1、換熱器是進行熱交換操作的工藝設備。廣泛應用于化工、石油、石油化工、電力、輕工、原子能、造船、航空、供熱等工業部門中。特別是在石油的煉制和化學加工裝置中，占有非常重要的地位。固定管板式換熱器的管束連接在管板上，管板與換熱器殼體焊接。其結構設計簡單、制造方便、能承受較高壓力、造價低；但材料的利用率不高；本設計嚴格按照要求，主要對固定管板式換熱器進行工藝計算，結構設計和強度計算，采用的方法分別為：根據兩流體的溫度變化情況和物料性質，選擇換熱器類型；再根據物料操作條件，估算換熱器的傳熱面積，然后求出總傳熱系數K，核算傳熱面積；按照GB150-1998，分別對換熱器的各個部分結構進行選擇、設計；嚴格按照

　　2、GB151-1999，分別對封頭、筒體、管板法蘭進行強度計算和校核。然后再結合石油、化工、制藥、食品等行業實際而進行優化設計，解決了換熱器設計中多目標之間相互矛盾的問題，以及提高材料的利用率，增強換熱效果，節省了材料。本換熱器適用性強，用途廣泛，具有非常廣闊的發展前景。關鍵詞：換熱器；管板；筒體；折流板；工藝計算；結構設計；強度計算Abstract目錄摘要IAbstractII**章 緒論11.1 選題背景和意義11.2 國內外研究現狀1第2章 設計方案32.1 選擇換熱器的類型32.2 物料流程安排3第3章 工藝計算43.1 確定物性參數43.2 估算傳熱面積43.3.1 熱流量43.3.2

　　3、 平均傳熱溫差43.3.3 傳熱面積53.3.4 冷卻水用量53.4 工藝結構尺寸53.4.1 管徑和管內流速53.4.2 管程數和傳熱管數53.4.3 平均傳熱溫差校正及殼程數63.4.4 傳熱管排列和分程方法63.4.5 殼體內徑73.4.6 折流板73.4.7 接管73.5 換熱器核算73.5.1 熱流量核算73.5.1.1 殼程表面傳熱系數73.5.1.2 管內表面傳熱系數83.5.1.3 污垢熱阻和管壁熱阻93.5.1.4 計算傳熱系數93.5.1.5 換熱器的面積裕度93.5.2 換熱器內流體的流動阻力103.5.2.1 管程流體阻力103.5.2.2 殼程流體阻力.6

　　4、換熱器主要結構尺寸和計算結果表11第4章 強度計算134.1 殼體、管箱殼體和封頭的設計134.1.1 壁厚的確定134.1.2 封頭的設計144.1.3 進出口的設計144.1.3.1 接管外伸長度144.1.3.2 接管與筒體、管箱殼體的鏈接144.1.3.3 接管位置144.2 管板與換熱管154.2.1 管板154.2.1.1 管板結構154.2.1.2 管板*小厚度164.2.1.3 管板尺寸164.3 殼體與管板、管板與法蘭及換熱管的連接164.3.1 殼體與管板的連接結構164.3.2 管板與法蘭的連接164.3.3 管子與管板164.4 螺栓法蘭連接設計174.4.1 墊片選擇

　　5、174.4.2 螺栓設計174.5 管板設計18第5章 其他各部件結構205.1 折流板205.1.1 折流板管孔205.1.2 折流板的布置205.2 拉桿205.3 防沖板215.4 支座215.5 膨脹節215.6 鞍座的選擇235.7 各種可能情況下的應力校核265.7.1 只有殼程設計壓力而管程設計壓力265.7.2 只有管程設計壓力而殼程設計壓力33結論40參考文獻41致謝42**章緒論1.1 選題背景和意義換熱器是將熱流體的部分熱量傳遞給冷流體的設備，又稱熱交換器。換熱器是實現化工生產過程中熱量交換和傳遞不可缺少的設備。在石油、化工、輕工、制藥、能源等工業生產中，常常需要將低溫流

　　6、體加熱或者把高溫流體冷卻，將液體汽化成蒸汽或者將蒸汽冷凝成液體。這些過程均和熱量傳遞有著密切的聯系，因而都可以通過換熱器來完成。隨著經濟的發展和進步，各種不同的型式和種類的換熱器發展很快，新的結構、新的材料的換熱器不斷涌現。為了適應發展需要，我國已經對某些種類的換熱器已經建立了標準，形成了系列。換熱器應用廣泛，日常生活中取暖所用的暖氣散熱片、航天火箭上的油冷卻器和汽輪機裝置中的凝汽器等，都是換熱器。它還廣泛的應用于石油、化工、原子能和動力等工業部門。它的主要功能是保證工藝過程對介質所要求的特定的溫度，也是提高能源利用率的主要設備之一。換熱器既可是一種單元設備，如加熱器、冷卻器和凝汽器等；也可是

　　7、某一工藝設備的組成部分，如氨合成塔內的換熱器。換熱器是化工生產中重要的單元設備，根據統計，熱交換器的噸位約占整個工藝設備的20%有的甚至高達30%，其重要性可想而知。1.2 國內外研究現狀近年來，國內換熱器行業生產規模迅速擴大，換熱器企業近2000家，其中銷售收入超過500萬元的企業在900家以上，數量堪稱****。但我國換熱器行業還是存在如制造技術水平低、行業集中度不高等問題，離換熱器強國的距離還很遠。進入21世紀后，大量的強化傳熱的技術應用于工業裝置,我國的換熱器產業在技術水平上獲得了迅速的提升,板式換熱器的的進入國內核電建設項目核島和常規島領域,并陸續的將板式換熱器用于鈦白粉生產線、大乙

　　8、烯項目等領域。四平巨元瀚洋板式換熱器公司也成功的進入了大亞灣二期嶺澳核電站的核島和常規島領域。與國外**水平相比較，我國換熱器產業*大的技術差距在于換熱器產品的基礎研究和原理研究，尤其是缺乏介質物性數據，對于流場、溫度場、流動狀態等工作原理研究不足。目前國際的研究機構有美國傳熱研究公司（Heat Transfer Research Inc.）即HTRI，該公司幾年來致力于計算機應用軟件的開發，所開發的網絡優化軟件，各種換熱器工藝設計軟件計算**，不進節省了人力提高了效率，而且提高了技術經濟性能，英國傳熱即流體服務中心（Heat Transfer and Flow Service）即HTFS，與

　　9、各大高校和企業合作進行專門的研究成果顯著。第2章設計方案2.1 選擇換熱器的類型兩物料流體的溫度變化情況：煤油進口溫度：135；出口溫度：35冷卻水進口溫度：25；出口溫度32該換熱器用循環冷卻水冷卻，即使冬季操作時，其進口溫度有所降低，但換熱器的管壁溫度和殼壁溫度之差也不是很大，因此選擇固定管板式換熱器。2.2 物料流程安排從兩流體的操作壓力看，煤油壓力大走管程，循環冷卻水壓力小走殼程；又由于煤油相對循環冷卻水較易結垢，若其流速太低將會加快污垢增長速度，使換熱器的傳熱速率下降，所以應使循環水走管程，煤油走殼程。第3章工藝計算3.1 確定物性參數殼程流體的定性溫度為：管程流體的定性溫度為：煤油

　　10、在85下的物性數據：密度 定壓比熱容 導熱系數 粘度 循環冷卻水在28.5下的物性數據：密度 定壓比熱容 導熱系數 粘度 3.2 估算傳熱面積熱流量平均傳熱溫差傳熱面積假設K=350W/·冷卻水用量3.4 工藝結構尺寸管徑和管內流速選用較高級冷拔傳熱管，取管內流速管程數和傳熱管數依據傳熱管內徑和流速確定單程傳熱管數按單程管計算，所需的傳熱管長度為：按單管程設計，傳熱管過長，宜采用多管程結構，根據本設計實際情況，采用標準設計，取傳熱管長為l=4.5m，則該換熱器的管程數為：傳熱管總根數：采用三角形排列，根據排管數表，取N=91根，如圖3-1所示： 3-1 換熱器排管方式平均傳熱溫差校正

　　11、及殼程數平均傳熱溫差校正系數：按單殼程，2管程結構，溫差校正系數應查有關圖表可得平均傳熱溫差由于平均傳熱溫差校正系數大于0.8，同時殼程流體流量較大，故取單殼程合適。傳熱管排列和分程方法則管束的分程方法，每程各有傳熱管91根，其前后管箱中隔板設置和介質的流通順序，如圖所示。圖3.1 流體流通順序和分程方法殼體內徑采用多管程結構，取管板利用率，則殼體內徑為圓整可取D=400mm折流板選用弓形折流板，取弓形折流板的圓缺高度為殼體內徑的四分之一，則需要切去的圓缺高度為h=0.25×400=100mm折流板的間距為B=0.3D,則B=0.3×400=120mm取150mm折流板數

　　12、接管殼程流體的進出口接管：取接管內煤油的流速為=1.0m/s,則接管的內徑為管程流體的進出口接管：取接管內循環水的流速=1.5m/s,則接管的內徑為圓整可取3.5 換熱器核算熱流量核算.1 殼程表面傳熱系數可用克恩公式：當量直徑：殼程流通截面積：殼程流體流速及其雷諾數分別為：普朗特準數粘度校正.2 管內表面傳熱系數管程流體流通截面積：管程流體流速及其雷諾數分別為：普朗特準數：.3 污垢熱阻和管壁熱阻查有關文獻可取管外側污垢熱阻 管內側污垢熱阻 管壁熱阻 .4 計算傳熱系數計算傳熱面積S實際傳熱面積.5 換熱器的面積裕度傳熱面積裕度合適，能完成生產任務。換熱器內流體的流動阻力.1 管程流體阻力由

　　13、于Re=.6 查莫狄圖得i=0.026 流速=1.51m/s =996kg/m3在允許范圍內。2 殼程流體阻力=1964.1Pa 總阻力損失=3337Pa，符合要求。壁溫核算因為管壁很薄，且管壁熱阻很小，所以管壁溫度可以按公式又因為該換熱器用循環冷卻水冷卻，冬季操作時，循環冷卻水的進口溫度會降低，為確保可靠，取循環冷卻水進口溫度為15，出口溫度為32計算傳熱管壁溫。另外，由于傳熱管內側污垢熱阻較大，會使傳熱管壁溫升高，降低殼體和傳熱管溫之差。但在操作初期污垢熱阻較小，殼體和傳熱管壁溫差可能較大。計算時，按*不利的操作條件考慮，因此，取兩側污垢熱阻為0計算傳熱管壁溫。則有：

　　14、式中：W/(m2·K)W/(m2·K)傳熱管平均壁溫tt=殼體壁溫可近似取為殼體流體的平均溫度既：T=85。殼體壁溫和傳熱管壁溫之差為：=59.13.6 換熱器主要結構尺寸和計算結果表換熱器主要結構尺寸和計算結果表如表所示。表3-1 換熱器主要結構尺寸和計算結果表管程殼程流量 kg/h 5000溫度進/出25/32 135/35壓力定性溫度 85比熱容kJ/(kg·粘度Pa·s×10-3普蘭特數導熱系數W/(m2·流速傳熱膜系數W/(m2·污垢熱阻 (m2·K)/ W阻力損失表 設備結構參數固定管板式臺

　　15、數1殼體內徑 mm400殼程數1管徑 mm管心距 mm44管長 mm4500管子排列正三角形管數目（根）91折流板數（個）44傳熱面積 m2折流板間距 mm1504材質不銹鋼第4章強度計算4.1 殼體、管箱殼體和封頭的設計壁厚的確定計算厚度：式中 計算厚度，mm計算壓力，mm筒體內徑，mm設計溫度下圓筒材料的許用應力，Mpa焊接接頭系數設計厚度：查得鋼板負偏差名義厚度：向上圓整至剛才標準規格厚度則殼體的有效厚度為封頭的設計取標準橢圓形封頭K=1 =1 設計厚度：取厚度負偏差名義厚度：為便于與管箱殼體、封頭焊接，名義厚度取8mm。則封頭的有效厚度：進出口的設計.1 接管外伸長度查表得，接管外伸長

　　16、度取200mm。2 接管與筒體、管箱殼體的鏈接結構形式：采用插入式焊接結構，一般接管不得凸出于殼體的內表面。3 接管位置為了使換熱器的傳熱面積得到充分利用，殼程物料進出口接管應盡量靠近兩端管板，而管箱進出接管盡量靠近管箱法蘭，這樣可以縮短管箱殼體長度，減輕設備的重量，但是為了保證設備制造，安裝，管口距法蘭管板和法蘭的距離也不能太小。1、 殼程接管的位置無補強圈時接管的位置：在本設計中取L1=99.5mm。2、 管箱接管的位置無補強圈時接管的位置：在本設計中取L2=148mm。4.2 管板與換熱管管板管板是管殼式換熱器中一個重要元件，它除了與管子和殼體等的連接外，還是換熱器中的一個重要受壓元

　　17、件。對管板的設計，除滿足強度要求外，同時應合理的考慮其結構設計。1 管板結構碳鋼制整體管板。碳鋼管板的隔板槽寬度為12mm，槽深一般不小于4mm。選擇固定管板兼作法蘭的管板，管板與法蘭連接的密封面為凸面。分程隔板拐角處，倒角為10×45°。具體結構如圖所示。圖4.1 管板結構.2 管板*小厚度管板的*小厚度除了要滿足強度計算要求外，當管板和換熱管采用焊接時，應滿足結構設計和制造的要求，且不小于12mm。3 管板尺寸查表可得：4.3 殼體與管板、管板與法蘭及換熱管的連接殼體與管板的連接結構考慮到介質溫度、壓力及物料性質，本設計采用管板兼作法蘭的不可拆結構，連接型式如圖所示

　　18、圖4.2 殼體與管板的連接管板與法蘭的連接管板與法蘭的連接，當管板兼做法蘭時，管箱與法蘭的連接一般都為固定式管板換熱器。管子與管板對于管子與管板的連接結構形式，在此選擇脹接。如圖所示。圖4.3 換熱管與管板的連接4.4 螺栓法蘭連接設計根據JB/T 4701-2000選取甲型平焊法蘭，密封面選擇平面。墊片選擇參照JB4704-2000非金屬軟墊片標準，采用石棉橡膠板，密封面用凸面墊片厚度取3mm墊片系數m=2比壓力y=11MPa墊片寬度N=18mm螺栓設計預緊狀態下需要的*小螺栓載荷操作狀態下需要的*小螺栓載荷需要的螺栓面積 取螺栓規格 M=20mm A=235mm2螺栓數量 假設

　　19、螺栓個數為8個，總截面積為：不小于，符合要求。4.5 管板設計由上述條件可得管板的假設厚度為管子加強系數：查表可知：開孔面積：橫截面積：剛度比：*大壓差：管板的*大應力：查表得強度校核：管板厚度符合強度要求，取厚度為40mm。第5章其他各部件結構5.1 折流板為了增加殼程流體的流速，提高殼程的傳熱膜系數，從而達到增加總傳熱系數的目的。同時折流板對于臥式換熱器的換熱管有一定的支撐作用，當換熱管的長度過長，而管子承受壓應力過大時，在滿足換熱器的殼程允許壓力降情況下，增加折流板數量。減小折流板的間距，對緩解換熱管受力狀況和防止流體流動的誘發振動有一定作用，折流板也有利于換熱管的安裝。本設計設置29塊

　　20、單弓形折流板。折流板的缺口高度為100mm，厚度為5mm，折流板間距為150mm。折流板管孔查表可得，管孔直徑為25.4mm。折流板的布置折流板的布置，一般應使管束兩端的折流板盡可能靠近殼程進、出口接管，其余折流板按等距離布置。5.2 拉桿本設計采用拉桿定距結構，具體尺寸查表可得直徑為12mm，數量為4根。如圖所示。圖5.1 拉桿定距結構5.3 防沖板為了防止殼程物料進出口處，流體對換熱管表面的直接沖刷，應在殼程進出口管設置防沖板。防沖板外表面到圓筒內壁的距離可按下式計算：，其型式如圖所示。圖5.2 防沖擋板結構5.4 支座支座是用來支承容器及設備重量，并使其固定在某一位置的壓力容器附件。5.

　　21、5 膨脹節固定式管板換熱器換熱過程中，管束與殼體有一定的溫差存在，而管板、管束與殼體之間是剛性地連在一起的，當溫差達到某一個溫度值時，由于過大的溫差應力往往會引起殼體的破壞或造成管束彎曲。當溫差很大時，可以選用浮頭、U型及填料函式換熱器。但上述換熱器的造價較高，若管間不需要清洗時，亦可采用固定管板式換熱器，但需要設置溫差補償裝置，如膨脹節。在本設計中，不需要設置膨脹節。采用波紋管膨脹節，膨脹節焊在筒體外側，不帶加強圈。在換熱器的液體流動方向焊一作導流用的襯板，以減少流動阻力。單層波紋管m=1，波根外徑=600mm，波高100mm，壁厚6mm，波長為155mm。選用Q235-A材料。進行強度計算

　　22、：彈性模量MPa，許用應力，屈服力平均直徑壁厚減薄以后*小有效厚度1、系數計算查系數、曲線圖（注意，查時用，查、時用）。查的系數：，2、應力計算因為該膨脹節是單層膨脹節，m=1（1）內壓引起的周向薄膜應力（2）內壓引起的經向薄膜應力（3）內壓引起的經向彎曲應力（4）伸縮變形引起的經向薄膜應力（5）伸縮變形引起的經向彎曲應力3、剛度計算單波彈性剛度膨脹節的整體剛度在此 n=2，4、應力評定所以該膨脹節滿足要求。5.6 鞍座的選擇碳鋼密度為：7850 kgm31、殼體質量和殼體容積1）、殼體質量殼體材料體積為：殼體的質量為：2）、殼體容積2、封頭的質量查文獻知標準橢圓形封頭的質量為61kg3、

　　23、管箱的質量1）、管箱筒體的質量管箱筒體金屬體積：管箱筒體的質量為：2）、管箱容積體積公式計算：4、 換熱管的質量換熱管金屬體積：換熱管質量為：5、 接管質量1） 排氣、排污接管質量排氣、排污接管金屬體積為： 排氣、排污接管質量：2）物料進出口接管質量物料進出口接管金屬體積為： 物料進出口接管質量為：6、換熱器裝滿水的質量換熱器的體積為： 裝滿水的質量為：7、折流板的質量616kg8、定距管、螺母螺栓等其他小部件的質量估算拉桿、定距管及螺母螺栓的質量為100kg；9、換熱器的*大載荷1） 設備裝滿水的總質量為： 2） 總載荷為：10、鞍座的選擇鞍座材料：Q235-A根據總質量可選輕型A的鞍式支座

　　24、120度包角，焊制，四筋，帶墊板標記：JBT4712-92，鞍座A-1000-F數量：2一個為滑動式(S)，一個為固定式(F) ，靠近管箱側為固定支座公稱直徑DN： 400 mm允許載荷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墊板弧長b4，4，e： 518mm，270mm，6mm，40mm螺栓間距L2：160mm鞍座的質量：44kg5.7 各種可能情況下的應力校核只有殼程設計壓力而管程設計壓力1. 不計入膨脹變形差 ，殼程設計壓力MPa；當量壓力組合MP

　　25、a；有效壓力組合 （5-17）MPa基本法蘭力矩系數： （5-18）管板邊緣力矩系數： （5-19）管板邊緣剪切系數： 管板總彎矩系數：系數： 系數，當時，按和，查表得：；系數，取，故。管板布管區周邊剪切應力系數：管板徑向應力系數：管板布管區周邊處徑向應力系數：殼體法蘭力矩系數：管板徑向應力： MPaMPa。區周邊處徑向應力：MPaMPa管板布管區周邊剪切應力：MPaMPa殼體法蘭應力：MPaMPa殼程圓筒軸向應力：MPaMPa換熱管軸向應力（位于管束周邊處換熱管軸向應力）：MPaMPa換熱管與管板的焊腳高度按規定，mm，換熱管與管板連接的拉脫力：MPaMPa2. 計入膨脹變形差設定環境溫度，

　　26、則換熱管與殼程圓筒的熱膨脹變形差：MPa有效壓壓力MPa基本法蘭力矩系數：管板邊緣力矩系數：管板邊緣剪切系數：管板總彎矩系數：系數：系數，當時，按和，查表得；系數，取，故。管板布管區周邊剪切應力系數：管板徑向應力系數：管板布管區周邊處徑向應力系數：殼體法蘭力矩系數：管板徑向應力： MpaMPa區周邊處徑向應力：MPaMPa管板布管區周邊剪切應力：MPaMPa殼體法蘭應力：MPaMPa殼程圓筒的軸向應力：MPaMPa換熱管的軸向應力（位于管束周邊處換熱管軸向應力）：MPa換熱管與管板焊腳高度為mm，換熱管與管板連接的拉脫力：MPaMPa只有管程設計壓力而殼程設計壓力1. 不計入膨脹變形差這時：

　　27、殼程設計壓力MPa；當量壓力組合MPa；有效壓力組合MPa；管程壓力操作工況下的法蘭力矩系數：管板邊緣力矩系數：管板邊緣剪切系數： 管板總彎矩系數：當時，按和，查表得：管板布管區周邊剪切應力系數：管板徑向應力系數：管板布管區周邊處徑向應力系數：殼體法蘭力矩系數：管板徑向應力：MPaMPa，合格。管板布管區周邊處徑向應力：MPaMPa，合格。管板布管區周邊剪切應力：MPaMPa，合格。殼體法蘭應力：MPaMPa，合格。殼程圓筒軸向應力：MPaMPa換熱管軸向應力（位于管束周邊處換熱管軸向應力）：MPaMPa換熱管與管板的焊腳高度為mm，換熱管與管板連接的拉脫力：MPaMPa，合格。2. 計入

　　28、膨脹變形差 已知： ，MPa，殼程設計壓力MPa；當量壓力組合MPa；有效壓力組合；基本法蘭力矩系數：管板邊緣力矩系數：管板邊緣剪切系數： 管板總彎矩系數系數，當時，按和，查表得：。管板布管區周邊剪切應力系數：管板徑向應力系數：管板布管區周邊處徑向應力系數：殼體法蘭力矩系數：管板徑向應力： MPaMPa管板布管區周邊處徑向應力：MPaMPa管板布管區周邊剪切應力：MPaMPa殼體法蘭應力：MPaMPa殼程圓筒軸向應力：MPaMPa換熱管軸向應力（位于管束周邊處換熱管軸向應力）MPaMPa換熱管與管板的焊腳高度mm，換熱管與管板連接的拉脫力：MPaMPa結論通過兩個多月的的畢業設計，我深刻了解和

　　29、掌握了換熱器的基本知識和設計要領，讓我對大學所學的知識進一步加深了理解和認識。換熱器是進行熱交換操作的通用工藝設備。廣泛應用于化工、石油、石油化工、電力、輕工、冶金、原子能、造船、航空、供熱等工業部門中。特別是在石油煉制和化學加工裝置中，占有極其重要的地位。換熱器的設計主要包括：工藝計算，總體結構設計和強度核算。其中工藝計算部分*重要的是對傳熱系數K的選取和計算，總體結構設計中*點部分是管板的設計，強度核算也很重要，解決這些問題的方法分別為：根據兩流體的溫度變化情況和物料的性質，選擇換熱器的類型；再根據物料的操作條件，估算傳熱面積，然后求出總傳熱系數K，核算傳熱面積；按照GB150-1998，

　　30、分別對換熱器各個部分結構進行選擇、設計；嚴格按照GB151-1999，分別對封頭、筒體、管板法蘭進行強度計算和校核。固定管板式換熱器的管束連接在管板上，管板與殼體焊接。其結構簡單、制造方便、能承受較高的壓力、造價低；但材料的利用率不高，特別是靠近管板端的流體換熱基本上處于停滯狀態另外對于管殼程溫差較大的工況,其殼程筒體、換熱管及管板等受壓元件上會產生較大的溫差應力，常常使換熱器強度設計時應力校核不合格,而不得不增設膨脹節或改用其它形式的換熱器,這樣不但增加了制造的難度,同時也提高了設備的造價，結合上面換熱器的特點，本設計解決了換熱器設計中和現實相互矛盾的問題。畢業設計結束了不代表我的學習結束，相反我要通過畢業設計，把所學的知識運用到以后工作崗位中，增強自己的專業知識，進而增強自己的工作能力

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