毕业设计样本

TOC\o"1-3"\h\u12829序言 210279前言 319255第一章选题背景 4154031.1选题背景 4240181.2研究目 5211211.3研究意义 55051.4国内外现状和发展趋势与研究主攻方向 5152841.5换热器种类及特点 892261.5.1.管壳式换热器 883531.5.2.蛇管式换热器 10264991.5.3.套管式换热器 111179第二章方案论证 1284602.1概述 12219542.2传热原理 12107382.3换热器选型 1425879第三章固定管板式换热器设计 1583143.1热力学计算 15112733.1.1水定性温度和物性参数 159383.1.2污水定性温度和物性参数 16131983.1.3有效平均温差 1613.1.5传热管和壳体壁温核算 18207573.2管程及壳程压力降 1955303.2.1管程压力降计算 19204173.2.2壳程压力降校核 2010483.3流程及构造设计 2143113.3.1管子设计 22140173.3.3管板设计 23174773.3.4管箱 27130313.3.5管束分程、管程隔板及其管板连接 2988683.3.6折流板设计 29237923.3.7排气孔和排液孔 3172183.3.8壳体设计 32132873.3.9壳程接管设计 32195923.3.10封头设计 347223.3.11实验压力 35166713.3.12支座 3732172第四章膨胀节 39207024.1压力产生应力 40120754.2温差产生应力 41300294.3拉脱力 4414684.4强度条件 4523069第五章换热器中强化传热途径简述 463495.1加大传热系数K 47159065.2增大平均温差 47207925.3扩大传热面积 4722773第六章总结 4826416第七章计算成果总汇 4821209参照文献 51序言学生：胡成雨北方民族大学化学与化学工程学院指引教师：姜国平北方民族大学化学与化学工程学院[摘要]换热器作为一种流体间传递热量设备，在化工行业中占有举足轻重地位。列管式换热器单位体积具备传热面积大以及传热效果好。其中固定管板式换热器为两端管板和壳体连接成一体，具备构造简朴和造价低廉等长处，因而使用较为广泛。本论文设计了一台电脱盐排水固定管板式换热器。由已知工况下物性参数，一方面，进行工艺计算，然后进行机械设计，其中涉及法兰、筒体、封头、管板等设计，最后画出装配图和零件图。[核心词]换热器；管板；设计TheFixedTube-sheetTeatExchangerStudent:HuChengyuCollegeofChemistryandChemicalEngineering,NorthUniversityforEthnicsInstructor:JiangGuopinCollegeofChemistryandChemicalEngineering,NorthUniversityforEthnicsHeatexchangersareplayinganimportantroleinchemicalindustriesasheat-exchangingequipmentsamongdifferentfluids.TheTube-sheetexchangershavetheadvantagesoflargerheat-exchangingarea,besides,it'seffective.Andthefixedtube-sheetheatexchangersaremadeintheformofcombiningtheplateswithtubesofeachside,whichmakesthemflexibletomanufactureandcompetitiveintheirproducingprice,hence,theyarewidelyutilized.Thedesigningthesisistodesignafixedtube-sheetheatexchangerforelectro-desaltingdraining.It'sstartedwithknownparameters,andthendoingthetechnologycalculations,followedbymechanicaldesignings,flanges，shells，shellcovers，platesincluded.Doingtheinstallationandcomponentdrawinggoestothefinal.[Keywords]HeatExchangerTube-sheetDesign前言换热器是化工、石油、动力、冶金、交通、国防等工业部门重要工艺设备之一，其对的设立，性能改进关系各部门关于工艺合理性、经济性以及能源有效运用与节约，对国民经济有着十分重要影响。出于不同使用目和工艺规定，换热器型式诸多，并且仍在不断发展。当前，为了适应国内经济发展需要，无论从关于工业自身发展或从能源开发、运用和节约来看，对换热器都提出了更高规定。换热器型式繁多，不同使用场合使用目不同。其中惯用构造为管壳式，因其构造简朴、造价低廉、选材广泛、清洗以便、适应性强，在各工业部门应用最为广泛。而固定管板式换热器集中了管壳式换热器长处，应用相称广泛。固定管板式换热器重要由壳体、换热管束、管板、前端管箱（又称顶盖或封头）和后端构造等部件构成。管束安装在壳体内，两端固定在管板上。管箱和后端构造分别与壳体两端法兰用螺栓相连，检修或清洗时便于拆卸。换热器设计优劣最后要看与否合用、经济、安全、运营灵活可靠、检修清理以便等等。一种传热效率高、紧凑、成本低、安全可靠换热器产生，规定在设计时精心考虑各种问题.精确热力设计和计算，还要进行强度校核和符合规定工艺制造水平。本设计重要研究换热器设计原理、传热学计算、构造设计，其中构造设计重要涉及两某些，即工艺尺寸设计与计算及部件构造设计与计算。针对固定管板式换热器适应热膨胀能力差缺陷，重点研究膨胀节。从三个方面来考虑与否需要设立膨胀节，如需要，则如何设立其构造和对其进行强度计算。由于本人知识有限，再加上经验局限性，设计中存在不当和错误之处，肯请予以批评指正。4月第一章选题背景1.1选题背景本设计课题来源于生产实际。换热器是把热量从一种介质传给另一种介质设备。换热器是化工、石油、制药及能源等行业中应用相称广泛单元设备之一。据记录，在当代化学工业中所用换热器投资大概占设备总投资30%，在炼油厂中换热器占所有工艺设备40%左右，海水淡化工艺装置则几乎所有是由换热器构成。上个世纪70年代初发生世界性能源危机，有力地增进了传热强化技术发展。为了节能降耗，提高工业生产经济效益，规定开发合用于不同工业过程规定高效能换热设备。这是由于，随着能源短缺(从长远来看，这是世界总趋势)，可运用热源温度越来越低，换热容许温差将变得更小，固然，对换热技术发展和换热器性能规定也就更高。因此，这些年来，换热器开发与研究成为人们关注课题。1.2研究目换热器为石油，化工、食品、原子能及其他化工部门所广泛使用一种工艺设备。普通状况换热器约占石油化工装置设备总重量40%，其中又以管壳式换热器为主，因而管壳式换热器研究开发和原则制定从来受到各国注重，例如美国TEMA和日本JISB8249就是管壳式换热器专用原则。近年来，随着制造技术进步，强化传热元件开发，使得新型高效换热器研究有了较大发展，依照不同工艺条件与换热工况设计制造了不同构造形式新型换热器，并已在化工、炼油、石油化工、制冷及制药各行业得到应用与推广，获得了较大经济效益。各式换热器设计思想各有新颖之处，构造上各具特色。有在于强化管内传热，有着眼于壳程强化传热，有改进了管箱设计，有着重防止管板诱导振动，有紧凑了设备构造，有在于防腐防垢。固定管板式换热器两端管板采用焊接办法与壳体连接固定。换热管可为光管或低翅管。其构造简朴，制导致本低，能得到较小壳体内径，管程可提成多样，壳程也可用纵向隔板提成多程，规格范畴广，故在工程中广泛应用。1.3研究意义换热器是合理运用与节约既有能源、开发新能源核心设备。当今世界，既有能源重要为煤、石油、天然气等资源。有限储量难以满足工业及人们生活日益增长需要，因而，合理运用既有能源及开发新能源已成为世界性研究课题。在生产中大某些燃料释放能量是通过换热设备传递，换热器合理设计、性能改进将直接关系着既有能源合理运用。可供开发新能源：核能、太阳能、地热能等要提供工业及生活使用，无一不需要大量符合使用规定各式换热器。换热器对的设立、合理设计、性能改进等对能源有效运用及开发有着十分重要意义。1.4国内外现状和发展趋势与研究主攻方向换热器是化工、石油、制药及能源等行业中应用相称广泛单元设备之一。据记录，在当代化学工业中所用换热器投资大概占设备总投资30%，在炼油厂中换热器占所有工艺设备40%左右，海水淡化工艺装置则几乎所有是由换热器构成。上个世纪70年代初发生世界性能源危机，有力地增进了传热强化技术发展。为了节能降耗，提高工业生产经济效益，规定开发合用不同工业过程规定高效能换热设备。因而，几十年来，高效换热器开发与研究始终是人们关注课题，国内外先后推出了一系列新型高效换热器。世界爆发能源危机，有力地增进了传热强化技术发展。为了节能降耗，提高工业生产经济效益，规定开发合用于不同工业过程规定高效能换热设备。这是由于，随着能源短缺(从长远来看，这是世界总趋势)，可运用热源温度越来越低，换热容许温差将变得更小，固然，对换热技术发展和换热器性能规定也就更高。因此，这些年来，换热器开发与研究成为人们关注课题。换热器是国民经济和工业生产领域中应用十分广泛热量互换设备，随着当代新工艺、新技术、新材料不断开发和能源问题日趋严重，世界各国已普遍把石油化工深度加工和能源综合运用摆到了十分重要位置，换热器因而面临着新挑战。换热器性能对产品质量、能量运用率以及系统运营经济性和可靠性起着重要作用，有时甚至是决定性作用。当前在发达工业国家热回收率已达96%。换热设备在当代装置中约占设备总重30%左右，其中管壳式换热器依然占绝对优势，约占70%，别的30%为各类高效紧凑式换热器、新型热管热泵和蓄热器等设备，其中板式、螺漩板式、板翅式以及各类高效传热元件发展十分迅速。在继续提高设备热效率同步，也增进了换热设备构造紧凑性、产品系列化、原则化和专业化，并朝大型化方向发展。近年来，国内已经进行了大量强化传热技术研究，但在新型高效换热器开发方面与国外差距依然较大，并且新型高效换热器实际推广和应用仍非常有限。尚需从事换热器专业技术人员在制造工艺方面加大力度进行研究，使国内换热器技术从各个方面赶上国际水平，也需要各换热设备使用厂家敢于引进和推广新型高效换热器，为国内节能事业做出贡献。另一方面，新技术普遍应用。普遍采用电子设计自动化（EDA）、计算机辅助制造(CAM)、计算机辅助测试(CAT)、数字信号解决(DSP)、专用集成电路(ASIC)及表面贴装技术等。

并且，产品构造发生变化。在注重高档仪器开发同步，注重高新技术和量大面广产品开发与生产。注重系统集成，不但着眼于单机，更注重系统、产品软件化。随着各类仪器装上CPU，实现了数字化后，软件上投入了巨大人力、财力。此后仪器设计归纳成一种简朴公式：仪器=AD/DA+CPU+软件，AD芯片将模仿信号变成数字信号，在通过软件解决变换后用DA输出。

随着工艺装置大型化和高效率化，换热器也趋于大型化，并向低温差设计和低压力损失设计方向发展。同步，对其一方面规定成本适当，另一方面规定高精度设计技术。当今换热器技术发展以CFD(ComputationalFluidDynamics)、模型化技术、强化传热技术及新型换热器开发等形成了一种高技术体系发展趋势：进入21世纪以来，国外仪器行业发展呈现出某些新特点，引起了国内仪表业界关注。

一是新技术普遍应用。普遍采用电子设计自动化（EDA）、计算机辅助制造(CAM)、计算机辅助测试(CAT)、数字信号解决(DSP)、专用集成电路(ASIC)及表面贴装技术等。

二是产品构造发生变化。在注重高档仪器开发同步，注重高新技术和量大面广产品开发与生产。注重系统集成，不但着眼于单机，更注重系统、产品软件化。随着各类仪器装上CPU，实现了数字化后，软件上投入了巨大人力、财力。此后仪器设计归纳成一种简朴公式：仪器=AD/DA+CPU+软件，AD芯片将模仿信号变成数字信号，在通过软件解决变换后用DA输出。

三是产品开发准则发生变化。从技术驱动转为市场驱动，从一味追求高精尖转为"恰到好处"。开发一项成功产品准则是：满足顾客明确需求；用最短时间投放市场；功能与性能要恰到好处。

四存在问题：今年来，国内已经进行了大量强化传热技术研究，但在新型高效换热器开发方面与国外差距依然较大，并且新型高效换热器实际推广和应用仍非常有限。尚需从事换热器专业技术人员在制造工艺方面加大力度进行研究，使国内换热器技术从各个方面赶上国际水平，也需要各换热设备使用厂家敢于引进和推广新型高效换热器，为国内节能事业做出贡献.总之，在产品开发准则上所发生变化是不容忽视。从技术驱动转为市场驱动，从一味追求高精尖转为"恰到好处"。开发一项成功产品准则是：满足顾客明确需求；用最短时间投放市场；功能与性能要恰到好处。1.5换热器种类及特点1.5.1.管壳式换热器管壳式换热器又称列管式换热器，是一种通用原则换热设备，它具备构造简朴，结实耐用，造价低廉，用材广泛，清洗以便，适应性强等长处，应用最为广泛。管壳式换热器依照构造特点分为如下几种：（1）固定管板式换热器固定管板式换热器它由壳体、管束、封头、管板、折流挡板、接管等部件构成。其构造特点是，两端管板与壳体连在一起，管束两端固定在管板上，此类换热器构造简朴，紧凑，价格低廉，每根换热管都可以进行更换，且管内清洗以便，但管外清洗困难，宜解决两流体温差不大于50℃且壳方流体较清洁及不易结垢物料。带有膨胀节固定管板式换热器，其膨胀节弹性变形可减小温差应力，这种补偿办法合用于两流体温差不大于70℃且壳方流体压强不高于600Kpa状况。双管程固定管板换热器双管程固定管板换热器带膨胀节固定管板换热器带膨胀节固定管板换热器（2）浮头式换热器浮头式换热器管板有一种不与外壳连接，该端被称为浮头，管束连同浮头可以自由伸缩，而与外壳膨胀无关。浮头式换热器管束可以拉出，便于清洗和检修，合用于两流体温差较大各种物料换热，应用极为普遍，但构造复杂，造价高。（3）填料涵式换热器填料涵式换热器管束一端可以自由膨胀，不会产生因壳壁与管壁温差而引起温差应力，与浮头式换热器相比，构造简朴，造价低，管束可从壳体内抽出，管内、管间均能进行清洗，维修以便。但壳程流体有外漏也许性，因而壳程不能解决易燃，易爆流体。且填料函耐压不高，普通不大于4.0Mpa，填料函式换热器合用于管、壳壁温差较大或介质易结垢，需经常清理且压力不高场合。填料函式换热器（4）U型管式换热器U型管式换热器是只有一种管板，换热管为U型，管子两端固定在同一管板上。管束可以自由伸缩，当壳体与U型换热管有温差时，不会产生温差应力。其长处是构造简朴，管间清洗以便，但管内清洗比较困难，运用率较低，壳程易短路，报废率较高。因而U型管式换热器合用于管、壳壁温差较大或壳程介质易结垢，而管程介质清洁不易结垢以及高温、高压、腐蚀性强场合。普通高温、高压、腐蚀性强介质走管内，可使高压空间减小，密封易解决，并可节约材料和减少热损失。U形管管壳式换热器1.5.2.蛇管式换热器蛇管式换热器是管式换热器中构造最简朴，操作最以便一种换热设备，普通按照换热方式不同，将蛇管式换热器分为沉浸式和喷淋式两类。1.5.3.套管式换热器套管式换热器是由两种不同直径直管套在一起构成同心套管，其内管用U型时管顺次连接，外管与外管互相连接而成，其长处是构造简朴，能耐高压，传热面积可依照需要增减，恰本地选取管内、外径，可使流体流速增大，两种流体呈逆流流动，有助于传热。此换热器合用于高温，高压及小流量流体间换热。第二章方案论证2.1概述换热设备(或称换热器或称热互换器)就是用来实现热量传递。在石油、化学工业生产中，经常需要把低温流体加热或者把高温流体冷却，把液体汽化成蒸汽或者把蒸汽冷凝成液体。这些过程均和热量传递有着密切关系，因而全都可以通过换热设备来完毕。当把换热设备用于上述不同过程时，普通把它们分别叫做加热器，冷却器，汽化器和冷凝器。判断一台换热设备好坏原则是(1)传热效率高；(2)流体阻力小；(3)各部件强度足够，构造可靠；(4)节约材料，便于制造，成本低；(5)安装、维修以便。2.2传热原理热传递是由于物体内部或物体之间温度不同而引起。依照热力学第二定律，当无外功输入时，热量总是自动地从温度较高物体传给温度较低物体。只有在消耗机械功条件下，才有也许由低温物体向高温物体传递热量。传热基本方式有三种：热传导、对流和辐射。而换热器是依照流体间对流达到传热目。对流是指流体各某些质点发生相对位移而引起热量传递过程，只能发生在流体中。冷、热流体分别处在固体壁面两侧，热流体把热量传到壁面一侧，通过管壁后，再从壁面另一侧把热量传给冷流体。这称为热互换。如图A中，冷流体定管内，其温度沿壁面由逐渐上升到；热流体走管外，其温度由逐渐下降到。冷、热流体沿壁面平行流动，而流动方向彼此相反，即逆流。在热互换过程中，不但要考虑通过固体间壁热传导，并且往往更重要是要考虑到间壁两侧对流传热。热量自热流体传到间壁表面一侧，或自间壁另一例表面传给冷流体，都属于对流传热。对流传热是在流体流动过程中发生热量传递现象，因此和流动状况密切有关。虽然是在湍流流动状况下．流体主流由于旋涡丛生，流体各某些有关。图A换热器传热示意图虽然是在湍流流动状况下．流体主流印由于旋涡丛生，流体各某些互相混合，因此热阻很小，从而在和流体流动方向垂直截面上，湍流中心区各点流体之间温度趋于一致；但在紧靠壁面处，总有一层流体膜顺着壁面作层流流动，称为层流底层。在冷流体一侧，热量在传入冷流体主体之前，必要一方面通过它。由于通过这层流体膜传热是以导热方式进行，因此流体膜虽薄，却是对流传热重要热阻，温度降也重要集中在层流底层中。分析一下图A中距离热流体入口为处而与流体流动垂直截面上温度分布，如图B所示。图中与为层流底层界面。为热流体中心温度，也是最高温度，为冷流体中心温度也即最低温度。在热流体湍流主体中，由于流体质点充分混合，温度基本上是一致，即图中。在层沉底层内，由于热阻较大，温度急剧由下降到。在层流底层和湍流主体之间，存在一种温度逐渐变化区域，称为过渡区，其中温度由下降到。再往左通过管壁，因其材料普通为金属，热阻很小，因而，管壁两侧温度和相差很小。此后在冷流体内，又顺次通过层流底层、过渡区而到达湍流主体，温度由经下降到。传热方程式为：。换热器中进行传热过程按照热路分析办法是一条由对流换热—导热—对流换热等传热环节构成串联热路。图B对流传热时沿热流方向温度分布状况2.3换热器选型每种形式换热器均有它自身特点，明确它们各自特点，将有助于对换热器选型。在设计换热器时，对于形式选取是很重要。普通通过各种计算对所选形式进行技术经济对比，以便拟定最佳条件下换热器形式。在换热器选型时，考虑因素是诸多，如材料、压力、温度、温度差、压力降、结垢状况、流体状态、应用方式、检修和清理等。有些构造形式在某种状况下使用是好，但是在此外状况下，却不能令人满意，或主线就不能使用。因而在选型时应仔细分析所有规定和条件，在许多互相制约因素中应全面考虑，找出其中重要矛盾，予以妥善解决。依照上述在选型时所要考虑各种因素看来，其目就是要使所选换热器形式，能保证达到工艺所规定换热条件，强度足够和构造可靠，便于制造、安装、检修以及经济上合理等。依照设计任务书上给已知参数，操作温度在120℃左右，不是很高，两种流体分别为水和污水（可当做水算），较易清洗，不易结垢，管、壳壁温差不大且设计最高压力不超过2MPa，这些条件都在管壳式换热器合用范畴内，而管壳式换热器可分为固定管板式、浮头式、U形管式等，在这三种中，固定管板式构造最简朴，在相似壳体直径内，排数最多，比较紧凑，结合换热器评判原则，选用固定管板式换热器。考虑到固定管板式换热器热膨胀能力差，将结合详细计算来考虑与否设立膨胀节以减小壳体与管子两者因温差而产生热应力来弥补固定管板式换热器这一缺陷。在相似条件下，逆流传热比并流传热温差大，并能节约金属用量，节约能源消耗，少占面积，故采用错流。第三章固定管板式换热器设计3.1热力学计算已知数据操作条件操作温度（ºC）管程进口125、出口95设计温度（ºC）（参照）管程25壳程进口40、出口65壳程25操作压力Mpa（G）管程1.3Mpa设计压力Mpa（G）（参照）管程1.6壳程0.4Mpa壳程0.5介质管程（流量）污水（13.5t/h）材质（参照）管程20#壳程（流量）循环水（25t/h）壳程Q235-B换热器与否串联独立一台3.1.1水定性温度和物性参数水定性温度水比热Cp2=4.175g·K水密度kg/m3水粘度N·S/m2水导热系数W/m·K3.1.2污水定性温度和物性参数污水定性温度 污水比热CP1=4.233KJ/Kg·K污水密度kg/m3污水粘度N·S/m2污水导热系数W/m·K3.1.3有效平均温差逆流时平均温差为温度校正系数 由P，R可查出温度校正系数，先选用一壳程，所查出不不大于0.8，可取，故选用1壳程4管程换热器。查表得3.1.4传热系数（1）按经验值初选总传热系数K。（估）=950W/(m•K){化工单元设备设计，P14}初算出所需传热面积（2）重要工艺尺寸及构造基本参数计算①初选钢管②换热管数量及长度拟定由于流体粘度不大于,暂取。设所需管数为n，那么，则n=36根，又由传热面积S。=32.6m=nπd。LL=11.56m，据《惯用化工设备设计》P185可选3m长钢管，4个管程。因而，一台换热器总管数为436=144根。管程雷诺系数,因此，Pr=1.61，因此，（3）壳程工艺参数计算①当量直径，《化工流体流动与传热》P335，t=32《惯用化工设备设计》P16可算得，管程内径,，整取500mm。折流板间距，暂取0.15m，壳程流通面积壳程流速查得，污垢系数：3.1.5传热管和壳体壁温核算管壁温度液体平均温度壳体壁温计算办法与传热管壁温计算办法类似，但壳体壁温可近似取壳程流体平均温度。即3.2管程及壳程压力降3.2.1管程压力降计算EQ因而，将已知数据代入以上公式，（1）流过直管由于摩擦所引起压力降l传热管长度，m传热管管内径，mu管内流速，流体密度，kg/m取绝对粗糙度（2）流过回弯管（进出口阻力不计）因摩擦引起压力因此，,因而满足规定。3.2.2壳程压力降校核F=0.5《惯用化工单元设备设计》P41，正三角形排列。壳程流体摩擦系数：中心管数折流板数因此，因此，壳程压力降满足规定。3.3流程及构造设计固定管板式换热器依照构造特点不同可以分为刚性构造和具备温差补偿两类。刚性构造固定管板式换热器其外面圆筒形壳体和内部换热管(换热管总体叫管束)通过两端管板刚性连接在一起。这样参加换热两种流体，一种在管内流动(称为管程)，一种在换热管和壳体之间空间流动(称为壳程)，热量使可通过管壁进行传递．这种刚性构造固定管扳式换热器由于换热管、管板和壳体三者刚性连接在一起，因此具备下述优缺陷：’长处：a)构造简朴；b)紧凑；c)造价低。缺陷：a)管间不能清洗，故只能通以清洁流体；b)在操作过程中，如果换热管和壳体温度相差较大时，或者温度差不大，但两者材料线膨胀系数相差较大时，两者要产生不同膨胀量，从而在管子和壳体中必然产生应力。此应力是因温差产生，叫做温差应力。固定管板式换热器构造及重要部件1.封头2.设备法兰3.排气口4。壳体5.换热管6.折流板7.防冲板8.壳程接管9.管板10.管程接管11.隔板12.管箱13.排液口14.定距管15.拉杆16.支座17.垫片具备温差补偿换热器是在壳体上带膨胀节，从而减少温差应力。带波形膨胀节换热器长处是：构造简朴造价低同步可以减少温差应力。缺陷是：由子波形膨胀节承压能力普通说来比较差。与否需要膨胀节依照强度计算来判断，详细见后。3.3.1管子设计1、采用光滑管光滑管构造简朴，制造容易。缺陷是它强化传热性能局限性。为了提高换热器传热系数，可采用构造形式多样化管子，如异性管，翅片管，螺纹管等。2、选用管子。3、管长国内生产无缝钢管长度普通为6m，故系列中换热管长度分为1.5，2,3,4.5,6米几种，本设计中采用3米长管子，其传热面积为：4、管子排列形式管子排列办法惯用有正三角形直列，正三角形错列，正方形直列和正方形错列。见图C。.正三角形错列.正方形直列.正方形错列图C正三角形排列比较紧凑，在一定壳径内可排列较多管子，且传热效果好，但管外清洗较为困难。而正方形排列，管外清洗以便，合用于壳程中流体易结垢状况，其传热效果较正三角形差些。以上排列方式中最惯用是正三角形错列，用于壳侧流体清洁，不易结垢，后者壳侧污垢可以用化学解决掉场合。本设计中采用正三角形错列排列方式。5、管数原则管数为144根。3.3.2管心距设计：采用胀接法固定期，管心距过小会导致胀接在挤压作用下发生变形，失去管子与管板之间连接力。故采用焊接法。依照经验公式：隔板中心到离其近来一排管中心距离S=t/2+6=32/2+6=22㎜各程相邻管管心距为。3.3.3管板设计1、管板作用：固定作为传热面管束，并作为换热器两端间壁，将管程流体分隔开来。2、管板上管孔数：即为壳体中传热系数（涉及圆缺形板区安顿）。3、管板上孔间距不适当过大，避免布管疏松，不利传热；也不适当过小，避免焊接时引起较大应力，影响焊接质量，此外也不利于清扫壳程管束。4、管板与壳体连接采用不可拆式，即直接焊在壳体上，稍微延伸，兼作法兰，便于对胀口进行检查和维修以及清洗管子。5、管板直径与厚度管板与壳体直径应保持一致。管板厚度与材料强度，介质压力，温度和压差，温差以及管子和外壳固定方式和受力因素关于。对于管子与管板胀接时，为保证胀接可靠性，管板最小厚度为。管子与管板焊接时，由于焊接可以达到甚至超过管子自身强度，只要管子强度足够，管子厚度可不受限制，而由焊接工艺及焊接变形等规定来拟定。本设计中选用。6、管子在管板上固定办法，必要保证管子和管板连接牢固，不会在连接处产生泄漏。连接方式普通有三种：胀接法，焊接法，胀焊并用法；普通采用事胀接法和焊接法。由于焊接法在高温高压下仍能使用，保持连接紧密性，管孔加工规定低节约空加工工时，同步焊接工艺比胀接工艺简朴等长处，故本设计中采用焊接法。依照原则规定，管子外径为25mm时，管板孔直径为25.8mm,容许偏差；相邻孔中心距32mm，管孔中心距偏差：相邻孔间，任意孔间；支撑板孔直径25.6mm,容许偏差。管子露出管板长度，采用1.5mm。7、管板构造型式管板是换热器重要部件，惯用均为圆形平板。其构造有管板兼作法兰和不兼作法兰两种。在兼作法兰管板中，由于密封规定不同，多用于固定管板式换热器中。故选用管板兼作法兰型。构造见图D。图D固定管板式换热器管板与壳体连接8、换热管在管板上排列换热管在管扳上排列重要采用三种办法，即等边三角形排列法，正方形排列法和组合排列法。等边三角形排列法长处是：在一定管板面积上可以放置较多换热管，提供较多传热面；正方形排列法长处是换热管外表面可用机械办法清理，管间可解决较脏流体。在多程列管换热器中，经常在各程内采用等边三角形排列而在程与程之间采用正方形排列，这种叫做组合排列法。当换热管管数较多时，无论是采用等边三角形排列法还是正方形排列法，都应在管束和壳体之间形成弓形区内配备尽量多换热管。这样做不但可以增大传热面，并且还可以防止壳程流体大某些从弓形空区通过，减少传热效果缺陷。同步，又能减小壳程流体流通断面，提高其流速，强化换热器换热能力。9、管板与壳体连接列管式换热器管板与壳体连接型式分为不可拆式和可拆式两大类。固定管板式换热器管板和壳体是焊接在一起，属不可拆式连接。如图E所示。图E固定管板式换热器壳体和管板焊接构造10、固定管板计算T=20mm,总换热管数n=144。一根管壁金属横截面积为：开孔强度削弱系数{GB151-1999管壳式换热器，P39}管板间距L估取3050mm。计算K：K=5.8按管板简支考虑，依K值查得无量纲系数管板最大应力管子最大应力筒体内径截面积管板上管孔所占总截面积系数系数壳程压力，管程当量压差管板采用16Mn，换热管为20号碳素钢管板，管子强度校核因此，管板计算厚度满足规定。3.3.4管箱管箱是位于列管换热器两端重要部件。它作用是接纳由进口接管来流体并分派到各换热管内，或是汇集由换热管流出流体，同步将其送入排出管而排出换热器。选用顶部为椭圆形管箱。如左上图所示。管箱流体进出口也设在管箱侧面。换热器管程清洗或检修时，只要把连接管道从管箱上卸开，把管箱从换热器上拆下即可。图中点划线表达管程隔板，管箱连接普通采用焊接。管箱最小长度得拟定原则多程管箱，流经相邻两管程之间最小流通面积应不不大于或等于其中一程管内流通面积1.3倍；但操作容许时也可等于每管程管子流通面积（为以便计算，按各程平均管数计算）。管箱最小长度计算本设计选取B型（封头管箱）。按流通面积计算，按各相邻焊缝间距离计算，L取两者较大者。{化工单元过程及设备课程设计，P119}式中，为换热管内径；mm；为各程平均管数；E为各相邻管程间分程处，物流流通最小宽度，mm；为封头内曲面高度，mm;为封头直边高度，mm；为封头厚度，mm；为接管位置尺寸，，mm；为接管至壳体与封头连接焊缝间距离，取100mm；为封头高度，，mm；C为接管补强圈外边沿至设备法兰或管箱壳体连接焊缝间距离，；为接管外径，mm。管箱内压降为符合规定。3.3.5管束分程、管程隔板及其管板连接当流体流量较小或换热器传热面较大而需管数诸多时，为了增长管内流速，提高传热效率，可将管束分程，即在管箱内装置与管子中心线相平行管程隔板，使管积流体依次流过每程管子。当管程流体在换热器内平行地流过一次时，称为单管程，流过二次时，称为双程，以此类推。但是，分程不适当太多，否则分程隔板占去管板面积太多，使排管数减少，换热器显得不够紧凑，并且构造复杂，流体穿过隔板垫片短路机会增多。隔板所占去位置在壳程会形成没有管子占据走廊，也会导致壳程流体短路旁通而不利于传热。前面已经计算过选用双管程。为了保证管程隔板，管箱与管板之间连接可靠性，以及加工以便起见，管程隔板型式应力求简朴，尽量缩短密封长度，并应使管程隔板密封面和管箱法兰密封面处在在同一平面上，同步，还应保证管程隔板在槽密封面和管板边沿密封面，也在同一平面上。3.3.6折流板设计1、折流板为了加大壳程流体流速和湍动限度，提高传热效果；为了对换热管加以支撑，增长换热管刚度，减少振动。在换热器中，除冷凝器外多设立折流板。折流板重要有圆缺形和盘环形两种，其中最惯用是圆缺形。圆缺形折流板构造如图F所示，它是一块圆形板切去一种弓形某些而成。其切去某些高度，普通为壳体内径10～40%，特别以壳体内径20～25%最为惯用。切去某些高度过大或过小，都对换热不利，只有当切去某些高度恰当时，才干使壳程流体像图F那样以较好错流方式穿过换热管束，提高换热器传热效率。圆缺形折流板在卧式换热器中布置法有如图所示两种。一种是将切去图F圆缺形折流板图G卧式换热器中圆缺形折流板布置办法弓形缺口某些上下布置如图G；一种是将切去弓形缺口某些左右布置。前一种布置法，可以导致壳程流体激烈搅动，有助于热量传递，故选用前一种布置方式。2、折流板固定在列管式换热器中，折流板固定普通是采用拉杆和定距管来实现。查参照文献《惯用化工单元设备设计》P30可得拉杆根数为4，拉杆直径为12mm，拉杆孔直径为12+1=13mm。拉杆、管板和折流板之间采用点焊固定，如图J所示“焊接拉杆”。图J拉杆和管板连接构造3、本设计采用圆缺形性折流板。4、圆缺形折流板在卧式换热器中排列分为圆缺上下方向和圆缺左右方向两种。上下方向排列者可导致液体激烈湍动，增大传热膜系数，这种构造最为惯用。故本设计中选用圆缺上下方向排列。5、圆缺折流板圆缺高度普通为至，本设计中采用。6、容许折流板间距与管径关于，取折流板间距B=0.3D，则B=0.3500mm=150mm，取B为150mm。折流板数目折流板圆缺面水平装配。7、折流板外径为500-5=495mm。8、折流板厚度为5mm3.3.7排气孔和排液孔图H排液与排气口对于不能运用原有接管进行放气或排液列管式换热器，应当注旨在管程和壳程最高处和最低处增设排气孔和排液孔。其构造形式如图H.用来进行开车前放气和停车后排液。特别对于蒸汽在壳程冷凝换热器，更需要设立排气孔和排液孔，使蒸汽内惰性气体不致大量积聚，并使冷凝液及时排除，以防冷凝液将换热管沉没，减小传热面，或由于惰性气体积聚而减少换热效率。由此可知，排气孔和排液孔采用，不但可以回收或排除工作介质，并且又可提高换热器传热效率。3.3.8壳体设计经初步计算，考虑其经济性等因素，本设计选用Q235-B型钢材作为筒体材料。①壳体厚度计算：其中,查得：，（双面焊缝），故②考虑到开孔削弱及安全，以及开孔强度补偿办法，又参照GB151-1999P19，取壳体厚度为8mm。因此，设计符合规定。3.3.9壳程接管设计1、壳程流体进口接管：接管内液体流速为u1=0.43m/s，则接管内径为查原则可取接管规格为。2、管程流体进出口接管：接管内液体流速u2=0.35m/s，则接管内径为TC"接管"\fC查原则可取接管规格为。3、壳层流体出口接管，为以便计算，取与壳程进口管规格相似。4、接管外伸长度5、开孔补强及补强办法鉴别（1）补强鉴别容许不另行不强最大接管外径为。本设计开孔外径已经远远超过其值，因此需要考虑其补强。开孔直径开孔直径,满足等面积开孔补强计算合用条件。（2）补强计算由计算出工艺设计条件接管尺寸为，考虑选用20号钢，接管计算壁厚接管有效壁厚开孔直径接管有效补强宽度接管外侧有效补强高度需要补强面积可以作为补强面积为因而，该接管补强强度足够，不需另设补强构造。3.3.10封头设计由于椭圆形封头制造以便，构造合理，用材较少，故本设计采用原则椭圆形封头：设计厚度：为了与筒体配套和焊接以便，原则椭圆形封头内径为500mm，厚度为8mm，查JBT4746-P37和P38可知，H为150mm，h为25mm，重量约为19.6Kg。封头：3.3.11实验压力本设计为内压容器，实验压力应依照如下式子进行验算，液压实验：气压实验：式中：实验压力，MPa；P设计压力，MPa；容器元件材料在实验温度下许用应力，MPa；容器元件材料在设计温度下许用应力，MPa。压力实验前，应按下式校核圆筒应力：式中，实验压力下圆筒应力，MPa；圆筒内径，mm;实验压力，MPa；圆筒有效厚度，mm。应满足如下条件：液压实验时，气压实验时，式中，圆筒材料在实验温度下屈服点（或0.2%屈服强度），MPa；圆筒焊接接头系数。由计算成果可知，=25.4MPa<(0.8~0.9)0.85235=(159.8~179.8)MPa,因此，满足液压及气压实验规定，3.3.12支座支座是换热器支撑装置，应用最广泛是鞍式支座和悬挂式支座。因换热器采用是卧式构造，故选用鞍式支座。在选取支座位置时，既要考虑到运用封头加强效应，又要考虑不使筒体中部应力增长过多。如果支座位于容器端部则在容器中部产生很大弯矩，如果支座位于容器中部，则在支座处产生很大弯矩。在《JBl167—82》原则中，推荐A≤0.2L，且，A、L、意义见图11。图11鞍式支座3.3.13法兰及垫片为原则件按《压力容器与化工设备实用手册》（上）选用。第四章膨胀节换热器设计，除满足工艺条件外，尚需满足强度条件。换热器都承受内压或外压，因而，壳体、管子、封头、法兰、开孔等均需能承受相应内压或外压，不致受到破坏。但由于换热器构造特点，在操作时受力状况与容器不同。在固定管板式换热器中，壳壁及管壁在操作时除承受由于壳程及管程流体压力而产生轴向力和周向力外，尚承受由于壳壁与管壁有温度差而产生温差轴向力。所谓温差轴向力就是由于操作时壳壁和管壁温度不同，因而壳体与管子热膨胀自由伸长量就不相等，但两者又是通过管板刚性联在一起，彼此实际伸长量又必要同样，因而在大多数状况下(即当管壁自由伸长量不不大于壳壁自由仲长量时)，壳壁被迫拉伸，管壁被迫压纸这种压缩或拉伸轴向力称为温差轴向力。由此可见，单纯从受力角度来看，换热器比容器多一种温差轴向力，如果操作时壳壁温度与管壁温度差别很大，则在壳壁和管壁中就产生很大温差轴向力，若温差应力与受内压而产生轴向应力总和超过壳体材料容许应力时，则壳体就受到破坏。当其超过管子与管板容许拉脱力时，则连接破坏。这种破坏是固定管板式换热器所特有。这就需要考虑设立膨胀节换热器与否设立膨胀节，重要取决于管程与壳程温差、压差和壳体及管子材料.当温差与压差比较小时，壳体中所产生应力也较小，就不必设立膨胀节.但若这种应力达到一定数值，壳体自身补偿不了这种变形差时，就要设立膨胀节来予以补偿.对于一台受内压换热器，膨胀节采用与否应当依照下列三项计算来鉴定:(1)壳壁温差应力与壳壁内压轴向应力总和与否超过壳体材料容许极限(涉及焊缝削弱).(2)管壁温差应力与管壁内压轴向应力总和与否超过管体材料容许极限.(3)管子拉脱力与否超过管子胀接或焊接所容许极限.如前所述，壳体和管子在换热器中均受到温度应力和内压轴向应力作用。现分别计算。4.1压力产生应力换热器受压后所产生轴向力为：（1）式中：、——管子外径和内径；——管子数；、——壳程压力、管程压力；该力由壳体和管子共同承受，故此时，壳体所受与管子所受力之和应等于，即：（2）式中：——由压力产生壳体应力，；——由压力产生管子应力，；——壳体截面积，；——管子总截面积，；同步，壳体与管子应力分派（即各自大小），与弹性模量成正比，即：（3）解式（2）和（3）得：（）（4）（）（5）当壳体与管子材料相似时，即则：（）（6）4.2温差产生应力温差应力是由于壳壁和管壁温差而产生。设一固定管板式换热器在操作时其壳壁温度为，管壁温度为，则壳体和管子都会因升温而膨胀。如果两者皆能自由膨胀，则壳体自由伸长量为：（）（7）而管子自由伸长量为：（）（8）上两式中：、——壳体和管子材料线膨胀系数，；——壳体和管子长度，；——装配温度，。管子和壳体因热膨胀而产生长度变化状况如图所示。其中（a）是处在装配温度时状况，这时壳体和管子长度皆为。为便于分析，假设在操作状态下管壁温度不不大于壳壁温度，即＞，管子自由伸长量不不大于壳体自由伸长量，即＞，如图（b）所示。但在固定管板换热器中，管子和壳体通过管板刚性地连在一起，如果整个构造不发生变形和破裂，则由于互相间刚性约束，管子和壳体最后必然处在同一平衡位置，它们伸长量都等于，如图(c)所示。从图(b)和(c)比较中可以看到，这时管子受到了压缩，被压缩长度为-；而壳体则受到拉伸，被拉伸图壳体及管子伸长和压缩长度为-。如果两者变形量均不超过弹性范畴，依照虎克定律，可以分别求出由此产生在管子中压缩力和壳体中拉伸力。显然，这两个力是相等。按虎克定律：（9）（10）式中：——因温差引起管子所受压缩力或壳体所受拉伸力，；、——管束和壳体材料弹性模量，、——管束和壳体截面积，。从上两式中消去得：（11）将式（9）和（10）代入上式：（12）由此可以求得：（13）此即为因管壁和壳壁温度不同而产生温差轴向力。若管子和壳体材料相似，即，，则上式可简化为：（14）如果管子和壳体直径、壁厚以及管子数均为已知，则管束和壳体截面积和分别为：（15）（16）式中：、——管子外径和内径，；——管子数，；、——壳体外径和内径，；——壳体壁厚，。由温差而在管壁上产生压应力为：（17）在壳壁上产生拉应力为：（18）从上述计算可以看出，对已定构造固定管板式换热器而言，温差应力、仅与材料弹性模量、线膨胀系数、温差以及管束和壳体截面积关于，而与管子和壳体长度无关。但温差应力和方向相反，若一种为拉应力，则另一种为压应力，因而与和合成时，则当壳体膨胀量不不大于管子时，壳体合成应力为：（19）管子合成应力为：=（20）当管子膨胀量不不大于壳体时，壳体合成应力为：（21）管子合成应力为：=（22）4.3拉脱力所谓管子拉脱力是指将管板中拉脱出来轴向力。换热器在操作时，承受介质和温差应力联合伙用，当温差大时，尤以温差应力更为突出。这两个力在壳壁和管壁中产生拉（或压）应力，同步在管子与管板连接处产生拉脱力，使管子从管板中脱出。管子拉脱力以管子每平方厘米连接周边上所受力来表达。如果管子拉脱力过大，则有也许引起管子与管板接头出密封性破坏或使管子松脱。因而，为保证管端与管板牢固地连接和良好密封性能，在设计时需要对管子拉脱力进行校核，校核与否在容许范畴内。如果计算成果超过容许范畴，则就需要采用办法以减少管子拉脱力。最惯用办法是减少温差应力，例如对刚性构造无膨胀节换热器，就需要采用膨胀节；对带膨胀节换热器，就需要增长膨胀节波数或改用强度较高材料（如）作膨胀节以减薄膨胀节壁厚。由管板计算中可知，在压力与温差联合伙用下，管子中所产生应力为，则管子拉脱力为：（23）式中：——管子与管板胀接长度或焊接高度，对胀接：当＞5厘米时，取=5厘米；对焊接：等于焊接计算厚度。别的符号意义同前。按式（23）需经管板计算，求得管子中应力后方可求得拉脱力，事实上在进行管板计算之前需先求得拉脱力，以鉴别换热器与否需要膨胀节，此时可依照管子连接办法分别由下述两个公式求得。采用胀接法连接管子时（24）采用焊接法连接管子时（25）式中：——在温差和压差作用下，管子中产生总轴向力，；当壳体比管子伸长量大时，取或两者中之大值；当管子比壳体伸长量大时，取或两者中之大值；4.4强度条件（26）式中：、——壳体和管子轴向总应力，；、——壳体和管子材料许用应力，；——焊缝系数；——许用应力，。当换热管与管板胀接时，值见参照文献《化工设备设计基本》表15-22；当换热管与管板焊接时，=0.5若上述三个条件中有一种不满足，就要设立膨胀接。鉴定与否需要膨胀节依照所选材料有，壳体为Q235-B钢，管子为20号钢，查参文献《压力容器与化工设备实用手册（上册）》得，，，，壳壁温度为52.5℃，管壁温度为76.5℃，装配温度为25℃。则压应力为：由式（15）得=由式（16）得=∴温差应力为：合成应力为：由于管壁温度高于壳壁温度，因此管子膨胀量不不大于壳体膨胀量，因而：==查手册有取，则＞＞=-16.14MPa拉脱力：因管壁温度高于壳壁壁温度，则取或两者中之大值，∴＜因而，强度三个条件都满足，因而不需要设立膨胀节。第五章换热器中强化传热途径简述所谓换热器传热过程强化就是力求使换热器在单位时间内，单位传热面积传递热量尽量多。强化传热过程提高换热设备传热能力所获得效果将体当前如下几方面：在设备投资及输送功耗一定条件下，获得较大传热量。从而增大设备容量，提高劳动生产率。换热器热计算所根据基本关系式之一是传热方程式，它揭示了换热器中传热面所传递热量和传热系数，平均温差以及传热面积间关系：依照此式，要使增大，无论是增大、还是都能收到一定效果，工业设计和生产实践中大都从这些方面来考虑强化传热办法。5.1加大传热系数K提高值途径是提高传热两侧换热系数、避免或减轻污垢积聚、选用导热性能良好材料作传热壁面并尽量减薄其厚度。5.2增大平均温差两流体温差或流体与传热面间温差很大时，所产生附加自然对流还会对传热系数值产生影响。加大平均温差重要办法有：（1）尽量采用近于逆流传热方式由于逆流平均温差不不大于顺流平均温