1、吉 林 化 工 学 院油气储运 课 程 设 计题目： 处理量 15104 吨/年的柴油冷却器的设计教 学 院专业班级学生姓名 学生学号 指导教师 2010 年 月 日吉林化工学院油气储运课程设计I课程设计任务书1、设计题目：处理量 15104吨/年柴油冷却器的设计2、操作条件：（1）柴油：入口温度 175；出口温度 125；（2）冷却介质：采用循环水，入口温度 30，出口温度 40； （3）允许压降：不大于 105Pa；（4）柴油定性温度下的物性数据： c)w/(m.130kg482cSa675 0po4-3JP（5）每年按 330 天计，每天 24 小时连续生产。3、设计任务：（1）处理能力
2、：15104t/a 柴油；（2）设备型式：列管式换热器；（3）选择适宜的列管换热器并进行核算；（4）绘制带控制点的工艺流程图和设备结构图，并编写设计说明书。吉林化工学院油气储运课程设计II摘 要柴油冷却器是帮助柴油散热的一个装置。本次课程设计采用浮头式换热器来实现柴油冷却。在设计中,主要以循环水为冷却剂，在给定的操作条件下对柴油冷却器进行设计。本设计的内容包括：1、设计方案的确定：换热器类型的选择、流动空间的选择等。2、换热器的工艺计算：换热器面积的估算、换热器工艺尺寸的计算、换热器的核算等。3、操作条件图等内容。关键词：柴油；循环水；浮头式换热器；传热吉林化工学院油气储运课程设计IIIABS
3、TRACTDiesel oil cooler is help a diesel cooling device. This course design use floating head heat exchanger to achieve diesel cooling. In the design, mainly circulating water for cooling agent, given the operating condition of diesel oil cooler design.This design content includes: 1, the design sche
4、me determined: heat exchanger type of choice, the choice of mobile space. 2 and heat exchanger technical calculation: heat exchanger area the estimation of heat exchanger process calculation, heat exchanger size accounting. 3, operating conditions figure, etc.Keywords: diesel oil; recirculated water
5、; head type heat exchanger; heat transfer吉林化工学院油气储运课程设计IV目录课程设计任务书 I摘 要 IIABSTRACT III第 1 章 绪 论 .11.1 换热器技术概况 .11.2 换热器的发展 .11.3 换热器在工业生产中的应用 .21.3.1 换热器的工业应用 .21.3.2 新型换热器 .3第 2 章 设 计方案 .52.1 换热器类型的选择 .52.1.1 换热器的分类 .52.1.2 换热器的选择 .82.2 流动空间的选择 102.3 流速的确定 122.4 加热剂、冷却剂的选择 122.4.1 常用的加热剂 122.4.2 常用
6、的冷却剂 132.5 流体出口温度的确定 132.6 材质的选择 13第 3 章 换热器的结构设计 153.1 管束及壳程分程 153.1.1 管束分程 153.1.2 壳程分程 153.2 管程结构 163.2.1 换热管布置和排列间距 163.2.2 管心距 17吉林化工学院油气储运课程设计V3.2.3 管材料 193.3 管板 193.4 管子与管板的连接 193.5 管板尺寸的确定 203.5.1 管板受力情况分析 203.5.2 管板尺寸 213.6 壳程结构 213.7 折流板、支撑板的作用及结构 223.7.1 折流板 223.7.2 支承板 263.8 管程与壳程接管 263.
7、8.1 管箱及封头 263.8.2 壳程接管 27第 4 章 换热器的工 艺计算 284.1 确定设计方案 284.1.1 选择换热器类型 284.1.2 流体间流速确定 284.2 基础物性数据 284.2.1 定性温度：可取流体进口温度的平均值。 284.2.2 壳程柴油的定性温度为 284.2.3 管程循环水的定性温度为 284.2.4 柴油物性数据 284.2.5 循环水物性数据 294.3 计算总传热系数 294.3.1 热流量 294.3.2 平均传热温差 294.3.3 冷却水用量 294.3.4 总传热系数 K 294.4 计算传热面积 304.5 工艺结构尺寸的计算 31吉林
8、化工学院油气储运课程设计VI4.5.1 管内和管外流速的计算 314.5.2 管程数和传热管数 314.5.3 平均传热温差校正及壳程数的确定 314.5.4 传热管排列和分程的选择 324.5.5 壳程内经的计算 324.5.6折流板的选择 324.5.7 其他附件的选择 324.6 换热器核算 334.6.1 传热能力的核算 334.6.2 换热器流体流动阻力计算 35工艺设计计算结果汇总 .37主要符号 说明 .38附 录 .39参 考 文 献 43结 束 语 .44吉林化工学院油气储运课程设计1第 1 章 绪 论1.1 换热器技术概况换热器（英语翻译：heat exchanger） ，
9、是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，又称热交换器。在换热器中至少要有两种温度不同的流体,一种流体温度较高,放出热量;另一种流体则温度较低,吸收热量。换热器是化学、石油化学及石油炼制工业中以及其他一些行业中广泛使用的热量交换设备，他不仅可以单独作为加热器、冷却器等使用，而且是一些化工单元操作的重要附属设备，因此在此化工生产中占有重要的地位。1.2 换热器的发展 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。二十世纪 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，
10、用于飞机发动机的散热。二十世纪 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。 二十世纪 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，换热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。自二十世纪 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。二十世纪 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。长期以来，非接触式换
11、热器一直是管壳式（列管式）换热器一国独大的局面。然而近几十年来，这种平衡有所改变。 这种改变是由于各种板式类换热器的逐步开发和应用所带来的。板式类换热器能够被深入研究和开发，固然是有其历史必然的。回顾换热器发展历程，虽然板式换热设备的充分开发只是近些年的事情，但是其理论和技术的出现却要早的多。但是人们最初舍弃了这种换热性能远远占优的换热器形式，而是选择并大量应用了管壳式换热器。当初人们之所以做出这种选择，原因很简单，只是出于强度考虑。 板式类换热器的结构强度远远低于管壳类换热器，所以不能够应用于高压或大多的中压场合。吉林化工学院油气储运课程设计2板式类换热器的这个缺点是由其结构特点所决定的，所
12、以在其自身范围内无法改变和突破，而它也就严重地制约了这种高换热性能换热器的应用和发展。 形成了在最初的相当长的一段时期里，板式类换热器没有受到人们喜爱的局面，其技术进展自然也相当可怜。即便是在其有了长足发展和应用的今天，仍然是由于其结构强度低的原因这个自身无法逾越的痼疾，它的应用领域也仍旧局限在一定范围内。那么，既然是结构强度没有得到根本性的改变，近些年板式类换热器又是怎样被重视起来的呢？这种变化是与世界经济的发展环境，尤其是能源发展环境的变化息息相关的。 世界能源的日益紧张与危机，使得“节能” 与“高效” 逐渐受到重视，加之“节能 减排环保 ”的概念日益深入人心，各国政府和机构都逐年加大了这
13、方面投入的人力和物力，同时也取得了许多可喜的成果。很显然，板式类换热器这种高效的换热方式，也就顺理成章地受到重视，并进行了再次开发，且在其强度范围所能允许的范围内大量应用遍地开花。其技术发展也达到了前所未有的时刻。制造规格越来越大，结构形式越来越多。并出现了不可拆的焊合一体式板式换热器，尽管不能方便地拆洗，强度却有所增加。管壳类换热器由于始终受到普遍应用和重视，其理论研究的深度和设备改进的步伐都是板式类换热器所不能比拟的。在新的节能及环保浪潮中，其技术和发展速度又有所提高。许多新型高效换热器不短涌现，如折流杆换热器、新结构高效换热器、高效重沸器、高效冷凝器、双壳程换热器、螺纹管换热器、螺纹锁紧
14、环换热器、 环高压换热器、以及非金属换热器、稀有金属换热器等都是其代表杰作，这些新型高效换热器的出现已经并正在为飞速发展的经济和节约能源作出了不可估量的贡献。纵观换热设备的发展及演变历史，不难看出，在板式类换热器广泛发展，管壳类换热器不再一国独大的今天，以下四个特点始终没有改变：1.结构强度高的管壳类换热器仍居于主导地位。2.管壳类换热器换热性能仍远低于板式类换热器。3.板式类换热器的结构强度仍远低于管壳类换热器。4.没有换热性能强同时结构强度高的理想型换热器。1.3 换热器在工业生产中的应用1.3.1 换热器的工业应用在化工、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
15、行业的通用设备，并占有十分重要的地位。通常在化工厂的建设中换热器投资比例为 11%，在炼油厂中高达 40%。随着化学工业的迅速发展及能源价格的提高，换热器的投资比例将进一步加大。吉林化工学院油气储运课程设计3在化工厂，换热器的费用约占总费用的 1020，在炼油厂约占总费用的3540。随着我国工业的不断发展，对能源利用、开发和节约的要求不断提高，因而对换热器的要求也日益加强。换热器的设计、制造、结构改进及传热机理的研究十分活跃，一些新型高效换热器相继问世。1.3.2 新型换热器 1、气动喷涂翅片管换热器俄罗斯提出了一种先进方法，即气动喷涂法，来提高翅片化表面的性能。其实质是采用高速的冷的或稍微加
16、温的含微粒的流体给翅片表面喷镀粉末粒子。用该方法不仅可喷涂金属还能喷涂合金和陶瓷(金属陶瓷混合物)，从而得到各种不同性能的表面。通常在实践中翅片底面的接触阻力是限制管子加装翅片的因素之一。为了评估翅片管换热器元件进行了试验研究。试验是采用在翅片表面喷涂 ac铝，并添加了 24a 白色电炉氧化铝。将试验所得数据加以整理，便可评估翅片底面的接触阻力。 将研究的翅片的效率与计算数据进行比较，得出的结论是：气动喷涂翅片的底面的接触阻力对效率无实质性影响。为了证实这一点，又对基部(管子)与表面(翅片)的过渡区进行了金相结构分析。对过渡区试片的分析表明，连接边界的整个长度上无不严密性的微裂纹。所以，气动喷
17、涂法促进表面与基本相互作用的分支边界的形成，能促进粉末粒子向基体的渗透，这就说明了附着强度高，有物理接触和金属链形成。因而气动喷涂法不但可用于成型，还可用来将按普通方法制造的翅片固定在换热器管子的表面上，也可用来对普通翅片的底面进行补充加固。可以预计，气动喷涂法在紧凑高效换热器的生产中，将会得到广泛应用。 2、螺旋折流板换热器在管壳式换热器中，壳程通常是一个薄弱环节。通常普通的弓形折流板能造成曲折的流道系统(z 字形流道 )，这样会导致较大的死角和相对高的返混。而这些死角又能造成壳程结垢加剧，对传热效率不利。返混也能使平均温差失真和缩小。其后果是，与活塞流相比，弓形折流板会降低净传热。优越弓形
18、折流板管壳式换热器很难满足高热效率的要求，故常为其他型式的换热器所取代(如紧凑型板式换热器)。对普通折流板几何形状的改进，是发展壳程的第一步。虽然引进了密封条和附加诸如偏转折流板及采取其他措施来改进换热器的性能，但普通折流板设计的主要缺点依然存在。 为此，美国提出了一种新方案，即建议采用螺旋状折流板。这种设计的先进性已为流体动力学研究和传热试验结果所证实，此设计已获得专利权。此种结构克服了普通折流板的主要缺点。螺旋折流板的设计原理很简单：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倾斜度。相邻折流板的周边相
19、接，与外圆吉林化工学院油气储运课程设计4处成连续螺旋状。折流板的轴向重叠，如欲缩小支持管子的跨度，也可得到双螺旋设计。螺旋折流板结构可满足相对宽的工艺条件。此种设计具有很大的灵活性，可针对不同操作条件，选取最佳的螺旋角；可分别情况选用重叠折流板或是双螺旋折流板结构。 3、新型麻花管换热器瑞典 alares 公司开发了一种扁管换热器，通常称为麻花管换热器。美国休斯顿的布朗公司做了改进。螺旋扁管的制造过程包括了“ 压扁” 与“热扭”两个工序。改进后的麻花管换热器同传统的管壳式换热器一样简单，但有许多激动人心的进步，它获得了如下的技术经济效益：改进了传热，减少了结垢，真正的逆流，降低了成本，无振动，
20、节省了空间，无折流元件。 由于管子结构独特使管程与壳程同时处于螺旋运动，促进了湍流程度。该换热器总传热系数较常规换热器高 40%，而压力降几乎相等。组装换热器时也可采用螺旋扁管与光管混合方式。该换热器严格按照 asme 标准制造。凡是用管壳式换热器和传统装置之处均可用此种换热器取代。它能获得普通管壳式换热器和板框式传热设备所获得的最佳值。估计在化工、石油化工行业中具有广阔的应用前景。 4、非钎焊绕丝筋管螺旋管式换热器在管子上缠绕金属丝作为筋条(翅片)的螺旋管式换热器(ta)，一般都是采用焊接方法将金属丝固定在管子上。但这种方法对整个设备的质量有一系列的影响，因为钎焊法必将从换热中“ 扣除 ”很
21、大一部分管子和金属丝的表面。更重要的是，由于焊料迅速老化和破碎会造成机器和设备堵塞，随之提前报损。吉林化工学院油气储运课程设计5第 2 章 设计方案化工生产中所用的换热器类型很多。不同类型换热器，其性能各异，因此要了解各种换热器的特点，以便根据工艺要求选用适当类型，同时还要根据传热的基本原理，选择流程，确定换热器的基本尺寸，计算传热面积以及计算流体阻力等。2.1 换热器类型的选择2.1.1 换热器的分类 网上有很多资料吉林化工学院油气储运课程设计6第 3 章 换热器的结构设计换热器的工艺尺寸确定后，若能选用热交换器标准系列，则结构尺寸随之而定，否则还需进行部件结构的设计计算。换热器结构设计计算
22、包括，管子在管板上的固定，是否需要温差补偿及补偿装置的设计，管板的强度，管板与壳体的连接结构，折流板与隔板的固定，端盖与法兰的设计，各部件的公差及技术条件等。3.1 管束及壳程分程3.1.1 管束分程为了解决管束增加引起管内流速及传热系数的降低，可将管束分程。在换热器的一端或两端的管箱中安置一定数量的隔板，一般每程中管数大致相等。主义温差较大的流体应避免紧邻以免引起较大的温差应力。管束分程的方案如表 4-1。从制造、安装、操作的角度考虑，偶数管程有较多的方便之处，因此用的最多。但程数不宜太多，否则隔板本身占去相当大的布管面积，且在壳程中形成旁路，影响传热。表 3-1 管程布置3.1.2 壳程分
23、程E 型为最为普通，为单壳程。F 型与 G 型均为双程，它们的不同之处在于壳侧流体进出口位置不同。G 型壳体又称分流壳体，当用作水平的惹热虹吸式再沸器时，壳程中的纵向隔板起着防止轻组分的闪蒸与增强混合的作用。H 型与 G 型相似，只是进出口接管与纵向隔板均多一倍，故称之为双分流壳体。G 型与 H 型均可用于以压力降作为控制因素的换热器中。考虑到制造上的困难，一般的换热器壳程数很少超过 2。吉林化工学院油气储运课程设计73.2 管程结构介质流经传热管内的通道部分成为管程。3.2.1 换热管布置和排列间距常用换热管规格有 、 （1Cr18Ni9Ti） 、 (碳钢 m21925m5.210)。换热管
24、管板上的排列方式有正方形直列、正方形错列、三角形直列、三角形错列和同心圆排列。管子的排列应在整个换热器截面上均匀而紧凑地分布，还要考虑流体的性质和结构设计以及制造等方面的问题。管子在管板上排列的方法，用的较多的是等边三角形（或称正六角形）和正方形排列法。当壳程流体是不污性质介质时，采用等边三角形排列法。等边三角形排列结构紧凑，在一定管板面积上可以配置较多的管数，且由于管子间的距离都相等，在管板加工时便于画线与钻孔。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。同心圆排列用于小壳径换热器，外圆管布管均匀，结构更为紧凑。在制氧设备中，常采用此法。按
25、此法在管板上布置的管比按三角形排列的还多我国换热器系列中，固定管板式多采用正三角形排列；浮头式则以正方形错列排列居多，也有正三角形排列。图 3-1 换热管排列方式除了上述三种排列方法外，也可采用组合排列方法。例如在多管程换热器中，吉林化工学院油气储运课程设计8每一程中都采用三角形排列法，而在各程之间，为了便于安排隔板，则采用正方形排列法。当管子总数超过 127 根（相当于层数6） ，等边三角形排列的最外层管子和壳体间弓形部分也应配置上附加的管子，这样不但可增加排列管数，增大传热面积，而且消除了管外部分不利于传热的空间。附加管子的配置法可参考表 3-2对于多管程换热器，分程的纵向隔板占据了管板上
26、一部分面积，实际排列管比表 3-2 中所示要少，设计师必须有作图法决定。表 3-2 等边三角形排列时管子的根数弓形部分管数六角形的层数对角线上的管数不计弓形部分时管子的根数在弓形的第一排在弓形的第二排在弓形的第三排在弓形部分内总根数换热器内管子的总根数1 3 7 - - - - 72 5 19 - - - - 193 7 37 - - - - 374 9 61 - - - - 615 11 91 - - - - 916 13 127 - - - - 1277 15 169 3 - - 18 1878 17 217 4 - - 24 2419 19 271 5 - - 30 30110 21 3
27、31 6 - - 36 36711 23 397 7 - - 42 43912 25 469 8 - - 48 51713 27 547 9 2 - 66 61314 29 631 10 5 - 90 72115 31 721 11 6 - 102 82316 33 817 12 7 - 114 91317 35 919 13 8 - 126 1045计算得 104 根管，采用组合排列法,即每程内均按正三角排列,隔板两恻采用正方形排列。3.2.2 管心距管板上两管子中心的距离 称为管心距，管心距的决定要考虑管板的强度和清a洗管子外表时所需的空隙，它与管子在管板上的固定方法有关。当管子采用焊接方
28、法固定时，相邻两根管的焊缝太近，就会相互影响，使焊接质量不易保证，而采用胀接法固定时，过小的管心距会造成管板在胀接时由于挤压力的作用发生变形，失吉林化工学院油气储运课程设计9去了管子与管板之间的连接力，因此，管心距必须有一定的数值范围。根据生产实践经验，最小管心距 一般采用：mina焊接法 ， 为管子外径；0min25.1da胀接法 。i但管心距 最小不能小于 。对于直径小的管子， 的数值应大些。600/da最外层列管中心至壳体内表面的距离不应小于 。md120管板，折流板（或支承板）管孔直径及中心距允许偏差已有标准规定，列于表3-3。表 3-3 管孔直径及中心距允许偏差 /管板孔 管孔中心距
29、允许偏差 折流板（支承板）管子外径孔直径 允许偏差 相邻孔中心距 相邻孔 任意孔 孔直径 允许偏差14 14.4 +0.15 19 0.3 1.0 14.6 +0.419 19.4 +0.2 25 0.3 1.0 19.6 +0.425 25.4 +0.2 32 0.3 1.0 25.6 +0.432 32.5 +0.3 40 0.3 1.0 32.7 +0.4538 38.5 +0.3 48 0.3 1.0 38.7 +0.4557 57.7 +0.4 70 0.5 1.0 75.9 +0.45卧式换热器的壳程为蒸汽冷凝，且管子按等边三角形排列时，为了减少液膜在列管上的包角及液膜的厚度，管板
30、在装配时，其周线应与设备的水平轴线偏转一定角度 。其值见表 3-4a表 3-4 轴线偏转角度管子外径 md/019 25 38 57管心距 a25 32 48 70偏转角 8 7 7 6如果管心距不同于上表数值时，偏转角应按下列公式计算： ada2sin3001此时，如管板上带有排液孔或排气孔，应注意其位置。本设计采用焊接法。吉林化工学院油气储运课程设计103.2.3 管材料管子材料常用的为碳钢、低合金钢、不锈钢、铜、铜镍合金、铝合金等。应根据工作压力、温度和介质腐蚀性等条件决定。此外还有一些非金属材料，如石墨、陶瓷、聚四氯乙烯等亦有采用。在设计和制造换热器时，正确选用材料很重要。既要满足工艺
31、条件的要求，又要经济。对化工设备而言，由于各部分可采用不同材料，应注意有不同种类的接触而产生的电化学腐蚀作用。本设计采用碳钢型材。3.3 管板管板的作用是将受热管束连接在一起，并将管程和壳程的流体分割开来。管板形式有平管板、椭圆形管板和双管板。其中最常见的是平管板。当流体有腐蚀性时，管板应采用耐腐蚀材料，工程上多采用轧制成的复合不锈钢板，或在碳钢表面堆焊一层厚度不小于 5mm 的覆盖层。当换热器承受高温高压是，应采用薄型管板，既降低了温差应力，同时有满足了高压对机械应力的要求。薄管板的突出优点是节约管板材料，高压时可节约 90%，且加工也方便。所以在中、低压换热器中的以推广应用。3.4 管子与
32、管板的连接在管壳式换热器的结构设计中，管子与管板的连接是否紧密十分重要。如果连接不紧密，在操作时连接处发生泄漏，冷、热流体互相混合，会造成物料和热量的流失；若物料带有腐蚀性、放射性或两种流体接触会产生易燃易爆的物质，后果将更加严重。在固定管板式换热器的连接处还应考虑能承受一定的轴向力，以避免温度变化较大时，产生的热应力是管子从管板脱出。管子与管板的连接可胀接或焊接。胀接法结构简单，管子的更换及修补方便，多用于压力低于和温度低于 的场合。此方法是利用胀管器将管子扩)108.9(404PaatmC30张，产生显著的塑性变形，靠管子与管板间的挤压力达到密封紧固的目的。对于高温高压以及易燃易爆的流体，
33、多采用焊接法。焊接法加工简便，对管孔的加工要求不高，较强的抗拉脱能力使之在高温高压下仍能保持连接处的紧密性，同时，在压力不太高时，还可采用薄型管板。其缺点是焊接造成的残余热应力与应力集中，在设备运行时可能引起应力腐蚀和疲劳破坏。此外，管子和管孔之间的间隙中存在的不流动流体与间隙外流体浓度上的差别易产生间隙腐蚀。建议用先胀后焊法消除此间隙。实际上，胀、焊结合的方法综合了二者的优点，吉林化工学院油气储运课程设计11不仅能提高连接处的抗疲劳性能，还可以消除应力腐蚀和间隙腐蚀，提高使用寿命。目前已得到较广泛的应用。3.5 管板尺寸的确定3.5.1 管板受力情况分析列管式换热器管板，一般采用平管板，在圆
34、平板上开孔装设管束，管板又与壳体相连，管板所受载荷除管程和壳程压力外，还要承受壳壁的温差引起的变形不协调作用等。管板受力情况较浮躁，影响管板应力大小有如下因素：1）与圆平板类似，管板直径、厚度，压力大小，使用温度等对管板应力有显著影响。2）管束的支撑作用。管板与许多换热管刚性地固定在一起，因此，管束起着支承的作用，阻碍着管板的变形。在进行受力分析时，常把管板看成是放在弹性基础上的平板，列管就起着弹性基础的作用。其中固定式换热器管板的这种支承作用最为明显。3）管孔对管板强度和刚性的影响。由于管孔的存在，削弱了管板的强度和刚度，同时在管孔边缘产生高峰应力。当管子连续连接在管板之后，管板孔内的管子又
35、能增强管板的强度和刚度，而且也抵消一部分高峰应力。通常采用管板强度与刚度削弱系数来估计他的影响。4）管板边缘固定的形式。类似于圆平板，管板边界条件不同，管板应力状态是不一样的。管板外边缘有不同的固定形式，如夹持、简支、半夹持等。通常以介于简支和夹持之间为多。这些不同的固定结构对管板应力产生不同程度的影响，在计算中，管板边缘的固定形式是以固结系数来反映的。5）管壁和壳壁的温差所引起的热应力。由于管壁与壳壁温度不同产生变形量的差异，不仅使管子、壳体的应力有显著的增加，而且使管板的应力有很大的增加，在设备启动和停车过程中，特别容易发生这种情况。如采用非刚性非固定性板式结构换热器，这种影响会减少或消除
36、。6）当管板又兼作法兰时，拧紧法兰螺栓，在管板上又会产生附加弯矩。7）其他，当管板厚度较大，管板上下两平面存在温差，则产生附加热应力。当管子太长而无折流板之托时，管子会弯曲造成管板附加应力。当管板在制造、胀接或焊接管子时，也会产生一些附加应力。目前设计管板厚度的方法很多，由于处理问题的出发点不同，考虑因素的周密程度不同，结果往往彼此相差很大。吉林化工学院油气储运课程设计123.5.2 管板尺寸当管子与管板采用胀接时，应考虑胀管时对管板的刚性要求，管板的最小厚度（不包括腐蚀余量） ，按表 3-5 规定，包括厚度附加量在内建议不小于 。m20表 3-5 管板最小厚度 m/换热器 管板厚度 b换热器
37、 管板厚度 b2538 2532 22 57 32采用焊接时，管板最小厚度的确定应考虑焊接工艺及管板焊接形变等的要求。3.6 壳程结构介质流经传热管外面的通道部分称为壳程。壳程内的结构，主要有折流板、支承板、纵向隔板、旁路挡板及缓冲板等元件组成。由于各种换热器的工艺性能、使用的场合不同，壳程内对各种元件的设置形式亦不同，以此来满足设计的要求。各元件在壳程的设置，按其不同的作用可分为两列：一类是为了壳侧介质对传热管最有效的流动，来提高换热设备的传热效果而设置的各种挡板，如折流板、纵向挡板、旁路挡板等；另一类是为了管束的安装及保护列管而设置的支承板、管束的导轨以及缓冲板等。3.6.1 壳体壳体是一
38、个圆筒形的容器，壳壁上焊有接管，供壳程流体进入和排出之用。直径小于 400mm 的壳体通常用钢管制成，大于 400mm 的可用钢板卷焊而成。壳体材料根据工作温度选择，有防腐要求时，大多考虑使用复合金属板。介质在壳程的流动方式有多种型式，单壳程型式应用最为普遍。如壳侧传热膜系数远小于管侧，则可用纵向挡板分隔成双壳程型式。用两个换热器串联也可得到同样的效果。为降低壳程压降，可采用分流或错流等型式。壳体内径 D 取决于传热管数 N、排列方式和管心距 t。计算式如下：单管程 0)32()1(dntc式中 -管心距，mm-换热管外径， mm0-横过管束中心线的管数，该值与管子排列方式有关。cn吉林化工学
39、院油气储运课程设计13正三角形排列： Nnc1.正方形排列： c9.多管程 /05.1NtD式中 -排列管子数目；-管板利用率。正三角形排列：2 管程 85.074 管程 6正方形排列：2 管程 4 管程 504壳体内径 D 的计算值最终应圆整到标准值。3.7 折流板、支撑板的作用及结构3.7.1 折流板在对流传热的换热器中，为了加强壳程内流体的流速和湍流程度，以提高传热效率。在卧式换热器中，折流板还起着支撑管束的作用；在壳程内装置折流板，折流板还起支撑换热管作用。从传热的家督出发，有些换热器，如冷凝器，是不需要设置折流板的，但为了增加管束的刚度，防止管子振动，仍然要设置一定数量的支持板，这些
40、支持板的尺寸及形状均按折流板处理。（一）折流板分类及特点折流板可分为横向折流板和纵向折流板两种。前者使流体横向流动；后者则使管间的流体平行流过管，故名纵向折流板。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。常见的横向折流板有圆缺形（或称弓形）和圆盘-圆环形和孔流型等。1）圆缺形（或称弓形）折流板圆缺形（或称弓形）折流板是常见的折流板，有水平圆缺和垂直圆缺两种排列方式。水平圆缺排列可造成液体的剧烈扰动，增大传热膜系数，这种型式最常用。垂直圆缺用于水平冷凝器、水平再沸器和含有悬浮固体粒子流体用的水平热交换器等
41、。垂直圆缺时，不凝气不能在折流板顶部积存，而在冷凝器中，排水也不能再折吉林化工学院油气储运课程设计14流板底部积存。弓形折流板中以单弓形用的最多。弓形缺口的切缺率（切掉圆弧的高度与壳体内径之比）通常为 15%-45%，多去 20%。在卧式冷凝器中，折流板底部应开一高度为 1520mm 的 90缺口供停工排精残液用。在有些冷凝器中需要保留一定量的过冷凝液以保证泵的吸入压头，此时可采用带堰的折流板。对立式换热器则不必开缺口。双弓形折流板多用于大直径的换热器中。由于折流板间距较大，流体流经单弓形折流板，会在其后接近壳体处，形成对传热不利的“死区” 。采用双弓形折流板可消除此弊病，因流体分两股流动，不
42、仅减少了死区，还有利于减轻流体诱发的振动。2）圆盘-圆环形折流板圆盘-圆环形折流板是由圆板和环形板组成的，压降较小，但传热也差些。在环形板背后有堆积不凝气或污垢，所以不多用。3）孔流型折流板孔流型折流板使流体穿过折流板孔和管子之间的缝隙流动，压降大，仅适用与清洁流体，应用更少。图 3-2 折流板型式（a ）水平圆缺 （b）垂直圆缺 （c）环盘型（二）折流板间隔折流板与支撑板一般均借助于长拉杆利用焊接或定距管来保持板件的距离。折流板间距视壳程介质的流量、粘度及换热器的功用而定，其系列100mm，150mm，200mm，300mm，450mm，600mm，800mm，1000mm。吉林化工学院油气
43、储运课程设计15折流板间距的确定原则主要是考虑流体流动，理想的情况是缺口的流通截面积和通过管束的错流流动的截面积大致相等。这样可以减小压降并且避免或减小“静止区”，从而改善传热。推荐折流板间距的最小值为壳内径的 1/5，最大值决定于支持管所必需的最大间距，规定不得大于壳内径。否则流体流向就会与管子平行而不是垂直，从而使传热膜系数降低。折流板外径与壳体之间的间隙应适宜。间隙越小，壳程流体介质由此泄漏的量越少，亦即减少流体短路，使传热效率提高。但间隙过小，会给制造安装带来困难增加设备成本；间隙过大，有会造成流经此处短路的壳程流体量增多，降低传热效率。表 3-6 折流板和支撑板的外径 m/壳体公称直
44、径DN项目139 273 325 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200换热器折流板、支承板名义外径2iD397 496.5 596.55 696 796 896 995.5 1095.5 1195.5冷凝 3iD396 490 595694 794894 993 1093 1093吉林化工学院油气储运课程设计16器支撑板名义外径折流板、支承板外径负偏差-0.53-0.60-0.68-0.76-0.76-0.9-1.0-1.00-1.0-1.10-1.20流板厚度与壳体直径和折流板间距有关，间表 3-7。表 3-7 折流板厚度 m/相邻两折流板间距公称壳体
45、内径300300450 450600 600750 750200400 3 5 6 10 10400700 5 6 10 10 127001000 6 8 10 12 161000 6 10 12 16 16（三）缓冲板在壳程进口管接管处常装有防冲挡板，或称缓冲板。它可防止进口流体直接冲击管束而造成管子的侵蚀和管束振动，还有使流体沿管束均匀分布的作用。也有在管束两端放置导流筒，不仅其防冲板的作用，还可以改善两端流体的分布，提高传热效率。（四）其他主要附件1）旁流挡板 如果壳体和管束之间间隙过大，则流体不通过管束而通过这个间隙旁通，为防止流体短路。往往采用旁流挡板。旁流挡板是指在间隙较大处加上纵
46、向窄条（密封条） ，一般用点焊的方法固定在两折流板之间。吉林化工学院油气储运课程设计172）假管为减少管程分程所引起的中间穿流的影响，可设置假管。假管的表面形状为两端堵死的管子，安置于分程隔板槽背面两管板之间但不穿过管板，可与折流板焊接以便固定。假管通常是每隔 34 排换热管安置一根。3）拉杆和定距管为了使折流板能牢靠地保持在一定位置上，通常采用拉杆和定距管。拉杆式一根两端皆带有螺纹的长杆，一段拧入管板，折流板就穿在拉杆上，个班之间则以套在拉杆上的定距管来保持板间距离，最后一块折流板可用螺母拧在拉杆上予以固定。此外，对不锈钢可采用焊接不可拆的方法。各种尺寸的换热器的拉杆直径和拉杆数，可参考表
47、3-8。表 3-8 拉杆直径与拉杆数壳体直径 m/拉杆直径 /最少拉杆 数 壳体直径 m/拉杆直径 /最少拉杆 数200250 10 41200 12 8273,400,500,600 12 4800,1000 12 61200 12 103.7.2 支承板一般卧式换热器都有折流板，既起折流作用，又起支撑作用。但当工艺上无折流板的要求，例如冷凝器，而管子比较细长时，应考虑有一定数量的支承板以便于安装和防止管子变形过大。这样支撑板则可放宽其制造要求，因为这是介质短路可以认为不影响传热效率。支承板做成半圆形较好，支撑板厚度一般不应小于表 3-9中所列的数据。表 3-9 支承板厚度 m/壳体直径 4
48、00 400800 9001200支承板厚度 11600允许不支承的最大间距 L 可参见表 3-10 所列的数据。表 3-10 最大间距 /管子外径 0d19 25 38 57L 1500 1800 2500 3400吉林化工学院油气储运课程设计183.8 管程与壳程接管3.8.1 管箱及封头换热器管内流体进出口的空间为管箱，管箱结构应便于拆装，以利于管子的清洗、检修。封头和管箱位于壳体两侧，用于控制及分配管程流体。1）封头当壳体直径较小时常采用封头。接管和封头可用法兰或螺纹连接，封头与壳体之间用螺纹连接，以便卸下封头，检查和清洗管子。2）管箱壳径较大的换热器大多采用管箱结构。管箱具有一个可拆
49、盖板，因此在检修或清洗管子时无须卸下管箱。3）分程隔板当需要的换热面很大时，可采用多管程换热器。对于多管程换热器，在管箱内应设分程隔板，将管束分为顺次串接的若干组，各组管子数目大致相等。这样可提高介质流速，增强传热。管程多者可达 16 程，常用的有 2、4、6 程。在布置时应尽量使管程流体与壳程流体成逆流布置，以增强传热，同时应严防分程隔板的泄漏，以防止流体的短路。3.8.2 壳程接管壳程流体进出口的设计直接影响换热器的传热效率和换热管的寿命。当加热蒸汽后高速流体流入壳程时，对换热管会造成很大的冲刷，所以常将壳程接管在入口处加以扩大，及将接管做成喇叭形，以起缓冲作用。其结构为筒形的，常成为导流筒，它可将加热蒸汽或流体导致靠近管板处才进入管束间，更充分地利用换热面积，目前常用这种结构来提高换热器的换热能力。通常采用的挡板有圆形和方形。圆形挡板，为了减少流体组里，挡板与换热器壳壁的距离 e 不应太小，至少应保持此处流道截面积不小于流体进口接管的截面积，且距离 e 不小于 30mm，若距离太大也妨碍管子的排列，且减少了传热面积。当需加大流体通道时，可
