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氨气换热器设计【说明书+CAD】,氨气,换热器,设计,说明书,CAD
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氨气换热器的设计目录任务书.开题报告.指导教师审查意见.评阅教师评语.答辩会议记录 .中文摘要.外文摘要.1.前言11.1氨气的性质11.1.1氨气的用途11.1.2合成氨技术11.2换热器的性质21.2.1换热器的发展历史21.2.2换热器的国内发展现状41.2.3换热器产业发展趋势51.2.4换热器研究的主攻方向52.设计任务62.1设计内容62.2设计要求63.设计方案73.1确定设计方案73.2换热器的选型73.2.1列管式换热器73.2.2固定管板式换热器83.2.3浮头式换热器83.2.4U型管换热器93.2.5填料函式换热器93.2.6换热器最终选型103.3换热器内冷热流体通道的选择103.4流速的选择103.5.1换热管的选用113.5.2管子的排列114.物性数据124.1定性温度124.2物性数据125.工艺设计说明135.1估算传热面积A135.1.1换热器热负荷及冷却介质消耗量的计算135.1.2计算平均温度差，并确定管程数。选取逆流流向，先按单壳程单管程考虑，计算出平均温度差。135.1.3按经验数值初选总传热系数145.1.4现估算传热面积为：145.2主要工艺及结构基本参数的计算145.2.1换热管数量及长度的确定145.2.2管子的排列方式及管子与管板的连接方式的选定145.2.3计算外壳体内直径145.2.4画出管排列图155.2.5计算实际传热面积及过程的总传热系数155.2.6折流板155.2.7拉杆的直径和数量与定距管的选定165.2.8温度补偿圈的选用165.2.9列出所设计换热器的结构基本参数165.3换热器主要结构尺寸与接管尺寸的确定175.3.1壳体壁厚的确定175.3.2流体进出口接管的直径计算175.4管、壳程压强降的校验185.4.1管程压降185.4.2壳程压降（冷却水走壳程）185.5总传热系数的校验206.主体构件的设计和连接226.1管束分程及管壳分程情况226.2管板的选取236.3管箱与封头246.4折流板246.5支承板256.6拉杆与定距管266.7支座276.7.1立式支座276.7.2卧式支座277辅助结构的选用287.1缓冲挡板287.2导流筒287.3排气，排液孔287.4 膨胀节的选用与计算298.总结与展望308.1 总结308.2 展望31参考文献32致谢33 氨气热器的设计 1.前言化工单元设备设计是化工类和机械类专业学生运用自己已学课程的知识来解决常规化工设计中的问题的一次很好地、全面地锻炼过程。通过设计可以不断增强我们运用综台知识的能力，解决工程实际问题的能力和全面分析问题的能力 。为此，我选择了氨气变换气换热器的设计以加强我们对自己知识理解的运用。列管式换热器是化工生产中常用的一种换热设备，结构简单，适应性强；单位体积所具有的传热面积大并传热效果好；而且种类多，型号全。因此，本设计就是设计一台小型台成氨厂变换工段所用的列管式换热器。1.1氨气的性质氨气在常温下是无色有刺激性气味且易溶于水的气体，氨分子和水通过与氢键结合生成NH3H2O，NH3H2O能够部分电离，反应为NH3H2ONH4+OH-。由于氨水呈弱碱性，因此可以和酸反应。氨气溶于水后，加热易挥发，因此分离氨气只需加热即可。但由于其气味较大，因此需要进行尾气处理。1.1.1氨气的用途氨气的用途非常的广泛。工艺上可以用氨气通过氧化制造硝酸，而硝酸是重要的化工原料，也可以用来制造纯碱、化肥、尿素、炸药等。军事上可以作为一种碱性消毒剂，用于消毒沙林类毒剂。无机工业用于制造各种铁盐。毛纺、丝绸、印染等工业用于洗涤羊毛、呢绒、坯布溶解和调整酸碱度，并作为助染剂等。有机工业用作胺化剂，生产热固性酚醛树脂的催化剂。医药上用稀氨水对呼吸和循环起反射性刺激，医治晕倒和昏厥，并作皮肤刺激药和消毒药。也用作消毒剂和洗涤剂、中和剂、生物碱浸出剂。还用于制药工业，纱罩业、晒图等。是近现代化工的基础原料，还可用于压缩制冷。1.1.2合成氨技术在现代社会，氨气的用途非常的广泛，因此合成氨的技术，和对合成氨技术的改良，对于生成氨的产量是非常重要的。而在合成氨技术中，对于热量的控制以及如何利用换热器减少对燃料的使用，加强热量回收再利用的效率，这将降低合成氨技术中投资的费用。 1.2换热器的性质换热器的用途多样，不过一般只有两种用途被经常使用，一是降温；二是加热。是通过换热器将一种介质中的部分热量传递到另一种介质。换热器是实现化工生产过程中和热量交换和传递不可缺少的设备。而在热量交换中常有一些腐蚀性、氧化性很强的物料，因此要求换热器的的材料具有强抗腐蚀性，可以用石墨、陶瓷、玻璃等非金属材料以及不锈钢、钛、锆等金属材料制成。但石墨、陶瓷等非金属材料制成的换热器易碎、体积大、导热差等缺点，但钛、锆等稀有金属制成的换热器又较为昂贵，不锈钢则难耐许多腐蚀性介质，并会产生晶间腐蚀。1.2.1换热器的发展历史 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。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。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。换热器的种类很多，但根据冷、热流体热量交换的原理和方式基本上可分为三大类：间壁式、混合式和蓄热式。在三类换热器中，间壁式换热器应用最多。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、热流体交替流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、板翅式换热器、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而设计的换热器，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差分布较均匀。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汽化潜热，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。一般换热器都用金属材料制成，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；非金属材料除制作垫片零件外，有些已开始用于制作非金属材料的耐蚀换热器，如石墨换热器、氟塑料换热器和玻璃换热器等。 中国换热器产业起步较晚。1963年抚顺机械设备制造有限公司按照美国TEMA标准制造出中国第一台管壳式换热器，1965年兰州石油机械研究所研制出我国第一台板式换热器，苏州新苏化工机械有限公司（原苏州化工机械厂）在20世纪60年代研制出我国第一台螺旋板式换热器。之后，兰州石油机械研究所首次引进德国斯密特换热器技术，原四平换热器总厂引进法国维卡勃换热器技术，国内换热器行业在消化吸收国外技术的基础上，开始获得较快发展。20世纪80年代后，中国出现了自主开发传热技术的新趋势，大量的强化传热元件被推向市场，国内传热技术高潮时期的代表作有折流杆换热器、新结构高效换热器、高效重沸器、高效冷凝器、双壳程换热器、板壳式换热器、表面蒸发式空冷器等一批优良的高效换热器。1.2.2换热器的国内发展现状 进入21世纪后，大量的强化传热技术应用于工业装置，我国换热器产业在技术水平上获得了快速提升，板式换热器日渐崛起。如兰石换热设备公司板式换热器成功进入国内核电建设项目常规岛和核岛领域，并陆续将板式换热器用于大乙烯项目、钛白粉生产线等领域。四平巨元瀚洋板式换热器公司也成功进入大亚湾二期岭澳核电站的常规岛和核岛领域。 最近几年，我国还在大型管壳式换热器、大直径螺纹锁紧环高压换热器、高效节能板壳式换热器、大型板式空气预热器方面获得了重大突破。飞速发展的柏恩品牌（BHE）诞生于2004年。2008年8月，由中国石化集团上海工程公司与中国第一重型机械公司、兰州石油机械研究所、镇海炼化公司共同承担研制的镇海炼化百万吨/年乙烯项目-EO/EG装置大型管壳式换热器国产化研制通过技术鉴定，标志着我国在大型管壳式换热器领域获得了重大突破。该换热器是国内正在制造的首台换热面积超过10000的超大型管壳式换热器。 2009年4月，中国石化组织专家对“大直径螺纹锁紧环高压换热器国产化研制攻关”项目进行了科学技术成果鉴定。该项目是依托中国石化青岛炼油化工有限责任公司千万吨级炼油项目中的320万吨/年加氢处理装置开展的，由中国石化工程建设公司、中国石化青岛炼油化工有限责任公司、兰州兰石机械设备有限责任公司、抚顺机械设备制造有限公司联合承担。该换热器的国产化标志着我国已经具备设计和制造DN2000以下的螺纹锁紧环高压换热器的能力，大大降低了石化工程建设成本，单台即可节约采购资金1400万元，且缩短了交货期，打破了国外公司垄断地位。2009年6月，由甘肃蓝科石化高新装备股份有限公司研制开发的国产首台10500高效节能板壳式换热器暨国产首台100万吨/年PX装置10910板式空气预热器在上海通过出厂验收。该10500高效节能板壳式换热器将应用在中国石油乌鲁木齐石化分公司100万吨/年芳烃联合装置，是目前国内单台换热面积最大的国产板壳式换热器，其采用的RZ4板型、T型分布器等多项技术属国际领先，换热器整体已达到国际先进水平。10500高效节能板壳式换热器的研制成功是国产板壳式换热器发展的一个重要里程碑，标志着国产板壳式换热器已跨入国际领先行列，并将结束同类产品依靠进口的历史。 国产首台总传热面积达10910板式空气预热器将应用于中国石油乌鲁木齐石化分公司100万吨 /年对二甲苯（PX）芳烃联合装置，是国内首套加热炉空气预热器全部采用全焊接波纹板空气预热器的对二甲苯装置，也是首套排烟温度低至100的装置，整体技术达到国际领先水平。这台空气预热器属高效、环保节能型热交换器，其研制成功标志着国产全焊接波纹板空气预热器的研制迈上了一个新台阶。1.2.3换热器产业发展趋势随着我国工业化和城镇化进程的加快，以及全球发展中国家经济的增长，国内市场和出口市场对换热器的需求量将会保持增长，客观上为我国换热器产业的快速发展提供了广阔的市场空间。从市场需求来看，在国家四万亿投资的刺激下，我国国民经济仍将保持较快发展。石油化工、能源电力、环境保护等行业仍然保持稳定增长，大型乙烯项目、大规模的核电站建设、大型风力发电场的建设、太阳能光伏发电产业中多晶硅产量的迅速增长、大型环境保护工程的开工建设、海水淡化工程的日益成熟，都将对换热器产业产生巨大的需求拉动。从产品结构来看，由于石油化工、食品医药、海水淡化等领域对换热器使用的材料有特殊要求，以及特殊材料换热器利润空间相对较大等因素，未来特殊材料换热器所占比例将会增加，而该类产品价格较高，也会使市场规模进一步放大。目前，我国换热器产业的市场规模大概为360亿人民币。基于石油、化工、电力、冶金、船舶、机械、食品、制药等行业对换热器稳定的需求增长，我国换热器产业在未来一段时期内将保持稳定增长。1.2.4换热器研究的主攻方向尽管我国在部分重要换热器产品领域获得了突破，但我国换热器技术基础研究仍然薄弱。与国外先进水平相比较，我国换热器产业与西方发达国家最大的技术差距在于换热器产品的基础研究和原理研究，尤其是缺乏介质物性数据，对于流场、温度场、流动状态等工作原理研究不足。在换热器制造上，我国目前还以仿制为主，虽然在整体制造水平上差距不大，但是在模具加工水平和板片压制方面与发达国家还有一定的差距。在设计标准上，我国换热器设计标准和技术较为滞后。目前，我国的管壳式换热器标准的最大产品直径还仅停留在2.5米，而随着石油化工领域的大型化要求，目前对管壳式换热器直径已经达到4.5米甚至5米，超出了我国换热器设计标准范围，使得我国换热器设计企业不得不按照美国TEMA标准设计。更为严重的是，我国在大型专业化换热器设计软件方面严重滞后。目前我国在换热器设计过程中还不能实现虚拟制造、仿真制造，缺乏自主知识产权的大型专业计算软件。由于在换热器的相关工艺计算、传热计算和振动模型的计算方面缺少大型专业化软件支持，使得我国对设计出来的换热器产品无法准确预计其使用效果，这使得我国企业在换热器产品招标过程中处于不利地位。因此在未来必须重视换热器产品的基础研究和原理研究，制作出我国自己的换热器标准。 2.设计任务2.1设计内容本次设计任务为列管式换热器工艺设计，具体如下：某合成氨车间，用冷水冷却变换气。变换气的体积流量7000标准m3/h，其他有关参数如下表。 表1-1 参数表分子量M17导热系数，W/(m)0.058密度，/m30.925允许压强降，N/3920粘度，Pas1.5510-5进口温度T1，144比热Cp，KJ/（kg）1.9出口温度T2，57操作条件下水的数据：全年最高温度30，经过处理的软水。2.2设计要求（1）设计方案的确定；（2）换热器的设计计算，包括：热负荷计算、平均温差的计算、传热面积计算、换热管的选择、管数计算与排列、壳体直径与壳体厚度的确定、管程和壳程压力降的计算、总传热系数的计算与校核；（3）主体构件的设计和连接，包括：管束分程及管壳分程情况，管板、管箱与封头、折流板、支承板、拉杆与定距管等；（4）辅助结构的选用；（5）完成设备装配图及重要零部件图；3.设计方案3.1确定设计方案当我们知晓设计内容，下一步则是根据内容确定设计方案，一般包括工艺流程及主要设备形式的选择。而主要设备的选型主要是选择何种列管式换热器， 流动空间及流速的确定。3.2换热器的选型本设计任务是利用冷流体（水）给氨降温。利用热传递过程中对流传热原则，制成换热器，以供生产需要。选择换热器时，要遵循经济，传热效果优，方便清洗，复合实际需要等原则。不同的换热器适用于不同的场合。换热器的选择涉及的因素很多，如换热流体的腐蚀性及其他特性，操作温度与压力，换热器的热负荷，管程与壳程的温差，检修与清洗要求等。而列管式换热器在生产中被广泛利用。它的结构简单、坚固、制造较容易、处理能力大、适应性大、操作弹性较大。尤其在高压、高温和大型装置中使用更为普遍。所以首选间壁式换热器中的列管式换热器作为设计基础。3.2.1列管式换热器在化工企业中列管式换热器的类型很多，如板式，套管式，蜗壳式，列管式。其中列管式换热器虽在热效率、紧凑性、金属消耗量等方面均不如板式换热器，但它却具有结构坚固、可靠程度高、适应性强、材料范围广等特点，因此成为石油、化工生产中，尤其是高温、高压和大型换热器的主要结构形式。列管式换热器主要有固定管板式换热器、浮头式换热器、填函式换热器和U型管式换热器，而其中固定管板式换热器由于结构简单，造价低，因此应用最普遍。3.2.2固定管板式换热器这类换热器操作简单、便宜。最大的缺点是管外侧清洗困难，因而多用于壳侧流体清洁，不易结垢或污垢容易化学处理的场合。当壳壁与壳壁温度相差较大时，由于两者的热膨胀不同，产生了很大的温差应力，以致管子扭弯或使管子从管板上松脱，甚至毁坏整个换热器，因此，一般管壁与壳壁温度相差50以上时，换热器应有温差补偿装置，图为具有温差补偿圈（或称膨胀节）的固定管板式换热器。一般这种装置只能用在壳壁与管壁温差低于6070和壳程流体压强不高的情况。壳程压强超过6105Pa时，由于补偿圈过厚，难以伸缩，失去温差补偿作用，就应考虑采用其他结构。3.2.3浮头式换热器用法兰把管束一侧的管板固定到壳体的一端，另一侧的管板不与外壳连接，以便管子受热或冷却时可以自由伸缩。这种形式的优点是当前两侧传热介质温差较大时，不会因膨胀产生温差压力，且管束可以自由拉出，便于清洗。缺点是结构复杂，造价高。3.2.4U型管换热器此类换热器只有一个管板，管程至少为两程。由于管束可以取出，管外侧清洗方便，另外，管子可以自由膨胀。缺点是U型管的更换及管内清洗困难。 3.2.5填料函式换热器填料函式换热器的结构如图1-4所示。其特点是管板只有一端与壳体固定连接，另一端采用填料函密封。管束可以自由伸缩，不会产生因壳壁与管壁温差而引起的温差应力。填料函式换热器的优点是结构较浮头式换热器简单，制造方便，耗材少，造价也比浮头式的低；管束可以从壳体内抽出，管内管间均能进行清洗，维修方便。其缺点是填料函乃严不高，壳程介质可能通过填料函外楼，对于易燃、易爆、有度和贵重的介质不适用。3.2.6换热器最终选型考虑到换热器管壁与壳壁温差不超过50 ，而且应用广泛，操作简单、方便。用水冷却氨气不易结垢，所以选择带有补偿圈的固定管板式换热器。3.3换热器内冷热流体通道的选择冷、热流体流动通道的选择的一般原则：1) 不洁净或易结垢的液体宜在管程，因管内清洗方便。2) 腐蚀性流体宜在管程，以免管束和壳体同时受到腐蚀。3) 压力高的流体宜在管内，以免壳体承受压力。4) 饱和蒸汽宜走壳程，因饱和蒸汽比较清洁，表面传热系数与流速无关，而且冷凝液容易排出。5) 流量小而粘度大的流体一般以壳程为宜，因在壳程Re100即可达到湍流。但这不是绝对的，如流动阻力损失允许，将这类流体通入管内并采用多管程结构，亦可得到较高的表面传热系数。6) 若两流体温差较大，对于刚性结构的换热器，宜将表面传热系数大的流体通入壳程，以减小热应力。7) 需要被冷却物料一般选壳程，便于散热。 由于变换气被冷却且要求压力降不允许超过3920N/，按变换气走管内考虑；而冷却水位处理过的软水，结垢不严重，安排走壳程。3.4流速的选择流体在管程或壳程中的流速，不仅直接影响表面传热系数，而且影响污垢热阻，从而影响传热系数的大小，特别对于含有泥沙等较易沉积颗粒的流体，流速过低甚至可能导致管路堵塞，严重影响到设备的使用，但流速增大，又将使流体阻力增大。因此选择适宜的流速是十分重要的。根据经验，下表列出一些工业上常用的流速范围，以供参考。根据表中数据，变换气氨气的流速选择u=30m/s。3.5换热管的选择 3.5.1换热管的选用选用较小直径的管子，可以提高流体的对流给热系数，并使单位体积设备中的传热面积增大，设备较紧凑，单位传热面积的金属耗量少，但制造麻烦，小管子易结垢，不易清洗，可用于较清洁流体。大管径的管子用于粘性较大或易结垢的流体。我国列管式换热器常采用无缝钢管，规格为外径壁厚，常用的换热管的规格：192， 252.5，383。 几种常用的换热管的规格和尺寸偏差在此设计中选择换热管的规格为252.5碳钢管。3.5.2管子的排列管子在管板上的排列有正三角形，正方形和同心圆形三种排列方式，如下图所示。本设计采用正三角形排列。4.物性数据4.1定性温度对于一般气体和水等粘度流体，其定性温度可取流体进出口温度的平均值。故管程氨气的定性温度为：壳程流体的定性温度：4.2物性数据氨气在100.5下的物性数据（查物性参数表）密度 热容 导热系数 粘度 冷却水在33.5下的物性参数：密度 热容 导热系数 粘度 5.工艺设计说明5.1估算传热面积A5.1.1换热器热负荷及冷却介质消耗量的计算标准状况下氨气的密度 氨气的质量流率；换热器效率=0.98热负荷冷却水用量5.1.2计算平均温度差，并确定管程数。选取逆流流向，先按单壳程单管程考虑，计算出平均温度差。有关参数，根据P，R值，查温度校正系数图常用化工单元设备设计图1-6可读得，温度校正系数，可见单壳程单管程合适。因此平均温度差5.1.3按经验数值初选总传热系数选取5.1.4现估算传热面积为：5.2主要工艺及结构基本参数的计算5.2.1换热管数量及长度的确定先根据传热管内径和流速确定单程传热管数按单管程计算，所需的传热管长度为：根据国标GB151-89选择热管长度为3m，管程数传热管总数为：5.2.2管子的排列方式及管子与管板的连接方式的选定管子的排列方式，采用正三角形排列；管子与管板的连接，采用焊接法。5.2.3计算外壳体内直径由于管中心距横过管束中心线的管数取整管束中心线上最外层管的中心至壳体内壁的距离所以按壳体直径标准系列尺寸圆整，取因为，管长径比合适。5.2.4画出管排列图根据壳体内径，管中心距，横过管束中心线的管数及其排列方式，会出排管图，如图所示。从图中可以看到，中心分布15根时，按正三角形排列，可排169根，在正六边形的上下两边各加3根，总共排列175根，除去6根拉杆（拉杆位置在正六边形的六个角附近），实际排出169根，与计算相符。因此实际管子数为。5.2.5计算实际传热面积及过程的总传热系数5.2.6折流板选取折流板与壳体间的间隙为3.5mm，因此折流板直径切去弓形高度折流板数量取折流板间距，那么取整得实际折流板间距5.2.7拉杆的直径和数量与定距管的选定选用12mm钢拉杆，数量6条。定距管采用与换热管相同的管子。5.2.8温度补偿圈的选用由于，故需考虑设置温度补偿圈。具体结构尺寸可从有关标标准选取。5.2.9列出所设计换热器的结构基本参数外壳直径：换热面积：换热管数量：N=169根管长：L=3000mm管子规格： 25mm2.5mm(钢管)管中心距：t=32mm管子排列方式：正三角形管程数：1壳程数：1折流板数量：折流板间距：h=290mm拉杆数量：6根拉杆直径：12mm定管距： 与换热管相同规格通过管板中心的管子数： 5.3换热器主要结构尺寸与接管尺寸的确定换热器的主要结构有封头、简体法兰、管板、筒体、折流板（或支撑板）、支座等。主要接管有：流体进出口接管，排气管，排流管等。5.3.1壳体壁厚的确定选取设计压力p=0.6Mpa，壳体材料为Q235，查得其相应的许用应力=113Mpa；焊缝系数=0.65（单面焊），腐蚀裕度C=3+0.5=3.5mm，所以根据钢板厚度标准，取厚度为6mm钢板，即5.3.2流体进出口接管的直径计算氨气进出口接管，取，那么经圆整采用325mm8mm热轧无缝钢管（YB231-64），实际氨气进出口管内流速为冷却水进出口接管，取，那么圆整采用95mm热轧无缝钢管（YB231-64），实际冷却水进出口管内流速为5.4管、壳程压强降的校验5.4.1管程压降据上述结果可知：管程数，串联壳程数，对于的换热管，结构校正系数为。换热器为单管程，；流体流经直管径（包括进出口）的压力降为由于取=0.2mm，那么/di=,可查得=0.027，故所以管程流体压降满足要求。5.4.2壳程压降（冷却水走壳程）其中流体流经管束的压降由于，管子排列方式对压强降的校正因子，F=0.5（正三角形排列）壳程流体的摩擦系数：横过管子中心的管子数：折流板数：所以壳程压降满足题给要求5.5总传热系数的校验总传热系数由下式计算：其中，管内氨气的传热系数的计算管间水的传热系数的计算由于水被加热，取粘度校正系数取水侧与气侧污垢热阻均为，钢管导热系数，故所以，一般应在1.151.25之间.本设计传热面积稍大.换热器型式：固定管板式工艺参数名称管程壳程物料名称氨气冷却水操作压力，未知未知进（出）口温度， 30/37定性温度，流量，kgh531329400流体密度，kgm30.925994.7定压比热容，kJ/(kg)1.94.18导热系数，W/(m)0.0580.621流速，ms301.5粘度，Pas裕度/%14.7总传热系数，W(m2)159对流传热系数，W(m2)2392170污垢热阻，w/m20.000260.00026压力降，Pa32301446普朗特数0.514.99使用材料碳钢碳钢管子规格 252.5 管长mm3000管程数1排列方式正三角形折流板间距，mm290挡板数Nb9公称压力，Mpa2.5传热面积 38公称直径D,mm273壳程数1管程数Np(N)1管长 (L)3m管数n169管排列方式正三角形中心排管数nc15管心距32mm6.主体构件的设计和连接6.1管束分程及管壳分程情况在设计中如果采用多管程，则需在管箱中安装分层隔板。分程时，应使各程管子数目大体相等。此外，从制造安装操作的角度考虑，通常采用偶数管程，但程数不宜过多，否则隔板本身将占去相当大的面积，而且在壳程忠形成许多旁路，影响传热。管束分程方法采用平行和T形方式。当管程流体进出口温度相差很大时，应避免流体温差较大的两部分管束紧邻，否则在管束与管板忠将产生很大的。根据经验，跨程温差最大不得超过28，故程数小于4时，采用平行的隔板更为有利。下图是隔板分程与流体流通顺序图。下图中列出了几种壳程形式。图中（a）为E型，是最普通的一种，壳程时单程，管程可为单程，也可为多程。为了增大平均温度差提高传热效率，在壳程中装入一块平行于轴线的纵向隔板，便成为二管程的换热器，如图中（b）所示F型，流体按逆流方向进行热交换。图中（c）为G型，也属二壳程的换热器，纵向隔板从管板的一端移开使壳程流体得以分流。壳体的进出口接管对称的布置在中央部位。壳程中流体压力降与E型相同，但在传热面积与流量相同的情况下具有更高的效率。G型壳体也称为对称分流壳体，壳体中可通入单相流体，也可通入有相变的流体。图中（d）为H型，与G型相似，同属二壳程的换热器，但进出口接管与纵向隔板均多一倍，故又称双分流壳体。 综合考虑，单管程单壳程设计简单，结构耐用且便于清洗管中的污垢。故本设计采用单管程，单壳程E型。6.2管板的选取管板，就是在钢板上钻出比管子外径一样略大一些的孔，将管子穿入焊住固定，起这样作用的一种配件。 在固定式管板的计算中按有温差的各种工况计算出壳体轴向应力、换热管的轴向应力、换热管与管板之间的拉脱力q中，有一个不能满足强度（或稳定）条件时，就需要设置膨胀节。在固定式管板强度校核计算中，当管板厚度确定之后，不设膨胀节时，有时管板强度不够，设膨胀节后，管板厚度可能就满足要求。此时，也可设置膨胀节以减薄管板，但要从材料消耗、制造难易、安全及经济效果等综合评估而定。一般浮头式换热器的受力较小，其厚度只要满足密封性即可。对于胀接的管板，考虑到胀接刚度和腐蚀余量的要求，必须要有足够的厚度才能防止街头的松脱，泄露和引起震动，建议最小厚度应大于20mm。本设计选取管板厚度为20mm。固定管板换热器中常用的是U型膨胀节，它具有结构紧凑简单，补偿性好，价格便宜等优点。管板加工的精度，特别是管孔间距和管径公差、垂直度、光洁度都极大地影响着以上所列化工设备的组装和使用性能。随着化工设备、电站的大型化，其管板直径也变得越来越大，直径为4m-5m的管板很常见。大型管板的特点是管孔数量多、密、孔径小、深、精度和光洁度要求高。6.3管箱与封头换热器管内流体进出口的空间称为管箱。管箱结构如下图所示。由于清洗，检修管子时需要拆下管箱，因此管箱结构应便于拆装。6.4折流板安装折流板的目的，是为了加大壳程流体的湍流速度，使湍流程度加剧，提高壳程流体的对流传热系数。在卧式换热器中折流板还起到支撑管束的作用。常用的折流板有弓形（或称圆缺形）和圆盘环形两种，如图所示。弓形折流板结构简单，性能优良，在实际中最为常用。弓形折流板切去弓形高度为壳体内径的 ，实际中常取值 为了检修时能完全排除卧式换热器里面的液体，折流板下部应开有小缺口。对于立式换热器则没有必要。弓形折流板在卧式换热器的排列方式为分为圆缺上下方向和圆缺左右方向。上下方向排列，可造成液体的剧烈扰动，增大表面传热系数，这种排列为常用；如果有悬浮颗粒，则应采用左右方向排列。如下图所示为两种排列的折流板 折流板直径取决于它与壳体之间的间隙大小。间隙过大时，流体由间隙流过根本不与换热器接触；间隙过小时又会引起制造和安装上的困难。折流板的直径与壳体间隙可依下表所示的数值选定。壳体直径 325 400 500 600 700间隙 2.0 3.0 3.5 3.5 4.0壳体直径 800 900 1000 1100 1200间隙 4.0 4.5 4.5 4.5 4.5折流板的数量可以用下列公式来计算。计算时先依折流板间距的系列标准取值，然后根据计算结果取整，再计算出实际的折流板间距。式中L为换热管管长；h为折流板间距的系列标准。 壳体内直径 相邻两折流板间距 300 300-450 450-600 200-400 3 5 6 400-700 5 6 10 700-1000 6 8 10 1000 6 10 12 折流板厚度的标准折流板的间距在阻力允许的条件下应尽可能小，允许的者流板最小间距为壳体内径的20%，允许的折流板最大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，从而使表面传热系数降低。本设计选取的折流板厚度为5mm，折流板为9块，间距为290mm（见前面相关计算）。6.5支承板 一般卧式列管式换热器均设有折流板，它即起折流板作用又起支承作用。但当工艺上无折流板要求（如冷凝器）而管子又比较细长时则应考虑有一定数量的支承板，以便于安装和防止变形过大。支承板一般做成半圆形比较好，其厚度及允许不支承的最大间距如下表所示。 支承板厚度壳体直径 400 400-800 900-1200支承板厚度 6 8 10允许不设支承板的最大间距 管子外径 19 25 38 57最大间距 1500 1800 2500 3400本设计折流板间距为290mm，且换热管的长度比较短，从简化结构方面考虑不设支承板。6.6拉杆与定距管折流板的安装固定是通过拉杆和定距管来实现的。拉杆是一根两端都带有螺纹的长杆，一端拧入管板，折流板就穿在拉杆上，各板之间则以套在拉杆上的定距管来保持板间距离，最后一块折流板可用螺母拧在拉杆上紧固。拉杆直径及数量可依换热器壳体内径选定，各种尺寸的换热器的拉杆直径和拉杆数，可参考下表选取。定距管通长采用与换热管材料，直径相同的管子。拉杆直径与最小拉杆数壳体直径拉杆直径最小拉杆数200-250 104273，400，500，600 124800，1000 126120012812501210 本设计拉杆数为6根，拉杆长度290mm，拉杆直径12mm。6.7支座换热器支座通常采用立式和卧式两种。6.7.1立式支座立式支座的尺寸和要求，按JB/T4725 B型，BN性悬挂式支座规定。公称直径的立式换热器，至少采用两个支座。公称直径的立式换热器，采用四个支座。支座在换热器的位置，壳根据工艺安装要求确定。6.7.2卧式支座卧式换热器，采用固定F型和滑动S型鞍式支座各一个，一般靠近管箱侧位固定鞍座。卧式支座的尺寸可按JB/4712鞍式支座的A型和B型带垫板，高度为200mm的尺寸选取。其承载能力一般不需进行验算。若另外设计鞍座或在特殊情况下需要对该标准的鞍座进行验算，则可按有关规定进行载荷分析，筒体应力计算与校核来确定。卧式支座在换热器的位置尺寸可参考下列原则确定。两支座应设置在换热器管束长度范围内的适当位置，一般为：当换热管L3000mm时，两支座间距取；当换热管L3000mm时，两支座间距取；并且必须满足壳程接管焊缝与制作焊缝间之距离要求。即；式中取，且50mm。B为补强圈外径，单位为mm；S为筒体壁厚，单位为mm。本设计选用卧式支座。 7辅助结构的选用7.1缓冲挡板当加热蒸汽或高速流体流入壳程时，对换热管会造成很大的冲刷而影响换热器的传热效率和换热管的寿命。故常将换热器壳程接管在入口处加以扩大，即将接管做成喇叭形，以起缓冲作用；或在换热器流体入口处设置缓冲挡板。缓冲挡板有圆形和方形两种。圆形挡板为了减小流体阻力，挡板与换热器壳壁的距离不应太小，至少应保持此处流道截面积不小于流体进口接管的截面积，且距离不应小于30mm。若距离太大也妨碍管子的排列，且减少了传热面积。当需加大流体通道时，也可在挡板上开些圆孔以加大流体通过的截面积。方形挡板上开了小孔以增大流体通过的截面积。7.2导流筒 导流筒通常安装于壳程流体的入口处。导流筒可将加热蒸汽或流体导致靠近管板处才进入管束间，使得更充分的利用换热器的换热面积，目前常用这种结构来提高换热器的换热能力。7.3排气，排液孔对于蒸汽在壳程冷凝的立式换热器，冷凝器等，应尽量减少冷凝液在管板上的积留，以保证传热面的充分利用。冷凝液排出管应在壳程尽可能高的位置，如管板上，安装不凝性气体的排出管，作为开机时的排气及运行中间断的排除不凝性气体，以提高传热效率。7.4 膨胀节的选用与计算固定管板式换热器在换热过程中，管束与壳体有一定的温差存在，而管板、管束与壳体是刚性连接在一起，当温差达到某一个温度直时，由于过大的温差应力往往会引起壳体的破坏和管束的弯曲，需设置补偿装置，如膨胀节。膨胀节是安装在固定管板式换热器上的挠性构件，对管束与壳体间的变形差进行补偿，以此来消除壳体与管束间因温差而引起的温差应力。膨胀节的型式较多，通常有波形膨胀节、平板膨胀节、形膨胀节等。而在生产实践中，应用最多的，最普遍的是波形膨胀节。由于管束与壳体温差大于50，产生的温差应力过大应设置膨胀节，消除温差应力。 公称压力PN=2.5Mpa层数m单层厚度S/mm单波最大位移量e1/mm单波轴向刚度K1 /(N/mm)单波重量G/Kg14.52.175998.612.5公称直径DN/mm波根外径D0/mm波高h/mm圆弧半径R/mm直边长度L4/mm膨胀节长度L/mm平均截面积A/cm2材料1000DN+2mS=10096014.2530n(4R+2mS)+4L4=730.785()2=8970.700Gr19Ni14Mo2 如图所示为波形膨胀节 8.总结与展望8.1 总结本设计完成了对固定管板式换热器的选型、总体结构设计和变形补偿元件膨胀节、固定管板等的设计计算。针对现代设计方法的特点，根据固定管板式换热器结构和尺寸的分析以及对其各个零部件参数的分析，按照参数化设计的要求，运用三维绘图软件Solid works对换热器的各个零部件建立三维参数化模型，存入模型数据库中。需要建立的模型包括：封头、筒体、管板、筒体法兰、接管、接管法兰、膨胀节、折流板、换热管等。基于三维绘图软件的换热器计算机辅助设计(Solid works、Solid Edge等)不仅节省大量人力、物力，提高设计过程的效率，而且全改变以往单纯的手工计算和二维绘图设计，使换热器的设计过程提高到了完全计算机计算和绘图，增强了设计过程中零部件和换热器最终装配的可视化，方便了换热器需求方和设计方在设计过程中的交流和产品优化。本设计较好的完成了设计任务的规定要求，达到了生产制造的条件，但设计过程中也有不足之处：(1)方案设计初期，只考虑了设计的可行性，忽略了加工制造的难度，导致设计的一些零部件无法加工，不得不重新设计，浪费了大量的时间和精力。(2)设计中过分考虑安全因素
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