氨氣換熱器設(shè)計【說明書+CAD】
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氨氣變換氣換熱器的設(shè)計
學(xué) 生： 陳愛，長江大學(xué)機(jī)械學(xué)院
指導(dǎo)教師：謝麗芳，長江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院
【摘要】本設(shè)計說明書是關(guān)于換熱器的設(shè)計，主要是進(jìn)行了換熱器的工藝計算、換熱器的結(jié)構(gòu)和強度設(shè)計。設(shè)計的前半部分是工藝計算部分，主要是根據(jù)給定的設(shè)計條件估算換熱面積，從而進(jìn)行換熱器的選型，校核傳熱系數(shù)，計算出實際的換熱面積，最后進(jìn)行壓力降和壁溫的計算。設(shè)計的后半部分則是關(guān)于結(jié)構(gòu)和強度的設(shè)計，主要是根據(jù)已經(jīng)選定的換熱器型式進(jìn)行設(shè)備內(nèi)各零部件（如接管、折流板、定距管、鉤圈、管箱等）的設(shè)計，包括：材料的選擇、具體尺寸確定、確定具體位置、管板厚度的計算、浮頭蓋和浮頭法蘭厚度的計算、開孔補強計算等。最后設(shè)計結(jié)果可通過4張圖表現(xiàn)出來。
【關(guān)鍵詞】 換熱器 接管 折流板 定距管
畢業(yè)論文（設(shè)計）任務(wù)書
院（系） 機(jī)械工程學(xué)院 專業(yè) 過程裝備與控制工程 班級 裝備10901班
學(xué)生姓名 陳愛 指導(dǎo)教師/職稱 謝麗芳/講師
1. 畢業(yè)論文（設(shè)計）題目：
氨氣換熱器設(shè)計
2. 畢業(yè)論文（設(shè)計）起止時間：2013年4月1日～2013年6月23日
3．畢業(yè)論文（設(shè)計）所需資料及原始數(shù)據(jù)（指導(dǎo)教師選定部分）
（1）氨氣體積流率：7000Nm3/h；進(jìn)口溫度：144℃；
（2）氨氣出口溫度：57℃；允許壓降：△P=3920N/m2
（3）換熱介質(zhì)為水，進(jìn)口溫度30℃；出口溫度37℃
4．畢業(yè)論文（設(shè)計）應(yīng)完成的主要內(nèi)容
（1）完成一篇與設(shè)計相關(guān)的英文翻譯，譯后中文不少于3000字；
（2）針對換熱介質(zhì)特性選擇合適的換熱器類型；
（3）換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計；
（4）繪制換熱器的裝配圖及主要零部件圖（零部件圖至少3張）。
（5）繪制設(shè)備及主要零部件的三維效果圖。
5．畢業(yè)論文（設(shè)計）的目標(biāo)及具體要求
（1）學(xué)會查閱文獻(xiàn)資料的方法
（2）知道換熱器的類型及各自優(yōu)缺點，選擇合適的形式
（3）能夠運用《傳熱學(xué)》相關(guān)知識設(shè)計結(jié)構(gòu)合理的換熱器
（4）會用繪圖軟件繪制裝配圖、零件圖繪制和三維效果圖
（5）學(xué)會文檔排版的基本知識
6、完成畢業(yè)論文（設(shè)計）所需的條件及上機(jī)時數(shù)要求
（1）設(shè)計手冊等相關(guān)資料
（2）上機(jī)200小時，用于繪圖和撰寫論文
任務(wù)書批準(zhǔn)日期 年 月 日 教研室（系）主任（簽字）
任務(wù)書下達(dá)日期 年 月 日 指導(dǎo)教師（簽字）
完成任務(wù)日期 年 月 日 學(xué)生（簽名）
Heat Exchanger Design
【Abstract】：The design manual is about heat exchanger, which included technology calculate of heat exchanger, the structure and intensity of heat exchanger.
The first part of design is the technology calculation process. Mainly, the process of technology calculate is according to the given design conditions to estimate the heat exchanger area, and then, select a suitable heat exchanger to check heat transfer coefficient ,just for the actual heat transfer area .Meanwhile the process above still include the pressure drop and wall temperature calculation . The second half of the design is about the structure and intensity of the design. This part is just on the selected type of heat exchanger to design the heat exchanger’s components and parts ,such as vesting ,baffled plates, the distance control tube, circle hook, tube boxes. This part of design mainly include：the choice of materials，identify specific size, identify specific location, the thickness calculation of tube sheet, the thickness calculation of floating head planting and floating head flange, the opening reinforcement calculation etc. In the end, the final design results through four maps to display.
【Keywords】：heat exchanger ,vesting ,baffled plates, the distance control tube
長江大學(xué)
Yangtze University
畢業(yè)論文(設(shè)計)
題目名稱： 氨氣換熱器的設(shè)計
題目類型： 畢業(yè)設(shè)計
學(xué)生姓名： 陳愛
院 （系）： 機(jī)械工程學(xué)院
專業(yè)班級： 裝備10901
指導(dǎo)教師： 謝麗芳
輔導(dǎo)教師： 謝麗芳
時 間： 2013年3月 至 2013年6月
長江大學(xué)
畢業(yè)設(shè)計開題報告
題 目 名 稱 氨氣換熱器的設(shè)計
院 系 機(jī)械工程學(xué)院
專 業(yè) 班 級 裝備10901
學(xué) 生 姓 名 陳愛
指 導(dǎo) 教 師 謝麗芳
輔 導(dǎo) 教 師 謝麗芳
開題報告日期 2013.4.19
氨氣變換氣換熱器的設(shè)計
一．題目來源
本課題來源于化工工業(yè)的重要設(shè)備。
二．研究目的和意義
換熱器是將熱流體的部分熱量傳遞給冷流體的設(shè)備，又稱熱交換器。換熱器是化工、石油、動力、食品及其它許多工業(yè)部門的通用設(shè)備，在生產(chǎn)中占有重要地位。在化工生產(chǎn)中換熱器可作為加熱器、冷卻器、冷凝器、蒸發(fā)器和再沸器等，應(yīng)用更加廣泛。換熱器的種類很多，但根據(jù)冷、熱流體熱量交換的原理和方式基本上可分為三大類：間壁式、混合式和蓄熱式。在三類換熱器中，間壁式換熱器應(yīng)用最多。
換熱器設(shè)計的最終目的是為了得到適合工況的換熱器。換熱器的設(shè)計分為工藝選項和結(jié)構(gòu)設(shè)計，工藝選項是為了得到適合工況的最合理最有效也是最經(jīng)濟(jì)的換熱器，一個有經(jīng)驗的工程師設(shè)計的換熱器可使成本節(jié)省10%到50%，甚至更多。結(jié)構(gòu)設(shè)計師為了保證換熱器的質(zhì)量和運行壽命。
三．閱讀的主要參考文獻(xiàn)及資料名稱
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四．國內(nèi)外現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢與研究的主攻方向
1.換熱器發(fā)展歷史
二十世紀(jì)20年代出現(xiàn)板式換熱器，并應(yīng)用于食品工業(yè)。以板代管制成的換熱器，結(jié)構(gòu)緊湊，傳熱效果好，因此陸續(xù)發(fā)展為多種形式。30年代初，瑞典首次制成螺旋板換熱器。接著英國用釬焊法制造出一種由銅及其合金材料制成的板翅式換熱器，用于飛機(jī)發(fā)動機(jī)的散熱。30年代末，瑞典又制造出第一臺板殼式換熱器，用于紙漿工廠。在此期間，為了解決強腐蝕性介質(zhì)的換熱問題，人們對新型材料制成的換熱器開始注意。60年代左右，由于空間技術(shù)和尖端科學(xué)的迅速發(fā)展，迫切需要各種高效能緊湊型的換熱器，再加上沖壓、釬焊和密封等技術(shù)的發(fā)展，換熱器制造工藝得到進(jìn)一步完善，從而推動了緊湊型板面式換熱器的蓬勃發(fā)展和廣泛應(yīng)用。自60年代開始，為了適應(yīng)高溫和高壓條件下的換熱和節(jié)能的需要，典型的管殼式換熱器也得到了進(jìn)一步的發(fā)展。70年代中期，為了強化傳熱，在研究和發(fā)展熱管的基礎(chǔ)上又創(chuàng)制出熱管式換熱器。
換熱器的種類很多，但根據(jù)冷、熱流體熱量交換的原理和方式基本上可分為三大類：間壁式、混合式和蓄熱式。在三類換熱器中，間壁式換熱器應(yīng)用最多?；旌鲜綋Q熱器是通過冷、熱流體的直接接觸、混合進(jìn)行熱量交換的換熱器，又稱接觸式換熱器。由于兩流體混合換熱后必須及時分離，這類換熱器適合于氣、液兩流體之間的換熱。例如，化工廠和發(fā)電廠所用的涼水塔中，熱水由上往下噴淋，而冷空氣自下而上吸入，在填充物的水膜表面或飛沫及水滴表面，熱水和冷空氣相互接觸進(jìn)行換熱，熱水被冷卻，冷空氣被加熱，然后依靠兩流體本身的密度差得以及時分離。蓄熱式換熱器是利用冷、熱流體交替流經(jīng)蓄熱室中的蓄熱體(填料)表面，從而進(jìn)行熱量交換的換熱器，如煉焦?fàn)t下方預(yù)熱空氣的蓄熱室。這類換熱器主要用于回收和利用高溫廢氣的熱量。以回收冷量為目的的同類設(shè)備稱蓄冷器，多用于空氣分離裝置中。間壁式換熱器的冷、熱流體被固體間壁隔開，并通過間壁進(jìn)行熱量交換的換熱器，因此又稱表面式換熱器，這類換熱器應(yīng)用最廣。間壁式換熱器根據(jù)傳熱面的結(jié)構(gòu)不同可分為管式、板面式和其他型式。管式換熱器以管子表面作為傳熱面，包括蛇管式換熱器、套管式換熱器和管殼式換熱器等；板面式換熱器以板面作為傳熱面，包括板式換熱器、螺旋板換熱器、板翅式換熱器、板殼式換熱器和傘板換熱器等；其他型式換熱器是為滿足某些特殊要求而設(shè)計的換熱器，如刮面式換熱器、轉(zhuǎn)盤式換熱器和空氣冷卻器等。
換熱器中流體的相對流向一般有順流和逆流兩種。順流時，入口處兩流體的溫差最大，并沿傳熱表面逐漸減小，至出口處溫差為最小。逆流時，沿傳熱表面兩流體的溫差分布較均勻。在冷、熱流體的進(jìn)出口溫度一定的條件下，當(dāng)兩種流體都無相變時，以逆流的平均溫差最大順流最小。在完成同樣傳熱量的條件下，采用逆流可使平均溫差增大，換熱器的傳熱面積減小；若傳熱面積不變，采用逆流時可使加熱或冷卻流體的消耗量降低。前者可節(jié)省設(shè)備費，后者可節(jié)省操作費，故在設(shè)計或生產(chǎn)使用中應(yīng)盡量采用逆流換熱。當(dāng)冷、熱流體兩者或其中一種有物相變化(沸騰或冷凝)時，由于相變時只放出或吸收汽化潛熱，流體本身的溫度并無變化，因此流體的進(jìn)出口溫度相等，這時兩流體的溫差就與流體的流向選擇無關(guān)了。除順流和逆流這兩種流向外，還有錯流和折流等流向。
在傳熱過程中，降低間壁式換熱器中的熱阻，以提高傳熱系數(shù)是一個重要的問題。熱阻主要來源于間壁兩側(cè)粘滯于傳熱面上的流體薄層(稱為邊界層)，和換熱器使用中在壁兩側(cè)形成的污垢層，金屬壁的熱阻相對較小。增加流體的流速和擾動性，可減薄邊界層，降低熱阻提高給熱系數(shù)。但增加流體流速會使能量消耗增加，故設(shè)計時應(yīng)在減小熱阻和降低能耗之間作合理的協(xié)調(diào)。為了降低污垢的熱阻，可設(shè)法延緩污垢的形成，并定期清洗傳熱面。一般換熱器都用金屬材料制成，其中碳素鋼和低合金鋼大多用于制造中、低壓換熱器；不銹鋼除主要用于不同的耐腐蝕條件外，奧氏體不銹鋼還可作為耐高、低溫的材料；銅、鋁及其合金多用于制造低溫?fù)Q熱器；鎳合金則用于高溫條件下；非金屬材料除制作墊片零件外，有些已開始用于制作非金屬材料的耐蝕換熱器，如石墨換熱器、氟塑料換熱器和玻璃換熱器等。
中國換熱器產(chǎn)業(yè)起步較晚。1963年撫順機(jī)械設(shè)備制造有限公司按照美國TEMA標(biāo)準(zhǔn)制造出中國第一臺管殼式換熱器，1965年蘭州石油機(jī)械研究所研制出我國第一臺板式換熱器，蘇州新蘇化工機(jī)械有限公司（原蘇州化工機(jī)械廠）在20世紀(jì)60年代研制出我國第一臺螺旋板式換熱器。之后，蘭州石油機(jī)械研究所首次引進(jìn)德國斯密特?fù)Q熱器技術(shù)，原四平換熱器總廠引進(jìn)法國維卡勃換熱器技術(shù)，國內(nèi)換熱器行業(yè)在消化吸收國外技術(shù)的基礎(chǔ)上，開始獲得較快發(fā)展。20世紀(jì)80年代后，中國出現(xiàn)了自主開發(fā)傳熱技術(shù)的新趨勢，大量的強化傳熱元件被推向市場，國內(nèi)傳熱技術(shù)高潮時期的代表作有折流桿換熱器、新結(jié)構(gòu)高效換熱器、高效重沸器、高效冷凝器、雙殼程換熱器、板殼式換熱器、表面蒸發(fā)式空冷器等一批優(yōu)良的高效換熱器。
2.換熱器國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀
進(jìn)入21世紀(jì)后，大量的強化傳熱技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)裝置，我國換熱器產(chǎn)業(yè)在技術(shù)水平上獲得了快速提升，板式換熱器日漸崛起。如蘭石換熱設(shè)備公司板式換熱器成功進(jìn)入國內(nèi)核電建設(shè)項目常規(guī)島和核島領(lǐng)域，并陸續(xù)將板式換熱器用于大乙烯項目、鈦白粉生產(chǎn)線等領(lǐng)域。四平巨元瀚洋板式換熱器公司也成功進(jìn)入大亞灣二期嶺澳核電站的常規(guī)島和核島領(lǐng)域。
最近幾年，我國還在大型管殼式換熱器、大直徑螺紋鎖緊環(huán)高壓換熱器、高效節(jié)能板殼式換熱器、大型板式空氣預(yù)熱器方面獲得了重大突破。飛速發(fā)展的柏恩品牌（BHE）誕生于2004年。2008年8月，由中國石化集團(tuán)上海工程公司與中國第一重型機(jī)械公司、蘭州石油機(jī)械研究所、鎮(zhèn)海煉化公司共同承擔(dān)研制的鎮(zhèn)海煉化百萬噸/年乙烯項目-EO/EG裝置大型管殼式換熱器國產(chǎn)化研制通過技術(shù)鑒定，標(biāo)志著我國在大型管殼式換熱器領(lǐng)域獲得了重大突破。該換熱器是國內(nèi)正在制造的首臺換熱面積超過10000㎡的超大型管殼式換熱器。
2009年4月，中國石化組織專家對“大直徑螺紋鎖緊環(huán)高壓換熱器國產(chǎn)化研制攻關(guān)”項目進(jìn)行了科學(xué)技術(shù)成果鑒定。該項目是依托中國石化青島煉油化工有限責(zé)任公司千萬噸級煉油項目中的320萬噸/年加氫處理裝置開展的，由中國石化工程建設(shè)公司、中國石化青島煉油化工有限責(zé)任公司、蘭州蘭石機(jī)械設(shè)備有限責(zé)任公司、撫順機(jī)械設(shè)備制造有限公司聯(lián)合承擔(dān)。該換熱器的國產(chǎn)化標(biāo)志著我國已經(jīng)具備設(shè)計和制造DN2000以下的螺紋鎖緊環(huán)高壓換熱器的能力，大大降低了石化工程建設(shè)成本，單臺即可節(jié)約采購資金1400萬元，且縮短了交貨期，打破了國外公司壟斷地位。2009年6月，由甘肅藍(lán)科石化高新裝備股份有限公司研制開發(fā)的國產(chǎn)首臺10500㎡高效節(jié)能板殼式換熱器暨國產(chǎn)首臺100萬噸/年P(guān)X裝置10910㎡板式空氣預(yù)熱器在上海通過出廠驗收。該10500㎡高效節(jié)能板殼式換熱器將應(yīng)用在中國石油烏魯木齊石化分公司100萬噸/年芳烴聯(lián)合裝置，是目前國內(nèi)單臺換熱面積最大的國產(chǎn)板殼式換熱器，其采用的RZ4板型、T型分布器等多項技術(shù)屬國際領(lǐng)先，換熱器整體已達(dá)到國際先進(jìn)水平。10500㎡高效節(jié)能板殼式換熱器的研制成功是國產(chǎn)板殼式換熱器發(fā)展的一個重要里程碑，標(biāo)志著國產(chǎn)板殼式換熱器已跨入國際領(lǐng)先行列，并將結(jié)束同類產(chǎn)品依靠進(jìn)口的歷史。
國產(chǎn)首臺總傳熱面積達(dá)10910㎡板式空氣預(yù)熱器將應(yīng)用于中國石油烏魯木齊石化分公司100萬噸 /年對二甲苯（PX）芳烴聯(lián)合裝置，是國內(nèi)首套加熱爐空氣預(yù)熱器全部采用全焊接波紋板空氣預(yù)熱器的對二甲苯裝置，也是首套排煙溫度低至100℃的裝置，整體技術(shù)達(dá)到國際領(lǐng)先水平。這臺空氣預(yù)熱器屬高效、環(huán)保節(jié)能型熱交換器，其研制成功標(biāo)志著國產(chǎn)全焊接波紋板空氣預(yù)熱器的研制邁上了一個新臺階。
3.換熱器產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢
隨著我國工業(yè)化和城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快，以及全球發(fā)展中國家經(jīng)濟(jì)的增長，國內(nèi)市場和出口市場對換熱器的需求量將會保持增長，客觀上為我國換熱器產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展提供了廣闊的市場空間。從市場需求來看，在國家四萬億投資的刺激下，我國國民經(jīng)濟(jì)仍將保持較快發(fā)展。石油化工、能源電力、環(huán)境保護(hù)等行業(yè)仍然保持穩(wěn)定增長，大型乙烯項目、大規(guī)模的核電站建設(shè)、大型風(fēng)力發(fā)電場的建設(shè)、太陽能光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)中多晶硅產(chǎn)量的迅速增長、大型環(huán)境保護(hù)工程的開工建設(shè)、海水淡化工程的日益成熟，都將對換熱器產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生巨大的需求拉動。從產(chǎn)品結(jié)構(gòu)來看，由于石油化工、食品醫(yī)藥、海水淡化等領(lǐng)域?qū)Q熱器使用的材料有特殊要求，以及特殊材料換熱器利潤空間相對較大等因素，未來特殊材料換熱器所占比例將會增加，而該類產(chǎn)品價格較高，也會使市場規(guī)模進(jìn)一步放大。
目前，我國換熱器產(chǎn)業(yè)的市場規(guī)模大概為360億人民幣。基于石油、化工、電力、冶金、船舶、機(jī)械、食品、制藥等行業(yè)對換熱器穩(wěn)定的需求增長，我國換熱器產(chǎn)業(yè)在未來一段時期內(nèi)將保持穩(wěn)定增長。
4.研究的主攻方向
盡管我國在部分重要換熱器產(chǎn)品領(lǐng)域獲得了突破，但我國換熱器技術(shù)基礎(chǔ)研究仍然薄弱。與國外先進(jìn)水平相比較，我國換熱器產(chǎn)業(yè)與西方發(fā)達(dá)國家最大的技術(shù)差距在于換熱器產(chǎn)品的基礎(chǔ)研究和原理研究，尤其是缺乏介質(zhì)物性數(shù)據(jù)，對于流場、溫度場、流動狀態(tài)等工作原理研究不足。在換熱器制造上，我國目前還以仿制為主，雖然在整體制造水平上差距不大，但是在模具加工水平和板片壓制方面與發(fā)達(dá)國家還有一定的差距。在設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)上，我國換熱器設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)較為滯后。目前，我國的管殼式換熱器標(biāo)準(zhǔn)的最大產(chǎn)品直徑還僅停留在2.5米，而隨著石油化工領(lǐng)域的大型化要求，目前對管殼式換熱器直徑已經(jīng)達(dá)到4.5米甚至5米，超出了我國換熱器設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)范圍，使得我國換熱器設(shè)計企業(yè)不得不按照美國TEMA標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計。更為嚴(yán)重的是，我國在大型專業(yè)化換熱器設(shè)計軟件方面嚴(yán)重滯后。目前我國在換熱器設(shè)計過程中還不能實現(xiàn)虛擬制造、仿真制造，缺乏自主知識產(chǎn)權(quán)的大型專業(yè)計算軟件。由于在換熱器的相關(guān)工藝計算、傳熱計算和振動模型的計算方面缺少大型專業(yè)化軟件支持，使得我國對設(shè)計出來的換熱器產(chǎn)品無法準(zhǔn)確預(yù)計其使用效果，這使得我國企業(yè)在換熱器產(chǎn)品招標(biāo)過程中處于不利地位。因此在未來必須重視換熱器產(chǎn)品的基礎(chǔ)研究和原理研究，制作出我國自己的換熱器標(biāo)準(zhǔn)。
五．主要研究內(nèi)容、需重點研究的關(guān)鍵問題
主要研究內(nèi)容
(1）設(shè)計方案的確定；
（2）換熱器的設(shè)計計算，包括：熱負(fù)荷計算、平均溫差的計算、傳熱面積計算、換熱管的選擇、管數(shù)計算與排列、殼體直徑與殼體厚度的確定、管程和殼程壓力降的計算、總傳熱系數(shù)的計算與校核；
（3）主體構(gòu)件的設(shè)計和連接，包括：管束分程及管殼分程情況，管板、管箱與封頭、折流板、支承板、拉桿與定距管等；
（4）輔助結(jié)構(gòu)的選用；
（5）完成設(shè)備裝配圖及重要零部件圖；
六. 設(shè)計時間安排
時 間
階段
內(nèi)容與任務(wù)
成果
5-7周
畢業(yè)實習(xí)
了解設(shè)計相關(guān)的技能
資料收集、實習(xí)日志、實習(xí)報告
8-9周
設(shè)計準(zhǔn)備
進(jìn)行深入的調(diào)查和國內(nèi)外文獻(xiàn)查閱、確定設(shè)計思路和步驟
外文翻譯、開題報告
9-11周
方案設(shè)計
完成氨氣換熱器的數(shù)據(jù)計算和分析,進(jìn)行廣泛的設(shè)計方案構(gòu)思
計算數(shù)據(jù)，工藝結(jié)構(gòu)
12-14周
深入設(shè)計
進(jìn)行fluent模擬實驗并完成零件圖和裝配圖
電子圖與設(shè)計說明書綱要
15-16周
末期設(shè)計
完成設(shè)計所有環(huán)節(jié)，定型打包，設(shè)計說明書的編寫
設(shè)計說明書
17周
答辯準(zhǔn)備
設(shè)計過程中所有文件的檢查修改、答辯用材料的編寫
畢業(yè)設(shè)計、電腦演示、論文答辯提綱、視頻課件制作
七．指導(dǎo)老師審核意見
簽 字：
年 月 日
II - 8
長江大學(xué)畢業(yè)論文(設(shè)計)指導(dǎo)教師評審意見
學(xué)生姓名
陳愛
專業(yè)班級
裝備10901
畢業(yè)論文
(設(shè)計)題目
氨氣換熱器設(shè)計
指導(dǎo)教師
謝麗芳
職 稱
講師
評審日期
2013年6月10日
評審參考內(nèi)容：畢業(yè)論文(設(shè)計)的研究內(nèi)容、研究方法及研究結(jié)果，難度及工作量，質(zhì)量和水平，存在的主要問題與不足。學(xué)生的學(xué)習(xí)態(tài)度和組織紀(jì)律，學(xué)生掌握基礎(chǔ)和專業(yè)知識的情況，解決實際問題的能力，畢業(yè)論文(設(shè)計)是否完成規(guī)定任務(wù)，達(dá)到了學(xué)士學(xué)位論文的水平，是否同意參加答辯。
評審意見：
指導(dǎo)教師簽名： 評定成績（百分制）：_______分
（注：此頁不夠，請轉(zhuǎn)反面）
長江大學(xué)畢業(yè)論文(設(shè)計)評閱教師評語
學(xué)生姓名
陳愛
專業(yè)班級
裝備10901
畢業(yè)論文
(設(shè)計)題目
氨氣換熱器設(shè)計
評閱教師
張琴
職 稱
講師
評閱日期
2013年6月11日
評閱參考內(nèi)容：畢業(yè)論文(設(shè)計)的研究內(nèi)容、研究方法及研究結(jié)果，難度及工作量，質(zhì)量和水平，存在的主要問題與不足。學(xué)生掌握基礎(chǔ)和專業(yè)知識的情況，解決實際問題的能力，畢業(yè)論文(設(shè)計)是否完成規(guī)定任務(wù)，達(dá)到了學(xué)士學(xué)位論文的水平，是否同意參加答辯。
評語：
評閱教師簽名： 評定成績（百分制）：_______分
（注：此頁不夠，請轉(zhuǎn)反面）
長江大學(xué)畢業(yè)論文(設(shè)計)答辯記錄及成績評定
學(xué)生姓名
陳愛
專業(yè)班級
裝備10901
畢業(yè)論文
(設(shè)計)題目
氨氣換熱器設(shè)計
答辯時間
2013 年 6 月 13 日 8:00～17:40時
答辯地點
7教209
一、答辯小組組成
答辯小組組長：周志宏
成 員：張慢來 張琴 李美求 劉利軍
二、答辯記錄摘要
答辯小組提問（分條摘要列舉）
學(xué)生回答情況評判
三、答辯小組對學(xué)生答辯成績的評定（百分制）：_______分
畢業(yè)論文(設(shè)計)最終成績評定(依據(jù)指導(dǎo)教師評分、評閱教師評分、答辯小組評分和學(xué)校關(guān)于畢業(yè)論文(設(shè)計)評分的相關(guān)規(guī)定)
等級(五級制)：_______
答辯小組組長(簽名) ： 秘書(簽名)： 2013年 6月13日
院(系)答辯委員會主任(簽名)： 院(系)(蓋章)
IV
氨氣換熱器的設(shè)計
目錄
任務(wù)書………………………………………………………………………….....Ⅰ
開題報告……………………………………………………………………….....Ⅱ
指導(dǎo)教師審查意見…………………………………………………………….....Ⅲ
評閱教師評語………………………………………………………………….....Ⅳ
答辯會議記錄 …………………………………………………………………....Ⅴ
中文摘要……………………………………………………………………….....Ⅵ
外文摘要……………………………………………………………………….....Ⅶ
1.前言 1
1.1氨氣的性質(zhì) 1
1.1.1氨氣的用途 1
1.1.2合成氨技術(shù) 1
1.2換熱器的性質(zhì) 2
1.2.1換熱器的發(fā)展歷史 2
1.2.2換熱器的國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀 4
1.2.3換熱器產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢 5
1.2.4換熱器研究的主攻方向 5
2.設(shè)計任務(wù) 6
2.1設(shè)計內(nèi)容 6
2.2設(shè)計要求 6
3.設(shè)計方案 7
3.1確定設(shè)計方案 7
3.2換熱器的選型 7
3.2.1列管式換熱器 7
3.2.2固定管板式換熱器 8
3.2.3浮頭式換熱器 8
3.2.4U型管換熱器 9
3.2.5填料函式換熱器 9
3.2.6換熱器最終選型 10
3.3換熱器內(nèi)冷熱流體通道的選擇 10
3.4流速的選擇 10
3.5.1換熱管的選用 11
3.5.2管子的排列 11
4.物性數(shù)據(jù) 12
4.1定性溫度 12
4.2物性數(shù)據(jù) 12
5.工藝設(shè)計說明 13
5.1估算傳熱面積A 13
5.1.1換熱器熱負(fù)荷及冷卻介質(zhì)消耗量的計算 13
5.1.2計算平均溫度差，并確定管程數(shù)。選取逆流流向，先按單殼程單管程考慮，計算出平均溫度差。 13
5.1.3按經(jīng)驗數(shù)值初選總傳熱系數(shù) 14
5.1.4現(xiàn)估算傳熱面積為： 14
5.2主要工藝及結(jié)構(gòu)基本參數(shù)的計算 14
5.2.1換熱管數(shù)量及長度的確定 14
5.2.2管子的排列方式及管子與管板的連接方式的選定 14
5.2.3計算外殼體內(nèi)直徑 14
5.2.4畫出管排列圖 15
5.2.5計算實際傳熱面積及過程的總傳熱系數(shù) 15
5.2.6折流板 15
5.2.7拉桿的直徑和數(shù)量與定距管的選定 16
5.2.8溫度補償圈的選用 16
5.2.9列出所設(shè)計換熱器的結(jié)構(gòu)基本參數(shù) 16
5.3換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸與接管尺寸的確定 17
5.3.1殼體壁厚的確定 17
5.3.2流體進(jìn)出口接管的直徑計算 17
5.4管、殼程壓強降的校驗 18
5.4.1管程壓降 18
5.4.2殼程壓降（冷卻水走殼程） 18
5.5總傳熱系數(shù)的校驗 20
6.主體構(gòu)件的設(shè)計和連接 22
6.1管束分程及管殼分程情況 22
6.2管板的選取 23
6.3管箱與封頭 24
6.4折流板 24
6.5支承板 25
6.6拉桿與定距管 26
6.7支座 27
6.7.1立式支座 27
6.7.2臥式支座 27
7輔助結(jié)構(gòu)的選用 28
7.1緩沖擋板 28
7.2導(dǎo)流筒 28
7.3排氣，排液孔 28
7.4 膨脹節(jié)的選用與計算 29
8.總結(jié)與展望 30
8.1 總結(jié) 30
8.2 展望 31
參考文獻(xiàn) 32
致謝 33
氨氣熱器的設(shè)計
1.前言
化工單元設(shè)備設(shè)計是化工類和機(jī)械類專業(yè)學(xué)生運用自己已學(xué)課程的知識來解決常規(guī)化工設(shè)計中的問題的一次很好地、全面地鍛煉過程。通過設(shè)計可以不斷增強我們運用綜臺知識的能力，解決工程實際問題的能力和全面分析問題的能力 。為此，我選擇了氨氣變換氣換熱器的設(shè)計以加強我們對自己知識理解的運用。列管式換熱器是化工生產(chǎn)中常用的一種換熱設(shè)備，結(jié)構(gòu)簡單，適應(yīng)性強；單位體積所具有的傳熱面積大并傳熱效果好；而且種類多，型號全。因此，本設(shè)計就是設(shè)計一臺小型臺成氨廠變換工段所用的列管式換熱器。
1.1氨氣的性質(zhì)
氨氣在常溫下是無色有刺激性氣味且易溶于水的氣體，氨分子和水通過與氫鍵結(jié)合生成NH3?H2O，NH3?H2O能夠部分電離，反應(yīng)為NH3?H2O＝NH4++OH-。由于氨水呈弱堿性，因此可以和酸反應(yīng)。氨氣溶于水后，加熱易揮發(fā)，因此分離氨氣只需加熱即可。但由于其氣味較大，因此需要進(jìn)行尾氣處理。
1.1.1氨氣的用途
氨氣的用途非常的廣泛。工藝上可以用氨氣通過氧化制造硝酸，而硝酸是重要的化工原料，也可以用來制造純堿、化肥、尿素、炸藥等。軍事上可以作為一種堿性消毒劑，用于消毒沙林類毒劑。無機(jī)工業(yè)用于制造各種鐵鹽。毛紡、絲綢、印染等工業(yè)用于洗滌羊毛、呢絨、坯布溶解和調(diào)整酸堿度，并作為助染劑等。有機(jī)工業(yè)用作胺化劑，生產(chǎn)熱固性酚醛樹脂的催化劑。醫(yī)藥上用稀氨水對呼吸和循環(huán)起反射性刺激，醫(yī)治暈倒和昏厥，并作皮膚刺激藥和消毒藥。也用作消毒劑和洗滌劑、中和劑、生物堿浸出劑。還用于制藥工業(yè)，紗罩業(yè)、曬圖等。是近現(xiàn)代化工的基礎(chǔ)原料，還可用于壓縮制冷。
1.1.2合成氨技術(shù)
在現(xiàn)代社會，氨氣的用途非常的廣泛，因此合成氨的技術(shù)，和對合成氨技術(shù)的改良，對于生成氨的產(chǎn)量是非常重要的。而在合成氨技術(shù)中，對于熱量的控制以及如何利用換熱器減少對燃料的使用，加強熱量回收再利用的效率，這將降低合成氨技術(shù)中投資的費用。
1.2換熱器的性質(zhì)
換熱器的用途多樣，不過一般只有兩種用途被經(jīng)常使用，一是降溫；二是加熱。是通過換熱器將一種介質(zhì)中的部分熱量傳遞到另一種介質(zhì)。換熱器是實現(xiàn)化工生產(chǎn)過程中和熱量交換和傳遞不可缺少的設(shè)備。而在熱量交換中常有一些腐蝕性、氧化性很強的物料，因此要求換熱器的的材料具有強抗腐蝕性，可以用石墨、陶瓷、玻璃等非金屬材料以及不銹鋼、鈦、鋯等金屬材料制成。但石墨、陶瓷等非金屬材料制成的換熱器易碎、體積大、導(dǎo)熱差等缺點，但鈦、鋯等稀有金屬制成的換熱器又較為昂貴，不銹鋼則難耐許多腐蝕性介質(zhì)，并會產(chǎn)生晶間腐蝕。
1.2.1換熱器的發(fā)展歷史
二十世紀(jì)20年代出現(xiàn)板式換熱器，并應(yīng)用于食品工業(yè)。以板代管制成的換熱器，結(jié)構(gòu)緊湊，傳熱效果好，因此陸續(xù)發(fā)展為多種形式。30年代初，瑞典首次制成螺旋板換熱器。接著英國用釬焊法制造出一種由銅及其合金材料制成的板翅式換熱器，用于飛機(jī)發(fā)動機(jī)的散熱。30年代末，瑞典又制造出第一臺板殼式換熱器，用于紙漿工廠。在此期間，為了解決強腐蝕性介質(zhì)的換熱問題，人們對新型材料制成的換熱器開始注意。60年代左右，由于空間技術(shù)和尖端科學(xué)的迅速發(fā)展，迫切需要各種高效能緊湊型的換熱器，再加上沖壓、釬焊和密封等技術(shù)的發(fā)展，換熱器制造工藝得到進(jìn)一步完善，從而推動了緊湊型板面式換熱器的蓬勃發(fā)展和廣泛應(yīng)用。自60年代開始，為了適應(yīng)高溫和高壓條件下的換熱和節(jié)能的需要，典型的管殼式換熱器也得到了進(jìn)一步的發(fā)展。70年代中期，為了強化傳熱，在研究和發(fā)展熱管的基礎(chǔ)上又創(chuàng)制出熱管式換熱器。
換熱器的種類很多，但根據(jù)冷、熱流體熱量交換的原理和方式基本上可分為三大類：間壁式、混合式和蓄熱式。在三類換熱器中，間壁式換熱器應(yīng)用最多。混合式換熱器是通過冷、熱流體的直接接觸、混合進(jìn)行熱量交換的換熱器，又稱接觸式換熱器。由于兩流體混合換熱后必須及時分離，這類換熱器適合于氣、液兩流體之間的換熱。例如，化工廠和發(fā)電廠所用的涼水塔中，熱水由上往下噴淋，而冷空氣自下而上吸入，在填充物的水膜表面或飛沫及水滴表面，熱水和冷空氣相互接觸進(jìn)行換熱，熱水被冷卻，冷空氣被加熱，然后依靠兩流體本身的密度差得以及時分離。蓄熱式換熱器是利用冷、熱流體交替流經(jīng)蓄熱室中的蓄熱體(填料)表面，從而進(jìn)行熱量交換的換熱器，如煉焦?fàn)t下方預(yù)熱空氣的蓄熱室。這類換熱器主要用于回收和利用高溫廢氣的熱量。以回收冷量為目的的同類設(shè)備稱蓄冷器，多用于空氣分離裝置中。間壁式換熱器的冷、熱流體被固體間壁隔開，并通過間壁進(jìn)行熱量交換的換熱器，因此又稱表面式換熱器，這類換熱器應(yīng)用最廣。間壁式換熱器根據(jù)傳熱面的結(jié)構(gòu)不同可分為管式、板面式和其他型式。管式換熱器以管子表面作為傳熱面，包括蛇管式換熱器、套管式換熱器和管殼式換熱器等；板面式換熱器以板面作為傳熱面，包括板式換熱器、螺旋板換熱器、板翅式換熱器、板殼式換熱器和傘板換熱器等；其他型式換熱器是為滿足某些特殊要求而設(shè)計的換熱器，如刮面式換熱器、轉(zhuǎn)盤式換熱器和空氣冷卻器等。
換熱器中流體的相對流向一般有順流和逆流兩種。順流時，入口處兩流體的溫差最大，并沿傳熱表面逐漸減小，至出口處溫差為最小。逆流時，沿傳熱表面兩流體的溫差分布較均勻。在冷、熱流體的進(jìn)出口溫度一定的條件下，當(dāng)兩種流體都無相變時，以逆流的平均溫差最大順流最小。在完成同樣傳熱量的條件下，采用逆流可使平均溫差增大，換熱器的傳熱面積減?。蝗魝鳠崦娣e不變，采用逆流時可使加熱或冷卻流體的消耗量降低。前者可節(jié)省設(shè)備費，后者可節(jié)省操作費，故在設(shè)計或生產(chǎn)使用中應(yīng)盡量采用逆流換熱。當(dāng)冷、熱流體兩者或其中一種有物相變化(沸騰或冷凝)時，由于相變時只放出或吸收汽化潛熱，流體本身的溫度并無變化，因此流體的進(jìn)出口溫度相等，這時兩流體的溫差就與流體的流向選擇無關(guān)了。除順流和逆流這兩種流向外，還有錯流和折流等流向。
在傳熱過程中，降低間壁式換熱器中的熱阻，以提高傳熱系數(shù)是一個重要的問題。熱阻主要來源于間壁兩側(cè)粘滯于傳熱面上的流體薄層(稱為邊界層)，和換熱器使用中在壁兩側(cè)形成的污垢層，金屬壁的熱阻相對較小。增加流體的流速和擾動性，可減薄邊界層，降低熱阻提高給熱系數(shù)。但增加流體流速會使能量消耗增加，故設(shè)計時應(yīng)在減小熱阻和降低能耗之間作合理的協(xié)調(diào)。為了降低污垢的熱阻，可設(shè)法延緩污垢的形成，并定期清洗傳熱面。一般換熱器都用金屬材料制成，其中碳素鋼和低合金鋼大多用于制造中、低壓換熱器；不銹鋼除主要用于不同的耐腐蝕條件外，奧氏體不銹鋼還可作為耐高、低溫的材料；銅、鋁及其合金多用于制造低溫?fù)Q熱器；鎳合金則用于高溫條件下；非金屬材料除制作墊片零件外，有些已開始用于制作非金屬材料的耐蝕換熱器，如石墨換熱器、氟塑料換熱器和玻璃換熱器等。
中國換熱器產(chǎn)業(yè)起步較晚。1963年撫順機(jī)械設(shè)備制造有限公司按照美國TEMA標(biāo)準(zhǔn)制造出中國第一臺管殼式換熱器，1965年蘭州石油機(jī)械研究所研制出我國第一臺板式換熱器，蘇州新蘇化工機(jī)械有限公司（原蘇州化工機(jī)械廠）在20世紀(jì)60年代研制出我國第一臺螺旋板式換熱器。之后，蘭州石油機(jī)械研究所首次引進(jìn)德國斯密特?fù)Q熱器技術(shù)，原四平換熱器總廠引進(jìn)法國維卡勃換熱器技術(shù)，國內(nèi)換熱器行業(yè)在消化吸收國外技術(shù)的基礎(chǔ)上，開始獲得較快發(fā)展。20世紀(jì)80年代后，中國出現(xiàn)了自主開發(fā)傳熱技術(shù)的新趨勢，大量的強化傳熱元件被推向市場，國內(nèi)傳熱技術(shù)高潮時期的代表作有折流桿換熱器、新結(jié)構(gòu)高效換熱器、高效重沸器、高效冷凝器、雙殼程換熱器、板殼式換熱器、表面蒸發(fā)式空冷器等一批優(yōu)良的高效換熱器。
1.2.2換熱器的國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀
進(jìn)入21世紀(jì)后，大量的強化傳熱技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)裝置，我國換熱器產(chǎn)業(yè)在技術(shù)水平上獲得了快速提升，板式換熱器日漸崛起。如蘭石換熱設(shè)備公司板式換熱器成功進(jìn)入國內(nèi)核電建設(shè)項目常規(guī)島和核島領(lǐng)域，并陸續(xù)將板式換熱器用于大乙烯項目、鈦白粉生產(chǎn)線等領(lǐng)域。四平巨元瀚洋板式換熱器公司也成功進(jìn)入大亞灣二期嶺澳核電站的常規(guī)島和核島領(lǐng)域。
最近幾年，我國還在大型管殼式換熱器、大直徑螺紋鎖緊環(huán)高壓換熱器、高效節(jié)能板殼式換熱器、大型板式空氣預(yù)熱器方面獲得了重大突破。飛速發(fā)展的柏恩品牌（BHE）誕生于2004年。2008年8月，由中國石化集團(tuán)上海工程公司與中國第一重型機(jī)械公司、蘭州石油機(jī)械研究所、鎮(zhèn)海煉化公司共同承擔(dān)研制的鎮(zhèn)海煉化百萬噸/年乙烯項目-EO/EG裝置大型管殼式換熱器國產(chǎn)化研制通過技術(shù)鑒定，標(biāo)志著我國在大型管殼式換熱器領(lǐng)域獲得了重大突破。該換熱器是國內(nèi)正在制造的首臺換熱面積超過10000㎡的超大型管殼式換熱器。
2009年4月，中國石化組織專家對“大直徑螺紋鎖緊環(huán)高壓換熱器國產(chǎn)化研制攻關(guān)”項目進(jìn)行了科學(xué)技術(shù)成果鑒定。該項目是依托中國石化青島煉油化工有限責(zé)任公司千萬噸級煉油項目中的320萬噸/年加氫處理裝置開展的，由中國石化工程建設(shè)公司、中國石化青島煉油化工有限責(zé)任公司、蘭州蘭石機(jī)械設(shè)備有限責(zé)任公司、撫順機(jī)械設(shè)備制造有限公司聯(lián)合承擔(dān)。該換熱器的國產(chǎn)化標(biāo)志著我國已經(jīng)具備設(shè)計和制造DN2000以下的螺紋鎖緊環(huán)高壓換熱器的能力，大大降低了石化工程建設(shè)成本，單臺即可節(jié)約采購資金1400萬元，且縮短了交貨期，打破了國外公司壟斷地位。2009年6月，由甘肅藍(lán)科石化高新裝備股份有限公司研制開發(fā)的國產(chǎn)首臺10500㎡高效節(jié)能板殼式換熱器暨國產(chǎn)首臺100萬噸/年P(guān)X裝置10910㎡板式空氣預(yù)熱器在上海通過出廠驗收。該10500㎡高效節(jié)能板殼式換熱器將應(yīng)用在中國石油烏魯木齊石化分公司100萬噸/年芳烴聯(lián)合裝置，是目前國內(nèi)單臺換熱面積最大的國產(chǎn)板殼式換熱器，其采用的RZ4板型、T型分布器等多項技術(shù)屬國際領(lǐng)先，換熱器整體已達(dá)到國際先進(jìn)水平。10500㎡高效節(jié)能板殼式換熱器的研制成功是國產(chǎn)板殼式換熱器發(fā)展的一個重要里程碑，標(biāo)志著國產(chǎn)板殼式換熱器已跨入國際領(lǐng)先行列，并將結(jié)束同類產(chǎn)品依靠進(jìn)口的歷史。
國產(chǎn)首臺總傳熱面積達(dá)10910㎡板式空氣預(yù)熱器將應(yīng)用于中國石油烏魯木齊石化分公司100萬噸 /年對二甲苯（PX）芳烴聯(lián)合裝置，是國內(nèi)首套加熱爐空氣預(yù)熱器全部采用全焊接波紋板空氣預(yù)熱器的對二甲苯裝置，也是首套排煙溫度低至100℃的裝置，整體技術(shù)達(dá)到國際領(lǐng)先水平。這臺空氣預(yù)熱器屬高效、環(huán)保節(jié)能型熱交換器，其研制成功標(biāo)志著國產(chǎn)全焊接波紋板空氣預(yù)熱器的研制邁上了一個新臺階。
1.2.3換熱器產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢
隨著我國工業(yè)化和城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快，以及全球發(fā)展中國家經(jīng)濟(jì)的增長，國內(nèi)市場和出口市場對換熱器的需求量將會保持增長，客觀上為我國換熱器產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展提供了廣闊的市場空間。從市場需求來看，在國家四萬億投資的刺激下，我國國民經(jīng)濟(jì)仍將保持較快發(fā)展。石油化工、能源電力、環(huán)境保護(hù)等行業(yè)仍然保持穩(wěn)定增長，大型乙烯項目、大規(guī)模的核電站建設(shè)、大型風(fēng)力發(fā)電場的建設(shè)、太陽能光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)中多晶硅產(chǎn)量的迅速增長、大型環(huán)境保護(hù)工程的開工建設(shè)、海水淡化工程的日益成熟，都將對換熱器產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生巨大的需求拉動。從產(chǎn)品結(jié)構(gòu)來看，由于石油化工、食品醫(yī)藥、海水淡化等領(lǐng)域?qū)Q熱器使用的材料有特殊要求，以及特殊材料換熱器利潤空間相對較大等因素，未來特殊材料換熱器所占比例將會增加，而該類產(chǎn)品價格較高，也會使市場規(guī)模進(jìn)一步放大。
目前，我國換熱器產(chǎn)業(yè)的市場規(guī)模大概為360億人民幣。基于石油、化工、電力、冶金、船舶、機(jī)械、食品、制藥等行業(yè)對換熱器穩(wěn)定的需求增長，我國換熱器產(chǎn)業(yè)在未來一段時期內(nèi)將保持穩(wěn)定增長。
1.2.4換熱器研究的主攻方向
盡管我國在部分重要換熱器產(chǎn)品領(lǐng)域獲得了突破，但我國換熱器技術(shù)基礎(chǔ)研究仍然薄弱。與國外先進(jìn)水平相比較，我國換熱器產(chǎn)業(yè)與西方發(fā)達(dá)國家最大的技術(shù)差距在于換熱器產(chǎn)品的基礎(chǔ)研究和原理研究，尤其是缺乏介質(zhì)物性數(shù)據(jù)，對于流場、溫度場、流動狀態(tài)等工作原理研究不足。在換熱器制造上，我國目前還以仿制為主，雖然在整體制造水平上差距不大，但是在模具加工水平和板片壓制方面與發(fā)達(dá)國家還有一定的差距。在設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)上，我國換熱器設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)較為滯后。目前，我國的管殼式換熱器標(biāo)準(zhǔn)的最大產(chǎn)品直徑還僅停留在2.5米，而隨著石油化工領(lǐng)域的大型化要求，目前對管殼式換熱器直徑已經(jīng)達(dá)到4.5米甚至5米，超出了我國換熱器設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)范圍，使得我國換熱器設(shè)計企業(yè)不得不按照美國TEMA標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計。更為嚴(yán)重的是，我國在大型專業(yè)化換熱器設(shè)計軟件方面嚴(yán)重滯后。目前我國在換熱器設(shè)計過程中還不能實現(xiàn)虛擬制造、仿真制造，缺乏自主知識產(chǎn)權(quán)的大型專業(yè)計算軟件。由于在換熱器的相關(guān)工藝計算、傳熱計算和振動模型的計算方面缺少大型專業(yè)化軟件支持，使得我國對設(shè)計出來的換熱器產(chǎn)品無法準(zhǔn)確預(yù)計其使用效果，這使得我國企業(yè)在換熱器產(chǎn)品招標(biāo)過程中處于不利地位。因此在未來必須重視換熱器產(chǎn)品的基礎(chǔ)研究和原理研究，制作出我國自己的換熱器標(biāo)準(zhǔn)。
2.設(shè)計任務(wù)
2.1設(shè)計內(nèi)容
本次設(shè)計任務(wù)為列管式換熱器工藝設(shè)計，具體如下：某合成氨車間，用冷水冷卻變換氣。變換氣的體積流量7000標(biāo)準(zhǔn)m3/h，其他有關(guān)參數(shù)如下表。
表1-1 參數(shù)表
分子量M
17
導(dǎo)熱系數(shù)λ，W/(m·℃)
0.058
密度ρ，㎏/m3
0.925
允許壓強降，N/㎡
3920
粘度μ，Pa?s
1.55×10-5
進(jìn)口溫度T1，℃
144
比熱Cp，KJ/（kg?℃）
1.9
出口溫度T2，℃
57
操作條件下水的數(shù)據(jù)：全年最高溫度30℃，經(jīng)過處理的軟水。
2.2設(shè)計要求
（1）設(shè)計方案的確定；
（2）換熱器的設(shè)計計算，包括：熱負(fù)荷計算、平均溫差的計算、傳熱面積計算、換熱管的選擇、管數(shù)計算與排列、殼體直徑與殼體厚度的確定、管程和殼程壓力降的計算、總傳熱系數(shù)的計算與校核；
（3）主體構(gòu)件的設(shè)計和連接，包括：管束分程及管殼分程情況，管板、管箱與封頭、折流板、支承板、拉桿與定距管等；
（4）輔助結(jié)構(gòu)的選用；
（5）完成設(shè)備裝配圖及重要零部件圖；
3.設(shè)計方案
3.1確定設(shè)計方案
當(dāng)我們知曉設(shè)計內(nèi)容，下一步則是根據(jù)內(nèi)容確定設(shè)計方案，一般包括工藝流程及主要設(shè)備形式的選擇。而主要設(shè)備的選型主要是選擇何種列管式換熱器， 流動空間及流速的確定。
3.2換熱器的選型
本設(shè)計任務(wù)是利用冷流體（水）給氨降溫。利用熱傳遞過程中對流傳熱原則，制成換熱器，以供生產(chǎn)需要。選擇換熱器時，要遵循經(jīng)濟(jì)，傳熱效果優(yōu)，方便清洗，復(fù)合實際需要等原則。不同的換熱器適用于不同的場合。換熱器的選擇涉及的因素很多，如換熱流體的腐蝕性及其他特性，操作溫度與壓力，換熱器的熱負(fù)荷，管程與殼程的溫差，檢修與清洗要求等。而列管式換熱器在生產(chǎn)中被廣泛利用。它的結(jié)構(gòu)簡單、堅固、制造較容易、處理能力大、適應(yīng)性大、操作彈性較大。尤其在高壓、高溫和大型裝置中使用更為普遍。所以首選間壁式換熱器中的列管式換熱器作為設(shè)計基礎(chǔ)。
3.2.1列管式換熱器
在化工企業(yè)中列管式換熱器的類型很多，如板式，套管式，蝸殼式，列管式。其中列管式換熱器雖在熱效率、緊湊性、金屬消耗量等方面均不如板式換熱器，但它卻具有結(jié)構(gòu)堅固、可靠程度高、適應(yīng)性強、材料范圍廣等特點，因此成為石油、化工生產(chǎn)中，尤其是高溫、高壓和大型換熱器的主要結(jié)構(gòu)形式。列管式換熱器主要有固定管板式換熱器、浮頭式換熱器、填函式換熱器和U型管式換熱器，而其中固定管板式換熱器由于結(jié)構(gòu)簡單，造價低，因此應(yīng)用最普遍。
3.2.2固定管板式換熱器
這類換熱器操作簡單、便宜。最大的缺點是管外側(cè)清洗困難，因而多用于殼側(cè)流體清潔，不易結(jié)垢或污垢容易化學(xué)處理的場合。當(dāng)殼壁與殼壁溫度相差較大時，由于兩者的熱膨脹不同，產(chǎn)生了很大的溫差應(yīng)力，以致管子扭彎或使管子從管板上松脫，甚至毀壞整個換熱器，因此，一般管壁與殼壁溫度相差50℃以上時，換熱器應(yīng)有溫差補償裝置，圖為具有溫差補償圈（或稱膨脹節(jié)）的固定管板式換熱器。一般這種裝置只能用在殼壁與管壁溫差低于60~70℃和殼程流體壓強不高的情況。殼程壓強超過6×105Pa時，由于補償圈過厚，難以伸縮，失去溫差補償作用，就應(yīng)考慮采用其他結(jié)構(gòu)。
3.2.3浮頭式換熱器
用法蘭把管束一側(cè)的管板固定到殼體的一端，另一側(cè)的管板不與外殼連接，以便管子受熱或冷卻時可以自由伸縮。這種形式的優(yōu)點是當(dāng)前兩側(cè)傳熱介質(zhì)溫差較大時，不會因膨脹產(chǎn)生溫差壓力，且管束可以自由拉出，便于清洗。缺點是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價高。
3.2.4U型管換熱器
此類換熱器只有一個管板，管程至少為兩程。由于管束可以取出，管外側(cè)清洗方便，另外，管子可以自由膨脹。缺點是U型管的更換及管內(nèi)清洗困難。
3.2.5填料函式換熱器
填料函式換熱器的結(jié)構(gòu)如圖1-4所示。其特點是管板只有一端與殼體固定連接，另一端采用填料函密封。管束可以自由伸縮，不會產(chǎn)生因殼壁與管壁溫差而引起的溫差應(yīng)力。填料函式換熱器的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)較浮頭式換熱器簡單，制造方便，耗材少，造價也比浮頭式的低；管束可以從殼體內(nèi)抽出，管內(nèi)管間均能進(jìn)行清洗，維修方便。其缺點是填料函乃嚴(yán)不高，殼程介質(zhì)可能通過填料函外樓，對于易燃、易爆、有度和貴重的介質(zhì)不適用。
3.2.6換熱器最終選型
考慮到換熱器管壁與殼壁溫差不超過50 ℃，而且應(yīng)用廣泛，操作簡單、方便。用水冷卻氨氣不易結(jié)垢，所以選擇帶有補償圈的固定管板式換熱器。
3.3換熱器內(nèi)冷熱流體通道的選擇
冷、熱流體流動通道的選擇的一般原則：
1) 不潔凈或易結(jié)垢的液體宜在管程，因管內(nèi)清洗方便。
2) 腐蝕性流體宜在管程，以免管束和殼體同時受到腐蝕。
3) 壓力高的流體宜在管內(nèi)，以免殼體承受壓力。
4) 飽和蒸汽宜走殼程，因飽和蒸汽比較清潔，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)與流速無關(guān)，而且冷凝液容易排出。
5) 流量小而粘度大的流體一般以殼程為宜，因在殼程Re>100即可達(dá)到湍流。但這不是絕對的，如流動阻力損失允許，將這類流體通入管內(nèi)并采用多管程結(jié)構(gòu)，亦可得到較高的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。
6) 若兩流體溫差較大，對于剛性結(jié)構(gòu)的換熱器，宜將表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)大的流體通入殼程，以減小熱應(yīng)力。
7) 需要被冷卻物料一般選殼程，便于散熱。
由于變換氣被冷卻且要求壓力降不允許超過3920N/㎡，按變換氣走管內(nèi)考慮；而冷卻水位處理過的軟水，結(jié)垢不嚴(yán)重，安排走殼程。
3.4流速的選擇
流體在管程或殼程中的流速，不僅直接影響表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，而且影響污垢熱阻，從而影響傳熱系數(shù)的大小，特別對于含有泥沙等較易沉積顆粒的流體，流速過低甚至可能導(dǎo)致管路堵塞，嚴(yán)重影響到設(shè)備的使用，但流速增大，又將使流體阻力增大。因此選擇適宜的流速是十分重要的。根據(jù)經(jīng)驗，下表列出一些工業(yè)上常用的流速范圍，以供參考。
根據(jù)表中數(shù)據(jù)，變換氣氨氣的流速選擇u=30m/s。
3.5換熱管的選擇
3.5.1換熱管的選用
選用較小直徑的管子，可以提高流體的對流給熱系數(shù)，并使單位體積設(shè)備中的傳熱面積增大，設(shè)備較緊湊，單位傳熱面積的金屬耗量少，但制造麻煩，小管子易結(jié)垢，不易清洗，可用于較清潔流體。大管徑的管子用于粘性較大或易結(jié)垢的流體。我國列管式換熱器常采用無縫鋼管，規(guī)格為外徑×壁厚，常用的換熱管的規(guī)格：φ19×2， 25×2.5，φ38×3。
幾種常用的換熱管的規(guī)格和尺寸偏差
在此設(shè)計中選擇換熱管的規(guī)格為φ25×2.5碳鋼管。
3.5.2管子的排列
管子在管板上的排列有正三角形，正方形和同心圓形三種排列方式，如下圖所示。本設(shè)計采用正三角形排列。
4.物性數(shù)據(jù)
4.1定性溫度
對于一般氣體和水等粘度流體，其定性溫度可取流體進(jìn)出口溫度的平均值。故管程氨氣的定性溫度為：
殼程流體的定性溫度：
4.2物性數(shù)據(jù)
氨氣在100.5℃下的物性數(shù)據(jù)（查物性參數(shù)表）
密度
熱容
導(dǎo)熱系數(shù)
粘度
冷卻水在33.5℃下的物性參數(shù)：
密度
熱容
導(dǎo)熱系數(shù)
粘度
5.工藝設(shè)計說明
5.1估算傳熱面積A
5.1.1換熱器熱負(fù)荷及冷卻介質(zhì)消耗量的計算
標(biāo)準(zhǔn)狀況下氨氣的密度
氨氣的質(zhì)量流率；
換熱器效率η=0.98
熱負(fù)荷
冷卻水用量
5.1.2計算平均溫度差，并確定管程數(shù)。選取逆流流向，先按單殼程單管程考慮，計算出平均溫度差。
有關(guān)參數(shù)
，
根據(jù)P，R值，查溫度校正系數(shù)圖《常用化工單元設(shè)備設(shè)計》圖1-6可讀得，溫度校正系數(shù)，可見單殼程單管程合適。因此
平均溫度差
5.1.3按經(jīng)驗數(shù)值初選總傳熱系數(shù)
選取
5.1.4現(xiàn)估算傳熱面積為：
5.2主要工藝及結(jié)構(gòu)基本參數(shù)的計算
5.2.1換熱管數(shù)量及長度的確定
先根據(jù)傳熱管內(nèi)徑和流速確定單程傳熱管數(shù)
按單管程計算，所需的傳熱管長度為：
根據(jù)國標(biāo)GB151-89選擇熱管長度為3m，管程數(shù)
傳熱管總數(shù)為：
5.2.2管子的排列方式及管子與管板的連接方式的選定
管子的排列方式，采用正三角形排列；管子與管板的連接，采用焊接法。
5.2.3計算外殼體內(nèi)直徑
由于管中心距
橫過管束中心線的管數(shù)
取整
管束中心線上最外層管的中心至殼體內(nèi)壁的距離
所以
按殼體直徑標(biāo)準(zhǔn)系列尺寸圓整，取
因為，管長徑比合適。
5.2.4畫出管排列圖
根據(jù)殼體內(nèi)徑，管中心距，橫過管束中心線的管數(shù)及其排列方式，會出排管圖，如圖所示。從圖中可以看到，中心分布15根時，按正三角形排列，可排169根，在正六邊形的上下兩邊各加3根，總共排列175根，除去6根拉桿（拉桿位置在正六邊形的六個角附近），實際排出169根，與計算相符。因此實際管子數(shù)為。
5.2.5計算實際傳熱面積及過程的總傳熱系數(shù)
5.2.6折流板
選取折流板與殼體間的間隙為3.5mm，因此
折流板直徑
切去弓形高度
折流板數(shù)量
取折流板間距，那么
取整得
實際折流板間距
5.2.7拉桿的直徑和數(shù)量與定距管的選定
選用Φ12mm鋼拉桿，數(shù)量6條。定距管采用與換熱管相同的管子。
5.2.8溫度補償圈的選用
由于，故需考慮設(shè)置溫度補償圈。具體結(jié)構(gòu)尺寸可從有關(guān)標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)選取。
5.2.9列出所設(shè)計換熱器的結(jié)構(gòu)基本參數(shù)
外殼直徑：
換熱面積：
換熱管數(shù)量：
N=169根
管長：
L=3000mm
管子規(guī)格： Φ25mm×2.5mm(鋼管)
管中心距：
t=32mm
管子排列方式：
正三角形
管程數(shù)：
1
殼程數(shù)：
1
折流板數(shù)量：
折流板間距：
h=290mm
拉桿數(shù)量：
6根
拉桿直徑：
Φ12mm
定管距： 與換熱管相同規(guī)格
通過管板中心的管子數(shù)：
5.3換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸與接管尺寸的確定
換熱器的主要結(jié)構(gòu)有封頭、簡體法蘭、管板、筒體、折流板（或支撐板）、支座等。主要接管有：流體進(jìn)出口接管，排氣管，排流管等。
5.3.1殼體壁厚的確定
選取設(shè)計壓力p=0.6Mpa，殼體材料為Q235，查得其相應(yīng)的許用應(yīng)力[б]=113Mpa；焊縫系數(shù)ψ=0.65（單面焊），腐蝕裕度C=3+0.5=3.5mm，所以
根據(jù)鋼板厚度標(biāo)準(zhǔn)，取厚度為6mm鋼板，即
5.3.2流體進(jìn)出口接管的直徑計算
氨氣進(jìn)出口接管，取，那么
經(jīng)圓整采用Φ325mm×8mm熱軋無縫鋼管（YB231-64），實際氨氣進(jìn)出口管內(nèi)流速為
冷卻水進(jìn)出口接管，取，那么
圓整采用Φ95mm×６ｍｍ熱軋無縫鋼管（YB231-64），實際冷卻水進(jìn)出口管內(nèi)流速為
5.4管、殼程壓強降的校驗
5.4.1管程壓降
據(jù)上述結(jié)果可知：管程數(shù)，串聯(lián)殼程數(shù)，對于Φ２５ｍｍ×２．５ｍｍ的換熱管，結(jié)構(gòu)校正系數(shù)為。
換熱器為單管程，；流體流經(jīng)直管徑（包括進(jìn)出口）的壓力降為
由于
取ε=0.2mm，那么ε/di=,可查得
Λ=0.027，故
所以
管程流體壓降滿足要求。
5.4.2殼程壓降（冷卻水走殼程）
其中流體流經(jīng)管束的壓降
由于，管子排列方式對壓強降的校正因子，F(xiàn)=0.5（正三角形排列）
殼程流體的摩擦系數(shù)：
橫過管子中心的管子數(shù)：
折流板數(shù)：
所以
殼程壓降滿足題給要求
5.5總傳熱系數(shù)的校驗
總傳熱系數(shù)由下式計算：
其中，管內(nèi)氨氣的傳熱系數(shù)的計算
管間水的傳熱系數(shù)的計算
由于水被加熱，取粘度校正系數(shù)
取水側(cè)與氣側(cè)污垢熱阻均為，鋼管導(dǎo)熱系數(shù)，故
所以，
一般應(yīng)在1.15～1.25之間.本設(shè)計傳熱面積稍大.
換熱器型式：固定管板式
工藝參數(shù)
名稱
管程
殼程
物料名稱
氨氣
冷卻水
操作壓力，
未知
未知
進(jìn)（出）口溫度，℃
30/37
定性溫度，℃
流量，kg／h
5313
29400
流體密度，kg／m3
0.925
994.7
定壓比熱容，kJ/(kg﹒℃)
1.9
4.18
導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m﹒℃)
0.058
0.621
流速，m／s
30
1.5
粘度，Pa﹒s
裕度/%
14.7
總傳熱系數(shù)，W／(m2·℃)
159
對流傳熱系數(shù)，W／(m2·℃)
239
2170
污垢熱阻，w/m2·℃
0.00026
0.00026
壓力降，Pa
3230
1446
普朗特數(shù)
0.51
4.99
使用材料
碳鋼
碳鋼
管子規(guī)格
φ25×2.5
管長mm
3000
管程數(shù)
1
排列方式
正三角形
折流板間距，mm
290
擋板數(shù)Nb
9
公稱壓力，Mpa
2.5
傳熱面積
38
公稱直徑D,mm
273
殼程數(shù)
1
管程數(shù)Np(N)
1
管長 (L)
3m
管數(shù)n
169
管排列方式
正三角形
中心排管數(shù)nc
15
管心距
32mm
6.主體構(gòu)件的設(shè)計和連接
6.1管束分程及管殼分程情況
在設(shè)計中如果采用多管程，則需在管箱中安裝分層隔板。分程時，應(yīng)使各程管子數(shù)目大體相等。此外，從制造安裝操作的角度考慮，通常采用偶數(shù)管程，但程數(shù)不宜過多，否則隔板本身將占去相當(dāng)大的面積，而且在殼程忠形成許多旁路，影響傳熱。
管束分程方法采用平行和T形方式。當(dāng)管程流體進(jìn)出口溫度相差很大時，應(yīng)避免流體溫差較大的兩部分管束緊鄰，否則在管束與管板忠將產(chǎn)生很大的。根據(jù)經(jīng)驗，跨程溫差最大不得超過28℃，故程數(shù)小于4時，采用平行的隔板更為有利。下圖是隔板分程與流體流通順序圖。
下圖中列出了幾種殼程形式。圖中（a）為E型，是最普通的一種，殼程時單程，管程可為單程，也可為多程。為了增大平均溫度差提高傳熱效率，在殼程中裝入一塊平行于軸線的縱向隔板，便成為二管程的換熱器，如圖中（b）所示F型，流體按逆流方向進(jìn)行熱交換。圖中（c）為G型，也屬二殼程的換熱器，縱向隔板從管板的一端移開使殼程流體得以分流。殼體的進(jìn)出口接管對稱的布置在中央部位。殼程中流體壓力降與E型相同，但在傳熱面積與流量相同的情況下具有更高的效率。G型殼體也稱為對稱分流殼體，殼體中可通入單相流體，也可通入有相變的流體。圖中（d）為H型，與G型相似，同屬二殼程的換熱器，但進(jìn)出口接管與縱向隔板均多一倍，故又稱雙分流殼體。
綜合考慮，單管程單殼程設(shè)計簡單，結(jié)構(gòu)耐用且便于清洗管中的污垢。故本設(shè)計采用單管程，單殼程E型。
6.2管板的選取
管板，就是在鋼板上鉆出比管子外徑一樣略大一些的孔，將管子穿入焊住固定，起這樣作用的一種配件。
在固定式管板的計算中按有溫差的各種工況計算出殼體軸向應(yīng)力、換熱管的軸向應(yīng)力、換熱管與管板之間的拉脫力q中，有一個不能滿足強度（或穩(wěn)定）條件時，就需要設(shè)置膨脹節(jié)。在固定式管板強度校核計算中，當(dāng)管板厚度確定之后，不設(shè)膨脹節(jié)時，有時管板強度不夠，設(shè)膨脹節(jié)后，管板厚度可能就滿足要求。此時，也可設(shè)置膨脹節(jié)以減薄管板，但要從材料消耗、制造難易、安全及經(jīng)濟(jì)效果等綜合評估而定。一般浮頭式換熱器的受力較小，其厚度只要滿足密封性即可。對于脹接的管板，考慮到脹接剛度和腐蝕余量的要求，必須要有足夠的厚度才能防止街頭的松脫，泄露和引起震動，建議最小厚度應(yīng)大于20mm。本設(shè)計選取管板厚度為20mm。
固定管板換熱器中常用的是U型膨脹節(jié)，它具有結(jié)構(gòu)緊湊簡單，補償性好，價格便宜等優(yōu)點。管板加工的精度，特別是管孔間距和管徑公差、垂直度、光潔度都極大地影響著以上所列化工設(shè)備的組裝和使用性能。隨著化工設(shè)備、電站的大型化，其管板直徑也變得越來越大，直徑為4m-5m的管板很常見。大型管板的特點是管孔數(shù)量多、密、孔徑小、深、精度和光潔度要求高。
6.3管箱與封頭
換熱器管內(nèi)流體進(jìn)出口的空間稱為管箱。管箱結(jié)構(gòu)如下圖所示。由于清洗，檢修管子時需要拆下管箱，因此管箱結(jié)構(gòu)應(yīng)便于拆裝。
6.4折流板
安裝折流板的目的，是為了加大殼程流體的湍流速度，使湍流程度加劇，提高殼程流體的對流傳熱系數(shù)。在臥式換熱器中折流板還起到支撐管束的作用。常用的折流板有弓形（或稱圓缺形）和圓盤——環(huán)形兩種，如圖所示。
弓形折流板結(jié)構(gòu)簡單，性能優(yōu)良，在實際中最為常用。弓形折流板切去弓形高度為殼體內(nèi)徑的 ，實際中常取值
為了檢修時能完全排除臥式換熱器里面的液體，折流板下部應(yīng)開有小缺口。對于立式換熱器則沒有必要。
弓形折流板在臥式換熱器的排列方式為分為圓缺上下方向和圓缺左右方向。上下方向排列，可造成液體的劇烈擾動，增大表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，這種排列為常用；如果有懸浮顆粒，則應(yīng)采用左右方向排列。
如下圖所示為兩種排列的折流板
折流板直徑取決于它與殼體之間的間隙大小。間隙過大時，流體由間隙流過根本不與換熱器接觸；間隙過小時又會引起制造和安裝上的困難。折流板的直徑與殼體間隙可依下表所示的數(shù)值選定。
殼體直徑
325
400
500
600
700
間隙
2.0
3.0
3.5
3.5
4.0
殼體直徑
800
900
1000
1100
1200
間隙
4.0
4.5
4.5
4.5
4.5
折流板的數(shù)量可以用下列公式來計算。計算時先依折流板間距的系列標(biāo)準(zhǔn)取值，然后根據(jù)計算結(jié)果取整，再計算出實際的折流板間距。
式中L為換熱管管長；
h為折流板間距的系列標(biāo)準(zhǔn)。
殼體內(nèi)直徑
相鄰兩折流板間距
≤300
＞300---450
＞450---600
200---400
3
5
6
400---700
5
6
10
700---1000
6
8
10
＞1000
6
10
12
折流板厚度的標(biāo)準(zhǔn)
折流板的間距在阻力允許的條件下應(yīng)盡可能小，允許的者流板最小間距為殼體內(nèi)徑的20%，允許的折流板最大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，從而使表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)降低。
本設(shè)計選取的折流板厚度為5mm，折流板為9塊，間距為290mm（見前面相關(guān)計算）。
6.5支承板
一般臥式列管式換熱器均設(shè)有折流板，它即起折流板作用又起支承作用。但當(dāng)工藝上無折流板要求（如冷凝器）而管子又比較細(xì)長時則應(yīng)考慮有一定數(shù)量的支承板，以便于安裝和防止變形過大。支承板一般做成半圓形比較好，其厚度及允許不支承的最大間距如下表所示。
支承板厚度
殼體直徑
＜400
400---800
900---1200
支承板厚度
6
8
10
允許不設(shè)支承板的最大間距
管子外徑
19
25
38
57
最大間距
1500
1800
2500
3400
本設(shè)計折流板間距為290mm，且換熱管的長度比較短，從簡化結(jié)構(gòu)方面考慮不設(shè)支承板。
6.6拉桿與定距管
折流板的安裝固定是通過拉桿和定距管來實現(xiàn)的。拉桿是一根兩端都帶有螺紋的長桿，一端擰入管板，折流板就穿在拉桿上，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緊固。
拉桿直徑及數(shù)量可依換熱器殼體內(nèi)徑選定，各種尺寸的換熱器的拉桿直徑和拉桿數(shù)，可參考下表選取。定距管通長采用與換熱管材料，直徑相同的管子。
拉桿直徑與最小拉桿數(shù)
殼體直徑
拉桿直徑
最小拉桿數(shù)
200---250
10
4
273，400，500，600
12
4
800，1000
12
6
1200
12
8
＞1250
12
10
本設(shè)計拉桿數(shù)為6根，拉桿長度290mm，拉桿直徑12mm。
6.7支座
換熱器支座通常采用立式和臥式兩種。
6.7.1立式支座
立式支座的尺寸和要求，按JB/T4725 B型，BN性懸掛式支座規(guī)定。
公稱直徑的立式換熱器，至少采用兩個支座。
公稱直徑的立式換熱器，采用四個支座。
支座在換熱器的位置，殼根據(jù)工藝安裝要求確定。
6.7.2臥式支座
臥式換熱器，采用固定F型和滑動S型鞍式支座各一個，一般靠近管箱側(cè)位固定鞍座。臥式支座的尺寸可按JB/4712鞍式支座的A型和B型帶墊板，高度為200mm的尺寸選取。其承載能力一般不需進(jìn)行驗算。若另外設(shè)計鞍座或在特殊情況下需要對該標(biāo)準(zhǔn)的鞍座進(jìn)行驗算，則可按有關(guān)規(guī)定進(jìn)行載荷分析，筒體應(yīng)力計算與校核來確定。
臥式支座在換熱器的位置尺寸可參考下列原則確定。
①兩支座應(yīng)設(shè)置在換熱器管束長度范圍內(nèi)的適當(dāng)位置，一般為：
當(dāng)換熱管L≤3000mm時，兩支座間距??；
當(dāng)換熱管L＞3000mm時，兩支座間距??；
并且
②必須滿足殼程接管焊縫與制作焊縫間之距離要求。即
；
式中取，且≥50mm。B為補強圈外徑，單位為mm；S為筒體壁厚，單位為mm。本設(shè)計選用臥式支座。
7輔助結(jié)構(gòu)的選用
7.1緩沖擋板
當(dāng)加熱蒸汽或高速流體流入殼程時，對換熱管會造成很大的沖刷而影響換熱器的傳熱效率和換熱管的壽命。故常將換熱器殼程接管在入口處加以擴(kuò)大，即將接管做成喇叭形，以起緩沖作用；或在換熱器流體入口處設(shè)置緩沖擋板。緩沖擋板有圓形和方形兩種。圓形擋板為了減小流體阻力，擋板與換熱器殼壁的距離不應(yīng)太小，至少應(yīng)保持此處流道截面積不小于流體進(jìn)口接管的截面積，且距離不應(yīng)小于30mm。若距離太大也妨礙管子的排列，且減少了傳熱面積。當(dāng)需加大流體通道時，也可在擋板上開些圓孔以加大流體通過的截面積。方形擋板上開了小孔以增大流體通過的截面積。
7.2導(dǎo)流筒
導(dǎo)流筒通常安裝于殼程流體的入口處。導(dǎo)流筒可將加熱蒸汽或流體導(dǎo)致靠近管板處才進(jìn)入管束間，使得更充分的利用換熱器的換熱面積，目前常用這種結(jié)構(gòu)來提高換熱器的換熱能力。
7.3排氣，排液孔
對于蒸汽在殼程冷凝的立式換熱器，冷凝器等，應(yīng)盡量減少冷凝液在管板上的積留，以保證傳熱面的充分利用。冷凝液排出管應(yīng)在殼程盡可能高的位置，如管板上，安裝不凝性氣體的排出管，作為開機(jī)時的排氣及運行中間斷的排除不凝性氣體，以提高傳熱效率。
7.4 膨脹節(jié)的選用與計算
固定管板式換熱器在換熱過程中，管束與殼體有一定的溫差存在，而管板、管束與殼體是剛性連接在一起，當(dāng)溫差達(dá)到某一個溫度直時，由于過大的溫差應(yīng)力往往會引起殼體的破壞和管束的彎曲，需設(shè)置補償裝置，如膨脹節(jié)。膨脹節(jié)是安裝在固定管板式換熱器上的撓性構(gòu)件，對管束與殼體間的變形差進(jìn)行補償，以此來消除殼體與管束間因溫差而引起的溫差應(yīng)力。
膨脹節(jié)的型式較多，通常有波形膨脹節(jié)、平板膨脹節(jié)、形膨脹節(jié)等。而在生產(chǎn)實踐中，應(yīng)用最多的，最普遍的是波形膨脹節(jié)。
由于管束與殼體溫差大于50℃，產(chǎn)生的溫差應(yīng)力過大應(yīng)設(shè)置膨脹節(jié)，消除溫差應(yīng)力。
公稱壓力PN=2.5Mpa
層數(shù)m
單層厚度S/mm
單波最大位移量e1/mm
單波軸向剛度K1 /(N/mm)
單波重量G/Kg
1
4.5
2.1
75998.6
12.5
公稱直徑DN/mm
波根外徑D0/mm
波高h(yuǎn)/mm
圓弧半徑R/mm
直邊長度L4/mm
膨脹節(jié)長度L/mm
平均截面積A/cm2
材料
1000
DN+2mS=1009
60
14.25
30
n(4R+2mS)+4L4=73
0.785()2=8970.7
00Gr19Ni14Mo2
如圖所示為波形膨脹節(jié)
8.總結(jié)與展望
8.1 總結(jié)
本設(shè)計完成了對固定管板式換熱器的選型、總體結(jié)構(gòu)設(shè)計和變形補償元件膨脹節(jié)、固定管板等的設(shè)計計算。針對現(xiàn)代設(shè)計方法的特點，根據(jù)固定管板式換熱器結(jié)構(gòu)和尺寸的分析以及對其各個零部件參數(shù)的分析，按照參數(shù)化設(shè)計的要求，運用三維繪圖軟件Solid works對換熱器的各個零部件建立三維參數(shù)化模型，存入模型數(shù)據(jù)庫中。需要建立的模型包括：封頭、筒體、管板、筒體法蘭、接管、接管法蘭、膨脹節(jié)、折流板、換熱管等。
基于三維繪圖軟件的換熱器計算機(jī)輔助設(shè)計(Solid works、Solid Edge等)不僅節(jié)省大量人力、物力，提高設(shè)計過程的效率，而且全改變以往單純的手工計算和二維繪圖設(shè)計，使換熱器的設(shè)計過程提高到了完全計算機(jī)計算和繪圖，增強了設(shè)計過程中零部件和換熱器最終裝配的可視化，方便了換熱器需求方和設(shè)計方在設(shè)計過程中的交流和產(chǎn)品優(yōu)化。
本設(shè)計較好的完成了設(shè)計任務(wù)的規(guī)定要求，達(dá)到了生產(chǎn)制造的條件，但設(shè)計過程中也有不足之處：
(1)方案設(shè)計初期，只考慮了設(shè)計的可行性，忽略了加工制造的難度，導(dǎo)致設(shè)計的一些零部件無法加工，不得不重新設(shè)計，浪費了大量的時間和精力。
(2)設(shè)計中過分考慮安全因素，某些結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)置過大，導(dǎo)致材料用量增加，這樣雖然保證了剛度、強度，卻增加了制造成本，使綜合的性價比有所下降。
8.2 展望
目前工業(yè)裝置中管殼式換熱器的用量占全部換熱器用量的70%。管殼式換熱器結(jié)構(gòu)有較大的改進(jìn)和發(fā)展，從原來傳統(tǒng)的弓形隔板加光滑管的結(jié)構(gòu)，發(fā)展為其它類型的管間支撐物加強化管的結(jié)構(gòu)，由于這些結(jié)構(gòu)上的改進(jìn)，使得管殼式換熱器的傳熱與流體阻力性能有了明顯的改善，加上本身固有的優(yōu)點，如耐高溫、耐高壓、結(jié)構(gòu)簡單和清洗方便等，使得管殼式換熱器在激烈的換熱器競爭中得以生存和發(fā)展。
在設(shè)計方面，新的設(shè)計方法和設(shè)計手段不斷出現(xiàn)。隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，計算機(jī)輔助設(shè)計法(CAD)和基于計算流體動力學(xué)(CFD)和數(shù)值傳熱學(xué)的設(shè)計方法將成為本世紀(jì)管殼式換熱器的主要設(shè)計方法。新型材料的使用，使換熱器朝著強度高、制造簡單、防腐效果好、重量輕的方向發(fā)展。
最近幾年，具有代表性的高效換熱器和強化傳熱元件不斷出現(xiàn)，如板翅式換熱器、大型板殼式換熱器和強化沸騰的表面多孔管、T形翅片管、強化冷凝的螺紋管和鋸齒管等，社會效益非常顯著，大大緩解了能源的緊張狀況。
總之，在今后的設(shè)計中要綜合考慮各方面的制約因素，要注意技術(shù)創(chuàng)新與改進(jìn)，但也不能忽略安全性和經(jīng)濟(jì)性。故在設(shè)計中，應(yīng)在考慮安全性的前提下在一定范圍內(nèi)體現(xiàn)其經(jīng)濟(jì)性，這也就是設(shè)計所要達(dá)到的最終目標(biāo)。
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致謝
本次論文設(shè)計是在謝麗芳老師的細(xì)心指導(dǎo)下完成的，謝老師認(rèn)真的工作態(tài)度和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)術(shù)風(fēng)格使我嚴(yán)格認(rèn)真做好每一步，對于我畢業(yè)設(shè)計的順利完成甚至對我今后的工作都將產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。值此論文完成之際，謹(jǐn)向謝老師致以最衷心的感謝。也在此衷心感謝在論文設(shè)計過程中給予我?guī)椭耐瑢W(xué)，在設(shè)計中提出了寶貴的意見和建議。
本次畢業(yè)設(shè)計是在以前做的機(jī)械設(shè)計和課程設(shè)計的基礎(chǔ)上要求更高的一次任務(wù)，無論是在難度還是工作量都是前所未有的。在設(shè)計時，很多細(xì)節(jié)都經(jīng)過反復(fù)論證和計算，也查閱了很多的相關(guān)資料。無論何時何地，此次畢業(yè)設(shè)計過程是我大學(xué)中最重要的一部分。
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