畢業(yè)設(shè)計(jì)[共51頁(yè)]

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1、北方民族大學(xué)過(guò)程裝備與控制工程專(zhuān)業(yè)2011屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 序 言 2 前 言 3 第一章 選題背景 4 1.1選題背景 4 1.2 研究的目的 5 1.3 研究的意義 5 1.4 國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)與研究主攻方向 5 1.5換熱器的種類(lèi)及特點(diǎn) 8 1.5.1.管殼式換熱器 8 1.5.2.蛇管式換熱器 10 1.5.3.套管式換熱器 11 第二章 方案論證 12 2.1 概述 12 2.2 傳熱原理 12 2.3 換熱器的選型 14 第三章 固定管板式換熱器的設(shè)計(jì) 15 3.1 熱力學(xué)計(jì)算 15 3.1.1水的定性溫度和物性參數(shù) 15 3.1

2、.2污水的定性溫度和物性參數(shù) 16 3.1.3有效平均溫差 16 3.1.5 傳熱管和殼體壁溫核算 18 3.2管程及殼程壓力降 19 3.2.1管程壓力降計(jì)算 19 3.2.2 殼程壓力降校核 20 3.3 流程及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 21 3.3.1管子的設(shè)計(jì) 22 3.3.3管板的設(shè)計(jì) 23 3.3.4管箱 27 3.3.5管束分程、管程隔板及其管板的連接 29 3.3.6折流板設(shè)計(jì) 29 3.3.7排氣孔和排液孔 31 3.3.8殼體設(shè)計(jì) 32 3.3.9殼程接管的設(shè)計(jì) 32 3.3.10封頭設(shè)計(jì) 34 3.3.11試驗(yàn)壓力 35 3.3.12支座 37 第四章

3、 膨脹節(jié) 39 4.1 壓力產(chǎn)生的應(yīng)力 40 4.2 溫差產(chǎn)生的應(yīng)力 41 4.3 拉脫力 44 4.4 強(qiáng)度條件 45 第五章 換熱器中強(qiáng)化傳熱途徑簡(jiǎn)述 46 5.1 加大傳熱系數(shù)K 47 5.2 增大平均溫差 47 5.3 擴(kuò)大傳熱面積 47 第六章 總結(jié) 48 第七章 計(jì)算結(jié)果總匯 48 參考文獻(xiàn) 51 序 言 學(xué) 生：胡成雨 北方民族大學(xué)化學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院 指導(dǎo)老師：姜國(guó)平 北方民族大學(xué)化學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院 [摘要]換熱器作為一種流體間傳遞熱量的設(shè)備，在化工行業(yè)中占有舉足輕重的地位。列管式換熱器單位體積具有的傳熱面

4、積大以及傳熱效果好。其中固定管板式換熱器為兩端管板和殼體連接成一體，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和造價(jià)低廉等優(yōu)點(diǎn)，因此使用較為廣泛。本論文設(shè)計(jì)了一臺(tái)電脫鹽排水的固定管板式換熱器。由已知工況下物性參數(shù)，首先，進(jìn)行工藝計(jì)算，然后進(jìn)行機(jī)械設(shè)計(jì)，其中包括法蘭、筒體、封頭、管板等的設(shè)計(jì)，最后畫(huà)出裝配圖和零件圖。 [關(guān)鍵詞] 換熱器；管板；設(shè)計(jì) The Fixed Tube-sheet Teat Exchanger Student:Hu Chengyu College of Chemistry and Chemical Engineering,North University for Ethnics In

5、structor:Jiang Guopin College of Chemistry and Chemical Engineering,North University for Ethnics Heat exchangers are playing an important role in chemical industries as heat-exchanging equipments among different fluids.The Tube-sheet exchangers have the advantages of larger heat-exchanging area,bes

6、ides,its effective.And the fixed tube-sheet heat exchangers are made in the form of combining the plates with tubes of each side,which makes them flexible to manufacture and competitive in their producing price,hence,they are widely utilized.The designing thesis is to design a fixed tube-sheet heat

7、exchanger for electro-desalting draining.Its started with known parameters,and then doing the technology calculations,followed by mechanical designings,flanges，shells，shell covers，plates included .Doing the installation and component drawing goes to the final. [Key words] Heat Exchanger Tube-sh

8、eet Design 前 言 換熱器是化工、石油、動(dòng)力、冶金、交通、國(guó)防等工業(yè)部門(mén)重要工藝設(shè)備之一，其正確的設(shè)置，性能的改善關(guān)系各部門(mén)有關(guān)工藝的合理性、經(jīng)濟(jì)性以及能源的有效利用與節(jié)約，對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)有著十分重要的影響。出于不同的使用目的和工藝要求，換熱器的型式很多，而且仍在不斷的發(fā)展。當(dāng)前，為了適應(yīng)我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要，無(wú)論從有關(guān)工業(yè)本身的發(fā)展或從能源的開(kāi)發(fā)、利用和節(jié)約來(lái)看，對(duì)換熱器都提出了更高的要求。 換熱器的型式繁多，不同的使用場(chǎng)合使用目的不同。其中常用結(jié)構(gòu)為管殼式，因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低廉、選材廣泛、清洗方便、適應(yīng)性強(qiáng)，在各工業(yè)部門(mén)應(yīng)用最為廣泛。而固定管板式換熱器集中了管

9、殼式換熱器的優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用相當(dāng)廣泛。 固定管板式換熱器主要由殼體、換熱管束、管板、前端管箱（又稱(chēng)頂蓋或封頭）和后端結(jié)構(gòu)等部件組成。管束安裝在殼體內(nèi)，兩端固定在管板上。管箱和后端結(jié)構(gòu)分別與殼體兩端的法蘭用螺栓相連，檢修或清洗時(shí)便于拆卸。換熱器設(shè)計(jì)的優(yōu)劣最終要看是否適用、經(jīng)濟(jì)、安全、運(yùn)行靈活可靠、檢修清理方便等等。一個(gè)傳熱效率高、緊湊、成本低、安全可靠的換熱器的產(chǎn)生，要求在設(shè)計(jì)時(shí)精心考慮各種問(wèn)題.準(zhǔn)確的熱力設(shè)計(jì)和計(jì)算，還要進(jìn)行強(qiáng)度校核和符合要求的工藝制造水平。本設(shè)計(jì)主要研究換熱器的設(shè)計(jì)原理、傳熱學(xué)計(jì)算、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其中結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要包括兩部分，即工藝尺寸的設(shè)計(jì)與計(jì)算及部件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與計(jì)算。針對(duì)固定管板式

10、換熱器適應(yīng)熱膨脹能力差的缺點(diǎn)，重點(diǎn)研究膨脹節(jié)。從三個(gè)方面來(lái)考慮是否需要設(shè)置膨脹節(jié)，如需要，則如何設(shè)置其結(jié)構(gòu)和對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算。 由于本人知識(shí)有限，再加上經(jīng)驗(yàn)不足，設(shè)計(jì)中存在的不妥和錯(cuò)誤之處，肯請(qǐng)予以批評(píng)指正。 2011

11、年4月 第一章 選題背景 1.1選題背景 本設(shè)計(jì)課題來(lái)源于生產(chǎn)實(shí)際。換熱器是把熱量從一種介質(zhì)傳給另一種介質(zhì)的設(shè)備。換熱器是化工、石油、制藥及能源等行業(yè)中應(yīng)用相當(dāng)廣泛的單元設(shè)備之一。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在現(xiàn)代化學(xué)工業(yè)中所用換熱器的投資大約占設(shè)備總投資的30 % ，在煉油廠中換熱器占全部工藝設(shè)備的40 %左右，海水淡化工藝裝置則幾乎全部是由換熱器組成的。上個(gè)世紀(jì)70 年代初發(fā)生的世界性能源危機(jī)，有力地促進(jìn)了傳熱強(qiáng)化技術(shù)的發(fā)展。為了節(jié)能降耗，提高工業(yè)生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)效益，要求開(kāi)發(fā)適用于不同工業(yè)過(guò)程要求的高效能換熱設(shè)備。這是因?yàn)?，隨著能源的短缺(從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，這是世界的總趨勢(shì))，可利用熱源的溫度越來(lái)

12、越低，換熱允許溫差將變得更小，當(dāng)然，對(duì)換熱技術(shù)的發(fā)展和換熱器性能的要求也就更高。所以，這些年來(lái)，換熱器的開(kāi)發(fā)與研究成為人們關(guān)注的課題。 1.2 研究的目的 換熱器為石油，化工、食品、原子能及其它化工部門(mén)所廣泛使用的一種工藝設(shè)備。一般情況換熱器約占石油化工裝置設(shè)備總重量的40%，其中又以管殼式換熱器為主，因此管殼式換熱器的研究開(kāi)發(fā)和標(biāo)準(zhǔn)制訂一向受到各國(guó)的重視，例如美國(guó)的TEMA和日本的JISB8249就是管殼式換熱器的專(zhuān)用標(biāo)準(zhǔn)。 近年來(lái)，隨著制造技術(shù)的進(jìn)步，強(qiáng)化傳熱元件的開(kāi)發(fā)，使得新型高效換熱器的研究有了較大的發(fā)展，根據(jù)不同的工藝條件與換熱工況設(shè)計(jì)制造了不同結(jié)構(gòu)形式的新型換熱器，并已在化工

13、、煉油、石油化工、制冷及制藥各行業(yè)得到應(yīng)用與推廣，取得了較大的經(jīng)濟(jì)效益。 各式換熱器的設(shè)計(jì)思想各有新穎之處，結(jié)構(gòu)上各具特色。有的在于強(qiáng)化管內(nèi)傳熱，有的著眼于殼程強(qiáng)化傳熱，有的改進(jìn)了管箱設(shè)計(jì)，有的著重防止管板誘導(dǎo)振動(dòng)，有的緊湊了設(shè)備結(jié)構(gòu)，有的在于防腐防垢。 固定管板式換熱器的兩端管板采用焊接方法與殼體連接固定。換熱管可為光管或低翅管。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造成本低，能得到較小的殼體內(nèi)徑，管程可分成多樣，殼程也可用縱向隔板分成多程，規(guī)格范圍廣，故在工程中廣泛應(yīng)用。 1.3 研究的意義 換熱器是合理利用與節(jié)約現(xiàn)有能源、開(kāi)發(fā)新能源的關(guān)鍵設(shè)備。當(dāng)今世界，現(xiàn)有能源主要為煤、石油、天然氣等資源。有限的儲(chǔ)量

14、難以滿(mǎn)足工業(yè)及人們生活日益增長(zhǎng)的需要，因此，合理利用現(xiàn)有能源及開(kāi)發(fā)新能源已成為世界性的研究課題。在生產(chǎn)中大部分燃料釋放的能量是通過(guò)換熱設(shè)備傳遞的，換熱器的合理設(shè)計(jì)、性能改善將直接關(guān)系著現(xiàn)有能源的合理利用。可供開(kāi)發(fā)的新能源：核能、太陽(yáng)能、地?zé)崮艿纫峁┕I(yè)及生活使用，無(wú)一不需要大量符合使用要求的各式換熱器。換熱器的正確設(shè)置、合理設(shè)計(jì)、性能改善等對(duì)能源的有效利用及開(kāi)發(fā)有著十分重要的意義。 1.4 國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)與研究主攻方向 換熱器是化工、石油、制藥及能源等行業(yè)中應(yīng)用相當(dāng)廣泛的單元設(shè)備之一。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在現(xiàn)代化學(xué)工業(yè)中所用換熱器的投資大約占設(shè)備總投資的30 % ，在煉油廠中換熱器占全部工藝設(shè)

15、備的40 %左右，海水淡化工藝裝置則幾乎全部是由換熱器組成的。上個(gè)世紀(jì)70 年代初發(fā)生的世界性能源危機(jī)，有力地促進(jìn)了傳熱強(qiáng)化技術(shù)的發(fā)展。為了節(jié)能降耗，提高工業(yè)生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效益，要求開(kāi)發(fā)適用不同工業(yè)過(guò)程要求的高效能換熱設(shè)備。因此，幾十年來(lái)，高效換熱器的開(kāi)發(fā)與研究始終是人們關(guān)注的課題，國(guó)內(nèi)外先后推出了一系列新型高效換熱器。 世界爆發(fā)能源危機(jī)，有力地促進(jìn)了傳熱強(qiáng)化技術(shù)的發(fā)展。為了節(jié)能降耗，提高工業(yè)生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)效益，要求開(kāi)發(fā)適用于不同工業(yè)過(guò)程要求的高效能換熱設(shè)備。這是因?yàn)椋S著能源的短缺(從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，這是世界的總趨勢(shì))，可利用熱源的溫度越來(lái)越低，換熱允許溫差將變得更小，當(dāng)然，對(duì)換熱技術(shù)的發(fā)展和換熱器性能的

16、要求也就更高。所以，這些年來(lái)，換熱器的開(kāi)發(fā)與研究成為人們關(guān)注的課題。 換熱器是國(guó)民經(jīng)濟(jì)和工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中應(yīng)用十分廣泛的熱量交換設(shè)備，隨著現(xiàn)代新工藝、新技術(shù)、新材料的不斷開(kāi)發(fā)和能源問(wèn)題的日趨嚴(yán)重，世界各國(guó)已普遍把石油化工深度加工和能源綜合利用擺到了十分重要的位置，換熱器因而面臨著新的挑戰(zhàn)。換熱器的性能對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量、能量利用率以及系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和可靠性起著重要的作用，有時(shí)甚至是決定性的作用。目前在發(fā)達(dá)的工業(yè)國(guó)家熱回收率已達(dá)96%。換熱設(shè)備在現(xiàn)代裝置中約占設(shè)備總重的30%左右，其中管殼式換熱器仍然占絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)，約占70%，其余30%為各類(lèi)高效緊湊式換熱器、新型熱管熱泵和蓄熱器等設(shè)備，其中板式、螺漩板

17、式、板翅式以及各類(lèi)高效傳熱元件的發(fā)展十分迅速。在繼續(xù)提高設(shè)備熱效率的同時(shí)，也促進(jìn)了換熱設(shè)備結(jié)構(gòu)的緊湊性、產(chǎn)品系列化、標(biāo)準(zhǔn)化和專(zhuān)業(yè)化，并朝大型化的方向發(fā)展。 近年來(lái)，國(guó)內(nèi)已經(jīng)進(jìn)行了大量的強(qiáng)化傳熱技術(shù)的研究，但在新型高效換熱器的開(kāi)發(fā)方面與國(guó)外差距仍然較大，并且新型高效換熱器的實(shí)際推廣和應(yīng)用仍非常有限。尚需從事?lián)Q熱器專(zhuān)業(yè)的技術(shù)人員在制造工藝方面加大力度進(jìn)行研究，使我國(guó)換熱器技術(shù)從各個(gè)方面趕上國(guó)際水平，也需要各換熱設(shè)備使用廠家勇于引進(jìn)和推廣新型高效換熱器，為我國(guó)的節(jié)能事業(yè)做出貢獻(xiàn)。 其次，新技術(shù)普遍應(yīng)用。普遍采用電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化（EDA）、計(jì)算機(jī)輔助制造(CAM)、計(jì)算機(jī)輔助測(cè)試(CAT)、數(shù)字信號(hào)

18、處理(DSP)、專(zhuān)用集成電路(ASIC)及表面貼裝技術(shù)等。 并且，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。在重視高檔儀器開(kāi)發(fā)的同時(shí)，注重高新技術(shù)和量大面廣產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)與生產(chǎn)。注重系統(tǒng)集成，不僅著眼于單機(jī)，更注重系統(tǒng)、產(chǎn)品軟件化。隨著各類(lèi)儀器裝上CPU，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化后，軟件上投入了巨大的人力、財(cái)力。今后的儀器設(shè)計(jì)歸納成一個(gè)簡(jiǎn)單的公式：儀器=AD/DA+CPU+軟件，AD芯片將模擬信號(hào)變成數(shù)字信號(hào)，在經(jīng)過(guò)軟件處理變換后用DA輸出。 隨著工藝裝置的大型化和高效率化，換熱器也趨于大型化，并向低溫差設(shè)計(jì)和低壓力損失設(shè)計(jì)的方向發(fā)展。同時(shí)，對(duì)其一方面要求成本適宜，另一方面要求高精度的設(shè)計(jì)技術(shù)。當(dāng)今換熱器技術(shù)的發(fā)展以CFD(Co

19、mputational Fluid Dynamics)、模型化技術(shù)、強(qiáng)化傳熱技術(shù)及新型換熱器開(kāi)發(fā)等形成了一個(gè)高技術(shù)體系 發(fā)展趨勢(shì)： 進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，國(guó)外儀器行業(yè)的發(fā)展呈現(xiàn)出一些新的特點(diǎn)，引起了我國(guó)儀表業(yè)界的關(guān)注。 一是新技術(shù)普遍應(yīng)用。普遍采用電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化（EDA）、計(jì)算機(jī)輔助制造(CAM)、計(jì)算機(jī)輔助測(cè)試(CAT)、數(shù)字信號(hào)處理(DSP)、專(zhuān)用集成電路(ASIC)及表面貼裝技術(shù)等。 二是產(chǎn)品結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。在重視高檔儀器開(kāi)發(fā)的同時(shí)，注重高新技術(shù)和量大面廣產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)與生產(chǎn)。注重系統(tǒng)集成，不僅著眼于單機(jī)，更注重系統(tǒng)、產(chǎn)品軟件化。隨著各類(lèi)儀器裝上CPU，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化后，軟件上投入了巨大的人

20、力、財(cái)力。今后的儀器設(shè)計(jì)歸納成一個(gè)簡(jiǎn)單的公式：儀器=AD/DA+CPU+軟件，AD芯片將模擬信號(hào)變成數(shù)字信號(hào)，在經(jīng)過(guò)軟件處理變換后用DA輸出。 三是產(chǎn)品開(kāi)發(fā)準(zhǔn)則發(fā)生變化。從技術(shù)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)為市場(chǎng)驅(qū)動(dòng)，從一味追求高精尖轉(zhuǎn)為"恰到好處"。開(kāi)發(fā)一項(xiàng)成功產(chǎn)品的準(zhǔn)則是：滿(mǎn)足用戶(hù)明確的需求；用最短的時(shí)間投放市場(chǎng)；功能與性能要恰到好處。 四存在問(wèn)題：今年來(lái)，國(guó)內(nèi)已經(jīng)進(jìn)行了大量的強(qiáng)化傳熱技術(shù)的研究，但在新型高效換熱器的開(kāi)發(fā)方面與國(guó)外差距仍然較大，并且新型高效換熱器的實(shí)際推廣和應(yīng)用仍非常有限。尚需從事?lián)Q熱器專(zhuān)業(yè)的技術(shù)人員在制造工藝方面加大力度進(jìn)行研究，使我國(guó)換熱器技術(shù)從各個(gè)方面趕上國(guó)際水平，也需要各換熱設(shè)備使用廠

21、家勇于引進(jìn)和推廣新型高效換熱器，為我國(guó)的節(jié)能事業(yè)做出貢獻(xiàn). 總之，在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)準(zhǔn)則上所發(fā)生的變化是不容忽視的。從技術(shù)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)為市場(chǎng)驅(qū)動(dòng)，從一味追求高精尖轉(zhuǎn)為"恰到好處"。開(kāi)發(fā)一項(xiàng)成功產(chǎn)品的準(zhǔn)則是：滿(mǎn)足用戶(hù)明確的需求；用最短的時(shí)間投放市場(chǎng)；功能與性能要恰到好處。 1.5換熱器的種類(lèi)及特點(diǎn) 1.5.1.管殼式換熱器 管殼式換熱器又稱(chēng)列管式換熱器，是一種通用的標(biāo)準(zhǔn)換熱設(shè)備，它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，堅(jiān)固耐用，造價(jià)低廉，用材廣泛，清洗方便，適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用最為廣泛。管殼式換熱器根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分為以下幾種： （1）固定管板式換熱器 固定管板式換熱器 它由殼體、管束、封頭、管板、折流擋板、接管等部件組成。

22、其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是，兩端的管板與殼體連在一起，管束兩端固定在管板上，這類(lèi)換熱器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，緊湊，價(jià)格低廉，每根換熱管都可以進(jìn)行更換，且管內(nèi)清洗方便，但管外清洗困難，宜處理兩流體溫差小于50℃且殼方流體較清潔及不易結(jié)垢的物料。 帶有膨脹節(jié)的固定管板式換熱器，其膨脹節(jié)的彈性變形可減小溫差應(yīng)力，這種補(bǔ)償方法適用于兩流體溫差小于70℃且殼方流體壓強(qiáng)不高于600Kpa的情況。 雙管程固定管板換熱器

23、 帶膨脹節(jié)的固定管板換熱器 （2）浮頭式換熱器 浮頭式換熱器的管板有一個(gè)不與外殼連接，該端被稱(chēng)為浮頭，管束連同浮頭可以自由伸縮，而與外殼的膨脹無(wú)關(guān)。浮頭式換熱器的管束可以拉出，便于清洗和檢修，適用于兩流體溫差較大的各種物料的換熱，應(yīng)用極為普遍，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價(jià)高。 （3）填料涵式換熱器 填料涵式換熱器管束一端可以自由膨脹，不會(huì)產(chǎn)生因殼壁與管壁溫差而引起的溫差應(yīng)力，與浮頭式換熱器相比，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)低，管束可從殼體內(nèi)抽出，管內(nèi)、管

24、間均能進(jìn)行清洗，維修方便。但殼程流體有外漏的可能性，因此殼程不能處理易燃，易爆的流體。且填料函耐壓不高，一般小于4.0Mpa，填料函式換熱器適用于管、殼壁溫差較大或介質(zhì)易結(jié)垢，需經(jīng)常清理且壓力不高的場(chǎng)合。 填料函式換熱器 （4）U 型管式換熱器 U型管式換熱器是只有一個(gè)管板，換熱管為U型，管子兩端固定在同一管板上。管束可以自由伸縮，當(dāng)殼體與 U 型換熱管有溫差時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生溫差應(yīng)力。其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，管間清洗方便，但管內(nèi)清洗比較困難，利用率較低，殼程易短路，報(bào)廢率較高。因而U 型管式換熱器適用于管、殼壁溫差較大或殼程介質(zhì)易結(jié)垢，而管程介質(zhì)清潔不易結(jié)垢以及高溫、高壓、腐蝕性強(qiáng)的場(chǎng)合。一般

25、高溫、高壓、腐蝕性強(qiáng)的介質(zhì)走管內(nèi)，可使高壓空間減小，密封易解決，并可節(jié)約材料和減少熱損失。 U形管管殼式換熱器 1.5.2.蛇管式換熱器 蛇管式換熱器是管式換熱器中結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單，操作最方便的一種換熱設(shè)備，通常按照換熱方式不同，將蛇管式換熱器分為沉浸式和噴淋式兩類(lèi)。 1.5.3.套管式換熱器 套管式換熱器是由兩種不同直徑的直管套在一起組成同心套管，其內(nèi)管用U型時(shí)管順次連接，外管與外管互相連接而成，其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能耐高壓，傳熱面積可根據(jù)需要增減，適當(dāng)?shù)剡x擇管內(nèi)、外徑，可使流體的流速增大，兩種流體呈逆流流動(dòng)，有利于傳熱。此換熱器適用于高溫，高壓及小流量流體間的換熱。

26、 第二章 方案論證 2.1 概述 換熱設(shè)備(或稱(chēng)換熱器或稱(chēng)熱交換器)就是用來(lái)實(shí)現(xiàn)熱量傳遞。在石油、化學(xué)工業(yè)生產(chǎn)中，常常需要把低溫流體加熱或者把高溫流體冷卻，把液體汽化成蒸汽或者把蒸汽冷凝成液體。這些過(guò)程均和熱量的傳遞有著密切的關(guān)系，因而全都可以通過(guò)換熱設(shè)備來(lái)完成。當(dāng)把換熱設(shè)備用于上述不同過(guò)程時(shí)，通常把它們分別叫做加熱器，冷卻器，汽化器和冷凝器。判斷一臺(tái)換熱設(shè)備好壞的標(biāo)準(zhǔn)是 (1)傳熱效率高； (2)流體阻力小； (3)各部件強(qiáng)度足夠，結(jié)構(gòu)可靠； (4)節(jié)省材料，便于制造，成本低； (5)安裝、維修方便。 2.2 傳熱原理 熱的

27、傳遞是由于物體內(nèi)部或物體之間的溫度不同而引起的。根據(jù)熱力學(xué)第二定律，當(dāng)無(wú)外功輸入時(shí)，熱量總是自動(dòng)地從溫度較高的物體傳給溫度較低的物體。只有在消耗機(jī)械功的條件下，才有可能由低溫物體向高溫物體傳遞熱量。傳熱的基本方式有三種：熱傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射。而換熱器是根據(jù)流體間對(duì)流達(dá)到傳熱目的的。對(duì)流是指流體各部分質(zhì)點(diǎn)發(fā)生相對(duì)位移而引起的熱量傳遞過(guò)程，只能發(fā)生在流體中。冷、熱流體分別處在固體壁面的兩側(cè)，熱流體把熱量傳到壁面的一側(cè)，通過(guò)管壁后，再?gòu)谋诿娴牧硪粋?cè)把熱量傳給冷流體。這稱(chēng)為熱交換。如圖A中，冷流體定管內(nèi)，其溫度沿壁面由逐漸上升到；熱流體走管外，其溫度由逐漸下降到。冷、熱流體沿壁面平行流動(dòng)，而流動(dòng)方向彼此

28、相反，即逆流。在熱交換過(guò)程中，不但要考慮經(jīng)過(guò)固體間壁的熱傳導(dǎo)，而且往往更重要的是要考慮到間壁兩側(cè)的對(duì)流傳熱。 熱量自熱流體傳到間壁表面的一側(cè)，或自間壁另一例表面?zhèn)鹘o冷流體，都屬于對(duì)流傳熱。對(duì)流傳熱是在流體流動(dòng)的過(guò)程中發(fā)生的熱量傳遞現(xiàn)象，所以和流動(dòng)的情況密切相關(guān)。即使是在湍流流動(dòng)的情況下．流體主流由于旋渦叢生，流體各部分相關(guān)。 圖A 換熱器傳熱示意圖 即使是在湍流流動(dòng)的情況下．流體主流印由于旋渦叢生，流體各部分相互混合，所以熱阻很小，從而在和流體流動(dòng)方向垂直的截面上，湍流中心區(qū)各點(diǎn)流體之間的溫度趨于一致；但在緊靠壁面處，總有一層流體膜順著壁面作層流流動(dòng)，稱(chēng)為層流底層。在

29、冷流體一側(cè)，熱量在傳入冷流體主體之前，必須首先通過(guò)它。由于通過(guò)這層流體膜的傳熱是以導(dǎo)熱方式進(jìn)行的，所以流體膜雖薄，卻是對(duì)流傳熱的主要熱阻，溫度降也主要集中在層流底層中。分析一下圖A 中距離熱流體入口為處而與流體流動(dòng)垂直的截面上的溫度分布，如圖B所示。圖中與為層流底層的界面。為熱流體的中心溫度，也是最高溫度，為冷流體的中心溫度也即最低溫度。在熱流體的湍流主體中，由于流體質(zhì)點(diǎn)充分混合，溫度基本上是一致的，即圖中。在層沉底層內(nèi)，由于熱阻較大，溫度急劇由下降到。在層流底層和湍流主體之間，存在一個(gè)溫度逐漸變化的區(qū)域，稱(chēng)為過(guò)渡區(qū)，其中溫度由下降到。再往左通過(guò)管壁，因其材料通常為金屬，熱阻很小，因此，管壁兩

30、側(cè)的溫度和相差很小。此后在冷流體內(nèi)， 又順次通過(guò)層流底層、過(guò)渡區(qū)而到達(dá)湍流主體，溫度由經(jīng)下降到。 傳熱方程式為：。換熱器中進(jìn)行的傳熱過(guò)程按照熱路分析方法是一條由對(duì)流換熱—導(dǎo)熱—對(duì)流換熱等傳熱環(huán)節(jié)組成的串聯(lián)熱路。 圖B 對(duì)流傳熱時(shí)沿?zé)崃鞣较虻臏囟确植记闆r 2.3 換熱器的選型 每種形式的換熱器都有它本身的特點(diǎn)，明確它們各自的特點(diǎn)，將有助于對(duì)換熱器的選型。在設(shè)計(jì)換熱器時(shí)，對(duì)于形式的選擇是很重要的。一般通過(guò)各種計(jì)算對(duì)所選形式進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)對(duì)比，以便確定最佳條件下?lián)Q熱器的形式。 在換熱器選型時(shí)，考慮的因素是很多，如材料、壓力、溫度、溫度差、壓力

31、降、結(jié)垢的情況、流體的狀態(tài)、應(yīng)用方式、檢修和清理等。有些結(jié)構(gòu)形式在某種情況下使用是好的，但是在另外的情況下，卻不能令人滿(mǎn)意，或根本就不能使用。因此在選型時(shí)應(yīng)仔細(xì)分析所有的要求和條件，在許多相互制約的因素中應(yīng)全面考慮，找出其中的主要矛盾，給予妥善解決。根據(jù)上述在選型時(shí)所要考慮的各種因素看來(lái)，其目的就是要使所選換熱器的形式，能保證達(dá)到工藝所規(guī)定的換熱條件，強(qiáng)度足夠和結(jié)構(gòu)可靠，便于制造、安裝、檢修以及經(jīng)濟(jì)上的合理等。 根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)上給的已知參數(shù)，操作溫度在120℃左右，不是很高，兩種流體分別為水和污水（可當(dāng)做水算），較易清洗，不易結(jié)垢，管、殼壁溫差不大且設(shè)計(jì)的最高壓力不超過(guò)2MPa，這些條件都在

32、管殼式換熱器的適用的范圍內(nèi)，而管殼式換熱器可分為固定管板式、浮頭式、U形管式等，在這三種中，固定管板式結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單，在相同的殼體直徑內(nèi)，排數(shù)最多，比較緊湊，結(jié)合換熱器的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，選用固定管板式換熱器?？紤]到固定管板式換熱器熱膨脹能力差，將結(jié)合具體的計(jì)算來(lái)考慮是否設(shè)置膨脹節(jié)以減小殼體與管子兩者因溫差而產(chǎn)生的熱應(yīng)力來(lái)彌補(bǔ)固定管板式換熱器的這一缺陷。在相同的條件下，逆流傳熱比并流傳熱的溫差大，并能節(jié)省金屬用量，節(jié)省能源消耗，少占面積，故采用錯(cuò)流。 第三章 固定管板式換熱器的設(shè)計(jì) 3.1 熱力學(xué)計(jì)算 已知數(shù)據(jù) 操作 條件 操作溫度 （C） 管程 進(jìn)口125、出口95 設(shè)計(jì)溫

33、度 （C）（參考） 管程 25 殼程 進(jìn)口40、 出口65 殼程 25 操作壓力 Mpa（G） 管程 1.3Mpa 設(shè)計(jì)壓力 Mpa（G）（參考） 管程 1.6 殼程 0.4Mpa 殼程 0.5 介質(zhì) 管程（流量） 污 水（13.5t/h） 材質(zhì)（參考） 管程 20# 殼程（流量） 循環(huán)水（25t/h） 殼程 Q235-B 換熱器是否串聯(lián) 獨(dú)立一臺(tái) 3.1.1水的定性溫度和物性參數(shù) 水的定性溫度 水的比熱

34、 Cp2=4.175gK 水的密度 kg/m3 水的粘度 NS/m2 水的導(dǎo)熱系數(shù) W/mK 3.1.2污水的定性溫度和物性參數(shù) 污水的定性溫度 污水的比熱 CP1=4.233KJ/KgK 污水的密度 kg/m3 污水的粘度 NS/m2 污水的導(dǎo)熱系數(shù) W/mK 3.1.3有效平均溫差 逆流時(shí)的平均溫差為 溫度校正系數(shù)

35、 由P，R可查出溫度校正系數(shù)，先選用一殼程，所查出的大于0.8，可取，故選用1殼程4管程換熱器。查表得 3.1.4 傳熱系數(shù) （1）按經(jīng)驗(yàn)值初選總傳熱系數(shù)K。（估） =950W/(m?K){化工單元設(shè)備設(shè)計(jì)，P14} 初算出所需傳熱面積 （2）主要工藝尺寸及結(jié)構(gòu)基本參數(shù)的計(jì)算 ①初選鋼管 ②換熱管數(shù)

36、量及長(zhǎng)度確定 因?yàn)榱黧w的粘度小于,暫取。 設(shè)所需管數(shù)為n，那么， 則n=36根，又由傳熱面積S。=32.6m=nπd。LL=11.56m，據(jù)《常用化工設(shè)備設(shè)計(jì)》P185可選3m長(zhǎng)的鋼管，4個(gè)管程。因此，一臺(tái)換熱器的總管數(shù)為436=144根。 管程雷諾系數(shù),所以，Pr=1.61 ，所以， （3）殼程工藝參數(shù)計(jì)算 ①當(dāng)量直徑，《化工流體流動(dòng)與傳熱》P335，t=32《常用化工設(shè)備設(shè)計(jì)》P16 可算得， 管程內(nèi)徑, ， 整取500mm。 折流板間距，暫取0.15m，殼程流通面積 殼程流速 查得，污垢系數(shù)： 3.1.5 傳熱管和殼體壁溫核算

37、 管壁溫度 液體平均溫度 殼體壁溫的計(jì)算方法與傳熱管壁溫的計(jì)算方法類(lèi)似，但殼體壁溫可近似取殼程流體的平均溫度。即 3.2管程及殼程壓力降 3.2.1管程壓力降計(jì)算 因此，將已知數(shù)據(jù)代入以上公式， （1）流過(guò)直管由于摩擦所引起的壓力降 l----------傳熱管的長(zhǎng)度，m ---------傳熱管管內(nèi)徑，m u----------管內(nèi)流速， ----------流體密度，kg/m 取絕對(duì)粗糙度 （2）流過(guò)回彎管（進(jìn)出口阻力不計(jì)）因摩擦引起的壓力 所以，,因此滿(mǎn)足要求。 3.2.2 殼程壓力降校核 F=0.5《常用化工單元

38、設(shè)備設(shè)計(jì)》P41，正三角形排列。 殼程流體摩擦系數(shù)： 中心管數(shù) 折流板數(shù) 所以， 所以， 殼程壓力降滿(mǎn)足要求。 3.3 流程及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 固定管板式換熱器根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的不同可以分為剛性結(jié)構(gòu)和具有溫差補(bǔ)償兩類(lèi)。剛性結(jié)構(gòu)的固定管板式換熱器其外面的圓筒形殼體和內(nèi)部的換熱管(換熱管的總體叫管束)通過(guò)兩端的管板剛性的連接在一起。這樣參與換熱的兩種流體，一種在管內(nèi)流動(dòng)(稱(chēng)為管程)，一種在換熱管和殼體之間的空間流動(dòng)(稱(chēng)為殼程)，熱量使可通過(guò)管壁進(jìn)行傳遞．這種剛性結(jié)構(gòu)的固定管扳式換熱器由于換熱管、管板和殼體三者剛性的連接在一起，所以具有下述優(yōu)缺點(diǎn)： ’ 優(yōu)點(diǎn)：a)結(jié)

39、構(gòu)簡(jiǎn)單； b)緊湊； c)造價(jià)低。 缺點(diǎn)：a)管間不能清洗，故只能通以清潔流體； b)在操作過(guò)程中，如果換熱管和殼體的溫度相差較大時(shí)，或者溫度差不大，但兩者材料的線(xiàn)膨脹系數(shù)相差較大時(shí)，兩者要產(chǎn)生不同的膨脹量，從而在管子和殼體中必然產(chǎn)生應(yīng)力。 此應(yīng)力是因溫差產(chǎn)生的，叫做溫差應(yīng)力。 固定管板式換熱器結(jié)構(gòu)及主要部件 1.封頭 2.設(shè)備法蘭 3.排氣口 4。殼體 5.換熱管 6.折流板 7.防沖板 8.殼程接管 9.管板 10.管程接管 11.隔板 12.管箱

40、 13.排液口 14.定距管 15.拉桿 16.支座 17.墊片 具有溫差補(bǔ)償?shù)膿Q熱器是在殼體上帶膨脹節(jié)，從而降低溫差應(yīng)力。帶波形膨脹節(jié)的換熱器的優(yōu)點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單造價(jià)低同時(shí)可以降低溫差應(yīng)力。缺點(diǎn)是：由子波形膨脹節(jié)的承壓能力一般說(shuō)來(lái)比較差。是否需要膨脹節(jié)根據(jù)強(qiáng)度計(jì)算來(lái)判斷，具體見(jiàn)后。 3.3.1管子的設(shè)計(jì) 1、采用光滑管 光滑管結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造容易。缺點(diǎn)是它強(qiáng)化傳熱的性能不足。為了提高換熱器的傳熱系數(shù)，可采用結(jié)構(gòu)形式多樣化的管子，如異性管，翅片管，螺紋管等。 2、選用 的管子。 3、管長(zhǎng) 我國(guó)生產(chǎn)的無(wú)縫鋼管長(zhǎng)度一般為6m，故系列中換熱管的長(zhǎng)度分為1.5，2,3,4.5,6

41、米幾種， 本設(shè)計(jì)中采用3米長(zhǎng)的管子，其傳熱面積為： 4、管子的排列形式 管子的排列方法常用的有正三角形直列，正三角形錯(cuò)列，正方形直列和正方形錯(cuò)列。見(jiàn)圖C。 .正三角形錯(cuò)列 .正方形直列 .正方形錯(cuò)列 圖C 正三角形排列比較緊湊，在一定的殼徑內(nèi)可排列較多的管子，且傳熱效果好，但管外清洗較為困難。而正方形排列，管外清洗方便，適用于殼程中的流體易結(jié)垢的情況，其傳熱效果較正三角形差些。以上排列方式中最常用的是正三角形錯(cuò)列，用于殼側(cè)流體清潔，不易結(jié)垢，后者殼側(cè)污垢可以用

42、化學(xué)處理掉的場(chǎng)合。 本設(shè)計(jì)中采用正三角形錯(cuò)列的排列方式。 5、管數(shù) 標(biāo)準(zhǔn)管數(shù)為144根。 3.3.2管心距的設(shè)計(jì)： 采用脹接法固定時(shí)，管心距過(guò)小會(huì)造成脹接在擠壓作用下發(fā)生變形，失去管子與管板之間的連接力。故采用焊接法。 根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式： 隔板中心到離其最近一排管中心距離 S=t/2+6=32/2+6=22㎜ 各程相鄰管的管心距為。 3.3.3管板的設(shè)計(jì) 1、管板的作用：固定作為傳熱面的管束，并作為換熱器兩端的間壁，將管程流體分隔開(kāi)來(lái)。

43、 2、管板上的管孔數(shù)：即為殼體中的傳熱系數(shù)（包括圓缺形板區(qū)安置的）。 3、管板上的孔間距不宜過(guò)大，避免布管疏松，不利傳熱；也不宜過(guò)小，避免焊接時(shí)引起較大的應(yīng)力，影響焊接質(zhì)量，另外也不利于清掃殼程管束。 4、管板與殼體連接采用不可拆式，即直接焊在殼體上，稍微延伸，兼作法蘭，便于對(duì)脹口進(jìn)行檢查和維修以及清洗管子。 5、管板直徑與厚度 管板與殼體直徑應(yīng)保持一致。管板厚度與材料強(qiáng)度，介質(zhì)壓力，溫度和壓差，溫差以及管子和外殼的固定方式和受力因素有關(guān)。對(duì)于管子與管板脹接時(shí)，為保證脹接的可靠性，管板的最小厚度為。管子與管板焊接時(shí)，由于焊接可以達(dá)到甚至超過(guò)管子本身的強(qiáng)度，只要管子

44、強(qiáng)度足夠，管子厚度可不受限制，而由焊接工藝及焊接變形等要求來(lái)確定。 本設(shè)計(jì)中選取。 6、管子在管板上的固定方法，必須保證管子和管板連接牢固，不會(huì)在連接處產(chǎn)生泄漏。連接方式一般有三種：脹接法，焊接法，脹焊并用法；一般采用的事脹接法和焊接法。由于焊接法在高溫高壓下仍能使用，保持連接的緊密性，管孔加工要求低節(jié)約空的加工工時(shí)，同時(shí)焊接工藝比脹接工藝簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，故本設(shè)計(jì)中采用焊接法。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，管子外徑為25mm時(shí)，管板孔的直徑為25.8mm,允許偏差；相鄰孔中心距32mm，管孔中心距偏差：相鄰孔間，任意孔間；支撐板孔直徑25.6mm,允許偏差。 管子露出管板的長(zhǎng)度，采用1.5mm。 7、管板的

45、結(jié)構(gòu)型式 管板是換熱器的重要部件，常用的均為圓形平板。其結(jié)構(gòu)有管板兼作法蘭和不兼作法蘭的兩種。在兼作法蘭的管板中，由于密封要求的不同，多用于固定管板式換熱器中。故選用管板兼作法蘭型。結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖D。 圖D 固定管板式換熱器管板與殼體的連接 8、換熱管在管板上的排列 換熱管在管扳上的排列主要采用三種方法，即等邊三角形排列法，正方形排列法和組合排列法。 等邊三角形排列法優(yōu)點(diǎn)是：在一定的管板面積上可以放置較多的換熱管，提供較多的傳熱面；正方形排列法的優(yōu)點(diǎn)是換熱管外表面可用機(jī)械方法清理，管間可處理較臟流體。在多程列管換熱器中，常常在各程內(nèi)采用等邊三角形排列而在程與程之間采用正方形

46、排列，這種叫做組合排列法。當(dāng)換熱管管數(shù)較多時(shí)，無(wú)論是采用等邊三角形排列法還是正方形排列法，都應(yīng)在管束和殼體之間形成的弓形區(qū)內(nèi)配置盡可能多的換熱管。這樣做不但可以增大傳熱面，而且還可以防止殼程流體大部分從弓形空區(qū)通過(guò)，降低傳熱效果的缺點(diǎn)。同時(shí)，又能減小殼程流體的流通斷面，提高其流速，強(qiáng)化換熱器的換熱能力。 9、管板與殼體的連接 列管式換熱器的管板與殼體的連接型式分為不可拆式和可拆式兩大類(lèi)。固定管板式換熱器的管板和殼體是焊接在一起的，屬不可拆式連接。如圖E所示。 圖E 固定管板式換熱器殼體和管板的焊接結(jié)構(gòu) 10、固定管板計(jì)算

47、 T=20mm,總換熱管數(shù)n=144。一根管壁金屬的橫截面積為： 開(kāi)孔強(qiáng)度削弱系數(shù){GB 151-1999管殼式換熱器，P39} 管板間距L估取3050mm。 計(jì)算K： K=5.8 按管板簡(jiǎn)支考慮，依K值查得無(wú)量綱系數(shù) 管板最大應(yīng)力 管子最大應(yīng)力 筒體內(nèi)徑截面積 管板上管孔所占的總截面積 系數(shù) 系數(shù) 殼程壓力，管程 當(dāng)量壓差 管板采用16Mn， 換熱管為20號(hào)碳素鋼 管板，管子強(qiáng)度校核 所以，管板計(jì)算厚度滿(mǎn)足要求。 3.3.4管箱 管箱是位于列管換熱器兩端的重要部件。它的作用是接納由進(jìn)口接管來(lái)的

48、流體并分配到各換熱管內(nèi)，或是匯集由換熱管流出的流體，同時(shí)將其送入排出管而排出換熱器。選用頂部為橢圓形管箱。如左上圖所示。管箱流體進(jìn)出口也設(shè)在管箱側(cè)面。換熱器管程清洗或檢修時(shí)，只要把連接管道從管箱上卸開(kāi)，把管箱從換熱器上拆下即可。圖中點(diǎn)劃線(xiàn)表示管程隔板，管箱連接通常采用焊接。 （1） 管箱最小長(zhǎng)度得確定原則 多程管箱，流經(jīng)相鄰兩管程之間的最小流通面積應(yīng)大于或等于其中一程的管內(nèi)流通面積的1.3倍；但操作允許時(shí)也可等于每管程管子的流通面積（為方便計(jì)算，按各程的平均管數(shù)計(jì)算）。 （2） 管箱最小長(zhǎng)度計(jì)算 本設(shè)計(jì)選擇B型（封頭管箱）。按流通面積計(jì)算， 按各相鄰焊縫間

49、的距離計(jì)算， L取兩者較大者。{化工單元過(guò)程及設(shè)備課程設(shè)計(jì)，P119} 式中，為換熱管內(nèi)徑；mm； 為各程平均管數(shù)； E為各相鄰管程間分程處，物流流通的最小寬度，mm； 為封頭內(nèi)曲面高度，mm; 為封頭直邊高度，mm； 為封頭厚度，mm； 為接管位置尺寸，，mm； 為接管至殼體與封頭連接焊縫間距離，取100mm； 為封頭高度，，mm； C為接管補(bǔ)強(qiáng)圈外邊緣至設(shè)備法蘭或管箱殼體連接焊縫間的距離，； 為接管外徑，mm。 管箱內(nèi)壓降為 符合

50、要求。 3.3.5管束分程、管程隔板及其管板的連接 當(dāng)流體流量較小或換熱器的傳熱面較大而需管數(shù)很多時(shí)，為了增加管內(nèi)流速，提高傳熱效率，可將管束分程，即在管箱內(nèi)裝置與管子中心線(xiàn)相平行的管程隔板，使管積流體依次流過(guò)每程管子。當(dāng)管程流體在換熱器內(nèi)平行地流過(guò)一次時(shí)，稱(chēng)為單管程，流過(guò)二次時(shí)，稱(chēng)為雙程，以此類(lèi)推。但是，分程不宜太多，否則分程隔板占去管板面積太多，使排管數(shù)減少，換熱器顯得不夠緊湊，并且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，流體穿過(guò)隔板墊片短路的機(jī)會(huì)增多。隔板所占去的位置在殼程會(huì)形成沒(méi)有管子占據(jù)的走廊，也會(huì)造成殼程流體的短路旁通而不利于傳熱。前面已經(jīng)計(jì)算過(guò)選用雙管程。 為了保證管程隔板，管箱與管板之間連接的

51、可靠性，以及加工方便起見(jiàn)，管程隔板的型式應(yīng)力求簡(jiǎn)單，盡量縮短密封長(zhǎng)度，并應(yīng)使管程隔板密封面和管箱法蘭密封面處于在同一平面上，同時(shí)，還應(yīng)保證管程隔板在槽密封面和管板邊緣的密封面，也在同一平面上。 3.3.6折流板設(shè)計(jì) 1、 折流板 為了加大殼程流體的流速和湍動(dòng)程度，提高傳熱效果；為了對(duì)換熱管加以支撐，增加換熱管的剛度，減少振動(dòng)。在換熱器中，除冷凝器外多設(shè)置折流板。 折流板主要有圓缺形和盤(pán)環(huán)形兩種，其中最常用的是圓缺形。圓缺形折流板的結(jié)構(gòu)如圖F所示，它是一塊圓形板切去一個(gè)弓形部分而成。其切去部分的高度，一般為殼體內(nèi)徑的10～40%，尤其以殼體內(nèi)徑的20～25%最為常用。切去部分的高度過(guò)大或

52、過(guò)小，都對(duì)換熱不利，只有當(dāng)切去部分的高度適當(dāng)時(shí)，才能使殼程流體像圖F那樣以較好錯(cuò)流方式穿過(guò)換熱管束，提高換熱器的傳熱效率。 圓缺形折流板在臥式換熱器中的布置法有如圖所示的兩種。一種是將切去的 圖F 圓缺形折流板 圖G 臥式換熱器中圓缺形折流板的布置方法 弓形缺口部分上下布置如圖G；一種是將切去的弓形缺口部分左右布置。前一種布置法，可以造成殼程流體的劇烈攪動(dòng)，有利于熱量的傳遞，故選用前一種布置方式。 2、折流板的固定 在列管式換熱器中，折流板的固定通常是采用拉桿和定距管來(lái)實(shí)現(xiàn)

53、的。查參考文獻(xiàn)《常用化工單元設(shè)備設(shè)計(jì)》P30可得拉桿根數(shù)為4，拉桿直徑為12mm，拉桿孔直徑為12+1=13mm。 拉桿、管板和折流板之間采用點(diǎn)焊固定，如圖J所示的“焊接拉桿”。 圖J 拉桿和管板的連接結(jié)構(gòu) 3、本設(shè)計(jì)采用圓缺形性折流板。 4、圓缺形折流板在臥式換熱器中的排列分為圓缺上下方向和圓缺左右方向兩種。上下方向排列者可造成液體的劇烈湍動(dòng)，增大傳熱膜系數(shù)，這種結(jié)構(gòu)最為常用。故本設(shè)計(jì)中選用圓缺上下方向排列。 5、圓缺折流板的圓缺高度一般為至，本設(shè)計(jì)中采用 。

54、 6、允許折流板的間距與管徑有關(guān)，取折流板間距B=0.3D，則B=0.3500mm=150mm，取B為150mm。 折流板數(shù)目 折流板圓缺面水平裝配。 7、折流板外徑為500-5=495mm。 8、折流板厚度為5mm 3.3.7排氣孔和排液孔 圖H 排液與排氣口 對(duì)于不能利用原有接管進(jìn)行放氣或排液的列管式換熱器，應(yīng)當(dāng)注意在管程和殼程的最高處和最低處增設(shè)排氣孔和排液孔。其結(jié)構(gòu)形式如圖H. 用來(lái)進(jìn)行開(kāi)車(chē)前的放氣和停車(chē)后的排液。尤其對(duì)于蒸汽在殼程冷凝的換熱器，更需要設(shè)置排氣孔和排液孔，使蒸汽內(nèi)的惰性氣體不致大量積聚，并

55、使冷凝液及時(shí)排除，以防冷凝液將換熱管淹沒(méi)，減小傳熱面，或由于惰性氣體的積聚而降低換熱效率。由此可知，排氣孔和排液孔的采用，不但可以回收或排除工作介質(zhì)，而且又可提高換熱器的傳熱效率。 3.3.8殼體設(shè)計(jì) 經(jīng)初步計(jì)算，考慮其經(jīng)濟(jì)性等原因，本設(shè)計(jì)選取Q235-B型鋼材作為筒體材料。 ①殼體厚度計(jì)算： 其中, 查得：，（雙面焊縫）， 故 ②考慮到開(kāi)孔的削弱及安全，以及開(kāi)孔的強(qiáng)度補(bǔ)償措施，又參照GB151-1999 P19，取殼體厚度為8mm。 所以，設(shè)計(jì)符合要求。 3.3.9殼程接管的設(shè)計(jì) 1、殼程流體進(jìn)口接管：接管

56、內(nèi)液體流速為u1=0.43m/s，則接管內(nèi)徑為 查標(biāo)準(zhǔn)可取接管規(guī)格為。 2、管程流體進(jìn)出口接管：接管內(nèi)液體流速u(mài)2=0.35m/s，則接管內(nèi)徑為 查標(biāo)準(zhǔn)可取接管規(guī)格為。 3、殼層流體出口接管，為方便計(jì)算，取與殼程進(jìn)口管規(guī)格相同。 4、接管的外伸長(zhǎng)度 5、開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)及補(bǔ)強(qiáng)方法判別 （1）補(bǔ)強(qiáng)判別 允許不另行不強(qiáng)的最大接管外徑為。本設(shè)計(jì)開(kāi)孔外徑已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)其值，所以需要考慮其補(bǔ)強(qiáng)。 開(kāi)孔直徑 開(kāi)孔直徑,滿(mǎn)足等面積開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算的適用條件。 （2）補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算 由計(jì)算出的工藝設(shè)計(jì)條件接管尺寸為，考慮選用20

57、號(hào)鋼， 接管計(jì)算壁厚 接管有效壁厚 開(kāi)孔直徑 接管有效補(bǔ)強(qiáng)寬度 接管外側(cè)有效補(bǔ)強(qiáng)高度 需要補(bǔ)強(qiáng)面積 可以作為補(bǔ)強(qiáng)面積為 因此，該接管補(bǔ)強(qiáng)強(qiáng)度足夠，不需另設(shè)補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)。 3.3.10封頭設(shè)計(jì) 由于橢圓形封頭制造方便，結(jié)構(gòu)合理，用材較少，故本設(shè)計(jì)采用標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封

58、頭： 設(shè)計(jì)厚度： 為了與筒體配套和焊接方便，標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭內(nèi)徑為500mm，厚度為8mm，查JBT 4746-2002 P37和P38可知，H為150mm，h為25mm，重量約為19.6Kg。 封頭： 3.3.11試驗(yàn)壓力 本設(shè)計(jì)為內(nèi)壓容器，試驗(yàn)壓力應(yīng)根據(jù)以下式子進(jìn)行驗(yàn)算， 液壓試驗(yàn)： 氣壓試驗(yàn)： 式中：---試驗(yàn)壓力，MPa； P---設(shè)計(jì)壓力，MPa； ---容器元件材料在試驗(yàn)溫度下的許用應(yīng)力，MPa； ---容器元件材料在設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力，MPa。 壓力實(shí)驗(yàn)

59、前，應(yīng)按下式校核圓筒應(yīng)力： 式中，---試驗(yàn)壓力下圓筒應(yīng)力，MPa； ---圓筒內(nèi)徑，mm; ---試驗(yàn)壓力，MPa； ---圓筒的有效厚度，mm。 應(yīng)滿(mǎn)足以下條件： 液壓試驗(yàn)時(shí)， 氣壓試驗(yàn)時(shí)， 式中，---圓筒材料在試驗(yàn)溫度下的屈服點(diǎn)（或0.2%屈服強(qiáng)度），MPa； ---圓筒的焊接接頭系數(shù)。 由計(jì)算結(jié)果可知， =25.4MPa<(0.8~0.9)0.85235=(159.8~179.8) MPa,所以，滿(mǎn)足液壓及氣壓實(shí)驗(yàn)要求， 3.3.12支座 支座是換熱器的支撐裝置，應(yīng)用最廣泛的是鞍式支座和懸掛式支座。因換

60、熱器采用的是臥式結(jié)構(gòu)，故選用鞍式支座。在選擇支座位置時(shí)，既要考慮到利用封頭的加強(qiáng)效應(yīng)，又要考慮不使筒體中部的應(yīng)力增加過(guò)多。如果支座位于容器的端部則在容器中部產(chǎn)生很大的彎矩，如果支座位于容器的中部，則在支座處產(chǎn)生很大的彎矩。在《JBl167—82》標(biāo)準(zhǔn)中，推薦A≤0.2L，且，A、L、的意義見(jiàn)圖11。 圖11 鞍式支座 3.3.13法蘭及墊片為標(biāo)準(zhǔn)件 按《壓力容器與化工設(shè)備實(shí)用手冊(cè)》（上）選取。 第四章 膨脹節(jié) 換熱器的設(shè)計(jì)，除滿(mǎn)足工藝條件外，尚需滿(mǎn)足

61、強(qiáng)度條件。換熱器都承受內(nèi)壓或外壓，因此，殼體、管子、封頭、法蘭、開(kāi)孔等均需能承受相應(yīng)內(nèi)壓或外壓，不致受到破壞。但由于換熱器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在操作時(shí)的受力情況與容器不同。在固定管板式換熱器中，殼壁及管壁在操作時(shí)除承受由于殼程及管程流體壓力而產(chǎn)生的軸向力和周向力外，尚承受由于殼壁與管壁有溫度差而產(chǎn)生的溫差軸向力。所謂溫差軸向力就是由于操作時(shí)殼壁和管壁的溫度不同，因而殼體與管子的熱膨脹自由伸長(zhǎng)量就不相等，但兩者又是通過(guò)管板剛性的聯(lián)在一起，彼此的實(shí)際伸長(zhǎng)量又必須一樣，因而在大多數(shù)情況下(即當(dāng)管壁自由伸長(zhǎng)量大于殼壁自由仲長(zhǎng)量時(shí))，殼壁被迫拉伸，管壁被迫壓紙這種壓縮或拉伸的軸向力稱(chēng)為溫差軸向力。由此可見(jiàn)，單純

62、從受力角度來(lái)看，換熱器比容器多一個(gè)溫差軸向力，如果操作時(shí)殼壁溫度與管壁溫度差別很大，則在殼壁和管壁中就產(chǎn)生很大的溫差軸向力，若溫差應(yīng)力與受內(nèi)壓而產(chǎn)生的軸向應(yīng)力的總和超過(guò)殼體材料允許的應(yīng)力時(shí)，則殼體就受到破壞。當(dāng)其超過(guò)管子與管板的允許拉脫力時(shí)，則連接破壞。這種破壞是固定管板式換熱器所特有的。這就需要考慮設(shè)置膨脹節(jié) 換熱器是否設(shè)置膨脹節(jié)，主要取決于管程與殼程的溫差、壓差和殼體及管子的材料.當(dāng)溫差與壓差比較小時(shí)，殼體中所產(chǎn)生的應(yīng)力也較小，就不必設(shè)置膨脹節(jié).但若這種應(yīng)力達(dá)到一定數(shù)值，殼體本身補(bǔ)償不了這種變形差時(shí)，就要設(shè)置膨脹節(jié)來(lái)予以補(bǔ)償. 對(duì)于一臺(tái)受內(nèi)壓的換熱器，膨脹節(jié)的采用與否應(yīng)該根據(jù)下列三項(xiàng)計(jì)

63、算來(lái)判定: (1) 殼壁溫差應(yīng)力與殼壁內(nèi)壓軸向應(yīng)力的總和是否超過(guò)殼體材料允許的極限(包括焊縫的削弱). (2) 管壁溫差應(yīng)力與管壁內(nèi)壓軸向應(yīng)力的總和是否超過(guò)管體材料允許的極限. (3) 管子拉脫力是否超過(guò)管子脹接或焊接所允許的極限. 如前所述，殼體和管子在換熱器中均受到溫度應(yīng)力和內(nèi)壓軸向應(yīng)力的作用?，F(xiàn)分別計(jì)算。 4.1 壓力產(chǎn)生的應(yīng)力 換熱器受壓后所產(chǎn)生的軸向力為： （1） 式中：、——管子的外徑和內(nèi)徑； ——管子數(shù)； 、——?dú)こ虊毫Α⒐艹虊毫Γ? 該力由殼體和管子

64、共同承受，故此時(shí)，殼體所受與管子所受力之和應(yīng)等于，即： （2） 式中：——由壓力產(chǎn)生的殼體應(yīng)力，； ——由壓力產(chǎn)生的管子應(yīng)力，； ——?dú)んw截面積，； ——管子總截面積，； 同時(shí)，殼體與管子的應(yīng)力分配（即各自的大?。c彈性模量成正比，即： （3） 解式（2）和（3）得： （） （4） （）

65、 （5） 當(dāng)殼體與管子材料相同時(shí)，即則： （） （6） 4.2 溫差產(chǎn)生的應(yīng)力 溫差應(yīng)力是由于殼壁和管壁的溫差而產(chǎn)生的。設(shè)一固定管板式換熱器在操作時(shí)其殼壁溫度為，管壁溫度為，則殼體和管子都會(huì)因升溫而膨脹。如果兩者皆能自由膨脹，則殼體的自由伸長(zhǎng)量為： （） （7） 而管子的自由伸長(zhǎng)量為： （） （8） 上兩式中：、——?dú)んw和管子材料的線(xiàn)膨脹系數(shù)，； ——

66、殼體和管子的長(zhǎng)度，； ——裝配溫度，。 管子和殼體因熱膨脹而產(chǎn)生長(zhǎng)度變化的情況如圖所示。其中（a）是處于裝配溫度時(shí)的情況，這時(shí)殼體和管子長(zhǎng)度皆為。為便于分析，假設(shè)在操作狀態(tài)下管壁溫度大于殼壁溫度，即＞，管子的自由伸長(zhǎng)量大于殼體的自由伸長(zhǎng)量，即＞，如圖（b）所示。但在固定管板換熱器中，管子和殼體通過(guò)管板剛性地連在一起，如果整個(gè)結(jié)構(gòu)不發(fā)生變形和破裂，則由于相互間的剛性約束，管子和殼體最后必然處于同一平衡位置，它們的伸長(zhǎng)量都等于，如圖(c)所示。從圖(b)和(c)的比較中可以看到，這時(shí)管子受到了壓縮，被壓縮的長(zhǎng)度為-；而殼體則受到拉伸，被拉伸的 圖 殼體及管子的伸長(zhǎng)和壓縮 長(zhǎng)度為-。如果兩者的變形量均不超過(guò)彈性范圍，根據(jù)虎克定律，可以分別求出由此產(chǎn)生在管子中的壓縮力和殼體中的拉伸力。顯然，這兩個(gè)力是相等的。 按虎克定律： （9） （10） 式中：——因溫差引起管子所受的