固定管板管壳式换热器毕业设说明书.doc

目录摘要2Abstract3前言4第一章 换热器概述51.1 换热器的应用51.2 换热器的主要分类61.3 管壳式换热器特殊结构111.4 换热管简介12第二章 工艺计算132.1 设计条件132.2 核算换热器传热面积132.3 压力降的计算182.4 换热器壁温计算21第三章 换热器结构设计与强度计算243.1 壳体与管箱厚度的确定243.2 开孔补强计算263.3 水压试验323.4 换热管333.5 管板设计353.6 折流板413.7 拉杆与定距管433.8 防冲板443.9 保温层443.10法兰与垫片443.11 钩圈式浮头483.12 分程隔板543.13 鞍座543.14 接管的最小位置56第四章 换热器的腐蚀、制造与检验584.1 换热器的腐蚀584.2 换热器的制造与检验58第五章 焊接工艺评定625.1 壳体焊接工艺625.2 换热管与管板的焊接625.3 法兰与筒体的焊接63第六章 换热器的安装、试车与维护646.1 安装646.2 试车646.3 维护65总结66致谢68参考文献69附录浮头法兰厚度计算程序70附录 相关文献74摘要 本设计说明书是关于固定管板管壳式换热器的设计，主要是进行了换热器的工艺计算、换热器的结构和强度设计。 设计的前半部分是工艺计算部分，主要是根据给定的设计条件估算换热面积，从而进行换热器的选型，校核传热系数，计算出实际的换热面积，最后进行压力降和壁温的计算。设计的后半部分则是关于结构和强度的设计，主要是根据已经选定的换热器型式进行设备内各零部件（如接管、折流板、定距管、管箱等）的设计，包括：材料的选择、具体尺寸确定、确定具体位置、管板厚度的计算、开孔补强计算等。最后设计结果可通过6张图表现出来。 关于固定管板管壳式换热器设计的各个环节，设计说明书中都有详细的说明。 关键词：管壳式换热器 固定管板 AbstractThe design manual is about the PN2.5DN600 floating head heat exchanger, which included technology calculate of heat exchanger, the structure and intensity of heat exchanger.The first part of design is the technology calculation process. Mainly, the process of technology calculate is according to the given design conditions to estimate the heat exchanger area, and then, select a suitable heat exchanger to check heat transfer coefficient ,just for the actual heat transfer area .Meanwhile the process above still include the pressure drop and wall temperature calculation . The second half of the design is about the structure and intensity of the design. This part is just on the selected type of heat exchanger to design the heat exchangers components and parts ,such as vesting ,baffled plates, the distance control tube, circle hook, tube boxes. This part of design mainly include：the choice of materials，identify specific size, identify specific location, the thickness calculation of tube sheet, the thickness calculation of floating head planting and floating head flange, the opening reinforcement calculation etc. In the end, the final design results through six maps to display.The each aspects of the floating head heat exchanger has detailed instructions in the design manual.Key word: Shell-Tube heat exchanger, floating head heat exchanger, tube sheet, floating head planting, floating head flange.前言毕业设计是完成教学计划实现专业培养目标的一个重要的教学环节；是教学计划中综合性最强的实践性教学环节。它对提高学生综合运用专业知识分析和解决实际问题的能力以及培养学生的工作作风、工作态度和处理问题等方面具有很重要的意义。 本次毕业设计的题目是固定管板管壳式换热器设计。这次设计中的主要内容为换热器的工艺计算、换热器的结构与强度设计。其中，工艺计算主要是确定换热器的换热面积、换热器的选型、压降计算、壁温计算等；而结构与强度设计则主要包括：管板厚度计算、换热管的分布、折流板的选型、开孔补强计算以及各种零部件的材料选择等。在设计过程中，我尽量采用较新的国家标准，做到既满足设计要求，又使结构优化，降低成本，以提高经济效益为主，力争使产品符合生产实际需要，适合市场激烈的竞争。同时为了使本次设计能够进行顺利，我在设计前参阅了许多有关书籍和英文文献，并做了一定的摘要。 因为换热器设计是属于压力换热容器设计范畴，与我所学的课程有紧密的联系，所以这次设计对我的设计能力有了很大的提高。它不仅使我贯通几年里所学习的专业基础知识和专业理论知识，还培养和提高我们工作能力。换热器在设计过程中为技术分析与产品开发可以为设计者提供一个广阔的思维想象空间，还能激发设计者的创新意识。在设计过程中，我们可以很好地将所学的知识加以应用，在自己的脑海中巩固，这是我选择这个课题的初衷，而事实上我也达到了预期的目的。 由于水平有限，在设计过程中一定存在许多疏漏和不够合理之处，恳请各位老师和同学批评指正。特此致谢！第一章 换热器概述换热器是在工业生产中实现物料之间热量传递过程的一种设备，它是化工，炼油、动力、油田储运集输系统和原子能及其许多工业部门广泛应用的一种通用设备，是保证工艺流程和条件，利用二次能源实现余热回收和节约能源的主要设备。据统计，在一般石油化工企业中，换热器的投资占全部投资的40-50；在现代石油化工企业中约占30-40；在热电厂中，如果把锅炉也作为换热设备，换热器的投资约占整个电厂总投资的70；在制冷机中，蒸发器的质量要占制冷机总质量的30-40，其动力消耗约占总值的20-30。由此可见，换热器的合理设计和良好运行对企业节约资金、能源和空间都十分重要。1.1 换热器的应用 在工业生产中，换热器的主要作用是将能量由温度较高的流体传递给温度较低的流体，是流体温度达到工艺流程规定的指标，以满足工艺流程上的需要。此外，换热器也是回收余热、废热特别是低位热能的有效装置。换热器是化工、石油、动力、食品及其它许多工业部门的通用设备，在生产中占有重要地位。在化工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，应用更加广泛。换热器种类很多，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。在三类换热器中，间壁式换热器应用最多。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、结构改进及传热的研究十分活跃，一些新型高效换热器相继面世。1.2 换热器的主要分类 在工业生产中，由于用途、工作条件和物料特性的不同，出现了不同形式和结构的换热器。1.2.1 换热器的分类及特点 按照传热方式的不同，换热器可分为三类： 1.直接接触式换热器 又称混合式换热器，它是利用冷、热流体直接接触与混合的作用进行热量的交换。这类换热器的结构简单、价格便宜，不存在传热面带来的热阻，过热或腐蚀等问题，接触面积大，传热效率高且反应灵敏，常做成塔状，但仅适用于工艺上允许两种流体混合的场合。 2.蓄热式换热器 在这类换热器中，也有固体壁面，但两种流体并非同时而是轮流地和壁面接触。当热流体流过时，把热量储蓄于壁内，壁的温度逐渐升高；而当冷流体流过时，壁面放出热量，壁的温度逐渐降低，如此反复进行，已达到热交换的目的。蓄热式换热器结构紧凑、价格便宜，单位体积传热面比较大，故较适合用于气-气热交换的场合。 3.间壁式换热器 这是工业中最为广泛使用的一类换热器。冷、热流体被一固体壁面隔开，通过壁面进行传热。按照传热面的形状与结构特点它又可分为：（1） 管式换热器：如套管式、螺旋管式、管壳式、热管式等；（2） 板面式换热器：如板式、螺旋板式、板壳式等；（3） 扩展表面式换热器：如板翅式、管翅式、强化的传热管等。1.2.2 管壳式换热器的分类及特点 由于本设计题目是固定管板管壳式换热器的设计，而固定管板管壳式又属于管壳式换热器，故特此介绍管壳式换热器的主要类型以及结构特点。 管壳式换热器是目前用得最为广泛的一种换热器，主要是由壳体、传热管束、管板、折流板和管箱等部件组成，其具体结构如下图所示。壳体多为圆筒形，内部放置了由许多管子组成的管束，管子的两端固定在管板上，管子的轴线与壳体的轴线平行。进行换热的冷热两种流体，一种在管内流动，称为管程流体；另一种在管外流动，称为壳程流体。为了增加壳程流体的速度以改善传热，在壳体内安装了折流板。折流板可以提高壳程流体速度，迫使流体按规定路程多次横向通过管束，增强流体湍流程度。流体每通过管束一次称为一个管程；每通过壳体一次就称为一个壳程，而图1-2-1所示为最简单的单壳程单管程换热器。为提高管内流体速度，可在两端管箱内设置隔板，将全部管子均分为若干组。这样流体每次只通过部分管子，因而在管束中往返多次，这称为多管程；同样。为提高管外流速，也可以在壳体内安装纵向挡板，迫使流体多次通过壳体空间，称为多壳程，迫使流体按规定路程多次横向通过管束，增强流体湍流程度。换热管在管板上可按等边三角形或正方形排列。等边三角形排列较紧凑，管外流体湍动程度高，传热分系数大。多管程与多壳程可以配合使用。这种换热器的结构不算复杂，造价不高，可选用多种结构材料，管内清洗方便，适应性强，处理量较大，高温高压条件下也能应用，但传热效率、结构的紧凑性、单位传热面的金属消耗量等方面尚有待改善。 由于管内外流体的温度不同，因之换热器的壳体与管束的温度也不同。如果两流体温度相差较大，换热器内将产生很大的热应力，导致管子弯曲、断裂或从管板上拉脱。因此，当管束与壳体温度差超过50时，需采取适当补偿措施，以消除或减少热应力。根据所采用的补偿措施，管壳式换热器可以分为以下几种主要类型：（1） 固定管板式换热器：其结构如图1所示。换热器的管端以焊接或胀接的方法固定在两块管板上，而管板则以焊接的方法与壳体相连。与其它型式的管壳式换热器相比，结构简单，当壳体直径相同时，可安排更多的管子，也便于分程，同时制造成本较低。除壳程清扫困难和适应热膨胀能力差外，集中了管壳式换热器的一系列优点。因此，除壳程流体有腐蚀性，易结垢需要经常拆换管束或机械清扫管束外表面的情况外，应尽量采用此型式。归于管子和壳体温差超过3050的情况需考虑在壳体上加装膨胀节。由于不存在弯管部分，管内不易积聚污垢，即使产生污垢也便于清洗。如果管子发生泄漏或损坏，也便于进行堵管或换管，但无法在管子的外表面进行机械清洗，且难以检查，不适宜处理脏的或有腐蚀性的介质。更主要的缺点是当壳体与管子的壁温或材料的线膨胀系数相差较大时，在壳体与管中将产生较大的温差应力，因此为了减少温差应力，通常需在壳体上设置膨胀节，利用膨胀节在外力作用下产生较大变形的能力来降低管束与壳体中的温差应力。（2） 浮头式换热器：其结构如图2所示。管子一端固定在一块固定管板上，管板夹持在壳体法兰与管箱法兰之间，用螺栓连接；管子另一端固定在浮头管板上，浮头管板夹持在用螺柱连接的浮头盖与钩圈之间，形成可在壳体内自由移动的浮头，故当管束与壳体受热伸长时，两者互不牵制，因而不会产生温差应力。浮头部分是由浮头管板，钩圈与浮头端盖组成的可拆联接，因此可以容易抽出管束，故管内管外都能进行清洗，也便于检修。由上述特点可知，浮头式换热器多用于温度波动和温差大的场合，尽管与固定管板式换热器相比其结构更复杂、造价更高。（3） U型管式换热器：其结构可参见图3。一束管子被弯制成不同曲率半径的U型管，其两端固定在同一块管板上，组成管束，从而省去了一块管板与一个管箱。因为管束与壳体是分离的，在受热膨胀时，彼此间不受约束，故消除了温差应力。其结构简单，造价便宜，管束可以在壳体中抽出，管外清洗方便，但管内清洗困难，故最好让不易结垢的物料从管内通过。由于弯管的外侧管壁较薄以及管束的中央部分存在较大的空隙，故U型管换热器具有承压能力差、传热能力不佳的缺点。 （4） 双重管式换热器：将一组管子插入另一组相应的管子中而构成的换热器，其结构可以参看图4。管程流体（B流体）从管箱进口管流入，通过内插管到达外套管的底部，然后返回，通过内插管和外套管之间的环形空间，最后从管箱出口管流出。其特点是内插管与外套管之间没有约束，可自由伸缩。因此，它适用于温差很大的两流体换热，但管程流体的阻力较大，设备造价较高。（5） 填料函式换热器：图5为填料函式换热器的结构。管束一端与壳体之间用填料密封，管束的另一端管板与浮头式换热器同样夹持在管箱法兰和壳体法兰之间，用螺栓连接。拆下管箱、填料压盖等有关零件后，可将管束抽出壳体外，便于清洗管间。管束可自由伸缩，具有与浮头式换热器相同的优点。由于减少了壳体大盖，它的结构较浮头式换热器简单，造价也较低，但填料处容易泄漏，工作压力与温度受一定限制，直径也不宜过大。1.3 管壳式换热器特殊结构包括有双壳程结构、螺旋折流板、双管板等特殊结构，这些结构将使换热器拥有更高的工作效率。（1） 双壳程结构：在换热器管束中间设置纵向隔板，隔板与壳体内壁用密封片阻挡物流内漏，形成双壳程结构。适用场合：管程流量大壳程流量小时，采用此结构流速可提高一倍，给热系数提高11.2倍；冷热流体温度交叉时，但壳程换热器需要两台以上才能实现传热，用一台双壳程换热器不仅可以实现传热，而且可以得到较大的传热温差。（2） 螺旋折流板式换热器：螺旋折流板可以防止死区和返混，压降较小。物流通过这种结构换热器时存在明显的径向变化，故不适用于有高热效率要求的场合。（3） 双管板结构：在普通结构的管板处增加一个管板，形成的双管板结构用于收集泄漏介质，防止两程介质相混合。1.4 换热管简介换热管是管壳式换热器的传热元件，采用高效传热元件是改进换热器传热性能最直接有效的方法。国内已使用高效的换热管有以下几种：（1） 螺纹管：又称低翅片管，用光管轧制而成，适用于管外热阻为管内热阻1.5倍以上的单相流及渣油、蜡油等粘度大、腐蚀易结垢物料的换热。（2） T形翅片管：用于管外沸腾时，可有效降低物料泡核点，沸腾给热系数提高1.63.3倍，是蒸发器、重沸器的理想用管。（3） 表面多孔管：该管为光管表面形成一层多孔性金属敷层，该敷层上密布的小孔能形成许多汽化中心，强化沸腾传热。（4） 螺旋槽纹管：可强化管内物流间的传热，物料在管内靠近管壁部分流体顺槽旋流，另一部分流体呈轴向涡流，前一种流动有利于减薄边界层，后一种流动分离边界层并增强流体扰动，传热系数提高1.31.7倍，但阻力降增加1.72.5倍。（5） 波纹管：为挤压成型的不锈钢薄壁波纹管，管内、管外都有强化传热的作用，但波纹管换热器承压能力不高，管心距较大而排管少，壳程短而不易控制。 管壳式换热器的应用已经有悠久的历史，而且管壳式换热器被当作一中传统的标准的换热设备在很多工业部门中大量使用。尤其在化工、石油、能源设备等部门所使用的换热设备中，管壳式换热器仍处于主导地位，因此本次毕业设计特别针对这类换热器中的固定管板换热器的工艺设计以及结构设计进行介绍。第二章 工艺计算 在换热器设计中，首先应根据工艺要求选择适用的类型，然后计算换热所需要的传热面积。工艺设计中包括了热力设计以及流动设计，其具体运算如下所述：2.1 设计条件表2-1 水与水的操作参数冷水热水设计压力（Mpa）进口温度（°C）出口温度（°C）流 量（kg/s）进口温度（°C）出口温度（°C）流 量（kg/s）25353070508 1.013 表2-2 水的物性参数名称平均温度（）比热kJ/kg·k导热系数W/（m·k）密度kg/ m3粘度/mpa·s热阻（*10-3）·K/w冷水304.1740.618995.70.80117.2 热水604.1780.659983.20.47034.42.2 核算换热器传热面积2.2.1 流动空间的确定选择热水走壳程，冷水走管程。这是因为：被冷却的流体走壳程可便于散热，而传热系数大的流体应走管程，这样可降低管壁的温差，减少热应力。2.2.2 初算换热器传热面积2.2.2.1 传热计算（热负荷计算） 热负荷： 式中：冷热水的质量流量，kg/s； 冷热水的定压比热，J/(kg·k)； 冷水的进、出口温度，k； 热水的进、出口温度，k。理论上，=，实际上由于热量损失，通常热负荷应该取max（，）。=30×4.174×(35-25)=352.2KW8×4.178×（70-50）=668.48KW 故668.48KW 2.2.2.2 有效平均温差的计算选取逆流流向，这是因为逆流比并流的传热效率高。其中为较大的温度差，为较小的温度差。 70-35=35 50-25=25； 因为 1.4<1.7，故采用算术平均温度差，则30;2.2.2.3 按经验值初选总传热系数 查表选得=1500W/（）；2.2.2.4 初算出所需的传热面积668.48/(1500*30)=14.9；考虑到所用传热计算式的准确程度及其他未可预料的因素，应使所选用的换热器具有换热面积留有裕度10%-25%，故有1.2×14.9=17.6，根据来确定换热器的类型及结构参数。2.2.3 总传热系数K的校验管壳式换热换热器面积是以传热管外表面为基准，则在利用关联式计算总传热系数也应以管外表面积为基准，因此总传热系数K的计算公式如下： 式中：K总传热系数，W/（K）； 、分别为管程和壳程流体的传热膜系数，W/（K）； 、分别为管程和壳程的污垢热阻，·K/w； 、分别是传热管内径、外径及平均直径，m； 传热管壁材料导热系数，W/（K）； 传热管壁厚，m。2.2.3.1管程流体传热膜系数 其计算过程如下： 0.96 =23867，可知流体处于湍流状态； 5.4；湍流情况下的计算如下：应用关联式： 工程上，当液体被加热时，取，当液体被冷却时，取，而管程流体是被加热的，则有管内流体传热膜系数为：4656W/（K）；2.2.3.2 壳程流体传热膜系数： 其计算过程如下：换热器内需装弓形折流板，根据GB151-1999可知，折流板最小的间距一般不小于圆筒内直径的1/5，且不小于，故根据固定管板管壳式换热器折流板间距的系列标准，可取折流板间距200。 因为壳体选择为卷制圆筒，根据GB150-1999可知壳体内径400。管间流速是根据流体流过管间最大截面积计算：其中：管外径，即25， 为换热管中心距，此时选择换热管在管板上的排列方式为三角形排列，因为这样便于机械清洗，查GB151-1999得。0.0175；0.5；=26149； 3；故求，即：3496；与都已经算出，而，0.172，同时查钢管壁热导率为，则有=1516故有1.02，合适。 2.2.4 校核平均温差与平均温差有关参数的计算如下： ；根据R、P值，查温度校正系数图可得温度校正系数0.97>0.8，因此有效平均温度差为： 。2.2.5 校核换热面积：实际传热面积：；校核：；为了保证换热器的可靠性，一般应使换热器的面积裕度大于或等于15%-25%，由上可知所选换热器面积满足要求。2.3 压力降的计算 流体流经换热器因流动引起的压力降，可按管程压降和壳程压降分别计算。2.3.1 管程压力降管程压力降有三部分组成，可按下式进行计算：其中：流体流过直管因摩擦阻力引起的压力降，； 流体流经回弯管中因摩擦阻力引起的压力降，； 流体流经管箱进出口的压力降，； 式中为管程压降结垢校正系数，可查有关资料。对一般液体，当垢阻W时： 管子， 管子， 如垢阻更大或更小时，值可在上述基础上增减；对于气体， 由于水的垢阻为0.000172，则取各项压降的计算式如下： 式中：管程质量流速； 管内径，； L管长，； 管程进出口管咀质量流速； 圆管摩擦系数，由参考文献可查图 1-19 得0.03； 管内流体密度，； 管程数；管程流体粘度校正系数，流体被加热则取1.05；所以； ； ；经查，可知每台换热器合理的压力降为MPa，由此可知上述压力降符合要求。2.3.2 壳程的压力降 当壳程装上折流板后，流体在管外流动为平行流和错流的耦合。尽管管束为直管，但流动却变得复杂化。由于制造安装公差不可避免地存在间隙，因而会产生泄漏和旁流，而流体横向冲刷换热管引起的旋涡，也使流动变得更加复杂。由于流动的复杂性，要准确地分析影响这种复杂流动的各种因素，精确地计算压力降是相当的困难。 下面通过寇恩公式来计算： 式中：流体横过管束的压力降，； 流体通过折流板缺口的压力降，； 壳程进出口管咀的压降，; 壳程压降结垢校正系数，由参考文献的附录 14可查的结果为1.28各项压降可用以下公式计算： 式中：壳程流体的质量流速，kg/s; 壳程导流板和进出口处质量流速，kg/s 壳程流体的圆管摩擦系数 ，根据参考文献可查图 5-41得0.32； ,壳程流体的粘度校正系数取为0.95； 壳程流体质量密度； 壳体内径，m； 折流板数； 管子外径； 导流板阻力系数，按取为6； 横过管束中心线的管子数，对三角形排列； 按壳程流通截面计算的流速，；其中： 0.0215因此 ； ； ，取整为9。则有： 可知此时的压力降在的合理范围之内。2.4 换热器壁温计算2.4.1 换热管壁温计算符号说明：以换热管外表面积为基准计算的总传热系数， W/（m·）； 污垢热阻，·/w； 分别为热、冷流体的的平均温度，； 分别为热流体的进、出口温度，； 分别为冷流体的进、出口温度，； 流体的有效平均温差，；以换热管外表面积为基准计算的给热系数， W/（m·）。热流体侧的壁温： ；冷流体侧的壁温： ；所以 。2.4.2 圆筒壁温的计算由于圆筒外部有良好的保温层，故壳体壁温取壳程流体的平均温度：。到此换热器的工艺计算告一段落，其中工艺计算的主要目的是计算出其换热面积，选出相应的换热器型式，因此，接下来应该是进行换热器的结构设计以及强度计算。 表2-3 所选固定管板式换热器规格DNPN管长管程数换热管规格计算传热面积管程出入口公称直径，壳程出入口公称直径，mmMpam4002.52117.68080表2-4 工艺计算常用参数公称直径（mm）管程中心排管数换热管数弓形折流板缺口弓高（）40011211380管程：冷水壳程：热水 352.2KW668.48KW668.48KW352530=1500W/（）14.917.60.96m/s238675.44656W/（K）2004000.01750.5m/s2614933496W/（K）m2·K/W m2·K/W42.9W/m·K1516W/m·K1.02 第三章 换热器结构设计与强度计算 在确定换热器的换热面积后，应进行换热器主体结构以及零部件的设计和强度计算，主要包括壳体和封头的厚度计算、材料的选择、管板厚度的计算、开孔补强计算，还有主要构件的设计（如管箱、壳体、折流板、拉杆等）和主要连接（包括管板与管箱的连接、管子与管板的连接、壳体与管板的连接等），具体计算如下。3.1 壳体与管箱厚度的确定 根据给定的流体的进出口温度，选择设计温度为50；设计压力为2.5Mpa。3.1.1 壳体和管箱材料的选择 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，故在此综合成本、使用条件等的考虑，选择16MnR为壳体与管箱的材料。16MnR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相同含碳量的碳素钢，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。3.1.2 圆筒壳体厚度的计算焊接方式：选为双面焊对接接头，100%无损探伤，故焊接系数；根据GB6654压力容器用钢板和GB3531低温压力容器用低合金钢板规定可知对16MnR钢板其。假设材料的许用应力Mpa（厚度为616mm时），壳体计算厚度按下式计算为：；设计厚度；名义厚度（其中为向上圆整量）；查其最小厚度为8mm，则此时厚度满足要求，且经检查，没有变化，故合适。3.1.3 管箱厚度计算 管箱由两部分组成：短节与封头；且前端管箱与后端管箱的形式相同，故此时管箱的厚度计算如下： 管箱为椭圆形管箱，这是因为椭圆形封头的应力分布比较均匀，且其深度较半球形封头小得多，易于冲压成型。此时选用标准椭圆形封头，故，且同上，则封头计算厚度为：； 设计厚度；名义厚度（为向上圆整量）； 经检查，没有变化，故