課程設計化工機械管殼式換熱器的結構設計

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1、 化工與材料學院09級本科生化工機械設備課程設計 管殼式換熱器的結構設計 摘 要 課程設計理論是學生理論聯系實際的一次很好的機會，本次實驗就管殼式換熱器進行一次課程設計，掌握并了解在工業(yè)生產中節(jié)能、高效、環(huán)保等概念。 換熱設備在煉油、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備，但它具有結構堅固、彈性大、可靠程度高、使用范圍廣等優(yōu)點，所以在各工程

2、中仍得到普遍使用。 管殼式換熱器的結構設計，是為了保證換熱器的質量和運行壽命，必須考慮很多因素，如材料、壓力、溫度、壁溫差、結垢情況、流體性質以及檢修與清理等等來選擇某一種合適的結構形式。 對同一種形式的換熱器，由于各種條件不同，往往采用的結構亦不相同。在工程設計中，除盡量選用定型系列產品外，也常按其特定的條件進行設計，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濟的便于生產制造的換熱器等等）。 關鍵詞：管殼式換熱器課程設計 管殼式換熱器使用范圍 管殼式換熱器的結構設計 Structure design of she

3、ll-and-tube heat exchanger Abstract Student in course design theory is a good opportunity of integrating theory with practice,this experim ent on the course design of shell-and-tube heat exchanger, industrial production, mastering and understanding concepts such as energy conservation, effciency

4、, environmental protection. Heat exchanger in oil refining, petrochemical, and widely used in other industries, it is suitable for cooling, heating, evaporation and condensation, heat recovery, and various other aspects. Among them, shell-and-tube heat exchanger in the heat transfer efficiency, s

5、ize of equipment and metal consumption than other new type of heat-exchange equipment, but it has a strong structure, flexibility, high reliability, widely used and so on, so the project is still being widely used. Structure design of shell-and-tube heat exchanger, is to ensure that the heat exchan

6、ger and the quality of life, you must consider many factors, such as material, pressure, temperature and wall temperature difference, scaling, fluid properties, as well as maintenance and cleaning, and so on to choose an appropriate structure. With a form of heat exchangers, for a variety of condit

7、ions, often used structures are not the same. In engineering design, apart from used as far as possible the training series, often designed according to their specific conditions, to meet the needs of technology (supported by most reasonable under suitable conditions the most effective and most eco

8、nomic manufacture of heat exchangers, and so on). Key words：Course design of shell-and-tube heat exchanger Shell-and-tube heat exchanger use Structure design of shell-and-tube heat exchanger 42 化工與材料學院09級本科生化

9、工機械設備課程設計 目 錄 摘要 Ⅰ ABSTRACT Ⅱ 1前言 1 1.1概述 1 1.1.1換熱器的類型 1 1.1.2換熱器 1 1.2設計的目的與意義 2 1.3管殼式換熱器的發(fā)展史 2 1.4管殼式換熱器的國內外概況 3 1.5殼層強化傳熱 3 1.6管層強化傳熱 3 1.7提高管殼式換熱器傳熱能力的措施 4 1.8設計思路、方法 5 1.8.1換熱器管形的設計 5 1.8.2換熱器管徑的設計 5 1.8.3換熱管排列方式的設計 5 1.8.4 管、殼程分程設計 5 1.8.5折流板的結構

10、設計 5 1.8.6管、殼程進、出口的設計 6 1.9 選材方法 6 1.9.1 管殼式換熱器的選型 6 1.9.2 流徑的選擇 8 1.9.3流速的選擇 9 1.9.4材質的選擇 9 1.9.5 管程結構 9 2殼體直徑的確定與殼體壁厚的計算 11 2.1 管徑 11 2.2管子數n 11 2.3 管子排列方式，管間距的確定 11 2.4換熱器殼體直徑的確定 11 2.5換熱器殼體壁厚計算及校核 11 3換熱器封頭的選擇及校核 14 4容器法蘭的選擇 15 5管板 16 5.1管板結構尺寸

11、16 5.2管板與殼體的連接 16 5.3管板厚度 16 6管子拉脫力的計算 18 7計算是否安裝膨脹節(jié) 20 8折流板設計 22 9開孔補強 25 10支座 27 10.1群座的設計 27 10.2基礎環(huán)設計 29 10.3地角圈的設計 30 符號說明 32 參考文獻 34 謝辭 35 1 前言 1.1概述 1.1.1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，占據主導作用，主要有殼體、管束、管板、折流擋板和封頭等組成。一種流體在管內流動，其行程稱為

12、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，結構堅固，可選用的結構材料范圍寬廣，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，往往在殼體內安裝一定數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，就可能由于熱應力而引起設備的變形，甚至彎曲或破裂，因此必須考慮這種熱膨脹的

13、影響。 1.1.2換熱器 換熱器是化工、石油、食品及其他許多工業(yè)部門的通用設備，在生產中占有重要地位。由于生產規(guī)模、物料的性質、傳熱的要求等各不相同，故換熱器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。 間壁式換熱器又稱表面式換熱器或間接式換熱器。在這類換熱器中，冷、熱流體被固體壁面隔開，互不接觸，熱量從熱流體穿過壁面?zhèn)鹘o冷流體。該類換熱器適用于冷、熱流體不允許直接接觸的場合。間壁式換熱器的應用廣泛，形式繁多。將在后面做重點介紹。 直接接觸式換熱器

14、又稱混合式換熱器。在此類換熱器中，冷、熱流體相互接觸，相互混合傳遞熱量。該類換熱器結構簡單，傳熱效率高，適用于冷、熱流體允許直接接觸和混合的場合。常見的設備有涼水塔、洗滌塔、文氏管及噴射冷凝器等。 蓄熱式換熱器又稱回流式換熱器或蓄熱器。此類換熱器是借助于熱容量較大的固體蓄熱體，將熱量由熱流體傳給冷流體。當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，從而達到換熱的目的。此類換熱器結構簡單，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。根據結

15、構特點，間壁式換熱器可以分為管殼式換熱器和緊湊式換熱器。 緊湊式換熱器主要包括螺旋板式換熱器、板式換熱器等。 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、蛇管式等類型的換熱器。其中，列管式換熱器被作為一種傳統(tǒng)的標準換熱設備，在許多工業(yè)部門被大量采用。列管式換熱器的特點是結構牢固，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，適應性強及處理能力大等。這使得它在各種換熱設備的競相發(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。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

16、固定管板式、浮頭式和U形管式等幾種類型。 1.2設計的目的與意義 換熱器是將熱流體的部分熱量傳遞給冷流體的設備，以實現不同溫度流體間的熱能傳遞，又稱熱交換器。換熱器是實現化工生產過程中熱量交換和傳遞不可缺少的設備。 在換熱器中，至少有兩種溫度不同的流體，一種流體溫度較高，放出熱量；另一種流體則溫度較低，吸收熱量。在工程實踐中有時也會存在兩種以上的流體參加換熱，但它的基本原理與前一種情形并無本質上的區(qū)別。 換熱設備在煉油、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、設備的體積和金屬材料

17、的消耗量等方面不如其他新型的換熱設備，但它具有結構堅固、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。 管殼式換熱器的結構設計，是為了保證換熱器的質量和運行壽命，必須考慮很多因素，如材料、壓力、溫度、壁溫差、結垢情況、流體性質以及檢修與清理等等來選擇某一種合適的結構形式。 對同一種形式的換熱器，由于各種條件不同，往往采用的結構亦不相同。在工程設計中，除盡量選用定型系列產品外，也常按其特定的條件進行設計，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濟的便于生產制造的換熱器等等）。 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

18、換熱器（如冷凝器和供水加熱器）的需要，在20世紀初，提出了殼管式換熱器的基本設計。經過長期的運用，使設計變得相當成熟和專業(yè)化。 當今已廣泛地應用于工業(yè)上的殼管式換熱器，在20世紀初也開始適應石油工業(yè)提出的要求。油加熱器和冷卻器、再沸器以及各種原油餾分和有關的有機流體的冷凝 器這些設備需要在惡劣的野外條件下運行，流體常常不干凈而且又要求高溫和高壓，因此，設備便于清洗和進行現場修理是絕對需要的。 殼管式換熱器發(fā)展的早期階段，出現的最大量的嚴重問題，不是在傳熱方面（這可以由實踐經驗粗略的估算），而是各種部件，特別是管板材料的強度計算問題，還有在制造技術和工程實施中的許多有關的其他問題

19、，如管和管板的連接，法蘭和接頭管的焊接等。 在20世紀20年代，殼管式換熱器的制造工藝得到相當圓滿的發(fā)展，這主要是由于幾個主要制造商努力的結果。制造設備的傳熱面積可達500m2,即直徑約750mm、長6m，用于急劇增長的石油工業(yè)。在30年代，殼管式換熱器的設計者，根據直接經驗和在理想管束上的實驗數據，建立了很多正確的設計原則。水-水和水-氣換熱器的設計，大概與現今的設計差不多。因為污垢熱阻起很大的作用，殼側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用穩(wěn)步增長，以及對在各種流程條件下性能預計的精度要求越來越高，這造就40年代直至50年代研

20、究活動的激增。研究內容不僅包括殼側流動，而且相當重要的還有真實平均溫差的計算、結構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，由于其結構堅固并能適應很大的設計和使用條件的變化，已成為最廣泛使用的換熱器。 1.4管殼式換熱器的國內外概況 隨著現代新工藝、新技術、新材料的不斷發(fā)展和能源問題的日益嚴重, 必然帶來更多的高性能、高參數換熱設備的需求。換熱器的性能對產品質量、能量利用率以及系統(tǒng)的經濟性和可靠性起著重要的作用, 有時甚至是決定性的作用。目前在發(fā)達的工業(yè)國家熱回收率已達96% ,換熱設備在石油煉廠中約占全部工藝設備投資的35%～40%。其中管殼式換熱器仍然占絕對

21、的優(yōu)勢,約70%。其余30 %為各類高效緊湊式換新型熱管和蓄熱器等設備,其中板式、板翅式、熱管及各類高效傳熱元件的發(fā)展十分迅速。隨著工業(yè)裝置的大型化和高效率化, 換熱器也趨于大型化,并向低溫差設計和低壓力損失設計的方向發(fā)展。當今換熱器的發(fā)展以CFD (Computational Fluid Dynamics) 、模型化技術、強化傳熱技術及新型換熱器開發(fā)等形成了一個高技術體系[1]。 該換熱器是當前應用最廣,理論研究和設計技術完善,運用可靠性良好的一類換熱 器。目前各國為改善該換熱器的傳熱性能開展了大量的研究。強化傳熱主要有3 種途徑提高傳熱系數、擴大傳熱面積和增大傳熱溫差,研究主要

22、集中在強化管程和殼程傳熱面方面。 1.5殼層強化傳熱 傳統(tǒng)的管殼式換熱器, 流體在殼側流動存在著轉折和進出口兩端渦流的影響區(qū), 影響了殼側的給熱系數。殼側的傳熱強化研究包括管型與管間支撐物的研究。 1.6管層強化傳熱 人們想盡各種辦法實施強化傳熱, 歸結起來不外乎2 條途徑, 即改變傳熱面的形狀和在傳熱面上或傳熱流路徑內設置各種形狀的插入物。改變傳熱面形狀的方法有多種, 用于強化管程傳熱的有: 橫紋管、螺旋槽管、螺紋管(低翅管)和縮放管以及螺旋扁管(瑞典ALLARDS 公司生產) 。我國螺紋管的標準翅化率為1.3～2.9(<3),美、英、日、德等國均有商品化低翅管。德國

23、Hde公司的螺旋槽管，管內傳熱效率明顯優(yōu)于光管, 在2300 < Re < 105 范圍內, 提高傳熱效率2.3～11.1倍, 當200 < Re < 1500 時, 提高傳熱效率2.0～22倍。沈陽市廣廈熱力設備開發(fā)制造公司開發(fā)的超薄壁(δ= 015mm) 不銹鋼波紋管換熱器[3 ] ,其承壓能力可達8MPa 。該換熱器不僅強化了管內外的給熱, 還由于溫差作用下換熱管的可伸縮性,使表面結垢容易脫落, 因此具有較強的防垢和自動除垢能力。其傳熱系數較光管式提高2～3 倍。 管內插入物[4 ,5]是強化管內單相流體傳熱行之有效的方法之一。目前管內插入物種類很多, 如螺旋線、紐帶、錯開紐

24、帶、螺旋片和靜態(tài)混合器等。最近, 英國Cal Garin Ltd 公司開發(fā)的一種稱之為Hitran Matrix Elements 的花環(huán)式插入物[6],它是一種金屬絲制翅片管子插入物(Wire2Fin Tube Inserts) ,能增強湍流。中國石化北京設計院與華南理工大學聯合研制的交叉鋸齒型插入物, 是華南理工大學對12種內插件(在Re = 300～3500 和Pr = 135 范圍內) 進行比較后優(yōu)選的型式, 可直接形成流體的混合,尤其 適用高粘度流體的換熱。其在上海乙烯廠原油2蠟油介質換熱器中使用, 其總傳熱系數與光滑管相比提高了50%。 1.7提高管殼式換熱器傳熱能力的措施

25、 管殼式換熱器的傳熱能力是由殼程換熱系數、管程換熱系數和換熱器冷、熱介質的對數平溫差決定的, 因此, 提高管殼式換熱器傳熱能力的措施包括以下幾點。 1、 提高管殼式換熱器冷、熱介質的平均對數溫差 冷、熱介質平均對數溫差除直接受冷、熱介質進出口溫度影響外, 還受到冷、熱介質的流動方向和換熱流程的影響。當換熱器冷、熱流體的溫度沿傳熱面變化時, 兩種流體逆流平均溫差最大, 順流平均溫差最小, 在實際換熱器設計中, 冷、熱流體多采用交錯流方式, 其平均對數溫差介于逆流和順流之間。因此, 在設計中應盡量增加換熱器冷、熱流體的逆流比例, 提高冷、熱流體的對數平均溫差, 提高換熱器的傳熱能

26、力。 2、合理確定管程和殼程介質 在換熱器設計中, 對于殼程安裝折流板的換熱器來說, Re>100 時, 殼程介質即達湍流, 因此,對于流量小或粘度大的介質優(yōu)先考慮作為殼程換熱介質; 由于管程清洗相對于殼程清洗要容易, 因此對于易結垢、有沉淀及雜物的介質宜走管程; 從經濟性考慮, 對于高溫、高壓或腐蝕性強的介質, 作為管程換熱介質更加合理; 對于剛性結構的換熱器, 若冷、熱介質溫差大, 因壁面溫度與換熱系數大的介質溫度接近, 為減小管束與殼體的膨脹差, 換熱系數大的介質走殼程更加合理, 而冷、熱介質溫差小, 兩介質換熱系數相差大, 換熱系數大的介質走管程更加合理。 3、 采用強

27、化管殼式換熱器傳熱的結構措施 在換熱器設計中, 通常采用強化傳熱的措施來提高換熱器的傳熱能力。強化傳熱的常用措施有: 采用高效能傳熱面、靜電場強化傳熱、粗糙壁面、攪拌等。 1.8 設計思路、方法 1.8.1換熱器管形的設計 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構能有效破壞流體邊界層, 有效提高了換熱器的傳熱能力。當殼程介質易結垢時, 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垢, 減小換熱器殼程熱阻, 提高換熱器的傳熱能力。 1.8

28、.2 換熱器管徑的設計 由于小直徑換熱管具有單位體積傳熱面積大, 換熱器結構緊湊, 金屬耗量少, 傳熱系數高的特點, 在換熱器結構設計中, 對于管程介質清潔、不易結垢的介質, 采用小管徑管束能有效增加換熱面積。相同條件下, 采用Φ19mm 管束比采用Φ25mm 管束能提高傳熱面積30%～40% , 節(jié)約金屬20% 以上。 1.8.3換熱管排列方式的設計 管子的排列方式有等邊三角形、正方形和同心圓排列等, 對于殼程介質不易結垢或可用化學方法清洗污垢的介質, 采用三角形排列可使換熱器的外徑減小15% ; 對于需要機械清洗的管束, 管子排列應采用正方形; 對于小于300mm 的換

29、熱器, 為使管束排列緊湊, 可采用同心圓排列。 1.8.4 管、殼程分程設計 管程分程設計。當需要的傳熱面積很大,換熱管長度太長( 對臥式換熱器管長比殼徑比超過6～10, 立式換熱器超過4～6 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的流速。因為決定管程介質的流態(tài)的雷諾數Rei 與管程介質流速成正比,為提高換熱器管程換熱系數hi, 可采用管程分程的辦法提高管程換熱系數。 殼程分程設計。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的擾動, 使殼程換熱介質流速增加,

30、流程加大,換熱介質橫向沖刷擾動加大, 提高換熱器傳熱能力。 1.8.5折流板的結構設計 折流板的結構設計包括型式的確定, 形狀的設計, 缺口高度設計和折流板間距設計。換熱器殼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, 殼程換熱介質雷諾數Re0≥100 時, 殼程介質即達湍流, 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。在換熱器結構設計中, 合理設計折流板

31、間距是保證殼程換熱介質的壓力降滿足設計要求的關鍵。 1.8.6管、殼程進、出口的設計 管程進、出口管的設計。管程進、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ρω2<3 300( ρ 為管程介質密度, kg/m3; ω 為管程介質進、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、出口應設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流速較高或介質中含有固體顆粒。為保證換熱器的使用性能, 可在殼程入口加裝防沖板, 對介質沖刷起到緩沖的作用, 保護管束不受沖擊; 為避免殼程入

32、口流速過高, 殼程介質流速有一定的限制: ρω2<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： 固定管板式換熱器主要有外殼、管板、管束、封頭壓蓋等部件組成。固定管板式換熱器的結構特點是在殼體中設置有管束，管束兩端用焊接或脹接的方法將管子固定在管板上，兩端管板直接和殼體焊接在一起，殼程的進出口管直接焊在殼體上，管板外圓周和封頭法蘭用螺栓緊固，管程的進出口管直接和封頭焊在一起，管束內根據換熱管的長度設置了若干塊折流板。這種換熱器管程可以用隔板分成任何

33、程數。 圖1-1 固定管板式換熱器 固定管板式換熱器結構簡單，制造成本低，管程清洗方便，管程可以分成多程，殼程也可以分成雙程，規(guī)格范圍廣，故在工程上廣泛應用。殼程清洗困難，對于較臟或有腐蝕性的介質不宜采用。當膨脹之差較大時，可在殼體上設置膨脹節(jié)，以減少因管、殼程溫差而產生的熱應力。 固定管板式換熱器的特點是：旁路滲流較??；造價低；無內漏。在相同的殼體直徑內，排管較多，比較緊湊；殼側層清洗困難，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。 固定管板式換熱器的缺點是，殼體和管壁的溫差較大，易產生溫差力，殼程無法清洗，管子腐蝕后連同殼體報廢，設

34、備壽命較低，不適用于殼程易結垢場合。 2、浮頭式換熱器： 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生熱應力。而且在清洗和檢修時，僅將管束從殼體中抽出即可。 圖1-2 浮頭式換熱器 特點：該種換熱器結構復雜、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)生內漏，且管束和殼體間隙較大，設計 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垢的場合。 3、U型管式換熱器 僅

35、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生熱應力，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；管束課從殼體內抽出，便于檢修和清洗，造價便宜。但是管內清洗不變，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，或殼程截止易于結垢而管程介質不易結垢，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，所以管殼間不會產生熱應力，

36、且管程與殼程都能清洗。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、換熱介質物性等因素的不同, 決定了管殼式換熱器的結構型式。固定管板式換熱器結構簡單、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熱膨脹能力差, 決定了固定管板式換熱器適用于換熱介質清潔, 殼程壓力不高, 換熱介質溫差不大的場合。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,

37、檢修更換換熱管、清理管束和殼程污垢方便, 因此, 浮頭式換熱器應用最廣泛, 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工作壓力高, 管、殼程介質密封要求嚴的場合, 為確保換熱器管、殼程的密封, 換熱器管束的設計一般采用U 形管結構的換熱器。 所設計換熱器用于半水煤氣和變換氣的傳熱，粘度較小，不易結垢，不易腐蝕管道，所以選用浮頭式換熱器，浮頭便于拆卸、清洗，且半水煤氣走殼程也方便散熱，與冷卻介質溫差較大，也避免產生溫差應力產生管道變形。綜上所述，換熱器選擇浮頭式，半水煤氣走殼程。

38、 1.9.2 流徑的選擇 在具體設計時考慮到盡量提高兩側傳熱系數較小的一個，使傳熱面兩側傳熱系數接近；在運行溫度較高的換熱器中，應盡量減少熱量損失，而對于一些制冷裝置，應盡量減少其冷量損失；管、殼程的決定應做到便于清洗除垢和修理，以保證運行的可靠性。 參考標準： 1、不潔凈和易結垢的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，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，以免殼體受壓，其中冷卻介質循環(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，冷凝傳熱系數與流速關系不大。

39、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的流體宜走管內，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)下即可達到湍流，以提高對流傳熱系數。 8、若兩流體的溫度差較大，傳熱膜系數較大的流體宜走殼程，因為壁溫接近傳熱膜系數較大的流體溫度，以減小管壁和殼壁的溫度差。 綜合考慮以上標準，確定半水煤氣應走殼程，變換氣走管程。 1.9.3 流速的選擇 表1-1 換熱器常用流速的范圍 介質

40、流速 循環(huán)水 新鮮水 一般液體 易結垢液體 低粘度油 高粘度油 氣體 管程流速，m/s 1.0~2.0 0.8~1.5 0.5~3 >1.0 0.8~1.8 0.5~1.5 5~30 殼程流速，m/s 0.5~1.5 0.5~1.5 0.2~1.5 >0.5 0.4~1.0 0.3~0.8 2~15 由于增加流體在換熱器中的流速，將加大對流傳熱系數，減少污垢在管子表面上沉積的可能性，即降低了污垢熱阻，使總傳熱系數增大，從而可減小換熱器的傳熱面積。但是流速增加，又使流體阻力增大，動力消耗就增多。故擬取變換氣流速為20m/s

41、。 1.9.4材質的選擇 管殼式換熱器的材料應根據操作壓強、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。根據實際需要，可以選擇使用不銹鋼材料。 1.9.5 管程結構 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，如下圖所示。 (a) 正方形直列（b）正方形錯列 (c) 三角形直列

42、 （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 正三角形排列結構緊湊；正方形排列便于機械清洗。對于多管程換熱器，常采用組合排列方式。每程內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

43、 換熱器中最常用的管徑有φ19mm2mm和φ25mm2.5mm。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，在管程結垢不很嚴重以及允許壓力降較高的情況下，采用φ19mm2mm直徑的管子更為合理。如果管程走的是易結垢的流體，則應常用較大直徑的管子。 標準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4—25,常用的為6—10 選用Φ252.5的無縫鋼

44、管，材質為20號鋼，管長4.5m。 2.2 管子數n (2-1) 其中安排拉桿需減少6根，故實際管數n=503-6=497根 2.3 管子排列方式，管間距的確定 采用正三角形排列，由《化工設備機械基礎》表7-4查得層數為12層，對角線上的管數為25，查表7-5取管間距a=32mm. 2.4換熱器殼體直徑的確定

45、 (2-2) 其中 取，， 查表2-5，圓整后取殼體內徑00mm 2.5 換熱器殼體壁厚計算及校核 材料選用20R 計算壁厚為：, (2-3) 式中:為計算壓力，取=1.0Mpa；700mm;=0.9;[]t =92Mpa（設殼壁溫度為 350C） 將數值代入上述厚度計算公式，可以得知： 查《化工設備

46、機械基礎》表4-11取 ； 查《化工設備機械基礎》表4-9得 5.47+1.2+0.25=6.92 mm 查表4-13圓整后取 復驗 ，最后取 該殼體采用20鋼7mm 厚的鋼板制造。 1、液壓試驗應力校核 (2-4) (2-5) (2-6) 查《化工設備機械基礎》附表9-1 ， 可見故水壓試

47、驗強度足夠。 2、強度校核 設計溫度下的計算應力 ﹥ 最大允許工作壓力 (2-7) 故強度足夠。 3 換熱器封頭的選擇及校核 上下封頭均選用標準橢圓形封頭，根據JB/T4746-2000標準，封頭為DN9007，查《化工設備機械基礎》表4-15得曲面高度 ，直邊高度 ，材料選用20R鋼 標準橢圓形封頭計算厚度： (3-1) (3-2) 所以，封頭的尺寸如下圖：

48、 圖3-1 換熱器封頭尺寸 4 容器法蘭的選擇 材料選用16MnR 根據JB/T4703-2000 選用DN900，PN1.6Mpa的榫槽密封面長頸對焊法蘭。 查《化工設備機械基礎》附表14得 法蘭尺寸如下表： 表4-1 法蘭尺寸 公稱直徑DN/mm 法蘭尺寸/mm 螺柱 d 規(guī)格 數量 900 1060

49、1015 976 966 963 55 27 M24 28 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管板結構尺寸 查（《化工單元設備設計》P25-27）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 D b c d 螺栓孔數 900 1060 101

50、5 966 963 58 44 27 24 5.2管板與殼體的連接 在固定管板式換熱器中，管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)別因而結構各異，有在管板上開槽，殼體嵌入后進行焊接，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，設備直徑較大，管板較厚時，其焊接時較難調整。 5.3管板厚度 管板在換熱器的制造成本中占有相當大的比重，管板設計與管板上的孔數、孔徑、孔間距、開孔方式以及管子的連接方式有關，其計算過程較為復雜，而且從不同角度出發(fā)計算出的管板厚度往往相差很大。一般浮頭式換熱器受力較小，其厚度只要滿足密封性即可

51、。對于脹接的管板，考慮脹接剛度的要求，其最小厚度可按表5-2選用?？紤]到腐蝕裕量，以及有足夠的厚度能防止接頭的松脫、泄露和引起振動等原因，建議最小厚度應大于20mm。 表5-2 管板的最小厚度 換熱器管子外徑/mm ≤25 32 38 57 管板厚度/mm 3/4 22 25 32 綜上，管板的尺寸如下圖： 圖5-1 管板 6 管子拉脫力的計算 計算數據按表6-1選取 表6-1 項目 管子 殼體 操作壓力/Mpa 0.82 0.78 材質 20鋼 20R

52、線膨脹系數 彈性模量 許用應力/Mpa 101 92 尺寸 管子根數 497 管間距/mm 32 管殼壁溫差/℃ 管子與管板連接方式 開槽脹接 脹接長度/mm 50 許用拉脫力/Mpa 4.0 1、在操作壓力下，每平方米脹接周邊所產生的力 (6-1) 其中 (6-2) , mm 2、溫差應力引起的每平方米脹接周

53、邊所產生的拉脫力 (6-3) 其中 (6-4) (6-5) (6-6) 由此可知，作用方向相同，都使管子受壓，則管子的拉脫力： q=+=0.08+1.03=1.11﹤4.0

54、 (6-7) 因此拉脫力在許用范圍內。 7 計算是否安裝膨脹節(jié) 管殼壁溫差所產生的軸向力為： （N） (7-1) 壓力作用于殼體上的軸向力： (7-2) 其中 (7-3) = 壓力作用于管子上的軸向力為： 則

55、 (7-4) 根據GB１５１——１９９９《管殼式換熱器》 q﹤［ｑ］＝4.0，條件成立，故本換熱器不必要設置膨脹節(jié)。 8 折流板設計 設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Dg的15%～

56、45%，最好是20%，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15～20mm，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

57、置折流板。但為了增加換熱器的剛度，防止管子振動，實際仍然需要設置一定數量的支承板，其形狀與尺寸均按折流板一樣來處理。折流板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，其結構形式可參見圖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，當換熱器內流體

58、無相變時，其最大折流板間距不得大于殼體內徑，否則流體流向就會與管子平行而不是垂直于管子，從而使傳熱膜系數降低。 折流板外徑與殼體之間的間隙越小， 殼程流體介質由此泄漏的量越少，即減少了流體的短路，使傳熱系數提高，但間隙過小，給制造安裝帶來困難，增加設備成本，故此間隙要 求適宜。 折流板厚度與殼體直徑和折流板間距有關，見表8-1所列數據。 表8-1 折流板厚度/ mm 殼體公稱內徑 /mm 相鄰兩折流板間距/mm ≤300 300～450 450～600 600～750 ＞750 200～250 3 5 6 10 10 400～700 5 6 1

59、0 10 12 700～1000 6 8 10 12 16 ＞1000 6 10 12 16 16 支承板厚度一般不應小于表8-1(左)中所列數據。 支承板允許不支承的最大間距可參考表8-1（右）所列數據。 殼體直徑/mm ＜400 400～800 900～1200 管子外徑/mm 19 25 38 57 支承板厚度/mm 6 8 10 最大間距/mm 1500 1800 2500 3400 表8-2 支承板厚度以及支承板允許不支承的最大間距 經選擇，我們采用弓形折流板，h=, 折流板間距取600mm, 查《化工

60、設備機械基礎》表7-7得折流板最小厚度為4 mm,折流板外徑負偏差-0.60 查《化工設備機械基礎》表7-9折流板外徑為896 mm,材料Q235-A鋼 查《化工設備機械基礎》表7-10拉桿12，共10根，材料Q235-AF鋼 折流板開孔直徑 所以，折流板尺寸如下圖： 圖8-4 折流板 9 開孔補強 1、確定殼體和接管的計算厚度及開孔直徑 由已知條件得殼體計算厚度 接管計算厚度為 (9-1)

61、其中 選用20鋼 查附表9得 開孔直徑為： (9-2) 2、確定殼體和接管實際厚度，開孔有效補強面積及外側有效補強高度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 B=2d= (9-3) 接管外側有效補強高度 (9-4) 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：

62、 (9-5) 可以作為補強的金屬面積為： (9-6) (9-7) 4、 (9-8) 5、比較，，所以殼程接管需要補強，而管程接管的公稱直徑較大，也需要補強。常用的結構是在開孔外面焊上一塊與容器壁材料和厚度都相同即7mm厚的鋼板。 綜上，得換熱器開孔補強結構如下圖： 圖9-1 換熱器開孔補強結構 10 支座 10.1裙座設計 采用圓筒形裙式支座，裙座與塔體的連接采用焊接，由于對接焊縫的焊縫受壓，

63、可承受較大的軸向力，故采用對接形式。取裙座外徑與封頭外徑相等。并且取裙座的厚度與封頭的厚度相同，即裙座尺寸為Ф9007mm.。裙座材料選用Q235-A。 圖10-1 裙座殼與殼體的對接型式。 無保溫層的裙座上部應均勻設置排氣孔， 表10-1 排氣孔規(guī)格和數量 容器內直徑Di 600~1200 1400~2400 >2400 排氣孔尺寸 Φ80 Ф80 Ф100 排氣孔數量，個 2 4 ≥4 排氣孔中心線至裙座殼頂端的距離 140 180 220 因此設置兩個排氣孔，排氣孔尺寸為Ф80，排氣孔中心線至裙座殼頂端的距離為140

64、圖10-2 裙座上部排氣孔的設置 塔式容器底部引出管一般需伸出裙座殼外， 表10-2 引出孔尺寸 引出管直徑d 20、25 32、40 50、70 80、100 引出孔的加強管 無縫鋼管 Ф1334 Ф1594.5 Ф2196 Ф2738 卷焊管 - - Ф200 Ф250 引出孔的加強管選用Q235-A的無縫鋼管，引出管直徑選用20 圖10-3 引出孔結構示意圖 10.2基礎環(huán)設計 1、基礎環(huán)尺寸的確定 （10-1）

65、 （10-2） 2、基礎環(huán)的結構，基礎環(huán)選用有筋板的基礎環(huán) 圖10-4 有筋板基礎環(huán) 3、有筋板基礎環(huán)厚度的設計 （10-3） 操作時或水壓試驗時，設備重力和彎矩在混凝土基礎環(huán)（基礎環(huán)底面上）所產生的最大組合應力為 基礎環(huán)上的最大壓應力可以認為是作用作用在基礎環(huán)底上的均勻載荷。

66、表4-3 混凝土基礎的許用應力Ra 混凝土標號 Ra/MPa 混凝土標號 Ra/MPa 混凝土標號 Ra/MPa 75 3.5 100 5.0 150 7.5 200 10.0 250 13.0 同樣，根據工藝要求和前人的經驗，可確定基礎環(huán)的厚度為20mm，材料選用為Q235-A。 4.3地腳栓的設計 為了使塔設備在刮風或地震時不至翻倒，必須安裝足夠數量和一定直徑的地腳螺栓，把設備固定在基礎環(huán)上。 地腳螺栓承受的最大拉應力為 如果，則設備自身足夠穩(wěn)定，但為了固定塔設備的位置，應設置一定數量的地腳螺栓。 如果，則設備必須安裝地腳螺栓，并進行計算。計算時可先按4的倍數假設地腳螺栓的數量為n，此時地腳螺栓的螺紋小徑（mm）: 螺紋小徑與公稱直徑見下表。 表10-4 螺紋小徑與公稱直徑對照表 螺栓公稱直徑 螺紋小徑/mm