固定管板式换热器

固定管板式换热器内容提要换热器是用于物料之间进行热量传递的过程设备通过这种设备使物料能达到指定的温度以满足工艺的要求在目前大型化工及石油化工装置中，采用各种换热的组合，就能充分合理地利用各种等级的能量，使产品的单位能耗降低，从而降低产品的成本已获得好的经济效益因而，在大型化工及石油化工生产过程中，换热器得到越来越广泛的应用在化工厂中，换热器所占比例也有了明显提高，成为最重要的单元设备之一绪论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；在炼油厂中，约占总投资的在工业生产中，换热设备的主要作用是使热量又温度较高的流体传递给温度较低的流体，使流体温度达到工10%-20%35%-40%艺过程规定的指标，以满足工艺过程上的需要此外，换热设备也是回收余热，废热特别是低位热能的有效装置例如，烟道气，高炉炉气，需要冷却的化学反应工艺气等的余热，通过余热锅炉可生产压力蒸汽，作为供热，供气，发电，和动力的辅助能源，从而提高热能的总利用率，降低燃料消耗和电耗，提高工业生产经济效益

一、设计压力的确定压力为压力容器的设计载荷之一，其值不低于最高工作压力最高工作压力系指容器顶部在正常工作过程中可能产生的最高表压设计压力应视内压和外压容器分别取值当内压容器上装有安全泄放装置时，其设计压力应根据不同形式的安全泄放装置确定装设安全阀的容器，考虑到安全阀开启动作的滞后，容器不能及时泄压，设计压力不应低于安全阀的开启压力，通常可取最高工作压力的倍；装设爆破片时，设计压力不得低于爆破片的爆破压力

1.05-

1.10对于盛装液化气体的容器，由于容器内介质压力为液化气体的饱和蒸汽压，在规定的装量系数范围内，与体积无关，仅拒绝于温度的变化，故设计压力与周围的大气环境温度密切相关此外还要考虑容器外壁有否保冷设施，可靠的保冷设施能有效地保证容器内温度不受大气环境温度的影响，即设计压力应根据工作条1件下可能达到的最高金属温度确定计算压力是指在相应的设计温度下，用以确定元件最危险截面厚度的压力，其中包括液柱静压力通常情况下，计算压力等于设计压力加上液柱静压力当元件所承受的液柱静压力小于设计压力时，可忽略不计

二、设计温度5%设计温度也为压力容器的设计载荷条件之一，它是指容器在正常情况下，设定元件的金属温度当元件金属温度不低于时，设计温度不得低于元件金属可能达到的最高温度；当元件金属温度低于时，其值不得高于元件金属可能达到的最低0℃温度规定设计温度等于或低于的容器属于低温容器元件的金属温0℃度可以通过传热计算或实测得到，也可按内部介质的最高温度确定，或在基准上增gb150-20℃加（或减少）一定数值设计温度与设计压力存在对应关系当压力容器具有不同的操作工况时，应按最苛刻的压力与温度的组合设定容器的设计条件，而不能按其在不同工况下各自的最苛刻条件确定设计温度和设计压力

三、厚度及厚度附加量的设计设计时要考虑厚度附加量由钢材的厚度负偏差和腐蚀裕量组成，，不包括加工减薄量c c1c2计算厚度（）是按有关公式采用计算压力得到的厚度设计厚度（）系计算厚c=c1+c2c3度与腐蚀裕量之和δδd名义厚度（）指设计厚度加上钢材厚度负偏差后向上圆整至钢材标准规格的厚度，即标注在图样上的厚度δn有效厚度（）为名义厚度减去腐蚀裕量和钢材负偏差腐蚀裕量主要是防止容器受压元件由于均匀腐蚀，机械磨损而导致厚度消弱减薄δe与腐蚀介质直接接触的筒体，封头，接管，等受压元件，均应考虑材料的腐蚀裕量腐蚀裕量一般可根据钢材在介质中的均匀腐蚀速率和容器的设计寿命确定2在无特殊腐蚀情况下，对于碳素钢和低合金钢，不小于；对于不锈钢，当介质的腐蚀性极微时，可取c21mm

四、焊接接头系数c2=0通过焊接制成的容器，焊缝中可能存在夹渣，未熔透，裂纹，气孔等焊接缺陷，且在焊缝的热影响区很容易形成粗大晶粒而使母材强度或塑性有所降低，因此焊缝往往成为容器强度比较薄弱的环节为弥补焊缝对容器整体的强度削弱，在强度计算中需引入焊接接头系数焊接接头系数表示焊缝金属与母材强度的比值，反映容器强度受削弱的程度

五、许用应力许用应力是容器壳体，封头等受压元件的材料许用强度，取材料强度失效判据的极限值与相应的材料设计系数之比，设计时必须合理的选择材料的许用应力，采用过小的许用应力，会使设计的部分过分笨重而浪费的材料，反之则使部件过于单薄而容易破损材料强度失效判据的极限值可以用各种不同的方式表示，如屈服点，抗拉强度，持久强度，蠕变极限等应根据失效类型来确定极限值s在蠕变温度以下通常取材料常温下最低抗拉强度，常温或设计温度下的屈服点b dn或三者除以各自的材料设计系数后所得到的最小值，作为压力容器受压元件b设计时的许用应力，即按下式取值st，也即是说设，，计受压元件时，以抗拉强度和屈服点同时来[]=min{控制许用应力因为对韧性材料制作的容器，按弹性失效设计准则，容器总体部位b sst}nbnsns的最大应力强度应低于材料的屈服点，故许用应力应以屈服点为基准目前在压力容器设计中，不少规范同时用抗拉强度作为计算许用应力的基准，其目的是为能在一定程度上防止断裂失效当碳素钢和低合金钢的设计温度超过，铬钼合金钢的设计温度高于，奥氏体不锈钢设计温度高于时，有可能产生蠕变，因而必须同时420℃450℃考虑基于高温蠕变极限或持久强度的许用应力550℃材料设计系数的一个强度保险系数，主要是为了保证受压元件强度有足够的安全储tt n d备量，其大小与应力计算的精确性，材料性能的均匀性，载荷的确切程度，制造工艺和使用管理的先进性以及检验水平等因素有着密切关系材料设计系数数值的确定，不仅需要一定的理论分析更需要长期实践经验积累近年来，随着生产的发展和科学研究的深入，对压力容器设计，制造，检验和使用的认识日益全面，深刻，材料设计系数也逐步降低例如，实际年代中国取，，，而现在则为，给出了钢板，钢管，锻件以及螺栓材料在设计温度2050nb≥

4.0ns≥30下的许用应力同时也列出了确定钢材许用应力的依据螺栓的许用应力应根据材料nb≥

3.0ns≥

1.

6.gb150的不同状态和直径大小而定为保证螺栓法兰连接结构的密封性，必须严格控制螺栓的弹性变形一般情况下，螺栓材料的许用应力取值比其他受压元件材料低；同时为防止小直径螺栓在安装时断裂，小直径螺栓的许用应力也比大直径的低

六、材料的选取压力容器材料的选取，压力容器材料费用占总成本的比例很大，一般超过材料性能对压力容器运行的安全性有显著的影响选材不当，不仅会增加总成本，30%而且有可能导致压力容器破坏事故因此，合理选材是压力容器设计的关键之一压力容器用料多种多样，有钢，有金属，非金属，复合材料等，压力容器用钢的基本要求是有较高的强度，良好的塑性，韧性，制造性能和与介质形容性改善钢材性能的途径主要有化学成分的设计，组织结构的改变和零件表面改性

（一）化学成分钢材的化学成分对其性能和热处理有较大的影响提高碳含量可能使强度增加，但是可焊性变差，焊接时易在热影响区出现裂纹因此，压力容器用钢的含碳量一般不大于在钢中加入钒，钛，铌等元素，可提高钢的强度和韧性硫和磷是钢中最主要的有害元素硫能促进非金属夹杂物的形成，使塑料和韧

0.25%性降低磷能使高钢的强度，使会增加钢的脆性，特别是低温脆性将硫和磷等有4害元素含量控制在很低水平，即大大提高钢材的纯净度，可提高钢材的韧性，抗中子辐照脆化能力，改善抗应变时效性能，抗回火脆化性能和耐腐蚀性能因此，与一般结构钢相比，压力容器用钢对磷，硫，氢等有害杂质元素含量的控制更加严格例如，中国压力容器用钢的硫和磷含量分别应低于，和随着冶炼水平的提高，目前已可将硫的含量控制在以内0020%

0.030%另外，化学成分对热处理也有决定性的影响，如果对成分控制不严，就达不到预期

0.002%的热处理效果

（二）力学与性能由于载荷和应力状态的不同，以及钢材在受力状态下所处的工作环境的不同，钢材受力后所表现出的不同行为，称为材料的力学行为例如，低碳钢拉伸试件缩颈中心部位处于三向应力状态，出现的是大体上与载荷方向垂直的纤维状断后，而边缘区域接近平面应力状态，产生的是与载荷成的剪切唇因此，钢材的力学行为，不仅与钢材的化学成分，组织结构有关，而且与材料所处的应力状态和环境有45°密切的关系钢材的力学性能主要的表征强度，韧性，塑性变形能力的判据，是近些设计时选材和强度计算的主要依据压力容器设计中，常用的强度判据包括抗拉强度，屈服点，持久强度，蠕变极限和疲劳极限；塑性判据包括延伸率，b断面收缩率；韧性判据包括吸收功，韧脆转变温度，断裂韧性等s dn15韧性对压力容器安全运行具有重要意义在载荷作用下，压力容器中的缺陷常会发akv生扩展，当裂纹扩展到某一临界尺寸时将会引起断裂事故，此临近裂纹尺寸的大小主要取决于钢的韧性如果钢的韧性高，压力容器所允许的临界裂纹尺寸就越大，安全性也越高因此，为防止发生脆性断裂和裂纹快速扩展，压力容器常选用韧性好的钢材

（三）制造工艺性能材料制造工艺性能的要求与容器结构形式和使用条件紧密相关制造过程中进行冷卷，冷冲压加工的零部件，要求钢材有良好的冷加工成型性能和塑性，其延伸率应在以上为检验钢板承受弯曲变形能力，一般应根据钢板的厚度，选用合适的弯心直径，在常温下做弯曲角度为的弯曲实验试样外表面515%-20%5无裂纹的钢材方可用于压力容器制造180°压力容器各零件间主要采用焊接连接，良好的可焊性是压力容器用钢一项极其重要的指标可焊性是指在一定焊接工艺条件下，获得优质焊接接头的难易程度钢材的可焊性主要取决于它的化学成分，其中影响最大的是碳含量含碳量越低，越不容易产生裂纹，可焊性越好结论通过这次对固定管板式换热器的设计，了解到了固定管板式换热器的基本组成和其内部的细节组成，并且设计计算了壳体，管箱等厚度等一系列计算固定管板式换热器结构简单，紧凑，能承受较高的压力，造价低但当壳体和管束的壁温或材料的线膨胀系数相差较大时，壳体和管束中会产生较大的热应力所以设计了行膨胀节来补偿u近年来，尽管受到了其他新型换热器的挑战，但反过来也促进了其自身的发展在换热器向高参数，大型化发展的今天，管壳式换热器仍占主导地位参考文献《钢制压力容器》［Ｍ］北京中国标准出版社《管壳式换热器》［Ｍ］北京中国标准出版社

[1]gb150-

1998..1998

[2]gb151-国家质量技术监督局《压力容器安全技术监察规程》［Ｍ］北京中国劳动

1999..1999社会保障出版社6

[3].国家质量技术监督局《压力容器波形膨胀节》［Ｍ］北京中国标.1999准出版社

[4]]gb-

16749.丁伯民等编《化工设计全书》［Ｍ］北京化学工业出版社，王绍良.1997主编《化工设备基础》［Ｍ］北京化学工业出版社，

[5]..2003

[6]王宽福编《压力容器焊接结构工程分析》［Ｍ］..2002北京化学工业出版社，

[7].7第二篇固定管板式换热器专业译文固定管板式换热器的概述1998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；形管换热器；填料函式换热器u固定管板式换热器由两端管板和壳体构成由于其结构简单，运用比较广泛固定管板式换热器是一种实现物料之间热量传递的节能设备，是在石油、化工、石油化工、冶金、电力、轻工、食品等行业普遍应用的一种工艺设备在炼油、化工装置中换热器占总设备数量的左右，占总投资的近年来随着节能技术的发展，应用领域不断扩大，利用换热器进行高温和低温热能回收带来了显著40%30%-45%的经济效益结构原理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

一、固定管板式换热器的构成和特点、固定管板式换热器的构成固定管板式换热器由管箱、壳体、管板、管子等零部件组成，其结构较紧凑，排管1较多，在相同直径下面积较大，制造较简单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、固定管板式换热器的特点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2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特点是、旁路渗流较小、锻件使用较少，造价低；、无内漏；

①、传热面积比浮头式换热器大～

②③、固定管板式换热器的缺点是

④20%30%、壳体和管壁的温差较大，壳体和管子壁温差，当时必须在壳体3上设置膨胀节；

①t≤50℃t≥50℃、易产生温差力，管板与管头之间易产生温差应力而损坏；、壳程无法机械清洗；

②③、管子腐蚀后连同壳体报废，设备寿命较低；、固定管板式换热器的机械设计

④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3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换热器的分类

二、间壁式换热器的类型夹套式换热器这种换热器是在容器外壁安装夹套制成，结构简单但其加热面受容器壁面限制，传热系数也不高为提高传热系数且使釜内液体受热均匀，可在釜内;安装搅拌器当夹套中通入冷却水或无相变的加热剂时，亦可在夹套中设置螺旋隔.板或其它增加湍动的措施，以提高夹套一侧的给热系数为补充传热面的不足，也.可在釜内部安装蛇管夹套式换热器广泛用于反应过程的加热和冷却.沉浸式蛇管换热器这种换热器是将金属管弯绕成各种与容器相适应的形状，并沉浸.在容器内的液体中蛇管换热器的优点是结构简单，能承受高压，可用耐腐蚀材料制造其缺点是容器内液体湍动程度低，管外给热系数小为提高传热系数，容器内.可安装搅拌器;.喷淋式换热器这种换热器是将换热管成排地固定在钢架上，热流体在管内流动，冷却水从上方喷淋装置均匀淋下，故也称喷淋式冷却器喷淋式换热器的管外是一层湍动程度较高的液膜，管外给热系数较沉浸式增大很多另外，这种换热器大多放.置在空气流通之处，冷却水的蒸发亦带走一部分热量，可起到降低冷却水温度，增.大传热推动力的作用因此，和沉浸式相比，喷淋式换热器的传热效果大有改善套管式换热器套管式换热器是由直径不同的直管制成的同心套管，并由形弯头.连接而成在这种换热器中，一种流体走管内，另一种流体走环隙，两者皆可得到u较高的流速，故传热系数较大另外，在套管换热器中，两种流体可为纯逆流，对.数平均推动力较大套管换热器结构简单，能承受高压，应用亦方便（可根据需要.增减管段数目）特别是由于套管换热器同时具备传热系数大，传热推动力大及能够承受高压强的优点，在超高压生产过程（例如操作压力为大气压的高压聚.乙烯生产过程）中所用的换热器几乎全部是套管式3000板式换热器最典型的间壁式换热器，它在工业上的应用有着悠久的历史，而且至今仍在所有换热器中占据主导地位主体结构由换热板片以及板间的胶条组成长期在市场占据主导地位，但是其体积大，换热效率低，更换胶条价格昂贵（胶条的更换费用大约占整个过程的）主要应用于液体液体之间的换热，行业内常称为水水换热，其换热效率在1/3-1/

2.-为提高管外流体给热系数，通常在壳体内安装一定数量的横向折流档板折流档板5000w/m

2.k不仅可防止流体短路，增加流体速度，还迫使流体按规定路径多次错流通过管束，使湍动程度大为增加常用的档板有圆缺形和圆盘形两种，前者应用更为广泛目前，由于我国新版的推出，板式换热将逐渐退出食品，饮料，制药等卫生.级别高的行业gmp管壳式换热器管壳式（又称列管式）换热器是管壳式换热器主要有壳体、管束、管板和封头等部分组成，壳体多呈圆形，内部装有平行管束或者螺旋管，，管束两端固定于管板上在管壳换热器内进行换热的两种流体，一种在管内流动，其行程称为管程；一种在管外流动，其行程称为壳程管束的壁面即为传热面管子的型号不一，过程一般为直径或者三个型号，管壁厚度一般为，16mm20mm25mm，以及进口换热器，直径最低可以到，壁厚仅为1mm大大提高了换热效率，今年来也在国内市场逐渐推广开来管壳式换热

1.5mm2mm

2.5mm8mm器，螺旋管束设计，可以最大限度的增加湍流效果，加大换热效率内部壳层和管

0.6mm层的不对称设计，最大可以达到倍这种不对称设计，决定其在汽水换热领域的广泛应用最大换热效率可以达到，大大提高生产效率，节约

4.6-成本14000w/m

2.k同时，由于管壳式换热器多为金属结构，随着我国新版的推出，不锈钢为主体的换热器，将成为饮料，食品，以及制药行业的必选gmp316l双管板换热器也称型换热器，是在管壳式换热器的两头各加一个管板，可以有效防止泄漏造成的污染现在国产品牌较少，价格昂贵，一般在万元以上，进p口可以到几十万符合新版规定，虽价格昂贵，但决定其市场广阔10混合式换热器混合式热交换器是依靠冷、热流体直接接触而进行传热的，这种传热gmp方式避免了传热间壁及其两侧的污垢热阻，只要流体间的接触情况良好，就有较大的传热速率故凡允许流体相互混合的场合，都可以采用混合式热交换器，例如气体的洗涤与冷却、循环水的冷却、汽水之间的混合加热、蒸汽的冷凝等等它的应用遍及化工和冶金企业、动力工程、空气调节工程以及其它许多生产部门中-按照用途的不同，可将混合式热交换器分成以下几种不同的类型（）冷却塔（或称冷水塔）在这种设备中，用自然通风或机械通风的方法，将生产中已经提高1了温度的水进行冷却降温之后循环使用，以提高系统的经济效益例如热力发电厂或核电站的循环水、合成氨生产中的冷却水等，经过水冷却塔降温之后再循环使用，这种方法在实际工程中得到了广泛的使用（）气体洗涤塔（或称洗涤塔）在工业上用这种设备来洗涤气体有各种目的，例如用液体吸收气体混合物中的某些2组分，除净气体中的灰尘，气体的增湿或干燥等但其最广泛的用途是冷却气体，而冷却所用的液体以水居多空调工程中广泛使用的喷淋室，可以认为是它的一种特殊形式喷淋室不但可以像气体洗涤塔一样对空气进行冷却，而且还可对其进行加热处理但是，它也有对水质要求高、占地面积大、水泵耗能多等缺点所以，目前在一般建筑中，喷淋室已不常使用或仅作为加湿设备使用但是，在以调节湿度为主要目的的纺织厂、卷烟厂等仍大量使用（）喷射式热交换器3在这种设备中，使压力较高的流体由喷管喷出，形成很高的速度，低压流体被引入混合室与射流直接接触进行传热，并一同进入扩散管，在扩散管的出口达到同一压力和温度后送给用户（）混合式冷凝器这种设备一般是用水与蒸汽直接接触的方法使蒸汽冷凝4蓄热式换热器蓄热式换热器用于进行蓄热式换热的设备内装固体填充物，用以贮蓄热量一般用耐火砖等砌成火格子（有时用金属波形带等）换热分两个阶段进行第一阶段，热气体通过火格子，将热量传给火格子而贮蓄起来第二阶段，冷气体通过火格子，接受火格子所储蓄的热量而被加热这两个阶段交替进行通常用两个蓄热器交替使用，即当热气体进入一器时，冷气体进入另一器常用于冶金工业，如炼钢平炉的蓄热室也用于化学工业，如煤气炉中的空气预热器或燃烧室，人造石油厂中的蓄热式裂化炉蓄热式换热器一般用于对介质混合要求比较低的场合陶瓷换热器陶瓷换热器是一种新型的列管式高温热能回收装置，主要成份为碳化硅，可以广泛用于冶金、机械、建材、化工等行业，直接回收各种工业窑炉排放的－高温烟气余热，以获得高温助燃空气或工艺气体8501400℃研制成的这种装置的换热元件材料系一种新型碳化硅工程陶瓷，它具有耐高温和抗热冲击的优异性能，从风冷至室温，反复次以上不出现裂纹；导热系数与不锈钢等同；在氧化性和酸性介质中具有良好的耐蚀性在结构上成功地解决了1000℃50热补偿和较好地解决了气体密封问题该装置传热效率高，节能效果显著，用以预热助燃空气或加热某些过程的工艺气体，可节约一次能源，燃料节约率可达－，并可强化工艺过程，显著提高生产能力30%陶瓷换热器的生产工艺与窑具的生产工艺基本相同，导热性与抗氧化性能是材料的55%主要应用性能它的原理是把陶瓷换热器放置在烟道出口较近，温度较高的地方，不需要掺冷风及高温保护，当窑炉温度时，烟道出口的温度应是，陶瓷换热器回收余热可达到，将回收到的的热空气送进1250-1450℃窑炉与燃气形成混合气进行燃烧，这样直接降低生产成本，增加经济效益1000-1300℃450-750℃陶瓷换热器在金属换热器的使用局限下得到了很好的发展，因为它较好地解决了耐腐蚀，耐高温等课题它的主要优点是导热性能好，高温强度高，抗氧化、抗热震性能好寿命长，维修量小，性能可靠稳定，操作简便发展历史板式换热器二十世纪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年代初，瑞典20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30翅式换热器，用于飞机发动机的散热年代末，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30材料制成的换热器开始注意板面式换热器年代左右，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60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年代中期，为了60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70换热器按传热方式的不同可分为混合式、蓄热式和间壁式三类混合式换热器是通过冷、热流体的直接接触、混合进行热量交换的换热器，又称接触式换热器由于两流体混合换热后必须及时分离，这类换热器适合于气、液两流体之间的换热例如，化工厂和发电厂所用的凉水塔中，热水由上往下喷淋，而冷空气自下而上吸入，在填充物的水膜表面或飞沫及水滴表面，热水和冷空气相互接触进行换热，热水被冷却，冷空气被加热，然后依靠两流体本身的密度差得以及时分离蓄热式换热器是利用冷、热流体交替流经蓄热室中的蓄热体（填料）表面，从而进行热量交换的换热器，如炼焦炉下方预热空气的蓄热室这类换热器主要用于回收和利用高温废气的热量以回收冷量为目的的同类设备称蓄冷器，多用于空气分离装置中间壁式换热器的冷、热流体被固体间壁隔开，并通过间壁进行热量交换的换热器，因此又称表面式换热器，这类换热器应用最广间壁式换热器根据传热面的结构不同可分为管式、板面式和其他型式管式换热器以管子表面作为传热面，包括蛇管式换热器、套管式换热器和管壳式换热器等；板面式换热器以板面作为传热面，包括板式换热器、螺旋板换热器、板翅式换热器、板壳式换热器和伞板换热器等；其他型式换热器是为满足某些特殊要求而设计的换热器，如刮面式换热器、转盘式换热器和空气冷却器等换热器中流体的相对流向一般有顺流和逆流两种顺流时，入口处两流体的温差最大，并沿传热表面逐渐减小，至出口处温差为最小逆流时，沿传热表面两流体的温差分布较均匀在冷、热流体的进出口温度一定的条件下，当两种流体都无相变时，以逆流的平均温差最大顺流最小在完成同样传热量的条件下，采用逆流可使平均温差增大，换热器的传热面积减小；若传热面积不变，采用逆流时可使加热或冷却流体的消耗量降低前者可节省设备费，后者可节省操作费，故在设计或生产使用中应尽量采用逆流换热当冷、热流体两者或其中一种有物相变化（沸腾或冷凝）时，由于相变时只放出或吸收汽化潜热，流体本身的温度并无变化，因此流体的进出口温度相等，这时两流体的温差就与流体的流向选择无关了除顺流和逆流这两种流向外，还有错流和折流等流向在传热过程中，降低间壁式换热器中的热阻，以提高传热系数是一个重要的问题热阻主要来源于间壁两侧粘滞于传热面上的流体薄层（称为边界层），和换热器使用中在壁两侧形成的污垢层，金属壁的热阻相对较小增加流体的流速和扰动性，可减薄边界层，降低热阻提高给热系数但增加流体流速会使能量消耗增加，故设计时应在减小热阻和降低能耗之间作合理的协调为了降低污垢的热阻，可设法延缓污垢的形成，并定期清洗传热面一般换热器都用金属材料制成，其中碳素钢和低合金钢大多用于制造中、低压换热器；不锈钢除主要用于不同的耐腐蚀条件外，奥氏体不锈钢还可作为耐高、低温的材料；铜、铝及其合金多用于制造低温换热器；镍合金则用于高温条件下；非金属材料除制作垫片零件外，有些已开始用于制作非金属材料的耐蚀换热器，如石墨换热器、氟塑料换热器和玻璃换热器等译文，fixedtubesheetheatexchangeroverviewheatexchangeraccordingtothestructurecanbedividedinto fixedtubesheetheatexchanger，theheatexchangers;ushapetubeheatexchanger;stuffingboxtypeheatexchanger.fixedtubesheetheatexchangerbyboththeshellandtubes，heet.becaus，eofitssimpl，estructuremoreextensive，use.fixedtubesh，eetheate，xchangerisakin，dofimplementationofheattransferbetweenmaterialofenergy-savingequipment isintheoilchemical，petrochemical metallurgicalpower lightindustry，foodindustryuniversalapplicationofaprocessequipment.inoilrefining，chemicalequipmentheatexchangertotalequipmentnumberabout40%，accountingforatotalinvestmentof30%-45%.inrecentyears，withthedevelopmentofenergysavingtechnologyapplieddomainexpandsceaselesslyuseofheatex，changerinhightemperatureandlowtemper，atureheatrecoverytobringsignificanteconomicbenefits.structureprinciplefixedtubesheetheatexchangertubesideandashellside，flowingoffluidwithdifferenttemperature，heattransferthroughtheheatexchangei，scompleted.whenthetwofluidtemperaturedifferencelarger inordertoavoidhightemperaturestress（），usuallyintheproperpositionontheshell acompensationcoilexpansionjoint.whenthe，shellandtubebundleheatexpansionatthesametimecompensationringslowelasticdeformationtocompensatefor，thetemperaturestresscausedbythermalexpansion.onef，ixedtub，esheetheate，xchangerstructurean，dcharacteristics1，fixedtubesheetheat，exchanger.fixedtubesheethe，atexchangeriscomposedofatubeboxshell tubesheetpipeandotherparts thestructureiscompacte，xhaustpipeismore inthesamediameterlargermanufactureissimple.fixedtubesheetheatexchangerstructureisarrangedinashelltube，，bothendsofthepipebundlebyweldingorexpansionmeth，odwillpipefixedonthetubeplate bothendsofthetubeplateandshellareweldedtogether，shellimportandexportpipeisdirectlyweldedonacasingpipeplateoutercircumferenceandthecoverflangeboltstheimportandexportofpipe，tubeandheaddirectlyweldedtogether，thetubebundleheatexchangertubelengthaccordingtoapluralityofbaffle.thiskindofheatexchangertubescanbedividedin，toanynumberofpartitionp，rocess.in2thecharacteristicsoffixed，tubesheetheatexchangerfixedtubesheethea，texchangerhastheadvantagesofsimplestructure lowmanufacturingcost，，convenientcleaningpipe tubecanbedividedintoapluralityofprocess，theshellcanbedividedintotwo widerangeofspecifications，itiswidelyusedinengineering.shellcleaningdifficulties，，fordirtyorcorrosivemediumisused.whentheexpansiondifferenceisbiggercanbearrangedintheca singexpansio，njoint duetoredu，cedpipe，shellandthether，malstresscausedbytemperaturedifference.f，ixedtubesheetheatexchangerischaracterizedby thesmallerbypassseepageii forgingsuseless，lowcost;thirdly noinnerleakage;theheattransferarearatio，heatexchangers20%~30%.in3，，thedisadvantageisthefixedtubesheetheatexchanger firstshella，ndtubewalltempe，raturedifference shellandtubewalltemperatureist=50cwhent=50degcmustbeintheshellbodysettingexpansionjoint;thedifferenceintempera，ture easytoproduce，，thetubeplateandthetubeheadiseasytopr，oducethermalstressdamage;theshellcannotmechanicalcleaning;thepipecorrosion togetherwiththeshellscraptheservicelifeoftheequipmentislow;in3，，themechanicaldesignoffixedtubesheetheatexchangerfix，edtubesheetheatexchangerdesignexceptforthemostcriticalheatexchangerplateoutside stillhavetwosides，wecalledtheframeplateandthepressureplateframeplatelateralnotmovablewallplate，pressureplateheatexchangerplateontheothersideofthetierodbolttoadjustthepositionofth，ewallpanelscanbeused;apluralityoftierodbolt，usedtointensifytheframeplateandthepressureplate;column;theupperandlowerguiderod connectionontheframeplateandbetweentheuprights，usedtosupportandtothepressureplat，eandtheheattransferp，ieceguid，e;theframeplateandtheuprightpostcanbeinstalledonthebottomofthesolesoftheirfeetusedforfa，steningmachine.inaddition canalsohaveaflangefilterathermometerandapressuregaugeandaseriesofaccessories.heatexchangerclassificationintwo，dividingwalltypeheatexchangertypeja，ckettypeheatexchangeroftheexchangerisarrangedintheouterwallofthecontainerjacketmadeofsimplestructure;howevertheheatingsurfacebythecon，tainerwallheattransfercoefficientisnothigh.inordertoimprovetheheattransfercoefficientandthekettl，eliquidisheatedevenlythekettlestirrer.whenthejacketcoolingwaterisinjectedintoornophasechangeheatingagentalsointheclampingsleevearrangedhelicalbafflesorotheradditionalturbulentmeasures，，inordertoimprovethejacketsideheattransfercoefficientheattransfersurface.asacomplementdeficiencyalsocanbeintheinterioroftheautoclavefittedsnaketube.aclampingsleevetypeheatexchangeruse，dinthereactionprocessofheatingandcooling.submergedcoilheatexchangerinthisheatexchangeristhemetalpipewindingintovariousandcontainerwhichisadaptedtotheshape，，andimmersedinaliquidcontainedwithinthecontainer.thesnaketubeheatexchangerhastheadvanta，gesofsimplestructure canbearhighpressurecorrosion-resistantmaterialsavailable;thedisadvantageisthattheliquidinthecontainertur，bulentdegreelowoutertubeheattransfercoefficientissmall.toenha，ncetheheattransfercoeffic，ienttheinnercontainermaybemountedstirrer.spraytypehe，atexchangerthisheatexchangeristheheatexchangetuberowsoverthesteelframe thehotfluidflowsintubethecoolingwaterfrom，thetopshowershoweruniformlysocalledspraytypecooler.spraytypeheatexchangertubeisalayerofturbulent，degreehigherliquidmembrane，outertubeheattransfercoefficientmoreimmersiveincreasesalot.inaddition，theheatexchangerisplacedintheairflow，coolingwaterevaporationalsotakepartofheat，，canrisetoreducethetemperatureofcoolingwatertherebyincreasingtheheattransferimpetusrole.therefore andimmersionsprayty，peheatexchangerofheattransfereffectisgreatlyimprove，d.sleevetypeheatexchangertubetypeheatex，changeriscomposedofdifferentd，iametertubesmadeofconcent，ricsleeves andbyushapedelbowconnected.inthisheatexchanger，，afluidinsidethetube anotherkindoffluidgoringgapbothcangetahigherflowrate，theheattransfercoefficient.inaddition inthecasingheatexchangertwokindsofflui，dforpurecountercurrent，l（ogarithmicmeandrivingforceofthelarger.casingheatexchang）erhastheadvantagesofsimplestructure canwithstandthehighpressuretheapplicationisconvenient，mayneedtoincreaseordecreasethenumberoftubesections.especiallyduetocasing，heatexchangeratthesametimewithalargeheattransfercoefficienth（eattransferoflargedrivingforceandcanbearhighpressureandstrongadvantages）inthesuperhighpressureprocesssuchasoperatingpressureof3000h，ighpressurepolyethyleneproductionprocess，usedintheheatexchangerisalmostentirelysleevetype.plateheatexchangeristhemosttypicalshell-and-tubeheatexchangers itsapplicationintheindustryhasalonghistoryandisstillinthedominantpositio，ninallheatexchanger.，themainstructurecomprisesa，heatexchangerplateandplatebetweenth（eadhesivetape.inthelong-termmarketdominantposition butthelargevolumelowheatexchangeefficiency）toreplacetherubberstripisexpensive tapereplacementcostsabouttheprocessof1/3-，，1/

2.mainlyusedinliquidwaterheatexchangerapplications.themaximumheatexchangeefficiencycanreach14000w/m

31.2

152.15

一、问题重述2设计题目年产吨合成氨厂变换工段换热器的机械设计

1.1已知条件3000（）气体平均压力

1.2管程半水煤气（绝压）；壳程变换气（绝压）；1（）半水煤气进口温度，出口温度；变换气进口温度，出口温

0.7mpa

0.6mpa度2180℃370℃400℃（）由工艺计算求得换热面积为220℃

二、计算3130m2管子数换热管选用的无缝钢管，材质为号钢，换热管的长度推荐采用，

2.1nΦ32×320，

1.0，

1.5，

2.0，

2.5，

3.0，

4.5，

6.0，

7.

59.0，本次设计选取管长为米管子的当量直径为

12.0m3换热面积dn32329mm

0.029m根考虑到换热过程中的各种热量损a dnln失，圆整确换热管数量根n a

130475.877dnl

0.0293管子的排列方式，管间距的确定n=476换热管的排列方式采用正三角形排列，换热管中心距不宜小于倍的换热管外

32.2径，由《管壳式换热器表》中表可知换热管外径时，换

1.25热管中心距查表得六角形层数为层，六角形对角线上的管子数为gb151-199912d32mm个s40mm12换热器壳体直径的确定25壳体内径（）

2.3换热管中心距，；di sb12l正六角形对角线上的管子数，个；s——s=40mm最外层管子的中心到壳体边缘的距离，取；b——b=25（）（）l l=2d选取壳体内径换热器壳体壁厚的计算（不用改）壳体材料选取di sb12l3225122321088mm，已知壳体承受压力为，设计压力应该取大于取设计压力mm di

11002.4，设计温度取，设壁厚在之间，a3r

0.68mpa

0.68mpa此时材料的许用应力；钢板宽度在时，材料的允许pc1mpa400℃3-16mm负偏差；对于碳素钢，腐蚀裕量不小于，取；焊接t[]106mpa2500-4000mm接头形式为单面焊对接接头，局部无损检测，焊接接头系数此时筒体的计c1=-

0.8mm c21mm c2=2mm算厚度Φ=

0.8实际所需厚度pcdi11100c

6.524mmt2[]pc

21060.81所以材料的名义厚度可以圆整取4c c1c

29.324mm换热器封头换热器封头的选择10mm上下封头均选择标准椭圆形封头，封头材料选，根据标

2.5a3r jb/t4746-2002，准，以内径为基准，封头公称直径封头厚度也取，曲面高度下图，查表可知封头总高度mm dndi1100封头结构如10mm h1di275mm封头法兰的选择h300mm4，的材料选择，根据，选用榫槽

2.6密封面长颈对焊法兰，其规格尺寸如下图mm pn

1.6mpa16mn jb/t4703-2000dn1100管板尺寸的确定选用固定式换热器管板型，管板与壳程圆筒连为整体，期延长部分兼做法兰，与

2.7管箱用螺柱、垫片连接；管板材料选用单管程（延长部分兼作法兰固定管e板换热器管板，管板周边布管区较窄（管板周边布管区无量纲宽度），假16mn定管板厚度为，管子加强系数为，则k

1.0式中（）10mm k壳程圆筒内径，；k

1.3182di etna1管板计算厚度，；ep ldi——mm管子根数；——mm一根换热管管壁金属的横截面积，；n——管板刚度削弱系数，取；a——mm2管子有效长度，——=

0.4；l——管子设计温度下的弹性模量，；m管板设计温度下的弹性模量；ei——gpa（）式中6ep——gpa管板布管区当量直径，；dt4at2管板布管区面积，dt——mm式中at——mm2管板布管区的当量直径与壳程圆筒内径之比dtt di对单管程换热器，三角形排列时t——（）式中at

0.866ns2na n t d t管间距，；管子壁厚，；s——mm管子外径，（）式代入（）式中得t——mm（）式代入（）式化简得d——mm42在实际设计工作中，（）（）且知d4att

1.05sn603所以，由（）得（），，即（）（）

1.05snt dik k1t8k

1.0（）（）8k

11.0t

1.01t k3（）45（）6（）由（）代入（）中，经化简得7（）（）由已知条件计算得991（）n td tetdi

22.38931t4epl10，管板设计温度为时，管子材料为钢，弹性模量n476t

1.05s

1.

05400.833材料为，弹性模量（）（）di1100gpa400℃20ei187gpa（）（）16mn ep185ntd tetdi

22.38931t4epl

244763323187110010.833所以管板的最小有效厚度为取管板的有效厚度，并且将管板

2.

3893185300023.587mm延长部分作为法兰和封头法兰配合形成榫槽面密封结构，则其他尺寸如下图所示

23.587mm.40mm管子拉脱力计算管子和管板采用开槽胀接的方式连接，管板厚度大于时，需要开二个

2.8槽开槽，换热管外径为时，查表可知开槽深度，管子伸出段长度825mm为，具体结构如下图所示32k=

0.6mm拉脱力计算4+2mm管子壳体材质号钢20a3r

11.

810611.8106尺寸管字数根；管间距；e210gpa210gpa管壳壁温差；3233000110010476s40mm管子与管板连接结构开槽胀接；胀接长度t50cl44mm（）在操作压力下，胀接周边所产生的应力1qp式中qp padl（）（）a

0.866s2d

0.

86640103244321035.818104m2p

0.7mpa（）（）在l

0.044m温差应力作用下，胀接周边所产生的应力pa

0.

75.818104qp

0.0945mpa3dl

32100.0442（）qt式中qt r d2di24dl（）r e tt ts1atas（）（）（）as dn

1.

110.

013.48510-2m2at rd2di24ett ts1atasn

0.

03220.

026247640.130m2（）（）（）

11.

81062101095026.190mpa与的作用方向相同，则

10.

1300.03485rd2di

226.

191060.

03220.0262qt

1.656mpa4dl

40.

0320.044qp qt查表知碳素钢在开槽胀接时许用拉脱应力由于，拉脱力q qpqt

0.

09451.

6561.751mpa在许用范围内[q]4mpa q[q]4mpa折流板设计折流板为弓形，查表可知折流板的名义外径

2.9折流板高度（）（）范围内，d dn6110061094mm取h dn

0.

20.45dn

0.

550.8dn605880mm查表知公称直径为时，折流板的厚度h850mm折流板的间距一般不小于圆筒内径的五分之一，换热管外径为时，钢管的最101100mm8mm大无支撑跨距为，在此范围内取折流板间距，则折流板数量为32个2200mm l600mm4查表知，在间距时，折流板管孔直径取折流板结构如下图l600mm900mm d

0.70拉杆、定距管

0.30常用拉杆形式有两种

2.10（）拉杆定距管结构，适用于换热管外径大于或等于的管束，；（）拉杆与折流板点焊结构，适用于换热管外径小于或等于的管束由于119mm l2la本次设计所用换热管外径为，故采用拉杆定距管结构换热管外径为214mm时，查表得对应的拉杆直径；圆筒公称直径为，查得拉杆32mm32数量为根，，，，拉杆长度根据结构所需来确定，dn16mm dn1100mm拉杆结构如下6la20mm lb60mm b2mm拉杆定距管结构以及和管板的连接方式如下图所示拉杆应尽量均匀布置在管束外缘，在布管区内或靠近折流板缺口处应布置适当数量l2la的拉杆，任何折流板应不少于个支撑点合理布置完拉杆后，根据结构得出定距管数量为根3波形膨胀节的计算18根据标准，选用一个型（立式）波形膨胀节，材料，其

2.11壁厚按下列两式计算，选用二者中较大值gb16749-1999zdl q235（）1水压水压ex exdi

1.1p ctfs12p

1.

250.

70.875mpa f1s300170mpa，由表查得，水压c

0.25（）di ex

0.7ex

0.990ex

0.103dex

1.1p（）水压

1.

10.875ex exdic

0.

10311000.

258.8mmtf s11702（）ex

0.21dex di

1.1p ctfsdidex

1571.429mm

0.7ex

0.21取波形膨胀节的厚度与壳体厚度一样，即为，按下式进行应力

1571.

42911001.

10.

8750.

258.184mm校核1170ex10mm（）（）（）（）ex

0.8qk1ex[]n ex c3el tttsexqk

0.06ex1ex（）di2nex

11.

81062101093500.

0130.

060.

99010.7（）

1.112（）

54128.892n

0.8qk1ex（）

0.

854128.

8920.3ex

43.521mpa[]n22exc

3.14故膨胀节厚度符合要求，查表知膨胀节尺寸如下图所示

0.

010.00025[]n

1.5[]

1.

5127190.5mpa接管法兰的选择变换气进口选的接管，根据法兰标准，，

2.12的对焊接管法兰，半水煤气选的接管，，35610jb/t4703-2000pn=

1.6mpa的对焊接管法兰，材料为钢结构尺寸如下图所示dn=350mm32510pn=

1.6mpa开孔补强dn=300mm20容器开口需要补强，常用的结构是在开口外面焊上一块与容器器壁材料和厚度都相

2.13同，即的钢板，查表可知补强结构尺寸，见下图封头法兰垫片10mm a3r由于封头法兰所选的是长颈对焊法兰，采用榫槽密封面密封，故垫片选用适用于长

2.14颈对焊法兰的缠绕垫片中的基本型垫片，根据标准，其结构尺寸如图所示jb/t4075-2000底座本次设计的换热器圆筒公称直径在～范围内，圆筒长度与公称直径

2.15之比小于，容器总高度小于，故采用结构简单的支承式支座中的型支8004000mm l座即可，根据支承式支座标准，其结构尺寸具体见装配图dn510m bjb/t

4712.4-2007

三、课程设计小结15三周的机械设计使我们认识到了作为一名工程技术人员需具备的素质，扎实的专业知识和较宽的知识面，我们设计者之间团队的重要性，三周的时间里的能够让我们学到很多很多的实际性的知识，怎样才能在这三周里更好的运用学的知识来完成设计任务呢这无疑让我们有时间做一个理性的思考把所学的知识在这次设计中和自己的想法结合起来并在自己的设计中形象而生动的表现出来，我认为此次课程设计是我们走向工作的前奏也算是对个人的一个实践性的训练课程设计是我们专业课程知识综合应用的实践训练，着是我们迈向社会，从事职业工作前一个必不少的过程千里之行始于足下，通过这次课程设计，我深深体会到这句千古名言的真正含义我今天认真的进行课程设计，学会脚踏实地迈开这一””步，就是为明天能稳健地在社会大潮中奔跑打下坚实的基础通过这次换热器设计，本人在很方面都有所提高综合运用本专业所学课程的理论和生产实际知识，行一次设计工作的实际训练从而培养和提高学生独立工作能力，巩固与扩充了课程所学的内容，掌握换热器设计的方法和步骤，掌握换热器的基本技能，提高了计算能力，绘图能力，熟悉了规范和标准，同时各科相关的课程都有了全面的复习，独立思考的能力也有了提高在这次设计过程中，体现出自己单独设计机械的能力以及综合运用知识的能力，体会了学以致用、突出自己劳动成果的喜悦心情，从中发现自己平时学习的不足和薄弱环节，从而加以弥补在这段时间里我们通过彼此之间的相互合作，交流学习，了解了许多新知识，尤其对化工机械设计有了系统的掌握但由于时间有限，学习心得不够深刻，还不能对所学的知识达到熟练的运用，这就需要我们在今后的工作中有待学习和提高由于本人的设计能力有限，在设计过程中难免出现错误，恳请老师们多多指教，我十分乐意接受你们的批评与指正，本人将万分感谢参考资料《过程设备设计》主编郑津洋董其伍桑芝富化学工业出版社《过程设备工程设计概论》主编陈庆邵泽波

1.化学工业出版社《换热器》秦叔经叶文邦

2010.

62.化学工业出版社《冷换设备》《压力容器设计标准汇编》

2008.

13.主编刘巍

2002.

124.

5.中国石化出版社第四篇固定管板式换热器整体结构设计山东建筑大学毕业设计说明书2003固定管板式换热器整体结构设计换热器类型的选择2两流体温度变化情况热流体进口温度，出口温度；冷流体（循环

2.1水）进口温度，出口温度该换热器用循环水冷却，冬季操作时进口温140℃40℃度会降低，考虑到这一因素，估计该换热器的管壁和壳体壁温之差较大，因此初步30℃40℃选定带膨胀节的固定管板式换热器换热器内流体流动空间及流速的确定由于循环冷却水较易结垢，为便于水垢清洗，应使循环水走管程，油品走壳程选

2.2用的碳钢管，管内流速取冷热流体物性数据的确定

252.5i

0.5ms

2.

2.1定性温度可取流体进口温度的平均值壳程油的定性温度为管程流体的定性温度为t14040290℃根据定性温度，分别查取壳程和管程流体的有关物性数据油在下的有关物t3040235℃性数据如下密度90℃㎏定压比热容（㎏）导热系数0825/m3（）粘度cp

02.22kj/·℃循环冷却水在下的物性数据如下密度

00.140w/m·℃㎏定压比热容i

0.000715pa s35℃（㎏）导热系数0994/m3（）粘度cp

04.08kj/·℃

00.626w/m·℃山东建筑大学毕业设计说明书i

0.000725pa s总传热系数的计算（）热流量

2.

2.2（）（）（）平1均传热温度q0m0cp0t

060002.

22140401.32106kj

366.7kw2（）（）（）冷却水用量tt1t2ln t1t2140404030ln14040403039℃（）（）3（）总传热系数i q0cpi ti

13200004.08403032353kg/h管程传热系数4kre diuiiui

0.

020.

59940.

0007250.803670（）（）i

0.

0230.023idiui idiui cpuii

0.

80.4（）（）（）

0.

6260.

020136704.

082.

61750.

40.626壳程传热系数=2731w/m2·℃假设壳程的传热系数（）污垢热阻0290w/m2·℃管壁的导热系数（）；rsi

0.000344m c/wrso

0.000344m c/w22山东建筑大学毕业设计说明书45w/m c1d kidi rsiddi bddi rs

110.

00250.

025450.022512（）传热面积的计算

900.

02527310.

0200.

0003440.

0250.020（）

0.

000172219.5w/m c

22.3考虑的面积裕度s qktm

366.

7103219.

53942.8m（）215%工艺结构设计s

1.15s

1.

1542.

849.2m（）管径和管内流速

22.4选用传热管（碳钢），取管内流速（）管程数和传热管1数

252.5ui

0.5m/s2依据传热管内径和流速的确定单程传热管数（）（根）按单程管计算，所需的传热管长度为ns v4232353/

99436000.

7850.

020.

5257.658（）diu按单管程设计，传热管过长，宜采用多管程结构先取传热管长，l s

49.

23.

140.

0255810.8m则该换热器管程数为（管程）d nsl=6m传热管总根数（根）（）平均传热温差校正及壳程数平均传热温np ll

10.862差校正系数n5821163山东建筑大学毕业设计说明书r1404040304按单壳程，双管程结构，温差校正系数应查有关图表但的点在图上难以读403014030p

0.091出，因而相应以代替，代替，查同一图线，可得r=101/r rpr p平均传热温差t

0.82（）（）传热管排列和分程方法tm ttm

0.823932c采用组合排列法，即每程内均按正三角形排列，隔板两侧采用正方形排列取管心4距，则（）横过管束中心线的管数t

1.25dt

1.

252531.2532mm（根），其排列形式如图所示图换热管排列形式nc

1.19n

1.

19116132.1（）壳体内径

2.1采用多管程结构，取管板利用率，则壳体内径为5（）

0.7圆整可取（）折流板d

1.05tn/

1.0532116/

0.

7432.5mm采用弓形折流板，取弓形折流板圆缺高度为壳体内径的，则切去的圆缺高度d450mm6为（），故可取25%取折流板间距，则h

0.

25450112.5mm h110mm（）可取为b

0.3d山东建筑大学毕业设计说明书b

0.3450135mm b150mm折流板数传热管长折流板间距（块）但考虑到实际情况，换热管还要和管板装配，管板有一定厚度，且壳体还需要装接nb16000150139管，所以取块折流板，中间的折流板距离不变，仍为，两边各去掉一块，使换热管有足够的长度和管板装配37150mm折流板圆缺面水平装配（）接管壳程流体进出口接管取接管内油品流速为，则接管内径为7u

1.0m/s（）（）取标准管径为d4v46000/

36008253.

141.

00.051m管程流体进出口接管取接管内循环水流速，则接管内径为u50mm（）（）u

1.5m/s取标准管径为d432353/

36008253.

141.

50.088m取双管程单壳程的结构，查手册各种标准，应选取根换热管，这样排管合80mm适，又满足了热量交换要求换热管束布局如图所示126图换热管排列形式

2.2山东建筑大学毕业设计说明书

2.2膨胀节的设计在固定式换热器中，因壳程流体与管程流体之间具有温差，而壳体和换热管均与管3板固定连接，在使用中会引起壳体和换热管之间的膨胀差，造成壳体和换热管受到轴向载荷，避免壳体和换热管拉伸破坏、换热管失稳、换热管从管板上拉脱的方法有多种，如选用型管换热器、浮头式换热器等，上述两种方法补偿应力大，但制造较复杂，费用高在应力不大的情况下可选择在壳体中间设置一个变形补偿元u件膨胀节以降低壳体与换热管的轴向载荷膨胀节除了位移补偿的作用外，还同时兼有减震降噪和密封的功能——判断是否需要设置膨胀节分别计算筒体及换热管上所产生的应力，以及换热管与管板连接的拉脱力，当应力

3.1或拉脱力超过许用峰值时，则必须设置膨胀节（）筒体上产生的应力1式中壳体和换热管之间的温差所产生的轴向力，c f1f2fs3[]cmpat f1——mpa壳程和管程压力作用于壳体上的力，f1fsesftetfses ftetf2—mpa换热管与壳体的热膨胀变形差f2qfsesfses ftet（）（）—壳程壳体壁金属横截面积，t ttt0s ttt0fs—mmft换热管管壁金属横截面积，壳程壳体材料弹性模量，换热管材料弹性模量，2—mm2换热管材料线膨胀系数，es—mpaet—mpa山东建筑大学毕业设计说明书t—℃-1壳体材料线膨胀系数，沿长度平均的换热管金属温度，沿长度平均的壳体金属温度，制s—℃造环境温度，tt—℃ts—℃t0—壳程与管程压力产生的力，（）（）℃换热管外径，筒体内径，壳程设计压力，-1q—n4di nd0ps22q4nd02tt pt2管程设计压力，d0—mmdi—mmps—mpapt换热管管壁厚度，换热管根数—mpa壳体材料在设计温度下的许用应力，tt—mmn—（）换热管上产生的应力[]c—mpat2当时，t f1f2ft时，t0t3[]tt式中换热管材料在设计温度下的许用应力，t0t[]cr换热管稳定许用压应力，[]tt—mpa（）拉脱应力[]cr—mpa3式中一根换热管管壁金属横截面积，q tad0l3[q]山东建筑大学毕业设计说明书a—mm7换热管与管板焊接高度，许用拉脱力，l—mm[q]—mpa计算过程及结果[q]

0.5[]tfs23522252214451mm2（）mm2ft

12.510（）

12622264.22es

2.0（110et）

2.01105mpampa5t

10.8106℃-1℃-1s

12.510tt=35℃ts=90℃t0=20℃q

644502126250.

31.

25241262550.

41.

2556211.252d0—25mmdi—450mmps—

0.375mpapt（）（）—

0.5mpatt—

2.5mmn—

12610.

8106352012.5106690207131056f

17131014451.

22.

011022264.

22.

0110555144512.01102山东建筑大学毕业设计说明书

2264.

22.

01101255887.4mpaf

256211.

3144512.

0110555144512.

011022264.

22.

01101255887.

422087.

5144511255887.

422087.

585.37mpa

22087.5mpact

57.4mpa

22264.

257.

4176.7q

51.68mpa经计算的应力小于需要设置膨胀节的要求，但由于所选的系数较小，且壳程和管程

3.

14252.5的温度相差较大，为保证其在冬季工作时不致因为过大得温差导致应力过大引起损坏，综合考虑，需要设置膨胀节本设计选用型膨胀节，如图所示型膨胀节示意图图u

3.1膨胀节结构尺寸

3.1u膨胀节的设计

3.2根据中的规定，壳程液体流速，所以不需

3.2要设置内衬套壳程液体流速不大，压力不高，选取单层、厚壁、大波高、大波距gb

1674919970.137m/s

3.04m/s的型膨胀节膨胀节型号（）（），如图所示u山东建筑大学毕业设计说明书zdw a

0.31101c

3.2固定管板式换热器三维造型设计4换热器的固定管板建模

4.1固定管板是换热器很重要的组成部分，其主要作用是固定换热管束、连接壳体并且兼做法兰和管箱连接材料用钢，上面的板孔数为，板孔正三角形排列，Ⅱ级管束，板孔直径共有个的螺栓孔和的螺栓配合45128其建模过程也较复杂先在二维草图上画出圆柱轮廓，再选择柱体上的一个面作为d=

25.8mm2418m16草图，进行换热管孔的绘图，先画出上半部分草图，再用镜像命令复制出下半部分，综合运用拉伸、除料命令，最后的效果图如图所示图固定管板模型

4.1换热器的换热管束建模

4.1换热管是换热器工作的核心，其材料用的无缝钢管，尺寸管长

4.2，根正三角形排列，管程数是，壳程为其建模过程比较简单q

235252.5换热管的排列形式要和固定管板上的换热管孔一致，这样才能进行装配首先按照6000mm12821固定管板上的孔的排列形式画出管束孔，再在原来孔的基础上画出比原孔直径小的孔，完成山东建筑大学毕业设计说明书5mm草图用拉伸命令拉伸出换热管的长度如图所示图换热管束模型

4.2换热器的管箱法兰建模

4.2法兰的作用主要是连接管箱和固定管板，材料为钢，其上的螺栓孔和固定管板

4.3上的螺栓孔的大小规格和排列方式一致管箱法兰由于是圆周对称结构，所以只画45出其剖面二维草图，再进行旋转拉伸出实体即可上面的螺栓连接孔可以只画出一个，然后用镜像命令圆周镜像出如图所示换热器的折流板建模

4.3折流板主要作用是改变壳程液体的流向和支撑换热管束，用钢即可满足强度、

4.4刚度要求为在停止工作时排除壳程内残留液体和在换热过程中伴随有气相产生或45在不工作时排除不凝性气体，在折流板顶部和底部需设置缺口，缺口角度为上面的管孔位置和固定管板上的一一对齐，Ⅱ级管束，板孔直径其周90°围三个的孔是穿过拉杆的，折流板建模比较简单，在二维草图上画出管孔d=

25.8mm位置，用拉伸命令即可如图所示

16.4山东建筑大学毕业设计说明书

4.4图管箱法兰图折流板模型

4.3山东建筑大学毕业设计说明书

4.4换热器的膨胀节建模膨胀节受到拉伸应力作用，必须有足够的强度和韧性，选用膨胀节建模如

4.5同管箱法兰，由于是圆周对称件，所以只画出其剖面二维草图再用旋转拉伸命令即q235a可由于壳体内液体流速，根据中的规定，不需要设置内衬套如图所示

0.137m/s

3.04m/s gb167491997图膨胀节模型

4.5换热器的其它零部件建模

4.5椭圆封头、壳体、接管等的建模都比较简单，都是最基本的拉伸、除料命令，在这

4.6不一一详解，如图～所示，椭圆封头的尺寸按《椭圆形封头》的规定标准，其长短轴的比值为与壁厚相等的筒体连接时，椭圆封头可以

4.

64.8jb/t47371995达到与筒体等强度2山东建筑大学毕业设计说明书图接管模型图壳体模型

4.6山东建筑大学毕业设计说明书

4.7图椭圆封头模型换热器的装配体生成换热器的装配模式

4.8零部件装配的过程，就是确定装配体中各组成零部件如何连接的过程零部件之间

4.

74.

7.1的连接关系即为装配关系装配体是在一个文件中两个或多个零件的组合用户可以使用配合关系来确定零部件的位置和方向，可以自下而上设计一个solidworks装配体，也可以自上而下地进行设计，或者两种方法结合使用所谓自下而上的设计方法，就是先生成零部件并将其插入到装配体中，然后根据设计要求配合零部件该方法是比较传统的方法，因为零部件是独立设计的，所以可以让设计者更加专注于单个零部件的设计工作，而不用建立控制零部件大小和尺寸的参考关系等复杂概念自上而下的设计方法是从装配体开始设计工作，用户可以使用一个零部件的几何体来帮助定义另一个零部件，或生成组装零部件后才添加加工特征可以将草图布局作为设计的开端，定义固定的零部件位置、基准面等，然后参考这些定义来设计零部件零部件设计完成之后，可根据要求进行零部件装配零部件之间的装配关系实际上就是零部件之间的位置约束关系可以把一个大型的零部件装配模型看作是由多个子装山东建筑大学毕业设计说明书配体组成，因而在创建大型的零部件模型时，可先创建各个子装配体，子装配体完成后，再将各个子装配体按照它们之间的相互位置关系进行装配，最终创建一个大型的零部件装配模型通过给装配体添加约束关系，可以使零部件之间精确地进行定位，从而将各个单独得零件组合成所需要的装配体提供了六种装配体约束类型重合、平行、垂直、同轴心、距离、角度solidworks生成装配体的基本条件进行零件装配时，必须合理选取第一个装配零部件第一个装配零部件应满足如下

4.

7.2两个条件一是整个装配体模型中最为关键的零部件；二是用户在以后的工作中不会删除该零部件零部件的装配步骤如下（）建立一个装配体零件（），进入零件装配模式；（）调入第一个零件模型默认情况下，装配体中第一个零件是固定的，但是用

1.sldasm户可以随时将其解除固定；2（）调入其它与装配体有关的零件模型和子装配体；（）分析零件之间的颚装配关系，并建立零件之间的装配关系（）检查零部3件之间的干涉关系；45（）全部零件装配完毕后，将装配体模型保存换热器的管箱装配图生成6管箱装配体主要由椭圆封头、管箱法兰和接管组成，管箱法兰作为第一个零件固

4.

7.3定，然后调入接管和椭圆封头，装配过程中接管和管箱法兰的其中一个螺栓孔要对齐，因为下面的装配中法兰还要和固定管板用螺栓连接，否则会产生干涉同样两接管法兰的螺栓孔也要一一对齐其装配完的结构如图所示换热器管束与管板的装配

4.9管束与管板的装配是比较重要的装配结构，需要精确的对中性，如果对中不够准

4.

7.4确，就会产生干涉，使下一级装配无法进行或装配错误另外，两块折流板间的距离要保持的准确性，如果有偏差，再装定距管和拉杆时就会产生干涉，导致整个换热管束和折流板的装配错误其完整装配如图所示150mm山东建筑大学毕业设计说明书

4.10图管箱装配体

4.9图换热管与折流板装配体换热器壳体与膨胀节的装配壳体与膨胀节装配比较简单，把壳体作为第一个零件，只要和膨胀节同轴，面面重

4.

104.

7.5山东建筑大学毕业设计说明书合即可，其装配如图所示图壳体与膨胀节装配体

4.11换热器的总体装配图生成

4.11总装配体是由各个子装配体装配而成，把壳体与膨胀节的装配作为第一个装配体固

4.

7.6定，其它的装配体如管箱、封头、换热管束等都往第一个装配体上装配在装配过程中要注意的是管箱接管和壳体上的接管要平行对齐，否则螺栓孔就不能完全对齐，出现偏差，导致错误最后完整的总体装配如图所示图整体装配图

4.12至此，换热器的各个零部件建模及装配体的装配过程已经完成装配过程中要注意

4.12山东建筑大学毕业设计说明书的问题是当两个面配合时一定要平行，否则就会产生干涉，使后面的步骤无法进行另外，本方案中换热管与固定管板的连接采用强度焊形式，其优点是制造加工简便，焊接结构强度高，抗拉脱力强，当焊接部分有泄漏，可补焊如需更换换热管，可采用专用刀具拆卸，比胀接管方便适用于压力和温度无限制，不适用于有较大振动及有间隙腐蚀的场合山东建筑大学毕业设计说明书总结与展望总结5本设计完成了对固定管板式换热器的选型、总体结构设计和变形补偿元件膨胀节、

5.1固定管板等的设计计算针对现代设计方法的特点，根据固定管板式换热器结构和尺寸的分析以及对其各个零部件参数的分析，按照参数化设计的要求，运用三维绘图软件对换热器的各个零部件建立三维参数化模型，存入模型数据库中需要建立的模型包括封头、筒体、管板、筒体法兰、接管、接管法兰、膨胀solidworks节、折流板、换热管等基于三维绘图软件的换热器计算机辅助设计（、等）不仅节省大量人力、物力，提高设计过程的效率，而且全改变以往单纯的手工计算和二维solidworks solidedge绘图设计，使换热器的设计过程提高到了完全计算机计算和绘图，增强了设计过程中零部件和换热器最终装配的可视化，方便了换热器需求方和设计方在设计过程中的交流和产品优化本设计较好的完成了设计任务的规定要求，达到了生产制造的条件，但设计过程中也有不足之处（）方案设计初期，只考虑了设计的可行性，忽略了加工制造的难度，导致设计的一些零部件无法加工，不得不重新设计，浪费了大量的时间和精力1（）设计中过分考虑安全因素，某些结构参数设置过大，导致材料用量增加，这样虽然保证了刚度、强度，却增加了制造成本，使综合的性价比有所下降2展望目前工业装置中管壳式换热器的用量占全部换热器用量的管壳式换热器结

5.2构有较大的改进和发展，从原来传统的弓形隔板加光滑管的结构，发展为其它类型70%的管间支撑物加强化管的结构，由于这些结构上的改进，使得管壳式换热器的传热与流体阻力性能有了明显的改善，加上本身固有的优点，如耐高温、耐高压、结构简单和清洗方便等，使得管壳式换热器在激烈的换热器竞争中得以生存和发展在设计方面，新的设计方法和设计手段不断出现随着计算机技术的发展，计算机辅助设计法（）和基于计算流体动力学（）和数值传热学的设计方法将成为本世纪管壳式换热器的主要设计方法新型材料的使用，使换热器朝着强度高、制cad cfd造简单、防腐效果好、重量轻的方向发展最近几年，具有代表性的高效换热器和强化传热元件不断出现，如板翅式换热器、大型板壳式换热器和强化沸腾的表面多孔管、形翅片管、强化冷凝的螺纹管和锯齿管t山东建筑大学毕业设计说明书等，社会效益非常显著，大大缓解了能源的紧张状况总之，在今后的设计中要综合考虑各方面的制约因素，要注意技术创新与改进，但也不能忽略安全性和经济性故在设计中，应在考虑安全性的前提下在一定的范围内体现其经济性，这也就是设计所要达到的最终目标第五篇板式换热器容积式换热器技术要求板式换热器容积式换热器技术要求21

一、技术标准投标产品应符合（但不仅限于）如下标准及现行国家、地方、厂家、各政府部门的各种规范、法规、规定中的相关要求板式换热器钢制压力容器

1.gb16409-1996钢制管壳式换热器

2.gb150-

983.gb151-89压力容器安全检查规程（国家劳动总局颁发）优质碳素结构钢技术条件

4.压力容器用碳素钢及不同低合金钢热轧厚钢板

5.gb699-88压力容器法兰

6.gb6654-96

二、

7.jb4701~4702-

921.

2.板式换热器技术要求采暖热负荷高区供热负荷为，低区供热负荷为

3.；一次水供回水温度为，二次水供回水温度；工作

4.5970kw压力高区，低区；材质要求传热板片采用不锈钢，密7613kw125℃/65℃85℃/60℃封胶垫采用三元乙丙橡胶或等效的其他材料

1.6mpa

1.0mpa sus304

三、立式即热式容积式换热器技术要求生活热水热负荷高区生活热水负荷为，低区生活热水负荷为；

1.2200kw一次水供回水温度冬季，夏季；高低区生活热水供回水4000kw温度；

2.125℃/65℃70℃/40℃工作压力高区，低区；55℃/12℃材质要求壳体采用，换热管采用不锈钢波节管或性能等效的其他材料

3.

1.6mpa

1.0mpa

四、

4.16mnr

1.

2.设计选型参数（供参考）高区采暖板式换热器，台，，；

3.低区采暖板式换热器，台，，；高区立式即热式容积式换

4.2f=

45.65m2q=4179kw热器，台，，；低区立式即热式容积式换热器，台，，2f=

57.75m2q=5329kw；2f=46m2v=5m33f=46m2

五、其他要求v=5m3换热器的设计和制造采用的零件、标准件等均应按照国家标准和相关部标验收；供方应向需方提供有关换热器试验报告和完整的质量保证书；

1.

2.需提供选型报告，并提供换热器各组件的材质；供方提供的产品需确保能满足安装使用要求并能通过热力集团有关部门的验收

3.

4.。