换热器的设计说明书

1、换热器的设计换热器概述 换热器是化工、石油、动力、食品及其它许多任务业部门的通用设备，在生 产中占有重要地位。 换热器种类很多， 但根据冷、 热流体热量交换的原理和方式 基本上可分三大类即：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。换热器随着换热目的的不同， 具体可分为加热器、 冷却器、蒸发器、 冷凝器，再沸器和热交换器等。 由于使用条件的不同， 换热设备又有各种各样的 形式和结构 。换热器选型时需要考虑的因素是多方面的，主要有 : 热负荷及流量大小； 流体的性质； 温度、压力及允许压降的范围； 对清洗、维修的要求； 设备结构、材料、尺寸、重量； 价格、使用安全性和寿命；

2、 按照换热面积的形状和结构进行分类可分为管型、板型和其它型式的换热 器。其中，管型换热器中的管壳式换热器因制造容易、生产成本低、处理量大、 适应高温高压等优点，应用最为广泛。管型换热器主要有以下几种形式：（ 1）固定管板式换热器： 当冷热流体温差不大时， 可采用固定管板的结构型 式，这种换热器的特点是结构简单，制造成本低。但由于壳程不易清洗或检修， 管外物料应是比较清洁、 不易结垢的。 对于温差较大而壳体承受压力较低时， 可 在壳体壁上安装膨胀节以减少温差应力。（ 2）浮头式换热器： 两端管板只有一端与壳体以法兰实行固定连接， 称为固 定端。另一端管板不与壳体连接而可相对滑动，称为浮头端。因此

3、，管束的热膨胀不受壳体的约束，检修和清洗时只要将整个管束抽出即可。适用于冷热流体温 差较大，壳程介质腐蚀性强、易结垢的情况。（3）U形管式换热器换：热效率高，传热面积大。结构较浮头简单，但是管 程不易清洗，且每根管流程不同，不均匀。表1-1换热器特点一览表分类管式管壳式名称特性固定管板式冈性结构用于管壳温差较小的情况（一般W 50。C），管间不 能清洗带膨胀节：有一定的温度补偿能力，壳程只能承受较低的压力浮头式管内外均能承受高压，壳层易清洗，管壳两物料温差120C；内垫片易渗漏U型管式制造、安装方便，造价较低，管程耐压高；但结构不紧凑、管子不易更换和不易机械清洗填料函式内填料函：密封性能差，只

4、能用于压差较小场合外填料函：管间容易泄露，不易处理易挥发、易爆易燃及压力较咼场合釜式壳体上都有个蒸发空间，用于蒸汽与液相分离套双套结构比较复杂，主要用于高温高压场合或固定床反应器中管式管式套管式能逆流操作，用于传热面积较小的冷却器、冷凝器及预热器板式板式拆洗方便，传热面能调整，主要用于粘性加大的液体间换热螺旋板板制造简单，紧凑，可用于带颗粒物料，温位利用好；不易检修伞板式制造简单、紧凑、成本低、易清洗，使用压力不大于，使用温度不大于150 C板壳式板数类似管束，可抽出清洗检查，压力不能太高蓄热式回旋式盘式传热效率咼，用于咼温烟气冷却等鼓式用于空气预热器等固定格室式紧凑式适用于低温到高温的各种条

5、件非紧凑式适用于咼温及腐蚀性气体场合表 面 扩 展 式板翅式紧凑、效率高。可多股物流同时换热，使用温度不大于150C,主要用于粘性加大的液体间换热管翅式咼效而紧凑，换热面积大，传热效果好在过程工业中， 由于管壳式换热器具有制造容易， 生产成本低，选材范围广， 清洗方便，适应性强，处理量大，工作可靠，且能适应高温高压等众多优点，管 壳式换热器被使用最多。工业中使用的换热器超过 90%都是管壳式换热器，在工 业过程热量传递中是应用最为广泛的一种换热器。结合上述优点和本工艺的特 点，本工艺的换热器主要选用管壳式换热器。管壳式换热器的选用结构参数的确定管径 管径越小换热器越紧凑、便宜，但压力降会增加。

6、为了满足允许的压降，一 般选用19m的管子；对于物流流量较大的，采用25mm以上的管子。管长无相变传热时， 管子长则换热系数增加， 对于相同的换热面积， 管子长则管 程数减小， 使得压力降减小， 每平方米传热面积比降低。 我国生产的标准钢管长 度为6m,故系列标准中管长有 m, 2 m, 3 m, 6 m和9 m五种。因此，一般管长取 4-6m,对大面积，无相变换热器管长可取至 89m管子配布换热管在管板上的排列方式主要有正三角形、 正方形和转角正三角形、 转角 正方形。正三角形排列形式最为普遍, 由于管距都相等, 可以在同样的管板面积 上排列最多的管数。 但因管外不易清洗, 其适用场合受到限

7、制, 主要适用于壳程 介质污垢少, 且不需要进行机械清洗的场合。 而采用正方形和转角正方形排列的 管束,能够使管间小桥形成一条直线通道,便于管外机械清洗。管心距 管心距小设备紧凑,但将引起管板增厚、清洁不便、壳程压降增大。故一般 选用范围为（d为管外径）0表1-2 换热管管心距换热管外径/mm19253238换热管中心距/mm25324048分程隔板槽两侧相邻管中心距/mm38445260管程数管程数增加，管内流速增加，传热系数增加。管程数一般有 1、2、4、6 8、 10、12等七种。但管程数不能分得太多，以免压力降过大，且隔板要占用相当大 的布管面积。折流板折流板可以改变壳程流体的方向，使

8、其垂直于管束流动，提高流速，从而增 加流体流动的湍流程度，获得较好的传热效果。折流板型式可分为圆缺形(弓形) 折流板、盘环形折流板、孔式折流板和折流圈。表1-3 折流板间距常用数值管长(mm)折流板间距(mm) 30001002003004506004500600015006000150200300450600 Pith 25Tube lype FlainW/m Mateiial Carbcri Steel| Iute pdhan3(-1；SHII OrbonSttel10 7500D 77Shall coverCarbon Steel1 jChanrel or bmnetCarbon Ste

9、elChinrwl ccvirCarbon Steel宾T Lbfisheetjstatiorar5* Carbon 5teeT ubesheebfloatiigOrbonStfisI41Floating hed coer Carbon SteelImpingerrenl proiectcm More4tE訓e-ciossihg Cartch SteelT邛e SinqlesjementalCutffed 35.15H Spacing c/z 5254/Biffle-lorig-S&al IvP*| Intel466.40nm4cSuppcrts-tubeU-bendTypeBypass se

10、alTube-tubesheet johtExp.51：Eipansion |oint-Type MunQ51FihoVE-Inlet noEEb1714Eunde entraice 963Bundle2394kg/|m sGesketJ - Sh? II sideFlat Meta Ja?kei FieTube SideFa Metal Jacket FibeFfcatiin headFlat M eta J a:ke FieCode laquirementsASME Cede sac VIII Div 1-EMAdass R - efineru serviceWaiit/5hell5229

11、7Filed with tar 7758.EBundle?974.1页Remiks57图1-1换热器工艺参数结构设计利用Aspen Exchanger Design & Rating 软件也可以对换热器进行结构设计,模拟出来的结果如下: 换热管设计T ubssbpePlainTotal numhei5140 utside diameterm m19Number of tubes pluggedCInside diametermm15Tube length actualmm5850Wall thicknessmm2Tub# length effectivemm5S56Area ratio Ao/

12、Ai1.27Tubesheet thickn已當乞iriim44.52Pitchmm25MdtcridCarbon S 鬭Pattern30Thermal ooncluctivitvW/(m IQ507945E wternal enhancementInternal enhancement图1-2换热管基本参数产 =4” i -壬nAKT-ETLSPrif 二MbLi-LTucaORHn*Tuu.Em-.MbHU*-.TJtaMJbriunC-l : E1A.V44tin.MA!* mKHi Sfc|-jr-s STZ lTuLOIiZRH-J:A 4 ”MBiTAsgwr 湖li 星 Tuo

13、e一 -n-Mr JW Lfl/wJEh寺孟MS jhlC ujaraHb -q -rnoei*. XMiJ. | x 即1 ns I图1-3换热管排列方式换热管为平滑管，外径19mm壁厚为2mm管间距为25mn，管长5850mm换热管根数514根。管子排列方式为正三角形排列 折流板和管口设计折流板的设置主要是为了提高壳程的流速， 增加扰动，改善传热。这里选择 单弓形折流板，并且圆缺方向的高度为壳体公称直径的， 折流板间距一般不小 于圆筒内径的1/5。折流板的数目及厚度等基本参数见图1-4所示BafflesTypeSina tegmentalBaffle cut: me r i outer i

14、 intermT utMBS in windcwyYesActual 1( diameter)/3915 /Number10Nominal (Z diameter)/40 /S pacing (centet center)mm525Actual (Z area)/36.3 /Spacing 贰 inletmm46&48Cut orientationHSpacing at outletmmThickneismm9.52Spacing at central inZod for GHJ J sheikmmTube ioivs in biffb overlapSS pacing at center o

15、f H shellmmTube idws in baffle window11.5E nd lergHi 朮 front headmm514Baffle hole - tube oddiam cleararicemm.4E nd lenglh al real headmm611Shdl id - bdffla od diam clearancemim4.76图1-4折流板基本参数折流板数目为6,折流板型式为单弓形，切割率为 %折流板朝向为水平，与进出口间隔（第一块与进口或最后一块与出口端面的距离）为，两块板间隔为。ShelSboTube SideNojcle typeInletOutletIn

16、letOutletNumber of no胡倚1111Actual outside diametermn323.85273 05168.28168.28In?ide diameter304.S254.51154.0515.05Height under rudemm110.9445.99图1-5管口基本参数管程进、出口管口各有一个。其中，管程进口管口外径为，内径；管程出口 管口外径，内径。壳程进、出口管口亦各有一个，壳程进口管口外径为，内径； 壳程出口管口外径，内径。 管束BundleShell ID to center 1 st tube rowmmTube passes4From top45

17、.99TubelayoutMined (H)From bottom110.94Tube pa$ oriantalionnda(d (hcxizontlFrom right71.47U-bend oiienAationundefinedFrom Left71.47Hariontal pass lane widthmm19,05Impingenwnt protectionNoneVertical p$ lane widthmm105Impingernent distancemmInteiipass tube alignmentNoInnpingenient plate diameteimmDevi

18、ationi in tubes/pasS.56ImpingerrwntwidthmmOuter tube limitmm619Impinjement plate lengUimmShell id - bundle oil diam clearancemm131Impingemeri plwtg thickre?mmTie nod nunberEGrots surface ana par shellm?179.5Tia rad cfiamotsmm127E ffective suiface area per shellm?173.6Sealing strips (iwirsj3Bare tube

19、 area per shellm?173.6Tube to tub&she皂t jointExp,Finned area p&r sFiellm?0Tube poiecHon from front hhtmm3U-bonderea per shelm?0Tube pcojeclion from lean tshtmm3图1-6管束基本参数如图为管束信息，主要对管束布置、布置限定、定位杆拉杆和管束布置图进行详细设置It Ij&e刑 MinbiirSeim Flail &zT ?5G-站鸽VgT*F.E/hk-J-gWuZ-3-a-=I3=*3I-T：4.二 i JI仲亠flitt!/*C 1ih

20、Llari丄LWa i i-i* 芳 f ibd6arnj.fi t结论合格表1-9前端管箱封头计算前端管箱封头计算结果计算.计算条件计算压力Pc设计温度t内径D曲面咼度hi材料Q235-B (板试验温度许用应力设计温度许用应力单位全国化工设备设计技术中心站椭圆封头简图MPaCmm8n.mm厂!（材） rTt rMPa1-*| 1MPat钢板负偏差Cmm腐蚀裕量C2mm焊接接头系数厚度及重量计算形状系数2K = 1 2Di=62h计算厚度KPcDi=2 t0.5Pc =mm有效厚度e =n Ol- C 2=mm最小厚度min mm名义厚度n =mm结论满足最小厚度要求重量Kg压力计算最大允许工

21、作压力2tePq=KDi 0.5 e =MPa结论合格表1-10后端管箱筒体计算后端管箱筒体计算结果计算单位全国化工设备设计技术中心站计算条件筒体简图计算压力PcMPa1设计温度tC)i r-J内径Dmm材料Q235-B (板材)试验温度许用应力MPa设计温度许用应力MPa试验温度下屈服点sMPa钢板负偏差Cmm腐蚀裕量Gmm焊接接头系数厚度及重量计算计算厚度PcDi=2 tPc =mm有效厚度e =n - C- C 2=mm名义厚度n =mm重量Kg压力试验时应力校核压力试验类型液压试验试验压力值Pt=冷=（或由用户输入）MPa压力试验允许通过的应力水平TTs =MPa试验压力下圆筒的应力T

22、 = Pt(Die)=2 e.MPa校核条件TT校核结果合格压力及应力计算最大允许工作压力2 e t PW=(Die)=MPa设计温度下计算应力tPege)=2 e=MPatMPa校核条件t t结论合格表1-11后端管箱封头计算后端管箱封头计算结果计算单位全国化工设备设计技术中心站计算条件椭圆封头简图计算压力PcMPa设计温度tC内径Dmm曲面咼度himm材料Q235-B （板材）试验温度许用应力MPa设计温度许用应力tMPa1|钢板负偏差Cmm腐蚀裕量C2mm焊接接头系数厚度及重量计算形状系数K = 62专=KPcDi计算厚度=20.5巳=mm2有效厚度e =n C- C 2=mm最小厚度m

23、in mm名义厚度n =mm结论满足最小厚度要求重量Kg压力计算最大允许工作压力2e P=KDi 0.5 e =MPa结论合格表1-12筒体计算浮头式换热器筒体计算结果计算单位全国化工设备设计技术中心站计算条件筒体简图计算压力Pc设计温度t内径D材料试验温度许用应力设计温度许用应力试验温度下屈服点钢板负偏差C腐蚀裕量C2焊接接头系数MPaCmmQ235-B （板材）MPaMPaMPammmm厚度及重量计算计算厚度PcDi=2 tPc =mm有效厚度e =n -C- C 2=mm名义厚度n =mm重量Kg压力试验时应力校核压力试验类型液压试验试验压力值PT= py =（或由用户输入）MPa压力试

24、验允许通过的应力水平TTs =MPa试验压力下圆筒的应力T =Pt(Dje)=2 e.MPa校核条件TT校核结果合格压力及应力计算最大允许工作压力2 e t 珂=(Di e)=MPa设计温度下计算应力tPc(Dj e)=2 e=MPatMPa校核条件结论合格表1-13筒体法兰计算筒体法兰计算结果计算单位全国化工设备设计技术中心站设计条件设计压力pMPa计算压力PcMPa设计温度t外力矩M壳材料名称Q235-B体许用应力MPa轴向外载荷FN许fMPa、人应fMPa法材料名称16Mn材料名称40MnBbMPa；MPa公称直径d bmm螺栓根径d imm数量n结构尺mmDb28DO金属材料类型垫片压

25、紧面形状b b =、. b81a,1bbDG= ( D外 +g )/2y(MPa)DGb0 DG= 外-2 b螺栓受力计算预紧状态下需要的最小螺W= n bDG y =N栓载荷w操作状态下需要的最小螺栓载荷Wvy = Fp + f =N所需螺栓总截面积AAm = max ( A , A)=2 mm实际使用螺栓总截面积AA = n _d?=42 mm力矩计算操Fd = d2NLd= l a+ S 1mmMD= Fd Ld作Fg = FpNLg= (Db -DG )mmM= Fg LgMFt = F- FdNLt=( La +1+ Lg )mmMT= Ft Lt外压：M = Fd(Ld - Lg)

26、+ Ft( Lt- Lg);内压：M = M+M+MM=.0预紧MW=NLg =mmM=WLg = .0计算力矩M0= M与M /f中大者M = .0螺栓间距校核实际间距l旦=nmm最小间距Lmin(查 GB150-98表 9-3)mm最大间距Lmaxmm形状常数确定hoJDi h/h =K = DO/Di =# 0由K查表9-5得T=Z =Y =1=整体法兰查图9-3和图9-4F =V=e Fi/h)松式法兰查图9-5和图9-6Fl=V_=e Fjh0得-7。 9-图 /V 查由f =整体法兰d1 U ho 2 Vi松式法兰d1ho OVl3fd1书=S f e+1= /T岭fe 1二剪应力

27、校核计算值许用值结论预紧状态W1DilMPa10.8n操作状态W2DilMPat20.8n输入法兰厚度S f = mm时,法兰应力校核应力性质计算值许用值结论轴向应力fM H212DiMPa1.5；=或2.5】n =（按整体法兰设计 的任意式法兰，取1.5】n ）校核合格径向应力(1.33 f e 1)MoR 2f DiMPa；=校核合格切向应力MoYZT2Z Rf DiMPa；=校核合格综合应力maX 0.5( hr),0.5( ht)MPa；=校核合格法兰校核结果校核合格表1-14后端筒体法兰计算后端筒体法兰计算结果计算单位全国化工设备设计技术中心站设计条件设计压力pMPa计算压力PcMP

28、a设计温度tC轴向外载荷FN外力矩M壳材料名称Q235-B体许用应力IMPa法材料名称16Mn许fMPa、人应fMPa材料名称40MnB螺许bMPa应；MPa栓公称直径d bmm螺栓根径d imm数量n28个DDO垫结构尺寸DbD卜D3 0mmLeLah31材料类型软垫片Nmy(MPa)压紧面形状1a,1bb片bob =、bbo D= D卜-2 b螺栓受力计算预紧状态下需要的最小螺栓载荷WW= n bDG y =N操作状态下需要的最小螺栓载荷WW = Fp+ F =N所需螺栓总截面积AAm= max ( Ap , Aa )=2 mm实际使用螺栓总截面积 AbAb =.2 =rn di42 mm

29、力矩计算操Fd = Di2NLe= L a+ 3 1mmM= Fd Ld1=.0作Fg = FpNLg= ( D - DG )mmM= Fg LgMFt = F-FdNLt=( La +1 + Lg )mmM= Ft Lt外压：M = Fd ( Ld - Lg )+ Ft( Lt- Lg )；内压：M = Md+M+MMP = .0预紧MW=NLg =mmM=WLg = .0计算力矩 M= M与M /冲大者M = .0螺栓间距校核实际间距LDb=nmm最小间距Lmin(查 GB150-98表 9-3)mm最大间距L maxmm形状常数确定ho pD h/h =K = d)/Di =1 0由K查

30、表9-5得T=Z =Y =1=整体法兰查图9-3和图9-4Fi =V =e Fjho松式法兰查图9-5和图9-6Fl=Vl=e FJ ho得-7。 9-图 / 查由f =整体法兰d1 Uh VI松式法兰d U h 2 di & b oVL3_f_di书=S f e+1= /T彳fe 13 f=剪应力校核计算值许用值结论预紧状态W1DilMPa108n操作状态Wp2DilMPa20.8n输入法兰厚度5 f = mm时,法兰应力校核应力性质计算值许用值结论轴向应力fM oH212DiMPa1.5；=或2.5】n =（按整体法兰设计的任意式法兰，取1.5】n）校核合格径向应力(1.33 f e 1)

31、Mo R 2、f DiMPa；=校核合格切向应力MoY ZT2Z RfDiMPa；=校核合格综合应力ma* 0.5( hr),0.5( ht)MPa；=校核合格法兰校核结果校核合格表1-15前端管箱法兰计算前端管箱法兰计算结果计算单位全国化工设备设计技术中心站设计条件简冬设计压力pMPa计算压力PcMPa设计温度t轴向外载荷F外力矩M材料名称Q235-B许用应力nMPa材料名称 许16MnffMPaMPa材料名称40MnBb；MPa公称直径d b螺栓根径d 1数量n结构尺寸DbmmLe材料类型28软垫片压紧面形状DOMPammmm1a,1baa$0y(MPa)DG片bwb= b0bwDG= (

32、 D外+D内)/2b b = Jb。b。DG= D外-2 b螺栓受力计算 预紧状态下需要的最小螺栓W= n bDG y = 载荷W操作状态下需要的最小螺栓载荷W所需螺栓总截面积AAm= max ( Ap , A )=2 mm实际使用螺栓总截面积 AbA = n=42mm力矩计算操Fd = d2NLd= L a+ S 1mmM= F d Ld作Fg = FpNLg= (Db - DG )mmM= Fg LgMFt = F- FdNLt=( La +1 + Lg )mmM= Ft Lt外7卜压：M = Fd ( Ld - Lg )+Ft(Lt-Lg )；内压：MP = Md+MG+MMP = .0

33、预紧MW=NLg =mmM=WLg = .0计算力矩 M0= M与M,/f中大者M = .0螺栓间距校核实际间距LDb=nmm最小间距Lmin(查 GB150-98表 9-3)mm最大间距L maxmm形状常数确定hb jDi h/h o =K = U/Di =v 0由K查表9-5得T=Z =丫 =U=整体法兰查图9-3和图9-4F =V =eFi/h松式法兰查图9-5和图9-6Fl=V_=eFl ： h0得-7。 9-图 /V 查由f =整体法兰d1壯O vi松式法兰d1 磐 ho O2 Vl3fd1书=S f e+1= /T4f e 13=剪应力校核计算值许用值结论预紧状态WDilMPa1

34、0.8n操作状态Wp2DilMPat20.8n输入法兰厚度S f= mm时，法兰应力校核应力性质计算值许用值结论轴向应力fM oH212DiMPa1.5；=或2.5】n =（按整体法兰设计 的任意式法兰，取1.5 n ）校核合格径向应力(1.33 f e 1)M0R 2、f DiMPa；=校核合格切向应力MoYZT2Z Rf DiMPa；=校核合格综合应力max 0.5( hr),0.5( ht)MPa；=校核合格法兰校核结果校核合格表1-16后端管箱法兰计算应；MPa栓公称直径d bmm螺栓根径d imm数量n28个DDO垫结构尺寸DbD卜S 0mmLeLahS 1材料类型软垫片Nmy(MPa)压紧面形状1a,1bbDG片bob 二阪bo D= D卜-2 b螺栓受力计算预紧状态下需要的最小螺栓载荷WW= n bDG y =