固定管板式换热器设计常东旭

沈沈 阳阳 工工 程程 学学 院院 毕毕 业业 设设 计计 论论 文文 专业班级： 热能与动力工程 学生姓名： 常东旭 指导教师： 付洪亮 固定管板式热换器优化设计固定管板式热换器优化设计 TheThe DesignDesign ofof thethe FittedFitted Tube-SheetTube-Sheet ExchangerExchanger 系别名称： 能源与动力工程学院 专业班级： 热能与动力工程 学生姓名： 常东旭 学 号： 2007101229 指导教师： 付洪亮 固定管板式换热器优化设计 1 固定管板式换热器优化设计 摘摘 要要 随着石化工业的不断发展，换热器在石化行业设备中占据着重要的地位。本 设计主要针对的是固定管板式换热器，固定管板式换热器属于列管式换热器的一 种，是利用间壁使高温流体和低温流体进行对流传热从而实现物料间的热量传递。 在本设计本设计包括四个部分：说明部分；计算部分；绘图部分和翻译部分。 说明部分主要阐述了固定管板式换热器的工艺流程及其在炼油化工生产中的地位， 换热器设备及其发展现状和国内外换热器的最新发展趋势，同时介绍了换热器的 结构设计，换热器主要零部件结构的设计及压力容器常用材料等。最后对压力容 器的制造，检验和验收等问题也作了简单的介绍。计算部分中对筒体、管箱、封 头、管板、法兰、膨胀节及其他附属设备进行了详细的计算,并对各组成部分的 材料，厚度，应力，强度要求，进行了详细的分析，在满足设计要求的同时，以 节省的原则对各部件进行了优化。并对管板兼做法兰的四种危险工况分别进行了 校核，使其能在满足在高温高压的要求同时花费最少的成本，拥有最好的质量。 其中有许多部分的设计借鉴了其他的一些先进理论和方法，不但节省了原料， 更使换热器的质量得到了技术保证。以节省能耗与提高使用性能为设计原则，最 终满足设计的目的，即低能耗、低成本、高质量。 关键词：关键词：固定管板式换热器；换热面积；应力；管板兼作法兰；法兰连接 沈阳工程学院毕业设计 2 The Design of the Fitted Tube-Sheet Exchanger Abstract With the continuous development of the petrochemical industry, heat exchanger equipment in the petrochemical industry occupies an important position. This design is aimed primarily at a fixed plate heat exchanger tube, fixed tube plate heat exchanger tube is a heat exchanger is the use of partitions so that high-temperature fluid and low- temperature fluid for convective heat transfer in order to achieve the heat transfer between materials . During the design of the design includes four parts: that part of it; calculation part; mapping and translation of some parts. Note on some of the major fixed-plate heat exchanger tube and its application in the process of refining the position of chemical production, heat exchanger and the development of equipment and heat exchangers at home and abroad the latest development trends, at the same time introduced a heat exchanger structural design, heat exchanger design of the structure of the main components and pressure vessels commonly used materials. Finally, pressure vessel manufacturing, testing and acceptance of other issues also made a brief introduction. Calculated in part on the cylinder, control box, head, control panels, flanges, expansion joints and other ancillary equipment to carry out a detailed calculation of the various components of the material, thickness, stress, strength requirements, in detail analysis of design requirements are met at the same time in order to save the principles of the 固定管板式换热器优化设计 3 various components were optimized. Flange and tube sheet of four taking the risk of workers have been checking the status of, respectively, to enable them to meet the requirements of high temperature and high pressure in the least expensive costs at the same time, have the best quality. Most of the designments use advanced technology and method at home and abroad for reference. We not only save material，but also guaranteed the heat exchangers quality. Saving energy and improving the using capability is the principle of the designments and finally satisfies the purpose of the designments，such as spending lower energy and cost and having better quality. Keyword：Fitted Tube-Sheet Exchanger; Exchange area; Strew ; Tube sheet extended as a flange; Flange coupling 固定管板式换热器优化设计 目 录 1 绪 论 .1 2换热器的分类及其工作原理 .2 2.1 换热器的分类及其工作原理 .2 2.2 换热器的材料.6 2.2.1 换热器常用钢材 .6 2.2.2 有色金属和非金属 .8 2.3 换热器研究现状及发展趋势 .11 3 固定管板式换热器的强度计算 .18 3.1 换热器主要零部件的强度计算 .18 3.1.1 换热器壳体壁厚计算 .18 3.1.2 换热器封头的壁厚计算 .18 3.1.3 压力试验及其强度校核 .19 3.1.4 换热器压力容器法兰的选择与计算 .20 3.1.5 选择换热器支座并核算承载能力 .21 3.1.6 管板的选择与尺寸计算 .22 3.1.7 膨胀节的选用与计算 .23 3.1.8 折流板的设计与计算 .24 3.1.9 接管的选择与计算 .25 3.1.10 接管法兰的选择与计算 .26 3.1.11 管箱的选择与计算 .26 3.1.12 拉杆和定距管的选用 .27 3.2 换热器各部件的连接方式 .29 3.2.1 管板与壳体的连接 .29 3.2.2 管子与管板的连接 .30 3.2.3 管板与容器法兰的连接 .30 4 4 换热器设备各部分的设计说明 .32 4.1 换热器设备各部分的材料选择 .32 4.1.1 常压容器对材料的基本要求 .32 4.1.2 常压容器钢材的选择 .34 4.2 设备制造工艺过程.36 4.2.1 筒体 .36 4.2.2 管箱 .37 4.2.3 管板 .37 4.2.4 换热管 .37 4.2.5 折流板及支撑板 .38 沈阳工程学院毕业设计 2 4.2.6 管束组装 .38 4.3 换热设备中换热管与管板的连接.39 4.3.1 胀接 .39 4.3.2 焊接 .39 4.3.2 胀焊连接 .40 4.3.4 换热管与管板连接方式的选择 .41 4.4 换热器的检验 .42 4.4.1 无损检测 .42 4.4.2 焊后热处理 .43 4.4.3 压力测验 .44 4.4.4 换热管与管板连接接头的密封性能检验 .44 4.5 换热设备的日常检测与维修.45 4.5.1 日常检查 .46 4.5.2 换热器腐蚀的防护 .46 4.5.3 换热器的检修 .47 4.6 换热器各部分结构的选择.48 4.6.1 筒体的选择 .48 4.6.2 封头的选择 .49 4.6.3 管箱的选择 .50 4.6.4 管板的选择 .50 5 结 论 .51 致 谢 .52 参考文献 .53 固定管板式换热器优化设计 1 固定管板式换热器 1 绪 论 固定管板式换热器是目前应用最为广泛的换热设备，几乎在所有的工业领域 中都有应用，尤其广泛应用于化工、能源、机械、交通、冶金、动力及航空航天 等。 固定管板式换热器的经典结构，管束连接在管板上，管板兼做法兰与壳体焊 接。管板与管箱采用法兰连接。为了减少热应力，通常在固定管板式换热器中设 置膨胀节，来吸收膨胀差。 固定管板式换热器具有可靠性高、适应性广等优点，在各工业领域中得到最 为广泛的应用。固定管板式换热器具有结构简单、紧凑，能承受较高的压力，可 靠性高，易于制造，处理能力大，造价低，选用的材料范围广，管程清洗方便， 能承受较高的操作压力和温度，管子损坏时易于堵管或更换等优点，在高温、高 压和大型换热器中，管壳式换热器占有绝对优势，研究与开发此类新型的换热器， 对工业发展与经济增长具有重大意义。 沈阳工程学院毕业设计 2 2 换热器的分类及其工作原理 2.1 换热器的分类及其工作原理 按换热设备热传递原理或传热方式进行分类，可以分为以下几种主要形式。 (1)直接接触式换热器 这类换热器又成混合式换热器，它是利用冷，热流体直接接触，彼此混合进 行换热的换热器。如冷却塔，冷却冷凝器等。为增加量流体的接触面积，以达到 充分换热，在设备中常放置填料和栅板，通常采用塔状结构。 直接接触式换热器具有传热效率高，单位容积提供的传热面积大，设备结构 简单，价格便宜等优点，但又仅适用于工艺上允许两种流体混合的场合。 (2)蓄热式换热器 这类换热器又称回热式换热器。它是借助于由固体构成的蓄热体与热流体和 冷却体交替接触，把热量从热流体传递给冷流体的换热器。在换热器内首先由热 流体通过，把热量积蓄在蓄热体中，然后由冷流体通过，由蓄热体把热量释放给 冷流体。由于两种流体交替与蓄热体接触，因此不可避免地会使两种流体少量混 合。若两种流体不允许有混合，则不能采用蓄热式换热器。 蓄热式换热器结构紧凑，价格便宜，单位体积传热面积大，故较适合用于气 -气热交换的场合。如回转式空气预热器就是一中蓄热式换热器。 (1)间壁式换热器 间壁式换热器又称表面式换热器。他是利用间壁（固体壁面）将进行热交换 的冷热两种流体隔开，互不接触，热量由热流体通过间壁传递给冷流体的换热器。 间壁式换热器是工业生产中应用最为广泛的换热器，其形式多种多样，如常见的 固定管板式换热器优化设计 3 管壳式换热器和板式换热器都属于间壁式换热器。 (2)中间载体式换热器 这类换热器是把两个间壁式换热器由在其中循环的载热体连接起来的换热器。 载热体在高温流体换热器和低温流体换热器之间循环，在高温流体换热器中吸收 热量，在低温流体换热器换热器中把热量释放给低温流体，如换热管式换热器。 间壁式换热器分为以下几类。 (1) 管式换热器 这类换热器都是通过管子壁面进行传热的换热器。按传热管的结构形式不同 大致可分为蛇管式换热器，套管式换热器，缠绕管式换热器。 蛇管式换热器 蛇管式换热器一般由金属或非金属管子，按需要弯曲成所需的形状，如圆盘 形，螺旋形和长的蛇形等。它是最早出现的一种换热设备，具有结构简单和操作 方便等优点。按使用状态的不同，蛇管式换热器又可分为沉浸式蛇管和喷淋式蛇 管两种。 套管式换热器 它是由两种不同的大小直径的管子组成同心管，两端用 U 形弯管将他们连接 成排，并根据实际的需要，排雷组合形成传热单元。换热时，一种流体走内管， 另一种流体走内外管之间的环隙，内管的壁面为传热面，一般按逆流的方式进行 传热。两种流体都可以再较高的温度，压力，流速下进行换热。套管式换热器的 优点是：结构简单，工作适应范围大，传热面积增减方便，两侧流体均可提高流 速，使传热面的两侧都可有较高的传热系数；缺点是单位传热面的金属消耗量大， 沈阳工程学院毕业设计 4 检修，清洗和拆卸都较麻烦。 管壳式换热器 这类换热器是目前应用为最广泛的换热设备。在圆筒形壳体中放置了由许多 管子组成的管束，管子的两端固定在管板上，管子的轴线与壳体平行。为了增加 流体在管外空间的流速并支撑管子，改善传热性能，在筒体内间隔安装许多折流 板，用拉杆和定距管将其与管子组装在一起。管壳式换热器虽然在传热效率，结 构紧凑性等方面均不如一些新型紧凑式换热器，但它具有明显的特点，即结构坚 固，可靠性高，适用性广，易于制造，处理能力大生产成本低。 缠绕管式换热器 这类换热器是在芯筒与外筒之间的空间内将传热管按螺旋线形状交替缠绕而 成，相邻两层螺旋状传热管的螺旋方向相反，并采用一定形状的定距件保持一定 距离。缠绕管式换热器适用于同时处理多种介质，在小温差下需要传递较大热量 且馆内介质操作压力较高的场合。 (2) 板面式换热器 这类换热器都是通过板面进行传热的换热器。板面式换热器按传热面积的结 构形式可分为：螺旋板式换热器，板式换热器，板翅式换热器，板翘式换热器和 伞板式换热器。 螺旋板式换热器 螺旋板式换热器是由两张平行钢板卷制成的具有两个螺旋通道的螺旋体构成， 并在其上安装端盖和接管。其结构简单紧凑，单位体积内的传热面积约为管壳式 的 2-3 倍，传热率比管壳式高 50%-100%左右：制造简单，利用率高。 固定管板式换热器优化设计 5 板式换热器 板式换热器板式换热器是由一簇长方形的薄金属传热板片盒密封垫片一级压 紧装置所组成。板片表面通常压制成为波纹形或槽形，以增加板的刚度，增大流 体的湍流程度，提高热传导效率。两相邻板片的边缘用垫片夹紧，以防止流体泄 露，起到密封作用，同时也使板与板之间形成一定的间隙，构成板片间的流体通 道。冷热流体交替地在板片两侧流过，通过板片进行传热。板式换热器管在较低 的流速下即可到达湍流，具有较高的传热效率。同时板式换热器还具有结构紧凑， 使用灵活，清洗和维修比较方便。 板翅式换热器 这种换热器的基本结构是在两块平行金属板之间放置一种波纹形状的金属导 热翅片，在其两侧边缘以封条密封而组成单元体，对各个单元进行不同的组合适 当的排列，并焊牢，组成的板束，把若干板束按需要组装在一起，变构成逆流， 错流，错逆流板翅式换热器。 板翘式换热器 板翘式换热器主要由板束和壳体两部分组成，是介于管壳式和板式换热器之 间的一种换热器。板束相当于管壳式换热器的管束，每一板束元件相当于一根管 子，由板束元件构成的通道成为板式换热器的板程。具有结构紧凑，单位体积包 含的换钱面积较管壳式换热器增加 70%；传热效率高，压力降小。 伞板式换热器 伞板式换热器是中国独创的新型高效管热器，由板式换热器演变而来。伞板 式换热器是由伞形传热板片，异形垫片，端盖和进出口接管等组成。它以伞形板 沈阳工程学院毕业设计 6 片代替平板片，从而使制造工艺大为简化成本降低。该设备的螺旋流道内具有湍 流花纹，增加了流体的扰动程度，因而提高了传热效率。伞板式换热器具有结构 紧凑，传热效率高，便于拆洗等优点。 2.2 换热器的材料 2.2.1 换热器常用钢材 (1) 钢材形状 钢材的形状包括板、管、棒、丝、锻件、铸件等。换热器用的钢主要形状是 板、管和锻件。 钢板 钢板是换热器最常用的材料，如圆筒一般由钢板卷焊而成，钢板通过冲压或 旋压制成封头等。在制造过程中，钢板要经过各种冷热加工，如下料、卷板、焊 接、热处理等，因此，钢板应具有较高的强度以及良好的塑性、韧性、冷弯性能 和焊接性能。 钢管 压力容器的接管、换热管等常用无缝钢管制造。它们通过焊接与容器壳体、 法兰等连接在一起。一般要求钢管有较高的强度、塑性和良好的焊接性能。 锻件 高压容器的平盖、端部法兰与接管法兰等常用锻件制造。根据锻件检验项目 和数量的不同，中国压力容器锻件标准中，将锻件分为、四个级别。 例如，级锻件只需逐件检验硬度，而级锻件却要逐件进行超声检测，并进行 拉伸和冲击检验。由于检验项目的不同，同一材料锻件的价格随级别的提高而升 固定管板式换热器优化设计 7 高。 (2) 钢材类型 按化学成分分类，换热器用钢可分为碳素钢、低合金钢和高合金钢。 碳素钢 碳素钢为含碳量小于 2.06的铁碳合金。除碳以外，还含有少量的硫、磷、 硅、氧、氮等元素。 换热器用碳素钢有碳素结构钢，如 Q235B 和 Q235C 钢板，10、20 钢管， 20、35 钢锻件。 低合金钢 低合金钢是一种低碳低合金钢，合金元素含量较少（总量一般不超过 3） ， 具有优良的综合力学性能，其强度、韧性、耐腐蚀性、低温和高温性能等均优于 相同含碳量的碳素钢。采用低合金钢，不仅可以减小容器的厚度，减轻重量，节 约钢材，而且能解决换热器在制造、检验、运输、安装中因厚度太大所带来的各 种困难。 高合金钢 换热器中采用的低碳或超低碳高合金钢大多是耐腐蚀、耐高温钢，主要有铬 钢、铬镍钢和铬镍钼钢。 铬钢 0Cr13 是常用的铁素体不锈钢，有较高的强度、塑性、韧性和良好的切 割加工性能，在室温的稀硝酸以及弱有机酸中有一定的耐腐蚀性，但不耐硫酸、 盐酸、热磷酸等介质的腐蚀。 0Cr18Ni9、0Cr18Ni10Ti、00Cr19Ni10 这三种钢均属于奥氏体不锈钢。0 沈阳工程学院毕业设计 8 Cr18Ni9 在固溶态具有良好的塑性、韧性、冷加工性，在氧化性酸和大气、水、 蒸汽等介质中耐腐蚀性亦佳。但长期在水及蒸汽中工作时，0 Cr18Ni9 有晶间腐 蚀倾向，并且在氯化物溶液中易发生应力腐蚀开裂。00Cr19Ni10Ti 具有较高的抗 晶腐蚀能力，可在196600温度范围内长期使用。00Cr19Ni10 为超低碳不锈 钢，具有更好的耐蚀性。 00Cr18Ni5Mo3Si2 是奥氏体铁素体双相不锈钢，耐应力腐蚀、小孔腐蚀的 性能良好，适用于制造介质中含氯离子的设备。 除上述钢材外，耐腐蚀换热器还采用复合板。复合板由复层和基层组成。复 层与介质直接接触，要求与介质有良好的相容性，通常为不锈钢、钛等耐腐蚀材 料，其厚度一般为基层厚度的十分之一到三分之一。基层与介质不接触，主要起 承载作用，通常为碳素钢和低合金钢。用复合板制造耐腐蚀换热器，可节省大量 昂贵的耐腐蚀材料，从而降低压力容器的制造成本。 复合板的焊接比一般钢板复杂，焊接接头往往是耐腐蚀的薄弱环节，因此厚 度较薄、直径小的换热器最好不用复合板。 换热器零部件间焊接还需要焊条、焊丝、焊剂、电极和衬垫等焊接材料。一 般应根据待连接件的化学成分、力学性能、焊接性能，结合换热器的结构特点和 使用条件综合考虑选用焊接材料，必要时还应通过试验确定。 2.2.2 有色金属和非金属 (1) 有色金属 有色金属在退火状态下的强度比较稳定，一般都在退火状态下使用，选用时 应注意选择同类有色金属中的合适牌号。换热器中常用的有色金属有以下几种。 固定管板式换热器优化设计 9 铜及其合金 在没有氧存在的情况下，铜在许多非氧化性酸中都是比较耐腐蚀的。但铜最 有价值的性能时在低温下保持较高的塑性及冲击韧性，时制造深冷设备的良好材 料。 铝及其合金 铝很轻（密度约为钢的三分之一） ，耐浓硝酸、醋酸、碳酸、氢铵、尿素等， 不耐碱，在低温下具有良好的塑性和韧性，使用温度范围为269200，有良 好的成型和焊接性能，可用来制作压力较低的储罐、塔、热交换器，防止污染产 品的设备及深冷设备。 镍和镍合金 在强腐蚀介质中比不锈钢有更好的耐腐蚀性，比耐热钢有更好的抗高温强度， 最高使用温度可达 900，由于价格高，一般只用于制造特殊要求的压力容器。 钛和钛合金 对中性、氧化性、弱还原性介质耐腐蚀，如湿氯气、氯化钠和次氯酸盐等氯 化物溶液，具有密度小、强度高（相当于 20R） 、低温性能好、粘附力小等优点， 但单位质量价格高，比一般钢材高 20 倍左右，使用温度仅限于 350以内。在介 质腐蚀性强、寿命长的设备中应用，可获得较好的综合经济效果。 (2) 非金属材料 非金属材料具有耐腐蚀性好，品种多，资源丰富的优点，在容器上也有广阔 的应用前景。它既可以单独用作结构材料，也可用作金属材料保护衬里或涂层， 还可用用作设备的密封材料、保温材料和耐火材料。 沈阳工程学院毕业设计 10 非金属材料用于压力容器，除要求有良好的耐腐蚀性外，还应有足够的强度， 良好的热稳定性，良好的加工制造性能。其缺点一般是：大多数材料耐热性不高， 对温度波动比较敏感，与金属相比强度较低（除玻璃钢外） 。 换热器中常用的非金属材料有以下几种。 涂料 涂料是一种有机高分子胶体的混合物，将其均匀地涂在容器表面上能形成完 整而坚韧的薄膜，起耐腐蚀和保护作用。 工程塑料 工程塑料可分为热塑性塑料和热固性塑料。热塑性塑料的特点是在一定温度 下可以变软，而不发生化学变化，冷却后又变硬，再加热又软化。如聚氯乙烯、 聚四氟乙烯、ABS 等，可用作密封元件、衬里等的材料。 不透性石墨 具有良好的化学稳定性、导电性和导热性，可用于制造热交换器。 陶瓷 具有良好的耐腐蚀性能，且又一定的强度，被用来制造塔、储槽、反应器和 管件。 搪瓷 搪瓷设备是由含硅量高的瓷釉通过 900左右的高温煅烧，使瓷釉密着于金 属胎表面而制成的。它具有优良的耐腐蚀性能，具有一定的强度，被用来制造塔、 储槽、反应器和管件。 2.3 换热器研究现状及发展趋势 固定管板式换热器优化设计 11 换热器是广泛应用于汽车、航空、石油化工、动力、医药、冶金、制冷、轻 工、食品、工程机械等行业的一种通用设备。按其传热面的形状和结构进行分类 可分为管型、板型和其他形式换热器。而板型换热器可分为螺旋型板式换热器、 板式换热器和板翅式、板壳式换热器。其他形式的换热器是为了某一特殊的要求 而出现的换热器,如回转式换热器、热管等。 板翅式换热器首先应用在航空和汽车行业,现在空分设备绝大多数采用板翅 式换热器。其历史可以追溯到上个世纪 30 年代,由英国马尔斯顿.艾克歇尔瑟公 司生产出了第一台铜质钎焊的板翅式换热器,40 年代出现了铝质钎焊的板翅式换 热器,50 年代开始应用于空分装置,而我国是 60 年代开始研制的。目前,就板翅式 换热器而言,基本上全部采用铝合金制造,主要由封头和芯子组成。封头由 502 即02 制造,芯子由 321 即21 制造。封头和芯子之间根据顾客需要采用 法兰连接或焊接。如果采用法兰连接还要添加垫子,由石棉橡胶制成,防止渗漏, 要注意跑、冒、滴、漏的发生。 由于铝具有良好的低温韧性,故空分装置,绝大多数采用铝制板翅式换热器。 但由于其承受压力不高,且受钎焊炉的尺寸的限制,板翅式单元尺寸不能做的太大,故 只有在高压或特大容量的空分设备换热器的选型中,才有考虑采用其他类型换热 器,当然也可以采用拼接的办法将几个小的换热器组装成一个大的换热器。其适 用范围一般在 250以下这是因为铝的熔点比较底,温度再高其强度得不到保证。 设计换热器时,翅片的选择也非常重要。对于换热器而言,在满足顾客要求的情况 下,压降越低越好。这样能减少能耗,降低运行成本。对于油-气系统,其压降一般 为 0.1Mpa,气-气系统,其压降 0.01Mpa。工程机械中的换热器,其介质为油-气, 沈阳工程学院毕业设计 12 用多孔的翅片形式比较好,因为如果用锯齿型翅片,翅形复杂加上油的黏度大,相 应的阻力也大,在进行水压试验时,容易出现换热器涨破的现象,质量得不到保证。 封头一般采用氩狐焊,可以是手工的,也可以是半自动的;其芯子部分采用真空钎 焊,改变了传统的由盐浴的老工艺。克服了容易局部脱焊,污染严重的缺点,真空 钎焊能精确控制温度,加热均匀,变形小的特点,因而其质量、效率得到大大提高, 成为目前国内厂家的首选。不同的厂家,由于设备、资金、人力的不同,因而翅片 类型也不一样,一般有波纹的、锯齿的、多孔的、平直的等等。 国内厂家可分为三个类型和层次,一类是国有大中型企业,如河南开封空分设 备厂,杭州制氧机厂、兰州石油机械研究所。他们曾为我国换热器的国产化,作出 了突出贡献.并研制开发了具有独立自主产权的换热器,打破了我国换热器长期依 赖进口的局面,填补了我国在这这一领域的空白。第二类是随着改革开放的深入, 在东南一些发达的省份,如江苏、浙江,山东,其乡镇企业发达,数量众多,成为生 产换热器的一支生力军。其一开始是为主机公司生产配件,其技术也源于主机厂, 到后来成为其竞争的对手,通过聘用离、退休人员,来加强自己的技术力量。这类 厂子规模从数十人到数百人不等,通常以一个村为单位。第三类,就是从乡镇企业 分流出去的一部分人,他们要么有技术,要么有资金,要么有市场,自己创办的私营 企业。他们由于规模较小,往往能够为顾客量体裁衣,也赢得了一定的市场份额, 从而稳步发展。同一类产品在国外,如英格索兰、阿特拉斯、舒瑞浦,瑞典的阿法 拉伐。而对石油工业中某些大型、高压、有相变的多股流板翅式换热器的设计、 制造,由于过去这些大型石化设备基本上都是进口,国内行业没有机遇进行研制, 所以这方面有待于研发。 固定管板式换热器优化设计 13 1878 年德国人发明了板式换热器,经过一个多世纪的发展,已经得到了广泛的 应用和推广,成为紧凑、高效的换热设备之一,与螺旋板式和板翅式共称为紧凑式 换热器。 板式换热器由薄金属片压制组装而成,按其板片材质的不同,可以分为铜、不 锈钢、镍、石墨。按拆装方式分可以分为可拆卸式、半焊接式、全焊接式、双壁 式、大间隙式板式换热器等类型。 上世纪七十年代末期,阿法拉伐发明了铜钎焊板式换热器,为暖通空调及制冷 的设计理念带来了一场革命,在那以后,铜钎焊板式换热器得到迅猛的发展,以其 高效、紧凑和密封迅速占领了许多传统换热器的领地。但在其发展过程中,也遇 到了禁区。 作为他的替代物,镍钎焊板式换热器诞生了。但由于镍与不锈钢的亲和性远 不如铜,因此镍钎焊板式换热器承压较低,在高压或温度波动时寿命较短,应用受 到制约。且镍钎焊成本高,加工困难,始终未成为主流。现有的激光焊接板式换热 器有很好的性能(尤其是阿法拉伐的激光半焊式换热器优异的抗冻性能),然而在 小负荷的情况下,由于其加工成本高,不具有适用性。 目前,在汽车、柴油机行业,用不锈钢板式换热器比较多,冷却介质为水,以全 钎焊式为主,采用真空钎焊,质量比较好,更换率低。 就单板面积而言,国外的面积比较国内的大。设计压力也比国内较大。目前 国内厂家设计换热器流行的方法是对数平均温差法和 NTU 法。在计算机没有普 及的时候,各个厂家大多采用计算参数近似估算和流速-总传热系数曲线估算方法。 目前,越来越多的厂家采用计算机计算,这样,板式换热器的工艺计算变得快捷、 沈阳工程学院毕业设计 14 方便、准确。 目前还出现了一种新型复合流程系列换热设备。此系列换热器专门用来处理 对密封垫有侵蚀性的介质。双板的组合体由激光焊接(或普通焊接)的通道和传统 的垫片通道相间组成.侵蚀性的介质流入焊接的通道内,与一对焊接板板间的两个 圆形孔道垫片相接触.这些孔道垫片由非常耐久的人造橡胶或其它如 PTFE 等非弹 性材料制造,非侵蚀性介质以传统的橡胶垫片双壁板式换热器适用于两种换 热介质互混后会发生有害的反应情况,以双板代替单板。双板之上穿孔会使介质 漏到板间中,从而在板间中流出外面。两种介质保证无法互混。 对于多管式热交换器,双路中间冷却器,间接加热式线圈等所适用的场合都适 用于双板式热交换器。其用途广泛,如变压器油的冷却、饮料的加热、化学、生 物学、食品、医药等各种场合密封.这种换热器可适用于用氨作为冷却剂的冷冻 机,溶可适用于温度和压力有激烈变化的高温高压过程及对密封垫有侵蚀的流体. 其用途广泛,例如:重复加热、冷却多种化学物质的化学工厂及医药品工厂,还有 石油、瓦斯精制工厂的加热、冷却、凝聚、蒸发。采用耐腐蚀性高的石墨替代金 属,可达到优异的耐腐蚀性.对于一般金属材料不能适应的介质,如盐酸、硫酸、 氢氟酸、磷酸等,石墨板式换热器的效率比其它形式的石墨换热器效率大幅度提 高,而且使用于高温高压下操作。 针对有些流体含有纤维或小颗粒以及高粘度的特点,而开发出来的热交换器, 适用于制糖、发酵、酒精、造纸、纸浆工业。大间隙板式换热器提供畅通的通道 进行热交换,可保证流体达到高紊流性和高传热效率。这种换热器的使用时间及 两次清洗间隔的时间都比管壳式换热器的更长。同时,板的表面也很容易人工清 固定管板式换热器优化设计 15 洗。板式蒸发器/冷凝器是唯一能将蒸发器和冷凝器两种工况结合在一个换热器 完成的。它是由一组激光焊接和传统的垫片密封通道交替组成。特点是通道宽, 蒸汽角孔大,可养活压力降,适合真空和低压蒸发及冷凝。除用于糖液的浓缩外, 其用途范围还包括酒精的蒸发,沉淀物的浓缩等。可在食品、医药行业时里用于 流体的加热和冷却。其框架和接管可根据工艺流程的需要被设计成多种流体在一 台换热器内运行。换热器的每个零部件,包括橡胶密封垫都严格按食品卫生的标 准精心制作。另外它还可根据用户的要求加盖保护板、保护套、3A 要求抛光等 等。 1930 年瑞典“ROSENBLAN”公司首先提出了螺旋板式换热器的的结构,并 很快投入了生产。以后西方各国相继设计了制造了同类产品。我国是在二战后 50 年代开始在化工领域内使用螺旋板式换热器,并进行了仿照。 管式换热器是一种传统的标准换热设备而在许多工业部门得到保证。特点是 适应性强、清洗方便、生产成本低、选材广。材料为低碳钢、低合金钢以及不锈 钢。 有的为了降低成本,且满足顾客对耐蚀性的要求,换热管采用不锈钢,而筒体 采用碳钢,达到了降本增效的目的。 随着微型加工技术的发展,微型换热器也得到了迅猛的发展。由于微型换热器占 地面积小,传热特性好,效率高。微型换热器可用于液-液、气-气、气-液等多相 体系。奥大利压的 Heatric 公司在 1986 年开发了印刷线路板式换热器,这是第一 个推向市场成为产品换热器。美国也已研制了冷却通道宽 25um,200um 导热片厚 度为 15um 的微型换热器,设计能承受的局部热量大于 1Kw/Cm,固定面与工作液 沈阳工程学院毕业设计 16 体之间的温差为 1020,可用于卫星的温度控制系统。1999 年 7 月,美国哥伦比 亚号航天飞机携带了 30 个这样的微型换热器。为连续、高速检测提供了可靠的 保证。由于现代社会快速发展,对能源的需求越来越多,而一直作为主流的石化能 源是不可再生资源,在造成了人类生存环境的极大污染的同时也在加速着自身的 枯竭。热能是能源的主要表达形式之一。在热能利用中,约有 80%通过换热器转化 为不同用途。如果能提高换热器的传热效率,将大大提高能源利用率。换热器在 我国有着广阔的市场。仅山东省每年的换热器生产就有 5 万台左右,但这些类型 的换热器不仅缺乏技术上的创新,也缺乏常规产品的自主知识产权。在一些应用 性技术中,我国与国际先进水平相比有很大的差距,以化工换热设备传热系数进行 比较,我国目前设备的传热系数一般只及国外发达国家同类设备的 1/51/2。因 此在加强传热学方面的研究外,主要要考虑从生产制造方面提高产品的质量。 (1) 材料方面.在满足顾客要求的同时,选用合适的材料,最大限度的保证强 度和传热系数。也就是说,要选择传热性好的材料,要敢于尝试新的材料。要对产 品进行可追溯性的记录。 (2) 制造方面,选择优良的工艺方法,保证产品和图纸一致,能够最大限度的 体现设计的优势。工艺要分出主次,根据产品的重要程度选择恰当的工艺,保证每 一道工序,最终提高整个产品的性能和寿命。在焊接之前,母材要注意清洗干净, 不得有油污、铁锈、氧化物,如果有,一定要打磨清洗干净。焊条要烘干,不用时 放在保温箱中保存。一定要根据材质制定恰当的工艺,必要时,先进行试制,试制 工艺,时间不能超过三个月,当合格后,要组织相关人员进行工艺验证,验证合格后,试 制工艺才能转变为正式的工艺文件。 固定管板式换热器优化设计 17 (3) 要有质量意识。要使质量理论深入人心,让每个人都参与到质量管理的 行列中来,把被动转化成一种主动。随着产品的国际化的增强,各个厂家都非常重 视质量问题,通用的采用 ISO9001 认证,使得产品质量得到有效的控制。随着焊接 技术的快速发展,换热器的质量也得到飞速的发展。采用自动生产线,不仅效率得 到大大提高,而且焊缝成型美观,质量有保证,焊接接头少,焊缝宽度均匀,减少了 工人的劳动,提高了工人的健康水平。 (4)生产过程要有记录,作好数据分析和控制,保持产品的可追溯性。 换热器主要的适用工况为工业设备上，尤其是化工领域。看近期国内的经济趋势 应该能有一个很好的发展空间。 沈阳工程学院毕业设计 18 3 固定管板式换热器的强度计算 本章节主要对固定管板式换热器进行机械设计的计算，其机械设计内容及 步骤如下： （1）壳体直径的确定和壳体厚度计算； （2）换热器封头、管箱的选择，压力容器法兰的选择； （3）管板尺寸的确定； （4）折流板的选择与计算； （5）管子拉脱力的计算； 此外，还考虑接管、接管法兰的选择及开孔补强等。 3.1 换热器主要零部件的强度计算 3.1.1 换热器壳体壁厚计算 (1)选择钢材：根据已知条件，管程走有毒介质，壳程走清洁介质，故选定 Q235R 钢材作为壳体材料。 (2)确定各设计参数：根据化工设备表 2-5 查得，取设计温度 t=1500C； 按表 2-8，Q345R 在 t=1500C 时的许用应力t=170MP；按表 2-10，面对接焊 采用双，局部无损探伤，焊接接头系数 =0.85；按表 2-11,钢板厚度负偏差 C1=0.8（假设其钢板名义厚度为 6-10） ，取腐蚀裕量 C2=1，厚度附加量 C= C1+ C2=1.8；由 P 起=（1.05-1.1）Pw, Pw=1.5MP,可得：P 起 =1.11.5=1.65MP=P=Pc (3)计算壁厚： = c t ic 2P DP mm74 . 5 65 . 1 85 . 0 1702 100065 . 1 有效厚度mmCC n 54. 78 . 174. 5 21 按钢板厚度规格向上圆整后，取壳体名义厚度为 8mm,此值在初始假设厚度范 围，故得mm n 8 3.1.2 换热器封头的壁厚计算 由于 Di/2hi=2 时，椭圆形封头的应力分布较好，且封头的壁厚与相连的筒体 厚度大致相等，便于焊接，经济，合理，所以选择标准椭圆形封头，其形状系数 K=1.0。 固定管板式换热器优化设计 19 由公式得： 5.72mm 1.650.5-0.851702 10001.651.0 c 0.5P t 2 i D c KP 有效壁厚: mmC n 52 . 7 8 . 172 . 5 按钢板厚度规格向上圆整后取得名义厚度 mm n 8 根据 JB/T4737-2002 标准，标准椭圆形封头为 DN10008,曲面高度 h1=250mm,直边高度 h2=25mm,如图 1-1 所示，材料选用 20R 钢。 椭圆形封头直边高度椭圆形封头直边高度 h h 的选用的选用 封头材料碳素钢、普通低合金钢、复合钢板不锈钢、耐酸钢 封头厚度 n 481018 20 391018 20 直边高度 h 254050254050 图图 1-11-1 标准椭圆形封头结构标准椭圆形封头结构 3.1.3 压力试验及其强度校核 根据公式确定水压试验压力： MP t 065