斧头式换热器设计论文

I 摘 要 本设计为浮头式换热器设计；设计参考的前提是常减压装置减一中的工艺条件，根据装置工艺条件选择具体的流量、温度、压力等参数。 浮头式换热器的主要特点是管束可以从壳体中抽出，便于清洗管间和管内。管束可以在其奥体内自由伸缩，不会产生热应力。但是结构复杂，造价高，制造安装要求高。 浮头式换热器是由管箱、筒体、管板、封头、折流板、换热管等零部件组成，根据换热管材料、尺寸、管数、管程压力、管壁温度、管程数以及壳体材料、内径、厚度、壳程压力、温度等条件下确定管板的厚度、折流板的形状、尺寸与数量、折流板的布置情况和 确定换热器的结构尺寸。 根据已知的工作状况，选定换热器所在的化工工艺过程，从而根据工艺条件，以确定换热器内介质的物性参数；根据工艺结构尺寸结合已知条件，进一步计算换热器结构参数；最后进行换热器核算。 关键词： 换热器；折流板；管板； 管箱；换热管； 封头 II Abstract This design for floating head type heat exchanger design； The design reference premise is often the de compressor reduces a center the craft condition, according to equipment craft condition parameter and so on choice concrete current capacity, temperature, pressure. The floating head type heat exchangers main feature is the control can extract from the shell, is advantageous for clean between the tube and in the tube. The control can expand in the shell freely, and dont have heat stress. But the structure of the exchanger is complex, the construction cost is high, the manufacture and installation requests high. The floating head type heat exchanger is by the tube box, the tube body, the tube plate, heat pipe spare part and so on seals, the baffle, trades is composed, according to the heat transfer tube material, the size, the tube number, the tube regulation pressure, the pipe wall temperature, the tube as well as condition and so on under shell material, inside diameter, thickness, shell regulation pressure, temperature determines the tube plate thickness, the baffle shape, the size and the quantity, the baffle arrangement situation and definite heat exchanger structure size. According to the known working condition, designated the heat exchanger is at chemical industry technological process, thus the basis craft condition, determines in the heat exchanger the medium natural parameter； According to the craft structure size union datum, further calculates the heat exchanger design parameter； Finally carries on the heat exchanger calculation. Keywords: Heat interchanger； Baffle； Tube plate； Tube box； Trades the heat pipe； Seals the head 1 目 录 1.绪论 . 1 1.1 换热器在工业中的应用 . 1 1.2 换热器的分 类 . 2 1.2.1 间壁式换热器 . 2 1.2.2 管壳式换热器 . 2 1.3 国内外研究现状 . 3 1.4 设计方案 . 3 2 工艺计算 . 5 2.1 工艺条件 . 5 2.2 确定物性参数 . 6 2.2.1 定性温度 . 6 2.2.2 确定物性数据 . 6 2.3 估算传热 面积 . 7 2.3.1 热流量 . 7 2.3.2 平均传热温差 . 7 2.3.3 估算传热面积 . 7 3 结构设计 . 8 3.1 管径和管内流速 . 8 3.2 管程数和传热管数 . 8 3.4.3 平均传热温差校正及壳程数 . 9 3.4.4 传热管排列和分程方法 . 9 3.4.5 壳体内径 . 10 3.4.6 折流板 . 10 3.4.7 拉杆 . 10 3.4.8 接管 . 10 4 换热器核算 . 12 4.1 热流量核算 . 12 4.1.1 壳程表面传热系数 . 12 4.1.2 管内表面传热系数 . 13 4.1.3 污垢热阻和管壁热阻 . 14 3.1.4 传热系数cK . 14 2 4.1.5 传热面积裕度 . 14 4.2 壁温核算 . 15 4.3 换热器内流体的流动阻力 . 16 4.3.1 管程流体阻力 . 16 4.3.2 壳程流体阻力 . 17 5 换热器零部件结构设计 . 19 5.1 分程隔板 . 19 5.2 折流板 . 19 5.2.1 折流板的作用 . 19 5.2.2 折流板的形式 . 19 5.2.3 折流板厚度 . 19 5.2.4 折流板个数 . 20 5.2.5 折流板与壳体的间隙 . 20 5.2.6 折流板管孔 . 20 5.2.7 折流板的布置 . 20 5.3 拉杆、定距杆 . 20 5.3.1 拉杆固定形式 . 20 5.3.2 拉杆尺寸 . 21 5.3.3 定距管尺寸 . 21 5.4 防冲板 . 21 5.4.1 防冲板作用 . 21 5.4.2 防冲板的结构尺寸 . 21 5.5 接管 . 22 5.5.1 接管要求 . 22 5.5.2 接管尺寸 . 22 5.5.3 接管法兰 . 23 5.5.4 排气、排液口 . 23 5.6 管板结构尺寸 . 23 6 换热器机械结构设计 . 24 6.1 换热管与管板的连接 . 24 6.2 管板与管箱的连接 . 25 6.3 管箱 . 25 6.3.1 管箱的作用 . 25 6.3.2 管箱结构尺寸 . 25 6.4 法兰选用 . 26 6.5 垫片 . 26 3 6.6 支座 . 26 7 强度校核 . 28 7.1 筒体壁厚计算 . 28 7.2 外头盖短节、封头厚度计算 . 28 7.3 管箱短节、封头厚度计算 . 29 7.4 管箱短节开孔补强的效核 . 30 7.5 壳体接管开孔补强的效核 . 31 7.6 固定管板计算 . 32 总 结 . 35 谢 辞 . 错误 !未定义书签。 参考 文献 . 36 1 1.绪论 1.1 换热器在工业中的应用 换热器是化学、石油化学及石油炼制工业中以及其他一些行业中广泛使用的热量交换设备，它不仅可以单独作为加热器、冷却器等使用，而且是一些化工单元操作的重要附属设备，因此在化工生产中占有重要地位。通常在化工厂的建设中换热器投资比例为 11%，在炼油厂中高达 40%。随着化学工业的迅速发展及能源价格的提高，而且在日常生活中传热设备的研究备受世界各国政府及研究机构的高度重视，在全世界第一次能源危机爆发以来 ，各国都在下大力量寻找新的能源及在节约能源上研究新途径，从而换热器的投资比例将进一步加大，因此，对换热器的研究倍受重视 ， 从换热器的设计、制造、结构改进到传热机理的研究一直十分活跃 ， 在研究投入大、人力资源配备足的情况下，一些新型高效换热器相继问世，一批具有代表性的高效换热器和强化传热元件诞生。 近年来，随着节能技术的发展，应用领域不断扩大，利用换热器进行高温和低温热能回收带来了显著的经济效益，在节能、增效等方面改进换热器性能，在提高传热效率，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。流程优化软件技术的发展带来了换热器应用的增多。换热器的大量使用有效地提高了能源的利用率，使企业成本降低，效益提高。 随着市场经济的发展、私有化比例的加大、能源的日趋紧张、全球环境气温的不断升高、环境保护要求的提高给各种新型、高效的换热器带来了日益广阔的应用前景。为了使常规计算更准确、简捷，对换热器采用物性模拟研究和分析设计的研究。各种新型、高效换热器将逐步取代现有常规产品。电场动力效应强化传热技术、添加物强化沸腾传热技术、通入惰性气体强化传热技术、滴状冷凝技术、微生物传热技术、磁场动力传热技术将会在新的世纪得 到研究和发展。换热器的材料也将朝着强度高、制造工艺简单、防腐效果好、重量轻的方向发展。目前可以根据不同的操作条件、不同的使用工况，用不同的材料组合成各类新型高效的换热器。 因此，随着新型、高效换热器的开发与应用将会给社会带来巨大的经济效缓解能源的紧张状况。 2 1.2 换热器的分类 1.2.1 间壁式换热器 1）夹套式换热器 夹套空间是加热介质和冷却介质的通路。这种换热器主要用于反应过程的加热或冷却。当用蒸汽进行加热时，蒸汽上部接管进入夹套，冷凝水由下部接管流出。作为冷却器时，冷却介质（如冷却水）由夹套下部接管进 入，由上部接管流出。夹套式换热器结构简单，但由于其加热面受容器壁面限制，传热面较小，且传热系数不高。 2）喷淋式换热器 这种换热器多用作冷却器。热流体在管内自下而上流动，冷水由最上面的淋水管流出，均匀地分布在蛇管上，并沿其表面呈膜状自上而下流下，最后流入水槽排出。喷淋式换热器常置于室外空气流通处。冷却水在空气中汽化亦可带走部分热量，增强冷却效果。其优点是便于检修，传热效果较好。缺点是喷淋不易均匀。 3）套管式换热器 套管式换热器的基本部件由直径不同的直管按同轴线相套组合而成。内管用 180度的回弯管连接，外管 亦需连接，结构如图所示。每一段套管为一程，每程有效长度为 4 6m。若管子太长，管中间会向下弯曲，使环隙中的流体分布不均匀。 套管换热器的优点是构造简单，内管能耐高压，传热面积可根据需要增减，适当选择两管的管径，两流体皆可获得适宜的流速，且两流体可作严格逆流。其缺点是管间接头较多，接头处易泄漏，单位换热器体积具有的传热面积较小。故适用于流量不大、传热面积要求不大但压强要求较高的场合 2。 1.2.2 管壳式换热器 1） 固定管板式 其特点是管板不易 伸缩，从而减小热应力。但这种补偿方式仍不适用于热、冷流体温差较大 （大于 70 ）的场合，且因膨胀节是承压薄弱处，壳程流体压强不宜超过 6atm。为更好地解决热应力问题，在固定管板式的基础上，又发展了浮头式和 U型管式列管换热器。 2） 浮头式 其特点是有一端管板不与外壳相连，可以沿轴向自由伸缩。这种结构不但完全消 3 除了热应力，而且由于固定端的管板用法兰与壳体连接，整个管束可以从壳体中抽出，便于清洗和检修。浮头式换热 器 应用较为普遍，但结构复杂，造价较高。 3） U 型管式 U 型管式换热器每根管子都弯成 U 型，管子的进出口均安装在同一管板上。封头内用隔板分成两室。这样，管子可以自由伸缩，与 壳体无关。这种换热器结构适用于高温和高压场合，其主要不足之处是管内清洗不易，制造困难 3。 1.3 国内外研究现状 当前对传统管壳式换热器的研究主要集中在两方面：一是开发新的换热器品种，如板式、螺旋板式紧凑型换热器；二是对管壳式换热器采用各种强化措施，其中管壳式换热器新型壳侧支撑与导流元件的强化传热研究逐渐成为这一领域的研究热点。传统管壳式换热器壳侧良好的传热效果是通过在壳侧设置弓形折流板而得到的。这种结构应用时间长，技术也比较成熟。但这种壳侧支撑结构和流体流动方式存在着诸多的缺陷：如易激发管束振动而导致 换热器失效；流动阻力较大，往往超过允许压降值；壳侧流动存在冲刷不充分的流动死区，死区内局部换热系数很低，因此受热面利用率不高，导致整体换热系数降低，同时死区内容易积垢，威胁换热设备的安全运行。 换热器在整个工程中所占的比例很大，据统计，换热器的投资约占全部投资的40%，因此从节能、节材和节约资金角度来说，研制一种高效的换热器是当今国内外一个重要课题。强化技术就是一种现今换热器发展的方向，不同的强化技术可以满足不同的要求，比如减少初次传热面议减少换热器的体积和重量；或提高换热器的换热能力；或增大换热温差；或减 少换热器的动力消耗等。比如美国联合公司林德分公司首先采用烧结型多孔表面强化沸腾换热； webb 设计了整体多孔层等。 1.4 设计方案 本设计是减五线产品蜡油和脱盐水之间的热量交换。根据已知条件，可选用管壳式换热器。管壳式换热器分为固定管板式、浮头式、 U 型管式等。 固定管板式换热器适用于：管、壳间温度小或温差稍大，但壳程压力不高，壳程结垢不严重，并可用化学清洗的场合。 固定管板式换热器缺点是当管束和壳体的壁温相差很大时，壳体和管束中将产生很大的热应力。而浮头式很好的解决了这个问题。 这种换热器中一块管板与壳体固定，另 一块管板能自由移动，当管束与壳体受热伸长时，两者互不牵制，因 4 而不会产生温差应力。 浮头式换热器是由管箱、筒体、管板、封头、折流板、换热管等零部件组成，根据换热管材料、尺寸、管数、管程压力、管壁温度、管程数以及壳体材料、内径、厚度、壳程压力、温度等条件下确定管板的厚度、折流板的形状、尺寸与数量、折流板的布置情况。确定换热器的结构尺寸。 设计流程如下：首先根据已知的工作状况，选定换热器所在的化工工艺过程，从而根据工艺条件，以确定换热器内介质的物性参数；接着，根据工艺结构尺寸结合已知条件，进一步计算换热器结构参数 ；最后，进行换热器核算。其中折流板形状、尺寸、数量的确定是根据换热器设计手册中的相关规定，再根据设计任务书中已给定的部分结构、工艺参数计算得出的，管板作为换热器的受力元件，为保证安全，设计过程中需要进行应力计算和校核。 5 2 工艺计算 在工艺设计计算中，最重要的是计算传热系数和压降公式。无论是管内还是管外，除高粘度流体外，总的说来，计算方法还是比较成熟的。污垢可能是影响传热及压降诸参数中重要因素。为此参考了这方面的专论、文章。从传热和压降两个方面进行工艺计算部分。 2.1 工艺条件 表 1.1 已知数据 壳程 管程 介质 脱盐水 减五线产品（蜡油） 总流量 (kg/h) 4951 32111 操作温度 入口 108 333.7 出口 180.1 210 液体导热系数（ w/m k） 0.68 0.124 液体粘度（ Mpa s） 0.191 1.413 液体比热（ kJ/kg k） 4.578 2.942 流体密度 （ kg/m3） 入口 941.5 677.7 出口 764.1 速度（ m/s） 0.972 允许压力降 (k Pa) 0.5 70 计算压力降 (k Pa) 0.335 66 污垢系数 0.00035 0.00176 热负荷（ k w） 3256 传热系数（ w/m2 k） 363.9 169.1 6 2.2 确定物性参数 2.2.1 定性温度 根据对脱盐水和蜡油馏分的粘度考虑，定性温度可取进出口温度的平均值。故壳程蜡油馏分的定性温度为 3 3 3 . 7 2 1 0 2 7 1 . 8 52T （ 2-1） 壳程流体的定性温度为 1 0 8 1 8 0 . 1 1 4 4 . 0 52t （ 2-1） 2.2.2 确定物性数据 根据定性温度，分 别查取壳程和管程流体的有关物性数据： 蜡油馏分在 271.85左右时的有关物性数据如下： 密度 1 677.7 kg/m3 定压必热容 942.21 pckJ/kg K 热导率 1 0.124W/m K 粘度 31 1 . 4 1 3 1 0 Pa s 循环水在 144.05左右时的物性数据如下： 密度 5.941ikg/m3 定压必热容 578.4ipckJ/kg K 热导率 0.68iW/m K 粘度 30 . 1 9 1 1 0i Pa s 7 2.3 估算传热面积 2.3.1 热流量 71 1 1 1 3 2 1 1 2 . 9 4 2 1 2 3 . 7 1 . 2 1 0 /pQ m c t k J h （ 2-2） 式中，1Q热流量， W； 1m 工艺流体的质量流量， kg/s； 1pc 工艺流体的定压比热容， kJ/kg K； 1t 工艺流体的温度变化， K。 2.3.2 平均传热温差 按纯流计算 1212( 3 3 3 . 7 1 8 0 . 1 ) ( 2 1 0 1 0 8 ) 1263 3 3 . 7 1 8 0 . 1lnln2 1 0 1 0 8mtttKtt （ 2-3） 式中，mt 逆流或并流的平均传热温差， K； 2.3.3 估算传热面积 根据过程装备设计 中表 3-1 选取 k 值， 150K W/m2k 176126150 1 0 0 004.3 3 2 91 mp tKQA m2 （ 2-4） 式中，pA 估算的传热面积， m2； K 假设传热系数， W/m2 K； mt 平均传热温差， K。 71 1 .2 1 0 /Q kJ h .公式（ 2-2） 来自参考 文献 1P57 Ktm 126 公式（ 2-3） 来自参考 文献 1P59 176pA m2 公式（ 2-4） 来自参考 文献 1P59 8 3 结构设计 3.1 管径和管内流速 根据工艺条件和操作压力、温度，选 用 219 传热管（碳钢），查表 3-2，取管内流速 smui /972.0。 3.2 管程数和传热管数 依据传热管内径和流速确定单程传热管数 972.0017.0785.07.677/3600/32111422 udVnis = 60 （根） （ 3-1） 式中，sn 单程管子数目； V 管程流体的体积流量， m3/s； id 传热管内径， m； u 管内流体流速， m/s /ms。 按单程管计算，所需的传热管长度为 60019.014.31760 sPndAL =49m （ 3-2） 式中， L 按单程计算的管子长度， m； 0d 管子外径， m。 按单程管设计，传热管过长，宜采用多程管结构。根据本设计实际情况，采用非标准设计，现取传热管长 ml 7 ,则该换热器的管程数为 760 LlN P=8.57 （ 3-3） 取 10PN （管程） 传热管总数为 6001060 sPT nNN (根 ) 式中， L 按单程换热器计算的管子长度， m； l 选取的每程管子长度， m； PN 管程 数； 60sn （根） 公式（ 3-1） 来自参考 文献 1P62 49L m 公式（ 3-2） 来自参考 文献 1P62 10pN 公式（ 3-3） 来自参考 文献 1P62 9 TN 换热管的总管数。 3.4.3 平均传热温差校正及壳程数 平均传热温差校正系数 72.11081.180 2107.3331221 tt TTR （ 3-4） 32.01087.333 1081.1801112 tT ttP （ 3-5） 式中，1T 热流体进口温度，； 2T 热流体出口温度，； 1t 冷流 体进口温度，； 2t 冷流体出口温度，。 按但壳程双管程结构查过程装备设计表 3-9 得 0.9t 平均传热温差 ctt mtm o4.1131269.0 塑 （ 3-6） 式中，mt 折流情况下的平均传热温差， K； t 温差校正系数。 由于平均传热温差校正系数大于 0.8，取单壳程合适 3.4.4 传热管排列和分程方 法 采用组合排列法，即每程内均按正三角形排列，隔板两侧采用正方形排列。 取管心距01.25td，则 1 . 2 5 2 5 3 1 . 2 5 3 2t mm （ 3-7） 隔板中心到离其最近 的 一排管中心距离 326 6 2 222tS mm （ 3-8） 各程相邻管心距为 44mm 。 管束的分程方法，每程各有传热管 43 根，其前后管箱中隔板设置和介质的流通顺序按过程装备设计图 3-14 选取。 1.72R ， 0.32P 公式（ 3-4） (3-5）来自 参考文献 1P63 Ktm 126 公式（ 3-6） 来自参考 文献 1P64 3222t mmS mm 公式（ 3-7） (3-8）来自 参考 文献 1P67 10 3.4.5 壳体内径 采用多管程结构，取管板利用率 0.7 ，则壳体内径为 9847.0/6003205.1/05.1 TNtD mm （ 3-9） 式中， t 管心距， mm； 0d 传热管外径， mm， 管板利用率。 考虑到实际情况，需要清洗和检修，要考虑加一个蒸发空间， 按卷制壳体的进级挡，可取 1600D mm 3.4.6 折流板 采用弓形折流板，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 4 0 01 6 0 025.025.0 Dh mm （ 3-10） 取 折流板间距 0.3BD ，则 48016003.03.0 DB mm （ 3-11） 取折流板间距 1000B mm 折流板的数目BN： 1折流板间距 传热管长BN 5 （ 3-12） 3.4.7 拉杆 拉杆数量和直径参考换热器设计手册表 1-6-37 和 1-6-38，本换热器壳体内径为 1600mm，故其拉杆直径为 16，拉杆数量为 10 根。 3.4.8 接管 壳程流体进出口接管；取接管内气体流速为1u =10m/s，则接管内径为 114 4 4 9 5 1 / ( 3 6 0 0 9 4 1 . 5 ) 0 . 0 1 4 m3 . 1 4 1 0VDu （ 3-13） 1600D mm 公式（ 3-9 ） 来自参考 文献 1P69 （块）34210180BNmmBmmh 公式（ 3-10) (3-11)(3-12） 来自参考 文献 1P70 120.014 m0.131mDD 公式（ 3-13） (3-14）来自 参考文献 1p83 11 圆整后可取管内径为 14mm。 管程流体进出口接管；取接管内液体流速2 0.972 m /su ，则接管内径为 224 4 3 2 1 1 1 / ( 3 6 0 0 6 7 7 . 7 ) 0 . 1 3 1 m3 . 1 4 0 . 9 7 2VDu （ 3-14） 圆整后可取管内径为 130mm。 12 4 换热器核算 4.1 热流量核算 4.1.1 壳程表面传热系数 用克恩法计算 10 . 5 5 0 . 1 413000 . 3 6 R e ( )ewprd （ 4-1） 式中， 壳程流体的热导率， W/(m K)； ed 当量直径， m； 0Re 管外流动雷诺数； Pr 普朗特数，取定性温度下的值； 流体在定性温度下的粘度， Pa s； w 流体在壁温下的粘度， Pa s。 当量直径 220034 24tdded =0.03m （ 4-2） 式中， t 管间距， m； 0d 传热管外 径， m。 壳程流通面积 200 191 1 1 . 6 1 0 . 3 8 4 m25i dS B D t （ 4-3） 式中， B 折流板间距， m； 0d 管子外径， m； t 管子间距， m。 壳程流体流速及其雷诺数分别为 ,00004951 0 . 0 0 3 8 m / s3 6 0 0 3 6 0 0 0 . 3 8 4 9 4 1 . 5mquS （ 4-4） 公式（ 4-1） 来自参考 文献 1P72 m03.0d e 公式（ 4-2） 来自参考 文献 1P70 384.00 S m2 公式（ 4-3） 来自参考 文献 1P70 13 000 300 . 0 3 0 . 0 0 3 8 9 4 1 . 5R e 5 6 1 9 . 4 20 . 0 1 9 1 1 0edu （ 4-5） 普朗特数 29.168.0 10191.010578.4Pr 33 （ 4-6） 粘度校正 0.14( ) 1w 1.154729.142.567902.0 68.036.0 3155.000 a W/m2 K 4.1.2 管内表面传热系数 0 . 8 0 . 30 . 0 2 3 R e P rii i iid （ 4-7） 式中，i 壳程流体的热导率， W/(m K)； id 换热管内径， mm； Rei 管内流动雷诺数； Pri 普朗特数，取定性温度下的值。 管程流体流通截面积 2 2 20 . 7 8 0 . 0 2 4 3 0 . 0 1 4 m4i NtS d e Np （ 4-8） 管程流体流速 smu i /94.0014.0 )7.6773600/(32111 （ 4-9） 33 100.910413.1 7.67794.002.0Re i （ 4-10） 普朗特数 5.33124.0 10413.110942.2Pr 33 i （ 4-11） 0 . 8 0 . 4 20 . 1 2 40 . 0 2 3 9 0 0 0 3 3 . 5 8 4 7 . 8 W / m K0 . 0 2ia 0038.00 u m/s 29.142.56190rePR 公式（ 4-4） (4-5、 4-6） 来自参考 文献 1P72 公式 （ 4-7） 来自参考 文献 1P74 9000Re/94.0014.0 2iiismumS 公式（ 4-8） (4-9、 4-10） 来自参考 文献 1P72 KmWa i 2/8.8475.33Pr 公式（ 4-11） 来自参考文 献 1P72 14 4.1.3 污垢热阻和管壁热阻 管外侧污垢热阻 20 0 . 0 0 0 3 5 m K / WR （ 4-12） 管内侧污垢热阻 20 . 0 0 1 7 6 m K / WiR （ 4-13） 管壁热阻碳钢在该条件下的热导率为 )/(50 KmW 。所以 20 . 0 0 2 5 0 . 0 0 0 0 5 m K / W50wR （ 4-14） 式中， b 传热管壁厚， mm ； w 管壁热导率， (m K)/W。 3.1.4 传热系数cK 0 0 00011c iwi i i mK d R d R dRa d d d （ 4-15） 1422100035.05.222500006.0202500176.0208.847251 22 0 7 W /m K 式中， K 传热系数， W/(m2 K)； 0a 壳程表面传热系数， W/(m2 K)； 0R 壳程污垢热阻， (m2 K)/W； wR 管壁热阻， (m2 K)/W； iR 管程污垢热阻， (m2 K)/W； 0d 传热管外径， m； id 传热管内径， m； md 传热管平均直径， m； ia 管程表面传热系数， W/(m2 K)。 4.1.5 传热面积裕度 计算换热面积cA 公式（ 4-14） 来自参考 文献 1P75 20 . 0 0 0 0 5 /wR m k w 公式（ 4-15） 来自参考 文献 1P71 KmWK c 2/207 公式（ 4-16） (4-17、 4-18） 来自参考 文献 1P76 166.0H 15 231 64.127207 1004.3329 mtK QAmcc （ 4-16） 该换热器的实际传热面积pA 20 3 . 1 4 0 . 0 2 5 7 3 0 1 1 6 5 . 4pTA d l N m （ 4-17） 该换热器的面积裕度为 1 6 5 . 4 1 4 1 . 8 0 . 1 6 61 4 1 . 8pccAAHA （ 4-18） 传热面积裕度很合适，该换热器能够完成生产任务。 4.2 壁温核算 因管壁很薄，且管壁热阻很小，故管壁温度可按式（ 3-19）计算。由于传热管外侧污垢热阻较大，会使传热管壁温升高，降低了壳体和传热管壁温之差。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。于是 11mmchmchTtT （ 4-19） 式中液体的平均温度mt和气体的平均温度mT分别为 0 . 4 1 0 8 0 . 6 1 8 0 . 1 1 5 1 . 2 6mt （ 4-20） 3 3 3 . 7 2 1 0 2 7 1 . 8 52mT （ 4-21） 28 4 7 . 8 W / m Kciaa 20 1 4 2 2 W / m Khaa 式中，1T 热流体进口温度，； 2T 热流体出口温度，； 1t 冷流体进口温度，； 2t 冷流体出口温度，。 传热管平均壁温 公式 (4-19) 来自参考 文献 1P77 公式（ 4-20） (4-21）来自 参考文献 1P77 151.26mt 271.85mT 16 2 7 1 . 8 5 1 5 1 . 2 68 4 7 . 8 1 4 2 2 225118 4 7 . 8 1 4 2 2t 壳体壁温可近似取为壳程流体的平均温度，即 271.85T 。 壳体壁温与传热管壁温之差为 2 7 1 . 8 5 2 2 5 4 6 . 8 5t T t 该温差较大，故需设温度 补偿装置。由于换热器壳程流体压力较高，因此，选用浮头式换热器较为适宜。 4.3 换热器内流体的流动阻力 4.3.1 管程流体阻力 ()t i r s p sp p p N N F （ 4-22） 12spNN 22iiiluPd （ 4-23） 式中，ip 单程直管阻力； rp 局部阻力； aN 壳程数； pN 管程数； tp 管程总阻力； sF 管程结垢校正系数，可近似取 1.5； i 摩擦系数； l 传热管长度， m； id 传热管内径， m； u 管内流速， m； 流体密度， kg/m3； 局部阻力系数。 由 9000eR ，传热管相对粗糙度 0.2 0.0120，查莫狄图得 0.04i ，225t 公式（ 4-22） (4-23）来 自参 考文献 1P78 17 流速 1.3 /u m s ， 3/5.941 mkg ，所以 27 1 . 3 9 4 1 . 50 . 0 4 1 1 1 3 7 . 9 P a0 . 0 2 2iP 229 4 1 . 5 1 . 33 2 3 8 6 . 7 P a22r uP ()t i r s p sp p p N N F （ 4-24） 5.121)7.2 3 8 69.1 1 1 3 7( 40573.8P a 管程流体阻力在允许的范围之内 4.3.2 壳程流体阻力 0()s i s sp p p F N （ 4-25） 11SsNF 式中，sp 壳程总阻力， Pa； 0p 流体流过管束的阻力， Pa； ip 流体流经折流板缺口的阻力， Pa； sF 壳程结垢校正系数。 流体流经管束的阻力 2000 ( 1 ) 2T C Bup F f N N （ 4-26） 因为， 0.5F 092.02.49485 28.00 f 1.193011.11.1 5.05.0 TTC NN 34BN 0 0.05m/su 206 7 7 . 7 0 . 0 50 . 5 0 . 0 9 2 1 9 . 1 ( 3 4 1 ) 2 6 P a2p 流体流过折流板缺口的阻力 PaPPaPPaPtri8.405737.23869.11137 EMBED Equation.DSMT4 8 7 2 0 .47 2 6 .72 8 3 4 1 .3iaratapppp 公式（ 4-26） 来自参考 文献 1P70 PaP 260 公式（ 4-25） 来自参考 文献 1P70 18 202( 3 . 5 )2iB uBpN D （ 4-27） 式中，TN 每一壳程的管子总数； BN 折流板数目； B 折流板间距； D 换热器壳体内径； 0u 壳程流体横过管束的最小流速， m/s； F 管子排列形式对阻力的影响； 0f 壳程流体摩擦因子， 0 .2 2 8005 .0 R ef ； 因为， 0.21mB ， 0.7mD 22 0 . 2 1 6 7 7 . 7 0 . 0 51 4 ( 3 . 5 ) 3 4 . 4 P a0 . 7 2ip 总阻力 PaP s 4.604.3426 壳程流体阻力比较适宜 PaPPaPsi 4.60 4.34 公式（ 4-26） 来自参考 文献 1P70 19 5 换热器零部件结构设计 5.1 分程隔板 设置隔板的目的是增加程数以提高流体流速来提高其给热系数。管板上的分程隔板槽深取 6mm,槽宽取 12mm,槽的拐角处的倒角为 45 ，倒角宽度为分程垫片圆角半径 12R mm；在处于水平位置的分程隔板上开设直径为 6mm的排净孔。 分程隔板的厚度取为 12mm，在距端部 15mm 处开始削成楔形，使端部保持 10mm。采用与封头、管箱的短节同等材料，除密封面外，要满焊于管箱上，在设计时要求管箱隔板的密封面与管箱法兰密封面，管板密封面与分程槽面必须处于同一基面；材料选择为碳钢。 5.2 折流板 5.2.1 折流板的作用 设置折流板的主要目的是为了增加壳程流体的流速，提高壳程的传热膜系数，从而达到提高总传热系数的目的。同时，设置折流板对于卧式换热器具有一定的支 撑作用；另外，设置折流板有利于换热管的安装。 5.2.2 折流板的形式 本设计采用水平的弓形折流板，弓形折流板的切口尺寸以其拱高占直径的百分数表示。在本设计中，取 0.20 倍的圆筒内直径，即 0 . 2 1 6 0 0 3 2 0h mm （ 5-1） 圆整过后取 h=320mm。 5.2.3 折流板厚度 折流板厚度与壳体直径、换热管支撑长度有关，根据设计的一些条件，选取折流板厚度为 16mm。 h=320mm 公式（ 5-1） 来自 1P132 20 5.2.4 折流板个数 根据前面所计算的结果，得出折流板的个数为 5 个，其间距 为1000mm。 5.2.5 折流板与壳体的间隙 根据设计条件，其间隙越小越好，目的是保证减少壳体中旁路损失。折流板名义外直径为 DN-6，即 700-6=694mm 5.2.6 折流板管孔 折流板管孔直径和公差按 GB151 规定选取为 d+0.8，即25+0.8=25.8mm（ d 为换热管外径）；折流板管孔加工后两端必须倒角0.5 45 。 5.2.7 折流板的布置 折流板的布置方式一般应使管束两端的折流板尽可能靠近壳程进、出口接管，其余折流板等距离布置，靠近管板的折流板与管 板的最小尺寸可按下式计算 12( / 2 ) ( 4 ) ( 2 0 1 0 0 )l L B b （ 5-2） ( 2 2 0 2 3 0 / 2 ) ( 7 0 4 ) ( 2 0 1 0 0 ) 320mm 式中，1L 壳程接管位置最小尺寸； 2B 防冲板长度。 5.3 拉杆、定距杆 5.3.1 拉杆固定形式 其拉杆固定形式为拉杆定距管结构；拉杆一端用螺栓拧入管板，每两块折流板之间的间距 用定距管固定，每根拉杆上最后一块折流板用两公式（ 5-2） 来自参考 文献 1P131 320l mm 21 个螺母锁紧固定，这种形式易于调节折流板之间夹紧程度。 5.3.2 拉杆尺寸 根据换热管外径为 25mm，所以选取拉杆直径为 16mm。公称直径DN=1100mm，拉杆直径为 16mm，选取拉杆数量为 8 根。拉杆的长度按需要确定，在本设计中，拉杆有两个尺寸，两根 4600mm，六根5650mm。 拉杆螺纹公称直径 16nd mm， 20aL mm， 60bL mm， 两端倒角处为 2 45 。拉杆尽量均匀布置在管束的外边缘，拉杆位置占据换热管位置。 5.3.3 定距管尺寸 定距管尺寸于换热管相同，即外径为 25mm，内径为 20mm，壁厚为 2.5mm。其长度分别为 320， 335， 655， 685mm。 5.4 防冲板 5.4.1 防冲板作用 防冲板的用途是为了防止壳程物料进口处流体对换热管表面的直接冲刷，引起侵蚀及震动，在流体入口处装置防冲板，以保护换热管。 5.4.2 防冲板的结构尺寸 防冲板焊接在定距管上，防冲板外表面到圆筒内壁 的距离，可按式4-3 计算，且不小于接管外径的 1/4； 24idhH （ 5-3） 式中， h 壳程进口接管内径与壳体内径相交的弓形高度， mm； id 接管内径， mm； 在本设计中，取id=130mm； h =12mm；则 H =38.5mm； 圆整后取 H =40mm； 公式（ 5-3） 来自参考 文献 2P187 22 防冲板的材料为 16MnR，其厚度取 6mm；其边长应大于接管外径50mm，即边长为 230mm。 5.5 接管 5.5.1 接管要求 接管（含内焊缝）不应凸出壳体内表面，并在该部位打磨平滑，以免妨碍管束的拆装。接管应尽量沿径向布置，以方便配管与检修。 5.5.2 接管尺寸 接管直径的选择取决于适宜的流速，处理量，结构协调及强度要求，在工艺设计中，确定出了其直接；壳程接管直径为 130mm，厚度为12mm；管程接管直径为 280mm；其厚度为 12mm。 接管高度（伸出长度）的确定参考公式 1 1 5 ( )l h h m m （ 5-4） 式中， h 接管法兰高度； 1h 接管法兰的螺母厚度； 保温层厚度； l 接管安装高度。 圆整后 取 l =200mm 壳程接管位置尺寸，按下式估算 10/ 2 ( 4 )L d b c （ 5-5） 因为，0d=154mm， b =70mm， c=60mm； 1L203mm，圆整后取1 220L mm。 管程接管尺寸，按下 式估算 20/2 fL d h c （ 5-6） 取0d=304mm，fh=70mm ， c=60mm； 2L282mm，圆整后取2L300mm。 式中，1L 壳程接管中心与管板密封面的距离， mm； 公式（ 5-4） 来自参考 文献 1P140 200l mm 公式（ 5-5） 来自参考 文献 1P140 1 220L mm 公式（ 5-6） 来自参考 文献 1P141 2 300L mm 23 2L 管程接管中心与法兰密封面的距离， mm； b 管板厚度， mm； fh 法兰宽度， mm； 3c 倍壳体壁厚且不小于 50 100mm 。 5.5.3 接管法兰 在本设计中使用凹凸密封面的接管法兰，密封面向下；接管法兰螺栓通孔跨中布置。其尺寸根据接管的大小参考标准 JB86-1994 选取。 5.5.4 排气、排液口 设置排气、排液口的目的是提高传热效率，排除或回收工作残液（气），排气、排液接管的端部必须与壳体或管箱壳体内壁平齐。在壳程的最高点与最低点设置放气口和排液口，放气口和排液口的高度为150mm；内径为 20mm；壁厚为 5mm。 5.6 管板结构尺寸 本设计是固定管板式换热器的设计，因此用固定管板兼作法兰的结构，管板结构尺寸的确定先按前面设计的确定壳体内径，再依据确定的设计压力、壳体内径来选择或设计法兰，然后根据法兰相应的结构尺寸确定管板的最大外径，密封面位置、宽度、螺栓直径、位置 、个数等，然后查表，得出管板的尺寸： DN=1196mm， D=1396 mm， 1D 1196 mm， 2D 1196mm 2 23d mm， 2 70d mm 螺栓选用 M20，数量为 40 个。 24 6 换热器机械结构设计 6.1 换热管与管板的连接 管子与管板的固定是换热器制造中最主要的问题之一，这个部位是换热器的一个薄弱环节，它的主要失效形式是连接处产 生泄露，在高温下由于热冲击时管板和管子连接处开裂。 管子与管板的连接形式为强度胀 +密封焊，其强度问题由强度胀来保证，以密封焊来增加密封的可靠性。在本设计中，使用先胀后焊，这样可以提高焊缝的抗疲劳性能，因胀管后管壁紧贴于管板孔壁上，可以防止在焊接时产生裂纹。但是在胀管时由于使用润滑油而进入接头的缝隙中，这些残留的油污的存在及间隙中空气受热膨胀而气化，在焊接过程中由于高温的作用而生成的气体，从焊面逸出，致使焊缝产生气孔，严重影响焊缝质量，所以在焊接前必须将这些残留的油污清洗掉。如下图： 图 5.1 换热管与管板的连接方式 25 6.2 管板与管箱 的连接 固定管板式换热器管板与管箱是靠法兰连接，满足工艺要求选择一定的密封面形式，按压力、温度选用法兰的结构形式。其法兰结构根据标准 JB86-1994 选取长颈平焊法兰。 6.3 管箱 6.3.1 管箱的作用 管箱的作用是把由管道来的管程流体均匀分布到各传热管和把管内流体汇集在一起送出换热管，另外，管箱还起到改变流体流向的作用。本设计使用 B 型封头管箱型，优点是结构简单，便于制造，适于高压、清洁介质，可省掉一块造价高的盲板、法兰和几十对螺栓，且椭圆封头受力情况要比平端盖好得多。 6.3.2 管箱结构尺寸 管箱法 兰采用采用长颈法兰，管箱直径由壳程直径决定，管箱长度，分程隔板位置尺寸由排管图确定。 管箱最小长度mingL的计算公式 2m i n 14i c pgpdNL h SE =431mm （ 6-1） 管箱最大长度的确定参考过程装备设计图 4-38， 900500gmanL mm 则选取 900gLmm 式中，mingL 按流通面积计算所需的 管箱最小长度， mm； id 换热管内径， mm； cpN 各程平均管数； 1h 封头内曲面高度， mm； pS 封头厚度， mm； maxgL 管箱最大长度， mm； 公式（ 6-1） 来自参考 文献 1P158 900gL mm 26 gL 管箱长度， mm。 6.4 法兰选用 法兰的结构形式采用 平焊法兰，密封面形式为凹凸面，其选择条件应根据使用介质、设计压力、设计温度、公称直径等因素来确定。 法兰结构根据标准 JB86-1994 选取。 6.5 垫片 垫片的外径和内径根据选用的法兰密封面形式、尺寸定取，内径d=16000mm,选取法兰垫片宽度为 16mm。 垫片隔板槽部分宽度选取 14mm；垫片圆角尺寸，保证垫片有足够的强度，取 R=8mm；垫片尺寸1e，2e 122 1 0 .3 m m2 6 5 .7 m mee 垫片选取为金属包垫片 JB4706。 6.6 支座 卧式换热器采用固定 F 型和滑动 S 型鞍式支座各一个，靠近管箱侧为固定鞍座。 卧式支座的尺寸，按 JB/T4712 鞍式支座的 A 型或 B 型带垫板，高度为 200mm的尺寸选取。 鞍式支座在换热器的位置尺寸按下面公式选取 鞍座之间距离 4 5 0 0)7.05.0( LL B mm （ 6-2） 鞍座到管板密封面的距离为 1 /2CaL L B b C （ 6-3） 900mmCL 公式（ 6-2） 来自参考 文献 1P169 4500BL mm 公式（ 6-3） 来自参考 文献 3P610 900CCL L m m 27 9 0 0 m mCCLL 式中， B 补强圈外径， mm； 1L 壳程接管到管板密封面的距离， mm； ab 鞍座宽度的一半， mm； C 筒体壁厚， mm。 28 7 强度校核 7.1 筒体壁厚计算 由工艺设计给定设计温度 150，设计压力 3MPacP ，选低合金结构钢板 16MnR 卷制，材料 150的许用应力 1 7 0 M P at ，取焊缝系数 1 ，腐蚀裕度2 1C，则 计算厚度 5 . 8 m m2 cit cPPS P （ 7-1） 设计厚度 2 5 . 8 1 6 . 8 m mdS S C （ 7-2） 名义厚度 1 7 . 8 m mndS S C 圆 整 （ 7-3） 取 10mmnS 有效厚 度 12 8 m menS S C C （ 7-4） 水压试验压力 1 . 2 5 1 . 2 5 3 1 3 . 7 5 M P aTc tPP （ 7-5） 所选材料的屈服应力 MPas 345 水压试验应力校核 3 . 7 5 6 5 0 8 1 5 4 . 2 M P a2 2 8T i eT eP D SS （ 7-6） 1 5 4 . 2 M P a 0 . 9 3 1 0 . 5 M P as， 水压强度满足要求。 气密性试验压力， 3 M P aTcPP 7.2 外头盖短节、封头厚度计算 其条件、参数 与筒体相同，故 公式（ 7-1） (7-5）来自参 考文献 1P181 8 .99 .912101 .6 2 5dnerS m mS m mS m mS m mp M P a 公式（ 7-6） 来自参考 文献 1P181 9 0 .2r MPa 29 短节计算壁厚 6 . 7 m m2 cit cPPS P （ 7-7） 短节设计壁厚 2 6 . 7 1 7 . 7 m mdS S C （ 7-8） 短节名义壁厚 1 8 . 7 m mndS S C 圆 整 （ 7-9） 取， 10mmnS 有效厚度 12 8 m menS S C C （ 7-10） 压力试验应力校核 3 7 5 0 8 1 4 2 M P a2 2 8T i eT eP D SS （ 7-11） M P aM P a s 5.3109.0142 ， 压力试验满足强度要求。 外头盖封头选用标准椭圆封头。 封头计算壁厚 6 . 7 m m2 cit cPPS P （ 7-12） 封头名义壁厚 1 1 0 m mndS S C 圆 整 （ 7-13） 7.3 管箱短节、封头厚度计算 由工艺设计给定设计温度 100，设计压力 0.4MPacP ，选 16MnR钢板，材料 100的许用应力 1 5 0 M P at ，取焊缝系数 0.85 ，腐蚀裕度2 2C，屈服强度 345M P as 。则 计算厚度 1 . 0 2 m m2 cit cPPS P （ 7-14） 公式（ 7-7） (7-8、 7-9） 来自参考 文献 1P181 公式（ 7-12 ）(7-13）来自参考文献 1P181 8.912nS mmS mm 公式（ 7-10） (7-11）来自参考 文献 1P181 30 式中，cp 管程设计压力， M pa； iD 筒体内径， mm； 焊缝系数； t 许用应力， M Pa。 设计厚度 2 1 . 0 2 2 3 . 0 2 m mdS S C （ 7-15） 名义厚度 圆整圆整 82.31CSS dn （ 7-16） 结合考虑开孔补强及结构需要 取， 8mmnS 有效厚度 12 5 . 2 m menS S C C （ 7-17） 压力试验应力校核 0 . 4 6 5 0 5 . 2 2 5 . 2 M P a2 2 5 . 2T i eT eP D SS （ 7-18） 2 5 . 2 M P a 0 . 9 2 6 3 . 9 M P as， 压力试验满足强度要求。 管箱封头取用厚度与短节相同，取 10mmnS 7.4 管箱短节开孔补强的效核 开孔补强采用等面积补强法，由工艺设计给定的接管尺寸为304 12 ，考虑实际情况选 20 号热轧碳素钢钢管 1 1 0 M P a ，9377 ， 12 C 。 接管计算壁厚 0 0 . 6 8 m m2 ct t cPDS P （ 7-19） 接管有效壁厚 12 6 . 6 5 m me t n tS S C C （ 7-20） 开孔直径 公式（ 7-19） （ 7-23） 来自参 考文献 1P182 10 .79 .22 8 5 .65 7 1 .25 8 .5etS mmS mmd mmB mmh mm 公式（ 7-14） (7-18)来自参考 文献 1P182 2.94.9129.298dnerS mmS mmS mmS mmMPa 31 2 3 7 7 2 9 2 2 . 3 5 3 6 3 . 7 m mid d c （ 7-21） 接管有效补强宽度 2 7 2 7 . 4 m mBd （ 7-22） 接管外侧有效补强高度 1 3 6 3 . 7 9 5 7 . 2 m mnth d S （ 7-23） 需要补强面积 23 6 3 . 9 1 . 9 4 7 0 5 . 6 m mA d S （ 7-24） 可以作为补强的面积为 1 ( ) ( )eA B d S S （ 7-25） 02.12.5)7.3634.727( 21 5 2 0 .2 6 m m 212 ( )et t rA h S S f （ 7-26） 68.065.62.572150110 2500.8mm 212 1 5 2 0 . 2 6 5 0 0 . 8 2 0 2 1 . 0 6 m mAA ， 该接管补强强度足够，不需要另设补强结构。 7.5 壳体接管开孔补强的效核 开孔补强采用等面积补强法，由工艺设计给定的接管尺寸为154 12 ，考虑实际情况选 20 号热轧碳素钢钢管2 1 3 7 , 1 5 4 1 2 , 1M P a C 。 接管计算壁厚 0 8 . 0 9 m m2 ct t cPDS P （ 7-27） 式中，cp 管程设计 压力， M pa； 0D 壳程接管外径， mm； 焊缝系数； 公式（ 7-24） (7-25、 7-26） 来自参考 文献 1P183 212221 7 9 9 .39 7 2 .18 2 8 .2A m mA m mA m m 32 t 许用应力， MPa 。 接管有效壁厚 12 1 2 1 1 2 0 . 1 5 9 . 2 m me t n tS S C C （ 7-28） 开孔直径 2 3 7 7 2 1 2 2 1 1 2 0 . 1 5 3 5 8 . 6 m mid d c （ 7-29） 接管有效补强宽度 2 7 1 7 . 2 m mBd （ 7-30） 接管外侧有效补强高度 1 3 5 8 . 6 1 2 6 5 . 6 m mnth d S （ 7-31） 需要补强面积 23 5 8 . 6 3 0 . 3 1 8 6 5 0 . 6 m mA d S （ 7-32） 可以作为补强的面积为 1 ( ) ( )eA B d S S （ 7-33） 27 1 7 . 2 3 5 8 . 6 3 2 3 0 . 26 4 5 . 4 8 m m 212 ( )et t rA h S S f （ 7-34） 21102 6 5 . 6 3 2 3 0 . 21501 7 3 . 2 m m 212 6 4 5 . 4 8 1 7 3 . 2 8 1 8 . 6 8 m mAA ， 该接管补强强度足够，不需要另设补强结构。 7.6 固定管板计算 固定管板厚度设计采用