循环水冷却器设计

1、-. z.循环水冷却器设计摘要：传热过程是化工生产过程中存在的及其普遍的过程，实现这一过程的换热设备种类繁多，是不可缺少的工艺设备之一。由于使用条件不同，换热设备可以有各种各样的型式和构造。其中以管壳式换热器应用更为广泛。现在，它被当作一种传统的标准换热设备在很多工业部门量使用，尤其在化工、石油、能源设备等部门所使用的换热设备中仍处于主导地位。 循环水冷却器是换热设备中的一种，是企业生产中的重要设备。它的作用是通过温度相对较低的水来把其他设备所产生的热量带走，从而使设备局部的温度保持在一个生产所需要的水平，使设备正常工作。因此，循环水冷却器的设计对企业的生产是很重要的，它很可能影响企业的经济损

2、失，对其的设计具有很强的实际意义。本设计是对管壳式换热器中固定管板式换热器的研究。固定管板式换热器属于管壳式换热器的一种，是利用间壁使高温流体和低温流体进展对流传热从而实现物料间的热量传递。在本设计中以GB 150-2011压力容器、GB 151-1999管壳式换热器等标准和固定式压力容器平安技术监察规程为依据，并参考换热器设计手册，首先通过方案的论证，确定物料的物性参数，再结合工作条件，选定换热器的形式。根据设计任务，完成对换热面积、总换热系数等工艺参数确实定，同时进展换热面积、壁温和压力降的核算。再根据工艺参数进展机械设计，机械设计主要包括对筒体、管箱、管板、折流板、封头、换热管、鞍座及其

3、它零部件，如拉杆、定距管等的计算和选型等，并进展必要的强度核算，最后运用AutoCAD绘制固定管板式换热器的装配图及零部件图，并编写说明书。关键词：换热器、换热面积、管板、换热管。 Circulating water cooler designAbstract:The heat transfer process is the chemical production process of e*istence and its general process, heat equipment for this process is various, is one of the indispensabl

4、e process equipment. Due to the use of different conditions,heat e*change equipment can have various types and structure. The tubular heat e*changer applied more widely. Now, it is regarded as a kind of traditional standard heat e*change equipment widely used in many industrial departments, especial

5、ly used in chemical, petroleum, energy equipment department.Heat transfer equipment is still in a dominant position.Circulating water cooler is a change of thermal equipment, is the important equipment in the production. It is the role of the relatively low temperature water to take away the heat ge

6、nerated by the other device, so as to make part of the temperature is maintained at the required a production level, so that the normal operation of the equipment. Therefore, the production design of circulating water cooler of enterprise is very important, it is likely to affect the economic losses

7、 of enterprises, which is of great practical significance to the design.This design is for the study of fi*ed tube plate heat e*changer on the tube shell type. A fi*ed tube plate heat e*changer, belonging to the shell and tube heat e*changer, is the use of the high temperature fluid and wall tempera

8、ture fluid of convective heat transfer and heat transfer between the material. In this design, the GB 150-2011 , GB 151-1999 pressure vessel shell and tube type heat e*changer standards and fi*ed pressure vessel safety technology supervision regulation as the basis, and with reference to Design Hand

9、book heat e*changer, the scheme is demonstrated, to determine the physical material parameters, bined with the working conditions, select the type of heat e*changer. According to the design task, determine the process parameters on the heat transfer area, the total heat transfer coefficient, and hea

10、t transfer area, wall temperature and pressure drop calculation. Then the mechanical design based on process parameters, mechanical design including the tube, tube bo*, tube plate, baffle, head, tube heat e*changer, saddle and other parts, such as the bar, fi*ed pitch pipe calculation and selection,

11、 and calculated the strength necessary, finally using AutoCAD drawing fi*ed tube plate heat e*changer the assembly diagram and parts diagram, and writing a specification.关键词：换热器、换热面积、管板、换热管等。keyword:heat e*changer,the heat transfer area,tube sheet,heat e*change tube.目 录1 概述 .1 1.1 选题的根据和意义 .1 1.2 本设

12、计的目的和要求 .2 1.3 国外现状和开展趋势 .22 管壳式换热器的分类和选型.3 2.1 分类 .3 2.2 选型 .63 换热器的工艺设计 .7 3.1 工艺计算 .7 3.1.1 流径选择 .7 3.1.2 确定物性参数 .7 3.1.3 热负荷及冷却水用量计算 .8 3.1.4 传热平均温度差的计算 .8 3.1.5 计算传热面积 .9 3.1.6 计算工艺构造尺寸 .9 3.2 换热器核算 .15 3.2.1 传热能力核算 .15 3.2.2 壁温核算 .18 3.2.3 换热器流体的流动阻力 .19 3.3 换热器主要构造尺寸和计算结果 .224 换热器的机械设计.23 4.1

13、 计算筒体厚度 .23 4.1.1 筒体材料的选择 .23 4.1.2 筒体厚度 .23 4.2 计算管箱短节、封头厚度 .24 4.2.1 管箱的构造形式 .25 4.2.2 管箱构造尺寸 .25 4.2.3 管箱短节及封头厚度 .26 4.3 开孔补强的校核 .29 4.3.1 管箱短节开孔补强的校核 .29 4.3.2 筒体节开孔补强的校核 .31 4.3.3 排气口、排液口开孔补强的校核 .33 4.4 管板设计 .33 4.4.1 换热管与管板的连接 .34 4.4.2 管板与壳体的连接 .35 4.4.3 管板与管箱的连接 .37 4.4.4 管板材料 .37 4.4.5 管板计算

14、的相关参数确实定 .38 4.4.6 计算法兰力矩 .40 4.4.7 管板计算的另一些相关参数确实定 .45 4.4.8 校核设计条件不同的组合工况 .47 4.5 换热管 .59 4.5.1 换热管的型式 .59 4.5.2 换热管的材料与质量等级 .60 4.5.3 管孔 .60 4.6 折流板 .60 4.6.1 材料的选取 .60 4.6.2 折流板的间隙 .60 4.6.3 折流板的厚度 .61 4.7 拉杆、定距管 .61 4.7.1 拉杆的构造形式 .61 4.7.2 拉杆直径、数量和尺寸 .61 4.7.3 拉杆与管板的连接构造 .62 4.8 防冲板和导流筒 .63 4.9

15、 支座 .63 4.9.1 鞍式支座的构造特征 .63 4.9.2 支座反力的计算 .64 4.9.3 鞍座的型号及尺寸 .65 4.9.4 鞍座的布置 .65 4.10 接收 .66 4.10.1 接收的要求 .66 4.10.2 接收高度伸出的高度确实定 .66 4.10.3 接收位置最小尺寸 .67 4.10.4 接收尺寸 .68 4.10.5 管法兰的选择 .68 4.11 膨胀节 .70 4.11.1 膨胀节的作用 .71 4.11.2 设置膨胀节的条件 .715 换热器的制造与检验要求 .71 5.1 圆筒 .72 5.2 管箱 .73 5.3 换热管 .73 5.4 管板 .73

16、 5.5 换热管与管板的连接 .73 5.6 折流板 .746 总结.747 主要参考文献 .75致语 .76-. z.循环水冷却器设计1 概述 使热量从热流体传递到冷流体的设备称为换热器。它是化工、炼油、动力、食品、轻工、原子能、制药、机械及其他许多工业部门广泛使用的一种通用设备。在化工厂中，换热设备的投资约占总投资的；在炼油厂中，约占总投资的。在工业生产中，换热设备的主要作用是由温度较高的流体传递给温度较低的流体，使流体温度到达工艺过程规定的指标，以满足工艺过程上的需要。此外，换热设备也是回收余热、废热特别是低位热能的有效装置。例如，烟道气约、高炉炉气约、需要冷却的化学反响工艺气等的余热，

17、通过余热锅炉可生产压力蒸汽，作为供热、供气、发电和动力的辅助资源，从而提高热能的总利用率，降低燃料消耗和电耗，提高工业生产经济效益9。1.1 选题的依据和意义换热器是一种实现物料之间热量传递的节能设备，是在石油、化工、石油化工、冶金、电力、轻工、食品等行业普遍应用的一种工艺设备。在日常生活中随处可见，因此换热器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的途径。随着现代新工艺、新技术、新材料的不断开发和能源问题的日趋严重，世界各国已普遍把石油化工深度加工和能源综合利用摆到十分重要的位置。换热器因而面临着新的挑战。换

18、热器的性能对产品质量、能量利用率以及系统运行的经济性和可靠性起着重要的作用，有时甚至是决定性的作用。在继续提高设备热效率的同时，促进换热设备的构造紧凑性，产品系列化、标准化和专业化，并朝大型化的方向开展是非常重要的。 循环水冷却器作为换热设备中的一种，是企业生产中非常重要的设备。它的作用是通过温度相对较低的水来把其他设备所产生的热量带走，从而使设备局部的温度保持在一个生产所需要的水平，使设备正常工作。因此，循环水冷却器的设计对企业的生产是很重要的。特别是在水资源缺乏的今天，循环水冷却器可以节约大量珍贵的水资源，同时，也可以影响企业的经济损失。所以对循环水冷却器的设计具有很强的实际意义。本设计是

19、有关管壳式换热器类型中的一种，管壳式换热器具有可靠性高、适用性广等优点，在各工业领域中得到最为广泛应用。近年来，尽管受到了其他新型换热器的挑战，但反过来也促进了其自身的开展。在换热器向高参数、大型化开展的今天，管壳式换热器仍占主导地位，其可靠性和可能性已被充分证明，也更显示其独有的长处。1.2 本设计的目的和要求 在化工、石油、动力、制冷、食品等行业中广泛使用各种换热器，且它们是上述这些行业的通用设备，并占有十分重要的地位。通过这次设计，帮助我们复习和稳固了以往学习过的知识，提高了综合运用专业知识分析和解决实际问题的能力，并对换热器有了一个深入的了解。这次设计主要有工艺计算、构造设计和强度设计

20、，以及最后完成装配图和零部件图，通过这些局部，对换热器的设计和构造有了充分的了解，可以整体把握对化工设备的设计，提高画图能力。 在这次的设计中，要求有：1合理地实现所规定的工艺条件，应根据热力学参数和物理化学性质进展相关计算，经过反复比拟，使所设计的换热器具有尽可能小的传热面积，在单位时间传递尽可能多的热量；2平安可靠，在进展强度、刚度、温差应力以及疲劳寿命计算时，应遵照我国GB 151-1999管壳式换热器等有关规定与标准；3有利于安装、操作与维修，设备与部件应便于运输与拆装，在厂房移动时不会受到楼梯、梁、柱的阻碍，根据需要可添置气、液排放口，检查孔与敷设保温层；4经济合理，以整个系统中各种

21、设备为对象进展经济核算或设备的优化。1.3 国外现状和开展趋势换热器是一个量大而品种繁多的产品，由于国防工业技术的不断开展，换热器操作条件日趋苛刻，迫切需要新的耐磨损、耐腐蚀、高强度材料。近年来国在节能增效等方面改良换热器性能，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。换热器的大量使用有效的提高了能源的利用率，使企业本钱降低，效益提高。钢铁行业和化工行业的开展都将为换热器行业提供更加广阔的开展空间。未来，国市场需求将呈现以下特点：对产品质量水平提出了更高的要求，如环保、节能型产品将是今后开展的重点；要求产品性价比提高；对产品的个性化、多样化的需求趋势强烈；逐

22、渐注意品牌产品的选用；大工程工程青睐大企业或企业集团产品。随着动力、石油化工工业的开展，其设备也继续向着高温、高压、大型化方向开展。而换热器在构造方面也有不少新的开展。螺旋折流板换热器是最新开展起来的一种管壳式换热器是由美国ABB公司提出的。其根本原理为:将圆截面的特制板安装在拟螺旋折流系统中每块折流板占换热器壳程中横剖面的四分之一其倾角朝向换热器的轴线即与换热器轴线保持一定倾斜度。相邻折流板的周边相接与外圆处成连续螺旋状。每个折流板与壳程流体的流动方向成一定的角度使壳程流体做螺旋运动能减少管板与壳体之间易结垢的死角从而提高了换热效率。在气一水换热的情况下传递一样热量时该换热器可减少的传热面积

23、节省材料。相对于弓形折流板螺旋折流板消除了弓形折流板的返混现象、卡门涡街从而提高有效传热温差防止流动诱导振动;在一样流速时壳程流动压降小;根本不存在震动与传热死区不易结垢。对于低雷诺数下的传热螺旋折流板效果更为突出。2 管壳式换热器的分类及选型2.1 分类根据管壳式换热器的构造特点，可分为固定管板式、浮头式、U形管式、填料函式和釜式重沸器五类。1固定管板式换热器固定管板式换热器的典型构造如图2-1所示，管束连接在管板上，管板与壳体焊接。其优点是构造简单、紧凑、能承受较高的压力，造价低，管程清洗方便，管子损坏时易于堵管或更换；缺点是当管束与壳体的壁温或材料的线膨胀系数相差较大时，壳体和管束中将产

24、生较大的热应力。这种换热器适用于壳侧介质清洁且不易结垢并能进展清洗，管、壳程两侧温差不大或温差较大但壳侧压力不高的场合。为减少热应力，通常在固定管板式换热器中设置柔性元件如膨胀节、挠性管板等，来吸收热膨胀差。图2-1 固定管板式换热器2浮头式换热器浮头式换热器的典型构造如图2-2所示，两管板中只有一端与壳体固定，另一端可相对壳体自由移动，称为浮头。浮头有浮动管板、钩圈和浮头端盖组成，是可拆连接，管束可从壳体抽出。管束与壳体的热变形互不约束，因而不会产生热应力。浮头式换热器的特点是管间和管清洗方便，不会产生热应力；但其构造复杂，造价比固定管板式换热器高，设备笨重，材料消耗量大，且浮头端小盖在操作

25、中无法检查，制造时对密封要求较高。适用于壳体和管束之间壁温差较大或壳程介质易结垢的场合。 图2-2 浮头式换热器 U形管式换热器 U形管式换热器的典型构造如图2-3所示，这种换热器的构造特点是，只有一块管板，管束由多根U形管组成，管的两端固定在同一块管板上，管子可以自由伸缩。当壳体与U形换热管有温差时，不会产生热应力。 由于受弯管曲率半径的限制，其换热管排布较少，管束最层管间距较大，管板的利用率较低，壳程流体易形成短路，对传热不利。当管子泄漏损坏时，只有管束外围处的U形管才便于更换，层换热管坏了不能更换，只能堵死，而坏一根U形管相当于坏两根管，报废率较高。构造比拟简单、价格廉价，承压能力强，适

26、用于管、壳壁温差较大或壳程介质易结垢需要清洗，又不适宜采用浮头式和固定管板 式的场合。特别适用于管走清洁而不易结垢的高温、高压、腐蚀性大的物料。 图2-3 U形管式换热器填料函式换热器 填料函式换热器的构造如图2-4、2-5所示，这种换热器的构造特点与浮头式换热器相类似，浮头局部露在壳体以外，在浮头与壳体的滑动接触面处采用填料函式密封构造。由于采用填料函式密封 构造，使得管束在壳体轴向可以自由伸缩，不会产生壳壁与管壁热变形差而引起的热应力。其构造较浮头式换热器简单，加工制造方便，节省材料，造价比拟低廉，且管束从壳体可以抽出，管、管间都能进展清洗，维修方便。因填料处易产生泄漏，填料函式换热器一般

27、适用于以下的工作环境，且不适用于易挥发、易燃、易爆、有毒及贵重介质，使用温度也受填料的物性限制。填料函式换热器现在已很少采用。 图2-4 填料函双壳程换热器图2-5 填料函分流式换热器釜式重沸器 釜式重沸器的构造如图2-6所示，这种换热器的管束可以为浮头式、U形管式和固定管板式构造，所以它具有浮头式、U形管式换热器的特性。在构造上与其他换热器不同之处在于壳体上部设置一个蒸发空间，蒸发空间的大小由产气量和所要求的蒸气品质所决定。产气量大、蒸气品质要求高者蒸发空间大，否则可以小些。此换热器与浮头式、U形管式换热器一样，清洗维修方便，可处理不清洁、易结垢的介质，并能承受高温、高压。 图2-6 釜式重

28、沸器2.2 选择换热器的类型两流体温度变化情况： 热流体循环水进口温度：55，出口温度40； 冷流体冷却水进口温度：10，出口温度35； 对于黏度较低的流体，其定性温度可取流体进出口温度的平均值。 热流体的定性温度， 冷流体的定性温度；由于两流体温差小于，不必考虑热补偿。因此初步确定选择用固定管板式换热器。固定管板式换热器的两端和壳体连为一体，管子则固定于管板上，它的构造简单，在一样的壳体直径，排管最多，比拟紧凑，由于这种构造使壳侧清洗困难，所以壳程易用于不易结垢和清洁的流体。3 换热器的工艺设计3.1 工艺计算3.1.1 流径选择选择原则 = 1 * GB3 * MERGEFORMAT 不清

29、洁或易结垢的流体宜走容易清洗的一侧。对于直管管束，宜走管程；对 于U形管管束，宜走壳程。 = 2 * GB3 * MERGEFORMAT 腐蚀性流体宜走管程，以免壳体和管束同时被腐蚀。 = 3 * GB3 * MERGEFORMAT 压力高的流体宜走管程，以防止制造较厚的壳体。 = 4 * GB3 * MERGEFORMAT 为增大对流传热系数，需要提高流速的流体宜走管程，因管程流通截面积一 般比壳程小，且做成多管程也较容易。 = 5 * GB3 * MERGEFORMAT 两流体温差较大时，对于固定管板式换热器，宜将对流传热系数大的流体走 壳程， 以减少管壁与壳体的温差，减小热应力。 = 6

30、 * GB3 * MERGEFORMAT 蒸气冷凝宜走壳程，以利于排出冷凝液。 = 7 * GB3 * MERGEFORMAT 需要冷却的流体宜选壳程，便于散热，以减少冷却剂用量。但温度很高的流 体，其热能可以利用，宜选管程，以减少热损失。 = 8 * GB3 * MERGEFORMAT 黏度大或流量较小的流体宜走壳程，因有折流挡板的作用，在低下 即可到达湍流。选择流径 循环水相比照拟干净，选择循环水走壳程，冷却水走管程，既有利于冷却水冷却效率高，也可借助外界温度加速循环水冷却。3.1.2 确定物性参数 由前面计算可知，循环水的定性温度为，冷却水的定性温度为. 根据定性温度，分别查取循环水和冷

31、却水的有关物性参数，列表3-1如下： 表3-1 物性参数表物性壳程(循环水)管程(冷却水)符号数据符号数据密度989.15997.75比热容4.18054.181粘度导热系数进口温度5510出口温度40353.1.3 热负荷及冷却水用量计算 (1) 热负荷的计算 由于是冷却过程，故热负荷按热流体循环水计算。 热负荷： (2) 冷却水用量的计算 由有，3.1.4 传热平均温度差的计算 根据间壁两侧流体温度沿传热面是否有变化，即是否有升高或降低，可将传热分为恒温传热和变温传热两类。假设间壁的一侧或两侧流体沿传热面的不同位置温度不同，即流体从进口到出口，温度有了变化，或是升高或是降低，这种情况的传热

32、称为变温传热。在变温传热中，沿传热面温度差是变化的，所以在传热计算中需要求出传热过程的平均温度差。本设计就属于变温传热中两侧变温传热的情况。 根据两侧流体变温下的温度差变化情况，可分为逆流、并流、错流和折流。在逆流即冷、热两流体在传热面两侧流向相反操作时，热流体和冷流体用可以比并流操作时少，所以工程上多采用逆流操作，在本设计中先按逆流计算，再校正。 先求逆流时的传热平均温度差：, ；3.1.5 计算传热面积 根据热流体为循环水，冷流体为冷却水，根据化工原理课程设计12有表3-2取传热系数， 表3-2 管壳式换热器中值的大致围 热流体 冷流体传热系数 水 水 轻油 水 重油 水 气体 水 水蒸汽

33、冷凝 水 水蒸汽冷凝 气体 低沸点烃类蒸汽冷凝常压 水 高沸点烃类蒸汽冷凝常压 水 水蒸汽冷凝 水沸腾 水蒸汽冷凝 轻油沸腾 水蒸汽冷凝 重油沸腾 则有估算的传热面积：3.1.6 计算工艺构造尺寸管径和管流速 = 1 * GB3 * MERGEFORMAT 管径 选择管径时，应尽可能使流速高些，但一般不应超过规定的流速围。 我国目前适用的管壳式换热器系列标准中仅有换热管规格为： 、。采用小管径，可使单位体积的传热面积增大、构造紧凑、金属耗量减少、传热系数提高。据估算，将同直径换热器的换热管由改为，其传热面积可增加左右，节约金属以上，但小管径流体阻力大，不便清洗，易构造堵塞。一般大管径管子用于粘

34、性大或污浊的流体，小直径管子用于较清洁的流体。所以本设计选用规格。 = 2 * GB3 * MERGEFORMAT 管流速流体在壳程或管程中的流速增大，不仅对流传热系数增大，也可减少杂质沉积或结垢，但流体阻力也相应增大。故应选择适宜的流速，通常根据经历选取。根据化工原理P174有，管壳式换热器常用流速的围如表3-3和不同黏度液体在列管换热器中的流速在钢管中如表3-4，由于冷却水黏度小于，最大流速为，取管流速10。 表3-3 管壳式换热器常用流速的围 流体的种类 一般液体 易结垢液体 气体 流速 管程 壳程表3-4 不同黏度液体在列管换热器中的流速在钢管中液体黏度 最大流速液体黏度最大流速2管程

35、数和换热管数流体从换热管的一端流到另一端，称为一个流程。在换热管长度和数量一定时，为了提高管流速和传热效率，常采用管束分程的方法，使介质在管束的流通面积减少，流程加长和流速提高。我国规定有1、2、4、6、8、10、12七种分程数，最常用的是2程和4程。依据换热管径和流速确定单程传热管数：由有， 由3.1.3可知冷却水流量， 则，根，取整数根。 按单程管计算，所需的传热管长度为 按单管程设计，传热管过长，宜采用多管程构造。根据本设计实际情况，采用标准设计，现取换热管长，则该换热器管程数为管程。传热管总根数根3平均传热温差校正及壳程数 为提高传热效果，故需核算温差校正系数：； 按单壳程、双管程构造

36、，由和的值，查化工原理10教材传热章中的图得，即选用单壳程、双管程较为适宜。 实际传热平均温度差为4换热管排列和分程方法 在管壳式换热器中，换热管的空间排列方式常见的有同心圆、正三角形及正方形三种。换热管的排列应使其在整个换热器圆截面上均匀分布，同时还要考虑流体的性质，管箱构造及加工制造等方面的问题。同心圆排布多用在小直径换热管中，优点是管子与换热器壳壁间的距离较均匀，但管排数超过6排时空间利用率不及后两种，故工业换热器中换热管的主要排列方式为正三角形及正方形排 列。正三角形及正方形排列按照管子相对壳程流体的流向，又可分为直列与错列又称转角排列，如图3-1所示。错列时壳程流体对换热管外壁的冲刷

37、程度优于直列。因此，换热管的空间排列方式一般采用正方形错列或正三角形错列。 图3-1 排列方式 正三角形排列对壳程空间的利用率优于正方形排列，一样的壳体径可排列更多的管子，但对壳程机械清洗的便利性不如后者，仅适用于壳程不需要清洗的固定管板式换热器。本换热器流体的性 质属于比拟干净和不易结垢，因此采用正三角形排列8。采用组合排列法，即每程均按正三角形排列，隔板两侧采用正方形排列。 如图3-2所示。图3-2管子在管板上的排列布管限定圆：在设计时要将管束限制在限定圆。根据GB 151-1999管壳式换热器5.6.3.3表13，对于固定管板式换热器，布管限定圆直径为其中，为固定管板式或U形换热器最外层

38、换热管外外表至壳体壁的最短距离，一般不小于，则 。 管板上两换热管中心距离成为管心距。管心距取决于管板的强度、清洗管子外外表时所需的空隙、管子在管板上的固定方法等。 取管心距，则：， 根据化工设备课程设计指导P10311，如表3-5，取。 表3-5 常用换热管中心距 换热管外径 101214161920 22 25换热管中心距13141619222526 2832换热管外径 303235384550 5557换热管中心距 384044485764 7072 根据化工设备课程设计指导P10311，如表3-6，分程隔板槽两侧相邻管心距为:。 表3-6 分程隔板槽两侧相邻管心距 换热管外径10121

39、41619202225 分程隔板槽两侧相邻管心距2830323538404244 换热管外径3032353845505557 分程隔板槽两侧相邻管心距5052566068767880 通过管束中心线的管数：根4壳体径确实定 采用多管程构造，壳体径按下式估算。取管板利用率，则壳体径为： 按照/T 4712-92固定管板式换热器型式与根本参数，圆整到最接近标准尺寸，可取：。5折流板 在壳程管束中，一般都装有横向折流板，用以引导流体横向流过管束，增加流体速度，以增强传热；同时起支撑管束、防止管束振动和管子弯曲的作用。 管壳式换热器常用的折流板的形式有弓形和盘环形。在弓形折流板中，流体在板间错流冲刷管

40、子，而流经折流板弓形缺口时是顺流经过管子后进入下一板间，改变方向，流动中死区较少，比拟优越，构造比拟简单，一般标准换热器中只采用这种。盘环形折流板制造不方便，流体在管束中为轴向流动，效率较低。而且要求介质必须是清洁的，否则沉淀物将会沉积在圆环后面，使传热面积失效，此外，如有惰性气体活溶解气体放出，是不能有效地从圆环上部排出，所以一般用于压力比拟高而又清洁的介质。因此，本设计采用单弓形折流板。 取弓形折流板圆缺高度为壳体径的，则切去的圆缺高度为 ，故可取。 取折流板间距,则，可取。 根据GB 151-1999管壳式换热器5.9.5.3表42可知，换热管最大无支撑跨距为，取第一块折流板距管子左端，

41、最后一块折流板距管子右端，则折流板数块，且折流板圆缺面水平装配。最低处留排出液口，防止了液体在壳体上部集聚和停滞，其构造如图3-3所示。 图3-3 折流板构造7接收 = 1 * GB3 * MERGEFORMAT 壳程流体进、出口接收 按定性温度计算，使进出口接收径相等，取接收循环水流速为： ，则接收径： 取标准管径为。 = 2 * GB3 * MERGEFORMAT 管程流体进、出口接收 按定性温度计算，使进出口接收径相等，取接收冷却水流速为： ，则接收径： 取标准管径为。3.2 换热器核算3.2.1 传热能力核算1管程对流传热系数由管程流通截面积有， 3-1 由管程流体流速有， 由雷诺数有

42、，为湍流 由普朗特数有， 查化工原理可知可应用贝尔特关联式计算10，则 3-22壳程对流传热系数 流体通过管间的流通截面积为： 3-3 其中：折流板间距，取为；壳体公称直径，取为；管子外径，为；管子中心距，可取为。 壳程流体流速 换热管呈正三角形排列，则当量直径： 由雷诺数有，为湍流 由普朗特数有， 由于，可以应用壳程流体的对流传热系数关联式10计算，即 3-4 壳程中的流体被冷却，取 代入数据得： 3计算总传热系数 3-5 其中：壳程、管程对流传热系数，；换热管外径、径和外径平均值,，为 ；管侧、外侧污垢热阻，均取为 ；换热管壁厚，取；碳钢导热系数，取。 选用该换热器时要求过程总传热系数为，

43、在换热任务所规定的流动条件下计算 在之间，所以合理。 4计算传热面积实际传热面积：面积裕度： 传热面积裕度在之间，该换热器能够完成任务。3.2.2 壁温核算 由于换热管侧污垢热阻较大，会使换热管壁温升高，降低了换热管和壳体的壁温之差。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，有 3-6 其中：，传热管平均壁温： 壳体壁温可近似取为壳程流体的平均温度，即壳体壁温和换热管壁温之差为：由于换热器壳程流体的温差很小，壳程压力不高，因此，选用固定管板式换热器较为适宜。 3.2.3 换热器流体的流动阻力管程流动阻力其中

44、：直管中因摩擦阻力引起的压力降， 3-7其中：直管中因摩擦阻力引起的压力降，；回弯管中摩擦阻力引起的压力降，可由经历公式 估算；结垢校正系数，的换热管取； 管程数，取2；串联的壳程数，取1。 = 1 * GB3 * MERGEFORMAT 对于的计算： 管程流通截面 由此可知 设管壁粗糙度， 由化工原理关系图查得10，代入计算式 = 2 * GB3 * MERGEFORMAT 对于的计算： = 3 * GB3 * MERGEFORMAT 对于的计算：2壳程压强降校核 (3-8) 其中：流体横过管束的压力降，；流体横过折流挡板缺口的压力降， ；结垢校正因数，无因次，液体取1.15；壳程数，为1。

45、 = 1 * GB3 * MERGEFORMAT 对于的计算 (3-9) 其中：管子排列方式对压力降的校正系数：换热器列管呈三角形排 列，取；壳程流体的摩擦系数，；横过管束中心线的管束，为根；折流板间距，为；壳体直径，为；折流板数目，为块；按壳程流通截面积计算的流速，。 壳程的流通截面积： 可见 故 = 2 * GB3 * MERGEFORMAT 对于的计算 (3-10) = 3 * GB3 * MERGEFORMAT 对于的计算计算说明：管程压强降为，小于设计压力；壳程压强降为，亦小于设计压强降；综上所知，管程和壳程压强降均能满足题设要求。3.3 换热器主要构造尺寸和计算结果表3-7 换热器

46、主要构造尺寸和计算结果 换热器形式：固定管板式 换热面积/：64.5名称物料名称操作压力操作温度/流量 管程 冷却水 1.6 10/35 45594.5 壳程 循环水 1.6 55/40 80000流体密度 997.75 989.15流速 0.8 1.387 传热量 1323.8总传热系数 1089.1传热系数 3765.35 6812.64污垢系数 0.00017阻力降 15913 263266.05程数 2 1管子规格材质碳钢 管数180管长6000管间距 25 排列方式 正三角形折流板形式 上下间距 150切口高度25%折流板数 37 壳体径 450 接收管程径 接收壳程径4 换热器的机

47、械设计 4.1 计算筒体厚度由工艺条件给定的进出口温度，选择设计温度为,设计压力。介质为循环水和冷却水，考虑轻微腐蚀。4.1.1 筒体材料的选择在进展换热器设计时，换热器各种零、部件的材料，应根据设备的操作压力、操作温度、流体的腐蚀性能以及对材料的制造工艺性能等的要求来选取。最后，还要考虑材料的经济合理性。 由于所设计的换热器属于常规容器，并且在工厂中多采用低碳低合金钢制造，故在此综合本钱、使用条件等的考虑，根据GB 713-2008锅炉和压力容器用钢板选择Q345R为壳体的材料。 Q345R是低碳低合金钢，具有优良的综合力学性能和制造工艺性能，其强度、韧性、耐腐蚀性、低温和高温性能均优于一样

48、含碳量的碳素钢，同时采用低合金钢可以减少容器的厚度，减轻重量，节约钢材。 4.1.2 筒体厚度确定计算参数 由前面计算可知，壳体径，计算压力。 假设厚度为，由设计温度为，查GB 150-2011压力容器知Q345R的许用应力。焊接方式：选为双面焊对接接头，局部无损探伤，故焊接系数； 根据GB 713-2008锅炉和压力容器用钢板和GB 3531低温压力容器用低合金钢板规定可知对Q345R钢板其厚度负偏差，取腐蚀裕量。确定筒体厚度 由GB 150-2011压力容器标准中，当时，可用 计算。则筒体计算厚度 GB 150-2011压力容器中规定碳钢、低合金钢加工成形后不计腐蚀裕度的最小厚度不小于；高

49、合金钢制圆筒不小于。因为，取，则筒体名义厚度，考虑钢板常用规格厚度GB 151-1999管壳式换热器中有最小厚度要求，取筒体名义厚度。校核水压试验压力 查GB 150-2011压力容器， 采用液压试验，试验应力 现校核试验压力，筒体 试验压力， 而，所以水压试验压力校核合格。最大允许工作压力及应力计算 最大允许工作压力 设计温度下计算的应力，筒体名义厚度合格。4.2 计算管箱短节、封头厚度管箱主要由圆筒壳和法兰等组成。管箱的作用是把从管道输送来的管程流体均匀分布到各换热管和把管流 体聚集在一起送出换热器。在多管程换热器中，管箱还起到改变流体流向的作用，且管箱设置分程隔板。分程隔板材料与圆筒短接

50、一样，焊于管箱外表上。隔板端部与管板密封槽相配，系压严密封面。无论采用哪种管箱，其管箱的最小侧深度应当满足这样的要求：使连接双程间流体流动的横截面至少大于或等于单管程通过的截面。4.2.1 管箱构造形式 管箱有不同的构造形式，构造形式主要以换热器是否需要清洗或管束是否需要分程等因素来决定。封头管箱型，如图4-1所示，单程或多程管箱，优点是构造简单，便于 制造，具有不可拆管的薄壳封头，壁薄省材料，适用于管程较清洁介质， 因检查或清洗时，必须拆下接收连接，不太方便。平盖管箱，如图4-1所示，装有管箱平盖或称盲板，检查清洗管 时不必拆下整个管箱和与管箱相连的管路 ，仅将平盖拆下即可，缺点是盲 板构造

51、用材多，尺寸较大，得用锻件，消耗大量机加工时，提高制造成 本， 并增加一道密封的泄漏可能。一般用于的浮头式换热器中。3如图4-1所示，将管箱与管板焊成一体，从构造上看，可以防止在管板 密封处的泄漏，但管箱不能单独拆下，检修、清洗不方便，所以实际使用 中很少采用。4如图4-1所示，为一种多程隔板的安置形式。 图4-1 管箱的构造形式 在本设计中为多程管箱，选择图4-1的构造形式。4.2.2 管箱构造尺寸1管箱长度管箱所要确定的尺寸主要是管箱长度，管箱采用径向接收，左端管箱开设冷却水进、出口管。管箱直径是由壳程直径决定。由GB 151-1999管壳式换热器5.2.2可知，对于管箱的最小侧深度有：

52、= 1 * GB3 * MERGEFORMAT 轴向开口的单管程管箱，开口中心处的最小深度应不小于按管直径的； = 2 * GB3 * MERGEFORMAT 多程管箱的侧深度应保证两程之间的最小流通面积不小于每程换热管流通 面积的倍；当操作允许时，也可等于每程换热管的流通面积。本设计中，为多程管程，每程换热管的流通面积为对于左管箱，考虑冷却水进、出口及其补强圈，取管箱短节长度为。对于右管箱，无接收，查GB/T 25198-2010压力容器封头，封头的外表积，所以右管箱可不设短节，只需要一个封头即可。2分程隔板分程隔板位置尺寸是由排管图确定。 根据GB 151-1999管壳式换热器5.2.3.

53、1表6，分程隔板的厚度取。 管束的分程方法，每程各有换热管90根，其前管箱中隔板设置和介质流通顺序如图4-2所示： 图4-2 流体顺序 4.2.3 管箱短节及封头厚度确定计算参数 管箱与壳体材料一样，为Q345R。由前面计算可知，管箱短节径，计算压力， 假设厚度为，由设计温度为，查GB 150-2011压力容器知Q345R的许用应力。 焊接方式：选为双面焊对接接头，局部无损探伤，故焊接系数； 根据GB 713-2008锅炉和压力容器用钢板和GB 3531低温压力容器用低合金钢板规定可知对Q345R钢板其厚度负偏差，取腐蚀裕量。 2确定管箱短节厚度 由GB 150-2011压力容器标准中，当时，

54、可用 计算。，则筒体计算厚度 GB 150-2011压力容器中规定碳钢、低合金钢加工成形后不计腐蚀裕度的最小厚度不小于；高合金钢制圆筒不小于。因为，取，则筒体名义厚度，由/T 4700-4703,法兰所对接筒体最小厚度为，取管箱短节名义厚度。则管箱短节有效厚度最大允许工作压力设计温度下计算的应力，管箱短节名义厚度合格。封头厚度的计算 对受均匀压封头的强度计算，由于封头和圆筒相连接，所以不仅需要考虑封头本身因压引起的薄膜应力，还要考虑与圆筒连接除的不连续应力。连接处总应力的大少与封头的几何形状和尺寸，封头与圆筒厚度的比值大少有关。封头设计时，一般应优先选用封头标准中推荐的型式与参数，然后根据受压

55、情况进展强度或稳定性计算，确定适宜的厚度。 在本设计中选用标准椭圆形封头，其形状系数,材料与管箱短节一样。 故封头计算厚度 因为，取，则封头名义厚度，为了备料和焊接上的方便，在计算值差异不大及耗材不多时，可取封头与管箱短节壁厚一样。现进展稳定性校核，封头有效厚度，符合。 最大允许工作压力，合格4校核水压试验压力 查GB 150-2011压力容器， 采用液压试验，试验应力 现校核试验压力，筒体 试验压力， 而，所以水压试验压力校核合格。4.3 开孔补强的校核在该台固定管板式换热器上，壳程流体的进出管口在壳体上，管程流体的进出口在前端管箱短节上，因此不可防止地要在换热器上开孔。开孔之后，除削弱器壁

56、的强度外，在壳体和接收的连接处，因构造的连接性被破坏，会产生很高的局部应力，会给换热器的平安操作带来隐患。因此此时应进展开孔补强的计算。4.3.1 管箱短节开孔补强的校核管箱短节冷却水进出口接收由工艺设计所得的接收尺寸为，考虑实际情况，选20号热轧碳素钢管，钢管许用应力，腐蚀裕量，接收焊接接头系数。补强及补强方法判别： = 1 * GB3 * MERGEFORMAT 补强判别：根据GB 150-2011压力容器第三局部表6-1，允许不另行 补强的最大接收外径是，本开孔外径为，因此需 要另行考虑其补强。 = 2 * GB3 * MERGEFORMAT 补强计算方法判别 开孔直径，满足等面积法开孔

57、补强计算的使用条件。开孔削弱所需要的补强截面积 强度削弱系数 接收有效厚度 开孔所需补强面积按下式计算： 3有效补强围 = 1 * GB3 * MERGEFORMAT 有效宽度 = 2 * GB3 * MERGEFORMAT 有效高度 1外侧有效高度 2侧有效高度有效补强围 = 1 * GB3 * MERGEFORMAT 管箱多余金属面积 管箱有效厚度： 则管箱多余金属面积为 = 2 * GB3 * MERGEFORMAT 接收多余金属面积 接收计算厚度 则接收多余金属面积为 = 3 * GB3 * MERGEFORMAT 接收区焊缝面积焊脚取为： = 4 * GB3 * MERGEFORMA

58、T 有效补强面积另需补强面积 拟采用补强圈补强： 根据接收公称直径DN100，参照/T 4736-2002补强圈标准选取补强圈的外径，径选用D型坡口。因为，则补强圈在有效补强围。 补强圈的厚度为： 考虑腐蚀裕量和钢板负偏差并经圆整，取管箱上补强圈的名义厚度为，即。 补强圈标记为： 4.3.2 筒体开孔补强的校核筒体循环水进出口接收由工艺设计所得的接收尺寸为，考虑实际情况，选20号热轧碳素钢管，钢管许用应力，腐蚀裕量，接收焊接接头系数。1补强及补强方法判别： = 1 * GB3 * MERGEFORMAT 补强判别：根据GB 150-2011压力容器第三局部表6-1，允许不另行 补强的最大接收外

59、径是，本开孔外径为，因此需 要另行考虑其补强。 = 2 * GB3 * MERGEFORMAT 补强计算方法判别 开孔直径，满足等面积法开孔补的计算的使用条件。2开孔削弱所需要的补强截面积 强度削弱系数 接收有效厚度 开孔所需补强面积按下式计算： 3有效补强围 = 1 * GB3 * MERGEFORMAT 有效宽度 = 2 * GB3 * MERGEFORMAT 有效高度 1外侧有效高度 2侧有效高度4有效补强围 = 1 * GB3 * MERGEFORMAT 管箱多余金属面积 管箱有效厚度： 则管箱多余金属面积为 = 2 * GB3 * MERGEFORMAT 接收多余金属面积 接收计算厚

60、度 则接收多余金属面积为 = 3 * GB3 * MERGEFORMAT 接收区焊缝面积焊脚取为： = 4 * GB3 * MERGEFORMAT 有效补强面积5另需补强面积 拟采用补强圈补强： 根据接收公称直径DN125，参照/T 4736-2002补强圈标准选取补强圈的外径，径选用E型坡口。因，则补强圈在有效补强围。 补强圈的厚度为： 考虑腐蚀裕量和钢板负偏差并经圆整，取管箱上补强圈的名义厚度为，即。 补强圈标记为： 4.3.3 排气口、排液口开孔补强的校核 1排气管、排液管 在换热器的管程与壳程，为提高传热效率，排除或回收工作残液气，凡不能借助其他接收排气、排液的换热器应在其壳程和管程的