1、14 级化工（2）班 固定管板式换热器机械设计化工设备机械课程设计题目: 固定管板式换热器机械设计系别:资源与化工学院专业: 化学工程与工艺班级: 2014级化工（2）班学号:姓名:普通班B组指导教师: 邹志明指导教师职称: 教授设计日期: 2017年 5月14日 5月28日14 级化工（2）班 固定管板式换热器机械设计目录（B 组）1. 前言 11.1 设计条件 31.2 换热器概述 31.3 换热器种类 31.4 管壳式换热器的发展史 .41.5 提高管壳式换热器传热能力的措施 .41.6 设计思路、方法 .52.工艺条件 .52.1 工艺条件 52.2 管口表 52.3 固定管板式换热器
2、结构示意图（简图） .63.设计内容 63.1 管子数 n 的计算 63.2 管间距的确定 63.3 换热器壳体直径的确定 .83.4 换热器壳体壁厚的计算 .83.5 换热器封头的选择 .83.6 容器法兰的选择 .93.7 液压试验校核 .103.8 管板尺寸的确定 .113.9 管子拉脱力计算 .113.10 计算是否安装膨胀节 .133.11 折流板设计 143.12 接管法兰的选取 .143.13 开孔补强 153.14 拉杆和定距管的选取 .163.15 管箱 173.16 选择换热器支座并核算承载能力 .173.17 壳程接管 183.18 排气孔、排液口 18参考文献 2014
3、 级化工（2）班 固定管板式换热器机械设计11.前言化工设备社保机械课程设计属于化工设计的范畴。它是指将一个系统全部用工程制图的方法，描绘成图纸、表格及必要的文字说明，也就是把工艺流程、技术装备转化为语言的过程。化工设计过程具有政策性强、技术性强、经济性强、综合性强的特点。在工程中，将某种流体的热量以一定的传热方式传递给他种流体的设备，称为换热器。化工生产中换热器的使用十分普遍，由于物料的性质、要求各不相同，换热器的种类很多。了解各种换热器的特点，根据工艺要求正确选用适当类型的换热器是非常重要的。在这种设备内，至少有两种温度不同的流体参与传热。一种流体温度较高，放出热量；另一种流体温度较低，吸
4、收热量。这里所讲的热换热器是以传热为其主要过程（或目的）的设备。在化工、石化、石油炼制、动力、冶金、交通、国防等工业生产中，换热器被广泛使用，其正确的设置，在一般化工厂的建设中，换热器约占总投资的11。在炼油厂的常、减压蒸馏装置中，换热器约占总投资的 40%。随着化工、石化、炼油工业的迅速发展，各种新型换热器不断出现，一些传统的换热器的结构也在不断改进、更新。今后换热器的发展趋势将是不断增加紧凑性、互换性，不断降低材料消耗，提高传热效率和各种比特性，提高操作和维护的便捷性。根据热换热器在生产中的地位和作用，它应满足多种多样的要求。一般来说，对其基本要求有：(1) 满足工艺过程所提出的要求，热交
5、换强度高，热损失小，在有利得平均温差下工作。(2) 要有与温度和压力条件相适应的不易遭到破坏的工艺结构，制造简单，装修方便，经济合理，运行可靠。 (3) 设备紧凑。(4) 保证较低的流动阻力，以减小热换热器的动力损失。换热器的类型很多特点各异，分类方法也不尽相同。若按其用途分，有加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等。若按其结构类型分，有列管式、板式、螺旋板式、板翅式、板壳式利翅片管式等。换热器按照结构形式可分为：固定管板式换热器、浮头式换热器； U 形管换热器；填料函式换热器 。若按传热原理和热交换方式分，有直接混合式、蓄热式和间壁式三类。换热器的形式繁多，不同的使用场合使用目的不同。化工
6、生产中绝大多数情况下不允许冷、热两流体在传热过程中发生混合，固定管板式换热器是间壁式换热器的主要类型，也是应用最普遍的一种换热设备。固定管板式换热器主要是由筒体、封头、管板、换热管、管箱、折流板及法兰等组成，管束两端固定在管板上，管板和筒体之间是刚性连接在一起，相互之间无相对移动，换热器结构简单、制造方便、造价较低；在相同直径的壳体内可排列较多的换热管，而且每根换热管都可单独进行更换和管内清洗；但14 级化工（2）班 固定管板式换热器机械设计2管外壁清洗较困难。当两种流体的温差较大时，会在壳壁和管壁中产生温差应力，一般当温差大于 50 摄氏度时就应考虑在壳体上设置膨胀节以减小温差应力。但当管、
7、壳温差大于 70 摄氏度时，壳程压力超过 0.6Mpa 时，导致膨胀节过厚失去温差补偿作用。因此，固定管板式换热器适用于壳程流体清洁，不易结垢，管程常用要清洗，冷热流体温差不太大的场合。固定管板式换热器管程和壳程中，流过不同温度的流体，通过热交换完成换热。当两流体的温度差较大时，为了避免较高的温差应力，通常在壳程的适当位置上，增加一个补偿圈（膨胀节）。当壳体和管束热膨胀不同时，补偿圈发生缓慢的弹性变形来补偿因温差应力引起的热膨胀。固定管板式换热器的结构特点是在壳体中设置有管束，管束两端用焊接或胀接的方法将管子固定在管板上，两端管板直接和壳体焊接在一起，壳程的进出口管直接焊在壳体上，管板外圆周和
8、封头法兰用螺栓紧固，管程的进出口管直接和封头焊在一起，管束内根据换热管的长度设置了若干块折流板。这种换热器管程可以用隔板分成任何程数。固定管板式换热器结构简单，制造成本低，管程清洗方便，管程可以分成多程，壳程也可以分成双程，规格范围广，故在工程上广泛应用。壳程清洗困难，对于较脏或有腐蚀性的介质不宜采用。当膨胀之差较大时，可在壳体上设置膨胀节，以减少因管、壳程温差而产生的热应力。固定管板式换热器的机械设计除了最关键的换热板片以外，还有两块墙板，我们称为框架板和压力板，框架板为外侧不可活动的墙板，压力板为换热板片另一侧的可用拉杆螺栓调整位置的墙板；数根拉杆螺栓，用来加紧框架板和压力板；立柱；上下导
9、杆，连接在框架板和立柱之间，用来支撑并给压力板和换热半片导向；框架板和立柱上可安装底脚底脚，用于固定机器。除此以外，还可以有法兰，过滤器，温度计和压力计等一系列附件。在生产过程中，由于热交换器管板受水分冲刷、气蚀和微量化学介质的腐蚀，管板焊缝处经常出现渗漏，导致水和化工材料出现混合，生产工艺温度难以控制，致使生成其它产品，严重影响产品质量，降低产品等级。冷凝器管板焊缝渗漏后，企业通常利用传统补焊的方法进行修复，管板内部易产生内应力，且难以消除，致使其它换热器出现渗漏，企业通过打压，检验设备修复情况，反复补焊、实验，2 4 人需要几天时间才能修复完成，使用几个月后管板焊缝再次出现腐蚀，给企业带来
10、人力、物力、财力的浪费，生产成本的增加。通过高分子复合材料的耐腐蚀性和抗冲刷性，通过提前对新换热器的保护，这样不仅有效14 级化工（2）班 固定管板式换热器机械设计3治理了新换热器存在的焊缝和砂眼问题，更避免了使用后化学物质腐蚀换热器金属表面和焊接点，在以后的定期维修时，也可以涂抹福世蓝高分子复合材料来保护裸露的金属；即使使用后出现了渗漏现象，也可以通过技术及时修复，避免了长时间的堆焊维修影响生产。正是由于此种精细化的管理，才使得换热器渗漏问题出现的概率大大降低，不仅降低了换热器的设备采购成本，更保证了产品质量、生产时间，提高了产品竞争力。化工设备课程设计 B 组工作分配情况组长：李贤钊（排版
11、整合，CAD 画图）组员：康玲玲、黎丽玲（计算）黄达聪、乔天逸、陈秋燕（查找资料）邹江水、胡晓敏、康明远（CAD 画图）1.1 设计条件（原始数据）设计课题:固定管板式换热器机械设计原始条件：某企业要求用水将苯从 80冷却至 40，假定水的初温为25，经换热后升温到 35。1.2 换热器概述换热器，顾名思义就是用来热交换的机械设备，是化工，石油，动力，食品及其他许多工业部门的通用设备，在生产中占有重要地位。在生产中，换热器可作为加热器，冷却器，冷凝器，蒸发器和再沸器等，应用甚为广泛。换热器是一种非常重要的换热设备，能够把热量从一种介质传递到另一种介质，在各种工业领域中有很广泛的应用，尤其在化工
12、，能源，交通，机械，制冷，空调等领域应用广泛。换热器能够充分利用工业的二次能源，能够实现余热回收和节能。1.3 换热器种类换热器的种类很多， ，根据不同的工业领域可以选用不同的换热器，可以更大的发挥换热器的传递热量的作用，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。在在这三类换热器中，间壁14 级化工（2）班 固定管板式换热器机械设计4式换热器应用最多， ，其主要的类型有夹套式，沉浸式蛇管，喷淋式，套管式，管壳式。而管壳式换热器在工业上经常使用的有固定管板式，浮头式，U 形管式换热器。随着工业的发展，各种高效省材的换热器不断的出现。1.4 管壳式换热器的发展
13、史管壳式换热器又称列管式换热器。是以封闭在壳体中管束的壁面作为传热面的间壁式换热器。这种换热器结构较简单，操作可靠，可用各种结构材料制造，能在高温、高压下使用，是目前应用最广的类型。在我国换热器的制造技术远落后于外国，由于制造工艺和科学水平的，早期的换热器只能采用简单的结构，而且传热面积小、体积大和笨重，如蛇管式换热器等。随着制造工艺的发展，逐步形成一种管壳式换热器，它不仅单位体积具有较大的传热面积，而且传热效果也较好，长期以来在工业生产中成为一种典型的换热器。在国外二十世纪 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
14、年代初，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，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。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，这一类换热器不但是从材料上有了较大的突破，
15、而且采用新颖的，增加强化传热。70 年代中期，为了进一步减小换热器的体积，减轻重量和金属消耗，减少换热器消耗的功率，并使换热器能够在较低温差下工作，人们更是采用各种科学的办法来增强换热器内的传热。 1.5 提高管壳式换热器传热能力的措施 强化传热的主要途径有提高传热系数、扩大传热面积和增大传热温差等方式，其中提高传热系数是强化传热的重点。主要是通过强化管程传热和壳程传14 级化工（2）班 固定管板式换热器机械设计5热两个方面得以实现。目前管壳式换热器强化传热方法主要有：采用改变传热元件本身的表面形状及其表面处理方法，以获得粗糙的表面和扩展表面；用添加内插物的方法以增加流体本身的绕流；将传热管的
16、内外表面压制成各种不同的表面形状，使管内外流体同时产生湍流并达到同时扩大管内外有效传热面积的目的，提高传热管的传热性能；将传热管表面制成多孔状，使气泡核心的数量大幅度增加，从而提高总传热系数并可增加其抗污垢能力；改变管束支撑形式以获得良好的流动分布，充分利用传热面积等。1.6 设计思路、方法第一，确定设计方案。先根据两流体的温度变化情况选择换热器的类型，再对流动空间和流速做出选择；第二，确定物性数据；第三，计算总传热系数；最后，对换热器设备结构设计进行计算,根据计算的数据画各种装备设备图。2.工艺条件2.1 工艺条件名称 管程 壳程物料名称 苯 水设计压力 1.0 1.0操作温度 80/40
17、(进口/出口) 25 /35(进口/出口)推荐钢材 20 Q345R换热面积 85m 2 壳体内径 800管长 3m 2.2 管口表符号 公称尺寸 规格 用途a 200 2196水进口14 级化工（2）班 固定管板式换热器机械设计6b 200 2196水进口c 20 253 放气口d 200 2196 苯出口e 20 253排净口f 200 2196 苯出口2.3 固定管板式换热器简图图 1 固定管板式换热器结构简图3 设计内容3.1 管子数的计算选用 192 的无缝钢管，材质为 20 号钢，管长为 3m因为 其中，n 为管子数dFL均所以 85=30.751*0.1均 根选用 13 层排列，
18、按正三角形排列时总共可安装 613 根管子，扣除 6根 d=12mm 的拉杆，实际管子数为 607 根。14 级化工（2）班 固定管板式换热器机械设计7验证换热面积 F= L n=3.140.0173607=97.20 2m其中，因安排拉杆需减少 6 根，实际管子数为 607 根。3.2 管子排列方式，管间距的确定本设计采用正三角形排列，由表 74 查得层数为 13 层。查表 75，取管间距 25am25190图 2 常见管子的排列方式图14 级化工（2）班 固定管板式换热器机械设计82519图 3 本设计所用的正三角形排列3.3 换热器壳体直径的确定 12iDabl式中 i换热器内径，mm正
19、六角形对角线上的管子数，查表 74，取 b=27l最外层管子的中心到壳壁边缘的距离，取 02ld故 i D2571296m（ ）圆整后取壳体内径 i80。3.4 壳体壁厚的计算材料选用 Q245R 钢板，计算壁厚为ctiPD2式中 Pc计算压力，取 Pc=1.0MPai80m； 0.9； t=147Mpa(设壳壁温度为 100)故 1.3.247m取 ， ，c.c.0114 级化工（2）班 固定管板式换热器机械设计9圆整后取 。m53.5 换热器封头的选择左右封头均选用标准椭圆形封头，根据 GB/T 25198压力容器封头 ，封头为 ，曲面高度 h1=250mm，直边高度 h2=40mm，如下
20、图所示，材80DN料选用 Q245R。下封头与裙座焊接，直边高度取 40mm80125405图 4 标准椭圆封头的结构图及其尺寸3.6 容器法兰的选择材料选用 Q345R。根据 NB/T 47023-2012 标准，选用 DN800，PN1.0MPa 的甲型平焊法兰。法兰尺寸如图所示。14 级化工（2）班 固定管板式换热器机械设计10图 5 法兰结构图3.7 液压试验校核 ReL9.0e2DiTp式中 ，MPa5.12.p5.1TMPa0.1pc,t,t m5.4302.16Cne查附表 6-1 可得， PaReL则 7.5.428.T而 Ma4529309e.0可见 ，所以水压试验强度足够R
21、L14 级化工（2）班 固定管板式换热器机械设计113.8 管板尺寸的确定选用固定式换热器管板，兼做法兰，查相关标准得 （取管板的MPapst0.1公称压力为 1.0MPa）的碳钢管板尺寸，如图所示。图 6 管板的结构图3.9 管子拉脱力计算计算数据按表 1-1 选取项目 管子 壳体操作压力/Mp 0.3 0.3材质 20 Q345R14 级化工（2）班 固定管板式换热器机械设计12线膨胀系数/（1/） 12.910-6 12.910-6弹性模量/MP 0.183106 0.183106许用应力/MP 189 189尺寸 /mm 1923000 8005管子根数 607管间距 /mm 25管壳
22、壁温差/ 60管子与管板的连接方式 开槽胀接胀接长度/mm L=50许用拉脱力/MP 4.0在操作压力下，管子每平米胀接周边上所受的力 ldpfq0其中22220.86.8651958()44fadm0.35PMlm所以.2580.3(a)149pqMP温差应力导致管子每平米胀接周边上所受到的力 ldqitt024)(其中 ststAE1)(2n3.48051639(m)sD中22 20()()8754()4t id14 级化工（2）班 固定管板式换热器机械设计13则661.90.18304.(a)75429t MP4.6()1.60(a)5tq由已知条件可知， 与 的作用方向相同，都使管子受
23、压，则管子的拉脱pqt力： ptq0.316.Mq4.0Pa因此，拉脱力在许用范围内。3.10 计算是否安装膨胀节管壁壳温差所产生的轴向力 ： 6616()12.90.183012397542754.230stStEFAN压力作用于壳体上的轴向力 F2：tSAQF22 2002 25()()486719.367(19)0.31.()istDndppN 则66200.531()39274FN压力作用于管子上的轴向力 F3：6630.10.14()275439tSQA则661.5()sSFMPa14 级化工（2）班 固定管板式换热器机械设计146613.10.40.52()75ttFMPaA根据
24、GB1511999管板式换热器 0.52.91834.47.ts sttMpaPaqP条件成立，故本换热器不必安装膨胀节.3.11 折流板设计折流板为弓形，)(60843mDhi折流板间距取 600mm；由表 77 查得折流板最小厚度为 6mm，由表 79 查得折流板外径为 796mm，材料为 Q235A 钢，如图所示。 60796?19*2图 7 折流板的形状14 级化工（2）班 固定管板式换热器机械设计153.12 接管法兰的选取使用法兰标准确定法兰尺寸时，必须知道法兰的公称直径与公称压力。压力容器法兰的公称直径与压力容器的公称直径取同一系列数值。3.13 开孔补强的计算换热器壳体和封头上
25、的接管处开孔需要补强，常用的结构还在开孔外面焊一块与容器壁材料和厚度都相同，即 4mm 的 Q345R 钢板。补强计算：根据已知条件可知：接管外径 0219dm，则内径 02196207intdm。（1）确定壳体和接管的计算厚度及开孔直径壳体计算厚度 .8.3citPD附注：焊接接头采用双面焊对接接头，局部无损检测，20 号钢在 100下的许用压力 189tMa接管计算厚度 01.0290.64282ttPdm注：20 号钢管的许用压力 tPa开孔直径 07.921.itdC注：钢管厚度偏差 mntt 9065%15（2）确定壳体和接管实际厚度，开孔有效补偿宽度 B 及外侧有效补强高度 1h由
26、于壳体名义厚度 4nm接管名义厚度 t接管有效厚度 21.825.6Bd外侧高度 149nth由于接管采用平齐接管，实际内伸高度 02h（3）计算需要补强的金属面积和可作为有效补强的金属面积14 级化工（2）班 固定管板式换热器机械设计16需要补强的金属面积（即开孔削弱的金属截面积） 221.83650.Adm可作为补强用的金属截面积包括解三个部分壳体有效承压之外的多余面积 ：1A21425.6.842.3670eABd m式中 109enC接管承压之外的多余面积 ：2A22141647.etrAhf m焊缝金属面积 ：32236ma显然212370.368.eAm，所以不需要补强。e注：补强
27、圈厚度理论上应通过计算来确定，但一般可取与壳体等厚，即 15mm画出补强圈的结构图如下：14 级化工（2）班 固定管板式换热器机械设计17206,7843接 管补 强 圈 壳 体图 8 开孔补强结构图3.14 拉杆和定距管的选择拉杆选用 12，共 8 根，材料为 20 钢。3.15 管箱换热器管内流体进出口的空间称为管箱。管箱结构应便于装拆，因为清洗、检修管子时需要拆下管箱。管箱的类型有：（1）平盖结构，在清洗、检修时比较方便。 （2）用于可拆卸管束与管板制成一体的管箱。 （3）封头管箱。 （4）与管板制成一体的管箱。详细图参考化工设备机械基础223 页的管箱结构图。管箱按椭圆形计算，其厚度为
28、： 1.082.3629.520.5citcPDm取 C2=1.2mm,查表 4-9 得 13C，则名义厚度12.360.286()nC。圆整后取 4()n故符合 4mm 的设计要求14 级化工（2）班 固定管板式换热器机械设计18图 9 管箱示意图3.16 选择换热器支座并核算承载能力软件计算标准椭圆形封头重为 173.02146.0mkg筒体重量估算 250.kg (2-58)管板、法兰及其它附件重量估算 33kg管子重量估算 498.6mk苯和水重量估算 510.860kg则设备总质量为 1234546.05.70982.3608kg.1.2mFkN故只能承受 185.5kN 的负荷，所
29、以查附录 16 可知，应采用鞍座重型（ BI 型），允许载荷 Q 允=305 k N ，DN10002000，120包角，焊制，双筋，带垫板，14 级化工（2）班 固定管板式换热器机械设计19鞍座高度 h=200。3.17 壳程接管壳层接管在入口处加以扩大，做成喇叭形，起缓冲效果，或者在换热器进口处设置挡板。3.18 排气孔、排液口为提高传热效率，排除或回收工作残夜（气） ，凡不能借助其他接管排气、排液的换热器壳程和管程的最高、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和管箱壳体内壁平齐。图 10 换热管排液口14 级化工（2）班 固定管板式换热器机械设计20图 11 换热
30、管排汽口心得体会在换热器的设计过程中,我感觉我的理论运用于实际的能力得到了提升，主要有以下几点： (1)掌握了查阅资料，选用公式和搜集数据( 包括从已发表的文献中和从生产现场中搜集) 的能力； (2)树立了既考虑技术上的先进性与可行性，又考虑经济上的合理性，并注意到操作时的劳动条件和保护环境的正确设计思想，在这种设计思想的指导下去分析和解决实际问题的能力； (3)培养了迅速准确的进行工程计算的能力； (4)学会了用简洁的文字，清晰的图表来表达自己设计思想的能力。课程设计考验了我们的团队合作精神，以及严谨的工作态度、平和的心态。这次设计工作量大，用到的知14 级化工（2）班 固定管板式换热器机械
31、设计21识多，而确我们又是第一次设计，所以单独靠自己是不法完满的完成本次课程设计，我们经常要进行讨论，甚至争论，现在还依然记得大家争着面红耳赤的场面，这没有什么关系，因为问题就是这样发现，比较合理的结果和方法就是这样产生的，大家都明白了，那其他都不是问题。同时争论让我更加清楚地了解自己，让我明白我要更加耐心的表达我的想法，把问题解析清楚，也要耐心的听其他同学的意见。总而言之我们收获颇多也明白了自己的不足需要更努力学习。参考文献：1.陈敏恒等编著， 化工原理 ，化工出版社，2006。2.化工部六院编， 化工设备技术图样要求 ，化学工业设备设计中心站，1991。3.华南工学院化工原理教研室编著，
32、化工过程及设备设计，华南理工大学社，1980。4.谭天恩、麦本熙、丁惠华等编， 化工原理 ，化工出版社，1990。14 级化工（2）班 固定管板式换热器机械设计225.卢焕章编著，石油化工基础数据手册，化工出版社，2003 年。6.浙江工业大学化工原理教研室编著， 化工原理课程设计资料 （三）列管式换热器，2001。7.天津大学化工原理教研室编， 化工原理课程设计 ，天津大学出版社，1992.8.大连理工大学化工原理教研室编， 化工原理课程设计 ，大连理工大学出版社，1994.9.陈英南主编， 常用化工单元设备设计 ，华东理工大学出版社，1993.10.化学工业手册编委合编,化学工程手册 ，化学工业出版社，1989.
