固定管板式換熱器設計.doc

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1、河北化工醫(yī)藥職業(yè)技術學院畢業(yè)設計 固定管板式換熱器的設計 第一章. 設計方案概述和簡介 一、 概述 在不同溫度的流體間傳遞熱能的裝置稱為熱交換器，簡稱為換熱器?；どa(chǎn)中換熱器的使用十分普遍，由于物料的性質、要求各不相同，換熱器的種類很多。了解各種換熱器的特點，根據(jù)工藝要求正確選用適當類型的換熱器是非常重要的。 按照熱量交換的方法不同，分為間壁式換熱器、直接接觸式換熱器、蓄熱式換熱器三種。化工生產(chǎn)中絕大多數(shù)情況下不允許冷、熱兩流體在傳熱過程中發(fā)生混合，所以，間壁式換熱器的應用最廣泛。在換熱器中至少要有兩種溫度不同的流體，一種流體溫度較高，放出熱量：另一種流體溫度較低，吸收熱量。換熱器

2、在化工、石油、動力、制冷、食品等行業(yè)中都有廣泛應用，且它們是上述這些行業(yè)的通用設備，并占有十分重要的地位 二、 列管式換熱器的分類 1、 U型管換熱器 U型管換熱器結構特點是只有一塊管板，換熱管為U型，管子的兩端固定在同一塊管板上，其管程至少為兩程。管束可以自由伸縮，當殼體與U型環(huán)熱管由溫差時，不會產(chǎn)生溫差應力。U型管式換熱器的優(yōu)點是結構簡單，只有一塊管板，密封面少，運行可靠；管束可以抽出，管間清洗方便。其缺點是管內清洗困難；由于管子需要一定的彎曲半徑，故管板的利用率較低；管束最內程管間距大，殼程易短路；內程管子壞了不能更換，因而報廢率較高。此外，其造價比管定管板式高10%左右。 2

3、、固定管板式換熱器 固定管板式換熱器主要是由筒體、封頭、管板、換熱管、管箱、折流板及法蘭等組成，管束兩端固定在管板上，管板和筒體之間是剛性連接在一起，相互之間無相對移動，換熱器結構簡單、制造方便、造價較低；在相同直徑的殼體內可排列較多的換熱管，而且每根換熱管都可單獨進行更換和管內清洗；但管外壁清洗較困難。當兩種流體的溫差較大時，會在殼壁和管壁中產(chǎn)生溫差應力，一般當溫差大于50攝氏度時就應考慮在殼體上設置膨脹節(jié)以減小溫差應力。但當管、殼溫差大于70攝氏度時，殼程壓力超過0.6Mpa時，導致膨脹節(jié)過厚失去溫差補償作用。因此，固定管板式換熱器適用于殼程流體清潔，不易結垢，管程常用要清洗，冷熱流體溫

4、差不太大的場合。 三、 設計方案選定 1 、換熱器類型的選擇 按照設計任務書的要求，熱流體物料入口溫度30.08℃，出口溫度120℃，冷流體物料，入口溫度142.2℃，出口142.2℃，操作壓力小于0.6MPa，物料的溫度變化大約為90℃比較大?；谶@些要求，應選擇固定管板式換熱器。 2、 流體路徑的選擇 由于此次設計的換熱器所走物料為氣體，且需要冷卻，所以選擇走殼程，并且，固定管板式換熱器具有殼體易走較清潔流體，這樣，冷卻即走管程。按照一般情況，選用規(guī)格為25*2.5mm的碳素鋼無縫管。 3、列管式換熱器設計的主要內容 固定管板式換熱器的設計包括熱力設計、流體設計、結構設計以及

5、強度設計。本次設計課題以結構設計與強度校核為主要設計內容。不僅在設計一臺新的換熱器時需要進行熱力設計，而且對于已生產(chǎn)出來的，甚至已投入使用的換熱器在檢驗它是否滿足使用時，均需要進行這方面的工作。熱力設計是指根據(jù)使用單位提出的基本要求，合理的選擇運行參數(shù)，并根據(jù)傳熱學的知識進行傳熱計算。 第二章 固定管板式換熱器的總體結構 一、認識固定管板式換熱器 固定管板式換熱器主要是由筒體、封頭、管板、換熱管、管箱、折流板及法蘭等組成，管束兩端固定在管板上，管板和筒體之間是剛性連接在一起，相互之間無相對移動，換熱器結構簡單、制造方便、造價較低；在相同直徑的殼體內可排列較多的換熱管，而且每根換

6、熱管都可單獨進行更換和管內清洗；但管外壁清洗較困難。當兩種流體的溫差較大時，會在殼壁和管壁中產(chǎn)生溫差應力，一般當溫差大于50攝氏度時就應考慮在殼體上設置膨脹節(jié)以減小溫差應力。但當管、殼溫差大于70攝氏度時，殼程壓力超過0.6Mpa時，導致膨脹節(jié)過厚失去溫差補償作用。因此，固定管板式換熱器適用于殼程流體清潔，不易結垢，管程常用要清洗，冷熱流體溫差不太大的場合。 二、筒體 筒體是換熱器的主要受壓元件，筒體大多是由鋼板冷（熱）卷焊而成。筒體因為要經(jīng)常抽裝管束，所以對殼體的內直徑偏、同一截面上最大與最小直徑偏差以及直線度的控制比較嚴格，因此壓力容器殼體的材料要具有良好的塑性、焊接性能和好的熱加工性

7、能。根據(jù)不同的工藝條件，殼體的材料一般選用碳素鋼、低合金鋼和不銹鋼等。 根據(jù)圖紙所知，本次設計的換熱器所走的介質為氣體且無腐蝕性，所以本次設計課題的筒體選材為Q235B 三、封頭 封頭是壓力容器的重要組成部分，也是主要的受壓元件，常用的有半球形封頭、橢圓封頭、碟形封頭、錐形封頭和平封頭（即平蓋）。其中平封頭根據(jù)需要有多種形式，結構簡單，與其他形式的封頭相比，在相同的條件下滿足強度要求的厚度較大，中低壓容器中應用不多，錐形封頭主要用于不同直徑的過渡連接、介質中含有固體顆?；蛘扯容^大時作為容器下部的出料口等。 根據(jù)圖紙所知，本次設計的換熱器的結構較為簡單，所以本次課題使用的封頭即為標準橢圓

8、封頭，材料為Q235B。 半球形封頭 碟形封頭 標準橢圓封頭 錐形封頭 平封頭 四、管板 管板是管殼式換熱器的主要零件，管板的設計是否合理對確保換熱器的安全運行、節(jié)約金屬材料、降低制造成本是至關重要的。 管板一般采用低合金鑄造，或者采用低合金鋼鋼板加工，當采用碳鋼

9、時，由于材料的偏析將使管子與管板焊接后出現(xiàn)氣孔和裂紋，故應檢查管板表面含碳量，不得小于0.19%，或在管板上加兩層低碳堆焊來避免偏析的影響。當某種單一的材料不能同時抵抗兩側換熱介質的腐蝕時，必須采用雙金屬板，有時雖只是一種介質具有強烈腐蝕作用，但是管板尺寸較厚，那么采用整體的貴重材料制造管板不如采用復合板經(jīng)濟，而且貴重材料如奧氏體不銹鋼的強度和加工性還不如碳鋼，導熱性能反而差，因此在直徑大、壓力高的換熱器中，采用以強度高而便宜的低合金鋼作為基層的復合板，管板尺寸越大越經(jīng)濟。 管板的制作方法有：軋制法、堆焊法、爆炸復合法、焊管復合法、橋面堆焊法 本次設計的換熱器，所使用管板材料為16Mn。

10、 五、接管、法蘭、支座及其它附件常用材料 1、容器殼體上各種接管等，要求使用無縫鋼管，常用鋼管有碳素鋼 低合金鋼 低合金耐熱鋼等。其中碳素鋼鋼號為20號鋼管，使用流體輸送，可與Q235 、16MnR等材料配合使用，是最廣泛的一類無縫管。 根據(jù)該換熱器所走介質，接管材料選擇20號鋼管，接管長度150mm。 2、法蘭材料選擇 法蘭為典型的受壓元件，通常由鋼板或鍛件經(jīng)切削 鉆孔后制成，而后與接管組焊而成，因此法蘭材料應具有良好的可鍛性 切削性 加工性和可焊性。法蘭常用的板材有Q235-A 、Q235-B等。 3、支座承受整個容器的重量，但不受截至壓力和溫度作用，一般選剛性較好的材料，常用的

11、有Q235-A 、Q 235-B等。 本次設計的換熱器支座材料為Q 235-B 六、管箱結構 1、管箱位于殼體兩端，其作用是控制及分配管程流體。管程結構如下圖， 圖A為四管程管箱，適用于較清潔的介質，因檢查管子及清洗時只能將管箱整體卸下，故不方便；圖B在管箱上裝有平蓋，只要拆下平蓋即可進行清洗和檢查，所以工程應用較多，但材料用量較大；圖C是將管箱和管板焊成整體，這種結構密封性好，但管箱不能單獨拆下，檢修、清洗都不方便，實際應用較少。 1、管程 管箱的作用是把管道中來的流體，均勻分布到各換熱管和將換熱管內流體匯聚到一起送出換熱器。 2、分程 為增加換熱面積，必須增加換熱管數(shù)

12、量，而介質在管束中的流速隨著話呢管的增加而下降，結果反而使流體的給熱系數(shù)降低，故增加換熱管不一定達到所需換熱要求。因此要保持流體在管束中較大流速，可將管束分成若干程數(shù)，使流體依次流過各程換熱管，以增加流體速度、提高給熱系數(shù)。 本次設計的換熱器為四管程，所以選擇的管箱形式為圖A。 七、殼程結構 1、殼程主要是由折流板、支撐板、縱向隔板、旁路擋板、拉桿、定距管等元件組成，由于各種形式換熱器的工藝性能、適用場合不同，殼程內各種元件的設置也不同，以滿足設計要求。 各元件在殼程內設置，按其不同的作用，可分為兩類，一類為使殼側介質對換熱管最有效的流動，來提高換熱效率而設置的各種擋板，如折流板、縱向

13、擋板、旁路擋板等；另一類為了管束的安裝及保護換熱管而設置的，如支撐板。 1-1、折流板 折流板的結構設計，要根據(jù)工藝過程及要求來確定，折流板的作用是使殼程流體反復的改變方向作錯流流動或其他形式的流動，提高管間流體的湍動程度，并可調節(jié)折流板間距以獲得適宜流速，提高傳熱效果，另外，折流板還可起到支撐管束的作用。 折流板的類型有：弓形折流板（單弓形和雙弓形折流板）、矩形折流板、圓盤-圓環(huán)形 本次設計的換熱器使用的折流板為單弓形折流板。 折流板的最小間距應不小于圓筒內徑的1/5，且不小于50mm，最大間距應不大于圓筒內直徑，所以此次設計的換熱器兩折流板之間的距離為110mm，共需折流板個數(shù)為

14、 1-2、根據(jù)GB151查得拉桿直徑為16，拉桿數(shù)量為4 換熱管外徑d 10≤d≤14 14400~<700 ≥700~<900 10 4 6 10 12 4 4 8 16 4 4 6 1-3、定距管的個數(shù)：根據(jù)折流板個數(shù)與拉桿個數(shù)，確定定距管個數(shù)為68根，每根長為102mm，規(guī)格為252.5mm 1-2、旁路擋板 為了防止殼程邊緣介質短路，常設置旁路擋板以迫使殼程介質通過管束之間與管程流體進行換熱。旁路擋板可用鋼板或

15、扁鋼制成，其厚度一般與折流板相同。 旁路擋板嵌入折流板槽內，并與折流板焊接。殼體公稱直徑DN≤500mm時，增設一對旁路擋板；DN＝500mm時，增設兩對旁路擋板；DN≥500mm時，增設三對旁路擋板。 通過上述簡介，固定管板式換熱器的各結構材料與規(guī)格的匯總： 名稱 選用形式 規(guī)格 封頭 標準橢圓封頭 550mm 管板 管板兼做法蘭管板 63040mm 管箱 筒體短節(jié)加封頭 四管程管箱 換熱管 無縫管 252.5mm 第三章 換熱器的選材及計算 根據(jù)工作介質、工作溫度、工作壓力選擇合適的材料： 零件名稱 材質 零

16、件名稱 材質 零件名稱 材質 筒體 Q235B 接管 20 鞍座 Q235B 封頭 Q235B 換熱管 20 管板 16Mn 一、換熱器設計工藝參數(shù) 工藝參數(shù) 名稱 殼程 管程 物料名稱 01頂氣相物料（無腐蝕） 原料C01（無腐蝕） 操作壓力（MPa） -0.8 0.032 設計壓力（MPa） 0.98 0.212 操作溫度℃ 進142.2 出142.2 進30.08 出120 設計溫度℃ 162.2 140 流體密度Kg/ 1.088 853.6 程數(shù) 1 4 殼體內徑mm 550

17、 管外（mm） 252.5 管數(shù) 111 管長（mm） 1924 管間距（mm） 32 材料排列方式△○ △ 管板厚度 40mm 換熱面積21.4 管口表 管口表 符號 DN PN (mm MPaG) 法蘭標準 連接面 用途 N1 201.6 HG20592-97 RF 放空口 N2 2501.6 HG20592-97 RF 氣相進口 N3 2501.6 HG20592-97 RF 氣相出口 N4 401.6 HG20592-97 RF 原料出口 N5 401.6 HG

18、20592-97 RF 原料進口 N6 1001.6 HG20592-97 RF 凝液出口 二、換熱管規(guī)格、選材與計算 1、換熱管常用規(guī)格：一般用外徑壁厚表示，常用碳素鋼、合金鋼管的規(guī)格有Φ192mm、Φ252.5mm、Φ382.5mm；不銹鋼的規(guī)格有Φ252mm,Φ382.5mm。換熱管的標準管長為1.5、2.0、3.0、6.0、9.0(單位：m)等。 換熱管數(shù)量、長度和直徑根據(jù)換熱管的換熱面積確定，所選換熱管直徑和長度應符合標準規(guī)格。一般小直徑管子單位傳熱面積的金屬消耗量小，行傳熱系數(shù)稍高，但容易結垢，不易清洗，因此，為了提高換熱效率，對于較清潔的流體通常選用直徑較小的換

19、熱管；而對于粘度較大的或污濁的流體通常選用大直徑換熱管。 本次設計的換熱器所走介質比較清潔所以選用小管徑換熱管mm，管長為mm 2、換熱管材料：根據(jù)壓力、溫度、介質的腐蝕性能選擇換熱管的材料。換熱管可采用金屬材料有碳素鋼管、低合金鋼管、高合金鋼管、奧氏體不銹鋼焊接鋼管、銅管、鈦管、鋁管及其合金管；非合金材料有石墨、陶瓷、聚四氟乙烯、塑料等。 根據(jù)本次設計換熱器的溫度、壓力、介質的腐蝕性，所以換熱管使用的材料為20 3、換熱管數(shù)的計算 其中 n:換管熱管數(shù) S：總換熱面積 d：換熱管外徑 L;換熱管總長度

20、4、換熱管的間距 為了便于清洗以及保證連接質量，換熱管間必須保證一定的管間距，要求管間距≥1.25d,相鄰換熱管的管間距數(shù)值可查標準GB151《管殼換熱器》，根據(jù)GB151可查的換熱管中心距為32mm 換熱管外徑d 10 12 14 16 19 20 22 25 換熱管中心距s 13~14 16 19 22 25 26 28 32 5、換熱管排列方式： 換熱管在管板上的排列方式主要有正三角形、轉角正三角形、正方形、轉角正方形排列，正三角形和轉角正三角形排列緊湊，同樣的管板面積上排列的管子數(shù)比正方形多10%左右，同一體積傳熱面積更大，應用最普遍，但管外不

21、易清洗。適用于殼程介質污垢少，且不需要進行機械清洗的場合，一般在固定管板式換熱器中多用三角形排列。 正方形和轉角正方形排列，管間小橋形成一條直線通道，便于機械清洗。要經(jīng)常清洗的管子外表面上的污垢，多用正方形排列或轉角正方形排列。 本次設計的換熱器所走介質為氣體并且不需要經(jīng)常清洗，所以選擇的排列形式為正三角形排列。 查GB151知：最外層管壁與殼壁之間的最短距離不小于8mm。 三、筒體壁厚計算與選材 名義厚度 向上圓整到鋼板標準規(guī)格厚度，即筒體壁厚為6mm 其中 圓筒計算厚度 計算壓力 圓筒計算厚度

22、 設計溫度下筒體材料的許用應力 焊接接頭系數(shù) 腐蝕裕量 四、封頭壁厚計算 其中 橢圓形封頭系數(shù)，對標準橢圓封頭，=1 在同等條件下封頭壁厚與圓筒壁厚大致相同，便于焊接，經(jīng)濟合理。所以封頭壁厚為6mm。 筒體的校核 設計溫度下圓筒的最大允許工作壓力「Pw」 是圓筒的有效厚度 mm 設計溫度下圓筒的計算應力 封頭的校核 設計溫度下封頭的最大允許工作壓力「Pw」 設計溫度下圓筒的計算

23、應力 第四章、管板與殼體、管箱、換熱管的連接 一、殼體與管板的連接結構 固定管板式換熱器的管板與殼體連接為不可拆的焊接式連接，通常有管板兼做法蘭和管板不兼做法蘭兩種。 管板與殼體的連接形式有兩種：可拆式與不可拆 1、對殼體與管板采用焊接形式連接的，由于設備直徑的大小、壓力的高低以及換熱介質的毒性或易燃性等，所以必須考慮采用不同的焊接方法及焊接結構。 2、不帶法蘭的管板與殼體連接形式，目前常用的--其使用壓力不大于4MPa 根據(jù)設計要求及使用方便，本設計課題選擇的是管板兼做法蘭，可拆式 二、管箱與管板的連接結構 管箱與管板的連接形式較多，隨著壓力的

24、大小、溫度的高低以及物料性質、耐腐蝕情況不同，連接處的密封要求，法蘭形式也不同。 1、固定管板式換熱器的管板兼做法蘭，與管箱法蘭的連接形式比較簡單，根據(jù)工藝要求，選擇一定的密封面形式。 當管程介質腐蝕或有清潔度要求，管箱采用不銹鋼時，這是管板可采用碳鋼，但在管板表面襯3～6mm厚的不銹鋼板。 2、可拆式管板，因管束經(jīng)常需清洗、維修，所以管板與殼體不采用焊接連接，而做成可拆形式，固定在殼體法蘭與管箱法蘭之間。 三、換熱管與管板連接結構 管板是換熱器的主要部件之一，一般采用圓形平板，在板上開孔并裝設換熱管。管板還起分隔管程和殼程空間、避免冷熱流體混合的作用。管板與管子的連接方式有脹接

25、、焊接、高溫高壓下常采用脹、焊并用的方式。 脹接連接 脹接連接，即利用管子與管板材料的硬度差，把脹管器擠壓伸入管板孔中的管子端部，使管端直徑變大發(fā)生塑性變形，而管板孔只產(chǎn)生彈性變形，這樣脹管撤去脹管器，管板在彈性恢復力的作用下雨管子外表緊緊貼合在一起，達到密封和緊固連接的目的，由于脹接是靠管子的變形來達到密封和壓緊的一種機械的連接方法，當溫度升高時，由于蠕變現(xiàn)象的作用可能引起接頭脫落或松動，發(fā)生泄漏。因此，脹接適用于換熱管為碳鋼，管板為碳鋼或低合金鋼，設計壓力不超過4MPa、設計溫度不超過300℃，且操作中無劇烈震動，無過大的溫度變化及無明顯應力腐蝕的場合。 焊接連接 焊接連接是將換熱

26、管的端部與管板焊在一起，工藝較脹接簡單，壓力較低時可使用較薄的管板，不受管子和管板材料硬度的限制，且在高溫高壓下仍能保持良好的連接效果，所以對于碳鋼或低合金鋼，大都采用焊接連接，但是焊接連接在焊接接頭處產(chǎn)生的熱應力可能造成應力腐蝕開裂和疲勞破裂，同時管子、管板間存在間隙，易出現(xiàn)間隙腐蝕。因此焊接連接不適合于有較大的震動及有間隙腐蝕的場合。 脹焊結合 脹接和焊接各有優(yōu)、缺點，因而目前廣泛應用了脹焊結合的方法，該方法能提高連接處的疲勞性能，消除應力腐蝕和間隙腐蝕，提高使用壽命。脹焊結合連接適合于密封性能要求較高的場合；承受震動或疲勞載荷的場合；有間隙腐蝕的場合；采用復合管板的場合。 根據(jù)本次

27、換熱器設計的需求，本次設計課題選擇焊接連接 四、折流板的固定方式 折流板具有以下兩種固定方式： 1、拉桿--定距管固定方式，適用于換熱管外徑≥19mm的管束，拉桿是一根兩端皆帶有螺紋的長桿，一端擰入管板。折流板穿在拉桿上，各板之間則以套在拉桿上的定距管來保持板間距離。最后一塊折流板可用螺母擰在拉桿上予以緊固。 2、拉桿點焊結構，適用于換熱管外徑≤14mm的管束，即采用螺紋與焊接相結合連接或全焊接連接的。 GB151規(guī)定：拉桿數(shù)量不少于四根，直徑不小于10mm。應盡量分布在管束的外邊緣，對于大直徑換熱管，在布管區(qū)或靠近折流板缺口處也應布置適當數(shù)量的拉桿。 根據(jù)所給圖紙與已有計算可

28、知，本次設計的換熱器所選換熱管束規(guī)格為mm，所以折流板的固定方式為拉桿--定距管固定方式。 致 謝 經(jīng)過兩個多月的設計， 固定管板式換熱器基本完畢。其功能基本符合使用需求，能夠滿足生產(chǎn)的要求。但是由于畢業(yè)設計時間較短，所以該設計課題還有許多不盡如人意的地方，希望有機會在以后的工作中改進。通過本次畢業(yè)設計，我學到了很多東西，無論在理論上還是在實踐中，都讓我受溢非淺。這對于我以后的工作和學習都是一種巨大的財富。同時我非常地感謝我的指導老師，老師認真負責的工作態(tài)度，嚴謹?shù)闹螌W精神和深厚的理論水平，在課題設計過程中給予了我不少的幫助。在我不知道如何寫論文從何落手的時候給了我

29、指點方向,在我感覺到自己知識有所貧乏的時候給了我細心的指導和技術上的支持。幫助解決了不少的難點，使得畢業(yè)設計能及時完成，使我本身的能力得到了不少的提高，在這感謝她們耐心的輔導。 參考文獻： 1. 國家質量技術監(jiān)督局．GB150-1998《鋼制壓力容器》．北京：中國標準出版社，1998 2. 國家質量技術監(jiān)督局．GB151-1999《管殼式換熱器》．北京：中國標準出版社，1999 3. 高等職業(yè)技術教育校本教材 王靈果 孫愛萍 《化工設備與維修》 4. 高職院校建設規(guī)劃教材 王春林 龐春虎 《化工設備制造技術》 5. 高等院校“十一五”規(guī)劃教材 劉榮杰 《化工設計》 6、化工設備全書 秦叔經(jīng) 葉文邦 《換熱器》 7、普通高等院?！笆晃濉眹壹壱?guī)劃教材 黃英 《化工設計》 14