固定管板式换热器本科论文.doc

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1、毕业设计（论文）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之间流动，以达

2、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

3、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第5.1节 壳体、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

4、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-47参考文献-48致谢-49符号说明符 号意 义单 位t许用应力MPat计算应力MPaC厚度附加量mmC1钢材厚度偏差mmC2腐蚀裕量mmDi圆筒内直径mmPwt最大允许工作压力MPaPc计算压力MPaE材料的弹性模量Pa焊缝系数计算厚度mm d设计厚度mmn名义厚度mm e有效厚度mmm垫片系数mmye比压力MPa A补强截面积mm2B补强有效宽度mmF压力NK椭圆

5、形封头形状系数M力矩N.mm前言换热器设备是化学工业、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

6、老师给予指教。第一章 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)、热管式换热器、直

7、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，特别是能承受高温和高压等特点，所以管壳式换热

8、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，必须考虑许多因素，例如传热条件、材料、介质

9、压力、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

10、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，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

11、是否有足够的腐蚀裕度。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：18090工 作 温 度:16085设 计 压 力：0.6MPa0.7Mpa工 作 压 力：0.54Mpa0.65Mpa焊 缝 系 数：0.850.85腐 蚀 余 量：1mm换 热 面 积：35M2第2.2节 估算设备尺寸2.2.1 计算传热管数NT拟用传热管规格为25x2，管长L2000mm，传热管数NT为式中符号： 换热管外径。mm 所需换热面积。L 换热管长。 M 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

12、t=1.3do t=1.3x25=32(mm) 横过管束中心线的管数 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D600mm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

13、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

14、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。图3.1.1 管子的排列方式管板上两传热管中心距离称为管心距，管心距的大小主要与传热管和管板的连接方式有关，此外还要考虑到管板强度和清洗管外表面时所需的空间。根据GB151-1999 规定管心距为32mm。第3.2节 折流板列管式换热器的壳程流体流通截面积大，在壳程

15、流体属对流传热条件时，为增大壳程流体的流速，加强其湍动程度，提高其表面传热系数，需要设置折流板。折流板有横向折流板和纵向折流板两类，单壳程的换热器仅需设置横向折流板，横向折流板同时兼有支承传热管，防止产生振动作用。管壳式换热器常用的有弓形和盘环形。在弓形折流板中，流体在板间错流冲刷管子，而流经折流板弓形缺口时是顺流经过管子后进入下一板间，改变方向，流动中死区较少，比较优越，结构比较简单，一般标准换热器中只采用这种。盘环形折流板制造不方便，流体在管束中为轴向流动，效率较低。而且要求介质必须是清洁的，否则沉淀物将会沉积在圆环后面，传热面积失效，一般用于压力比较高而又清洁的介质。因此，采用单弓形折流

16、板。3.2.1折流板的主要几何参数根据GB151-1999弓形折流板圆缺大小用切去弓弦高占圆筒内直径的百分比来确定，单弓形折流板缺口弦高h值，宜取0.20-0.45倍的圆筒内直径,取系数为0.25，切去圆缺高度h=0.25x600=155mm3.2.2 折流板与壳体间隙折流板外周与壳体内径之间的间隙越小，壳程流体介质在此处的泄漏越小，使传热效率提高，但间隙越小，给制造、安装带来困难。选取折流板名义外直径D=DN-8=600-3=597mm。3.2.3 折流板厚度折流板厚度与壳体直径、换热管无支承长度有关，其厚度根据参考选取5mm。3.2.4 折流板的管孔、折流板的管孔直径和公差 按GB151-

17、99规定，级管束换热器折流板管孔直径d+0.4=25+0.4=25.4mm，及允许偏差、管孔中心距 折流板上管孔中心距（包括分程隔板处的管孔中心距）t=32,公差为相邻两孔 ，任意两孔 1.00mm管孔加工 折流板上管孔加工后两端必须倒角0.5X45。3.2.5 材料的选取设计温度180和设计压力P0.6MPa,根据GB150-1998选取Q235-B钢板，它的适用范围：容器设计压力P1.60MPa；钢板使用温度为035；用于壳体时，钢板厚度不大于20mm；不得用于液化石油气介质以及毒性程度为高度或极度危害介质的压力容器。Q235-A.F和Q235-A钢板技术要求低，钢板质量差，以往因钢材供应

18、情况的限制，不得不采用。线技术要求较高的Q235B已大量生产。从标准的技术合理性、压力容器的使用安全性以及钢材供应的可能性等方面综合考虑，2002年7月1日起，在现有国内规范中取消了Q235A.F和A235A两种钢号。第3.3节 拉杆、定距管3.3.1 拉杆的结构形式折流板与支持板一般均采用拉杆与定距管等元件与管板固定，其固定形式有如下几种：1）采用全焊接方式，如图（c）拉杆一端插入管板并与管板焊接，每块折流板间距固定后与拉杆焊接固定。常用于拉杆与折流板为不锈钢结构或换热管外径14mm的管束。2）采用拉杆定距管结构，拉杆一端用螺纹拧入管板，每两块折流板之间的间距用定距管固定，每根拉杆上最后一块

19、折流板与拉杆焊接如图（d）；也有的是最后一块折流板用两个螺母锁紧固定，这种形式易于调节折流板之间夹紧程度，在穿进换热器后，各折流板处于相对自由状态，是列管换热器最常用的形式如图（b）。3）螺纹与焊接相结合，如图（a）拉杆一端用螺纹拧入管板，然后将每块折流板焊在拉杆上，同样不需要定距管，适于换热管外径14mm的管束。4）定距螺栓拉杆，如图（e）是靠一节节定距螺栓将折流板夹持而达定距及固定折流板的目的。定距螺栓分A、B两种形式，A型是与管板连接的定距螺栓，其两端均为螺栓，B型是两折流板之间采用的，其一端是螺栓，另一端是螺母，该结构安装简单方便，间距正确。 图3.3.1 拉杆的结构形式本装置的换热管

20、外径为25mm，换热器直径为600mm，根据上述所说选用拉杆定距管结构。3.3.2 拉杆直径、数量和尺寸1)、拉杆直径和数量 根据GB1511999规定，拉杆直径d10mm，拉杆数量为6根。2)、拉杆尺寸 如零件图3.3.3 拉杆的布置 拉杆应尽量均匀布置在管束的外边缘。拉杆位置占据换热管的位置，对于大直径换热器，在布管区的中心部位或靠近折流板缺口处也应布置适当数量的拉杆。第3.4节 防冲板为了防止壳程物料进口处流体对换热管表面的直接冲刷，引起侵蚀及振动，应在流体入口处装置防冲板，以保护换热管。设置防冲板时，壳程进出口处的流道面积为接管处圆筒脮表面与防冲板表面之间介质通过的面积；壳程进出口处设

21、置防冲板时，管束进出口处流道面积为折流板与管板或折流板之间距内换热管之间的通道面积减去防冲板的投影面积。防冲板在壳体内的位置，应使防冲板周边与壳体内壁所形成的流通面积为壳程进口接管截面积的11.25倍。根据GB151-1999规定，防冲板的固定形式有A） 防冲板的两侧焊在定距管或拉杆上，也可同时焊在靠近管板的第一块折流板上；B） 防冲板焊在圆筒上；C） 用U形螺栓将防冲板固定在换热器上。本装置采用防冲板焊在圆筒上。根据GB151-1999规定，防冲板的最小厚度：当壳程进口接管直径小于300mm时，对碳钢、低和金钢取4.5mm；对不锈钢取3mm。当壳程进口接管直径大于300mm时，对碳钢、低合金

22、钢取6mm；对不锈钢取4mm.本装置的壳程进口接管直径为150mm小于300mm，防冲板的材料为Q235B，它的厚度取4.5mm。第3.5节 接管3.5.1 接管的要求1)接管（含内焊缝）不应凸出壳体内表面，并在该部位打磨平滑，以免妨碍管束的拆装。2)接管应尽管沿径向或轴向布置，（4管程的例外）以方便配管与检修。3)设计温度在300以上时，不得使用平焊法兰，必须采用整体法兰。4)对利用接管（或接口）仍不能放气和排液的换热器，应在管程和壳程的最高点设置放气口，最低点设计排液口，其最小公称尺寸为20mm。5)操作允许时，一般是在高温、高压或不允许介质泄漏的场合，接管与外部管线的连接也可采用焊接。6

23、)必要是可设置温度计接口、压力表及液面计接口。3.5.2 接管高度（伸出长度）确定 接管伸出壳体（或管箱壳体）外壁的长度，主要考虑法兰形式，焊接操作条件，螺栓拆装，有无保温及保温厚度等因素决定。一般最短应符合下式计算值l h + h1 + + 15 (mm)式中：h接管法兰厚度，mm； h1接管法兰的螺母厚度，mm； 保温层厚度，mm； l接管安装高度，如图a、b图a 壳程接管位置 图b 管箱接管位置依据上述要求接管高度为：热水进口接管高度l=208mm, 热水出口接管高度l=208mm, 蒸汽进口接管高度l=208mm, 排凝出口接管高度l=208mm, 管箱排气口接管高度l=158mm,管

24、箱排污口接管高度l=158mm，壳程排气口接管高度l=158mm。3.5.3 接管位置最小尺寸 壳程接管位置最小尺寸见图a，按下式估算：无补强圈 L2do/2+(b-4)+C管程接管最小尺寸见图b，按下式估算：无补强圈 L2do/2+hf+C为考虑焊缝影响，一般取C3倍壳体壁厚且不小于50100mm。有时壳径较大且折流板间距也很大，则L1值在设计时尚应考虑第一块折流板与管板的间距，以使流体分布均匀。 （a ） ( b )依据上述要求接管高度为：热水进口接管L2=250mm, 热水出口接管高度L2=250mm, 蒸汽进口接管L2=250mm, 排凝出口接管L2=150mm。3.5.4 排气，排液

25、管为提高传热效率，排除或回收工作残液（气），凡不能借助其他接管排气，排液的换热器应在其壳程和管程的最高，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或管箱壳体内壁平齐。第3.6节 管箱管箱的作用是把由管道来的管程流体均匀分布到各传热管把管内流体汇集在一起送出换热器。在多管程换热器中，管箱还起到改变流体流向的作用。无论那种管箱，其管箱的最小内侧深度应当满足这样的要求：使连接双程间流体流动的横截面至少大于或等于单管程通过的截面。3.6.1 管箱结构形式（1）、A型（平盖管箱）如图（a）装有管箱平盖（或称盲板），清洗管程时只要拆开盲板即可，而不必拆卸整个管箱和与管箱相连的管路，缺点

26、是盲板结构用材多，且尺寸较大是得用锻件，耗费大量机加工时，提高制造成本，并增加一道密封的泄漏可能。一一般多用于DN3000mm时，取Ls=(0.5-0.7)Lc ）尽量使Lc和Lc相近如图所示第四章 换热器的机械结构设计第4.1节 传热管与管板的连接管子与管板的连接，在管壳式换热器的设计中，是一个比较重要的结构部分。它不仅加工工作量大，而且必须使每个连接处在设备的运行中，保证介质无泄漏及承受介质压力的能力。管子与管板的连接形式有强度胀接、强度焊接与胀焊接的混合结构。无论采用何种连接形式，度必须满足一下两种条件：连接处保证介质无泄漏的充分气密性；承受介质压力的充分结合力。强度胀接结构简单，换热管

27、修补容易。由于胀接管端处在胀接使产生塑性变形，存在着残余应力。不锈钢管与管板无论压力大小，温度高低，一般均采用焊接结构，目的是消除换热管与管板孔的间隙，从而消除间隙腐蚀。第4.2节 管板与壳体的连接管板与壳体的连接依换热器的结构形式分为可拆连接及不可拆连接。可拆连接主要用于浮头式，U型管式和填料函式换热器的固定端管板，不可拆连接在刚性结构换热器中采用，其两端管板的内侧面直接焊在壳体上，而根据两端管板的外测面连接形式又分为管板兼法兰和不兼作法兰。前者用于管侧介质压力及密封性能要求不高的场合即通常称为固定管板式换热器；后者多见于管侧压力很高或密封性能要求也高的高压高温换热器中，如合成氨系统中的废热

28、锅炉及合成换热器中。本设备选取了延长部分兼作法兰的管板。如图为常见的兼作法兰的管板与壳体连接结构，根据具体情况也可选用其他形式的结构。其使用压力及场合主要依据焊缝是否焊透及焊缝受力情况。可焊透结构及对接焊缝使用压力则较高，反之则较低，如图（a）为角焊缝，无论壳体其他环焊缝质量多高，可以采用对接双面焊，但是进行壳程强度计算时，只能依这里的焊缝为最薄弱环节取用焊缝系数。管板上开槽，是使壳体容易保证与管板对中，施焊方便，这种结构适于壳体板厚大于10mm，壳程压力Ps1MPa，不适宜用于易燃、易爆、易挥发及有毒介质的场合。图（b）、（c）形式的焊接质量可大大提高，因此适宜用在压力较高（Ps4MPa），

29、设备直径较大，管板较厚的场合。图（d）、（e）形式的使用压力更高，一般Ps4MPa。此时管板带有凸肩，其焊接结构性能已由角接变为对接，故承载能力更佳。在选定上述结构形式时，要特别注意壳程介质有无间隙腐蚀作用，则只能选择图（b）、（d）两种不带垫板的结构；若壳程节奏无间隙腐蚀的作用，应尽量选择带有垫板的存在间隙的结构形式，即图（c）、（e），它可以保证对接焊缝焊透，焊接质量更佳。至于管板上环形圆角则完全是为 减少应力集中。 图4.2.1 兼作法兰的管板与壳体的连接结构本设备直径较大，管板较厚，壳体介质无间隙腐蚀的作用，选择没有垫板的存在间隙的结构形式。第4.3节 管板与管箱的连接管板与管箱连接多

30、数是靠法兰连接，形式很多，随着温度，压力及耐腐蚀情况不同而异。在设计中应合理选择不同连接形式，对设备的制造，安全及节约材料有重要的意义。固定管板式换热器的管板与管箱法兰的连接形式比较简单，除了满足工艺上要求选择一定的密封面形式外，按压力、温度来选择法兰的结构形式。如图所示为三种最常见的固定管板换热器的管板与管箱法兰连接形式。图（a）的结构采用平面密封形式，适用于管程操作压力小于1.6MPa，且对气密性要求不高的情况下。图（b）采用榫槽密封面形式，适于气密性要求较高的场合，但具有制造要求较高，加工比较困难，垫片窄，安装不便等缺点，一般在中低压较少采用，当在较高压下采用时，法兰的形式应改用长颈法兰

31、。图（c）的形式时最常见的，法兰的密封面采用凹凸面形式，视压力高低，法兰形式可为平焊法兰，更多的为长颈法兰。根据本设备的气密性要求和为了加工方便，安装便利，采用下面的连接方式，法兰的密封面采用凹凸面形式，视压力高低，法兰形式可为平焊法兰，更多的为长颈法兰。 图4.3.1 固定管板换热器的管板与管箱的连接 第五章 换热器的强度设计与校核第5.1节 壳体、管箱的壁厚计算5.1.1 壳体 采用Q235-B，根据GB1501998在设计压力0.6MP和设计稳到180下的许用应力t=105MP,受压元件的焊接接头型式是双面焊对接接头或相当于双面焊的全焊透对接接头，其100无损检测下的焊接接头系数1.00，局部无损检测0.85，取1。公称直径Di=600mm,碳钢的腐蚀余量C21mm,钢板厚度负偏差C10.8mm5.1.2 管箱采用Q235B材料。根据GB150-1998,在设计压力0.7MPa和设计温度90下的许用应力t=113Mpa 焊接接头系数1，公称直径Di=600mm,腐蚀余量C21mm。第5.2节 法兰的强度校核5.2.1 管箱法兰1、垫片