1、换热器是进行热交换操作的工艺设备。广泛应用于化工、石油、石油化工、电力、轻工、原子能、造船、航空、供热等工业部门中。特别是在石油的炼制和化学加工装置中，占有非常重要的地位。固定管板式换热器的管束连接在管板上，管板与换热器壳体焊接。其结构设计简单、制造方便、能承受较高压力、造价低；但材料的利用率不高；本设计严格按照要求，主要对固定管板式换热器进行工艺计算，结构设计和强度计算，采用的方法分别为：根据两流体的温度变化情况和物料性质，选择换热器类型；再根据物料操作条件，估算换热器的传热面积，然后求出总传热系数K，核算传热面积；按照GB150-1998，分别对换热器的各个部分结构进行选择、设计；严格按照

　　2、GB151-1999，分别对封头、筒体、管板法兰进行强度计算和校核。然后再结合石油、化工、制药、食品等行业实际而进行优化设计，解决了换热器设计中多目标之间相互矛盾的问题，以及提高材料的利用率，增强换热效果，节省了材料。本换热器适用性强，用途广泛，具有非常广阔的发展前景。关键词：换热器；管板；筒体；折流板；工艺计算；结构设计；强度计算Abstract目录摘要IAbstractII**章 绪论11.1 选题背景和意义11.2 国内外研究现状1第2章 设计方案32.1 选择换热器的类型32.2 物料流程安排3第3章 工艺计算43.1 确定物性参数43.2 估算传热面积43.3.1 热流量43.3.2

　　3、 平均传热温差43.3.3 传热面积53.3.4 冷却水用量53.4 工艺结构尺寸53.4.1 管径和管内流速53.4.2 管程数和传热管数53.4.3 平均传热温差校正及壳程数63.4.4 传热管排列和分程方法63.4.5 壳体内径73.4.6 折流板73.4.7 接管73.5 换热器核算73.5.1 热流量核算73.5.1.1 壳程表面传热系数73.5.1.2 管内表面传热系数83.5.1.3 污垢热阻和管壁热阻93.5.1.4 计算传热系数93.5.1.5 换热器的面积裕度93.5.2 换热器内流体的流动阻力103.5.2.1 管程流体阻力103.5.2.2 壳程流体阻力.6

　　4、换热器主要结构尺寸和计算结果表11第4章 强度计算134.1 壳体、管箱壳体和封头的设计134.1.1 壁厚的确定134.1.2 封头的设计144.1.3 进出口的设计144.1.3.1 接管外伸长度144.1.3.2 接管与筒体、管箱壳体的链接144.1.3.3 接管位置144.2 管板与换热管154.2.1 管板154.2.1.1 管板结构154.2.1.2 管板*小厚度164.2.1.3 管板尺寸164.3 壳体与管板、管板与法兰及换热管的连接164.3.1 壳体与管板的连接结构164.3.2 管板与法兰的连接164.3.3 管子与管板164.4 螺栓法兰连接设计174.4.1 垫片选择

　　5、174.4.2 螺栓设计174.5 管板设计18第5章 其他各部件结构205.1 折流板205.1.1 折流板管孔205.1.2 折流板的布置205.2 拉杆205.3 防冲板215.4 支座215.5 膨胀节215.6 鞍座的选择235.7 各种可能情况下的应力校核265.7.1 只有壳程设计压力而管程设计压力265.7.2 只有管程设计压力而壳程设计压力33结论40参考文献41致谢42**章绪论1.1 选题背景和意义换热器是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，又称热交换器。换热器是实现化工生产过程中热量交换和传递不可缺少的设备。在石油、化工、轻工、制药、能源等工业生产中，常常需要将低温流

　　6、体加热或者把高温流体冷却，将液体汽化成蒸汽或者将蒸汽冷凝成液体。这些过程均和热量传递有着密切的联系，因而都可以通过换热器来完成。随着经济的发展和进步，各种不同的型式和种类的换热器发展很快，新的结构、新的材料的换热器不断涌现。为了适应发展需要，我国已经对某些种类的换热器已经建立了标准，形成了系列。换热器应用广泛，日常生活中取暖所用的暖气散热片、航天火箭上的油冷却器和汽轮机装置中的凝汽器等，都是换热器。它还广泛的应用于石油、化工、原子能和动力等工业部门。它的主要功能是保证工艺过程对介质所要求的特定的温度，也是提高能源利用率的主要设备之一。换热器既可是一种单元设备，如加热器、冷却器和凝汽器等；也可是

　　7、某一工艺设备的组成部分，如氨合成塔内的换热器。换热器是化工生产中重要的单元设备，根据统计，热交换器的吨位约占整个工艺设备的20%有的甚至高达30%，其重要性可想而知。1.2 国内外研究现状近年来，国内换热器行业生产规模迅速扩大，换热器企业近2000家，其中销售收入超过500万元的企业在900家以上，数量堪称****。但我国换热器行业还是存在如制造技术水平低、行业集中度不高等问题，离换热器强国的距离还很远。进入21世纪后，大量的强化传热的技术应用于工业装置,我国的换热器产业在技术水平上获得了迅速的提升,板式换热器的的进入国内核电建设项目核岛和常规岛领域,并陆续的将板式换热器用于钛白粉生产线、大乙

　　8、烯项目等领域。四平巨元瀚洋板式换热器公司也成功的进入了大亚湾二期岭澳核电站的核岛和常规岛领域。与国外**水平相比较，我国换热器产业*大的技术差距在于换热器产品的基础研究和原理研究，尤其是缺乏介质物性数据，对于流场、温度场、流动状态等工作原理研究不足。目前国际的研究机构有美国传热研究公司（Heat Transfer Research Inc.）即HTRI，该公司几年来致力于计算机应用软件的开发，所开发的网络优化软件，各种换热器工艺设计软件计算**，不进节省了人力提高了效率，而且提高了技术经济性能，英国传热即流体服务中心（Heat Transfer and Flow Service）即HTFS，与

　　9、各大高校和企业合作进行专门的研究成果显著。第2章设计方案2.1 选择换热器的类型两物料流体的温度变化情况：煤油进口温度：135；出口温度：35冷却水进口温度：25；出口温度32该换热器用循环冷却水冷却，即使冬季操作时，其进口温度有所降低，但换热器的管壁温度和壳壁温度之差也不是很大，因此选择固定管板式换热器。2.2 物料流程安排从两流体的操作压力看，煤油压力大走管程，循环冷却水压力小走壳程；又由于煤油相对循环冷却水较易结垢，若其流速太低将会加快污垢增长速度，使换热器的传热速率下降，所以应使循环水走管程，煤油走壳程。第3章工艺计算3.1 确定物性参数壳程流体的定性温度为：管程流体的定性温度为：煤油

　　10、在85下的物性数据：密度 定压比热容 导热系数 粘度 循环冷却水在28.5下的物性数据：密度 定压比热容 导热系数 粘度 3.2 估算传热面积热流量平均传热温差传热面积假设K=350W/·冷却水用量3.4 工艺结构尺寸管径和管内流速选用较高级冷拔传热管，取管内流速管程数和传热管数依据传热管内径和流速确定单程传热管数按单程管计算，所需的传热管长度为：按单管程设计，传热管过长，宜采用多管程结构，根据本设计实际情况，采用标准设计，取传热管长为l=4.5m，则该换热器的管程数为：传热管总根数：采用三角形排列，根据排管数表，取N=91根，如图3-1所示： 3-1 换热器排管方式平均传热温差校正

　　11、及壳程数平均传热温差校正系数：按单壳程，2管程结构，温差校正系数应查有关图表可得平均传热温差由于平均传热温差校正系数大于0.8，同时壳程流体流量较大，故取单壳程合适。传热管排列和分程方法则管束的分程方法，每程各有传热管91根，其前后管箱中隔板设置和介质的流通顺序，如图所示。图3.1 流体流通顺序和分程方法壳体内径采用多管程结构，取管板利用率，则壳体内径为圆整可取D=400mm折流板选用弓形折流板，取弓形折流板的圆缺高度为壳体内径的四分之一，则需要切去的圆缺高度为h=0.25×400=100mm折流板的间距为B=0.3D,则B=0.3×400=120mm取150mm折流板数

　　12、接管壳程流体的进出口接管：取接管内煤油的流速为=1.0m/s,则接管的内径为管程流体的进出口接管：取接管内循环水的流速=1.5m/s,则接管的内径为圆整可取3.5 换热器核算热流量核算.1 壳程表面传热系数可用克恩公式：当量直径：壳程流通截面积：壳程流体流速及其雷诺数分别为：普朗特准数粘度校正.2 管内表面传热系数管程流体流通截面积：管程流体流速及其雷诺数分别为：普朗特准数：.3 污垢热阻和管壁热阻查有关文献可取管外侧污垢热阻 管内侧污垢热阻 管壁热阻 .4 计算传热系数计算传热面积S实际传热面积.5 换热器的面积裕度传热面积裕度合适，能完成生产任务。换热器内流体的流动阻力.1 管程流体阻力由

　　13、于Re=.6 查莫狄图得i=0.026 流速=1.51m/s =996kg/m3在允许范围内。2 壳程流体阻力=1964.1Pa 总阻力损失=3337Pa，符合要求。壁温核算因为管壁很薄，且管壁热阻很小，所以管壁温度可以按公式又因为该换热器用循环冷却水冷却，冬季操作时，循环冷却水的进口温度会降低，为确保可靠，取循环冷却水进口温度为15，出口温度为32计算传热管壁温。另外，由于传热管内侧污垢热阻较大，会使传热管壁温升高，降低壳体和传热管温之差。但在操作初期污垢热阻较小，壳体和传热管壁温差可能较大。计算时，按*不利的操作条件考虑，因此，取两侧污垢热阻为0计算传热管壁温。则有：

　　14、式中：W/(m2·K)W/(m2·K)传热管平均壁温tt=壳体壁温可近似取为壳体流体的平均温度既：T=85。壳体壁温和传热管壁温之差为：=59.13.6 换热器主要结构尺寸和计算结果表换热器主要结构尺寸和计算结果表如表所示。表3-1 换热器主要结构尺寸和计算结果表管程壳程流量 kg/h 5000温度进/出25/32 135/35压力定性温度 85比热容kJ/(kg·粘度Pa·s×10-3普兰特数导热系数W/(m2·流速传热膜系数W/(m2·污垢热阻 (m2·K)/ W阻力损失表 设备结构参数固定管板式台

　　15、数1壳体内径 mm400壳程数1管径 mm管心距 mm44管长 mm4500管子排列正三角形管数目（根）91折流板数（个）44传热面积 m2折流板间距 mm1504材质不锈钢第4章强度计算4.1 壳体、管箱壳体和封头的设计壁厚的确定计算厚度：式中 计算厚度，mm计算压力，mm筒体内径，mm设计温度下圆筒材料的许用应力，Mpa焊接接头系数设计厚度：查得钢板负偏差名义厚度：向上圆整至刚才标准规格厚度则壳体的有效厚度为封头的设计取标准椭圆形封头K=1 =1 设计厚度：取厚度负偏差名义厚度：为便于与管箱壳体、封头焊接，名义厚度取8mm。则封头的有效厚度：进出口的设计.1 接管外伸长度查表得，接管外伸长

　　16、度取200mm。2 接管与筒体、管箱壳体的链接结构形式：采用插入式焊接结构，一般接管不得凸出于壳体的内表面。3 接管位置为了使换热器的传热面积得到充分利用，壳程物料进出口接管应尽量靠近两端管板，而管箱进出接管尽量靠近管箱法兰，这样可以缩短管箱壳体长度，减轻设备的重量，但是为了保证设备制造，安装，管口距法兰管板和法兰的距离也不能太小。1、 壳程接管的位置无补强圈时接管的位置：在本设计中取L1=99.5mm。2、 管箱接管的位置无补强圈时接管的位置：在本设计中取L2=148mm。4.2 管板与换热管管板管板是管壳式换热器中一个重要元件，它除了与管子和壳体等的连接外，还是换热器中的一个重要受压元

　　17、件。对管板的设计，除满足强度要求外，同时应合理的考虑其结构设计。1 管板结构碳钢制整体管板。碳钢管板的隔板槽宽度为12mm，槽深一般不小于4mm。选择固定管板兼作法兰的管板，管板与法兰连接的密封面为凸面。分程隔板拐角处，倒角为10×45°。具体结构如图所示。图4.1 管板结构.2 管板*小厚度管板的*小厚度除了要满足强度计算要求外，当管板和换热管采用焊接时，应满足结构设计和制造的要求，且不小于12mm。3 管板尺寸查表可得：4.3 壳体与管板、管板与法兰及换热管的连接壳体与管板的连接结构考虑到介质温度、压力及物料性质，本设计采用管板兼作法兰的不可拆结构，连接型式如图所示

　　18、图4.2 壳体与管板的连接管板与法兰的连接管板与法兰的连接，当管板兼做法兰时，管箱与法兰的连接一般都为固定式管板换热器。管子与管板对于管子与管板的连接结构形式，在此选择胀接。如图所示。图4.3 换热管与管板的连接4.4 螺栓法兰连接设计根据JB/T 4701-2000选取甲型平焊法兰，密封面选择平面。垫片选择参照JB4704-2000非金属软垫片标准，采用石棉橡胶板，密封面用凸面垫片厚度取3mm垫片系数m=2比压力y=11MPa垫片宽度N=18mm螺栓设计预紧状态下需要的*小螺栓载荷操作状态下需要的*小螺栓载荷需要的螺栓面积 取螺栓规格 M=20mm A=235mm2螺栓数量 假设

　　19、螺栓个数为8个，总截面积为：不小于，符合要求。4.5 管板设计由上述条件可得管板的假设厚度为管子加强系数：查表可知：开孔面积：横截面积：刚度比：*大压差：管板的*大应力：查表得强度校核：管板厚度符合强度要求，取厚度为40mm。第5章其他各部件结构5.1 折流板为了增加壳程流体的流速，提高壳程的传热膜系数，从而达到增加总传热系数的目的。同时折流板对于卧式换热器的换热管有一定的支撑作用，当换热管的长度过长，而管子承受压应力过大时，在满足换热器的壳程允许压力降情况下，增加折流板数量。减小折流板的间距，对缓解换热管受力状况和防止流体流动的诱发振动有一定作用，折流板也有利于换热管的安装。本设计设置29块

　　20、单弓形折流板。折流板的缺口高度为100mm，厚度为5mm，折流板间距为150mm。折流板管孔查表可得，管孔直径为25.4mm。折流板的布置折流板的布置，一般应使管束两端的折流板尽可能靠近壳程进、出口接管，其余折流板按等距离布置。5.2 拉杆本设计采用拉杆定距结构，具体尺寸查表可得直径为12mm，数量为4根。如图所示。图5.1 拉杆定距结构5.3 防冲板为了防止壳程物料进出口处，流体对换热管表面的直接冲刷，应在壳程进出口管设置防冲板。防冲板外表面到圆筒内壁的距离可按下式计算：，其型式如图所示。图5.2 防冲挡板结构5.4 支座支座是用来支承容器及设备重量，并使其固定在某一位置的压力容器附件。5.

　　21、5 膨胀节固定式管板换热器换热过程中，管束与壳体有一定的温差存在，而管板、管束与壳体之间是刚性地连在一起的，当温差达到某一个温度值时，由于过大的温差应力往往会引起壳体的破坏或造成管束弯曲。当温差很大时，可以选用浮头、U型及填料函式换热器。但上述换热器的造价较高，若管间不需要清洗时，亦可采用固定管板式换热器，但需要设置温差补偿装置，如膨胀节。在本设计中，不需要设置膨胀节。采用波纹管膨胀节，膨胀节焊在筒体外侧，不带加强圈。在换热器的液体流动方向焊一作导流用的衬板，以减少流动阻力。单层波纹管m=1，波根外径=600mm，波高100mm，壁厚6mm，波长为155mm。选用Q235-A材料。进行强度计算

　　22、：弹性模量MPa，许用应力，屈服力平均直径壁厚减薄以后*小有效厚度1、系数计算查系数、曲线图（注意，查时用，查、时用）。查的系数：，2、应力计算因为该膨胀节是单层膨胀节，m=1（1）内压引起的周向薄膜应力（2）内压引起的经向薄膜应力（3）内压引起的经向弯曲应力（4）伸缩变形引起的经向薄膜应力（5）伸缩变形引起的经向弯曲应力3、刚度计算单波弹性刚度膨胀节的整体刚度在此 n=2，4、应力评定所以该膨胀节满足要求。5.6 鞍座的选择碳钢密度为：7850 kgm31、壳体质量和壳体容积1）、壳体质量壳体材料体积为：壳体的质量为：2）、壳体容积2、封头的质量查文献知标准椭圆形封头的质量为61kg3、

　　23、管箱的质量1）、管箱筒体的质量管箱筒体金属体积：管箱筒体的质量为：2）、管箱容积体积公式计算：4、 换热管的质量换热管金属体积：换热管质量为：5、 接管质量1） 排气、排污接管质量排气、排污接管金属体积为： 排气、排污接管质量：2）物料进出口接管质量物料进出口接管金属体积为： 物料进出口接管质量为：6、换热器装满水的质量换热器的体积为： 装满水的质量为：7、折流板的质量616kg8、定距管、螺母螺栓等其他小部件的质量估算拉杆、定距管及螺母螺栓的质量为100kg；9、换热器的*大载荷1） 设备装满水的总质量为： 2） 总载荷为：10、鞍座的选择鞍座材料：Q235-A根据总质量可选轻型A的鞍式支座

　　24、120度包角，焊制，四筋，带垫板标记：JBT4712-92，鞍座A-1000-F数量：2一个为滑动式(S)，一个为固定式(F) ，靠近管箱侧为固定支座公称直径DN： 400 mm允许载荷Q： 79 kN鞍座高度h：200 mm底版Ll，bl，1：760mm，170mm，10 mm腹板2：6 mm筋板L3，b2，b3，3：170mm，140mm，180mm，6 mm垫板弧长b4，4，e： 518mm，270mm，6mm，40mm螺栓间距L2：160mm鞍座的质量：44kg5.7 各种可能情况下的应力校核只有壳程设计压力而管程设计压力1. 不计入膨胀变形差 ，壳程设计压力MPa；当量压力组合MP

　　25、a；有效压力组合 （5-17）MPa基本法兰力矩系数： （5-18）管板边缘力矩系数： （5-19）管板边缘剪切系数： 管板总弯矩系数：系数： 系数，当时，按和，查表得：；系数，取，故。管板布管区周边剪切应力系数：管板径向应力系数：管板布管区周边处径向应力系数：壳体法兰力矩系数：管板径向应力： MPaMPa。区周边处径向应力：MPaMPa管板布管区周边剪切应力：MPaMPa壳体法兰应力：MPaMPa壳程圆筒轴向应力：MPaMPa换热管轴向应力（位于管束周边处换热管轴向应力）：MPaMPa换热管与管板的焊脚高度按规定，mm，换热管与管板连接的拉脱力：MPaMPa2. 计入膨胀变形差设定环境温度，

　　26、则换热管与壳程圆筒的热膨胀变形差：MPa有效压压力MPa基本法兰力矩系数：管板边缘力矩系数：管板边缘剪切系数：管板总弯矩系数：系数：系数，当时，按和，查表得；系数，取，故。管板布管区周边剪切应力系数：管板径向应力系数：管板布管区周边处径向应力系数：壳体法兰力矩系数：管板径向应力： MpaMPa区周边处径向应力：MPaMPa管板布管区周边剪切应力：MPaMPa壳体法兰应力：MPaMPa壳程圆筒的轴向应力：MPaMPa换热管的轴向应力（位于管束周边处换热管轴向应力）：MPa换热管与管板焊脚高度为mm，换热管与管板连接的拉脱力：MPaMPa只有管程设计压力而壳程设计压力1. 不计入膨胀变形差这时：

　　27、壳程设计压力MPa；当量压力组合MPa；有效压力组合MPa；管程压力操作工况下的法兰力矩系数：管板边缘力矩系数：管板边缘剪切系数： 管板总弯矩系数：当时，按和，查表得：管板布管区周边剪切应力系数：管板径向应力系数：管板布管区周边处径向应力系数：壳体法兰力矩系数：管板径向应力：MPaMPa，合格。管板布管区周边处径向应力：MPaMPa，合格。管板布管区周边剪切应力：MPaMPa，合格。壳体法兰应力：MPaMPa，合格。壳程圆筒轴向应力：MPaMPa换热管轴向应力（位于管束周边处换热管轴向应力）：MPaMPa换热管与管板的焊脚高度为mm，换热管与管板连接的拉脱力：MPaMPa，合格。2. 计入

　　28、膨胀变形差 已知： ，MPa，壳程设计压力MPa；当量压力组合MPa；有效压力组合；基本法兰力矩系数：管板边缘力矩系数：管板边缘剪切系数： 管板总弯矩系数系数，当时，按和，查表得：。管板布管区周边剪切应力系数：管板径向应力系数：管板布管区周边处径向应力系数：壳体法兰力矩系数：管板径向应力： MPaMPa管板布管区周边处径向应力：MPaMPa管板布管区周边剪切应力：MPaMPa壳体法兰应力：MPaMPa壳程圆筒轴向应力：MPaMPa换热管轴向应力（位于管束周边处换热管轴向应力）MPaMPa换热管与管板的焊脚高度mm，换热管与管板连接的拉脱力：MPaMPa结论通过两个多月的的毕业设计，我深刻了解和

　　29、掌握了换热器的基本知识和设计要领，让我对大学所学的知识进一步加深了理解和认识。换热器是进行热交换操作的通用工艺设备。广泛应用于化工、石油、石油化工、电力、轻工、冶金、原子能、造船、航空、供热等工业部门中。特别是在石油炼制和化学加工装置中，占有极其重要的地位。换热器的设计主要包括：工艺计算，总体结构设计和强度核算。其中工艺计算部分*重要的是对传热系数K的选取和计算，总体结构设计中*点部分是管板的设计，强度核算也很重要，解决这些问题的方法分别为：根据两流体的温度变化情况和物料的性质，选择换热器的类型；再根据物料的操作条件，估算传热面积，然后求出总传热系数K，核算传热面积；按照GB150-1998，

　　30、分别对换热器各个部分结构进行选择、设计；严格按照GB151-1999，分别对封头、筒体、管板法兰进行强度计算和校核。固定管板式换热器的管束连接在管板上，管板与壳体焊接。其结构简单、制造方便、能承受较高的压力、造价低；但材料的利用率不高，特别是靠近管板端的流体换热基本上处于停滞状态另外对于管壳程温差较大的工况,其壳程筒体、换热管及管板等受压元件上会产生较大的温差应力，常常使换热器强度设计时应力校核不合格,而不得不增设膨胀节或改用其它形式的换热器,这样不但增加了制造的难度,同时也提高了设备的造价，结合上面换热器的特点，本设计解决了换热器设计中和现实相互矛盾的问题。毕业设计结束了不代表我的学习结束，相反我要通过毕业设计，把所学的知识运用到以后工作岗位中，增强自己的专业知识，进而增强自己的工作能力

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