毕业设计[共51页]

北方民族大学过程装备与控制工程专业2011届本科生毕业设计序 言2前 言3第一章 选题背景41.1选题背景41.2 研究的目的51.3 研究的意义51.4 国内外现状和发展趋势与研究主攻方向51.5换热器的种类及特点81.5.1.管壳式换热器81.5.2.蛇管式换热器101.5.3.套管式换热器11第二章 方案论证122.1 概述122.2 传热原理122.3 换热器的选型14第三章 固定管板式换热器的设计153.1 热力学计算153.1.1水的定性温度和物性参数153.1.2污水的定性温度和物性参数163.1.3有效平均温差163.1.5 传热管和壳体壁温核算183.2管程及壳程压力降193.2.1管程压力降计算193.2.2 壳程压力降校核203.3 流程及结构设计213.3.1管子的设计223.3.3管板的设计233.3.4管箱273.3.5管束分程、管程隔板及其管板的连接293.3.6折流板设计293.3.7排气孔和排液孔313.3.8壳体设计323.3.9壳程接管的设计323.3.10封头设计343.3.11试验压力353.3.12支座37第四章 膨胀节394.1 压力产生的应力404.2 温差产生的应力414.3 拉脱力444.4 强度条件45第五章 换热器中强化传热途径简述465.1 加大传热系数K475.2 增大平均温差475.3 扩大传热面积47第六章 总结48第七章 计算结果总汇48参考文献51序 言 学 生：胡成雨 北方民族大学化学与化学工程学院指导老师：姜国平 北方民族大学化学与化学工程学院 摘要换热器作为一种流体间传递热量的设备，在化工行业中占有举足轻重的地位。列管式换热器单位体积具有的传热面积大以及传热效果好。其中固定管板式换热器为两端管板和壳体连接成一体，具有结构简单和造价低廉等优点，因此使用较为广泛。本论文设计了一台电脱盐排水的固定管板式换热器。由已知工况下物性参数，首先，进行工艺计算，然后进行机械设计，其中包括法兰、筒体、封头、管板等的设计，最后画出装配图和零件图。关键词 换热器；管板；设计The Fixed Tube-sheet Teat ExchangerStudent:Hu Chengyu College of Chemistry and Chemical Engineering,North University for EthnicsInstructor:Jiang Guopin College of Chemistry and Chemical Engineering,North University for EthnicsHeat exchangers are playing an important role in chemical industries as heat-exchanging equipments among different fluids.The Tube-sheet exchangers have the advantages of larger heat-exchanging area,besides,its effective.And the fixed tube-sheet heat exchangers are made in the form of combining the plates with tubes of each side,which makes them flexible to manufacture and competitive in their producing price,hence,they are widely utilized.The designing thesis is to design a fixed tube-sheet heat exchanger for electro-desalting draining.Its started with known parameters,and then doing the technology calculations,followed by mechanical designings,flanges，shells，shell covers，plates included .Doing the installation and component drawing goes to the final.Key words Heat Exchanger Tube-sheet Design前 言 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。出于不同的使用目的和工艺要求，换热器的型式很多，而且仍在不断的发展。当前，为了适应我国经济发展的需要，无论从有关工业本身的发展或从能源的开发、利用和节约来看，对换热器都提出了更高的要求。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。而固定管板式换热器集中了管壳式换热器的优点，应用相当广泛。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。本设计主要研究换热器的设计原理、传热学计算、结构设计，其中结构设计主要包括两部分，即工艺尺寸的设计与计算及部件结构的设计与计算。针对固定管板式换热器适应热膨胀能力差的缺点，重点研究膨胀节。从三个方面来考虑是否需要设置膨胀节，如需要，则如何设置其结构和对其进行强度计算。由于本人知识有限，再加上经验不足，设计中存在的不妥和错误之处，肯请予以批评指正。 2011年4月第一章 选题背景1.1选题背景本设计课题来源于生产实际。换热器是把热量从一种介质传给另一种介质的设备。换热器是化工、石油、制药及能源等行业中应用相当广泛的单元设备之一。据统计，在现代化学工业中所用换热器的投资大约占设备总投资的30 % ，在炼油厂中换热器占全部工艺设备的40 %左右，海水淡化工艺装置则几乎全部是由换热器组成的。上个世纪70 年代初发生的世界性能源危机，有力地促进了传热强化技术的发展。为了节能降耗，提高工业生产经济效益，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(从长远来看，这是世界的总趋势)，可利用热源的温度越来越低，换热允许温差将变得更小，当然，对换热技术的发展和换热器性能的要求也就更高。所以，这些年来，换热器的开发与研究成为人们关注的课题。1.2 研究的目的换热器为石油，化工、食品、原子能及其它化工部门所广泛使用的一种工艺设备。一般情况换热器约占石油化工装置设备总重量的40%，其中又以管壳式换热器为主，因此管壳式换热器的研究开发和标准制订一向受到各国的重视，例如美国的TEMA和日本的JISB8249就是管壳式换热器的专用标准。近年来，随着制造技术的进步，强化传热元件的开发，使得新型高效换热器的研究有了较大的发展，根据不同的工艺条件与换热工况设计制造了不同结构形式的新型换热器，并已在化工、炼油、石油化工、制冷及制药各行业得到应用与推广，取得了较大的经济效益。各式换热器的设计思想各有新颖之处，结构上各具特色。有的在于强化管内传热，有的着眼于壳程强化传热，有的改进了管箱设计，有的着重防止管板诱导振动，有的紧凑了设备结构，有的在于防腐防垢。固定管板式换热器的两端管板采用焊接方法与壳体连接固定。换热管可为光管或低翅管。其结构简单，制造成本低，能得到较小的壳体内径，管程可分成多样，壳程也可用纵向隔板分成多程，规格范围广，故在工程中广泛应用。 1.3 研究的意义换热器是合理利用与节约现有能源、开发新能源的关键设备。当今世界，现有能源主要为煤、石油、天然气等资源。有限的储量难以满足工业及人们生活日益增长的需要，因此，合理利用现有能源及开发新能源已成为世界性的研究课题。在生产中大部分燃料释放的能量是通过换热设备传递的，换热器的合理设计、性能改善将直接关系着现有能源的合理利用。可供开发的新能源：核能、太阳能、地热能等要提供工业及生活使用，无一不需要大量符合使用要求的各式换热器。换热器的正确设置、合理设计、性能改善等对能源的有效利用及开发有着十分重要的意义。1.4 国内外现状和发展趋势与研究主攻方向换热器是化工、石油、制药及能源等行业中应用相当广泛的单元设备之一。据统计，在现代化学工业中所用换热器的投资大约占设备总投资的30 % ，在炼油厂中换热器占全部工艺设备的40 %左右，海水淡化工艺装置则几乎全部是由换热器组成的。上个世纪70 年代初发生的世界性能源危机，有力地促进了传热强化技术的发展。为了节能降耗，提高工业生产的经济效益，要求开发适用不同工业过程要求的高效能换热设备。因此，几十年来，高效换热器的开发与研究始终是人们关注的课题，国内外先后推出了一系列新型高效换热器。世界爆发能源危机，有力地促进了传热强化技术的发展。为了节能降耗，提高工业生产经济效益，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(从长远来看，这是世界的总趋势)，可利用热源的温度越来越低，换热允许温差将变得更小，当然，对换热技术的发展和换热器性能的要求也就更高。所以，这些年来，换热器的开发与研究成为人们关注的课题。换热器是国民经济和工业生产领域中应用十分广泛的热量交换设备，随着现代新工艺、新技术、新材料的不断开发和能源问题的日趋严重，世界各国已普遍把石油化工深度加工和能源综合利用摆到了十分重要的位置，换热器因而面临着新的挑战。换热器的性能对产品质量、能量利用率以及系统运行的经济性和可靠性起着重要的作用，有时甚至是决定性的作用。目前在发达的工业国家热回收率已达96%。换热设备在现代装置中约占设备总重的30%左右，其中管壳式换热器仍然占绝对的优势，约占70%，其余30%为各类高效紧凑式换热器、新型热管热泵和蓄热器等设备，其中板式、螺漩板式、板翅式以及各类高效传热元件的发展十分迅速。在继续提高设备热效率的同时，也促进了换热设备结构的紧凑性、产品系列化、标准化和专业化，并朝大型化的方向发展。近年来，国内已经进行了大量的强化传热技术的研究，但在新型高效换热器的开发方面与国外差距仍然较大，并且新型高效换热器的实际推广和应用仍非常有限。尚需从事换热器专业的技术人员在制造工艺方面加大力度进行研究，使我国换热器技术从各个方面赶上国际水平，也需要各换热设备使用厂家勇于引进和推广新型高效换热器，为我国的节能事业做出贡献。其次，新技术普遍应用。普遍采用电子设计自动化（EDA）、计算机辅助制造(CAM)、计算机辅助测试(CAT)、数字信号处理(DSP)、专用集成电路(ASIC)及表面贴装技术等。并且，产品结构发生变化。在重视高档仪器开发的同时，注重高新技术和量大面广产品的开发与生产。注重系统集成，不仅着眼于单机，更注重系统、产品软件化。随着各类仪器装上CPU，实现了数字化后，软件上投入了巨大的人力、财力。今后的仪器设计归纳成一个简单的公式：仪器=AD/DA+CPU+软件，AD芯片将模拟信号变成数字信号，在经过软件处理变换后用DA输出。随着工艺装置的大型化和高效率化，换热器也趋于大型化，并向低温差设计和低压力损失设计的方向发展。同时，对其一方面要求成本适宜，另一方面要求高精度的设计技术。当今换热器技术的发展以CFD(Computational Fluid Dynamics)、模型化技术、强化传热技术及新型换热器开发等形成了一个高技术体系发展趋势：进入21世纪以来，国外仪器行业的发展呈现出一些新的特点，引起了我国仪表业界的关注。一是新技术普遍应用。普遍采用电子设计自动化（EDA）、计算机辅助制造(CAM)、计算机辅助测试(CAT)、数字信号处理(DSP)、专用集成电路(ASIC)及表面贴装技术等。二是产品结构发生变化。在重视高档仪器开发的同时，注重高新技术和量大面广产品的开发与生产。注重系统集成，不仅着眼于单机，更注重系统、产品软件化。随着各类仪器装上CPU，实现了数字化后，软件上投入了巨大的人力、财力。今后的仪器设计归纳成一个简单的公式：仪器=AD/DA+CPU+软件，AD芯片将模拟信号变成数字信号，在经过软件处理变换后用DA输出。三是产品开发准则发生变化。从技术驱动转为市场驱动，从一味追求高精尖转为恰到好处。开发一项成功产品的准则是：满足用户明确的需求；用最短的时间投放市场；功能与性能要恰到好处。四存在问题：今年来，国内已经进行了大量的强化传热技术的研究，但在新型高效换热器的开发方面与国外差距仍然较大，并且新型高效换热器的实际推广和应用仍非常有限。尚需从事换热器专业的技术人员在制造工艺方面加大力度进行研究，使我国换热器技术从各个方面赶上国际水平，也需要各换热设备使用厂家勇于引进和推广新型高效换热器，为我国的节能事业做出贡献.总之，在产品开发准则上所发生的变化是不容忽视的。从技术驱动转为市场驱动，从一味追求高精尖转为恰到好处。开发一项成功产品的准则是：满足用户明确的需求；用最短的时间投放市场；功能与性能要恰到好处。1.5换热器的种类及特点1.5.1.管壳式换热器管壳式换热器又称列管式换热器，是一种通用的标准换热设备，它具有结构简单，坚固耐用，造价低廉，用材广泛，清洗方便，适应性强等优点，应用最为广泛。管壳式换热器根据结构特点分为以下几种：（1）固定管板式换热器固定管板式换热器 它由壳体、管束、封头、管板、折流挡板、接管等部件组成。其结构特点是，两端的管板与壳体连在一起，管束两端固定在管板上，这类换热器结构简单，紧凑，价格低廉，每根换热管都可以进行更换，且管内清洗方便，但管外清洗困难，宜处理两流体温差小于50且壳方流体较清洁及不易结垢的物料。带有膨胀节的固定管板式换热器，其膨胀节的弹性变形可减小温差应力，这种补偿方法适用于两流体温差小于70且壳方流体压强不高于600Kpa的情况。双管程固定管板换热器带膨胀节的固定管板换热器（2）浮头式换热器浮头式换热器的管板有一个不与外壳连接，该端被称为浮头，管束连同浮头可以自由伸缩，而与外壳的膨胀无关。浮头式换热器的管束可以拉出，便于清洗和检修，适用于两流体温差较大的各种物料的换热，应用极为普遍，但结构复杂，造价高。（3）填料涵式换热器填料涵式换热器管束一端可以自由膨胀，不会产生因壳壁与管壁温差而引起的温差应力，与浮头式换热器相比，结构简单，造价低，管束可从壳体内抽出，管内、管间均能进行清洗，维修方便。但壳程流体有外漏的可能性，因此壳程不能处理易燃，易爆的流体。且填料函耐压不高，一般小于4.0Mpa，填料函式换热器适用于管、壳壁温差较大或介质易结垢，需经常清理且压力不高的场合。填料函式换热器（4）U 型管式换热器U型管式换热器是只有一个管板，换热管为U型，管子两端固定在同一管板上。管束可以自由伸缩，当壳体与 U 型换热管有温差时，不会产生温差应力。其优点是结构简单，管间清洗方便，但管内清洗比较困难，利用率较低，壳程易短路，报废率较高。因而U 型管式换热器适用于管、壳壁温差较大或壳程介质易结垢，而管程介质清洁不易结垢以及高温、高压、腐蚀性强的场合。一般高温、高压、腐蚀性强的介质走管内，可使高压空间减小，密封易解决，并可节约材料和减少热损失。U形管管壳式换热器1.5.2.蛇管式换热器蛇管式换热器是管式换热器中结构最简单，操作最方便的一种换热设备，通常按照换热方式不同，将蛇管式换热器分为沉浸式和喷淋式两类。1.5.3.套管式换热器套管式换热器是由两种不同直径的直管套在一起组成同心套管，其内管用U型时管顺次连接，外管与外管互相连接而成，其优点是结构简单，能耐高压，传热面积可根据需要增减，适当地选择管内、外径，可使流体的流速增大，两种流体呈逆流流动，有利于传热。此换热器适用于高温，高压及小流量流体间的换热。第二章 方案论证2.1 概述换热设备(或称换热器或称热交换器)就是用来实现热量传递。在石油、化学工业生产中，常常需要把低温流体加热或者把高温流体冷却，把液体汽化成蒸汽或者把蒸汽冷凝成液体。这些过程均和热量的传递有着密切的关系，因而全都可以通过换热设备来完成。当把换热设备用于上述不同过程时，通常把它们分别叫做加热器，冷却器，汽化器和冷凝器。判断一台换热设备好坏的标准是 (1)传热效率高； (2)流体阻力小； (3)各部件强度足够，结构可靠； (4)节省材料，便于制造，成本低； (5)安装、维修方便。2.2 传热原理热的传递是由于物体内部或物体之间的温度不同而引起的。根据热力学第二定律，当无外功输入时，热量总是自动地从温度较高的物体传给温度较低的物体。只有在消耗机械功的条件下，才有可能由低温物体向高温物体传递热量。传热的基本方式有三种：热传导、对流和辐射。而换热器是根据流体间对流达到传热目的的。对流是指流体各部分质点发生相对位移而引起的热量传递过程，只能发生在流体中。冷、热流体分别处在固体壁面的两侧，热流体把热量传到壁面的一侧，通过管壁后，再从壁面的另一侧把热量传给冷流体。这称为热交换。如图A中，冷流体定管内，其温度沿壁面由逐渐上升到；热流体走管外，其温度由逐渐下降到。冷、热流体沿壁面平行流动，而流动方向彼此相反，即逆流。在热交换过程中，不但要考虑经过固体间壁的热传导，而且往往更重要的是要考虑到间壁两侧的对流传热。热量自热流体传到间壁表面的一侧，或自间壁另一例表面传给冷流体，都属于对流传热。对流传热是在流体流动的过程中发生的热量传递现象，所以和流动的情况密切相关。即使是在湍流流动的情况下流体主流由于旋涡丛生，流体各部分相关。 图A 换热器传热示意图即使是在湍流流动的情况下流体主流印由于旋涡丛生，流体各部分相互混合，所以热阻很小，从而在和流体流动方向垂直的截面上，湍流中心区各点流体之间的温度趋于一致；但在紧靠壁面处，总有一层流体膜顺着壁面作层流流动，称为层流底层。在冷流体一侧，热量在传入冷流体主体之前，必须首先通过它。由于通过这层流体膜的传热是以导热方式进行的，所以流体膜虽薄，却是对流传热的主要热阻，温度降也主要集中在层流底层中。分析一下图A 中距离热流体入口为处而与流体流动垂直的截面上的温度分布，如图B所示。图中与为层流底层的界面。为热流体的中心温度，也是最高温度，为冷流体的中心温度也即最低温度。在热流体的湍流主体中，由于流体质点充分混合，温度基本上是一致的，即图中。在层沉底层内，由于热阻较大，温度急剧由下降到。在层流底层和湍流主体之间，存在一个温度逐渐变化的区域，称为过渡区，其中温度由下降到。再往左通过管壁，因其材料通常为金属，热阻很小，因此，管壁两侧的温度和相差很小。此后在冷流体内， 又顺次通过层流底层、过渡区而到达湍流主体，温度由经下降到。传热方程式为：。换热器中进行的传热过程按照热路分析方法是一条由对流换热导热对流换热等传热环节组成的串联热路。 图B 对流传热时沿热流方向的温度分布情况2.3 换热器的选型 每种形式的换热器都有它本身的特点，明确它们各自的特点，将有助于对换热器的选型。在设计换热器时，对于形式的选择是很重要的。一般通过各种计算对所选形式进行技术经济对比，以便确定最佳条件下换热器的形式。 在换热器选型时，考虑的因素是很多，如材料、压力、温度、温度差、压力降、结垢的情况、流体的状态、应用方式、检修和清理等。有些结构形式在某种情况下使用是好的，但是在另外的情况下，却不能令人满意，或根本就不能使用。因此在选型时应仔细分析所有的要求和条件，在许多相互制约的因素中应全面考虑，找出其中的主要矛盾，给予妥善解决。根据上述在选型时所要考虑的各种因素看来，其目的就是要使所选换热器的形式，能保证达到工艺所规定的换热条件，强度足够和结构可靠，便于制造、安装、检修以及经济上的合理等。根据设计任务书上给的已知参数，操作温度在120左右，不是很高，两种流体分别为水和污水（可当做水算），较易清洗，不易结垢，管、壳壁温差不大且设计的最高压力不超过2MPa，这些条件都在管壳式换热器的适用的范围内，而管壳式换热器可分为固定管板式、浮头式、U形管式等，在这三种中，固定管板式结构最简单，在相同的壳体直径内，排数最多，比较紧凑，结合换热器的评判标准，选用固定管板式换热器。考虑到固定管板式换热器热膨胀能力差，将结合具体的计算来考虑是否设置膨胀节以减小壳体与管子两者因温差而产生的热应力来弥补固定管板式换热器的这一缺陷。在相同的条件下，逆流传热比并流传热的温差大，并能节省金属用量，节省能源消耗，少占面积，故采用错流。第三章 固定管板式换热器的设计3.1 热力学计算已知数据操作条件操作温度（C）管程进口125、出口95设计温度（C）（参考）管程25壳程进口40、 出口65壳程25操作压力Mpa（G）管程1.3Mpa设计压力 Mpa（G）（参考）管程1.6壳程0.4Mpa壳程0.5介质管程（流量）污 水（13.5t/h）材质（参考）管程20#壳程（流量）循环水（25t/h）壳程Q235-B换热器是否串联独立一台3.1.1水的定性温度和物性参数水的定性温度 水的比热 Cp2=4.175gK水的密度 kg/m3水的粘度 NS/m2水的导热系数 W/mK3.1.2污水的定性温度和物性参数污水的定性温度 污水的比热 CP1=4.233KJ/KgK污水的密度 kg/m3污水的粘度 NS/m2污水的导热系数 W/mK 3.1.3有效平均温差逆流时的平均温差为 温度校正系数 由P，R可查出温度校正系数，先选用一壳程，所查出的大于0.8，可取，故选用1壳程4管程换热器。查表得 3.1.4 传热系数（1）按经验值初选总传热系数K。（估）=950W/(mK)化工单元设备设计，P14初算出所需传热面积 （2）主要工艺尺寸及结构基本参数的计算初选钢管换热管数量及长度确定因为流体的粘度小于,暂取。设所需管数为n，那么，则n=36根，又由传热面积S。=32.6m=nd。LL=11.56m，据常用化工设备设计P185可选3m长的钢管，4个管程。因此，一台换热器的总管数为436=144根。管程雷诺系数,所以，Pr=1.61，所以，（3）壳程工艺参数计算当量直径，化工流体流动与传热P335，t=32常用化工设备设计P16可算得，管程内径,，整取500mm。折流板间距，暂取0.15m，壳程流通面积壳程流速查得，污垢系数： 3.1.5 传热管和壳体壁温核算 管壁温度液体平均温度壳体壁温的计算方法与传热管壁温的计算方法类似，但壳体壁温可近似取壳程流体的平均温度。即3.2管程及壳程压力降3.2.1管程压力降计算因此，将已知数据代入以上公式，（1）流过直管由于摩擦所引起的压力降l-传热管的长度，m-传热管管内径，mu-管内流速，-流体密度，kg/m取绝对粗糙度（2）流过回弯管（进出口阻力不计）因摩擦引起的压力所以，,因此满足要求。3.2.2 壳程压力降校核F=0.5常用化工单元设备设计P41，正三角形排列。壳程流体摩擦系数：中心管数折流板数所以， 所以，壳程压力降满足要求。3.3 流程及结构设计 固定管板式换热器根据结构特点的不同可以分为刚性结构和具有温差补偿两类。刚性结构的固定管板式换热器其外面的圆筒形壳体和内部的换热管(换热管的总体叫管束)通过两端的管板刚性的连接在一起。这样参与换热的两种流体，一种在管内流动(称为管程)，一种在换热管和壳体之间的空间流动(称为壳程)，热量使可通过管壁进行传递这种刚性结构的固定管扳式换热器由于换热管、管板和壳体三者刚性的连接在一起，所以具有下述优缺点： 优点：a)结构简单； b)紧凑； c)造价低。缺点：a)管间不能清洗，故只能通以清洁流体； b)在操作过程中，如果换热管和壳体的温度相差较大时，或者温度差不大，但两者材料的线膨胀系数相差较大时，两者要产生不同的膨胀量，从而在管子和壳体中必然产生应力。此应力是因温差产生的，叫做温差应力。 固定管板式换热器结构及主要部件1.封头 2.设备法兰 3.排气口 4。壳体 5.换热管 6.折流板 7.防冲板 8.壳程接管 9.管板 10.管程接管 11.隔板 12.管箱 13.排液口 14.定距管 15.拉杆 16.支座 17.垫片具有温差补偿的换热器是在壳体上带膨胀节，从而降低温差应力。带波形膨胀节的换热器的优点是：结构简单造价低同时可以降低温差应力。缺点是：由子波形膨胀节的承压能力一般说来比较差。是否需要膨胀节根据强度计算来判断，具体见后。 3.3.1管子的设计1、采用光滑管光滑管结构简单，制造容易。缺点是它强化传热的性能不足。为了提高换热器的传热系数，可采用结构形式多样化的管子，如异性管，翅片管，螺纹管等。2、选用 的管子。3、管长 我国生产的无缝钢管长度一般为6m，故系列中换热管的长度分为1.5，2,3,4.5,6 米几种， 本设计中采用3米长的管子，其传热面积为：4、管子的排列形式 管子的排列方法常用的有正三角形直列，正三角形错列，正方形直列和正方形错列。见图C。 .正三角形错列 .正方形直列 .正方形错列图C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。 本设计中采用正三角形错列的排列方式。5、管数 标准管数为144根。3.3.2管心距的设计： 采用胀接法固定时，管心距过小会造成胀接在挤压作用下发生变形，失去管子与管板之间的连接力。故采用焊接法。 根据经验公式： 隔板中心到离其最近一排管中心距离 S=t/2+6=32/2+6=22 各程相邻管的管心距为。3.3.3管板的设计 1、管板的作用：固定作为传热面的管束，并作为换热器两端的间壁，将管程流体分隔开来。 2、管板上的管孔数：即为壳体中的传热系数（包括圆缺形板区安置的）。 3、管板上的孔间距不宜过大，避免布管疏松，不利传热；也不宜过小，避免焊接时引起较大的应力，影响焊接质量，另外也不利于清扫壳程管束。 4、管板与壳体连接采用不可拆式，即直接焊在壳体上，稍微延伸，兼作法兰，便于对胀口进行检查和维修以及清洗管子。 5、管板直径与厚度 管板与壳体直径应保持一致。管板厚度与材料强度，介质压力，温度和压差，温差以及管子和外壳的固定方式和受力因素有关。对于管子与管板胀接时，为保证胀接的可靠性，管板的最小厚度为。管子与管板焊接时，由于焊接可以达到甚至超过管子本身的强度，只要管子强度足够，管子厚度可不受限制，而由焊接工艺及焊接变形等要求来确定。 本设计中选取。 6、管子在管板上的固定方法，必须保证管子和管板连接牢固，不会在连接处产生泄漏。连接方式一般有三种：胀接法，焊接法，胀焊并用法；一般采用的事胀接法和焊接法。由于焊接法在高温高压下仍能使用，保持连接的紧密性，管孔加工要求低节约空的加工工时，同时焊接工艺比胀接工艺简单等优点，故本设计中采用焊接法。根据标准规定，管子外径为25mm时，管板孔的直径为25.8mm,允许偏差；相邻孔中心距32mm，管孔中心距偏差：相邻孔间，任意孔间；支撑板孔直径25.6mm,允许偏差。 管子露出管板的长度，采用1.5mm。7、管板的结构型式 管板是换热器的重要部件，常用的均为圆形平板。其结构有管板兼作法兰和不兼作法兰的两种。在兼作法兰的管板中，由于密封要求的不同，多用于固定管板式换热器中。故选用管板兼作法兰型。结构见图D。 图D 固定管板式换热器管板与壳体的连接8、换热管在管板上的排列 换热管在管扳上的排列主要采用三种方法，即等边三角形排列法，正方形排列法和组合排列法。等边三角形排列法优点是：在一定的管板面积上可以放置较多的换热管，提供较多的传热面；正方形排列法的优点是换热管外表面可用机械方法清理，管间可处理较脏流体。在多程列管换热器中，常常在各程内采用等边三角形排列而在程与程之间采用正方形排列，这种叫做组合排列法。当换热管管数较多时，无论是采用等边三角形排列法还是正方形排列法，都应在管束和壳体之间形成的弓形区内配置尽可能多的换热管。这样做不但可以增大传热面，而且还可以防止壳程流体大部分从弓形空区通过，降低传热效果的缺点。同时，又能减小壳程流体的流通断面，提高其流速，强化换热器的换热能力。9、管板与壳体的连接列管式换热器的管板与壳体的连接型式分为不可拆式和可拆式两大类。固定管板式换热器的管板和壳体是焊接在一起的，属不可拆式连接。如图E所示。 图E 固定管板式换热器壳体和管板的焊接结构 10、固定管板计算 T=20mm,总换热管数n=144。一根管壁金属的横截面积为：开孔强度削弱系数GB 151-1999管壳式换热器，P39管板间距L估取3050mm。 计算K： K=5.8按管板简支考虑，依K值查得无量纲系数管板最大应力管子最大应力筒体内径截面积管板上管孔所占的总截面积系数系数壳程压力，管程当量压差管板采用16Mn，换热管为20号碳素钢管板，管子强度校核所以，管板计算厚度满足要求。3.3.4管箱 管箱是位于列管换热器两端的重要部件。它的作用是接纳由进口接管来的流体并分配到各换热管内，或是汇集由换热管流出的流体，同时将其送入排出管而排出换热器。选用顶部为椭圆形管箱。如左上图所示。管箱流体进出口也设在管箱侧面。换热器管程清洗或检修时，只要把连接管道从管箱上卸开，把管箱从换热器上拆下即可。图中点划线表示管程隔板，管箱连接通常采用焊接。（1） 管箱最小长度得确定原则 多程管箱，流经相邻两管程之间的最小流通面积应大于或等于其中一程的管内流通面积的1.3倍；但操作允许时也可等于每管程管子的流通面积（为方便计算，按各程的平均管数计算）。（2） 管箱最小长度计算 本设计选择B型（封头管箱）。按流通面积计算， 按各相邻焊缝间的距离计算，L取两者较大者。化工单元过程及设备课程设计，P119式中，为换热管内径；mm； 为各程平均管数； E为各相邻管程间分程处，物流流通的最小宽度，mm； 为封头内曲面高度，mm; 为封头直边高度，mm； 为封头厚度，mm； 为接管位置尺寸，mm； 为接管至壳体与封头连接焊缝间距离，取100mm； 为封头高度，mm； C为接管补强圈外边缘至设备法兰或管箱壳体连接焊缝间的距离，； 为接管外径，mm。管箱内压降为 符合要求。3.3.5管束分程、管程隔板及其管板的连接 当流体流量较小或换热器的传热面较大而需管数很多时，为了增加管内流速，提高传热效率，可将管束分程，即在管箱内装置与管子中心线相平行的管程隔板，使管积流体依次流过每程管子。当管程流体在换热器内平行地流过一次时，称为单管程，流过二次时，称为双程，以此类推。但是，分程不宜太多，否则分程隔板占去管板面积太多，使排管数减少，换热器显得不够紧凑，并且结构复杂，流体穿过隔板垫片短路的机会增多。隔板所占去的位置在壳程会形成没有管子占据的走廊，也会造成壳程流体的短路旁通而不利于传热。前面已经计算过选用双管程。 为了保证管程隔板，管箱与管板之间连接的可靠性，以及加工方便起见，管程隔板的型式应力求简单，尽量缩短密封长度，并应使管程隔板密封面和管箱法兰密封面处于在同一平面上，同时，还应保证管程隔板在槽密封面和管板边缘的密封面，也在同一平面上。3.3.6折流板设计1、 折流板 为了加大壳程流体的流速和湍动程度，提高传热效果；为了对换热管加以支撑，增加换热管的刚度，减少振动。在换热器中，除冷凝器外多设置折流板。折流板主要有圆缺形和盘环形两种，其中最常用的是圆缺形。圆缺形折流板的结构如图F所示，它是一块圆形板切去一个弓形部分而成。其切去部分的高度，一般为壳体内径的1040%，尤其以壳体内径的2025%最为常用。切去部分的高度过大或过小，都对换热不利，只有当切去部分的高度适当时，才能使壳程流体像图F那样以较好错流方式穿过换热管束，提高换热器的传热效率。圆缺形折流板在卧式换热器中的布置法有如图所示的两种。一种是将切去的 图F 圆缺形折流板 图G 卧式换热器中圆缺形折流板的布置方法弓形缺口部分上下布置如图G；一种是将切去的弓形缺口部分左右布置。前一种布置法，可以造成壳程流体的剧烈搅动，有利于热量的传递，故选用前一种布置方式。2、折流板的固定在列管式换热器中，折流板的固定通常是采用拉杆和定距管来实现的。查参考文献常用化工单元设备设计P30可得拉杆根数为4，拉杆直径为12mm，拉杆孔直径为12+1=13mm。 拉杆、管板和折流板之间采用点焊固定，如图J所示的“焊接拉杆”。图J 拉杆和管板的连接结构 3、本设计采用圆缺形性折流板。 4、圆缺形折流板在卧式换热器中的排列分为圆缺上下方向和圆缺左右方向两种。上下方向排列者可造成液体的剧烈湍动，增大传热膜系数，这种结构最为常用。故本设计中选用圆缺上下方向排列。 5、圆缺折流板的圆缺高度一般为至，本设计中采用 。 6、允许折流板的间距与管径有关，取折流板间距B=0.3D，则B=0.3500mm=150mm，取B为150mm。 折流板数目 折流板圆缺面水平装配。 7、折流板外径为500-5=495mm。 8、折流板厚度为5mm3.3.7排气孔和排液孔 图H 排液与排气口对于不能利用原有接管进行放气或排液的列管式换热器，应当注意在管程和壳程的最高处和最低处增设排气孔和排液孔。其结构形式如图H. 用来进行开车前的放气和停车后的排液。尤其对于蒸汽在壳程冷凝的换热器，更需要设置排气孔和排液孔，使蒸汽内的惰性气体不致大量积聚，并使冷凝液及时排除，以防冷凝液将换热管淹没，减小传热面，或由于惰性气体的积聚而降低换热效率。由此可知，排气孔和排液孔的采用，不但可以回收或排除工作介质，而且又可提高换热器的传热效率。3.3.8壳体设计 经初步计算，考虑其经济性等原因，本设计选取Q235-B型钢材作为筒体材料。壳体厚度计算：其中,查得：，（双面焊缝）， 故 考虑到开孔的削弱及安全，以及开孔的强度补偿措施，又参照GB151-1999 P19，取壳体厚度为8mm。所以，设计符合要求。3.3.9壳程接管的设计 1、壳程流体进口接管：接管内液体流速为u1=0.43m/s，则接管内径为 查标准可取接管规格为。2、管程流体进出口接管：接管内液体流速u2=0.35m/s，则接管内径为 查标准可取接管规格为。 3、壳层流体出口接管，为方便计算，取与壳程进口管规格相同。 4、接管的外伸长度 5、开孔补强及补强方法判别 （1）补强判别允许不另行不强的最大接管外径为。本设计开孔外径已经远远超过其值，所以需要考虑其补强。开孔直径 开孔直径,满足等面积开孔补强计算的适用条件。（2）补强计算由计算出的工艺设计条件接管尺寸为，考虑选用20号钢，接管计算壁厚 接管有效壁厚 开孔直径 接管有效补强宽度 接管外侧有效补强高度 需要补强面积 可以作为补强面积为 因此，该接管补强强度足够，不需另设补强结构。 3.3.10封头设计由于椭圆形封头制造方便，结构合理，用材较少，故本设计采用标准椭圆形封头：设计厚度： 为了与筒体配套和焊接方便，标准椭圆形封头内径为500mm，厚度为8mm，查JBT 4746-2002 P37和P38可知，H为150mm，h为25mm，重量约为19.6Kg。封头： 3.3.11试验压力本设计为内压容器，试验压力应根据以下式子进行验算，液压试验：气压试验：式中：-试验压力，MPa； P-设计压力，MPa； -容器元件材料在试验温度下的许用应力，MPa； -容器元件材料在设计温度下的许用应力，MPa。压力实验前，应按下式校核圆筒应力：式中，-试验压力下圆筒应力，MPa； -圆筒内径，mm; -试验压力，MPa； -圆筒的有效厚度，mm。应满足以下条件：液压试验时，气压试验时，式中，-圆筒材料在试验温度下的屈服点（或0.2%屈服强度），MPa； -圆筒的焊接接头系数。由计算结果可知，=25.4MPa(0.80.9)0.85235=(159.8179.8) MPa,所以，满足液压及气压实验要求，3.3.12支座支座是换热器的支撑装置，应用最广泛的是鞍式支座和悬挂式支座。因换热器采用的是卧式结构，故选用鞍式支座。在选择支座位置时，既要考虑到利用封头的加强效应，又要考虑不使筒体中部的应力增加过多。如果支座位于容器的端部则在容器中部产生很大的弯矩，如果支座位于容器的中部，则在支座处产生很大的弯矩。在JBl16782标准中，推荐A0.2L，且，A、L、的意义见图11。 图11 鞍式支座3.3.13法兰及垫片为标准件 按压力容器与化工设备实用手册（上）选取。第四章 膨胀节换热器的设计，除满足工艺条件外，尚需满足强度条件。换热器都承受内压或外压，因此，壳体、管子、封头、法兰、开孔等均需能承受相应内压或外压，不致受到破坏。但由于换热器的结构特点，在操作时的受力情况与容器不同。在固定管板式换热器中，壳壁及管壁在操作时除承受由于壳程及管程流体压力而产生的轴向力和周向力外，尚承受由于壳壁与管壁有温度差而产生的温差轴向力。所谓温差轴向力就是由于操作时壳壁和管壁的温度不同，因而壳体与管子的热膨胀自由伸长量就不相等，但两者又是通过管板刚性的联在一起，彼此的实际伸长量又必须一样，因而在大多数情况下(即当管壁自由伸长量大于壳壁自由仲长量时)，壳壁被迫拉伸，管壁被迫压纸这种压缩或拉伸的轴向力称为温差轴向力。由此可见，单纯从受力角度来看，换热器比容器多一个温差轴向力，如果操作时壳壁温度与管壁温度差别很大，则在壳壁和管壁中就产生很大的温差轴向力，若温差应力与受内压而产生的轴向应力的总和超过壳体材料允许的应力时，则壳体就受到破坏。当其超过管子与管板的允许拉脱力时，则连接破坏。这种破坏是固定管板式换热器所特有的。这就需要考虑设置膨胀节换热器是否设置膨胀节，主要取决于管程与壳程的温差、压差和壳体及管子的材料.当温差与压差比较小时，壳体中所产生的应力也较小，就不必设置膨胀节.但若这种应力达到一定数值，壳体本身补偿不了这种变形差时，就要设置膨胀节来予以补偿.对于一台受内压的换热器，膨胀节的采用与否应该根据下列三项计算来判定: (1) 壳壁温差应力与壳壁内压轴向应力的总和是否超过壳体材料允许的极限(包括焊缝的削弱). (2) 管壁温差应力与管壁内压轴向应力的总和是否超过管体材料允许的极限.(3) 管子拉脱力是否超过管子胀接或焊接所允许的极限.如前所述，壳体和管子在换热器中均受到温度应力和内压轴向应力的作用。现分别计算。4.1 压力产生的应力 换热器受压后所产生的轴向力为： （1）式中：、管子的外径和内径； 管子数； 、壳程压力、管程压力；该力由壳体和管子共同承受，故此时，壳体所受与管子所受力之和应等于，即： （2）式中：由压力产生的壳体应力，； 由压力产生的管子应力，； 壳体截面积，； 管子总截面积，；同时，壳体与管子的应力分配（即各自的大小），与弹性模量成正比，即： （3）解式（2）和（3）得： （） （4）（） （5）当壳体与管子材料相同时，即则： （） （6）4.2 温差产生的应力温差应力是由于壳壁和管壁的温差而产生的。设一固定管板式换热器在操作时其壳壁温度为，管壁温度为，则壳体和管子都会因升温而膨胀。如果两者皆能自由膨胀，则壳体的自由伸长量为： （） （7）而管子的自由伸长量为： （） （8）上两式中：、壳体和管子材料的线膨胀系数，；壳体和管子的长度，；装配温度，。管子和壳体因热膨胀而产生长度变化的情况如图所示。其中（a）是处于装配温度时的情况，这时壳体和管子长度皆为。为便于分析，假设在操作状态下管壁温度大于壳壁温度，即，管子的自由伸长量大于壳体的自由伸长量，即，如图（b）所示。但在固定管板换热器中，管子和壳体通过管板刚性地连在一起，如果整个结构不发生变形和破裂，则由于相互间的刚性约束，管子和壳体最后必然处于同一平衡位置，它们的伸长量都等于，如图(c)所示。从图(b)和(c)的比较中可以看到，这时管子受到了压缩，被压缩的长度为-；而壳体则受到拉伸，被拉伸的 图 壳体及管子的伸长和压缩长度为-。如果两者的变形量均不超过弹性范围，根据虎克定律，可以分别求出由此产生在管子中的压缩力和壳体中的拉伸力。显然，这两个力是相等的。按虎克定律： （9） （10）式中：因温差引起管子所受的