固定管板式换热器设计说明书.doc

1、湖南化工职业技术学院页设计条件1. 操作压力介质清洁液体2. 操作压力壳程0.2MPa管程0.8MPa3. 操作温度（入口/出口）壳程 27/50 C管程90/52 C4. 程数冗程1官程15. 换热管外径25mm总长6000mm6壳程圆筒内直径800mm固定管板换热器设计设计者：邓人玮（湖南化工职业技术学院装备0812班）摘 要主要设计的是固定管板换热器，针对换热器中所需要的材料，标准零件，结构尺寸大小，作了详细的分析，从而使换热器达到工艺要求。对材料， 标准零件，结构尺寸的要求，主要从四个方面考虑：安 全性能要求（强度、韧性、刚度、耐蚀性、密封性）；工艺性要求（生产效率、能耗） ；使用性要

2、求（结构、 安装、维修、制造）；经济性要求，并运用 AutoCAD制 图，绘制出固定管板换热器总装配图。关键词固定换热器 法兰壳体管板 换热管折流板三.设计概述3.1.热传递的概念及意义1热量传递的概念热量传递是指由于温度差引起的能量转移，简称传热。由热力学 第二定律可知，在自然界中凡是有温差存在时，热就必然从高温 处传递到低温处，因此传热是自然界和工程技术领域中极普遍的 一种传递现象。2. 化学工业与热传递的关系化学工业与传热的关系密切。这是因为化工生产中的很多过程和 单元操作，多需要进行加热和冷却，例如：化学反应通常要在一 定的温度进行，为了达到并保持一定温度，就需要向反应器输入 或输出热

3、量；又如在蒸发、蒸馏、干燥等单元操作中，都要向这 些设备输入或输出热量。此外，化工设备的保温，生产过程中热 能的合理利用以及废热的回收利用等都涉及到传热的问题，由此 可见；传热过程普遍的存在于化工生产中，且具有极其重要的作 用。总之，无论是在能源，宇航，化工，动力，冶金，机械，建 筑等工业部门，还是在农业，环境等部门中都涉及到许多有关传 热的问题。应予指出，热力学和传热学既有区别又有联系。热力学不研究引 起传热的机理和传热的快慢，它仅研究物质的平衡状态，确定系 统由一个平衡状态变成另一个平衡状态所需的总能量；而传热学 研究能量的传递速率，因此可以认为传热学士热力学的扩展。3. 传热的基本方式根

4、据载热介质的不同，热传递有三种基本方式：（1） 热传导（又称导热）物体各部分之间不发生相对位移，仅 借分子、原子和自由电子等微观粒子的热运动而引起的热量传递 称为热传导。热传导的条件是系统两部分之间存在温度差。（2） 热对流（简称对流）流体各部分之间发生相对位移所引起 的热传递过程称为热对流。热对流仅发生在流体中，产生原因有 二：一是因流体中各处温度不同而引起密度的差别，使流体质点 产生相对位移的自然对流；二是因泵或搅拌等外力所致的质点强 制运动的强制对流。此外，流体流过固体表面时发生的对流和热传导联合作用的传热 过程，即是热由流体传到固体表面（或反之）的过程，通常称为 对流传热。（3）热辐射

5、 因热的原因而产生的电磁波在空间的传递称为热辐 射。热辐射的特点是：不仅有能量的传递，而且还有能量的转移32换热器的作用及运用情况在化工生产中为了实现物料之间能量传递过程需要一种传热 设备。这种设备统称为换热器。在化工生产中，为了工艺流程的 需要，往往进行着各种不同的换热过程：如加热、冷却、蒸发和 冷凝。换热器就是用来进行这些热传递过程的设备，通过这种设 备，以便使热量从温度较高的流体传递到温度较低的流体，以满 足工艺上的需要。它是化工炼油，动力，原子能和其他许多工业 部门广泛应用的一种通用工艺设备，对于迅速发展的化工炼油等 工业生产来说，换热器尤为重要。换热器在化工生产中，有时作 为一个单独

6、的化工设备，有时作为某一工艺设备的组成部分，因 此换热器在化工生产中应用是十分广泛的。任何化工生产中，无 论是国内还是国外，它在生产中都占有主导地位。33换热器的分类与特点1. 管式换热器根据结构形式的不同，管式换热器可分为四种类型，即：管壳式、 蛇管式、套管式、翅片管式。（1）管壳式换热器管壳式换热器又称列管式换热器，是典型的换热设备，再设 计、制造和选用方面，许多国家都有相应的规范和标准。管壳式 换热器是通过管子壁面进行传热的换热设备，换热设备中应用最为广泛。虽然在换热效率、结构紧凑和金属消耗量方面不及其 他类型的换热器，但它具有结构坚固，可靠性高，选材范围广， 耐压，耐温，操作弹性大等独

7、特的优点。（2）蛇管式换热器蛇管式换热器是把换热管（金属或非金属）按需要弯曲成所 需的形状，如圆盘形、螺旋形和长蛇形等。奇特点事结构简单、 造价低廉、检修清洗方便。对所需传热面积不大的场合比较适用， 同时，因管子能承受高压而不易泄漏，常被高压流体的加热或冷 却所采用。按使用状态不同，蛇管式换热器又分为沉侵式蛇管换 热器和喷淋式蛇管换热器。喷淋式蛇管换热器和沉侵式蛇管换热器相比，具有便于检修、清洗和传热效果较好等优点。其缺点是喷淋不均匀。(3) 套管式换热器套管式换热器是由两种不同直径的标准管子组装成同心圆 的套筒，然后由多段这种套管连接而成。每一段套筒称为一程， 每程的内管用U形弯管顺次连接，

8、而外管则以支管与下一程外管 相连接。由此组成多段同心圆套管换热器，程数可根据传热要求 而增减。它的优点是：1、结构简单2、耐高压3、传热面积可根 据需要增减4、适当地选择内管和外管的直径，可使流速大增5、冷、热流体可作严格的逆流，传热效果好。缺点是单位传热面金 属消耗量太大，检修、清洗和拆卸都比较麻烦，在可拆连接处容 易造成泄露。该类换热设备通常用于高温、高压、小流量流体和 所需传热面积不大的场合。(4) 翅片管式换热器翅片管换热器的结构与一般管壳式换热器结构基本相同，只是 用翅片管代替了光管。由于传热加强、结构紧凑，故可称作紧凑 式换热器。它的主要优点是：传热能力强，与光管相比，传热面 积可

9、增大2-10倍，传热系数可提高1-2倍。结构紧凑，由于单 位体积传热面大，传热能力增强，同样热负荷下与光管相比，翅 片管换热管子少。壳体直径或高度可减少，因而结构紧凑且便于 设置，可以更有效合理地利用材料。缺点是造价高和流阻大。3.4.管壳式换热器介绍管壳式换热器是目前应用最为广泛的一种换热器。它包括：固定管板式换热器、U型管壳式换热器、带膨胀节式换热器、浮头式 换热器、分段式换热器、套管式换热器等。管壳式换热器由管箱、 壳体、管束等主要元件构成。管束是管壳式换热器的核心，其中 换热管作为导热元件，决定换热器的热力性能。另一个对换热器 热力性能有较大影响的基本元件是折流板 （或折流杆）。管箱和

10、壳 体主要决定管壳式换热器的承压能力及操作运行的安全可靠性。1）工作原理：管壳式换热器和螺旋板式换热器、板式换热器一样属于间壁式换 热器，其换热管内构成的流体通道称为管程，换热管外构成的流 体通道称为壳程。管程和壳程分别通过两不同温度的流体时，温 度较高的流体通过换热管壁将热量传递给温度较低的流体，温度 较高的流体被冷却，温度较低的流体被加热，进而实现两流体换热工艺目的2.4HW651-折洗溜板：2-管束;A壳体;-封头;阳接管;伞管板图4-36固定管板式换热器2）主要技术特性:一般管壳式换热器与其它类型的换热器比较有以下主要技术特 性：1、耐高温高压，坚固可靠耐用；2、制造应用历史悠久，制造

11、工艺及操作维检技术成熟；3、选材广泛，适用范围大。换热器设计要求序 号特别要求1对事故工况的校核2对官相隔板强度的校核3各部件吊耳安装位置的校核4浮头式和U形管束固定管板外径延伸，使管板兼作试压法兰时的强度 校核5管板的刚度校核6风载荷和地震载荷的校核7进出口接管承受管线载荷的校核8叠装换热器中，底下那台换热器的校核9鞍式支座的校核10外表油漆干膜厚度的检测11封头热压成形时，终压温度的检测12壳体直线度的检测13氢工况的判别及材料要求湖南化工职业技术学院序号计算及说明依据结果一、换热器管设计计算1、换热器管材料选择及论证论证：从换热管需要承受压力或其他载荷、钢管应该有足够的强度，考虑材料的焊

12、接和冷热加工性能，换热器的使用功能和制造工艺，材料的来源与价格等综合原因根据工作介质清洁流体和操作条件选用：碳素钢10( GB8163-87b1表碳素钢102、钢管的设计压力1-3P=(1.051.1)PW=(1.051.1)x0.8=(0.840.88) MP aPd= 0.85MPa=0.84 0.88Mpa取 Pd=0.85Mpa3、钢管设计温度1表tw = 110 0c90 + 20 =110C1-124、腐蚀裕量钢管材料为碳素钢10查表得1表C2 =1 mmC2 =1 mm1-185、钢管厚度负偏差C = 0.15mm1表1-17C = 0.15mm6、钢管许用应力c =(T t =

13、 108Mpa钢管的焊缝系数，因为采用无缝钢管(P =1.07、换热管的厚度计算： 只有冗程设计压力Ps,管程设计压力Pt=0 只有管程设计压力Pt,冗程设计压力Ps=0 壳程设计压力Ps和管程设计压力Pt同时作用，计算 结果应满足巧w bt 1管程s w * s壳程取其大者比较，作为其厚度，管道外压乞=d0一 =25：一 = 0.3mme Y2.2EH2.2x105x2C =G +C2 =0.15+1 =1.15mmd =6 +C =0.3+1.15=1.45mm管道内压：,PcDi0.85 疋 256= =0.10mmN - FC 2x10810.855d=6+C2 =0.10+1=1.1

14、0mm 合d +G =1.10+0.15=1.25mm综合上式比较，这些基本受外压的有效厚压管计算厚度6 = 6e -G =0.3-0.15 = 0.15mm设计厚度=6 + C2 = 0.15 + 2 二 2.15mm名义厚度1表1-151表1-161P591P45108Mpatp =1.05 =0.106n =01.256 =0.156 =2.156n =e+G =0.3+ 0.15 = 0.45mm有效厚度6e = 0.3mm但实际厚度应查：GB8163轮送流体用无缝钢管 常用换热器的规格和尺寸偏差GB8163-87 252.50.20（外径偏差）12% （壁厚偏差） -10%则换热管厚

15、度为2.5mm表106e = 0.3mm选正三角形排列、换热器筒体设计计算1 、换热管排列方式确定由于介质为清洁的液体，不需要进行机械清洗因此选正三角形排列2、换热器换热面积与管板布管区当量计算换热面积采 用多管程结构，利用图画法估算出管子根数及管子分 布。因为管子与管板采用焊接结构管子中心距取：a =1.25d。=1.25 25 = 31.25 32mm管子最外层管子中心距距壳体内表面距离不小于11(do 10)=沁 25 10 =22.5mm22所以管数最多的一排管数为：800二22.5 = 24，则取32管数去24+仁25除去拉杆管子利用图算法计算管子排数6 32 =192400-192

16、=208208 6排32算出管子数目为25 2 (24 23 22 21 20) = 225根换热管正三角形排列中心距为32mm换热管换热面积及管板分管区当量直径计算S = n 二 dl= 225 3.14 0.025 62=105.98m对于单管程换热器管板布管区面积，三角形排列：2 2At =0.866ns =0.866 225 32=199526.4m m2管板布管区当量直径Dt4 1990526.43.14504.2mm管子数目225S=105.98A = 199526.4Dt 二 504.2Di 二 800mm3. 根据圆筒的公行直径数据取 Di = 800mm4. 换热器筒体材料及

17、设计参数的选择根据a. 换热器设备使用和操作条件b. 考虑材料的焊接和冷热加工性能c. 设备的使用功能和制造工艺d. 考虑材料的来源与价格以上的各种情况来看,取GB-6654 16MnR结构钢板作为 筒体的材料设计参数的选择筒体的设计压力：1 )、P=(1.051.1)PW=(1.051.1)x0.2=(0.210.22) MP a=0.21 0.22Mpa取 Pd=0.21Mpa2) 、筒体的设计温度50 + 20 =70C3) 、腐蚀裕量筒体材料为16mnF查表得C2 =1.5 mm4) 、钢管厚度负偏差C = 0.8mm5) 、筒体的许用应力(T t =150Mpa6) 、筒体的焊缝系数

18、，因为采用2面焊局部检测半=0.855.换热器筒体厚度计算 内压薄壁圆筒体的计算厚度为：叩 2冋询-P0.21 咒 8002 汇150 汇0.85 0.21=0.66mm1表1-181表1-171表1-141表1-16Pc = 0.21MPat =110CC2 = 1.5mmG = 0.8mm=150MPa* =0.85设计厚度席=5 +C2 =0.66+1.5=2.16mm名义厚度毎n 6 +C1 =2.16 + 0.8=2.96mm圆整，取6n =6mm有效厚度Q =n -C2 -C1=6-0.8-1.5= 3.7mm6、液压试验校核液压试验时的压力为：fePi =1.25 汉巳 r=1.

19、25 X 0.21 X 150/150=0.26 Mpa圆筒应力校核，由于容器承受的压力Pi高于设计压力P,为了防止容器产生过大的应力，要求在试验压力下圆 筒产生的最大应力不超过圆筒材料在试验温度下屈服点 的90%即S =（R +PL：Di 十6）兰0.加5（%.2）2Q=（0.26+0）（800+3.7）/2X 3.7=28.24Mpa在试验压力下应满足下列条件则为合格J 0.0.2 ）查表得 0.阱bs（10*父(7120) 8.0疋10“(38.520)6000=2.78mm也Itc AsAbEsEbQ L(AsEs+AbEb)=2.78 5185.04汇 38857.5 沃 2 X05

20、 汇 2 X05=6000 汉(15185.04汽 2 汉 105 +38857.5汉 2汉 105)=1011762.513NAltc =2.78mmQ=1011762.513N将上述由静压与温度引起的轴向力综合起来在壳体上的 应力s应满足Q + N bt氏=Q A b 2PSAs1011762.51 3+101919.69-15185.04=73.34Mpa= 2 x 0.85x 150 = 255MPa因为耳空国；满足条件。在管子上的t应满足rQ+Nb t t - 20 tAb1011762.513 +101919.69-38857.5=28.66Mpa2可=208 = 216MPa所以6 2可；满足条件。1 换热管与管板连接处的拉脱力当换热管与管板采用管子开槽胀接法连接时q = Hq兀dLq =4MPa管子与管板接处的拉力校验L取胀接长度 L=50mm则拉脱力%q 兀dL28.66汇3.14汉（25一2.5）沢2.525汉 503.14rs =73.34Mp a壳体上的应 力满足条件rs =28.66Mp a壳体上的应 力满足条件=1.29Mpa所以q 1 町108所以，取f=1.0筒体开孔处的计算厚度主PCDi0.217000 =；= 0.74mm2b；W -FC