答辩。五、主要参考文献 1邓颂九,提高管壳式换热器传热性能的途径M.化学工程,1992,20（2）:30-36. 2棚泽一郎,换热技术研究开发与最新动向.配管技术 日,1995,37（7）:51-56. 3化工设备设计全书换热器. 4柴诚敬,张国亮.化工流体流动与传热M.北京:化学工业出版社,2000. 5王元文,管壳式换热器的优化设计J. 江苏:广东化工 2005,（3）:43-44. 6秦叔经，叶文邦等编管壳式换热器J.化学工业出版社,2005.12.1. 7董其伍,刘敏珊,苏立建 .管壳式换热器研究进展 D.上海. 上海冶金研究所.2000.1. 8董其伍,刘敏珊.管壳式换热器研究进展J.化工设备与管道,2006,43(6):18-22. 9邓先河,邓颂九螺旋槽管管壳式换热器的传热与阻力研究J化学工程,1991,(1):12-14. 10程俊国,冯俊,等,螺旋管的传热及流阻性能J.重庆大学学报,1980,(3):81-94. 11江楠.管壳式换热器管束的支承结构J.化工进展,2006,25(增刊):204-207. 12李华.太阳棒针翅优化和针翅结构参数对传热和压降的影响J.制冷，2002,2(1):2-6. 13董宝春.管壳式换热器的工艺设计J.甘肃石油和化工, 2009,3(3):34. 14贺运初.换热器的强化传热与优化设计J.化工装备技术,1997,(2):25-28. 15 吴金星,董其武,刘敏珊,郑州大学;王志文,华东理工.管壳式换热器失效分析预防及在线测量.安全分析J.郑州工业大学学报,1997,6(4):58-59.16Mukherjee Raji Effectively design shell-and -tube heat exchangers Chemical Engineering Prog-ress,1998. 17 Gulyani BB.Estimating numbuer of shells in shell and tube heat exchangers a new approach based on temperature cross J .Transactions of the ASME J.of Heat Transfer ,2000,122(3);566-571. 18 Aurioules G.Comply with ASME code during early design stageJ.Cemical engineering progress 1998,94(6):45-50.附录2燕山大学里仁学院毕业设计（论文）文献综述 课题名称： 石脑油/急冷水换热器设计 学院（系）： 里仁学院建环系 年级专业： 10级过程装备4班 学生姓名： 赵 金 英 指导教师： 乔 桂 英 完成日期： 2014年3月17日 一、课题国内外现状60年代左右，由于空间技术和尖端科学的迅速发展，迫切需要各种高效能紧凑型的换热器，再加上冲压、密封等技术的发展，换热器制造工艺得到进一步完善，从而推动了紧凑型换热器的蓬勃发展和广泛应用。此外，自60年代开始，为了适应高温和高压条件下的换热和节能的需要，典型的管壳式换热器也得到了进一步的发展。 在石油、化工、冶金、电力、轻工、能源等部门所使用的换热设备中,管壳式换热器处于主导地位。它适用于冷却、冷凝、加热 、蒸发及废热回收方面，是理论研究水平最高、设计技术最完善、标准化、规范化、历史久远及计算机软件开发最早的换热设备1。它的工艺设计一般是指传热设计和压降（或流动）设计，传热尤为复杂2。近年来随着节能技术的发展,换热器的应用领域不断扩大,带来了显著的经济效益3，给管壳式换热器增添了新的生命力。因此对其进行研究就具有很大的意义4。这种换热器结构坚固，处理能力大、选材范围广，适应性强，易于制造，生产成本较低，清洗较方便，在高温高压下也能适用。为了提高和强化管壳式换热器的传热效率，近年来 各国开展许多了研究工作，除了对管壳式换热器的设计方法作改进外，主要是对该换热器的传热管件及结构做改动，从而实现强化传热5 。新近由瑞士Allares公司技术，后经Brown Fintube Ltd改进