固定管板式换热器
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
目录
摘要--------------------------------------------------------1 目录--------------------------------------------------------3 符号说明------------------------------------------------------5 第一章绪论---------------------------------------------------6 第1.1节换热器的分类-----------------------------------------6 第1.2节固定管板式换热器的特点-------------------------------6 第二章换热器的工艺设计---------------------------------------7 第2.1节各部件的材料-----------------------------------------7 第2.2节换热器的工艺条件-------------------------------------7 第2.3节估算设备尺寸-----------------------------------------8 第三章结构强度设计与校核------------------------------------9 第3.1节壳体和管箱的厚度计算--------------------------------9 第3.2节封头的计算------------------------------------------11 第3.3节垫片------------------------------------------------12 第3.4节螺栓------------------------------------------------12 第3.5节法兰------------------------------------------------13 第3.6节开孔补强的计算--------------------------------------14 第3.7节压力试验--------------------------------------------15 第四章零部件的选型-----------------------------------------16 第4.1节换热管的型式和尺寸----------------------------------16 第4.2节折流板----------------------------------------------17 第4.3节定距管和拉杆----------------------------------------18 第4.4节防冲板----------------------------------------------19 第4.5节接管------------------------------------------------20 第4.6节管箱------------------------------------------------22
第4.7节管板的结构尺寸--------------------------------------22
第4.8节封头------------------------------------------------23 第4.9节螺栓的选型------------------------------------------24 第4.10节鞍座的选取-----------------------------------------24 第五章换热器的连接形式-------------------------------------26 第5.1节传热管与管板的连接----------------------------------26 第5.2节管板与壳体的连接------------------------------------27 第5.3节管板与法兰的连接------------------------------------28 第六章换热器的制造、检验及安装-----------------------------28 第6.1节总体制造工艺----------------------------------------28 第6.2节筒体的制造------------------------------------------29 第6.3节封头的制造------------------------------------------30 第6.4节管板的制造------------------------------------------31 第6.5节管束的制造------------------------------------------31 第6.6节折流板的制造----------------------------------------32 第6.7节换热器的质量检测------------------------------------32 第6.8节装配------------------------------------------------32 第6.9节油漆、包装------------------------------------------33
总结---------------------------------------------------------34 致谢---------------------------------------------------------34
参考文献-----------------------------------------------------35
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
D i 圆筒内直径mm [P w]t最大允许工作压力MPa P c 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 δ d 设计厚度mm δn 名义厚度mm δe 有效厚度mm m 垫片系数mm y e 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
第一章绪论
换热器的工作原理是换热器中管程、壳程流体由于温度不同而产生热交换，流体来达到升高或降低温度的目的。在我们熟悉和掌握它的特点，以及按照它的相关的一些生产方法，才可以对换热器进行合理的设计和选型。目前换热器在我国化工行业中得到广泛的应用，所以其制造工艺的提高、设计的优化可大大提高化工企业的效益。
1.1 换热器的分类
换热器根据工作原理、结构特点及使用用途进行分类，常见的分类方法如下图1-1所示：
换热器的分类间壁式换热器
蓄热式换热器
混合式换热器套管式换热器管壳式换热器板式换热器
螺旋板式换热器交叉流换热器
图1-1 换热器的分类1.2固定管板式换热器的特点
常见的固定管板式换热器结构特点如下图1-2所示，管束和管板相连，管板和壳体焊接在一起。优点：结构简单、制造价格低廉、承压能力强、结构紧凑，管程的清洗比较方便，管子损坏时更换方便；缺点：管束和壳体壁温相差很大时会产生的热应力。这种换热器一般用于物料清洁以及不容易结垢并清洗方便、管程与壳程温差不大或者壳体中流体压力不是很高小于600kpa的场合。
图1-2固定管板式换热器结构图
固定管板式换热器制造及检验应符合GB150-2011《压力容器》，GB151-2014《管壳式换热器》中的标准来进行。
第二章换热器的工艺设计
2.1各部件的材料
固定管板式换热器的主要零部件选用的材料如下表2-1：
表2-1选材
元件名称材料状态标准号供货状态壳体Q245R 板材GB 9948 固溶
换热管20 管材GB /T13296-2007 固溶
管板Q345R 锻件2014E-46-02 固溶
管箱Q245R 板材GB 713-2007 固溶管箱法兰Q245R 板材HG20592-2009 固溶
壳程接管20 板材GB/T9948 -2006 固溶
筒体法兰Q245R 锻件HG20592-2009 固溶
管程接管S30408 板材GB/T13296-2007 固溶
管箱法兰Q245R 锻件HG20592-2009 固溶
2.2 换热器的工艺条件
设计条件：壳程管程
工作介质：蒸汽水
设计温度：152℃80℃
工作温度: 135℃80℃
设计压力：0.6MPa 0.6Mpa
工作压力：0.56Mpa 0.58Mpa
焊缝系数：0.85 0.85
腐蚀余量：1mm 0mm
换热面积：15M2
2.3 设备尺寸的估算
2.3.1 计算传热管数N
T
用传热管规格为ф25x2.5x2000mm（无缝钢管还有19x2和38x2.5，使用的只用前两种），传热管数N
为：
T
用小管径可加大传热面积、符合本换热器结构紧凑的特点、耗材少经济实惠、也能
提高传热系数，但是小管径流体阻力大，不便清洗，易结垢堵塞。一般大直径管子用于黏性大或污浊的流体，小直径管子用于较清洁的流体。
根962
025.015
=??==ππL d S N o T （符合）（2-1）
式中：
0d — 换热管外径。
S — 换热面积。 L — 换热管长。
T N — 换热管总数。
2.3.2 排管方式
换热管的排管方式如下图2-1所示，正三角形、正方形、转角正方形、转角正三角形四种方式。各种排列方式都有其各自的特点：（1）正三角形排列：排管密集，流体湍流好，用得最为普遍；（2）正方形排列：清洗比较方便，但传热效果不好；（3）转角正方形：和以上直排列比较，可稍微提高一些传热系数。
考虑到给出设计条件和工艺要求，本设计选用正三角形的排管方式。 2.3.3换热器的传热管如果按正三角形排列，壳程直径D 计算如下：
取管心距 t=1.25d o （焊接法）（化工原理上277页）
t=1.3x25=32(mm)
横过管束中心线的管数：
()根11
＝961.1N 1.1n T c == 采用单管程结构（流量、传热面积小化工原理277页），则壳体内径为：
D=t(n c -1)+(2-3)d o =32x(11-1)+(2-3)x25=370-395(mm)（2-2）
圆整得D ＝400mm （化工原理上278页）（最小壁厚10mm ）
图2-1换热管排列方式
第三章结构及强度设计与校核
3.1 壳体、管箱的壁厚和封头的厚度计算
3.1.1 壳体厚度和校核
使用Q245-R ，设计压力为0.6MP ，许用应力[σ]t =131MP,接头系数Φ＝0.85，公称直径D i =400mm,钢板厚度负偏差C 1＝0.1mm ，腐蚀裕量C 2＝1mm 。
计算厚度：C t
l C P D P -=
φσδ][2mm 208.16.085.01312400
6.0==-???=(3-1)
设计厚度： mm C d 3122=+=+=δδ 名义厚度：mm C d n 41.031=+=+=δδ
由GB151-2014，固定管板式换热器筒体最小壁厚取mm n 8=δ（可抽管束） 有效厚度：mm C C n e 9.611.0821=--=--=δδ 进行液压试验压力为：
[]
[]
MPa P P c
75.0131
131
6.025.1σ25.1σt
τ=?
?=?= ()S e
e l T MPa D P φσδδστ9.069.179.62/)9.6400(75.02≤=?+?=+=
由GB150-2011附录F ，Q245屈服极限是245MPa 。
查表得MPa s T 425.18724585.09.09.0=??=≤φσσ,即s T φσσ9.0≤，即液压试验通过。
3.1.2 管箱厚度和校核
使用Q245-R ，设计压力0.6MPa ，许用应力[σ]t =147Mpa ，接头系数Φ＝0.85，公称直径D i =400mm ，厚度负偏差C 1＝0.1mm ，腐蚀裕量C 2＝0mm 。
计算壁厚为C t l C P D P -=
φσδ][2mm 196.06
.085.01472400
6.0==-???=mm (3-2)
设计厚度：mm C d 1012=+=+=δδ 名义厚度mm C d n 21.011=+=+=δδ
由GB151固定管板式换热器管箱最小壁厚规定 取mm n 8=δ 有效厚度：mm C C n e 9.71.0821=-=--=δδ 进行液压试验压力为：
[]
[]
MPa P P c
75.0147
147
6.025.1σ25.1σt
τ=?
?=?= ()S e
e l T MPa D P φσδδστ9.049.159.72/)9.7400(75.02≤=?+?=+=
由GB150-2011附录F ，Q245屈服极限是245MPa 。
查表得MPa s T 425.18724585.09.09.0=??=≤φσσ,即s T φσσ9.0≤，即液压试验通过。
3.2封头的计算和校核
3.2.1换热器封头的选择
由于本次设计的固定管板式壳程压力为0.6MPa ，管程压力为0.6MPa ，属于低压容器，椭圆形封头就能够满足要求，所以本设计中的管箱封头与壳体封头都选取椭圆形封头。封头的椭球部分的压力分布均匀，容易冲压成型，是目前中、低压容器中使用比较广泛的封头之一，本设计封头环焊缝采用双面对接焊并用局部无损探伤。 3.2.2封头厚度及水压实验校核
C
t l
C P
D KP -=
φσδ][2(3-3)
（其中 K 是标准椭圆形封头形状系数为1.0）
mm 208.16.085.01312400
6.01==-????=mm δ
腐蚀余量C 2=0mm ，钢板负偏差C 1=0.1mm ， 设计厚度： mm C d 2022=+=+=δδ 名义厚度：mm C d n 31.021=+=+=δδ
为方便焊接和避免形状不连续导致应力集中，封头厚度取值与管箱一致，故 取
mm n 8=δ
有效厚度：mm C C n e 9.701.0821=--=--=δδ 液压试验时的压力为：
[]
[]
MPa P P c
75.0147
147
6.025.1σ25.1σt
τ=?
?=?=
()()s
e
e i T T MPa D P φσ
δδσ9.068.99.72/5.09.740075.025.0≤=??+?
=+=
）（
根据GB150-2011附录F ，Q245R 屈服极限为245MPa 。
查表得MPa s T 425.18724585.09.09.0=??=≤φσσ即s T φσσ9.0≤,所以液压试验通
过。
3.3垫片的计算
采用D ＝470mm ，d=426 mm,δ=3mm 的石棉橡胶板。
根据GB150－2011表7－2：m=2.0mm （垫片系数）,y=11MPa （比压力） 1)垫片的有效密封宽度
接触宽度N ＝22mm ，基本密封宽度b O ＝N/2=22/2=11mm
根据GB150－2011查表得，当b O >6.4mm 2)垫片压紧力作用中心圆直径
当b O >6.4mm 时，可得垫片压紧力作用中心圆直径 D G ＝D-2b=427-2x8.39=453.22mm 3)垫片压紧力
预紧状态下需要的最小垫片压紧力
F G =F a =3.14D G by=3.14x453.22x8.3911x11=131757.17N
m m b b O 39.853.2==
4)操作状态下需要的最小垫片压紧力
F G =F P =6.28D G bmP C =6.28x453.22x8.39x2.0x0.58=27700.57N
3.4螺栓
3.4.1螺栓的布置尺寸
GB150-2011表7-3，法兰尺寸为L A ＝27mm ，Le ＝26
螺栓间距： 3.4.2螺栓的载荷计算
(1).预紧状态下需要的最小螺栓载荷 W a ＝F a =3.14D G b y ==131757.17N (2).操作状态下需要的最小螺栓载荷 W P =F+F P =0.785D G 2P C +6.28D G bmP C
=0.785x453.22x0.58+6.28x453.22x8.39x2.0x0.58=121223N 3.4.3螺栓面积的计算
(1)预紧状态下需要的最小螺栓面积
[]()
2
73
.961137
17
.131757m m W A b
a
a ＝=
=
σ
(2)操作状态下需要的最小螺栓面积
[]()2
36
.1063114
121223m m W A t b
P
P ＝==
σ
(3)需要的螺栓面积 取Aa 和A b 的最大值
Am ax =1063.36mm 2
(4)实际螺栓面积Ab
A b ≥A m ,符合螺栓设计要求
3.4.5螺栓载荷的设计
(1).预紧状态下螺栓设计载荷
[]()N A A F W b b
m G 52.5684072
＝σ+=
=
(2).操作状态下螺栓设计载荷
mm L 56= ()
2256.7234242416414
.34mm nd A b ＝???==π()
N W W P 3
.12122＝=
3.5法兰的计算
1)法兰力矩
()()()
()()
()
N F F F N P D F N P D F m m L L L m m D D L m m L L N
F F m m L D T C
G C i D G A T G b G A D P G A 4.206744.9352258.022.453
785.0785.072848
58
.0400785.0785.05.552
483627248296
245365.0275.057.2770027222
211=-==??===??===++=++===-=
=?+=+====δδ
2)预紧状态下的法兰力矩
()m m N L F M G G a ?=?=36
.132********.27700＝
3)操作状态下的法兰力矩
()()
()()()
m m N L L F L L F M G T T G D D P ?=-?+-?=-+-=373602485.554.20674424572848 4)法兰设计力矩
法兰材料Q235B 在设计温度90℃下的许用应力 法兰材料在常温下的许用应力
[][])
.(39.768745m m N M f
t f a
=σσ
3.6节 开孔补强的计算
3.6.1 概述
[]MPa
t f
147=σ[]MPa
f
248=σ
接管是换热器结构设计上的必备结构，因此需要在设备上开孔，在容器的开孔部位产生的应力集中将引起壳体局部强度削弱以及给容器的安全操作带来隐患。如果开孔很小，并且接管又可以使强度的削弱得到弥补，那么就不需要补强：如果开孔很大，有应力集中就需要开孔补强，这就是所谓的开孔补强设计。然而接管的补强区只能降低应力集中，却无法将应力集中消除，所以压力容器的结构设计必须腰考虑到开孔补强的问题。
1.在GB150-2011上壳体开孔满足以下几点时，不用补强。 1)．P c ≤
2.5Mpa.
2)．相近的开孔中心距小于两个孔直径和的两倍 3).接管最小壁厚满足GB150-2011表6-1 4)．接管公称外径小于或等于89mm
5)．壳体开孔的排污口、排气口和排凝出口接管选择φ32*3.5和φ76×6的接管，可不用补强。
2.壳体饱和蒸汽入口、 热水入口、出口开孔补强的校核 ， 因壳体和管箱开孔尺寸相同，两者计算其一即可。
3.6.2壳体上开孔补强计算（过程设备设计106 ） 开孔直径mm C d d i op 781*2762=+=+=
对于内径的筒体mm Di 400<,当筒体开孔直径op d =78mm<
2002
=l
D mm ，且mm d op 520≤时，所以使用等面积开孔补强法计算。
圆筒计算厚度δ＝0.96mm ，有效厚度δe ＝7.05mm ，设计压力为0.6MPa,设计温度为152℃，在圆筒接ф76x4的接管，接管高度L=106mm,圆筒和接管材料为Q245-R,其许用应力[σ]t=131MPa,封头和接管的厚度附加量C ＝1.0mm ，焊接接头系数ф＝0.85。 接管计算壁厚：
mm
21.06.085.0131278
6.0][2=-???=-=
p pd t t t φσδ（3-4）
名义厚度mm 4nt =δ
有效厚度：mm C nt 7.03.3-4et ==-=δδ
开孔直径 ：()mm C d d i 39012624002=?+?-=+= 接管有效补强宽度 ：()mm d B 78039022=?== 接管外侧有效补强高度 ：
()m m d h nt 2.4453901=?=
=
δ
需要补强面积：()m m d A 4.37496.0390=?==δ 可以作为补强的面积为：
()()()()(
)
()()(
)
4
.37464.279604.831108.15106226.191596.063907802121221=>=+=?-??=-==-?-=--=A A A m m f h A m m d B A r t et e δδδδ开孔不需另设补强结构。
3.7耐压试验（过程设备设计178页）
除材料本身的缺陷外，容器在制造（特别是焊接过程）和使用中会产生各种缺陷，为检验各种缺陷对压力设备安全性的影响，压力容器制造完毕后或定期检验时，需要进行压力试验。压力试验可分为液压试验、气压试验和气液组合压力试验。根据本设计说明书只进行液压试验，在液压试验时，为防止材料发生低应力脆性破坏，耐压试验时容器壁金属温度应当比容器壁金属的韧脆转变温度高30度。 3.7.1 管程圆筒：
即：设计压力为0.6，设计温度为80℃，试验压力：
[]
[]()MPa P
P t
T 75.0147
147
6.025.125.1=?
?==σσ（3-5）
当压力容器各元件（圆筒、封头、接管、法兰等）所用材料不同时，应取各元件材料许[σ]/[σ]比之中的最小值。 强度校核：
()()()MPa D P e e i T T 25.338
2840075.02=?+?=+=
δδσ
σS =143.2MPa,(查《化工设备用钢》 的表8-13)
()MPa s T 884.702.14385.09.09.0=??=<φσσ
3.7.2壳程圆筒
即：设计压力为0.6MPa, 设计温度为152℃，试验压力：
[]
[]()MPa P
P t
T 75.0131
131
6.025.125.1=?
?==σσ（3-6）
强度校核：
()()()MPa D P e e i T T 25.338
2840075.02=?+?=+=
δδσ
σS =143.2MPa,(查《化工设备用钢》 的表8-13)
()MPa s T 884.702.14385.09.09.0=??=<φσσ
∴此换热器强度校核满足要求。
第四章零部件的选型
4.1节 折流板
折流板的安装是为了提高壳程流体的流速，加快湍流来提高传热效果。折流板有横向折流板和纵向折流板两种，但是该换热器为单壳程的换热器，所以只需布置横向折流板，横向折流板既可支承传热管又可防止产生振动。
换热器中一般有弓形和圆盘-圆环形俩种折流板。弓形折流板：流动死区少，结构简单，制造方便，用于小直径的换热器。盘环形折流板：制造不方便，流体流动效率较低。并且对介质的要求比较高，通常用在压力较高且介质较清洁的场合。所以本换热器采用单弓形折流板。 4.2.1折流板的切口高度
切口高度应使流体通过缺口时与横向流过管束时的流速相近，由内直径比来确定，h=0.25x400=100mm 。 4.2.2折流板间距的计算
折流板间距i D B ）（0.1-2.0=，取B=400mm
4.2.3折流板外径的计算
公称直径DN
＜400
400～ ＜500
500～ ＜900
900～ ＜1300
1300～ ＜1700
1700～ ＜2000
2000～ ＜2300 2300～ ＜2600 折流板名义外直径
DN-2.5
DN-3.5
DN-4.5
DN-6 DN-8 DN-10
DN-12
DN-14
折流板和支撑板外直径和相应的允许偏差应符合下表4-1的规定（mm），查表可得
折流板的外直径为396.5mm。
表4-1折流板直径及允许偏差
4.2.4折流板的厚度
因为选用弓形折流板并非全直径折流板，所以无支撑跨距L=2B=800mm。
折流板和支撑板的最小厚度由下表4-2得知：6mm。
表4-2折流板和支撑板的最小厚度
4.2.5折流板管孔的计算
由下列表4-3折流板和支撑板的管孔直径的规定，管孔直径为25.4mm。
表4-3 折流板和支撑板管孔直径
换热管外径14 16 19 25 32 38 45 57 管孔直径14.30 16.35 19.35 25.40 32.40 38.50 45.65 57.70
允许偏差+0.20
+0.25
+0.30
允许偏差
-0.5
-0.8
-1.2
-1.4
-1.6
公称直径
DN
换热管无支撑距L
mm
≤300
＞300～
600
＞600～
900
＞900～
1200
＞1200～
1500
＞
150
折流板和支撑板的最小厚度
＜400 3 4 5 8 10 10 400～≤700 4 5 6 10 10 12 ＞700～≤900 5 6 8 10 12 16 ＞900～≤
1500
6 8 10 12 16 16 ＞1500～≤
2000
/ 10 12 16 20 20 ＞2000～≤
2600
/ 12 14 18 20 22
4.3 定距管与拉杆
根据GB/T151-2014,由于换热管规格为?25㎜×2.5㎜，采用拉杆与定距管形式固定。材料选用Q245-R 。折流板的固定是靠拉杆和定距管来完成的，防止移动。拉杆的一端旋入管板中固定，另一端固定在支持板上。拉杆结构见下图。
图4-1拉杆、定距管
4.3.1 拉杆直径、数量和尺寸
根据GB/T151-2014 （表43、44），查得拉杆直径为16mm ，查得拉杆数量为6。
表4-4 拉杆直径
换热管外径d 10≤d ≤14
14 拉杆直径d n 10 12 16 表4-5 拉杆数量 拉杆直径d n (mm) 公称直径DN(mm)≥900～1300 10 12 12 10 16 6 表 4-6 拉杆尺寸 拉杆直径d/mm 拉杆螺纹公称直径n d / mm a L /mm b L / mm b /mm 管板上拉杆孔深d L 10 10 13 ≥40 1.5 16 12 12 15 ≥50 2.0 18 16 16 20 ≥60 2.0 20 各数据参数由上表可知：拉杆螺纹公称直径n d =16mm 、a L =20mm 、b L =60mm 、b =2.0 mm 。 图4-2 拉杆 4.3.2布置拉杆 沿管束的外侧均匀布置拉杆。拉杆的位置采用换热管的位置，如果是大直径换热器，需要在换热管束中间区域或者靠近折流板缺口处布置拉杆。 4.3.3定距管 折流板之间距离的固定是靠定距管来完成的。采用和换热管相同尺寸的定距管。取25mm. 4.4 防冲板 防冲挡板一般装在在壳程进口接管处，或称缓冲板。它可防止进口流体直接冲击管束而造成管子的侵蚀和管束振动，还有使流体流体沿管束均匀分布的作用。也有在管束俩端放置导流筒，不仅起防冲板的作用，还可改善俩端流体的分布，提高传热效率。 4.5节 接管 4.5.1 接管高度（伸出长度）的确定 伸出壳体（或管箱壳体）外壁接管的长度的计算方法，一般最短应符合下式： l ≥ h+h 1 +δ+15 (mm) 式中：h 为接管法兰的厚度 h 1为接管法兰的螺母厚度 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4.5.2 接管位置最小尺寸 壳程接管图a，计算： 无补强圈 L 2≥d o /2+(b-4)+C 管程接管图b，计算： 无补强圈 L 2≥d o /2+h f +C （a ）( b ) 依据上述要求接管高度为：热水进口接管高度为100mm, 热水出口接管高度为100mm, 蒸汽进口接管高度为100mm, 排凝出口接管高度为100mm。 4.6 管箱 管箱具备把管道输送来的流体分布到传热管以及把管内流体具集送出换热器的功能。 4.6.1 管箱的结构形式 （1）A型平盖管箱，清洗管程非常方便拆开盖即可，不用拆除连接管，缺点是耗材多，制造成本高，并且存在密封泄漏的可能。 （2）B型封头管箱，用在单程或多程管箱的场合，优点是结构简单，制造方便，介质干净；缺点是连接管道和管箱一起拆下才能检查管子和清洗管程。 （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，可完全避免在管板密封处的泄漏。一般用的较少，只在高压情况下采用。 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期固定管板式换热器课程设计
固定管板式换热器使用中的注意事项及工作原理
固定管板式换热器课设
固定板管式换热器设计说明书
固定管板式换热器课设报告
固定管板式换热器
固定管板式换热器课程设计
固定管板式换热器课设论文
固定管板式换热器结构设计
固定管板式换热器
板式换热器选型与计算方法(DOC)
板式换热器的计算方法
化工原理课程设计说明书(换热器的设计)
固定管板式换热器的设计
固定管板式换热器课设
固定管板式换热器设计-过程设备设计课程设计报告书
固定管板式换热器压力容器计算书
换热器设计固定管板式
基于ANSYS的固定管板式换热器的热应力分析及评定_陈满儒