1、 题目 固定管板式热交换器的设计 学院名称 化学工程学院 专业名称 过程装备与控制工程 学生姓名 张越 指导教师 陈鸿海 讲师 起止时间： 2015 年 4 月 2 日 至 2015 年 6 月 10 日 单位代码： 11414 学 号： 2011010653 摘 要 - I- 摘 要 固定管板式热交换器是管壳式热交换器的一种典型结构，也是目前应用比较广泛的一种热交换器。由已经给出的数据，首先进行热力计算，对换热管根数和管径等进行选择，使热交换器能满足换热需求。再根据 GB151-2014 和 GB150-2011对壳程、管程、管板等零部件进行了结构的设计和强度计算，包括了材料的选择、具体尺寸
2、的确定、开孔补强的计算和一些标准件的选用等，在校核计算符合要求之后才确定各项数据。最后用 AUTO CAD 进行装配图和各个零件图的绘制，在陈老师的多次审图之后出正式图纸。 关键词 ：热交换器；固定管板式；标准 ABSTRACT - II- The Design of Fixed-plate heat exchanger tube ABSTRACT Fixed tube plate heat exchanger is a typical structure of the shell and tube heat exchanger and a wide range of heat exchang
3、er. By the given data,first of all ,carrying out thermodynamic calculation,to choice the heat exchanger tubes number and diameter to meet the demand of heat transfer.Then use GB151-2014 and GB150-2011 on the shell tube,tubesheet of structure design andstrengthcalculation includesmaterialselection, d
4、etermine the concrete size, the calculation to the opening reinforcementand some standard parts of the selection.In the calculation to meet the requirementsbeforedetermining the data.Finally use the AUTOCAD take the assembly drawing and parts drawing, a formal drawings after the teacher approvaled.
5、Key words:heat exchanger; Fixed tube plate; Standards目 录 - III- 目录 摘要 . I ABSTRACT .II 前言 . 1 第 1 章 文献综述 . 3 1.1 热交换器介绍 . 3 1.2 固定管板式热交换器结构简介 . 4 1.3 热交换器的优化 . 7 第 2 章 热力计算 . 9 2.1 原始数据和基本符号 . 9 2.1.1 原始数据表 . 9 2.1.2 基本符号 . 9 2.2 设计方案的确定 . 13 2.2.1 换热器类型的选择 . 13 2.2.2 冷流体通道选择 . 13 2.2.3 流速选择 . 13 2.
6、2.4 设备的结构形式 . 13 2.3 工艺计算 . 14 2.3.1 求原油的流量 . 14 2.3.2 热流量 . 14 2.3.3 平均传热温度 . 14 2.3.4 传热面积 . 14 2.4 工艺结构尺寸 . 15 2.4.1 管径管内流速及管长 . 15 2.4.2 管程数和传热管数 . 15 2.4.3 平均传热温差校正及壳程数 . 15 2.4.4 传热管排列和分程方法 . 16 2.4.5 壳体内 径 . 16 2.4.6 折流板 . 16 2.4.7 接管 . 17 2.4.8 其他附件 . 17 2.5 换热器核算 . 17 2.5.1 热流量核算 . 17 目 录 -
7、 IV- 2.5.1 热流量核算 . 17 2.5.2 壁温计算 . 20 2.5.3 换热器内流体的流动阻力 . 20 第 3 章 强度计算 . 22 3.1 基本零部件 . 22 3.1.1 接管法兰 . 22 3.1.2 接管 . 23 3.1.3 支座 . 23 3.2 壳程圆筒 . 25 3.3 管箱 . 25 3.3.1 封头 . 25 3.3.2 管箱法兰 . 27 3.4 管板计算 . 32 3.4.1 初始数据 . 32 3.4.2 面积系数计算 . 34 3.4.3 强度影响系数计算 . 36 3.5 膨胀节设置判断 . 41 3.6 接管补强判断 . 41 第 4 章 结
8、论 . 43 参考文献 . 44 致谢 . 45 附录 . 46 热交换器装配图 . 46 入口管板零件图 . 47 出口管板零件图 . 48 管箱零件图 . 49 鞍式支座零件图 . 50 顶丝零件图 . 51 吊耳零件图 . 52 中国石油大学（北京）本科毕业设计 - 1- 前 言 用于大于等于两种流体之间、固体和流体之间、固体粒子之间，或有热接触但温度不同的同种流体之间的热量（或焓）传递的装置，叫做换热设备，是实现化工生产过程中热量传递和交换的设备。 1 课题研究背景及目的 在工业生产中，热交换器的主要作用是使热量（或焓）由温度相对较高的流体传到温度相对较低的流体，使流体的温度指标达到工
9、艺过程的规定，以满足工艺过程的需求。 石油、化工、制药、能源等工业生产，需要经常加热低温流体或冷却高温流体。这些过程与热量的 传递有着非常密切的联系，都要用热交换设备来完成这些过程。 在化工厂的设备里，热交换器的投资占总投资的 10%到 20%；在炼油厂中，约占设备总投资的 35%到 40%；海水淡化工艺里需要用到的装置几乎全部是由热交换设备组成的。近 20 年来，换热设备在能量的转化、储藏、回收以及新能源的利用和污染物的治理中有着普遍的应用 1。 随着热交换器节能技术的高速发展，应用领域也扩大了很多，利用热交换器对多余的热量进行回收利用给公司带来了较为显著的经济效益。热交换器也是国民经济和工
10、业生产中应用极其广泛的热交换设备，随着现代化的新工 艺、新材料、新技术的开发和能源危机的来临，世界各国都把石油化工的深度加工和综合高效利用能源放在了首要的位置，由此可见热交换器面临着巨大的挑战。热交换器的性能对能源的利用率、产品的质量以及整套设备或者系统运行的可靠性、经济性起着至关重要的作用，有时候甚至起着决定性作用。 随着 热交换器 的地位和作用的提高，为了适应多种工作环境和工作要求， 热交换器 也开发出了越来越多的类型，不同类型的 热交换器 有不同的性能，也具有各自的优缺点。管壳式 热交换器 是属于表面式换热器的一类，是 热交换器 中使用最广的一种， 虽然在传热效率、结构的紧凑性和单位传热
11、面积金属消耗量等方面不如一些新型的高效紧凑式热交换器，但它结构坚固、可靠性高、易于制造、适应性广、生产成本低、处理能力大、选用的材料范围广、能承受较高的操作压力和温度、换热表面的清洁比较方便。在高温、高压和大型换热器中，管壳式热交换器仍具有绝对优势。管壳式热交换器主要又分为：固定管板式热交换器、 U 型管式热交换器、浮头式热交换器等，而固定管板式又是管壳式热交换器是使用最为广泛的一种，具有结构简单，管程清洗方便等特点。 前 言 - 2- 因此对固定管板式热交换器的研究和设计具有很大的意义， 也是为了实现以下目的： 1、减小设计传热面积的热交换器来减小质量和体积； 2、提高现有 热交换器 的换热
12、效率； 3、使 热交换器 能够工作在温差较低的环境中； 4、减小 热交换器 的流体阻力来减少换热器的动力消耗。 2 设计主要流程 本设计首先搜集资料 ，查阅了相关的二十多篇文献，了解了热交换器详细结以及作用原理，全面考虑设计过程中需要注意的因素，并总结了一些现代化的创新型设计方案，同时详细介绍了本设计的主体 固定管板式热交换 器的结构，对管程、壳程的各个主要部件作用做了介绍，最后介绍了本设计要用到的各个标准，完成了第一章的文献综述。在第二章，通过给定的设计要求，首先确定了设计方案，即初步选定热交换器的容器类型、流体的通道、流速、管束的排布方式以及管径等。然后便开始了工艺计算，对原油的流量、平均
13、传热温度和传热面积进行计算。接下来通过工艺结构尺寸计算确定了管长、管程数壳程数、传热管根数、壳体内径、折流板数以及接管内径等。最后进行了 热交换器 的传热和阻力计算完成了整个热交换器的热力计算。第三章首先确定了接管法兰、接管以及支座的尺寸，然后 就分别开始了对壳程圆筒、封头、管箱法兰、管板等的选材和强度校核，最后进行是否需要膨胀节和接管补强的判断，完成了热交换器的整个强度计算及校核。第四章进行了对整个热交换器的主要零部件的汇总，得出了设计结论中国石油大学（北京）本科毕业设计 - 3- 第 1 章 文献综述 1.1 热交换器介绍 换热设备是用于两种及其以上的流体之间、一种流体和一种固体之间、固体
14、粒子之间或有热接触且具有不同温度的同种流体间的热量（或焓）传递的装置。它是化工、炼油、食品、轻工、能源、机械以及其他许多工业部门被广泛使用的一种通用设备。在化工厂的设备里，热交换器的投资占总投资的 10% 到 20%；在炼油厂中，约占设备总投资的 35% 到 40%；海水淡化工艺里需要用到的装置几乎全部是由热交换设备组成的。近 20 年来，热交换设备在能量的转化、储藏、回收以及新能源的利用和污染物的治理中有着普遍的应用。 工业生产中，热交换设备的主要作用是让热量（或焓）由温度较高的流体传递给温度较低的流体，使流体的温度达到工艺过程中规定的指标，从而满足工艺过程的需要。热交换设备也是回收余热、废
15、热以及低品位热能的有效装置。 工业生产中，由于工作条件、用途、物料特性等不同，出现了各种不同形式和结构的换热设备。在此，主要研究了管壳式固定管板热交换器。管壳式热交换器属于间壁式热交换器（又称表面式热交换器），它是利用间壁将需要交换的冷热两种流体隔开，互不接触，热量从热流体通过间壁传递给冷流体的一种热交换器。这类热交换器是目前使用最为广泛的一种换热设备。它的基本结构是在一个或多个圆筒形的壳程（壳体）中放置管束（由多个管子组成），该管子的两端或者一端要固定于管板上面，其中管子上的轴线要和壳体上的轴线相平行。是为了增加流体在壳程的流速并支承 管子，改善传热的性能，在筒体内间隔安装多块折流板（也可以
16、是其他新型的折流元件），用拉杆和定距管将折流板和管子组装在一起。换热器的壳体和两侧的端盖上（偶数管程则是一侧）装有流体的进出口，也有根据要求在其上装设检查孔，为安置测量仪表用的接口管、排气孔和排液空等。 管壳式热交换器虽然在传热效率、结构的紧凑性和单位传热面积金属消耗量等方面比不上一些新型高效的紧凑式换热器，但它也有明显的优点，如结构坚固、可靠性高、易于制造、适应性广、生产成本低、处理能力大、选用的材料范围广、能承受较高的操作压力和温度、换热表面的清洁 比较方便等。在高温、高压和大型热交换器中，管壳式热交换器仍具有绝对优势，是目前使用最广泛的一类换热器。 根据管壳式换热器的结构特点，分为固定管
17、板式热交换器、浮头式热交换器、U 形管式热交换器、填料函式热交换器和釜式重沸器五类。在本设计论文中是对固 第 1 章 文件综述 - 4- 定管板式热交换器的设计计算，则着重介绍固定管板式热交换器。 1.2 固定管板式热交换器结构简介 固定管板式热交换器由管板、管箱、壳程、管子等零部件组成，管束连接在管板上，管板和壳体之间 焊接，管束两端用胀接或焊接的方法将管子固定在管板上，壳体进出口管直接焊接在筒体上，管板外圆周和封头法兰直接用螺栓紧固，管程的进出口管直接焊接在管箱上，管束内根据换热管长度设置多块折流板，这类换热器的管程可以用隔板分程多个程数。 固定管板式热交换器的优点是结构简单、紧凑，并可以
18、承受较高的压力，造价低，管程的清洗方便，管子损坏的时候易于堵管或者更换；缺点是当管束和壳体的壁温或者材料的线膨胀系数差别较大时，壳体和管束中的热应力较大。这种热交换器适用于壳侧介质比较清洁而且不容易结构并能进行清洗，管、壳程两侧的温差较 小或温差较大但是壳侧的压力不高的场合。 在管壳式热交换器的基本设计方法中，要在满足工艺过程要求的前提下，达到安全和经济的目标。热交换器的设计中的主要任务有参数选择、结构设计、传热计算和压降计算等。设计主要包括了管子排列、管子支承结构、管程数、管长、壳体形式、热交换器类型、冷热流体流动通道等工艺计算和壳体、封头、管板等零部件的结构、强度设计计算。热交换器的工艺设
19、计计算依据设计任务的不同可以分为设计计算和校核计算，包括换热面积的计算与选型两方面。一般情况下已知冷流体和热流体的物性和处理量。进出口压力和温度由工艺 方面的要求来确定。在设计中需要选择或确定的有三大类数据：结构数据、物性数据和工艺数据。设计计算是根据已知的数据来计算热交换器的换热面积，从而来决定这个热交换器所需要的结构，可以来选定已有的标准热交换器；而校核计算则是对已经有的热交换器进行一些运行参数的核定，校核它是否满足预定的要求。 热交换器的各零部件的设计和选择依据的标准是 GB151-20142 热交换器 。热交换器分为管程和壳程，流经换热管的内通道以及其相贯通的部分称之为管程，流经换热管
20、外通道以及与其相贯通的部分称为壳程。整个热交换器的设计过程中 ，由于热交换器是压力容器的一种，则 GB150-20113钢制压力容器也是一个运用较多的标准，其他对法兰、垫片的标准则选用新的能源部发布的HG/T20615-20094 钢制管法兰，螺纹的选择用到了 GB/T196-20035螺纹规格标准，而在制作过程中的选用则用到的是 JBT4712.1JBT4712.4-20076容器支座，在整体的设计中，熟练运用标准是一项非常重要的技能。 中国石油大学（北京）本科毕业设计 - 5- 在管程结构当中，换热管占了整个热交换器的大部分重量，换热管除了光管之外还能采用各式各样的强化传热管， 比如翅片管
21、、螺纹管、螺旋槽管等。当管内外两侧的给热系数较大的时候，翅片管的翅片布置应在给热系数较低的一侧。换热管是具有标准的尺寸（外径壁厚）的钢管，主要分为无缝钢管和不锈钢管。在设计热交换器的时候，采用小管径的换热管时，可使传热系数提高、单位面积的传热面 积增大、金属耗量减少、结构紧凑。据简单的估算，将同直径热交换器的换热管尺寸由 25mm改为 19mm，传热面积便可以增加 40% 左右，同时节约20% 以 上的金属。但小管径的流体有较大阻力，且不方便清洗，容易结垢堵塞。通常情况下，大直径的管子用于黏性较大或污 浊的流体，小管径的管子则用于相对较清洁的流体。换热管常用的材料通常有碳素钢、铜、铜镍合金、铝
22、合金、低合金钢、不锈钢、钛等。除此之外，也能够用一些非金属材料，如陶瓷、石墨、聚四氟乙烯等。换热管的排列方式主要有正方形、转角正三角形、正三角形、转角正方形等。正三角形的排列方式能够在相同的管板上排列最多的管数，所以用的最普遍，但是管外不便于清洗。为便于管外清洗，可采用正方形或转角正方形排列的管束。 管板是管壳式热交换器里面最重要的零部件之一，其作用是排布换热管。将管程和壳程的流体分开，避免冷热流体的混合，同时受到管 程、壳程的压力和温度的作用。管板在选材的时候不仅要考虑力学性能，还要考虑管程和壳程流体的腐蚀性，以及管板和换热器之间存在的电位差对腐蚀的影响。当流体腐蚀较低或者基本没有腐蚀性的时
23、候，管板一般采用压力容器用的碳素钢或者锻件或低合金钢板来制造。当流体的腐蚀性较强时，管板应采用耐腐蚀材料，如不锈钢钛、铝、铜、等。对于厚度较大的管板，为达到降低造价，工程上常采用钛 +钢、不锈钢 +钢、钛 +钢等复合板，或堆焊衬里。在热交换器承受高温、高压时，高温、高压对管板的要求是具有矛盾的。增大管板的厚度，管板便可以承受更大的压力，但 是当管板两侧的温差较大的时候，沿管板内部厚度方向的热应力会增大；若减小管板的厚度，可以适当的降低它的热应力，但是承压能力会下降一些。而且，在开车和停车的时候，由于厚管板的温度变化较慢，换热管壁厚薄，温度变化较快，所以在换热管和管板的连接处会产生出较大的热应力，大的热应力往往会导致换热管和管板连接的地方发生破坏。因此，在满足强度的要求下，应尽量减少管板的厚度。管板设计时的基本考虑是：把实际复杂的管板简化为承受均匀分布的载荷，置于弹性的基础上并且受到在管孔有平均削弱作用的当量圆板。同时也在这个基础上考虑管束对于 管板的挠度有约束作用，但忽略对于管板的转角具有约束作用；管板周边没有布管区域对管板有应力影响，把管板划分成为两个区，即靠
