关 键 词：

F400 固定 板式 换热器 设计 CAD

资源描述：

F400固定管板式换热器设计含9张CAD图.zip,F400,固定,板式,换热器,设计,CAD

内容简介：

F400固定管板式换热器设计摘 要换热设备在很多行业部门都会有应用，而且极为广泛，比如炼油在炼油、石油化工等各领域，它可以适用于有关传热的各个方面。F400固定管板式换热器也就是换热设备中的一种，其换热效率、设备所属体积大小以及对于金属的消耗比不上现今出现的新型换热器，但是它也有很多其他换热设备所不具有的各种优良品质，就比如在结构坚固、弹性大小、可靠性高、使用范围等方面，因此固定管板式换热器在各个行业得到广泛应用。想要保证固定管板式换热器的强度和使用时间长短，就需要设计合理的结构，所以就需要在材料、压力、温度、壁温差、结垢情况、流体性质和维修与清洗等等各个因素上考虑来选取一种合理的结构。因为使用的情况不同，就算是同一种形式的换热器也要使用不一样的的结构。我们在工程设计的时候，要尽可能的选取定性系列的产品，或者是按照一定的要求来设计，这样才能达到在工艺方面的条件（设计出在一定的情况下最优良最节省材料最实用也容易生产的换热器等）。关键词：固定管板式换热器；使用范围；结构设计ABSCHACTHeat exchanger is widely used in many industries, such as refining, petrochemical and so on. It can be used in all aspects of heat transfer.F400 fixed tube-plate heat exchanger is one of the heat exchangers. Its heat transfer efficiency, the size of the equipment, and the consumption of metals are not as good as those of the new type of heat exchangers. However, it also has many excellent qualities that other heat transfer equipments do not have, such as solid structure, elastic size, high reliability, application range and so on. Therefore, fixed-tube plate heat exchanger is widely used in various industries.In order to ensure the strength and the use time of the fixed tube plate heat exchanger , it is necessary to design a reasonable structure , so it is necessary to select a reasonable structure on various factors such as material , pressure , temperature , wall temperature difference , scaling , fluid property and maintenance and cleaning .Because of the different conditions, even the same type of heat exchanger has to use a different structure. When we design our projects, we should choose as many qualitative products as possible, or design them according to certain requirements. Only in this way can we meet the technological conditions (design the best, most economical, practical and easy to produce heat exchangers, etc.) under certain circumstances.Key words：fixed tube-plate heat exchanger; scope of use; structural design目 录1 前言11.1概述11.1.1换热器的类型11.1.2换热器11.2设计的目的与意义21.3管壳式换热器发展的情况21.4壳层强化传热21.5管层强化传热31.6增加管壳式换热器传热能力的方式32 换热器结构论述52.1换热器管形的设计52.2 换热器管径的设计52.3换热管排列形式的设计52.4 管、壳程分程设计52.5折流板的结构设计62.6管、壳程进、出口的设计62.7 选材方法62.7.1 管壳式换热器的选型62.7.2 两种流体流径的选择92.7.3 流速的选择92.7.4材质的选择102.7.5 管程结构103 管壳式换热器的热力计算113.1确定一般参数113.2传热量与水流热量113.3有效平均温差123.4结构初步设计123.5管程换热系数计算133.6壳程换热系数计算143.7总传热系数计算153.8管壁温度计算163.9管程压降计算163.10壳程压降计算174 换热器的结构设计194.1 换热器壳体壁厚计算及校核194.2 换热器封头的选择及校核204.3容器法兰的选择204.4 管板214.5 管子拉脱力的计算224.6 计算是否安装膨胀节234.7折流板设计255 强度压力计算和校核285.1壳体厚度校核285.2 管子拉脱力校核285.3开孔补强的计算30小 结31参考文献32致 谢331 前言1.1概述1.1.1换热器的类型固定管板式换热器一直是使用在社会前沿的一种换热器，也就是应用最广泛的间壁式换热器，其结构是由管箱、壳体、管板、管子等一些零件所组成的。而传热面就是管束的管子面。它主要特点是结构比较紧密，排管比较多，在一样的直径之下拥有较大的传热面，结构简单，容易制造，所以在高温、高压和大型装备上使用固定管板式换热器就比较多。为了让流体传热更加快速有效，一般都会在壳体内安装一些折流挡板，这些折流挡板是与管束相互垂直的。折流挡板即可以防止流体产生短路、能让流体流动速度更快，还能让流体依照折流挡板所形成的方向错流流过管束，可以大大提升流体的湍流。两种流体在列管式换热器中温度不相同，因此作为管束和壳体温度也会不同，所以导致其热膨胀的程度也就不同。若两种流体的温差过大（一般50以上），可能会使设备因为热应力发生形变，情况严重可能弯曲和变形，因此需要提前想好热膨胀所产生的作用。1.1.2换热器换热器作为传热设备到处能够见到，尤其是工业中，特别是耗能用量比较大的领域，所以不止在工业领域，在其他需要能量的领域也会随处可见，在应用上具有很大的需求量，所以相对在生产中也比较多。因为生产规模、材料的性质、传热的条件等不同，所以换热器也是种类繁多，各色各异。依照使用的方法不同有加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器几种类型。依照传热原理的不同可以分为三大类：直接接触式、蓄能式、板、管式。板、管式换热器。这种换热器使两种流体分别在管子与壳体之中，不能相互接触，能量只能从热介质通过金属或非金属传输入冷介质。而这类换热器的使用量也是特别大，占总使用量的99%甚至更多，这种换热器也就是我们经常所说的管壳式、板式、板翅式或者板壳式换热器。因此这种换热器只能在两种介质不可以直接接触的情况下使用。直接接触式换热器。这类换热器是在两种介质触碰之下相互传递能量的，传热量的影响因素之一就是传热面积，这种换热器的两种传热介质一般为气体和液体，其主体一般是塔设备，但是经常会触及到传质方面，因而不容易跟塔器进行区别，其归口就是塔式设备，我们一般都能够见到的电厂所用的凉水塔就是直接接触式换热器。蓄能式换热器可以简单称之为蓄能器。这类换热器因为使用流程较为复杂，所以用量就比较少，这种换热器的原理是通过一种热容量大的固体物质，首先使用热介质将能量传输给固体物质使其达到一定的温度后，冷介质由被加热的固体物质继续加热，从而达到传热的目的。这类换热器占地面积较大，并且不存在能够将两种介质完美隔开。对于以上三种换热器的使用最多的是板、管式换热器。而板、管式换热器依靠其结构的分类又可以分为管壳式换热器和紧凑式换热器。管壳式换热器又可以分成几种不同类型的换热器，固定管换热器就是管壳式换热器之一。固定管板式换热器因为其使用量特别大，所以一般作为传统的标准换热设备。因为固定管板式换热器有很多其他换热器所不具有的优良品质、材料使用比较便宜以及清洗相对容易，所以使得固定管板式换热器才能够在长期的传热设备竞速发展中得以留存下来。固定管板式换热器作为使用最普遍的换热器是将管束用特定的办法固定的管板上，而管板则是装置在壳体内部。1.2设计的目的与意义为了使不同温度的介质之间达成能量的交换，从而让能量能够充分利用，而不是时期浪费，我们就需要设计出能够完成这一目的的换热器，它的名一个名字被叫做热交换器。化工生产经常需要这种产品，因此换热器是化工生产中必不能少的设备。换热器中至少需要两种流体，一种流体能量较高，另一种流体能量较低，能量较高的流体通过换热器将能量传递给能量较低的流体。在工程中不止只有两种流体传热的换热器，也有多种流体进行传热的换热设备，不过其原理都差不多相同。管壳式换热器在很多方面不如跟新型的换热器，但是其拥有结构劳固、弹性大、可靠程度高、使用范围广等优良品质，所以其能够普遍适用于各种行业。1.3管壳式换热器发展的情况现代社会的新工艺、新技术、新材料都在不停的发生各种更新，这种更新影响着社会对于管壳式换热器的需求。换热器的不同的性能也会产生不同的影响，可想而知制造精良的换热器在产品质量、能量利用率以及系统的经济性还有可靠性等方面比较优良，所以生产出精良的换热器是很有必要的。现在已经有很多发达国家对于热回收率已经到达96% ，换热设备在石油炼厂的消耗量跟其他设备相比也在大大增加。管壳式换热器在所有换热器中的使用量大概70%。其他的是各种高效紧凑式新型换热器和蓄热器等，然而各种高效传热元件的进步也是特别的快。随着所有工业方面的装备更加的先进，换热器也逐渐变得大型化。现在换热器已经在高速发展和更新，为了满足换热器在社会中的需求，现在换热器达到了高大上的系别。这种换热器理论研发和设计技能完善，使用可靠性优良的一种换热器。如今很多国家为了对于换热器的传热性能需要得到更大的加强，现在已经开始重点研发。加强导热有3 种基本路径增高导热系数、加大导热面积和增大导热温差，研发都聚集在增强传热面之上。1.4壳层强化传热一些平常的固定管板式换热器的流体在壳体侧面产生折返以及在进口和出口连段的区域，让壳侧的给热系数发生了变化。对于壳测所进行的加强传热研究，也有管型与管间支撑物的研究。1.5管层强化传热所有人想尽各种能够强化传热的办法，其实所有的办法也就是两种，而这两种办法之一就是如果能够改变传热面粗糙度则可以强化传热，另一种办法就是在传热面和流体介质要走过的线路上插入板状物，致使流体跟管子交错的机会更大。要使传热面更加粗糙，而作为传热面的管子面就需要改变，其方法比如在管子面上开螺纹，或者即开螺纹又开槽以及改变管子的形状。我们国家也有管子面开了螺纹的螺纹管，对于螺纹管其规定为翅化率1.32.9(100时，壳程内流体为湍流，此时的各种状态的流体对流程的选择就需要慎重考虑呢，所以若流体的状态是黏度小或者流量小，则会考虑作为壳程流体；因为壳程比较难于清洗，如果让黏度小或者小流量的介质走壳程一般在结垢和沉淀方面会比较少，所以会使换热器的使用时间更久寿命更长；在经济性上，为了使产品更高效的发挥作用，就需要合情合理的选择介质的流程，有时候用到的介质是一种具有比较极端的特性(高温、高压和腐蚀性强)的介质，此时这种介质就需要走管程。在这里就强调上述比较特殊的介质所适合的流程，所以在设计换热器的时候就需要慎重考虑介质适合的路径。（3）应用加强管壳式换热器传热的结构方式在换热器设计中，这种方法一般应用特别平常，因为每一台换热器都可以达到粗糙壁面，加强管壳式换热器的不仅有粗糙壁面，运用高效能传热和静电场强化传热以及搅拌都可以。2 换热器结构论述2.1换热器管形的设计管子面作为传热所需壁面，设计良好的管子外部形状能够加强传热效率，管子外部形状有两种，一种是管子外表面不做任何改变而只是改变管子形状的光管，另一种是在光管上面加上螺纹的螺纹管。在条件不变的情况下，传热面的大小上进行比较，螺纹管能够提升二倍不止。而且，流体在流过管束的时候因为流动状态不同，那么流体传热效果也会不同，然而螺纹管的外螺纹可以改变流体的边界层，从而使流体的流动状态发生改变。如果条件不允许的情况下必须要使用不清洁易结垢的流体，那么螺纹管上的螺纹就能起到很大的作用，因为螺纹管的外表螺纹沿着轴向的涨缩可以使流体流过所形成的沉淀脱落，达到自动清洁的目的，并且能够流体结垢，导致壳程热阻降低，从而使传热效率更高。2.2 换热器管径的设计在条件允许的情况下，减小换热管的直径是很有必要的，因为单位体积的流体流过管径相对小的换热管时其传热效率更高，而且在结构方面会使其构造紧凑，材料的消耗相对较少，最为重要的一点就是增加换热器的传热系数，设计换热器的结构时在管程介质符合清洁的条件的情况下，可以相对减小换热管直径，从而达到高效换热的目的。实验数据表明所有条件相同的情况下，对于两种直径相差6mm的管子19mm 和25mm 进行比较，其传热面积发生了极大的变化，前一种比后一种大30%40%，能够节省的材料在20%以上。2.3换热管排列形式的设计管子的排列形式有三种情况，这三种排列不同所产生的差别也会发生很大的变化，其排列分别为等边三角形、正方形和同心圆等，所选壳程中流体的结垢情况以及污垢清洗情况不同则需要选择不同的管子排列，因为当流体不易结垢或结垢之后清洗污垢的方法是化学法的时候，运用三角形排列可使换热器外径减小15%；管束的清洁方式可以分为几种，而清洁方式的不同也会影响设计中对于管子排列的选择，当其清洁方式为机械清洁时就要选择正方形排列；同心圆排列形式可以在设计换热器要求小于300mm的情况下使用，其目的是为了让管束排列更为紧密。2.4 管、壳程分程设计对于一般的管程，我们通常的说法有18程的说法，不过一般人们常用的有三种1、2或4管程。如果增加了管程数，那么就会有好的方面，当然也有不好的方面，好的方面就是管子内流体的流动速度加快，而相应的传热膜系数也会增加，但是一般管子内流体的流速一般情况下会被管程压力降等限制，在这里介绍几种工业上在一般情况下用到的流速：在一般水和与其相似的液体在管程内取11.5m/s，对于大型冷却器的冷却水流速可以增加到3m/s,气体和蒸汽的流速一般选取不同的气体或蒸汽就需要选不同的流速，其选择范围是830m/s。对于管程数本次设计要求是双管程。对于壳程数的增加则使用纵向隔板，这样就可以使流体在壳体内流速加快，从而达到增加换热器传热的目的。单壳程的换热器可以在其中随意加入各种形式的折流板，折流板的作用就是增加流速，加强传热。壳程分程要比两个换热器串联的情况便宜，一般在必要的情况下选择在壳程中加入纵向隔板来分壳程。对于本次设计则要求使用双壳程。2.5折流板的结构设计在壳体内加入折流板拥有较多的好处，流体流过的时候有在折流板的作用下可以改变流体流动方向，导致流体在壳体内任意错流，并能增加流体的湍流，更好的进行传热。折流板的形式有很多种，一般情况下都会选用圆缺形折流板，但是有时候也会因为各种因素的影响而选择使用其他形式折流板，比如弓形折流板、盘环形折流板、折流杆或者弓形缺口处没有管子的结构，而这种折流板的选择在考虑压降、管子的振动或管子支撑和为了加强传热效率的情况下。有的时候可能使用折流板没有明显的作用，这样的情况下我们就选择不使用折流板，一般是在壳程蒸发，冷凝操作或管程传热膜系数很低的情况下，这些时候加入折流板只会起到管子支撑作用，所以可以选择不使用折流板。一般情况下我们选择使用折流板是等间距的，有时候选择折流板不等间距可以使传热更加有效，比如不凝性气体的冷凝操作。2.6管、壳程进、出口的设计我们一般在设计管程进、出口的时候要考虑到流体流过之后对于进出口的冲击的影响，也就是我们通常所说的压降的影响，之后就需要计算进、出口的管经：23 300( 流体密度，kg/m3； 流体进、出口流动流速，m/s) 一般情况下都是将管程进、出口放在壳测的顶部或底部，这样可以起到还很大的作用，即让流体在流过的时候分布更加均匀，让传热更为有效。壳程流体在经过进、出口，如果因为流速过快或者因为流体中混杂有较多的颗粒状固体物时就会产生对进出口的冲击，这是一种不好的现象，而为了预防这一现象出现冲击壳程进出口，一般我们需要在进出口设置防冲板，防冲板的作用就是要在进出口减缓流体流动速度，对进出口进行保护，这样可以使换热器使用时间更久；不止需要在物质上预防流体冲击，在必要的情况下我们也要适当控制流体流动速度：21.00.81.80.51.5530壳程流速，m/s0.51.50.51.50.21.50.50.41.00.30.8215流体在换热器中的流速不同可能产生的影响转变较大，流体的高流速会使对流传热系数变大，使流体的结垢不容易管束外表面沉积，也就是减小了污垢热阻，但是可能会减小流体传热的面积，流苏增大可能使流体不易通过，增加阻力，那么相应的碎语动力的损耗增加。所以我的设计中选择烟道气的流速为2m/s。2.7.4材质的选择影响固定管板式换热器材料选择的因素本来比较多，但是最典型的我们就选取压强、温度及流体的腐蚀性等。一般在高温的时候的选材可能会影响到其他的各种选材条件，所以在这种情况下就需要进行慎重的考虑以及查阅资料进行选材。同时具有符合所有选材条件的材料是很少见的。对于材料的选择只能从我们目前常用的金属材料有（碳钢、不锈钢、低合金钢、铜和铝等）和非金属材料（石墨、聚四氟乙烯和玻璃等）之中来考虑。最后我们考虑各种因素最符合本次设计的材料是Q235材料。2.7.5 管程结构下图2-4所示为管程结构的几种方式，对于管程结构一般的选择是三角形的结构方式，但是也会根据各种换热器的情况不同进行不同的选择。这几种排列方式各有其优点，（c）结构紧凑；（a）排列方式机械清洗。多管程换热器可以根据自己所设计的换热器形式不同进行适当的组合，一般人为了使管束内部表现的比较紧凑则选择（c），然后因为管束外部需要安装隔板，所以一般就选择（a），这样就是使用（a）（c）的组合来完成管程的排列。 (a) 正方形直列（b）正方形错列 (c) 三角形直列 （d）三角形错列 （e）同心圆排列 图4 换热管管板上的排列方式353 管壳式换热器的热力计算3.1确定一般参数因为对于定性温度可以选择进出口的平均温度。那么我们选择壳程流体的定性温度为水：t=85选择管程流体的定性温度烟道气：T=380。水在85的有关物性数据如下：密度 1=995.7kg/m3定压比热容 Cp1=4.174kJ/(kg)热导率 1=0.618W/(m)粘度 1=8.0510-7Pas烟道气在380的有关物性数据如下：密度 i=1.338kg/m3定压比热容 Cpi=2.87kJ/(kgK)热导率 i=0.265W/(mK)粘度 i=697.7610-6Pas流量 qmi=63131.31kg/h3.2传热量与水流热量取定换热器热效率为=0.98冷凝段传热量：Q1= G1/3600 （1） =1.31.9861031052.040.98/3600=739.4KW冷却段传热量：Q1C= G1Cp1C(t3- t1”)/3600 （2） =1.31.9861032.87(70-45)0.98/3600 =50.4KW总传热量Q0= Q1+ Q1C=739.4+50.4=789.8KW冷却水的流量： G2=18922Kg/h （3）设定冷凝段和冷却段分界处水的温度为t3 G2=18922Kg/h （4） 解得 t3=34.33.3有效平均温差冷凝段温差： =39.8 （5）对于冷凝，冷凝温度基本一定，故温差校正系数为1，所以有效平均温差=39.8冷却段温差： =27.1查得温差校正系数=0.82所以有效平均温差=0.8227.1=22.23.4结构初步设计参考表2-7，初选冷凝段的传热系数=850W/m 初选冷却段的传热系数=250W/m初选传热面积：冷凝段的传热面积：= =21.86m2 （6）冷却段的传热面积： =7.4m2选用无缝钢管作换热管管子外径 d0=25mm管子内径 di=20mm管子长度取l=3m管子总数：=124.2 （7）取134根管间距 S=1.25d0=1.250.025=0.032m管束中心排管数：NC=1.1=1.1=12.7 取13根壳体内径：取Di=0.6m长径比：l/Di=3/0.6=5 合理弓形折流板弓高：h=0.25Di=0.250.6=0.15m折流板间距：B=Di/3=0.6/3=0.200m折流板数量：nb=l/B-1=3/0.200-1=14块取13块。3.5管程换热系数计算管程流通截面积： （8）管程流速：w2=0.25m/s （9）管程雷诺数：Re2=7135 （10）管程质量流量：248.9Kg/s （11）管程传热系数:冷凝段的定性温度：=(+t3)/2=(34.3+25)/2=29.65冷却段的定性温度： =(+t3)/2=(34.3+35)/2=34.65冷凝段传热系数： = = =2907.9冷却段传热系数： = = =3048.73.6壳程换热系数计算壳程流通面积： f1=BDI(1-d0/S)=0.2000.6(1-0.025/0.032)=0.0263m （12）壳体当量直径：=0.0533m （13）壳程流速冷凝段：=11.80m/s （14）冷却段：=0.035m/s凝段管外壁温度假定值： =58膜温：tm=64膜温下的物性参数查表得：m=0.1607W/m=765.41kg/m3 =0.3166冷凝负荷：=G/=0.0497kg/（m.s） （15）冷凝段雷诺数：=627.9 （16）冷却段雷诺数：=4330冷却段管外壁温假定值： =42壁温下烟道气粘度：=0.3519Pas粘度修正系数：=0.993 （17）切去弓形面积所占比例按h/Di=0.2 查得为0.145壳程传热因子查图图2-12得=75冷凝段壳程换热系数：冷凝负荷：=26.60Kg/() （18）=0.945 （19） =0.945 =31394冷却段壳程换热系数： =400.7 （20）3.7总传热系数计算烟道气侧污垢热阻：r1=0.0001762/W水侧污垢热阻： r2=0.000344/W总传热系数冷凝段： （21）=936冷却段：= = =284.8传热系数比值： =936/850=1.10 合理 =284.8/250=1.14 合理3.8管壁温度计算假设冷凝段传热长度假设冷却段传热长度冷凝段管外壁热流密度： = =22318W/ （22）管外壁温度： =tm- (=64.4-22318（+0.0001762） （23） =59.7误差校核：-=58-59.7=-1.7 误差不大冷却段管外壁热流密度： =2937.1W/m2. （24）管外壁温度： =- (+r1)=51.2-2937.1（0.0001762） （25） =43.4误差校核：-=42-43.4=-1.4 误差不大3.9管程压降计算管内壁温度：tw2=t2+=37+2937.1（+0.000344） （26） =39.5壁温下水的粘度：=659 PaS粘度修正系数： =1.008 （27）查得管程摩擦系数：2=0.042管内沿程压降： =()()() （28） =1722.75 Pa回弯压降： = =1102.60Pa （29）取进口管处质量流速： =1600kg/m2s进出口管处压降：=1.5=1.5=1933.05 Pa （30）管程结垢校正系数：=1.4管程压降：=( （31） =(1722.75+1102.60)1.4+1933.05=5888.54 Pa3.10壳程压降计算壳程当量直径： =0.0471m （32）雷诺数：=3826.7查得壳程摩擦系数：=0.8管束压降： （33）=68.46 Pa取进出口质量流速：=1000kg/进出口管压降：=1.5=1.5=964.17 Pa取导流板阻力系数：=5导流板压降：5=3213.90 Pa壳程结垢修正系数：=1.38壳程压降： =68.461.38+3213.90+964.17 =4272.5 Pa壳程允许压降：=20000Pa管程允许压降：=50000Pa 即压降符合要求。4 换热器的结构设计4.1 换热器壳体壁厚计算及校核材料选用20R计算壁厚为：， （34） 式中:为计算压力，取=1.0Mpa；600mm；=0.9；t =92Mpa（设壳壁温度为 350C）将数值代入上述厚度计算公式，可以得知： 已知；已知5.65+1.2+0.25=7.1mm查表4-13圆整后取复验，最后取该壳体采用20钢8mm厚的钢板制造。（1）液压试验应力校核 （35） （36） （37） 查化工设备机械基础附表9-1，可见，故水压试验强度足够。（2）强度校核设计温度下的计算应力 （38） 最大允许工作压力 （39） 故强度足够。 4.2 换热器封头的选择及校核上下封头均选用标准椭圆形封头，根据JB/T4746-2000标准，封头为DN6006，查化工设备机械基础表4-15得曲面高度，直边高度材料选用20R钢。标准椭圆形封头计算厚度： （40） （41） 所以，封头的尺寸如下图：图5 换热器封头尺寸 4.3容器法兰的选择材料选用16MnR 根据JB/T4703-2000 选用DN600，PN1.6Mpa的榫槽密封面长颈对焊法兰。查化工设备机械基础附表14得 法兰尺寸如下表：表1 法兰尺寸 公称直径DN/mm 法兰尺寸/mm 螺柱d规格数量6007406905906436004423M2228图6 容器法兰4.4 管板管板除了与管子和壳体等连接外，还是换热器中的一个重要的受压器件。查（化工单元设备设计P25-27）得固定管板式换热器的管板的主要尺寸：表2 固定管板式换热器的管板的主要尺寸公称直径/mmbcd螺栓孔数60073069059864336102328对于胀接的管板，考虑胀接刚度的要求，其最小厚度可按表4-2选用。考虑到腐蚀裕量，以及有足够的厚度能防止接头的松脱、泄露和引起振动等原因，建议最小厚度应大于20mm。表3 管板的最小厚度换热器管子外径/mm25323857管板厚度/mm3/4222532综上，管板的尺寸如下图：图7 管板4.5 管子拉脱力的计算计算数据按表4选取表4项目管子壳体操作压力/Mpa0.820.78材质20钢20R线膨胀系数弹性模量许用应力/Mpa10192尺寸管子根数211管间距/mm32管壳壁温差/管子与管板连接方式开槽胀接胀接长度/mm50许用拉脱力/Mpa4.0（1）在操作压力下，每平方米胀接周边所产生的力 （42） 其中 （43） ， （2）温差应力引起的每平方米胀接周边所产生的拉脱力 （44） 其中 （45） （46） （47） 由此可知，作用方向相同，都使管子受压，则管子的拉脱力：q=+=0.08+1.46=1.544.0 （48） 因此拉脱力在许用范围内。4.6 计算是否安装膨胀节管壳壁温差所产生的轴向力为： （49） 压力作用于壳体上的轴向力： 其中 （50） = 压力作用于管子上的轴向力为： （51） 则 （52） 根据GB151-1999管壳式换热器 （53），条件成立，故本换热器不必设置膨胀节。4.7折流板设计图8 弓形折流板和圆盘-圆环形折流板 常用的有弓形折流板和圆盘-圆环形折流板，弓形折流板又分为单弓形图4-4（a）、双弓形图4-4（b）、三重弓形图4-4（c）等几种形式。单弓形折流板用得最多，弓形缺口的高度h为壳体公称直径Dg的15%45%，最好是20%，见图4-5（a）；在卧式冷凝器中，折流板底部开一90的缺口，见图4-5（b）。高度为1520mm，供停工排除残液用；在某些冷凝器中需要保留一部分过冷凝液使凝液泵具有正的吸入压头，这时可采用带堰的折流板，见图4-5（c）。 图9 单弓形折流板在大直径的换热器中，如折流板的间距较大，流体绕到折流板背后接近壳体处，会有一部分液体停滞起来，形成对传热不利的“死区”。为了消除这种弊病，宜采用双弓形折流板或三弓形折流板。从传热的观点考虑，有些换热器（如冷凝器）不需要设置折流板。但为了增加换热器的刚度，防止管子振动，实际仍然需要设置一定数量的支承板，其形状与尺寸均按折流板一样来处理。折流板与支承板一般均借助于长拉杆通过焊接或定距管来保持板间的距离，其结构形式可参见图4-6。图10 折流板安装图由于换热器是功用不同，以及壳程介质的流量、粘度等不同，折流板间距也不同，其系列为：100mm，150mm，200mm，300mm，450mm，600mm，800mm，1000mm。允许的最小折流板间距为壳体内径的20%或50mm，取其中较大值。允许的最大折流板间距与管径和壳体直径有关，当换热器内流体无相变时，其最大折流板间距不得大于壳体内径，否则流体流向就会与管子平行而不是垂直于管子，从而使传热膜系数降低。折流板外径与壳体之间的间隙越小， 壳程流体介质由此泄漏的量越少，即减少了流体的短路，使传热系数提高，但间隙过小，给制造安装带来困难，增加设备成本，故此间隙要求适宜。折流板厚度与壳体直径和折流板间距有关，见表5所列数据。表5 折流板厚度/ mm壳体公称内径/mm相邻两折流板间距/mm3003004504506006007507502002503561010400700561010127001000681012161000610121616支承板厚度一般不应小于表8-1(左)中所列数据。支承板允许不支承的最大间距可参考表8-1（右）所列数据。表6 支承板厚度以及支承板允许不支承的最大间距壳体直径/mm4004008009001200管子外径/mm19253857支承板厚度/mm6810最大间距/mm1500180025003400经选择，我们采用弓形折流板，折流板间距取450mm， 查化工设备机械基础表7-7得折流板最小厚度为4 mm，折流板外径负偏差-0.60查化工设备机械基础表7-9折流板外径为596 mm，材料Q235-A钢查化工设备机械基础表7-10拉杆12，共6根，材料Q235-AF钢折流板开孔直径，所以，折流板尺寸如下图：图11 折流板5 强度压力计算和校核5.1壳体厚度校核该壳体采用20钢8mm厚的钢板制造。（1）液压试验应力校核 （54） （55） 查化工设备机械基础附表9-1， （56）可见，故水压试验强度足够。（2）强度校核设计温度下的计算应力 （57）最大允许工作压力 （58）故强度足够。5.2 管子拉脱力校核计算数据按表7选取表7项目管子壳体操作压力/Mpa0.820.78材质20钢20R线膨胀系数弹性模量许用应力/Mpa10192尺寸管子根数211管间距/mm32管壳壁温差/管子与管板连接方式开槽胀接胀接长度/mm50许用拉脱力/Mpa4.0（1）在操作压力下，每平方米胀接周边所产生的力 （59）其中 （60） ， （2）温差应力引起的每平方米胀接周边所产生的拉脱力 （61）其中 （62） （63） （64） 由此可知，作用方向相同，都使管子受压，则管子的拉脱力：+=0.08+1.46=1.544.0 因此拉脱力在许用范围内。5.3开孔补强的计算（1）确定壳体和接管的计算厚度及开孔直径由已知条件得壳体计算厚度接管计算厚度为 （65） 其中 选用20钢 查附表9得 （66）开孔直径为： （67） （2）确定壳体和接管实际厚度，开孔有效补强面积及外侧有效补强高度h已知壳体名义厚度，补强部分厚度为接管有效补强宽度为 B=2d= 接管外侧有效补强高度 （68） （3）计算需要补强的金属面积和可以作为补强的金属面积需要补强的金属面积为： （69） 可以作为补强的金属面积为： （4） （5）比较，所以壳程接管需要补强，而管程接管的公称直径较大，也需要补强。常用的结构是在开孔外面焊上一块与容器壁材料和厚度都相同即8mm厚的钢板。小 结通过这次毕业设计我感觉我了解到了很多我们同专业的同学所不了解的知识，而这一点就是我本次毕业设计最大的收获之一，通过这次将近两个月的时间最终完成我的毕业设计，我的成就感是特别强烈的，我在身心上得到了极大的满足。经过一段比较长久的时间的努力，我的毕业设计终于即将要完成了，说实话这次毕业设计对于我材料成型及控制工程专业的我来说还是比较艰难的，主要因为这次设计的内容跟我大学四年所学习的知识不太相符，所以为了完成这次的毕业设计我需要向有关方面的同学借阅相关课本，还需要在学校图书馆去找相关书籍以及在互联网上了解这类毕业设计的设计方法。不过功夫不负有心人，这次的毕业设计还是让我有了一次完美的收获。对于这次的毕业设计我跨出了一个大胆的尝试，这段时间我对本次设计有关固定管板式换热器方面做了一个深刻的研究，虽然说我所学的知识与本次毕业设计相关不大，但也不能说完全不相关，其中至少是有一点联系，这样就使我对于大学课本所学的知识在微末之中有了更深刻的认识，更让我学会了掌握细节知识，并将其牢牢把握。所以对于大学所学我有了一个更加全面的认识，不再局限于一点或者一面。还记得我当时选择了这个毕业设计课题的时候心里很忐忑，总是怕这怕那的，在做这次毕业设计之前我感觉我的压力相当的大，所以我为了完成毕业设计就提前开始了准备，当时看到其他同学还在悠闲的做着其他事情的时候我还是很羡慕的，羡慕归羡慕，我还是继续为了我的毕业设计四处奔波，了解相关的所有知识，然后以完成毕业设计为目的继续努力。现如今基本上所有同学都要完成毕业设计的时候，当我们互相谈起对方所做的毕业设计课题，而我