U型管换热器毕业设计说明书

第一章绪论1.1换热器的发展背景及历史1.1.1换热器发展背景换热器是一种在不同温度的两种或两种以上流体间实现物料之间热量传递的节能设备，是使热量由温度较高的流体传递给温度较低的流体，使流体温度达到流程规定的指标，以满足工艺条件的需要，同时也是提高能源利用率的主要设备之一。换热器行业涉及暖通、压力容器、中水处理设备，化工，石油等近30多种产业，相互形成产业链条。数据显示2010年中国换热器产业市场规模在500亿元左右，主要集中于石油、化工、冶金、电力、船舶、集中供暖、制冷空调、机械、食品、制药等领域。其中，石油化工领域仍然是换热器产业最大的市场，其市场规模为150亿元；电力冶金领域换热器市场规模在80亿元左右；船舶工业换热器市场规模在40亿元以上；机械工业换热器市场规模约为40亿元；集中供暖行业换热器市场规模超过30亿元，食品工业也有近30亿元的市场。另外，航天飞行器、半导体器件、核电常规岛核岛、风力发电机组、太阳能光伏发电、多晶硅生产等领域都需要大量的专业换热器，这些市场约有130亿元的规模。国内换热器行业在节能增效、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。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，我国换热器行业在未来一段时期内将保持稳定增长，2011年至2020年期间，我国换热器产业将保持年均10-15%左右的速度增长，到2020年我国换热器行业规模有望达到1500亿元。1.1.2换热器发展历史二十世纪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。此外，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。1.2换热器的分类及其特点换热器的类型随工业发展而增多,早期的换热设备由于制造工艺和科学反应产物平的限制,多有结构简单、换热面积小和体积较大等特征。在化工生产中，由于用途、工作条件和热载体的特性等的不同，对换热器提出了不同的要求，所以出现了各种不同形式和结构的换热器。为了便于区分和分析研究，可将换热器按下列方式进行分类。1.2.1换热器的分类1．按作用原理或传热方式分类（1）混合式换热器它是利用两种换热流体的直接接触与混合的作用来进行热量交换的。混合式换热器操作的一个主要因素，就是要使两种流体的接触面积尽可能大，以促进它们之间的热量交换。为了获得更大的接触面积，可在设备中防止隔栅填料，有时也可把液体喷成细滴。此类设备通常做成塔状。（2）蓄热式换热器它是让两种温度不同的流体先后通过同一种固体填料的表面，首先让热流体通过，把热量蓄积在填料中，然后，当冷流体再通过时，将热量带走，这样在填料被加热和被冷却的过程中，进行着热流体和冷流体之间的热量传递。在使用这种换热器时，不可避免地会使两种流体有少量混合，且必然是成对的使用，即当一个通入热流体时，另一个则通入冷流体，并靠自动阀进行交替切换，使生产得以连续进行。（3）间壁式换热器它是利用一种固体壁面将进行热交换的两种流体隔开，使它们通过壁面进行传热。这种形式的换热器使用最广泛。2．按生产中使用目的分类即分为冷却器、加热器、冷凝器、汽化器（或再沸器）和换热器等。3．按换热器所用材料分类一般可把换热器分成金属材料和非金属材料两类。4．按换热器传热面的形状和结构分类它用于区分各种形式的间壁式换热器。其分类有：（1）通过管壁传热的换热器（即“管式”）①蛇管式换热器②套管式换热器③U型管式换热器：这类换热器又可分为U型管式、U形管式和浮头式。（2）通过板面传热的换热器（即“板面式”）①螺旋板式换热器②板式换热器③伞板式换热器④板翅式换热器⑤板壳式换热器（3）其它形式的换热器这类换热器一般都是为了满足某些特殊要求而出现的，有些还处于发展阶段，其中比较成熟的，如回转式换热器和热管等。1.3U型管式换热器的设计U型管式换热器的设计资料较完善，已有系列化标准。目前我国U型管式换热器的设计、制造、检验、验收按“热交换器”（GB151）标准执行。U型管式换热器的设计和分析包括热力设计、流动设计、结构设计以及强度设计。其中以热力设计最为重要。不仅在设计一台新的换热器时需要进行热力设计，而且对于已生产出来的，甚至已投入使用的换热器在检验它是否满足使用要求时，均需进行这方面的工作。热力设计指的是根据使用单位提出的基本要求，合理地选择运行参数，并根据传热学的知识进行传热计算。流动设计主要是计算压降，其目的就是为换热器的辅助设备—例如泵的选择做准备。当然，热力设计和流动设计两者是密切关联的，特别是进行热力计算时常需从流动设计中获取某些参数。结构设计指的是根据传热面积的大小计算其主要零部件的尺寸，例如管子的直径、长度、根数、壳体的直径、折流板的长度和数目、隔板的数目及布置以及连接管的尺寸等等。在某些情况下还需对换热器的主要零部件—特别是受压不均做应力计算，并校核其强度。对于在高温高压下工作的换热器，更不能忽视这方面的工作。这是保证安全生产的前提。在做强度计算时，应尽量采用国产的标准材料和部件，根据我国压力容器安全技术规定进行计算或校核。1.4设计条件1.4.1设计参数工作压力：1.3MPa(管)/0.7MPa(壳);工作温度：100℃（管）；壳程工作温度65℃；管程介质：柴油壳程介质：循环水；管程设计压力：4.0MPa;壳程设计压力：0.8MPa；管程设计温度：220℃；壳程设计温度：220℃；管程入口温度：95℃；出口温度：50℃；壳程入口温度：45℃；出口温度：65℃；地震烈度7级；场地土类别：二类；焊缝系数：0.85；碳钢腐蚀余量：3mm：容器类别：二类换热面积：180m21.4.2设计内容1、换热器在炼油装置中简单工艺流程及应用2、主要设计参数的确定及说明3、材料的选择及论证4、换热器结构选择及论证（1）换热器整体结构型式及特点（2）前管箱、壳体和后端盖结构型式及特点（3）管束分程和分程隔板的布置及特点（4）管子尺寸及排列、数量、偏差和总传热面积的确定（5）折流板、拉杆、定距管等零件的结构及特点（6）管子与管板的连接说明（7）接管、法兰、管箱法兰、外头盖法兰、浮头法兰的结构及特点（8）支耳、支座、排气管、排液管的结构及作用（9）换热器密封结构型式及密封点的说明5、换热器零部件强度计算与校核（1）封头、壳体厚度计算（管子厚度计算）（2）管板强度计算与校核（3）开孔补强计算（4）法兰强度计算与校核（5）鞍座强度校核1.5设计思想设计是一项政策性很强的工作，因此，在工程设计的工作中要求工程设计人员必须严格地遵守国家的有关方针和法律规定以及有关行业规范，特别是国家的工业经济法规、环境保护法规和安全法规。此外，由于设计本身是一个多目标优化问题。对于同一个问题，常会有多种解决方案，设计者常常要在互相矛盾的因素中进行判断和选择，做出科学合理的决策。1.6换热器在石油化工生产中的简单工艺流程及应用换热设备的主要作用是使热量由温度较高的流体传递给温度较低的流体，使流体温度达到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、废热特别是低位能的有效装置。设计合适的换热设备不仅可以有效节约能源，而且相对来说可以得到更加满足生产需求的产品。这不仅满足工业化生产的经济效益，而且对国家倡导的可持续发展有一定的促进作用。

第二章换热器主要参数说明及材料的选择与论证2.1主要设计参数的确定及说明2.1.1设计压力根据GB151-2014《热交换器》[1]，设计压力指设定的换热器管、壳程顶部的最高压力，与相应的设计温度一起作为设计载荷条件，其值不得低于工作压力。换热器管程的操作压力是1.3MPa，壳程的操作压力是0.7MPa，考虑一定的安全裕度，并由任务书给出本设计管程的设计压力为4.0MPa，壳程的设计压力为0.8MPa。2.1.2设计温度根据GB151-2014《热交换器》，设计温度不得高于原件金属可能达到的最低温度，设计温度与设计压力一起作为设计载荷条件。由设计任务书知管程操作温度为100℃，壳程操作温度为65℃，管程的设计温度为220℃，壳程设计温度为220℃。2.1.3腐蚀裕量根据GB151-2014《热交换器》，对于压力较低的容器，按强度公式计算出来的厚度很薄，往往会给制造和运输、吊装带来困难，为防止热交换器元件由于腐蚀，机械磨损使厚度减薄，为此对壳体元件规定了不包括腐蚀裕量的最小厚度δ。对于碳素钢、低合金钢制的容器，δ不小于3mm;对于合金钢制的容器，δ不小于2mm.腐蚀裕量一般可根据钢材在介质中的均匀腐蚀速率和容器的设计寿命确定。本设计的腐蚀裕量为3mm。2.1.4焊缝系数根据GB151—1999《热交换器》焊接接头系数和GB150—1998《钢制压力容器》10.8规定和图样要求执行。各焊接接头型式的焊缝系数如下表2-1。本设计管箱筒体与封头连接的接头属B类焊接接头，采用双面焊对接接头和相当于双面焊的全焊透对接接头，采用无损检测取0.85。表2-1焊接接头系数焊接接头型式焊接接头系数全部无损检测局部无损检测双面焊对接接头和和相当于双面焊的全焊透对接接头=1.00=0.85单面焊对接接头（沿焊接接头根部全长有紧贴基本金属的垫板）=0.90=0.802.2换热器构件材料的选择及论证压力容器材料费用占总成本的比例很大，一般超过30%材料性能对压力容器运行的安全性有显著的影响。选材不当，不仅会增加总成本，而且有可能导致压力容器破坏事故。因此，合理选材是压力容器设计的关键之一。压力容器用材料多种多样，有钢、有色金属、非金属、复合材料等。选择材料应考虑使用条件，焊接性能，制造工艺以及经济合理性符合相应的标准。化工设备材料选用的一般原则：⑴材料的使用性能原则：不同的物件所要求的使用性能是不同的。有的要求高强度，有的要求耐腐蚀高温或耐低温。有的要求高硬度耐磨损。因此，选材时，首先必须准确地判断构件所需的使用性能。分析构件的工作条件。构件的受力情况，构件的工作环境。构件的特殊要求（如传热快，防振，重量轻）等。通过失效分析，确定构件的主要使用性能。从构件性能要求提出对材料使用性能的要求。⑵材质加工工艺性能原则：选材时必须考虑材料加工性能的好坏，好的加工工艺性能不仅要求工艺简单，容易加工，能源消耗少，材料利用率高，加工质量好。⑶材料经济性能原则：在满足构件使用性能，加工性能要求的前提下，经济性能也是必须考虑的主要因素。一般的机械产品注重“成批”，化工设备强调“成套”。考虑到工艺流程的需要，化工设备设计开始前往往统一规定，在压力等级，温度，材质，防腐等方面提出同一的规定。2.2.1换热管换热管属于压力管道，压力管道对材料性能有以下要求：1）足够的强度，良好的塑性和韧性；2）良好的冷加工成形性能；3）与环境条件协调，有适当的耐热性、耐腐蚀性、耐磨性等。换热管常用的材料是：10号钢，20号钢。10号钢[2]为含碳量较低的优质碳素结构钢，具有适当的强度、较好的塑性和良好的焊接性能。它的拉伸强度和屈服强度较低，强度也较低，但塑性和韧性很好，在冷态下，有很好的塑性，容易模压成形。它的切削性能优异，无回火脆性倾向，焊接性能很好，可用来弯曲、锻粗、热冲、冷冲或拉丝等方法制造各种零件。为提高表面强度可进行渗碳和氰化处理。用这种钢扎制的无缝钢管可用于压力容器和锅炉中。法兰连接用的齿形组合密封垫片和金属环垫片也常用这种钢。此外还可用来制造垫圈和心部强度要求不高的渗碳零件。20号钢的强度较10号钢高，其塑性、韧性和焊接等工艺性能都很好，在化工设备和压力容器中应用很广泛。钢材的品种有钢板、钢管和锻件。20号钢的焊接性能优良。本设计管程设计压力为4.0Mpa，换热管走柴油，与壳程物料不接触，由于壳程物料为循环水，且考虑到其压力也不是太高，根据以往较成熟的经验，选用10号碳钢就可以满足要求了。该材料一般用来制造≤4mm的冷压深冲制件，化工上用以做搪瓷设备铁胎、管子等。它较之含碳量较高的钢耐蚀性较强，且其焊接性能很好，可以用任何方法进行焊接，焊前和焊后不必进行热处理。2.2.2管板根据GB150-1998和GB151-2014规定，根据壳程设计压力，初步估算管板厚度大于60㎜，应采用锻件。管板和壳程物料接触，同样要考虑到物料本身介质的腐蚀性以及冷凝时发生的露点腐蚀，16Mn锻件作为低合金钢，可耐一定的腐蚀，且由于设计压力属中低压，根据以往的经验故选用16Mn锻件16Mn钢[3]是345MPa级的低合金结构钢。它具有良好的综合机械性能。焊接性能，工艺性能及低温冲击韧性，中温（450℃）及低温（-45℃以上）机械性能均优于Q234-A，12，20等碳钢，是一种十分成熟的钢种，质量稳定。锻造工艺性能及其他性能：始锻温度1220℃，终锻温度800℃，锻后900℃正火在冷却，无回火脆性；焊接要求：焊接性尚属良好，锻件焊前应预热100～150℃，焊后，电弧焊需600～650℃回火，电渣焊焊后需900～930℃正火，600～650℃回火消除应力；焊条：手工焊焊条用结502，506，507；自动焊焊丝用H10Mn2,H10MnSiA,焊剂431；电渣焊焊丝用H08MnMoA,焊剂431，360。使用温度：-40℃～475℃。用途举例：大、中、小型锻件，如作管板、法兰，化工工业小型合成氨厂高压设备可焊接锻件，筒体、顶部、底部。2.2.3筒体常见的筒体材料有20号钢、16MnR、Q235B。16MnR是屈服强度为340Mpa级的压力容器专用钢板。它具有良好的综合力学性能和工艺性能，磷、硫含量比较低。出抗拉强度、延伸率要求比普通16Mn钢有所提高外，还要求保证冲击韧性。它是目前我国用途最广、用量最大的压力容器专用钢。根据根据GB150-1998和GB151-2014圆筒及封头的钢板应符合GB150-1998的规定，估算圆筒直径DN大于400㎜，所以圆筒不用钢管制造，选用钢板弯卷成形。本设计壳程设计压力为0.8Mpa，16MnR具有良好的综合力学性能和工艺性能，且具有成熟的使用经验。主要性能如下：切削加工冷冲压性能良好，加工温度较宽。热冲压加热温度1000℃~1100℃，终压温度750℃~850℃，热冲压后一般不需热处理。焊接性能良好，焊前一般不预热，只有当板厚大于38mm时需预热100℃~150℃。焊接后当板厚大于32mm时电弧焊焊后600℃~650℃回火，电渣焊焊后900℃~930℃正火再以600℃~650℃回火以消除喊残余应力。综上所述，筒体材料选用16MnR。2.2.4法兰法兰材料的选取通常与换热器壳体材料一致，有时法兰对强度的要求比较高，可以选用与壳体不一样的钢材。通常所用的钢材有Q235、Q235F、16Mn、15MnV、20、1Cr18Ni9Ti等。因法兰是主要的受力元件之一，故需有较高的强度，故法兰材料选用低合金高强度钢16Mn。 使用温度：-40℃～475℃。用途举例：大、中、小型锻件，如作管板、法兰，化工工业小型合成氨厂高压设备可焊接锻件，筒体、顶部、底部。2.2.5折流板及旁路挡板折流板及旁路挡板材料选用Q235－B。Q235-B用于以下受力不大的钢结构件、焊接构件、机械零件、锻件、紧固件等。在压力容器上，可制造工作压力小于1.6MPa容器上的双头螺柱、螺栓。板材可卷制设计压力不大于1.0MPa的壳体、封头、补强圈。2.2.6拉杆、定距管拉杆要求有足够的强度和良好的焊接性，选择Q235—B可满足要求。定距管要求有足够的强度和良好的焊接性，选择10号钢满足要求。2.2.7鞍座鞍座是换热器受载元件之一，要求有足够的强度和良好的焊接性能。故选取低合金高强度钢16MnR或碳素结构钢Q235—A·F都能满足要求。第三章换热器结构选择与论证换热器结构选择及论证3.1换热器结构型式的选择本设计采用管壳式换热器。在换热设备中应用最为广泛的是管壳式换热器。它具有选材范围广，换热表面清洗比较方便，适用性较强，处理能力大，能承受高温和高压等特点。管壳式换热器的结构设计，必须考虑诸多因素，如：材料、压力、温度、壁温差、结垢情况、流体性质以及检修与清理等。管壳式换热器是一种传统的、应用最广泛的热交换设备。由于它结构坚固，且能选用多种材料制造，故适应性极强，尤其在高温、高压和大型装置中得到普遍应用。GB151、JB1154、JB1168等国家和部标准中，比较详细地规定了管壳式换热器的标准形式、基本参数,以便各行业在工程设计中广泛应用。结构型式和主要特点：管壳式换热器主要由三大组合部分构成：前端管箱，包括分隔板、接管、连接法兰等。中间壳体，包括壳体、换热装置及壳体接管、法兰等，后端管箱，（与前端管箱类似）。管壳式换热器包括固定管板式、浮头式、U型管式、填料函式换热器和釜式重沸器等。U型管换热器结构特点：只有一块管板，管束由多根U型管组成，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型换热管有温差时，不会产生热应力。由于受弯管半径的限制，其换热管排布较少，管束最内层管间距较大，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型管才便于更换，内层换热管坏了不能更换，只能堵死，而坏一根U型管相当于坏两根管，报废率较高。U型管式换热器结构比较简单、价格便宜，承压能力强，适用于管、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。特别适用于管内走清洁而不易结垢的高温、高压、腐蚀性大的物料。3.2前端管箱、壳体和后端结构型式及特点3.2.1前端管箱⒈管箱结构形式及选型[1]管箱的作用是把管道中来的流体，均匀分布到各传热管和把管内流体汇集在一起送出换热器。在多管程换热器中，管箱还起改变流体的流向在作用。管箱侧或管箱顶部有介质的出、入口接管。常见的管箱有四种结构型式，封头管箱、平盖管箱、与管板制成一体的固定管板管箱、用于可拆管束的与管板制成一体的管箱。封头管箱适用于较清洁的介质情况下，因为在检查管子及清洗时，必须将连接管道一起拆下，很不方便。平盖管箱，在管箱上装有平盖板，将盖拆除后（不需拆除连接管），就可检查及清洗管子，但其缺点是用材较多。与管板制成一体的固定管板管箱型式是将管箱与管板制成一体，从结构上看，可以完全避免在管板密封处的泄漏，但管箱不能单独拆下，检修、清理不方便，所以实际使用很少采用。用于可拆管束的与管板制成一体的管箱为一种多程隔板的安置型式，管束的与管板可拆。综上所述，根据本设计的特点，封头管箱选择用图3-1所示封头管箱这种结构。图3-1封头管箱管箱上有介质的出、入口接管，其接管安装形式见下图3-2图3-2管箱出、入口接管形式3.2.2壳程分程的结构型式GB151-2014图7列出了几种比较常见的壳程结构形式。E型，是最普通的一种，壳程是单程，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，偏成为二壳程的换热器，F型，流体按逆流方式进行热交换。G型，也属于二壳程的换热器，纵向隔板从管板的一端移开使壳程流体得以分流，壳体是的进、出口接管对称地分置两侧中央位置，壳程中流体压力降与E型的相同，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，壳体中的隔板起着防止轻组分的闪蒸与增强混合的作用。）为H型，与G型相似，同属于二壳程的换热器壳体，但进、出口接管与纵向隔板均多一倍，故又称双分流壳体。G型与H型都可用于压力降作为控制因素的换热器中，具有利于降低壳程流体的压力降。尽管在工业中已经成功的制造出六壳程的列管式换热器，但考虑到制造方面上的困难，对于一般的设计，若要增加壳胜数，通常是通过多太换热器串联来解决。纵上所述，U型管只有一个封头，所以壳体的结构形式选择I型壳体。图3-3U型管换热器的壳程结构形式3.2.3后端管箱的结构型式根据GB151-2014，U型管换热器只有一种后端结构形式，就是U型管束。型号为U。3.3管束的分程和分程隔板的布置3.3.1管束分程的作用增多管子排列可以增加换热器传热面积，但介质在管束中的流速随着加热管的增多而下降，结果反而使流体的给热系数降低，故不能仅采用增多管子排列的方法来达到提高给热系数的目的。为改进这种现象，在传热要求下，需保证流体在管束中保持较大流速，则可以将管束分成若干程数，使流体依次流过各程管子，以增加流体流速，提高给热系数。分程可采用各种不同的组合方法，对于每一程中的管数应大致相等。隔板的密封长度应短而形状简单，程与程之间温度相等不宜过大，温差不超过20°左右为宜。3.3.2分程隔板的结构型式在换热器中，不论是管外还是管内的流体，要提高它们的传热系数，通常是采用设置隔板的方法来增加程数以提高流体流速实现其目的。⒈分程隔板结构分程隔板应采用与封头、管箱同等材料，除密封面外，应满焊于管箱上。在设计时要求管箱隔板的密封面与管箱法兰密封面，管板密封面与分程槽面必须处于同一基面，如图3-4所示。图3-4管程隔板形式图中结构（a）、（b）为一般常用的结构形式，（c）是用于碳钢与不锈钢设备的混合结构，（d）适用于更大直径的换热器，在不增加隔板重量的前提下增加隔板刚度。在管板上的分程隔板槽深度一般不少于4mm,槽宽为：碳钢12mm，不锈钢11mm。本设计管程隔板形式采用图3-4中结构（a）形式。2、分程隔板厚度及有关尺寸分程隔板的最小厚度不得小于表3-1的数值。表3-1分程隔板的最小厚度/mm公称直径DN隔板最小厚度碳素钢及低合金钢高合金钢≤60086<600≤1200108>12001410因为分程隔板选材为16MnR,属于低合金钢，又因为管箱直径600<d≤1200，所以取隔板厚度为10mm。其它有关尺寸如图3-4中结构（a）。3.3.3分程隔板在前、后管箱的布置根据设计要求，本换热器设计为两管程和单壳程，前管箱分程隔板的布置如图3-5所示，后管箱不用设置分程隔板。图3-5前管箱分程隔板的布置3.4管子尺寸以及排列、数量、偏差及传热面积的确定换热器的管子构成换热器的传热面，管子的大小尺寸和形状对传热有很大的影响，当采用小直径的管子，换热器单位体积的换热面积大些，设备较紧凑，单位传热面积的金属消耗量少，传热膜系数也稍高，但制造较麻烦，且小管子容易积垢，不易机械清洗。大直径的管子用于粘性大或污浊的流体，小直径的管子用于清洁的流体。3.4.1换热管长度及规格根据GB151-2014《热交换器》规定及JB/T4722－92《管壳式换热器用螺纹管基本参数和技术要求》选取换热管的长度：㎜，齿距tp=2mm。换热管齿顶圆直径dof=24.8mm热管齿根圆直径dr=22mm热管内径di=18mm翅化比η=1.8换热管中心距为S=32mm。3.4.2布管（1）换热管排列形式及中心距根据管壳程流体介质的特性，选择转角正三角形排列方式排列管子。转角正方形排列，便于清洗管子外面的污垢常用于石油化工与乳品工业。当壳程流体需要用机械清洗时采用正方形排列法。正方形排列法在一定的管板面积上可排列的管子数最少。排列方式见（图3-6）图3-6布管形式换热器中心距要保证管子与管板连接时，管桥（相邻两管的清空距离）有足够强度和宽度，管间需要清洗时还要留有进行清洗的通道。换热管中心距一般不小于1.25倍的换热管外径，各根据GB151-2014，换热管外径为25㎜，管子中心距为32㎜。（2）布管限定圆查GB151-2014表13，布管限定圆直径DL=Di-2b3=800-2x4=792mm——布管限定圆直径，㎜b3——其值按GB151—1999表14选取，取b3=4㎜b3——固定管板换热器或U型管换热器管束最外层换热管外表面至壳体内壁的最短距离（见图3-7）。根据布管限定圆直径为792㎜，且由GB151—1999表12查得分程隔板槽两侧相邻管心距Sn为44㎜，换热管中心距S为32㎜，根据以上数据布管，由布管图得排管数为180根。图3-73.4.3传热面积传热面积S＝所以N=S/=180/3.140.0256=382因为换热管是U型管，根据换热管排列形式和壳体的大小，所以取换热管跟数为191根。校核：管板厚度为87mm,焊接长度为1.5mm,所以l=l1-l2=6-0.087-0.0015=5.9115mS＝=3.140.0255.9115382=178m3.5折流板、拉杆、定距管等零件的结构及特点3.5.1折流板折流板的结构设计，要根据工艺过程及要求来确定，它主要为了增加管间流速，增加湍动程度，并使壳程流体垂直冲刷管束改善传热增大壳程流体的传热系数以提高传热效果，同时减少结垢。在卧式换热器中，还可以起到支撑管束的作用。常用的折流板形式有弓形和圆盘－院环形两种。其中弓形折流板有单弓形、双弓形和三弓形的折流板，现根据需要初步选用单弓形，竖直缺口。如下图3-8所示：图3-8弓形折流板对于卧式换热器，壳程为单相清洁的流体是，折流板缺口应水平上下布置，其缺口弦高h值，一般为0.20～0.45倍的圆筒内直径。折流板最小间距一般不小于圆筒内直径的五分之一，且不小于50㎜，特殊情况下也可取较小的间距。换热管采用转角正方形排列，取弓形折流板圆缺高度为壳体内径的25%，则切去圆缺高度折流板的布置：先确定离固定管板到第一块折流板的距离初步选定为130mm，其次均匀分布12块折流板，间隔为450mm，最后一块折流板到U型管板的距离为290mm，共用了11块折流板，其中包含两块内折流板和两块异形折流板。折流板厚度取6+2=8mm(根据GB151-2014表34取厚度为6mm又因为减渣油腐蚀性较高故增加2mm)，管孔直径取25.4mm，外直径允许偏差取(根据GB151-2014表35)。3.5.2拉杆与定距管⒈拉杆的形式选择折流板、支持板的固定一般均采用拉杆与定距管等元件与管板固定。拉杆常用形式有两种，一种为拉杆和折流板焊接形式，一般用于换热管的外径小于或等于14㎜的管束；另一种拉杆定距管结构形式，用于换热管外径大于或等于18㎜的管束。本设计的换热管外径为25㎜，所以采用拉杆定距管结构形式。拉杆的一端用螺纹拧入管板，中间用定距管将折流板固定，最后一块折流板（或支持板）用两螺母锁紧固定。如下图3-9所示：图3-9拉杆定距管结构则根据换热管的外径d=25㎜，查GB151-2014表43得拉杆直径查GB151-2014表45得、、。⒉拉杆的布置拉杆应尽量均匀布置在管束的边缘。对于大直径的换热器，在布管区内或靠近管板缺口处应布置适当数量的拉杆，任何管板应不少于3个支承点，具体布置见排管图。⒊定距管定距管根据具体情况初步选用Φ252.5管径的管子，各根管子的长度根据折流板布置的具体情况确定。3.6管子与管板的连接、管板与壳体的连接3.6.1管子与管板的连接管子与管板的固定是管壳式换热器设计、制造中最主要的问题之一，是换热器事故率最多的部位，所以换热管与管板连接质量的好坏，直接影响到换热器的使用寿命。换热管与管板的主要连接形式有：强度胀接、强度焊接与胀焊接混合结构。本设计管子与管板采用强度胀接。胀接是利用胀管器，使伸到管板孔中的管子端部直径扩大产生塑性变形，而管板只是弹性变形。胀接后管板与管子间因产生挤压力而紧贴在一起，达到密封与紧固连接的目的。胀接一般用在换热管为碳素钢，管板为碳素钢或低合金钢，设计压力不超过4MPa,设计温度在300℃以下，且无特殊要求的场合。3.6.2管板与壳体的连接管板与壳体的连接形式，分为两类；一是不可拆式的，如固定式管板换热器，管板与壳体是用焊接连接；一的可拆式，如U形管式、浮头式及填料函式和滑动管板式的换热器，一般采用管板本身不直接与壳体焊接，而通过壳体上法兰和管箱法兰夹持固定。考虑到本设计的换热器的管束要拆卸进行清洗，使用可拆式管板，选用a形连接方式。此连接在制造上较简单，装卸也比较方便，结构省材、质量轻，特别适用于卧式换热器。其形式是用管箱法兰、壳体法兰将管板夹持固定。结果形式如下图3-10示，图3-10管板与壳体的连接形式3.7接管法兰、管箱法兰的选择3.7.1概述⒈对法兰连接的基本要求法兰连接从结构功能和一般设计准则出发，应满足下列基本要求：工作条件下，法兰泄漏量，被控制在工艺允许范围内；在各种情况（装配、开车和操作）中，能经受一定的外载和内力，具有足够的强度；便于多次拆装而又不致影响其密封性能；结构简单，成本低廉，适合于大批量生产；对于管法兰，由于被连接的对象是标准件（管子、管件和阀门），因此还应该特别突出互换性的要求。⒉法兰的型式换热器常采用的法兰结构型式为：平焊法兰及对焊法兰。法兰的密封面形式：平面、凸凹面和榫槽面。3.7.2接管法兰⒈接管法兰的要求①凹凸或榫槽密封面的法兰，密封面向下，一般应设计成凸面或榫面，其他朝向的，则设计成凹面或槽面，且在同一设备上成对使用。②接管法兰螺栓通孔不应和壳体主轴中心线相重合，应对称地分布在主轴中心线两侧，也就是跨中布置法兰螺栓孔。⒉接管法兰类型的确定HG管法兰标准共规定了8种不同类型的管法兰和两种法兰盖、法兰的名称、代号及其所属标准列于下表3-2。表3-2法兰类型及类型代号、标准号法兰类型法兰类型代号标准号法兰类型法兰类型代号标准号板式平焊法兰PLHG20593螺纹法兰ThHG20598带颈平焊法兰SOHG20594对焊环松套法兰PJ/SEHG20595带颈对焊法兰WNHG20595平焊环松套法兰PJ/PRHG20600整体法兰IFHG20596法兰盖BLHG20601承插焊法兰SWHG20597衬里法兰盖BL（S）HG20602管程设计压力4.0MPa、壳程设计压力0.8MPa故管法兰选4MPa下的尺寸，管程的进、出口接管，壳程的进、出口接管、放净口接管和液位进口接管选择带颈对焊法兰。如图3-11。图3-11法兰形式⒊接管法兰尺寸查文献7，可得接管法兰在设计压力4.0MPa下的尺寸，如下表3-3所示：表3-3PN4.0MPa带颈对焊法兰尺寸公称直径DN钢管外径A1连接尺寸法兰颈法兰高度H法兰厚度C法兰外径D螺栓孔中心圆直径K螺栓孔直径L螺栓孔数量螺纹颈根直径N颈部过渡圆角半径R2002193753203012M2724488834⒋管法兰密封面型式的确定法兰的密封面型式其有5种。根据管、壳程的压力和接管公称直径，前面所选管法兰密封面型式选择突面型式。3.7.3管箱法兰⒈管箱法兰的结构与类型的确定就法兰的承载能力而言，法兰有3种类型，即甲型平焊法兰、乙型平焊法兰和长颈对焊法兰。选择对焊长颈法兰，这种法兰的优点是颈的根部较厚，而且与法兰盘圆滑过渡，从而更有效地增加了法兰的整体强度和刚度，另一方面，除去了平焊法兰中短节与法兰盘的连接焊缝，从而消除了存在焊接残余应力的可能性。其结果形式如下图3-12：图3-12长颈对焊法兰⒉管箱法兰尺寸的确定查JB/T4703-2000《长颈对焊法兰》，可得管箱法兰（凹密封面长颈对焊法兰）在压力4.0MPa下的尺寸如下表3-4所示：表3-4管箱法兰尺寸公称直径DNmm法兰，mmDD1D2D3δHhaa1δ1δ2Rd90011151055101010008617042262324361533对接筒体最小厚度、螺柱：规格：M30数量：403.8支耳、支座、排气管、排液管的结构及作用支座及支耳支座是用来支承容器及设备重量，并使其固定在某一位置的压力容器附件。在某些场合还受到风载荷、地震载荷等动载荷的作用。压力容器支座的结构形式很多，根据容器自身的安装形式，支座可以分为两大类：立式容器支座和卧式容器支座。其中，立式容器支座包括耳式支座、支承式支座、腿式支座和群式支座等四种支座。卧式容器包括鞍座、圈座及支腿三种形式。鞍式支座是卧式容器广泛应用的一种支座。通常由数块钢板焊接制成。鞍座是由垫板（又叫加强板）、腹板、肋板和底板构成。垫板的作用是改善壳体局部受力情况。通过垫板，鞍座接受容器载荷。肋板的作用是将垫板、腹板和底板连成一体，加大刚性，有效地传递压缩力和抵抗外弯矩。因此，腹板和肋板的厚度与鞍座的高度H直接决定着鞍座允许负荷的大小。鞍座包角2α和宽度m，b1的大小直接影响着支座处筒壁应力值的高低。标准JB/T4712-92《鞍式支座》中鞍座的包角有120º和150º两种，鞍座宽度则随着筒体直径的增大而加大。根据底板上螺栓孔形状的不同，鞍座分成两种型式，一种为固定鞍座，鞍座底板上开圆形螺栓孔（代号为F型）。另一种为滑动鞍座，鞍座底板上开长圆形螺栓孔（代号为S型）。每台设备一般均用两个鞍座支承，并且采和一个固定鞍座和一个滑动鞍座。这是因为设备随着温度的变化会产生热胀冷缩，如果不让设备有自由伸缩的可能性，则在器壁中将产生热应力。JB/T4712-92鞍式支座，其直径范围为DN159～4000。对于同一个公称直分轻、重型两种结构型式。轻型可以满足一般容器的使用要求；重型可以满足换热器、介质比重较大的设备或长径比较大的设备的使用要求。按JB/T4712-92《鞍式支座》，鞍座的型式中可以选该换热器的鞍座型式为固定支座F型和活动支座S型配对使用，焊接采用电弧焊，焊条牌号为J422,焊接接头的形式和尺寸按GB985规定。鞍座本体的焊接均为双面连续角焊。见图：排气管和排液管在换热器的管程与壳程，为了回收或排除介质、空气几凝液，在管板或靠近管板的壳体上设置排液口和排气口。为了高传热效率，排除或回收工作残液（气），凡不能借助其他接管排气，排液的换热器应在其壳程的最高，最低点分别设置排气、排液接管，排气、排液接管的端部必须与壳体或管箱壳体内壁平齐。排气口和排液口的大小一般不小于φ15mm。对于卧式换热器的壳体排液口、排气口，设置的位置分别在筒体的上部和底部。其结构形式见图纸。3.9换热器密封结构型式及密封特点的说明流体在密封口有泄漏有两条途径，一是“渗透泄漏”，即通过垫片本体毛细管的渗透泄漏，除了受介质压力、温度、粘度、分子结构等流体状态性质影响和外，主要与垫片的结构与材料性质有关，可通过对渗透性垫片材料添加某些填充剂进行改良，或与不透性材料组合成型来避免；二是“界面泄漏”，即沿着垫片与压紧面之间的泄漏，泄漏量大小主要与界面间隙尺寸有关。根据获得密封比压力方法的不同，压力容器密封可分为强制式密封和自紧式密封两种。按被密封介质的压力大小，压力容器密封又可分为中低压密封和高压密封。影响密封性能的主要参数：螺栓预紧力、垫片性能、压紧面的质量、法兰刚度、操作条件。高压密封特点：一般采用金属密封元件、采用窄面或线接触密封、尽可能采用自紧或半自紧式密封。第四章换热器设计计算

第四章换热器设计计算4.1管箱及管箱端盖设计4.1.1管箱筒体计算⑴根据设计压力和液柱静压力确定计算压力液柱静压力（4-1）少于设计压力的5%（5%），故液柱静压力可忽略不计，则⑵设计厚度查表得材料的许用压力，筒体计算厚度按GB150—1998计算（4-2）式中：—计算压力，；—筒体的内直径，㎜；—设计温度下筒体材料的许用应力（按GB150—1998第四章），；—焊接接头系数（按GB150—1998第三章）；取=0.85；由公式4-2得：设计厚度（4-3）对于管箱用材，钢板负偏差=0，考虑开孔补强及与法兰连接的结构需要，依据GB151-2014表8规定名义厚度向上圆整=10㎜。再由公式4-2得：设计厚度（4-4）同理，前端封头筒体名义厚度取10mm,检查=10㎜，没有变化，故取名义厚度为10㎜合适。4.2壳体设计4.2.1壳体内径（4-5）圆整到800㎜。S——换热管中心距，取S=32㎜；——管束中心排上一排的管子数，；——换热管外径，取=25㎜。4.2.2壳体厚度根据公式4-2：有：因所选用材料为低合金钢16MnR，在设计温度220℃下的应用应力，焊接接头系数取，为计算压力为0.8MPa，则：由公式4-2得：则由公式4-3得设计厚度：对于管箱用材，钢板负偏差=0，名义厚度圆整后取10㎜。又根据GB151—19995.3.2表8取圆筒厚度为10㎜。有效厚度（4-6）设计温度下圆筒的计算压力：（4-7），所以符合要求。式中：—壳程操作压力，MPa；—壳体内径,mm；—设计温度下的许用应力,MPa；—焊缝系数；C1—材料的厚度负偏差,mm；C2—钢板的腐蚀裕量,mm。4.2.3壳体总长度壳体总长度由换热管长度确定。已知换热管长度为6000mm，考虑壳程出口接管的安装位置，取壳体长度L=5580mm。4.3管板计算4.3.1概述管板是管壳式换热器的主要部件，管板的设计是否合理对确保换热器的安全运行、节约金属材料，降低制造成本是至关重要的。管板设计的主要任务是设计管板的厚度。由于其受力复杂，影响其强度和刚度的因素多，正确地进行强度分析较为困难。目前我国的管板计算方法均对管板作一定的简化假设而求出近似公式。其理论依据如下：⑴将管板作为承受均布载荷、放置在弹性基础上的当量圆平板，且计入管孔均匀削弱的影响。⑵将管板作为承受均布载荷，根据弹性理论计算其最大应力，然后计入孔对管板的影响。⑶只考虑四根管子间的变化面积，根据弹性理论计算其最大弯曲应力。以上三种理论，第一种理论比较接近实际情况，计算比较精确。我国的设计主要采用此法。符号说明——在布管区范围内，因设置隔板槽和拉杆结构的需要，而未能被换管支承的面积，；——管板布管区面积，；对于单管程换热器：三角形排列正方形排列对于多管程换热器，应取上式计算值与的和；a——一根换热管管壁金属的横截面积，；C——系数，按和查GB151-2014图23；——固定端管板垫片压紧力作用中心圆直径，按GB151-1998第九章，mm；——管板布管区当量直径，㎜；——换热管外径，㎜；——设计温度时，管板材料的弹性模量，；——设计温度时，换热管材料的弹性模量，；——系数，按按和查GB151-2014图24；——管束模数，；——管束无量纲刚度，；L——换热管有效长度（两管板内侧间距），㎜；——换热管与管板胀接长度或焊脚高度，按GB151-2014第或规定，㎜；n——换热管管子数；——无量纲压力，；——当量压力组合，；——管板设计压力，；——壳程设计压力，；——管程设计压力，；——换热管与管板拉脱力，；——许用拉脱力，；S——换热管中心距，㎜；——系数，——管板的计算厚度，㎜；——换热管管壁厚度，㎜；——管板刚度消弱系数，一般可取值；——管板强度消弱系数，一般可取=0.4值；——系数，；——换热管的轴向应力，；——换热管稳定许用应力按GB151-20145.7.4确定，；；——设计温度时间，管板材料的许用应力，；——设计温度时间，换热管材料的许用应力，。4.3.2计算（根据GB151-2014《管壳式换热器》）⑴、计算。①管板布管区面积：（4-8）②管板布管区当量直径：（4-9）③查GB150-1998表9-1，取N=60则垫片基本密封宽度：（4-10）所以垫片有效密封宽度：（4-11）（4-12）上式中：D——垫片接触的外径，D=865㎜。④⑤（4-13）（4-14）⑥布管区开孔后面积：（4-15）=399507.46-191=305798.085⑦（4-16）⑧管束模数：（4-17）L——换热管有效长度（两管板内侧间距），初步取L=5913㎜——查GB150-1998表F5钢材的弹性模量220度时=⑨因为管板材料选16MnR，查表得设计温度220度下管束无量纲刚度（4-18）⑩因为换热管用10号钢，查表得系数换热管回转半径（4-19）为换热管受压失稳当量长度，按GB151-2014图32确定：取、、c中的大值，所以又，则（4-20）因为所以符合要求⑵、确定管板的设计压力本设计采用方案：管板的设计压力⑶、计算，并按和查GB151-2014图23、24得C、管板的材料用16MnR，假设管板的厚度为87㎜，查GB150-1998表4-5，管板在220下的许用应力（4-21）（4-22）（4-23）查GB151-2014图23（a）、图24（a）分别得C=0.42、=4.6⑷、管板计算厚度管板计算厚度（4-24）管板计算厚度加上腐蚀富裕量和槽的宽度，小于管板的假设厚度87㎜，所以假设的管板厚度符合要求。管板的名义厚度由计算厚度、腐蚀裕量和槽宽组成，即管板的名义厚度为90㎜。⑸、换热管的轴向应力一般情况下，应按下列三种工况分别计算换热管的轴向应力：只有壳程设计压力，管程设计压力=0；只有管程设计压力，壳程设计压力=0；壳程设计压力和管程设计压力同时作用。浮头式换热器：管子应力：（4-25）式中：计算结果应满足：当时，；当时，。下面按三种工况分别计算：①=0.8，=0，则（4-26）因为，所以，则此计算符合要求。②=0，=0.8，则由公式4-26得由公式4-25得：因为，又，所以，则此计算符合要求。③=0.8，=0.8则由公式4-26得：由公式4-25得：因为，所以则此计算符合要求。⑹、换热管与管板的拉脱应力（4-27）计算结果应满足，GB151-2014表26，可查得；换热管当量外径；为换热管有效长=5913㎜。①时，由公式4-28得：所以符合要求。②当时，由公式4-28得：所以满足要求。③当时，由公式4-28得：所以满足要求。综上所述，浮头管板的各参数都符合强度要求。4.4法兰强度计算与校核计