1、毕业设计（论文） 1 固 定 管 板 式 换 热 器 摘 要 这篇论文主要介绍的是换热器机械计算等相关的设计过程。本文引用这三年学过的书本知识及相关的技术标准，对换热器的结构、强度进行了系统的阐述。换热器是目前许多工业部门广泛应用的通用工艺设备。其中，换热器是目前应用较为广泛的换热设备。 优点：结构简单，制造方便，在相同管束情况下其壳体内径最小，管程分程较方便。缺点：壳程无法进行机械清洗，壳程检查困难，壳体与管子之间无温差补偿元件时会产生较大的温差应力，即温差较大时需采用膨胀节或波纹管等补偿元件以减小温差应力。 我设计 的换热器内部以换热管和折流板做为基本构件，冷介质、余热介质分别在管程与壳程
2、之间流动，以达到降温或升温的效果。换热器由筒体、管箱、封 头、支座、换热管、折流板、管板及接管、法兰等组成。 通过强度计算合理选择材料，确保安全运行，提高设备的生产效率，降低设备的制造成本，实现化工单元操作的最佳化。 关键词 换热器 管箱 壳体 管板 封头 毕业设计（论文） 2 目 录 摘 要 -1 目 录 -2 符号说明 -4 前 言 -5 第一章 命题 -6 第 1.1 节 概述 -6 第 1.2 节 设计任务、设计思想 -7 第二章 换热器的工艺设计 -8 第 2.1 节 换热器的工艺条件 -8 第 2.2 节 估算设备尺寸 -8 第三章 换热器零部件的工艺结构设计 -10 第 3.1
3、节 传热管 -10 第 3.2 节 折流板 -11 第 3.3 节 拉杆、定距管 -12 第 3.4 节 防冲板 -14 第 3.5 节 接管 -14 第 3.6 节 管箱 -16 第 3.7 节 管板结构尺寸 -17 第 3.8 节 封头 -18 第 3.9 节 法兰 -20 第 3.10节 垫片的选取 -20 第 3.11节 鞍座的选取 -21 第四章 换热器的机械结构设计 -22 第 4.1 节 传热管与管板的连接 -22 第 4.2 节 管板与壳体的连接 -22 第 4.3 节 管板与管箱的连接 -23 第五章 换热器的强度设计与校核 -25 毕业设计（论文） 3 第 5.1 节 壳体
4、、管箱的壁厚计算 -25 第 5.2 节 法兰的强度校核 -26 第 5.3 节 管板厚度的计算 -29 第 5.4 节 开孔补强计算 -33 第 5.5 节 压力试验 -35 第六章 换热器的加工工艺和装配程序 -37 第 6.1 节 概述 -37 第 6.2 节 材料验收 -37 第 6.3 节 筒体的制造 -37 第 6.4 节 封头的制造 -39 第 6.5 节 管板的制造 -40 第 6.6 节 管束的制造 -40 第 6.7 节 折流板的制造 -41 第 6.8 节 装配 -42 第 6.9 节 油漆、包装 -45 第 6.10节 换热器在使用中 常见故障及处理 -45 结论 -4
5、7 参考文献 -48 致谢 -49 毕业设计（论文） 4 符号说明 符 号 意 义 单 位 t 许 用应力 MPa t 计算应力 MPa C 厚度附加量 mm C1 钢材厚度偏差 mm C2 腐蚀裕量 mm Di 圆筒内直径 mm Pwt 最大允许工作压力 MPa Pc 计算压力 MPa E 材料的弹性模量 Pa 焊缝系数 计算厚度 mm d 设计厚度 mm n 名义厚度 mm e 有效厚度 mm m 垫片系数 mm ye 比压力 MPa A 补强截面积 mm2 B 补强有效宽度 mm F 压力 N K 椭圆形封头形状系数 M 力矩 N.mm 毕业设计（论文） 5 前言 换热器 设备 是化学工
6、业、石油工业、石油化工等生产中最中要的设备之一，为了帮助我们的复习与巩固以往学习过的专业知识，并对换热设备有一个深入了解。 毕业设计是我们在学校学习结束阶段的一个综合学习、训练，培养独立工作能力的重要教学环节，毕业设计作为一个独立的教学环节，不同于一门课程的学习，又不同于实际工程设计工作，相同之处在于它是为了教学目的而设置的教学环节。 毕业设计是一项学习任务，又是一项独立的创造性工作。最大限度的采用新技术成就，反映现代技术的发展水平，充分发挥独立工作能力，一定 要遵循理论联系实践的原则。 由于知识和经验的不全面性和贫乏，在这次设计中难免有错漏之处，敬请老师给予指教。 毕业设计（论文） 6 第一
7、章 命 题 第 1.1 节 概述 换热器在工业中的应用 换热设备是使热量从热流体传递到冷流体的设备，使化工、炼油、动力、食品、轻工、原子能、制药、机械及其他许多工业部门广泛使用的一种通用设备。在化工厂中，换热设备的投资约占总投资的 10% 20%；在 化肥 厂中，约占总投资的 30% 41%。 在工业生产中，换热设备的主要作用是使热量由温度较高的流体传递给稳到较低的流体， 使流体温度达到工艺流程的指标，以满足工业流程上的需要。 由于世界性的能源危机，为了降低能耗，工业生产中对换热器的需求量越来越多，对换热器的质量要求也越来越高。近几十年来，紧凑式换热器 (板式、板翅式、压焊板式换热器等 )、热
8、管式换热器、直接接触式换热器等 得到 发展 。 目前国内使用的换热器多为列管换热器和螺旋板换热器。它的主要特点是管内外换热面积相等。 但是 交换系数相差较大的交换介质在管内外进行热量交换时，由于其不平恒性而达不到理想的交换目的，换热效率相对较低。 虽然现在出现大量结构紧凑高效的换热设备，例如：波纹板换 热器、板翅式换热器、螺旋板换热器、伞板换热器等，但在各行业的换热设备中，管壳式换热器仍占据着主导地位。因为许多工艺过程都具有高温、高压、高真空、有腐蚀等特点，而管壳式换热器具有选材范围广 (可为碳钢、低合金钢、高合金钢、铝材、铜材、钛材等 )，换热表面清洗较方便，适应性强，处理能力大，特别是能承
9、受高温和高压等特点，所以管壳式换热器被广泛应用于化工、炼油、石油化工、制药、印染以及其它许多工业中，它适用于冷却、冷凝、加热、蒸发和废热回收等方面 。 管壳式换热器主要由换热管束、壳体、管箱、分程隔板、支座等组成。换热管束包括换热管、管板、折流板、支持板、拉杆、定距管等。换热管可为普通光管，也可为带翅片的翅片管，翅片管有单金属整体轧制翅片管、双金属轧制翅片管、绕片式翅片管、叠片式翅片管等，材料有碳钢、低合金钢、不锈钢、铜材、铝材、钛材等。壳体一般为圆筒形，也可为方形。管箱有椭圆封头管箱、球形封头管箱和平盖管箱等。分程隔板可将管程及壳程介质分成多程，以满足工艺需要。 管壳式换热器在结构设计时，必
10、须考虑许多因素，例如传热条件、材料、介质压力、毕业设计（论文） 7 温度、管壳程壁温温差、介质结垢情况、流体性质以及检修和清洗条件等等，从而确定一种适合的结 构形式。对于同一种形式的换热器，由于各种不同工况，往往采用的结构并不相同。在工程设计中，应按其特定的条件进行分析设计，以满足工艺需要。 第 1.2 节 设计任务、思想 1.2.1 设计任务 设计课题为固定管板式换热器，设计包括结构设计和强度设计。结构设计需要选择适用合理、经济的结构形式，同时满足制造、检修、装配、运输和维修等要求；而强度计算的内容包括换热器的材料，确定主要结构尺寸，满足强度、刚度和稳定性等要求，根据设计压力确定壁厚，使换热
11、器有足够的腐蚀裕度。 1.2.2 设计思想 尽可能采用先进的 技术、国家与行业标准，使生产达到技术先进，经济合理的要求，符合优质、高产、安全、低消耗的原则，具体有如下几点： 1） 根据 GB150-1998钢制压力容器和 GB151-1999 管壳式换热器 等国家标准为基础进行设计。 2） 满足工艺和操作要求，所设计出来的流程和设备能保证得到质量稳定的产品，设计的流程与设备需要一定的操作弹性，可方便地进行流量和传热量的调节。 3） 满足经济上的要求，设计省热能和电能的消耗，减少设备与基础的费用，选择合适的回流比，节省 水蒸汽 ，设计时要全 面考虑，力求总费用尽可能低一些。 4） 保证生产安全，
12、保证 换热器 具有一定的刚度和强度。设计中 根据 设计压力确定壁厚 ,再校核其他 零件的强度 ,进行水压试验， 容器 是否 有足够的腐蚀裕度。 毕业设计（论文） 8 第 二 章 换热器的工艺设计 第 2.1 节 换热器的工艺条件 设 计 条 件： 壳 程 管 程 工 作 介 质： 饱和蒸汽 热 水 设 计 温 度： 180 90 工 作 温 度 : 160 85 设 计 压 力： 0.6MPa 0.7Mpa 工 作 压 力： 0.54Mpa 0.65Mpa 焊 缝 系 数： 0.85 0.85 腐 蚀 余 量： 1mm 换 热 面 积： 35M2 第 2.2 节 估算设备尺寸 2.2.1 计算
13、传热管数 NT 拟用传热管规格为 25x2，管长 L 2000mm，传热管数 NT 为 根2 3 420 2 5.0 35 LdANoPT 式中符号： 0d 换热管外径。 mm PA 所需换热面积。 L 换热管长。 M TN 换热管总数。根 2.2.2 若将传热管按正三角形排列，计算壳程直径 D 取管心距 t=1.3do t=1.3x25=32(mm) 横过管束中心线的管数 毕业设计（论文） 9 根1 72 3 41 . 1N1 . 1n Tc 采用单管程结构，则壳程内径为 D=t(nc-1)+(2-3)do=32x(17-1)+(2-3)x25=487(mm) 圆整得 D 600mm 毕业设
14、计（论文） 10 第 三 章 换热器零部件的结构设计 第 3.1 节 传热管 3.1.1 换热管的型式和尺寸 换热管有光管、焊接管、螺纹管、波节管、波纹管、三维内外肋管等。在没有特殊要求的情况下，一般选用光管因为光管加工方便、价格便宜，本装置采用光管。 选择管径时，应尽可能使流速高些，但一般不应超过规定的流速范 围。易结垢、粘度较大的液体宜采用较大的管径。我国目前试用的列管式换热器系列标准中仅有 252mm 及 192mm 两种规格的管子。 本装置的壳程介质是 饱和 蒸汽，是比较容易清洁和不易结垢的流体，因此采用 252mm 规格。 3.1.2 换热管的材料 常用材料有碳素钢 、低和金钢、不锈
15、钢、铜、铜镍合金、铝合金、钛等。此外还有一些非金属材料，如石墨、陶瓷等。 本换热器材质选用 0Cr18Ni9。 3.1.3 换热管排列形式及管心距 管子在管板上的排列有 正 三角形、正方形和 同心圆排列三种方式 ，如图所示。 传热管的排列应使其在整个换热器圆截面上均匀分布，同时还要考虑流体的性质，管箱结构及加工制造等方面的问题。正 三角形排列的优点有 :管板的强度高；流体走短路的机会少， 但 管外流体扰动较大，因而对流传热系数较高；相同的壳径内可排列更多的管子 ；但是正三角形排列蚀管外机械清洗较为困难 。正方形排列 的优点是便于清洗列管的外壁，适用于壳程流体易产生污垢的场合； 但是在同样的管板面积上可排列的管子数量为最少。同心圆排列方式优点再也靠近壳体的地方管子分布较均匀，在壳体直径较小的换热器中可以排列的传热管数比三角形排列还多。本换热器流体的性质属于比较洁净和不易结垢，因此采用正三角形排列，如图（ a）所示。
