乙烯冷却设备设计-固定管板式换热器【含全套CAD图纸】【答辩毕业资料】
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1 本科毕业设计（论文）任务书 题 目 乙烯冷却设备设计 院 系 机电工程学院 专业年级 学 号 学生姓名 题 目 来 源 科研课题（ ） 题 目 类 型 设 计 工程实际（ ） 请直接在所属项目括号内打“”（单选） 实验研究（ ） 教师自拟（ ） 软件开发（ ） 论 文 理论研究（ ） 设计（论文）选题目的及工作任务 一、选题目的 通过对冷却设备的设计，有助于学生掌握一般的化工设备的设计方法，综合运用所学知识，培养学生的自学 能力和查阅文献的能力。 二、 工作任务 设置一固定管板式换热器，已知条件如下 已知条件 壳程 管程 工作压力 4 作温度（进口） 92 30 工作温度（出口） 35 35 操作介质 乙烯 冷却水 换热面积 400求收集和学习资料（含指定参考资料 ) 1秦叔经，叶文邦 换热器设计 学工业出版社， 2003 2钱颂文 . 换热器设计手册 . 北京：化学工业出版社， 2002 3余建祖 . 换热器原理与设计 . 北京：北京航空航天大学出版社， 2006 4钱颂文 . 管式换热器强化传热技术 . 北京：化学工业出版社工业装备与信息工程出版中心， 2003 5 刘巍等著 北京：中国石化出版社， 2003 6 其它资料及网上资源 2 设计 (论文 )的进程安排 序 号 设计 (论文 )各阶段内容 起止日期 1 查阅相关资料，确定设计方案和论文结构，准备开题答辩 进行换热器的设计计算 进行计算机绘图 书写设计说明书，打印论文、图纸 准 备毕业论文答辩 英文资料翻译同时进行，抽空完成 设计 (论文 )的预期结果 1、要求翻译 2 万印刷字符 (或译出 5000 汉字 )以上的有关技术资料或专业文献，内容要尽量结合课题 (译文连同原文单独装订成册 )； 2、 以上的说明书和折合 0 号图纸工作量； 下达任务日期： 2014 年 X 月 X 日 要求完成日期 ： 2014 年 6 月 15 日 指导教师（签名）： 教研室主任（签名）： 院系负责人审定（签名）： 侯勇俊 备 注： 3 此任务书一式两份，于毕业设计（论文）开始前一周下达 :一份发给学生，一份指导教师保存，毕业设计（论文）结束时交教研室备案。 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 I 摘 要 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。 本次设计的题目是乙二醇塔底进料换热器的设计，课题预期达到的目标为： 换热器面积的计算（实际换热面积： 管程壳程压力降的计算（小于等于 工艺结构尺寸的计算：管程数（ 1 管程），换热管的确 定（内径： 19量： 500 根），壳体内径（ 600壳程数（ 1壳程）的计算，折流板的选型（形式：弓形折流板，数量： 13）等。 换热器的强度计算：对筒体、管箱厚度的计算和校核，对壳体及管箱各处开孔补强，对延长部分兼做法兰的计算及强度核算。经水压试验、压力校核后显示结果全部合格。 换热器的结构设计：折流板、法兰（甲型平焊法兰）、换热管、支座（鞍式支座）、垫片（石棉橡胶板垫片）的规格及选型。 完善设计图纸及设计说明书。 关键词：换热器；工艺；结构；强度 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 is a of a of of of a of of of so it in of is of of of 9mm,00),of 000 of of 3)he of of on so in he of he of 买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 录 摘 要 . I . 1 章 引言 . 1 热器的用途 . 1 热器的分类 . 1 热器的发展趋势 . 1 第 2 章 固定管板式换热器的工艺计算 . 3 算换热面积 . 3 择换热器的类型 . 3 程安排 . 3 定物性数据 . 3 算传热面积 . 4 艺结构尺寸 . 5 径和管内流速 . 5 程数和传热管数 . 5 热管排列和分程方法 . 7 体内径 . 7 流板 . 8 他附件 . 8 管 . 9 热器核算 . 9 流量核算 . 9 温核算 . 13 热器内流体的流动阻力 . 14 热器的主要结构尺寸和计算结果 . 17 第 3 章 强度计算 . 19 体壁厚计算 . 19 箱短节、封头厚度的计算 . 20 箱短节厚度的计算 . 20 头厚度的计算 . 20 箱短节开孔补强的校核 . 21 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 体接管开孔补强校核 . 22 板设计及校核 . 23 板计算的有关参数的确定 . 23 算法兰力矩 . 27 板的计 算的相关参数 . 28 定 和 2G . 29 于其延长部分兼作法兰的管板计算 . 29 计条件不同的组合工况 . 30 第 4 章 结构设计 . 36 流挡板 . 36 兰 . 36 热管 . 37 座 . 37 力容器选材原则 . 38 片 . 39 第 5 章 结论 . 40 参 考 文 献 . 41 致 谢 . 43 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 V 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 X 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 1 第 1 章 引言 热器的用途 换热器是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，又称热交换器。换热器的应用广泛，日常生活中取暖用的暖气散热片、汽轮机装置中的凝汽器和航天火箭上的油冷却器等，都是换热器。它还广泛应用于化工、石油、动力和原子能等工业部门 1。它的主要功能是保证工艺过程对介质所要求的特定温度，同时也是提高能源利用率的主要设备之一 2。换热器在节能技术改革中具有的作用表现在两个方面：一是在生 产工艺流程中使用着大量的换热器的效率显然可以减少能源的消耗；另一方面，用换热器来回收工业余热，可以显著提高设备的热效率 3。 热器的分类 换热器的种类划分方法很多，方法也各不相同。 按其用途：可将换热器分为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器、再沸器 45。 按其传热方式和作用原理：可分为混合式换热器、蓄热式换热器、间壁式换热器等。其中间壁式换热器为工业应用最为广泛的一种换热器。它按传热面形状可分为管式换热器、板面式换热器、扩展表面换热器等。这其中又以管壳式换热器应用最为广泛，它通过换热管的管壁进行 传热。具有结构简单牢固、制造简便、使用材料范围广、可靠程度高等优点，是目前应用最为广泛的一种换热器 5。 管 壳式换热器的形式：管壳式换热器根据其结构的不同，可以分为固定管板式换热器、浮头式换热器、 U 形管式换热器、填料函式换热器、釜式重沸器等 68。 热器的发展趋势 二十世纪 20 年代出现板式换热器，并应用于食品工业。以板代管制成的换热器，结构紧凑，传热效果好，因此陆续发展为多种形式。 30 年代初，瑞典首次制成螺旋板换热器 912。接着英国用钎焊法制造出一种由铜及其合金材料制成的板翅式换热器， 用于飞机发动机的散热。 30 年代末，瑞典又制造出第一台板 2 壳式换热器，用于纸浆工厂。在此期间，为了解决强腐蚀性介质的换热问题，人们对新型材料制成的换热器开始注意 13。 60 年代左右，由于空间技术和尖端科学的迅速发展，迫切需要各种高效能紧凑型的换热器，再加上冲压、钎焊和密封等技术的发展，换热器制造工艺得到进一步完善，从而推动了紧凑型板面式换热器的蓬勃发展和广泛应用。此外，自 60 年代开始，为了适应高温和高压条件下的换热和节能的需要，典型的管壳式换热器也得到了进一步的发展。 70 年代中期，为了强化传热，在研究和发展热 管的基础上又创制出热管式换热器 14。 当前换热器发展的基本趋势是：继续提高设备的传热效率，促进设备结构的紧凑性，加强生产制造成本的标准系列化，并在广泛的范围内继续向大型化发展，并 型化技术、强化传热技术及新型换热器开发等形成一个高技术体系 1516。 板翅式换热器（冷箱）主要用于乙烯裂解，空气分离和天然气液化等。我国杭州制氧机集团有限公司（杭氧）在引进美国 大型真空钎焊炉基础上，生产制造出的乙烯冷箱，设计水 平和制造能力已基本达到国际先进水平，并在燕山，扬子，上海，天津，广州及齐鲁等乙烯改造项目中得到应用。板翅式换热器流道多达 15股，单体外形尺寸达 6m 高设计压力达 管壳式换热器具有结构坚固、弹性大和使用范围广等独特优点，一直被广泛应用。尤其在高温高压和大型化的场合下，以及制造工艺上的进一步自动化和机械化，管壳式换热器今后将在广泛的领域内得到继续发展17。 3 第 2 章 固定管板式换热器的工艺计算 算换热面积 择换热器的类型 两流体温度变化情况： 热流体进口温度 170，出口温度 140；冷流体进口温度 70，出口温度 90，因此初步确定选用固定管板式换热器。 程安排 从两物流的操作压力来看，应使温度低的走管程，温度高的走壳程。 定物性数据 定性温度：对于一般气体和水等低粘度流体，其定性温度可取流体进出口温度的平均值。 故壳程流体的定性温度为： 1 7 0 1 4 0 1 5 5 ( )2T 管程流体的定性温度为： 7 0 9 0 8 0 ( )2t 根据定性温度，分别查取壳程和管程流体的有关物性数据。 255下的有关物性数据如下： 密度 1=3m 4 定压比热容 1 热导率 =m 粘度 =310 s 0下的物性数据： 密度 =3m 定压比热容 2 热导率 =m 粘度 =310 s 算传热面积 1 1 1 1pQ m c t=D（ 2 33 4 7 6 0 0 / 3 6 0 0 () 1212 （ 2 ( 1 7 0 7 0 ) ( 1 4 0 9 0 ) （ 170（ 140)K 5 由于壳程的压力较高，故可以选取较大的 K 值。假设 K=20W/（ 估算的面积为： 21 3 0 0 6 . 7 4 1 0 1 0 1 . 6 ( ) （ 2 艺结构尺寸 径和管内流速 换热管的规格包括管径和管长，换热管直径越小，换热器单位体积的换热面积越大。因此，对于洁净的流体管径可取小些，但对于不洁净或易结垢的流体，管径应取得大些，以免堵塞。 本设计选用 25 2较高级冷拔传热管（碳钢），取管内流速s 程数和传热管数 根据传热管内径和流速确定单程传热管数 19： 224 1 . 3 8 / 8 6 . 9 2 2 4 . 5 ( )0 . 7 8 5 0 . 0 1 5 1 0 . 84 根（ 2 按单程管计算，所需的传热管长度为： 01 0 6 . 1 2 . 7 ( )3 . 1 4 0 . 0 1 9 2 5 0p （ 2 按单程管设计传热管过长，宜采用多管程结构。 6 我国生产的钢管系列标准中管长有 m,3m,m 和 9m,根据选定的管径和流速，现取传热管长 3。 则该换热器的管程数为： 2 . 7 1 ( )3p LN l 管 程 （ 2 传热管总根数： 2 2 4 . 5 2 4 4 9 （ 根 ） 平均温差校正系数： 12211 7 0 1 4 0 1 . 59 0 7 0 21119 0 7 0 0 . 21 7 0 7 0t 按单壳程，两管程结构，查得： 平均传热温差： = 0 . 9 9 2 4 . 6 6 2 4 . 4mt 逆（） （ 2 由于平均温差校正系数大于 时壳程流体流量较大，故取单壳程合适。 7 热管排列和分程方法 管子的排列方式有等边三角形，正方形，转角正方形三种。与正方形相比，等边三角形排列比较仅凑，管外流体湍动程度高，表面传热系数大。正方形排列虽然比较松散，传热效果也较差，但管外 清洗比较方便，对易结垢流体更为适用。若将正方形排列的管束斜转 45安装，可在一定程度上提高对流传热系数 12。 图 2热管排列方式 综合本设计结构和工艺结构考虑采用正三角形排列方法。 取管心距 焊接时），则 25t （ （ 2 隔板中心到力气最近一排管中心距离： 25 6 1 8 . 5 ( )2S m m （ 2 体内径 采用多管程结构，取管板利用率 ，则壳体内径为： 1 /D t N 8 1 . 0 5 2 5 2 5 0 / 0 . 7 6 6 6 6 （ （ 2 按卷 制壳体的进级档，可取 6666D 流板 安装折流挡板的目的是为了提高管外对流传热系数，为取得良好效果，挡板的形状和间距必须适当，本设计采用弓形折流板，弓形缺口太大或太小都会产生死区，太大不利于传热，太小又增加流体阻力 12。 取弓形折流板圆缺高度为壳体内径的 25%，则切去的圆缺高度为： 0 . 2 5 6 6 6 6 1 6 6 5h （ 故可取 h=1665（ 取折流板间距 ，则： 0 . 3 6 6 6 6 2 0 0 0B （ 故可取 B=200（ 折流板数 - 1 = - 1 = 22000 传 热 管 长 4000 （ 块 ）折 流 板 间 距（ 2 他附件 根据本换热器壳体的内径，故按标准取拉杆直径为 16 ，拉杆数量 4根。 壳程入口处应设防冲挡板 19。如下表所得： 表 2杆直径表 9 换热管外径 d 拉杆直径 0 d 14 10 14 d 25 12 25 d 57 16 管 壳程流体进出口接管：取接管内20 /u m s，则接管内径为 : 114 4 3 4 7 6 0 0 / ( 3 6 0 0 8 6 . 9 ) 3 5 5 . 6 ( )3 . 1 4 2 0VD m （ 2 圆整后可取内径为 360 管程流体进出口接管：取接管内液体流速2 1 0 u m s，则接管内径为： 24 1 4 8 9 7 1 / ( 3 6 0 0 8 6 . 9 ) 4 0 6 . 4 ( )3 . 1 4 1 0 . 8D m m（ 2 圆整后取管内径为 410 热器核算 流量核算 （ 1）壳程表面传热系数 1819 用克恩法计算， 1010 . 5 5 0 . 1 41 3000 . 3 6 R e P r ( ) 2 当量直径： 2234 0 . 0 2 5 0 . 7 8 5 0 . 0 1 9 2 0 . 0 1 7 ( )3 . 1 4 0 . 0 1 9 （ 2 壳程流通截面积： 200 19( 1 ) 0 . 3 0 . 6 0 . 6 ( 1 ) 0 . 0 2 5 ( )25 D （ 2 壳体流体流速及雷诺数分别为： 0003 4 7 6 0 0 / ( 3 6 0 0 1 6 8 . 3 7 ) ) 1 6 . 8 7 ( / )0 . 0 3 4Vu m （ 2 00 30 . 0 1 7 1 6 . 8 7 1 6 8 . 3 7R e 2 4 1 4 3 40 . 2 1 0 （ 2 普朗特数： 11330001 . 0 3 8 1 0 0 . 2 1 0P r 40 . 0 5 1 （ 2 粘度 校正： ) 1 则： 0 . 5 5 1 / 3 0 . 1 40 2 20 . 3 6 ( ) 0 . 5 5 1 / 3 20 0 . 0 5 10 . 3 6 2 4 1 4 3 4 4 1 5 6 5 / ( ) 0 . 0 1 7 W m K (2) 管内表面传热系数： 0 . 8 0 . 40 . 0 2 3 R e P （ 2 管程流体流通截面积： 2 2 25000 . 7 8 5 0 . 0 1 5 0 . 0 4 4 ( )42d （ 2 管程流体流速： 1 4 8 9 7 1 / ( 3 6 0 0 8 6 . 9 ) 1 0 . 8 ( / )0 . 0 4 4ii m 1230 . 0 1 5 1 0 . 8 8 6 . 9R e 6 1 2 0 70 . 2 3 1 0i i ii 普朗特数： 331 . 0 3 8 1 0 0 . 2 3 1 0P r 4 . 4 20 . 0 5 4 （ 2 0 . 8 0 . 4 20 . 6 2 60 . 0 2 3 6 1 2 0 7 4 . 4 2 7 6 3 7 / ( ) 0 . 0 1 5i W m k （ 3）污垢热阻和管壁热阻 管外侧污垢热阻： 20 0 . 0 0 0 1 7 6 ( ) /R m K W 管内侧污垢热阻： 20 . 0 0 0 2 ( ) /iR m K W 碳钢在该条件下的热 导率为 5 0 / 管壁热阻为： 20 . 0 0 2 0 . 0 0 0 0 4 ( ) /50wR m K W (4) 传热系数 0 0 0 001 1()C i i mK d d Rd d d （ 2 11 9 0 . 0 0 0 2 1 9 0 . 0 0 0 0 4 1 9 10 . 0 0 0 1 7 67 6 3 7 1 5 1 5 1 7 1 5 6 5 27 8 3 / ( ) W m K 13（ 5）传热面积裕度 计算的传热面积为： 21 3006740 7 8 . 6 ( )7 8 3 2 4 . 6 6 （ 2 该换热器的实际传热面积为： 20 3 . 1 4 0 . 0 1 9 6 5 0 0 9 2 . 6 ( )d l N m （ 2 该换热器的面积裕度为： 9 2 . 6 7 8 . 6 1 7 . 9 ( )7 8 . 6 （ 2 传热面积裕度合适，该换热器能够完成生产任务。 温核算 由于换热管内侧污垢热阻较大，会使传热管内侧污垢热阻较大，会使传热管壁 温升高，减低了传热管和壳体的壁温之差。但在操作初期，污垢热阻较小，壳体和传热管间壁温差可能较大。计算中应按最不利的操作条件考虑，因此，取两侧污垢热阻为零计算传热管壁温 19。 /1 / 1 /m c m hw （ 2 式中液体的平均温度 1412 7 0 9 0 8022m （） （ 2 12 1 7 0 1 4 0 15522m （） （ 2 27 6 3 7 W / ( m K ) 20 1 5 6 5 W / ( m K )h 传热管平均壁温： 1 5 5 / 7 6 3 7 8 0 / 1 5 6 5 9 2 . 71 / 7 6 3 7 1 / 1 5 6 5t 壳体壁温可近似取为壳程流体的平均温度，即 155T 。 壳体壁温和传热管壁温之差为： 1 5 5 9 2 . 7 6 2 . 3t 由于换热器壳程流体的温差不大，壳程压力不高，因此 ，选用固定管板式换热器较为适宜。 热器内流体的流动阻力 （ 1）管程流体阻力 12()t s p tp p p N N F （ 2 151, 2 24 （ 2 1207 传热管对粗糙度 0 20d ，查图得 流速 u m s ，38 6 kg m 216 1 0 . 8 8 6 . 90 . 0 4 8 1 0 8 8 . 10 . 0 1 5 2p （ 2228 6 . 9 1 0 . 83 3 1 5 2 0 4 . 0 2 （ （ 2 ( 8 1 0 8 8 . 1 1 5 2 0 4 . 0 2 ) 1 2 1 . 5 2 8 8 8 7 6 (管程流体阻力在允许范围之内 19。 （ 2）壳程阻力 12()s s sp p p F N （ 2 1, . 2 010 ( 1 ) 2 f N N （ 2 0 . 2 2 8 0 . 2 2 80 5 . 0 R e 5 2 4 1 4 3 4 0 . 2 9 6f 0 . 5 0 . 51 . 1 1 . 1 5 0 0 2 4 . 5 （ 2 19 0 m/s 201 6 8 . 3 7 0 . 4 7 80 . 5 0 . 2 9 6 2 4 . 5 ( 1 9 1 ) 1 3 9 2 . 32p (流体流过折流板缺口的阻力： 2 02( 3 . 5 )2iB （ 2 m, 1D m 222 0 . 2 1 6 8 . 3 7 0 . 5 41 9 ( 3 . 5 ) 1 3 2 1 . 70 . 6 2p （ 总阻力： 0 ( 1 3 9 2 . 3 1 3 2 1 . 7 ) 1 1 . 1 5 3 1 2 1 （ 由于该换热器壳程流体的操作压力较高，所以壳程流体的阻力也比较适宜。 热器的主要结构尺寸和计算结果 表 2性参数表 参数 管程 壳程 流率 /（ Kg/h） 148971 347600 进 /出温度 / 70/90 170/140 压力 / 定性温度 / 80 155 密度 /（ Kg/ 压比热容 / 度 / 导率 /W/(m. ) 朗特数 4 设备结构参数：壳体内径 /800 ， 壳程数： 1 ， 管径 /25 2， 材质：碳钢， 管心距 / 25 ， 管数目 /根： 449， 折流板数 /个： 2 ， 传热面积 /： 176， 折流板间距 / 2000，管程数： 1 。 表 2算结果表 主要计算结果 管程 壳程 流速 /（ m/s） 20 表面传热 系数 /W/( . ) 7637 1565 污垢热阻 /（ / 18阻力 / 热温差 /K 积裕度 江大学本科生毕业设计（论文） - 19 第 3 章 强度计算 体壁厚计算 由工艺设计给定的设计温度 155，设计压力.1 p =选低合金结构钢板 16制 70时的许用应力 t =170设厚度为 6 1612取焊缝系数 =蚀裕度 计算厚度 0 . 0 0 9 9 6 0 0 0 . 1 0 22 1 7 0 0 . 8 5 0 . 0 0 9 92 ct （ 3 设计厚度 2 3 2 5d C m m （ 3 对于 16板负偏差 ，因而可取名义厚度 6n 。 有效厚度 12 6 0 2 4 C m m （ 3 水压试验压力 1701 . 2 5 1 . 2 5 0 . 1 1 0 . 0 4 1 3170Tc tp p M P a （ 3 所选材料的屈服应力 345s 水压试验应力校核 0 . 0 4 1 3 ( 6 0 0 4 )3 . 1 1 82 2 4 P a （ 3 0 . 9 0 . 9 3 4 5 0 . 8 5 2 6 3 . 9 2 5 P a 浙江大学本科生毕业设计（论文） - 20 水压强度满足要求 . 气密试验压力 0 . 0 4 9 5p M p a箱短节、封头厚度的计算 箱短节厚度的计算 由工艺设计给定设计参数为 :设计温度 60 ,设计压力.1 p =选用 16板 ,材料许用应力 t =170屈服强度330s ,取焊缝系数 腐蚀裕度12 计算厚度 0 . 0 4 9 5 6 0 0 0 . 1 7 12 1 7 0 0 . 8 5 0 . 0 4 9 52 ct （ 3 设计厚度 2 3 2 5d C m m （ 3 名义厚度 1 50 圆 整（ 3 综合考虑结构 ,补强 ,焊接的需要 ,取 6n 有效厚度 12 6 0 2 4 C m m （ 3 头厚度的计算 壳体封头选用标准椭圆封 头 浙江大学本科生毕业设计（论文） - 21 计算厚度 0 . 0 4 9 5 6 0 0 2 . 2 92 1 7 0 0 . 8 5 0 . 0 4 9 52 ct （ 3 名义厚度 1 50 圆 整（ 3 为了便于选材壳体封头厚度取与短节厚度相同 6n . 有效厚度 2 1 本科毕业设计（论文）开题报告 题目： 乙烯冷却设备设计 学生姓名 彭泽桃 学 号 0903020426 教学院系 机电工程学院 专业年级 过程装备与控制工程 指导教师 职 称 单 位 西南石油大学 2 选题的依据及意义 ： 乙烯是世界上产量最大的化学产品之一 ,乙烯工业是石油化工产业的核心 ,乙烯产品占石化产品的 70%以上 ,在国民经济中占有重要的地位 本、生产稳定性、产品质量 等都会对整个石油化工联合企业起到支配作用，因此乙烯装置就成为关系全局的核心生产装置之一，世界各国自 1960 年以来在其节能、降耗、减少投资、方便操作管理、降低生产成本以提高乙烯企业整体经济效益方面开展了广泛的研究并取得了卓有成效的进展 换热器的基建投资在一般化工、石化企业中约占设备总投资的 20%，其中固定管板式换热器约占换热器的 70%。固定管板式换热器的两端管板和壳体制成一体，当两流体的温度差较大时，在外壳的适当位置上焊上一个补偿圈，（或膨胀节）。当壳体和管束热膨胀不同时，补偿圈发生缓慢的弹性变形来 补偿因温差应力引起的热膨胀。 特点：结构简单，造价低廉，壳程清洗和检修困难，壳程必须是洁净不易结垢的物料。 固定管板式换热器主要有外壳、管板、管束、封头压盖等部件组成。固定管板换热器的结构特点是在壳体中设置有管束，管束两端用焊接或胀接的方法将管子固定在管板上，两端管板直接和壳体焊接在一起，壳程的进出口管直接焊在壳体上，管板外圆周和封头法兰用螺栓紧固，管程的进出口管直接和封头焊在一起，管束内根据换热器的长度设置了若干块折流板。这种换热器管程可以用隔板分成任何程数。 固定管板式换热器结构简单，制造成本低，管程清 洗方便，管程可以分成多程，壳程也可以分成双程，规格范围广，故在工程上广泛应用。壳程清洗困难，对于较脏或有腐蚀性的介质不宜采用。当膨胀之差较大时，可在壳体上设置膨胀节，以减少因管、壳程温差而产生的热应力。 本课题所设计的冷却器属于固定管板换热器，是针对给定的设计参数，按照相关规定的要求，通过壁厚计算和强度校核等，设计固定管板式换热器产品。熟悉压力容器设计的基本要求，掌握固定管板式换热器的常规设计方法，把所学的知识应用到实际的工程设计中区，为以后的工作和学习打下扎实的基础。 二、国内外研究概况及发展趋势（含文 献综述）： 热器的概念及意义 3 在化工生产中为了实现物料之间能量传递过程在、需要一种传热设备。这种设备统称为换热器。在化工生产中，为了工艺流程的需要，往往进行着各种不同的换热过程：如加热、冷却、蒸发和冷凝。换热器就是用来进行这些热传递过程的设备，通过这种设备，以便使热量从温度较高流体传递到温度较低的流体，以满足工艺上的需要。它是化工炼油，动力，原子能和其他许多工业部门广泛应用的一种通用工艺设备，对于迅速发展的化工炼油等工业生产来说，换热器尤为重要。换热器在化工生产中，有时作为一个单独的化工设备 ，有时作为某一工艺设备的组成部分，因此换热器在化工生产中应用是十分广泛的，任何化工生产中，无论是国内还是国外，它在生产中都占有主导地位。 壳式换热器结构 由壳体、传热管束、管板、折流板（挡板）和管箱等部件组成。壳体多为圆筒形，内部装有管束，管束两端固定在管板上。进行换热的冷热两种流体，一种在管内流动，称为管程流体；另一种在管外流动，称为壳程流体。为提高管外流体的传热分系数，通常在壳体内安装若干挡板。挡板可提高壳程流体速度，迫使流体按规定路程多次横向通过管束，增强流体湍流程度。换热管在管板上可按等边 三角形或正方形排列。等边三角形排列较紧凑，管外流体湍动程度高，传热分系数大；正方形排列的管壳式换热器则管外清洗方便，适用于易结垢的流体。 流体每通过管束一次称为一个管程；每通过壳体一次称为一个壳程。图示为最简单的单壳程单管程换热器 ,简称为 1换热器。为提高管内流体速度 ,可在两端管箱内设置隔板，将全部管子均分成若干组。这样流体每次只通过部分管子，因而在管束中往返多次，这称为多管程。同样，为提高管外流速，也可在壳体内安装纵向挡板，迫使流体多次通过壳体空间，称为多壳程。多管程与多壳程可配合应用。 由 于管内外流体的温度不同，因之换热器的壳体与管束的温度也不同。如果两温度相差很大，换热器内将产生很大热应力，导致管子弯曲、断裂，或从管板上拉脱。因此，当管束与壳体温度差超过 50时，需采取适当补偿措施，以消除或减少热应力。根据所采用的补偿措施，管壳式换热器可分为以下几种主要类型： （ 1）固定管板式换热器 管束两端的管板与壳体联成一体，结构简单 ,但只适用 于冷热流体温度差不大 ,且壳程不需机械清洗时的换热操作。当温度差稍大而壳程压力又不太高时，可在壳体上安装有弹性的补偿圈，以减小热应力。 （ 2）浮头式换热器 管束一端的管板可自由浮动，完全消除了热应力 ;且整个管束可 4 从壳体中抽出 ,便于机械清洗和检修。浮头式换热器的应用较广，但结构比较复杂，造价较高。 （ 3） U 型管换热器 每根换热管皆弯成 U 形，两端分别固定在同一管板上下两区，借助于管箱内的隔板分成进出口两室。此种换热器完全消除了热应力，结构比浮头式简单，但管程不易清洗。 （ 4） 非金属材料换热器 化工生产中强腐蚀性流体的换热，需采用陶瓷、玻璃、聚四氟乙烯、石墨等非金属材料制作管壳式换热器。其中以碳化硅为主要材质的陶瓷换热器具有以下特点 ：陶瓷换热器的生产工艺与窑具的生产工艺基本相同，导热性与抗氧化性能是材料的主要应用性能。它的原理是把陶瓷换热器放置在烟道出口较近，温度较高的地方，不需要掺冷风及高温保护，当窑炉温度 1250，烟道出口的温度应是 1000陶瓷换热器回收余热可达到 450将回收到的的热空气送进窑炉与燃气形成混合气进行燃烧，可节约能源 25% 45%，这样直接降低生产成本，增加经济效益。 陶瓷换热器在金属换热器的使用局限下得到了很好的发展，因为它较好地解决了耐腐蚀，耐高温等课题，成为了回收 高温余热的最佳换热器。经过多年生产实践，表明陶瓷换热器效果很好。它的主要优点是：导热性能好，高温强度高，抗氧化、抗热震性能好。寿命长，维修量小，性能可靠稳定，操作简便。是目前回收高温烟气余热的最佳装置。目前，陶瓷换热器可以用于冶金、有色、耐材、化工、建材等行业主要热工窑炉，正在为世界的节能减排事业作出了巨大的贡献。 流道的选择：进行换热的冷热两流体，按以下原则选择流道： 不洁净和易结垢流体宜走管程，因管内清洗较方便； 腐蚀性流体宜走管程，以免管束与壳体同时受腐蚀； 压力高的流体宜走管程，以免壳体承 受压力； 饱和蒸汽宜走壳程，因蒸汽冷凝传热分系数与流速无关 ,且冷凝液容易排出； 若两流体温度差较大 ,选用固定管板式换热器时，宜使传热分系数大的流体走壳程，以减小热应力。 操作强化：当管壁两侧传热分系数相差很大时（如粘度小的液体与气体间的换热），应设法减小传热分系数低的一侧的热阻。如果管外传热分系数小，可采用外螺纹管（低翅片管），以增大管外一侧的传热面积和流体湍动，减小热阻。如果管内传热分系数小，可在管内设置麻花铁，螺旋圈等添加物，以增强管内扰动，强化换热，当然这时流体的流动阻力也将增大。 5 1、主要控制 参数 管壳式换热器的主要控制参数为加热面积、热水流量、换热量、热媒参数等。 2、选用要点 1）、根据已知冷、热流体的流量，初、终温度及流体的比热容决定所需的换热面积。初步估计换热面积，一般先假定传热系数，确定换热器构造，再校核传热系数K 值。 2）、选用换热器时应注意压力等级，使用温度，接口的连接条件。在压力降，安装条件允许的前提下，管壳式换热器以选用直径小的加长型，有利于提高换热量。 3）、换热器的压力降不宜过大，一般控制在 间； 4）、流速大小应考虑流体黏度，黏 度大的流速应小于 s；一般流体管内的流速宜取 s；易结垢的流体宜取 s。 5）、高温水进入换热器前宜设过滤器。 6）、热交换站中热交换器的单台处理和配置台数组合结果应满足热交换站的总供热负荷及调节的要求。在满足用户热负荷调节要求的前提下，同一个供热系数中的换热器台数不宜少于 2 台，不宜多于 5 台。 热器的发展历史 二十世纪 20 年代出现板式换热器，并应用于食品工业。以板式管制成的换热器，结构紧凑，传热效果好，因此陆续发展为各种形式。 30 年代初，瑞典 首次制成螺旋板换热器。接着英国用钎焊法制造出一种由铜及其合金材料制成的板翘式换热器，用于飞机发动机的散热。 30 年代末，瑞典又制造出第一台板壳式换热器，用于纸浆工厂。在此期间，为了解决强腐蚀性介质的换热问题，人们对新型材料制成的换热器开始注意。 60 年代左右，由于空间技术和尖端科学的迅速发展，迫切需要各种高效能紧凑型的换热器，再加上冲压，钎焊和密封等技术的发展，换热器制造工艺得到进一步完善，从而推动了紧凑型板面式换热器的蓬勃发展和广泛应用。从此，自 60 年代开始，为了适应高温和高压条件下的换热和节能的需要，典型 的管壳式换热器也得到了进一步的发展。 70 年代中期，为了强化传热，在研究和发展热管的基础上又创制出热管式换热器。 换热器按传热方式的不同可分为混合式、蓄热式和间壁式三类。 混合式换热器是通过冷、热流体的直接接触、混合进行热量交换的换热器，又称接触式换热器。由于两流体混合换热后必须及时分离，这类换热器适合于气、液两流体之间的换热。例如，化工厂和发电厂所用的凉水塔中，热水由上往下喷淋，而冷空 6 气自下而上吸入，在填充物的水膜表面或飞沫及水滴表面，热水和冷空气相互接触进行换热，热水被冷却，冷空气被加热，然后依靠两流体本 身的密度差得以及时分离。 蓄热式换热器是利用冷、热流体交替经蓄热室中的蓄热体（填料）表面，从而进行热量交换的换热器，如炼焦炉下方预热空气的蓄热室。这类换热器主要用于回收和利用高温废气的热量。以回收冷量为目的的同类设备称蓄冷器，多用于空气分离装置中。 间壁式换热器的冷、热流体被固体间壁隔开，并通过间壁进行热量交换的换热器，因此又称表面式换热器，这类换热器应用最广。 间壁式换热器根据传热面的结构不同可分为管式、板面式和其他型式。管式换热器以管子表面作为传热面，包括蛇管式换热器、套管式换热器和管壳式换热器等：板面 式换热器以板面作为传热面，包括板式换热器、螺旋板换热器、板翘式换热器、板壳式换热器和伞板换热器等；其他型式换热器是为满足某些特殊要求面设计的换热器，如刮面式换热器、转盘式换热器和空气冷却器等。 换热器中流体的相对流向一般有顺流和逆流两种。顺流时，入口处两流体的温差最大，并沿传热表面逐渐减小，至出口处温差为最小。逆流时，沿传热表面两流体的温度分布较均匀。在冷、热流体的进出口温度一定的条件下，当两种流体都无相变时，以逆流的平均温差最大顺流最小。 在完成同样传热量的条件下，采用逆流可使平均温差增大，换热器的传热面 积减小；若传热面积不变，采用逆流时可使加热或冷却流体的消耗量降低。前者可节省设备费，后者可节省操作费，故在设计或生产使用中应尽量采用逆流换热。当冷、热流体两者或其中一种有物相变化（沸腾或冷凝）时，由于相变时只放出或吸收气化潜热，流体本身的温度并无变化，因此流体的进出口温度相等，这时两流体的温差就与流体的流向选择无关了。除顺流和逆流这两种流向外，还有错流和折流等流向。在传热过程中，降低间壁式换热器中的热阻，以提高传热系数是一个重要的问题。热阻主要来源于间壁两侧粘滞于传热面上的流体薄层（称为边界层），和换热器使 用中在壁两侧形成的污垢层，金属壁的热阻相对较小。 增加流体的流速和扰动性，可减薄边界层，降低热阻提高给热系数。但增加流体流速会使能量消耗增加，故设计时应在减小热阻和降低能耗之间作合理的协调。为了降低污垢的热阻，可设法延缓污垢的形成，并定期清洗传热面。 一般换热器都有金属材料制成，其中碳素钢和低合金钢大多用于制造中、低压换热器；不锈钢除主要用于不同的耐腐蚀条件外，奥氏体不锈钢还可作为耐高、低温的 7 材料；铜、铝及其合金多用于制造低温换热器；镍合金则用于高温条件下；非金属材料除制作换热器等。 内外研究现状及 发展趋势 内外的状况 管壳式换热器是一个量大而品种繁多的产品，由于国防工业技术的不断发展，换热器操作条件日趋苛刻，迫切需要新的耐磨损、耐腐蚀、高强度材料。近年来，我国在发展不锈钢铜合金复合材料、铝镁合金及碳化硅等非金属材料等方面都有不同程度的进展，其中尤以钛材发展较快。钛对海水、氯碱、醋酸等有较好的抗腐蚀能力，如再强化传热，效果将更好，目前一些制造单位已较好的掌握了钛材的加工制造技术。对材料的喷涂，我国已从国外引进生产线。铝镁合金具有较高的抗腐蚀性和导热性，价格比钛材便宜，应予注意 5。近年来 国内在节能增效等方面改进换热器性能，提高传热效率，减少传热面积降低压降，提高装置热强度等方面的研究取得了显著成绩。换热器的大量使用有效的提高了能源的利用率，使企业成本降低，效益提高。根据国民经济和社会发展第十一个五年规划纲要，“十一五”速度。而石化及钢铁作为支柱型产业，将继续保持快速发展的势头，预计 2010年钢铁工业总产值将超过 5000 亿元，化工行业总产值将突破 4000 亿元。这些行业的发展都将为换热器行业提供更加广阔的发展空间。未来，国内市场需求将呈现以下特点：对产品质量 水平提出了更高的要求，如环保、节能型产品将是今后发展的重点；要求产品性价比提高；对产品的个性化、多样化的需求趋势强烈；逐渐注意品牌产品
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