流量为120t每小时四管程固定管板式换热器的设计.doc
流量为120t每小时四管程固定管板式换热器的设计（全套含CAD图纸）
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购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396（全套含 纸） 摘要 本设计是四管程固定管板式换热器，是目前应用最为广泛的换热器。本台换热器主要完成的是水蒸气 程 程冷水的定性温度为 55，壳程煤油的定性温度为 。 传热面积为 137 2m ，采用 25 6000 的无缝钢管换热，则可计算出 290 根换热管。 本台换热器的管板延长兼做法兰，管板与换热管的连接方式为焊接，因管板上的应力较多，且内外温度有一定的差值，因此，对管板强度的校核是一个重点， 也是一个难点，本文按照弹性支撑假设对管板进行设计和校核的。 本设计为固定管板式换热器，由管箱、壳体、管板、管子等零部件组成。其结构较紧凑，排管较多，在相同直径情况下面积较大制造较简单。固定管板式换热器的管程有双管程和四管程等几种，本设计采用单壳程，四管程。固定管板式换热器的设计包括：管子的规格和排列方式、圆筒、封头、管板的材料选择及厚度设计，折流板、防冲板的选择等。首先管子的选择是以清洗方便及合理使用管材为原则。管子在管板上的排列方式为三角形排列。因为正三角形排列时，管板的强度高、流体短路的机会少，且相同 壳程内可排列更多的管子。壳体厚度计算式是由圆筒薄膜应力准则推导出的。其最小壁厚应根据标准选取。而封头采用了限制最小壁厚方法，其有效厚度应不小于封头内径的 管板是管壳式换热器中最重要的部件之一，在选材时除力学性能外，还应考虑流体的腐蚀性的影响。在计算厚度时，要在满足强度要求的前提下，尽量减少管板的厚度。折流板最常用的为圆缺型挡板，切去的弓形高度一般取外壳内径的 20% 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396（全套含 纸） 固定管板式换热器的优点是：结构简单、紧凑，能承受较高的压力，造价低，管程清洗方便，管子损坏时易于堵管或更换；这种换热器使用于 壳侧介质清洁且不宜结垢，并能进行清洗管束，壳程两侧温差不大或者温差较大但壳侧压力不高的场合。 关键词 ：换热管 ; 固定管板 ; 温差应力 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396（全套含 纸） is At is to of of of 5 of 12.5 37 2m 25000,290 be We to a is to is in is in of a of of of is to to of in of of be of is be to to on 买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396（全套含 纸） of be is is of in to of of In to of to of 0% of of is is We We of is is 买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396（全套含 纸） 目 录 第一章 换热器综述 . 1 壳式换热器结构 . 10 壳式换热器类型 . 11 定管板式换热器 . 11 头式换热器 . 11 型管换热器 . 12 料函式换热器 . 12 壳式换热器强化传热 . 13 大传热面积 . 13 高传热系数 . 13 热器的防腐措施 . 14 腐涂层 . 14 属涂层 . 14 属堆焊 . 14 释剂 . 15 壳式换热器的发展前景 . 15 第二章 换热器传热工艺计算 . 16 始数据 . 16 定定性温度及物性数据 . 16 油的传热量与冷水流量的计算 . 17 程换热系数的计算 . 17 构的初步设计 . 18 程换热系数计算 . 19 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396（全套含 纸） 热系数计算 . 19 壁温度计算 . 20 程压力降计算 . 20 程压力降计算 . 21 第三章 固定管板式换热器结构设计计算 . 23 热管材料及规格的选择和根数的确定 . 23 管方式的选择 . 23 体内径的确定 . 23 体壁厚的确定 . 24 体水压试验 . 25 头形式的确定 . 25 箱短节壁厚计算 . 26 箱水压试验 . 27 器法兰的选择 . 27 板尺寸的确定及强度计算 . 28 否安装膨胀节的判定 . 40 冲板尺寸的确定 . 40 流板尺寸的确定 . 41 流板类型 . 41 热管无支撑跨距或折流板间距 . 41 流板管孔 . 41 管孔接管及其法兰的选择 . 41 孔补强计算 . 43 参考文献 . 46 致 谢 . 47 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 第一章 换热器综述 管壳式换热器 (称列管式换热器。是以封闭在壳体中管束的壁面作为传热面的间壁式换热器。这种换热器结构较简单，操作可靠，可用各种结构材料（主要是金属材料）制造，能在高温、高压下使用，是目前应用最广的类型。 壳式换热器结构 管壳式换热器主要由壳体、传热管束、管板、折流板（挡板）和管箱等部件组成。其结构简图如图 图 管壳式换热器结构简图 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 313233 34 35 36 37 3839垫片 40 41 42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； 11 正方形排列则管外清洗方便，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。 壳式换热器类型 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： 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。 如图 固定管板式换热器 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 ;且整个管束可从壳体中抽出 ,便于机械清洗和检修。应用较广，但结构比较复杂，造价较高。如图 12 图 浮头式换热器 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。如图 图 U 型管式换热器 料函式换热器 在浮头与壳体的滑动接触面处采用填料函式密封结构。由于用填料函式密封结构，使得管束在课题轴向可以自由伸缩，不回产生壳壁与管壁变形差引起的热应力。其 结构较浮头式换热器简单，加工制造方便，节省材料，造价较低，且管束从壳体内可以抽出，管内管间都能进行清洗，维修方便。如图 13 图 填料函式换热器 壳式换热器强化传热 大传热面积 换热器的传热面积不可能无限制地增大，否则投资费用会大大增加，并且随着工业化的发展，设备要紧凑化 高传热系数 主要从管程和壳程传热强化系数的提高方面上考虑。可通过改变管子外形或在管内加入插入物： 螺旋槽管 螺旋槽管是一种管壁上具有外凸和内凸的异形管， 管壁上的螺旋槽能再有相变和无相变的传热中明显提高管内外的传热系数，起到双边强化的作用。根据在光管表面加工螺旋槽的类型螺旋槽管有单头和多头之分，主要结构参数有槽深、槽距和槽旋角。 横纹管 它是一种用普通圆管做毛胚，在管外壁经简单滚轧出与轴线垂直的凹槽，同时在管内形成一圈突起的环肋。其强化机理为：当管内流体经横向环肋时，管壁附近形成轴向漩涡，增加了边界层的扰动，有利于热量通过边界层的传递。当涡流即将消失时，流体又经下一个横肋，不断产生轴向涡流，因而保持连续且稳定的强化作用。横纹 管主要用来强化管内单向流体的传热，经研究发现，在相同流速下，横纹管流阻比单头螺旋槽管的小。 螺旋扁管 螺旋扁管是瑞士一公司首先提出。由于管子的独特结构，流体在管内处于螺旋流动，促使湍流程度。经实验表明螺旋扁管管内膜传热系数通常比普通圆管大幅度提高，在低雷诺数时最为明显，达 2着雷诺数的增大，通常也可提高传 14 热系数 50%以上。 管内插入物 管内插入物的类型有很多，主要有：麻花铁、螺旋线圈、螺旋带、螺旋片、纽带和静态混合器等。各种插入物的 强化传热机理一般可分为四种： 形成旋转流； 破坏边界层； 中心流体与管壁流体产生置换作用； 产生二次流。管内插入物的优点是对旧的换热器设备进行改造，以提高其换热性能。在强化传热的同时能达到清除污垢的目的。英国一公司还开发了一种花环式插入物，能在不增大压降的条件下大大提高传热系数。用于液体工况，可使管壳式换热器管程传热效率提高 25倍；用于气体工况，可使相应值提高 5 倍。这种插入物使换热管 的防垢能力提高 8 内翅片管 内翅片管是采用特殊的焊接工艺和设备加工而成，流体在管内的换热过程为单相强制对流换热。其主要特点是通过在传热管管内扩大传热面积、强化管内传热的途径来提高换热器的传热性能。 1971 年美国首先提出内翅片管，并于二十世纪九十年代又开发出一种高效强化管内相变传热的内螺旋翅片管。八十年代初，日立电缆有限公司研究表明，采用左右错式的螺旋内翅片管强化单相流体的传热可使管内给热系数提高到光管的 左右。 缩放管 缩放管是由依次交替的多节渐缩段和渐扩段构成，流体在该管 结构的作用下引起湍动，从而提高传热效率。 热器的防腐措施 腐涂层 一般采用非金属涂层，常用的水冷器有防腐、防垢涂料 84和 901，还有 ，但在油气系统使用较多的是涂陶瓷。但由于换热管一般可达 6 米长，在长度上涂均匀很难，但非常重要。 属涂层 一般有镀 ，工艺效果好，但价格昂贵。 属堆焊 一般采用碳钢、 o 钢堆焊不锈钢较多，用来抗硫化 氧和酸腐蚀。该方法价格 15 便宜，效果好。另外，还有复合板、双向钢管用量也较大，效果较好。 释剂 目前炼油装置、化工装置多采用一脱四注的方式很多。另外，还有复合板、双向钢管用量也较大，效果很好。 壳式换热器的发展前景 换热器的所有种类中，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。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提高了能源的利用率，使企业成本降低，效益提高。 沈阳化工大学科亚学院 学士学位论文 第二章 换热器传热工艺计算 16 第二章 换热器传热工艺计算 始数据 管程冷水的进口温度 :0 管程冷水的出 口温度 :0 管程冷水的工作压力 :程热油的进口温度： 35 壳程热油的出口温度： 0 壳程热油的工作压力 :程热油的流量 :20t/h=120000kg/h 定定性温度及物性数据 定性温度：可取流体进出口温度的平均值 管程冷水的定性温度为 90202 =55 根据定性温度可查取管程冷水的有关物性数据。 冷水在 55下的物性数据如下： 密度 c=压比热容 ) 导热系数 c=m ) 粘度 c=10s 普朗特准数 程煤油的定性温度为 901352 = 根据定性温度可查取壳程煤油的有关物性数据。 煤油在 的物性数据如下： 密度 h=757Kg/压比热容 ) 导热系数 h=m ) 沈阳化工大学科亚学院 学士学位论文 第二章 换热器传热工艺计算 17 粘度 h=10s 普朗特准数 油的传热量与冷水流量的计算 取定换热效率为 =设计的煤油传热量： 0Q= 3600/1000)(212 hh =1200002. 44 （ 135 90） 000/3600 =3586800W 则管程冷水流量为 ： p c 1 3 41 0 0 020 9 5 8 6 8 0 03 6 0 0)(1201 ）（)()(12211221，逆= 参数 P： P= 0 20901112 tt 参数 R： R= 012 01221 tt 查换热器设计手册图 1a)，将换热器按单壳程、四管程设计，可查得 : 温差校正系数： 效平均温差 : ，逆 t= 程换热系数的计算 选 算传热面积。参照 化工原理表 4 初选传热系数 50W/（ ） 则初选传热面积为： 2000 86 8 0 0 选用 25 6000的无缝钢管做换热管 沈阳化工大学科亚学院 学士学位论文 第二章 换热器传热工艺计算 18 则 : 管子外径 5子内径 0子长度 L=6000 则需要换热管根数 := 3 6. 6 6 根 可取换热管根数为 290根 管程流通面积 :A 管 = 442it = 管程流速 : 2 2 53 6 0 0 4 4 1 3 4 0 0 管G=s 管程雷诺数 : 1 0 5 5c c 因为水被加热， n=管程传热系数 : d = 10 5 =3474W/（ ） 构的初步设计 查参考资料 壳式换热器，可知管间距不宜小于 的换热管外径，查 表 12可知 换热管管间距 : s=管束中心排的管数为 : = 20根 则壳的体内径为 : 0( ）（ =圆整后 : 800 则长径比 : 所以折流板选择弓形折流板，那么 : 折流板的弓高 := 50 折流板的间距 :3 沈阳化工大学科亚学院 学士学位论文 第二章 换热器传热工艺计算 19 折流板的数量 : 1 块 取 16块 程换热系数计算 壳程流通面积 : )1(A 03 30 ）（壳程流速 : 壳 36 00 21 20000 壳程质量流速 :11 =757=2/ 壳程当量直径 : 02022 壳程雷诺数 : 4 6 7 3 2 8100 9 6 6 0 35771 h 根据 去弓形面积所占的比例，可查得为 据管壳式换热器原理与设计图 2得壳程传热因子： 50010，壁温下煤油的粘度：h=0-3 粘度修正系数 : ( 壳程换热系数 : 096 7131 j 热系数计算 查 壳式换热器第 140页可以得知 油侧污垢热阻为 :)/m(101 5 水侧污垢热阻 :)/m(101 5 由于管壁比较薄，所以管壁的热阻可以忽略不计，可得总传热系数为： 021111沈阳化工大学科亚学院 学士学位论文 第二章 换热器传热工艺计算 20 . 6101 7 . 611001155所以传热系数比值为 : 0= （合理） 壁温度计算 管外壁热流密度计算 : 0= )/(58 68 00 2 管外壁温度 : 错误 !未找到引用源。 = 84)101 7 . 61100 1( 2 误差校核 : 261108411 ww 误差不大，合理。 程压力降计算 查换热器设计手册 程压力降可按照公式 1算： 式中： 流体流过直管因摩擦阻力引起的压降 ,单位 流体流过弯管因摩擦阻力引起的压降，单位 流体流过管箱进出口的压降，单位 结构校正系数， 串联的壳程数，； 管程数，； 查换热器设计手册 知公式 22 232 沈阳化工大学科亚学院 学士学位论文 第二章 换热器传热工艺计算 21 式中： 管内流速， m/s; 管内径， m/s; l 管长， m; i 摩擦系数 i 管内流体密度， kg/中 0 2 9 4 1 0 6 2 2 2 2 22 = 9 62 0 2 9 4 2 202 2 即 =(1296+440.7) x2 20 符合压强条件。 程压力降计算 查换热器设计手册 程压力降可按照公式 1算： 式中： 壳程压降摩擦因子 壳体内流体的流速，单位 m/s; 壳体内径，单位 m; L 管子长度，单位 m； o 管外流体定性温度下的密度，单位 kg/ o 管外流体定性温度下的粘度，单位 s; w 管外流体壁温下的粘度，单位 s; 折流板间距，单位 m; 壳程当量直径，单位 m; 沈阳化工大学科亚学院 学士学位论文 第二章 换热器传热工艺计算 22 管外流体壁温 84下粘度w=s 由查图 1 3 24得壳程压强摩擦因子壳程压强 符合压强计算。 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第三章 固定管板式换热器结构设计计算 23 第三章 固定管板式换热器结构设计计算 热管材料及规格的选择和根数的确定 序号 项目 符号 单位 数据来源及计算公式 数值 1 换热管材料 20# 2 换热管规格 25 6000 3 传热面积 A 2m 137 4 换热管根数 根 290 5 拉杆直径 壳式换热器表 43 16 6 拉杆数量 根 壳式换热器表 44 6 管方式的选择 序号 项目 符号 单位 数据来源和数据计算 数值 1 正三角形 11 2 换热管中心距 S 12 32 3 隔板槽两侧相邻管中心距 12 44 体内径的确定 序号 项目 符号 单位 数据来源和计算公式 数值 1 换热管中心距 S 12 32 2 换热管根数 根 290 3 管束中心排管根数 换热 管外径 0D 阳化工大学科亚学院学士学位论文 第三章 固定管板式换热器结构设计计算 24 5 到壳体内壁最短距离 0B d 且不小于 8 8 6 布管限定圆直径 1D 2 0B 784 7 筒体内径 s（ +4 0d 800 8 实取筒体公称直径 D 473700 体壁厚的确定 序号 项目 符号 单位 数据来源和计算公式 数值 1 壳程工作压力 设计说明书 壳程计算压力 1 p p 筒体内径 筒体材料 20R 5 设计温度下筒体材料的许用应力 t 33 6 焊接接头系数 过程设备设计 筒体计算厚度 2 腐蚀裕量 2C 负偏差 1C 0 设计厚度 d = + 2C 1 名义厚度 n 12 有效厚度 e 12 6 13 设计厚度下圆筒的计算应力 t 2c i et 阳化工大学科亚学院学士学位论文 第三章 固定管板式换热器结构设计计算 25 14 校核 t t A =304 所以 a、 理，其它各孔也不需要补强。 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 参考文献 4
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