管殼式換熱器的課程VIP

1、xxxxxxxxx 大 學(xué)課程設(shè)計說明書設(shè)計題目： 管殼式換熱器的設(shè)計 學(xué)院、系： 化學(xué)工程與工藝學(xué)院（精細(xì)化工專業(yè) ）專業(yè)班級： 精細(xì)2012班學(xué)生姓名： xxxxxxxxxxxx指導(dǎo)教師： xxxxxxxxxxxxx成 績： _2015年 07 月 08 目錄2015年 07 月 081目錄2一、課程設(shè)計題目5二、課程設(shè)計內(nèi)容51管殼式換熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計52. 殼體及封頭壁厚計算及其強度、穩(wěn)定性校核53. 筒體水壓試驗應(yīng)力校核54. 鞍座的選擇65. 換熱器各主要組成部分選材，參數(shù)確定。66. 編寫設(shè)計說明書一份67. 繪制1號裝配圖一張。6三、設(shè)計條件6（1）氣體工作壓力6（2）殼、管壁溫

2、差50，ttts6（3）由工藝計算求得換熱面積為105m2。6（4）殼體與封頭材料在低合金高強度鋼中間選用，并查出其參數(shù)，接管及其他數(shù)據(jù)根據(jù)表7-15、7-16選用。6（5）殼體與支座雙面對接焊接，殼體焊接接頭系數(shù)=0.856（6）圖紙：參考圖7-52，注意：尺寸需根據(jù)自己的設(shè)計的尺寸標(biāo)注。6四、基本要求7五、說明書的內(nèi)容71.符號說明72.前言73.材料選擇74.繪制結(jié)構(gòu)草圖75.殼體、封頭壁厚設(shè)計86.標(biāo)準(zhǔn)化零、部件選擇及補強計算：87.結(jié)束語：對自己所做的設(shè)計進(jìn)行小結(jié)與評價，經(jīng)驗與收獲。88.主要參考資料。8六、主要參考資料8管殼式換熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計91 前言101.1概述10換熱器的類型

3、10換熱器101.2設(shè)計的目的與意義111.3管殼式換熱器的發(fā)展史111.7提高管殼式換熱器傳熱能力的措施121.8 設(shè)計思路、方法12換熱器管形的設(shè)計121.8.2 換熱器管徑的設(shè)計13換熱管排列方式的設(shè)計131.8.4 管、殼程分程設(shè)計13折流板的結(jié)構(gòu)設(shè)計13管、殼程進(jìn)、出口的設(shè)計141.9 選材方法141.9.1 管殼式換熱器的選型141.9.2 流徑的選擇17材質(zhì)的選擇181.9.4 管程結(jié)構(gòu)182 殼體直徑的確定與殼體壁厚的計算192.1 管徑192.2 管子數(shù)n202.3 管子排列方式，管間距的確定202.4換熱器殼體直徑的確定202.5 換熱器殼體壁厚計算及校核203 換熱器封頭

4、的選擇及校核224 容器法蘭的選擇225 管板235.1管板結(jié)構(gòu)尺寸235.2管板與殼體的連接245.3管板與管子的連接245.4管板厚度246 管子拉脫力的計算257 計算是否安裝膨脹節(jié)268 防沖板279 折流板設(shè)計289.1折流板的選擇289.2折流板的布置3110 開孔補強3110、1 殼體接管開孔補強311、確定殼體和接管的計算厚度及開孔直徑312、確定殼體和接管實際厚度，開孔有效補強面積及外側(cè)有效補強高度h323、計算需要補強的金屬面積和可以作為補強的金屬面積324、計算Ae325、比較，3210.2 管箱接管開孔補強331、確定殼體和接管的計算厚度及開孔直徑332、確定管箱和接管

5、實際厚度，開孔有效補強面積及外側(cè)有效補強高度h343、計算需要補強的金屬面積和可以作為補強的金屬面積344、計算Ae345、比較，3511 接管最小位置3512.鞍座361.殼體質(zhì)量362.封頭質(zhì)量363.管箱質(zhì)量364.附件質(zhì)量365.管子質(zhì)量376.強度校核37符號說明38參考文獻(xiàn)39一、課程設(shè)計題目管殼式換熱器的設(shè)計二、課程設(shè)計內(nèi)容1管殼式換熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計包括：管子數(shù)n，管子排列方式，管間距的確定，殼體尺寸計算，換熱器封頭選擇，容器法蘭的選擇，管箱的選擇，鞍座的選擇，接管選擇等等。2. 殼體及封頭壁厚計算及其強度、穩(wěn)定性校核（1）根據(jù)設(shè)計壓力初定壁厚；（2）確定管板結(jié)構(gòu)、尺寸及拉脫力、溫

6、差應(yīng)力；（3）計算是否安裝膨脹節(jié)；（4）確定殼體的壁厚、封頭的選擇及壁厚，并進(jìn)行強度和穩(wěn)定性校核。3. 筒體水壓試驗應(yīng)力校核4. 鞍座的選擇5. 換熱器各主要組成部分選材，參數(shù)確定。6. 編寫設(shè)計說明書一份7. 繪制1號裝配圖一張。三、設(shè)計條件（1）氣體工作壓力管程：半水煤氣 0.7 MPa殼程：變換氣 0.475 MPa（2）殼、管壁溫差50，ttts 殼程介質(zhì)溫度為400220，管程介質(zhì)溫度為180370。（3）由工藝計算求得換熱面積為105m2。（4）殼體與封頭材料在低合金高強度鋼中間選用，并查出其參數(shù)，接管及其他數(shù)據(jù)根據(jù)表7-15、7-16選用。（5）殼體與支座雙面對接焊接，殼體焊接接

7、頭系數(shù)=0.85（6）圖紙：參考圖7-52，注意：尺寸需根據(jù)自己的設(shè)計的尺寸標(biāo)注。四、基本要求1.學(xué)生要按照任務(wù)書要求，獨立完成管殼式換熱器設(shè)備的機(jī)械設(shè)計；2.設(shè)計說明書一律采用電子版，1號圖紙一律采用CAD繪制；3.畫圖結(jié)束后，將圖紙按照統(tǒng)一要求折疊A4，同設(shè)計說明書統(tǒng)一在19周周五早上8：30答辯.4.根據(jù)設(shè)計說明書、圖紙、平時表現(xiàn)及答辯綜合評分。五、說明書的內(nèi)容1.符號說明2.前言（1）設(shè)計條件；（2）設(shè)計依據(jù)；（3）設(shè)備結(jié)構(gòu)形式概述。3.材料選擇（1）選擇材料的原則；（2）確定各零、部件的材質(zhì)；（3）確定焊接材料。4.繪制結(jié)構(gòu)草圖（1）換熱器裝配圖（2）確定支座、接管、人孔、控制點接口

8、及附件、內(nèi)部主要零部件的軸向及環(huán)向位置，以單線圖表示；（3）標(biāo)注形位尺寸。（4）寫出圖紙上的技術(shù)要求、技術(shù)特性表、接管表、標(biāo)題明細(xì)表等5.殼體、封頭壁厚設(shè)計（1）筒體、封頭及支座壁厚設(shè)計；（2）焊接接頭設(shè)計；（3）壓力試驗驗算；6.標(biāo)準(zhǔn)化零、部件選擇及補強計算：（1）接管及法蘭選擇：根據(jù)結(jié)構(gòu)草圖統(tǒng)一編制表格。內(nèi)容包括：代號，PN,DN,法蘭密封面形式，法蘭標(biāo)記，用途）。補強計算。（2）其它標(biāo)準(zhǔn)件選擇。7.結(jié)束語：對自己所做的設(shè)計進(jìn)行小結(jié)與評價，經(jīng)驗與收獲。8.主要參考資料?！靖袷揭蟆浚?.計算單位一律采用國際單位； 2.計算過程及說明應(yīng)清楚；3.所有標(biāo)準(zhǔn)件均要寫明標(biāo)記或代號； 4.設(shè)計說明書

9、目錄要有序號、內(nèi)容、頁碼；5.設(shè)計說明書中與裝配圖中的數(shù)據(jù)一致。如果裝配圖中有修改，在說明書中要注明變更；6.書寫工整，字跡清晰，層次分明； 7.設(shè)計說明書要有封面和封底，均采用A4紙，裝訂成冊。六、主要參考資料1. 化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)課程設(shè)計指導(dǎo)書.化學(xué)工業(yè)出版. 2005.12.化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)第五版 刁與瑋 王立業(yè) 編著 2003.3；3. 化工單元過程與設(shè)備設(shè)計匡國柱 史啟才 主編；4.化工制圖華東化工學(xué)院制圖教研室編 人民教育出版社 1980；5.化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)參考資料；6.鋼制壓力容器GB150-1998；7.鋼制塔式容器JB4710-1992；8. GB151-1999 管殼式換

10、熱器1999年；9.壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程國家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局 1999年。 管殼式換熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計序 言課程設(shè)計理論是學(xué)生理論聯(lián)系實際的一次很好的機(jī)會，本次實驗就管殼式換熱器進(jìn)行一次課程設(shè)計，掌握并了解在工業(yè)生產(chǎn)中節(jié)能、高效、環(huán)保等概念。換熱設(shè)備在煉油、石油化工以及在其他工業(yè)中使用廣泛，它適用于冷卻、冷凝、加熱、蒸發(fā)和廢熱回收等各個方面。其中，管殼式換熱器雖然在換熱效率、設(shè)備的體積和金屬材料的消耗量等方面不如其他新型的換熱設(shè)備，但它具有結(jié)構(gòu)堅固、彈性大、可靠程度高、使用范圍廣等優(yōu)點，所以在各工程中仍得到普遍使用。管殼式換熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計，是為了保證換熱器的質(zhì)量和運行壽命，必須考慮很多因素，如材

11、料、壓力、溫度、壁溫差、結(jié)垢情況、流體性質(zhì)以及檢修與清理等等來選擇某一種合適的結(jié)構(gòu)形式。對同一種形式的換熱器，由于各種條件不同，往往采用的結(jié)構(gòu)亦不相同。在工程設(shè)計中，除盡量選用定型系列產(chǎn)品外，也常按其特定的條件進(jìn)行設(shè)計，以滿足工藝上的需要（得到適合工況下最合理最有效也最經(jīng)濟(jì)的便于生產(chǎn)制造的換熱器等等）。1 前言1.1概述換熱器的類型管殼式換熱器是最典型的間壁式換熱器，歷史悠久，占據(jù)主導(dǎo)作用，主要有殼體、管束、管板、折流擋板和封頭等組成。一種流體在管內(nèi)流動，其行程稱為管程；另一種流體在管外流動，其行程稱為殼程。管束的壁面即為傳熱面。其主要優(yōu)點是單位體積所具有的傳熱面積大，傳熱效果好，結(jié)構(gòu)堅固，可

12、選用的結(jié)構(gòu)材料范圍寬廣，操作彈性大，因此在高溫、高壓和大型裝置上多采用列管式換熱器。為提高殼程流體流速，往往在殼體內(nèi)安裝一定數(shù)目與管束相互垂直的折流擋板。折流擋板不僅可防止流體短路、增加流體流速，還迫使流體按規(guī)定路徑多次錯流通過管束，使湍流程度大為增加。列管式換熱器中，由于兩流體的溫度不同，使管束和殼體的溫度也不相同，因此它們的熱膨脹程度也有差別。若兩流體溫差較大（50以上）時，就可能由于熱應(yīng)力而引起設(shè)備的變形，甚至彎曲或破裂，因此必須考慮這種熱膨脹的影響。換熱器換熱器是化工、石油、食品及其他許多工業(yè)部門的通用設(shè)備，在生產(chǎn)中占有重要地位。由于生產(chǎn)規(guī)模、物料的性質(zhì)、傳熱的要求等各不相同，故換熱器

13、的類型也是多種多樣。按用途它可分為加熱器、冷卻器、冷凝器、蒸發(fā)器和再沸器等。根據(jù)冷、熱流體熱量交換的原理和方式可分為三大類：混合式、蓄熱式、間壁式。熱體，將熱量由熱流體傳給冷流體。當(dāng)蓄熱體與熱流體接觸時，從熱流體處接受熱量，蓄熱體溫度升高后，再與冷流體接觸，將熱量傳給冷流體，蓄熱體溫度下降，從而達(dá)到換熱的目的。此類換熱器結(jié)構(gòu)簡單，可耐高溫，常用于高溫氣體熱量的回收或冷卻。其缺點是設(shè)備的體積龐大，且不能完全避免兩種流體的混合。工業(yè)上最常見的換熱器是間壁式換熱器。根據(jù)結(jié)構(gòu)特點，間壁式換熱器可以分為管殼式換熱器和緊湊式換熱器。管殼式換熱器包括了廣泛使用的列管式換熱器以及夾套式、套管式、蛇管式等類型的

14、換熱器。其中，列管式換熱器被作為一種傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)換熱設(shè)備，在許多工業(yè)部門被大量采用。列管式換熱器的特點是結(jié)構(gòu)牢固，能承受高溫高壓，換熱表面清洗方便，制造工藝成熟，選材范圍廣泛，適應(yīng)性強及處理能力大等。這使得它在各種換熱設(shè)備的競相發(fā)展中得以繼續(xù)存在下來。使用最為廣泛的列管式換熱器把管子按一定方式固定在管板上，而管板則安裝在殼體內(nèi)。因此，這種換熱器也稱為管殼式換熱器。常見的列管換熱器主要有固定管板式、帶膨脹節(jié)的固定管板式、浮頭式和U形管式等幾種類型。1.2設(shè)計的目的與意義換熱器是將熱流體的部分熱量傳遞給冷流體的設(shè)備，以實現(xiàn)不同溫度流體間的熱能傳遞，又稱熱交換器。換熱器是實現(xiàn)化工生產(chǎn)過程中熱量交換和傳

15、遞不可缺少的設(shè)備。換熱設(shè)備在煉油、石油化工以及在其他工業(yè)中使用廣泛，它適用于冷卻、冷凝、加熱、蒸發(fā)和廢熱回收等各個方面。其中，管殼式換熱器雖然在換熱效率、設(shè)備的體積和金屬材料的消耗量等方面不如其他新型的換熱設(shè)備，但它具有結(jié)構(gòu)堅固、彈性大、可靠程度高、使用范圍廣等優(yōu)點，所以在各工程中仍得到普遍使用。管殼式換熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計，是為了保證換熱器的質(zhì)量和運行壽命，必須考慮很多因素，如材料、壓力、溫度、壁溫差、結(jié)垢情況、流體性質(zhì)以及檢修與清理等等來選擇某一種合適的結(jié)構(gòu)形式。1.3管殼式換熱器的發(fā)展史為了滿足電廠對在較高壓力下運行的大型換熱器（如冷凝器和供水加熱器）的需要，在20世紀(jì)初，提出了殼管式換熱器的

16、基本設(shè)計。經(jīng)過長期的運用，使設(shè)計變得相當(dāng)成熟和專業(yè)化。殼管式換熱器發(fā)展的早期階段，出現(xiàn)的最大量的嚴(yán)重問題，不是在傳熱方面（這可以由實踐經(jīng)驗粗略的估算），而是各種部件，特別是管板材料的強度計算問題，還有在制造技術(shù)和工程實施中的許多有關(guān)的其他問題，如管和管板的連接，法蘭和接頭管的焊接等。 在20世紀(jì)20年代，殼管式換熱器的制造工藝得到相當(dāng)圓滿的發(fā)展，這主要是由于幾個主要制造商努力的結(jié)果。制造設(shè)備的傳熱面積可達(dá)500m2,即直徑約750mm、長6m，用于急劇增長的石油工業(yè)。在30年代，殼管式換熱器的設(shè)計者，根據(jù)直接經(jīng)驗和在理想管束上的實驗數(shù)據(jù)，建立了很多正確的設(shè)計原則。水-水和水-氣換熱器的設(shè)計，大

17、概與現(xiàn)今的設(shè)計差不多。因為污垢熱阻起很大的作用，殼側(cè)流動的粘性流是一個困難的問題，而且，60年代以前的他們的了解很少。隨著殼管式換熱器的應(yīng)用穩(wěn)步增長，以及對在各種流程條件下性能預(yù)計的精度要求越來越高，這造就40年代直至50年代研究活動的激增。研究內(nèi)容不僅包括殼側(cè)流動，而且相當(dāng)重要的還有真實平均溫差的計算、結(jié)構(gòu)件特別是管板的強度計算。多年來發(fā)展起來的殼管式換熱器，由于其結(jié)構(gòu)堅固并能適應(yīng)很大的設(shè)計和使用條件的變化，已成為最廣泛使用的換熱器。1.7提高管殼式換熱器傳熱能力的措施管殼式換熱器的傳熱能力是由殼程換熱系數(shù)、管程換熱系數(shù)和換熱器冷、熱介質(zhì)的對數(shù)平溫差決定的, 因此, 提高管殼式換熱器傳熱能力

18、的措施包括以下幾點。1、 提高管殼式換熱器冷、熱介質(zhì)的平均對數(shù)溫差2、合理確定管程和殼程介質(zhì)3、 采用強化管殼式換熱器傳熱的結(jié)構(gòu)措施1.8 設(shè)計思路、方法換熱器管形的設(shè)計管子外形有光管、螺紋管。相同條件下, 采用螺紋管管束比光管管束能增加換熱面積2 倍左右。同時, 由于螺紋管的螺紋結(jié)構(gòu)能有效破壞流體邊界層, 有效提高了換熱器的傳熱能力。當(dāng)殼程介質(zhì)易結(jié)垢時, 由于外螺紋管束沿軸向的脹縮作用使換熱管外壁的硬垢脫落, 具有良好的自潔作用, 能夠有效防止管束外壁的結(jié)垢, 減小換熱器殼程熱阻, 提高換熱器的傳熱能力。1.8.2 換熱器管徑的設(shè)計由于小直徑換熱管具有單位體積傳熱面積大, 換熱器結(jié)構(gòu)緊湊,

19、金屬耗量少, 傳熱系數(shù)高的特點, 在換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計中, 對于管程介質(zhì)清潔、不易結(jié)垢的介質(zhì), 采用小管徑管束能有效增加換熱面積。相同條件下, 采用19mm 管束比采用25mm 管束能提高傳熱面積30%40% , 節(jié)約金屬20% 以上。換熱管排列方式的設(shè)計管子的排列方式有等邊三角形、正方形和同心圓排列等, 對于殼程介質(zhì)不易結(jié)垢或可用化學(xué)方法清洗污垢的介質(zhì), 采用三角形排列可使換熱器的外徑減小15% ; 對于需要機(jī)械清洗的管束, 管子排列應(yīng)采用正方形; 對于小于300mm 的換熱器, 為使管束排列緊湊, 可采用同心圓排列。1.8.4 管、殼程分程設(shè)計管程分程設(shè)計。當(dāng)需要的傳熱面積很大,換熱管長度太長

20、( 對臥式換熱器管長比殼徑比超過610, 立式換熱器超過46 時) , 采用單管程換熱器使管程流速很低時, 可采用管程分程的辦法來提高管程換熱介質(zhì)的流速。因為決定管程介質(zhì)的流態(tài)的雷諾數(shù)Re 與管程介質(zhì)流速成正比,為提高換熱器管程換熱系數(shù)k, 可采用管程分程的辦法提高管程換熱系數(shù)。殼程分程設(shè)計。為了提高換熱器傳熱能力, 且不使換熱管太長, 殼程利用橫向折流板或縱向折流板分程。殼程分程可增加對殼程換熱介質(zhì)的擾動, 使殼程換熱介質(zhì)流速增加, 流程加大,換熱介質(zhì)橫向沖刷擾動加大, 提高換熱器傳熱能力。折流板的結(jié)構(gòu)設(shè)計折流板的結(jié)構(gòu)設(shè)計包括型式的確定, 形狀的設(shè)計, 缺口高度設(shè)計和折流板間距設(shè)計。換熱器殼

21、程折流板可分為橫向折流板和縱向折流板, 由于殼程加裝縱向折流板在制造工藝上較困難, 而且造成殼程壓降增加, 因此一般采用殼程加裝橫向折流板。殼程加裝橫向折流板后, 殼程換熱介質(zhì)雷諾數(shù)Re100 時, 殼程介質(zhì)即達(dá)湍流, 能有效提高換熱器的傳熱能力, 橫向折流板常采用弓形和盤- 環(huán)形, 弓形折流板加工、制造和組裝較方便, 使用最普遍, 盤- 環(huán)形折流板主要用于小型換熱器中。在換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計中, 合理設(shè)計折流板間距是保證殼程換熱介質(zhì)的壓力降滿足設(shè)計要求的關(guān)鍵。管、殼程進(jìn)、出口的設(shè)計管程進(jìn)、出口管的設(shè)計。管程進(jìn)、出口管徑在考慮管程壓降允許的條件下, 通過計算確定管徑, 其計算公式為2<3 30

22、0( 為管程介質(zhì)密度, kg/m3; 為管程介質(zhì)進(jìn)、出口流速, m/s) 。為保證管程流體的均勻分布, 充分發(fā)揮換熱管的換熱性能, 管程進(jìn)、出口應(yīng)設(shè)置在換熱器管程的底部和頂部。對換熱器的使用壽命影響較大, 特別是殼程換熱介質(zhì)流速較高或介質(zhì)中含有固體顆粒。為保證換熱器的使用性能, 可在殼程入口加裝防沖板, 對介質(zhì)沖刷起到緩沖的作用, 保護(hù)管束不受沖擊; 為避免殼程入口流速過高, 殼程介質(zhì)流速有一定的限制: 2<2 200。1.9 選材方法1.9.1 管殼式換熱器的選型管殼式換熱器有三種類型，分別為固定管板式換熱器、浮頭式換熱器、U形管式換熱器和填料函式換熱器。1、固定管板式： 在相同的殼體

23、直徑內(nèi)，排管較多，比較緊湊；殼側(cè)層清洗困難，加上膨脹節(jié)的方法不能照到管子的相對移動。比較適合溫差不大或溫差大而殼層壓力不高的場合。2、浮式換熱器：其兩端管板只有一端與殼體完全固定，另一端課相對于殼體作某些移動，該端稱之為浮頭。此種換熱器的管束不受殼體的約束，殼體與管束之間不會因為膨脹量的不同而產(chǎn)生熱應(yīng)力。而且在清洗和檢修時，僅將管束從殼體中抽出即可。特點：該種換熱器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、笨重，造價比固定管板式要高出約20，材料的消耗量較大，浮頭的端蓋在操作中無法檢查，所以安裝時要特別注意其密封，以免發(fā)生內(nèi)漏，且管束和殼體間隙較大，設(shè)計時避免短路。該種換熱器比較適合管殼壁間溫差較大，或易于腐蝕和易于結(jié)垢的場

24、合。3、U型管式換熱器僅有一個管板，管子兩端均固定于同一管板上。圖1-3 U型管式換熱器這類換熱器的特點是：管束可以自由伸縮，不會因為管殼之間的溫差而產(chǎn)生熱應(yīng)力，熱補償性能好；管程為雙管程，流程較長，流速較高，傳熱性能好；承壓能力強；管束課從殼體內(nèi)抽出，便于檢修和清洗，造價便宜。但是管內(nèi)清洗不變，管束中間分布的管子難以更換，管板中心部分布管不緊湊，管子數(shù)目不能太多。僅適用于管殼壁溫相差較大，或殼程截止易于結(jié)垢而管程介質(zhì)不易結(jié)垢，高溫高壓腐蝕性強的情形。4、填料函式換熱器此類換熱器的管板也僅有一端與殼體固定，另一端采用填料函密封。特點為它的管束也可以自由膨脹，所以管殼間不會產(chǎn)生熱應(yīng)力，且管程與殼

25、程都能清洗。造價較低、加工制造簡便，材料消耗較少。填料密封處于泄露，故殼程壓力不能過高，也不宜用于易揮發(fā)、易燃、易爆、有毒的場合。綜上可知，換熱器的使用場合、使用目的、換熱介質(zhì)物性等因素的不同, 決定了管殼式換熱器的結(jié)構(gòu)型式。固定管板式換熱器結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、造價低, 每根換熱管可以單獨清洗和更換, 在外形尺寸相同的條件下, 與浮頭式和U 形管式換熱器相比, 換熱面積大。由于固定管板式換熱器的殼程清洗困難和適應(yīng)熱膨脹能力差, 決定了固定管板式換熱器適用于換熱介質(zhì)清潔, 殼程壓力不高, 換熱介質(zhì)溫差不大的場合。浮頭式換熱器由于管束的熱膨脹不受殼體的約束, 而且可拆卸抽出管束,檢修更換換熱管、清理管

26、束和殼程污垢方便, 因此, 浮頭式換熱器應(yīng)用最廣泛, 在油田儲運集輸系統(tǒng)中, 60% 70% 的換熱器為浮頭式換熱器。U 形管換熱器具有良好的密封性能, 并具有檢修、清洗方便的特點。對于換熱器換熱介質(zhì)工作壓力高, 管、殼程介質(zhì)密封要求嚴(yán)的場合, 為確保換熱器管、殼程的密封, 換熱器管束的設(shè)計一般采用U 形管結(jié)構(gòu)的換熱器。1.9.2 流徑的選擇 在具體設(shè)計時考慮到盡量提高兩側(cè)傳熱系數(shù)較小的一個，使傳熱面兩側(cè)傳熱系數(shù)接近；在運行溫度較高的換熱器中，應(yīng)盡量減少熱量損失，而對于一些制冷裝置，應(yīng)盡量減少其冷量損失；管、殼程的決定應(yīng)做到便于清洗除垢和修理，以保證運行的可靠性。參考標(biāo)準(zhǔn)：1、不潔凈和易結(jié)垢的

27、流體宜走便于清洗管子，浮頭式換熱器殼程便于清洗。2、腐蝕性的流體宜走管內(nèi)，以免殼體和管子同時受腐蝕，而且管子也便于清洗和檢修。3、壓強高的流體宜走管內(nèi)，以免殼體受壓，其中冷卻介質(zhì)循環(huán)水操作壓力高，宜走管程。4、飽和蒸氣宜走管間，以便于及時排除冷凝液，且蒸氣較潔凈，冷凝傳熱系數(shù)與流速關(guān)系不大。5、 被冷卻的流體宜走殼程，便于散熱，增強冷卻效果。6、 需要提高流速以增大其對流傳熱系數(shù)的流體宜走管內(nèi)，因管程流通面積常小于殼程，且可采用多管程以增大流速。7、粘度大的液體或流量較小的流體，宜走殼程，因流體在有折流擋板的殼程流動時，由于流速和流向的不斷改變，在低Re(Re>100)下即可達(dá)到湍流，以

28、提高對流傳熱系數(shù)。8、若兩流體的溫度差較大，傳熱膜系數(shù)較大的流體宜走殼程，因為壁溫接近傳熱膜系數(shù)較大的流體溫度，以減小管壁和殼壁的溫度差。綜合考慮以上標(biāo)準(zhǔn)，確定半水煤氣應(yīng)走殼程，變換氣走管程。材質(zhì)的選擇管殼式換熱器的材料應(yīng)根據(jù)操作壓強、溫度及流體的腐蝕性等來選用。在高溫下一般材料的機(jī)械性能及耐腐蝕性能要下降。同時具有耐熱性、高強度及耐腐蝕性的材料是很少的。目前 常用的金屬材料有碳鋼、不銹鋼、低合金鋼、銅和鋁等；非金屬材料有石墨、聚四氟乙烯和玻璃等。根據(jù)實際需要，可以選擇使用不銹鋼材料。1.9.4 管程結(jié)構(gòu)換熱管管板上的排列方式有正方形直列、正方形錯列、三角形直列、三角形錯列和同心圓排列，如下圖

29、所示。 (a) 正方形直列    （b）正方形錯列    (c) 三角形直列  （d）三角形錯列  （e）同心圓排列 圖1-4 換熱管管板上的排列方式正三角形排列結(jié)構(gòu)緊湊；正方形排列便于機(jī)械清洗。對于多管程換熱器，常采用組合排列方式。每程內(nèi)都采用正三角形排列，而在各程之間為了便于安裝隔板，采用正方形排列方式。 管板的作用是將受熱管束連接在一起，并將管程和殼程的流體分隔開來。管板與管子的連接可脹接或焊接。2 殼體直徑的確定與殼體壁厚的計算2.1 管徑換熱器中最常用的管徑有19mm×2mm和25mm×

30、;2.5mm。小直徑的管子可以承受更大的壓力，而且管壁較??；同時，對于相同的殼徑，可排列較多的管子，因此單位體積的傳熱面積更大，單位傳熱面積的金屬耗量更少。所以，在管程結(jié)垢不很嚴(yán)重以及允許壓力降較高的情況下，采用19mm×2mm直徑的管子更為合理。如果管程走的是易結(jié)垢的流體，則應(yīng)常用較大直徑的管子。標(biāo)準(zhǔn)管子的長度常用的有1500mm，2000mm，2500mm，3000m,4500,5000,6000m,7500mm,9000m等。換熱器的換熱管長度與公稱直徑之比一般為425,常用的為610由于小直徑的管子可以承受更大的壓力，而且管壁較?。煌瑫r，對于相同的殼徑，可排列較多的管子，因此

31、單位體積的傳熱面積更大，單位傳熱面積的金屬耗量更少。所以，在管程半水煤氣結(jié)垢不很嚴(yán)重以及允許壓力降較高的情況下，采用19mm×2mm直徑的管子更為合理。選用19×2的無縫鋼管，材質(zhì)為20號鋼，管長4.5m。強度校核：Pc=0.7MPa , Do=19mm = 1(無縫鋼管） 取腐蝕余量 故該無縫鋼管在0.7MPa壓力下滿足強度要求 。 最大安全使用壓力為6.73MPa 2.2 管子數(shù)n 2.3 管子排列方式，管間距的確定采用正三角形排列，由化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)表7-4查得層數(shù)為11層，查表7-5取管間距a=25 mm.2.4換熱器殼體直徑的確定 式中b- 正六角形對角線上的管子

32、數(shù) ，查表7-4，取b=23l最外層管子的中心到壁殼邊緣的距離，取l=0.5do+10=19.5 查表2-5，圓整后取殼體內(nèi)徑 由于換熱器的換熱管長度與公稱直徑之比一般為425,常用的為610。 故符合范圍2.5 換熱器殼體壁厚計算及校核 材料選用Q245R鋼板，計算壁厚為：, 式中:為計算壓力，取=1.0Mpa；;=0.85;t =91Mpa（設(shè)殼壁溫度為 400°C） 將數(shù)值代入上述厚度計算公式，可以得知：查化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)表4-11取 ；查化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)表4-9得 3.90+1.2+0.3=5.4 mm查表4-13圓整后取 1.校核水壓實驗強度， 則 而 可見，所以水壓試驗強

33、度足夠該殼體采用Q245R鋼6mm 厚的鋼板制造。2、強度校核設(shè)計溫度下的計算應(yīng)力 最大允許工作壓力 故強度足夠。2.6 拉桿立桿的直徑與數(shù)量，查化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)表7-10 ，根據(jù)殼體的直徑得出。殼體直徑/mm拉桿直徑/mm拉桿數(shù)量/mm600106安排拉桿需減少6根，故實際管數(shù)n=437-6=431根，材料Q235-AF鋼拉桿螺母為AM10 8級 外徑為17.77 厚度為4墊圈為A10-100HV 外徑為20 厚度為23 換熱器封頭的選擇及校核上下封頭均選用標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭，根據(jù)GBT 25198-2010 壓力容器封頭標(biāo)準(zhǔn)，封頭為DN600×6，查曲面高度 ，直邊高度，材料選用Q2

34、45R鋼。所以，封頭的尺寸如下圖：4 容器法蘭的選擇材料選用12Cr2Mo1 根據(jù)NBT 47023-2012 長頸對焊法蘭 選用DN600，PN1.0Mpa的榫槽密封面長頸對焊法蘭。查法蘭尺寸如下表： 表4-1 法蘭尺寸所以，選用的法蘭尺寸如下圖： 圖4-1 容器法蘭5 管板管板除了與管子和殼體等連接外，還是換熱器中的一個重要的受壓器件。5.1管板結(jié)構(gòu)尺寸 查換熱器設(shè)計手冊得固定管板式換熱器的管板的主要尺寸： 表5-1 固定管板式換熱器的管板的主要尺寸公稱直徑DD5D3 bbfcd螺栓孔數(shù)600740700652624594 42329 23285.2管板與殼體的連接在固定管板式換熱器中，管

35、板與殼體的連接均采用焊接的方法。由于管板兼作法蘭與不兼作法蘭的區(qū)別因而結(jié)構(gòu)各異，有在管板上開槽，殼體嵌入后進(jìn)行焊接，殼體對中容易，施焊方便，適合于壓力不高、物料危害性不高的場合；如果壓力較高，設(shè)備直徑較大，管板較厚時，其焊接時較難調(diào)整。5.3管板與管子的連接管板與管子的連接方式為脹接，通過查詢換熱器設(shè)計手冊得到脹接結(jié)構(gòu)尺寸換熱管外徑d伸出長度l槽深K16-2530.55.4管板厚度管板在換熱器的制造成本中占有相當(dāng)大的比重，管板設(shè)計與管板上的孔數(shù)、孔徑、孔間距、開孔方式以及管子的連接方式有關(guān)，其計算過程較為復(fù)雜，而且從不同角度出發(fā)計算出的管板厚度往往相差很大。綜上，管板的尺寸如下圖：6 管子拉脫

36、力的計算 計算數(shù)據(jù)按表6-1選取表6-1項目管子殼體操作壓力/Mpa0.700.475材質(zhì)20鋼Q245R線膨脹系數(shù)彈性模量許用應(yīng)力/Mpa8891尺寸管子根數(shù)431管間距/mm25管殼壁溫差/管子與管板連接方式開槽脹接脹接長度/mm50許用拉脫力/Mpa4.01、在操作壓力下，每平方米脹接周邊所產(chǎn)生的力 其中 , mm 2、溫差應(yīng)力引起的每平方米脹接周邊所產(chǎn)生的拉脫力 其中 由此可知，作用方向相同，都使管子受壓，則管子的拉脫力： q=+=0.06+0.82=0.884.0 因此拉脫力在許用范圍內(nèi)。7 計算是否安裝膨脹節(jié)管殼壁溫差所產(chǎn)生的軸向力為： 壓力作用于殼體上的軸向力： 其中 = 壓力作

37、用于管子上的軸向力為： 根據(jù)GB管殼式換熱器q4.0，條件成立，故本換熱器不必要設(shè)置膨脹節(jié)。8 防沖板根據(jù)化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)選用圓形擋板擋板擋板長度為l=di+100=147+50=197mm擋板距離接管為擋板厚度為6mm9 折流板設(shè)計9.1折流板的選擇設(shè)置折流板的目的是為了提高流速，增加湍動，改善傳熱，在臥式換熱器中還起支撐管束的作用。常用的有弓形折流板和圓盤-圓環(huán)形折流板，弓形折流板又分為單弓形圖8-1（a）、雙弓形圖8-1（b）、三重弓形圖8-1（c）等幾種形式。 圖8-1 弓形折流板和圓盤-圓環(huán)形折流板 單弓形折流板用得最多，弓形缺口的高度h為殼體公稱直徑DN的15%45%，最好是20%

38、，見圖8-2（a）；在臥式冷凝器中，折流板底部開一90°的缺口，見圖8-2（b）。高度為1520mm，供停工排除殘液用；在某些冷凝器中需要保留一部分過冷凝液使凝液泵具有正的吸入壓頭，這時可采用帶堰的折流板，見圖8-2（c）。 圖8-2 單弓形折流板在大直徑的換熱器中，如折流板的間距較大，流體繞到折流板背后接近殼體處，會有一部分液體停滯起來，形成對傳熱不利的“死區(qū)”。為了消除這種弊病，宜采用雙弓形折流板或三弓形折流板。從傳熱的觀點考慮，有些換熱器（如冷凝器）不需要設(shè)置折流板。但為了增加換熱器的剛度，防止管子振動，實際仍然需要設(shè)置一定數(shù)量的支承板，其形狀與尺寸均按折流板一樣來處理。折流板

39、與支承板一般均借助于長拉桿通過焊接或定距管來保持板間的距離，其結(jié)構(gòu)形式可參見圖8-3。 圖8-3 折流板安裝圖由于換熱器是功用不同，以及殼程介質(zhì)的流量、粘度等不同，折流板間距也不同，其系列為：100mm，150mm，200mm，300mm，450mm，600mm，800mm，1000mm。允許的最小折流板間距為殼體內(nèi)徑的20%或50mm，取其中較大值。允許的最大折流板間距與管徑和殼體直徑有關(guān)，當(dāng)換熱器內(nèi)流體無相變時，其最大折流板間距不得大于殼體內(nèi)徑，否則流體流向就會與管子平行而不是垂直于管子，從而使傳熱膜系數(shù)降低。折流板外徑與殼體之間的間隙越小， 殼程流體介質(zhì)由此泄漏的量越少，即減少了流體的短

40、路，使傳熱系數(shù)提高，但間隙過小，給制造安裝帶來困難，增加設(shè)備成本，故此間隙要求適宜。經(jīng)選擇，我們采用弓形折流板，h=, 折流板間距取450mm, 查化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)表7-7得折流板最小厚度為4 mm,查化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)表7-9折流板外徑負(fù)偏差-0.40mm查化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)表7-9折流板外徑為596.5 mm,材料Q235-A鋼折流板開孔直徑 所以，折流板尺寸如下圖：9.2折流板的布置折流板的布置，一般應(yīng)使管束兩端的折流板盡可能靠近殼程進(jìn)出口，其余折流板按等距離布置。通過查詢換熱器設(shè)計手冊可知靠近管板的折流板與管板間的距離。10 開孔補強10、1 殼體接管開孔補強1、確定殼體和接管的計算厚度及

41、開孔直徑 由已知條件得殼體計算厚度 接管計算厚度為 殼體進(jìn)出口選擇159mm X 6mm的無縫鋼管，其中 選用20鋼 查附表9得計算厚度： 水壓試驗校核：開孔直徑為： 2、確定殼體和接管實際厚度，開孔有效補強面積及外側(cè)有效補強高度h已知殼體名義厚度，補強部分厚度為接管有效補強寬度為 接管實際外伸高度根據(jù)換熱器設(shè)計手冊得到為200mm 接管外側(cè)有效補強高度 3、計算需要補強的金屬面積和可以作為補強的金屬面積需要補強的金屬面積為： 可以作為補強的金屬面積為： 4、計算Ae (9-8) 5、比較，同時計及接管與殼體焊縫面積A3之后，該開孔接管補強的強度足夠。綜上，得換熱器殼體開孔補強結(jié)構(gòu)如下圖： 圖

42、9-1 換熱器殼體開孔補強結(jié)構(gòu)10.2 管箱接管開孔補強管箱與殼體取一樣尺寸及材料，即，Q245R的材料1、確定殼體和接管的計算厚度及開孔直徑 由已知條件得管箱計算厚度 接管計算厚度為 管箱進(jìn)出口選擇133mm X 6mm的無縫鋼管，其中 選用20鋼 查附表9得計算厚度： 水壓試驗校核：開孔直徑為： 2、確定管箱和接管實際厚度，開孔有效補強面積及外側(cè)有效補強高度h已知管箱名義厚度，補強部分厚度為接管有效補強寬度為 接管實際外伸高度根據(jù)換熱器設(shè)計手冊得到為140mm 接管外側(cè)有效補強高度 3、計算需要補強的金屬面積和可以作為補強的金屬面積需要補強的金屬面積為： 可以作為補強的金屬面積為： 4、計

43、算Ae 5、比較，同時計及接管與殼體焊縫面積A3之后，該開孔接管補強的強度足夠。綜上，得換熱器管箱開孔補強結(jié)構(gòu)如下圖：11 接管最小位置殼程接管位置管箱接管位置12.鞍座首先粗略計算鞍座負(fù)荷換熱器總質(zhì)量式中 殼體質(zhì)量 管箱質(zhì)量 封頭質(zhì)量 附件質(zhì)量 管子質(zhì)量1.殼體質(zhì)量2.封頭質(zhì)量，則3.管箱質(zhì)量4.附件質(zhì)量接管、管法蘭、管板等質(zhì)量總和按500kg計，于是，5.管子質(zhì)量 換熱器總質(zhì)量每個鞍座只承受13.30kN負(fù)荷，可以選用重型帶墊板，包角為120°的鞍座，即JB/T 4712.1-2007 鞍座BI600-FJB/T 4712.1-2007 鞍座BI600-SL=6561mm ，由于

44、筒體的L/D較大，且在鞍座所在平面內(nèi)無加強圈時，取在這里直接取A=Do/4=612/4=153mm6.強度校核鞍座腹板的水平分力：鞍座腹板有效界面內(nèi)的水平方向拉應(yīng)力：Hs:-計算高度，取鞍座實際高度和Rm/3兩者中的較小值，mm-鞍座腹板厚度，8mm Br-鞍座腹板有效寬度，取墊板寬度 = 400mm與圓筒體的有效寬度b2=b+1.56(Rme)1/2兩者中的較小值，mm -鞍座墊板有效厚度，6mm 應(yīng)力校核：鞍座材料Q235-AF的許用應(yīng)力因為符號說明tt操作狀態(tài)下管壁溫度，°C; F換熱面積，；ts操作狀態(tài)下殼壁溫度，°C； a管間距，mm；焊接接頭系數(shù)，無量綱； di殼體內(nèi)徑，mm；