管壳式换热器的设计(化工机械课程设计).doc

1、 化工与材料学院09级本科生化工机械设备课程设计 课程设计任务书20112012学年第 2 学期学生姓名： 专业班级：指导教师： 工作部门： 一、课程设计题目管壳式换热器的设计二、课程设计内容1管壳式换热器的结构设计 包括：管子数n，管子排列方式，管间距的确定，壳体尺寸计算，换热器封头选择，容器法兰的选择，管板尺寸确定塔盘结构，人孔数量及位置，仪表接管选择、工艺接管管径计算等等。2. 壳体及封头壁厚计算及其强度、稳定性校核（1）根据设计压力初定壁厚；（2）确定管板结构、尺寸及拉脱力、温差应力；（3）计算是否安装膨胀节；（4）确定壳体的壁厚、封头的选择及壁厚，并进行强度和稳定性校核。3. 筒体和

2、支座水压试验应力校核4. 支座结构设计及强度校核 包括：裙座体（采用裙座）、基础环、地脚螺栓5. 换热器各主要组成部分选材，参数确定。6. 编写设计说明书一份7. 绘制2号装配图一张，Auto CAD绘3号图一张（塔设备的）。三、设计条件（1）气体工作压力管程：半水煤气（1、0.80MPa；2、0.82 MPa；3、0.85Mpa；4、0.88 MPa ；5、0.90 MPa）壳程：变换气 （1、0.75MPa；2、0.78 MPa；3、0.80Mpa；4、0.84 MPa ；5、0.85 MPa）（2）壳、管壁温差50，ttts 壳程介质温度为320-450，管程介质温度为280-420。（

3、3）由工艺计算求得换热面积为120m2，每组增加10 m2。（4）壳体与封头材料在低合金高强度刚中间选用，并查出其参数，接管及其他数据根据表7-15、7-16选用。（5）壳体与支座对接焊接，塔体焊接接头系数=0.9（6）图纸：参考图7-52，注意：尺寸需根据自己的设计的尺寸标注。五、基本要求1.学生要按照任务书要求，独立完成塔设备的机械设计；2.设计说明书一律采用电子版，2号图纸一律采用徒手绘制；3.各班长负责组织借用绘图仪器、图板、丁字尺；学生自备图纸、橡皮与铅笔；4.画图结束后，将图纸按照统一要求折叠，同设计说明书统一在答辩那一天早上8：30前，由班长负责统一交到HF508。5.根据设计说

4、明书、图纸、平时表现及答辩综合评分。六、说明书的内容 1.符号说明2.前言（1）设计条件；（2）设计依据；（3）设备结构形式概述。3.材料选择（1）选择材料的原则；（2）确定各零、部件的材质；（3）确定焊接材料。4.绘制结构草图（1）换热器装配图（2）确定支座、接管、人孔、控制点接口及附件、内部主要零部件的轴向及环向位置，以单线图表示；（3）标注形位尺寸。（4）写出图纸上的技术要求、技术特性表、接管表、标题明细表等5.壳体、封头壁厚设计（1）筒体、封头及支座壁厚设计；（2）焊接接头设计；（3）压力试验验算；6.标准化零、部件选择及补强计算：（1）接管及法兰选择：根据结构草图统一编制表格。内容包

5、括：代号，PN,DN,法兰密封面形式，法兰标记，用途）。补强计算。（2）人孔选择：PN,DN,标记或代号。补强计算。（3）其它标准件选择。7.结束语：对自己所做的设计进行小结与评价，经验与收获。8.主要参考资料。【格式要求】：1.计算单位一律采用国际单位； 2.计算过程及说明应清楚；3.所有标准件均要写明标记或代号； 4.设计说明书目录要有序号、内容、页码；5.设计说明书中与装配图中的数据一致。如果装配图中有修改，在说明书中要注明变更；6.书写工整，字迹清晰，层次分明； 7.设计说明书要有封面和封底，均采用A4纸，装订成册。七、主要参考资料1. 化工设备机械基础课程设计指导书.化学工业出版.

6、2005.12.化工设备机械基础第五版 刁与玮 王立业 编著 2003.3；3. 化工单元过程与设备设计匡国柱 史启才 主编；4.化工制图华东化工学院制图教研室编 人民教育出版社 1980；5.化工设备机械基础参考资料；6.钢制压力容器GB150-1998；7.钢制塔式容器JB4710-1992；8. GB151-1999 管壳式换热器1999年；9.压力容器安全技术监察规程国家质量技术监督局 1999年。 教研室主任签名： 年 月 日 35 管壳式换热器的结构设计摘 要课程设计理论是学生理论联系实际的一次很好的机会，本次实验就管壳式换热器进行一次课程设计，掌握并了解在工业生产中节能、高效、环

7、保等概念。 换热设备在炼油、石油化工以及在其他工业中使用广泛，它适用于冷却、冷凝、加热、蒸发和废热回收等各个方面。 其中，管壳式换热器虽然在换热效率、设备的体积和金属材料的消耗量等方面不如其他新型的换热设备，但它具有结构坚固、弹性大、可靠程度高、使用范围广等优点，所以在各工程中仍得到普遍使用。 管壳式换热器的结构设计，是为了保证换热器的质量和运行寿命，必须考虑很多因素，如材料、压力、温度、壁温差、结垢情况、流体性质以及检修与清理等等来选择某一种合适的结构形式。对同一种形式的换热器，由于各种条件不同，往往采用的结构亦不相同。在工程设计中，除尽量选用定型系列产品外，也常按其特定的条件进行设计，以满

8、足工艺上的需要（得到适合工况下最合理最有效也最经济的便于生产制造的换热器等等）。关键词：管壳式换热器课程设计 管壳式换热器使用范围 管壳式换热器的结构设计 Structure design of shell-and-tube heat exchangerAbstractStudent in course design theory is a good opportunity of integrating theory with practice,this experim ent on the course design of shell-and-tube heat exchanger, ind

9、ustrial production, mastering and understanding concepts such as energy conservation, effciency, environmental protection. Heat exchanger in oil refining, petrochemical, and widely used in other industries, it is suitable for cooling, heating, evaporation and condensation, heat recovery, and various

10、 other aspects.Among them, shell-and-tube heat exchanger in the heat transfer efficiency, size of equipment and metal consumption than other new type of heat-exchange equipment, but it has a strong structure, flexibility, high reliability, widely used and so on, so the project is still being widely

11、used.Structure design of shell-and-tube heat exchanger, is to ensure that the heat exchanger and the quality of life, you must consider many factors, such as material, pressure, temperature and wall temperature difference, scaling, fluid properties, as well as maintenance and cleaning, and so on to

12、choose an appropriate structure.With a form of heat exchangers, for a variety of conditions, often used structures are not the same.In engineering design, apart from used as far as possible the training series, often designed according to their specific conditions, to meet the needs of technology (s

13、upported by most reasonable under suitable conditions the most effective and most economic manufacture of heat exchangers, and so on).Key words：Course design of shell-and-tube heat exchanger Shell-and-tube heat exchanger use Structure design of shell-and-tube heat exchanger 化工与材料学院09级本科生化工机械设备课程设计 目

14、 录 摘要 ABSTRACT1前言11.1概述11.1.1换热器的类型11.1.2换热器11.2设计的目的与意义21.3管壳式换热器的发展史21.4管壳式换热器的国内外概况31.5壳层强化传热31.6管层强化传热31.7提高管壳式换热器传热能力的措施41.8设计思路、方法51.8.1换热器管形的设计51.8.2换热器管径的设计51.8.3换热管排列方式的设计51.8.4 管、壳程分程设计51.8.5折流板的结构设计5 1.8.6管、壳程进、出口的设计6 1.9 选材方法6 1.9.1 管壳式换热器的选型6 1.9.2 流径的选择8 1.9.3流速的选择9 1.9.4材质的选择9 1.9.5 管

15、程结构9 2壳体直径的确定与壳体壁厚的计算11 2.1 管径11 2.2管子数n11 2.3 管子排列方式，管间距的确定11 2.4换热器壳体直径的确定11 2.5换热器壳体壁厚计算及校核11 3换热器封头的选择及校核14 4容器法兰的选择15 5管板16 5.1管板结构尺寸16 5.2管板与壳体的连接16 5.3管板厚度16 6管子拉脱力的计算18 7计算是否安装膨胀节20 8折流板设计22 9开孔补强25 10支座27 10.1群座的设计27 10.2基础环设计29 10.3地角圈的设计30 符号说明32 参考文献34 谢辞35 1 前言1.1概述1.1.1换热器的类型 管壳式换热器是最典

16、型的间壁式换热器，历史悠久，占据主导作用，主要有壳体、管束、管板、折流挡板和封头等组成。一种流体在管内流动，其行程称为管程；另一种流体在管外流动，其行程称为壳程。管束的壁面即为传热面。其主要优点是单位体积所具有的传热面积大，传热效果好，结构坚固，可选用的结构材料范围宽广，操作弹性大，因此在高温、高压和大型装置上多采用列管式换热器。为提高壳程流体流速，往往在壳体内安装一定数目与管束相互垂直的折流挡板。折流挡板不仅可防止流体短路、增加流体流速，还迫使流体按规定路径多次错流通过管束，使湍流程度大为增加。 列管式换热器中，由于两流体的温度不同，使管束和壳体的温度也不相同，因此它们的热膨胀程度也有差别。

17、若两流体温差较大（50以上）时，就可能由于热应力而引起设备的变形，甚至弯曲或破裂，因此必须考虑这种热膨胀的影响。1.1.2换热器 换热器是化工、石油、食品及其他许多工业部门的通用设备，在生产中占有重要地位。由于生产规模、物料的性质、传热的要求等各不相同，故换热器的类型也是多种多样。 按用途它可分为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等。根据冷、热流体热量交换的原理和方式可分为三大类：混合式、蓄热式、间壁式。 间壁式换热器又称表面式换热器或间接式换热器。在这类换热器中，冷、热流体被固体壁面隔开，互不接触，热量从热流体穿过壁面传给冷流体。该类换热器适用于冷、热流体不允许直接接触的场合。间壁式换热

18、器的应用广泛，形式繁多。将在后面做重点介绍。 直接接触式换热器又称混合式换热器。在此类换热器中，冷、热流体相互接触，相互混合传递热量。该类换热器结构简单，传热效率高，适用于冷、热流体允许直接接触和混合的场合。常见的设备有凉水塔、洗涤塔、文氏管及喷射冷凝器等。蓄热式换热器又称回流式换热器或蓄热器。此类换热器是借助于热容量较大的固体蓄热体，将热量由热流体传给冷流体。当蓄热体与热流体接触时，从热流体处接受热量，蓄热体温度升高后，再与冷流体接触，将热量传给冷流体，蓄热体温度下降，从而达到换热的目的。此类换热器结构简单，可耐高温，常用于高温气体热量的回收或冷却。其缺点是设备的体积庞大，且不能完全避免两种

19、流体的混合。工业上最常见的换热器是间壁式换热器。根据结构特点，间壁式换热器可以分为管壳式换热器和紧凑式换热器。紧凑式换热器主要包括螺旋板式换热器、板式换热器等。管壳式换热器包括了广泛使用的列管式换热器以及夹套式、套管式、蛇管式等类型的换热器。其中，列管式换热器被作为一种传统的标准换热设备，在许多工业部门被大量采用。列管式换热器的特点是结构牢固，能承受高温高压，换热表面清洗方便，制造工艺成熟，选材范围广泛，适应性强及处理能力大等。这使得它在各种换热设备的竞相发展中得以继续存在下来。使用最为广泛的列管式换热器把管子按一定方式固定在管板上，而管板则安装在壳体内。因此，这种换热器也称为管壳式换热器。常

20、见的列管换热器主要有固定管板式、带膨胀节的固定管板式、浮头式和U形管式等几种类型。1.2设计的目的与意义 换热器是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，以实现不同温度流体间的热能传递，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。 在换热器中，至少有两种温度不同的流体，一种流体温度较高，放出热量；另一种流体则温度较低，吸收热量。在工程实践中有时也会存在两种以上的流体参加换热，但它的基本原理与前一种情形并无本质上的区别。 换热设备在炼油、石油化工以及在其他工业中使用广泛，它适用于冷却、冷凝、加热、蒸发和废热回收等各个方面。 其中，管壳式换热器虽然在换热效率、设备的体积和金

21、属材料的消耗量等方面不如其他新型的换热设备，但它具有结构坚固、弹性大、可靠程度高、使用范围广等优点，所以在各工程中仍得到普遍使用。 管壳式换热器的结构设计，是为了保证换热器的质量和运行寿命，必须考虑很多因素，如材料、压力、温度、壁温差、结垢情况、流体性质以及检修与清理等等来选择某一种合适的结构形式。 对同一种形式的换热器，由于各种条件不同，往往采用的结构亦不相同。在工程设计中，除尽量选用定型系列产品外，也常按其特定的条件进行设计，以满足工艺上的需要（得到适合工况下最合理最有效也最经济的便于生产制造的换热器等等）。1.3管壳式换热器的发展史为了满足电厂对在较高压力下运行的大型换热器（如冷凝器和供

22、水加热器）的需要，在20世纪初，提出了壳管式换热器的基本设计。经过长期的运用，使设计变得相当成熟和专业化。 当今已广泛地应用于工业上的壳管式换热器，在20世纪初也开始适应石油工业提出的要求。油加热器和冷却器、再沸器以及各种原油馏分和有关的有机流体的冷凝器这些设备需要在恶劣的野外条件下运行，流体常常不干净而且又要求高温和高压，因此，设备便于清洗和进行现场修理是绝对需要的。壳管式换热器发展的早期阶段，出现的最大量的严重问题，不是在传热方面（这可以由实践经验粗略的估算），而是各种部件，特别是管板材料的强度计算问题，还有在制造技术和工程实施中的许多有关的其他问题，如管和管板的连接，法兰和接头管的焊接等

23、。 在20世纪20年代，壳管式换热器的制造工艺得到相当圆满的发展，这主要是由于几个主要制造商努力的结果。制造设备的传热面积可达500m2,即直径约750mm、长6m，用于急剧增长的石油工业。在30年代，壳管式换热器的设计者，根据直接经验和在理想管束上的实验数据，建立了很多正确的设计原则。水-水和水-气换热器的设计，大概与现今的设计差不多。因为污垢热阻起很大的作用，壳侧流动的粘性流是一个困难的问题，而且，60年代以前的他们的了解很少。随着壳管式换热器的应用稳步增长，以及对在各种流程条件下性能预计的精度要求越来越高，这造就40年代直至50年代研究活动的激增。研究内容不仅包括壳侧流动，而且相当重要的

24、还有真实平均温差的计算、结构件特别是管板的强度计算。多年来发展起来的壳管式换热器，由于其结构坚固并能适应很大的设计和使用条件的变化，已成为最广泛使用的换热器。1.4管壳式换热器的国内外概况 随着现代新工艺、新技术、新材料的不断发展和能源问题的日益严重, 必然带来更多的高性能、高参数换热设备的需求。换热器的性能对产品质量、能量利用率以及系统的经济性和可靠性起着重要的作用, 有时甚至是决定性的作用。目前在发达的工业国家热回收率已达96% ,换热设备在石油炼厂中约占全部工艺设备投资的35%40%。其中管壳式换热器仍然占绝对的优势,约70%。其余30 %为各类高效紧凑式换新型热管和蓄热器等设备,其中板

25、式、板翅式、热管及各类高效传热元件的发展十分迅速。随着工业装置的大型化和高效率化, 换热器也趋于大型化,并向低温差设计和低压力损失设计的方向发展。当今换热器的发展以CFD (Computational Fluid Dynamics) 、模型化技术、强化传热技术及新型换热器开发等形成了一个高技术体系1。 该换热器是当前应用最广,理论研究和设计技术完善,运用可靠性良好的一类换热器。目前各国为改善该换热器的传热性能开展了大量的研究。强化传热主要有3 种途径提高传热系数、扩大传热面积和增大传热温差,研究主要集中在强化管程和壳程传热面方面。1.5壳层强化传热 传统的管壳式换热器, 流体在壳侧流动存在着转

26、折和进出口两端涡流的影响区, 影响了壳侧的给热系数。壳侧的传热强化研究包括管型与管间支撑物的研究。1.6管层强化传热 人们想尽各种办法实施强化传热, 归结起来不外乎2 条途径, 即改变传热面的形状和在传热面上或传热流路径内设置各种形状的插入物。改变传热面形状的方法有多种, 用于强化管程传热的有: 横纹管、螺旋槽管、螺纹管(低翅管)和缩放管以及螺旋扁管(瑞典ALLARDS 公司生产) 。我国螺纹管的标准翅化率为1.32.9(3),美、英、日、德等国均有商品化低翅管。德国Hde公司的螺旋槽管，管内传热效率明显优于光管,在2300 Re 105 范围内, 提高传热效率2.311.1倍, 当200 R

27、e 100 时, 壳程介质即达湍流, 因此,对于流量小或粘度大的介质优先考虑作为壳程换热介质; 由于管程清洗相对于壳程清洗要容易, 因此对于易结垢、有沉淀及杂物的介质宜走管程; 从经济性考虑, 对于高温、高压或腐蚀性强的介质, 作为管程换热介质更加合理; 对于刚性结构的换热器, 若冷、热介质温差大, 因壁面温度与换热系数大的介质温度接近, 为减小管束与壳体的膨胀差, 换热系数大的介质走壳程更加合理, 而冷、热介质温差小, 两介质换热系数相差大, 换热系数大的介质走管程更加合理。3、 采用强化管壳式换热器传热的结构措施 在换热器设计中, 通常采用强化传热的措施来提高换热器的传热能力。强化传热的常

28、用措施有: 采用高效能传热面、静电场强化传热、粗糙壁面、搅拌等。1.8 设计思路、方法1.8.1换热器管形的设计 管子外形有光管、螺纹管。相同条件下, 采用螺纹管管束比光管管束能增加换热面积2 倍左右。同时, 由于螺纹管的螺纹结构能有效破坏流体边界层, 有效提高了换热器的传热能力。当壳程介质易结垢时, 由于外螺纹管束沿轴向的胀缩作用使换热管外壁的硬垢脱落, 具有良好的自洁作用, 能够有效防止管束外壁的结垢, 减小换热器壳程热阻, 提高换热器的传热能力。1.8.2 换热器管径的设计 由于小直径换热管具有单位体积传热面积大, 换热器结构紧凑, 金属耗量少, 传热系数高的特点, 在换热器结构设计中,

29、 对于管程介质清洁、不易结垢的介质, 采用小管径管束能有效增加换热面积。相同条件下, 采用19mm 管束比采用25mm 管束能提高传热面积30%40% , 节约金属20% 以上。1.8.3换热管排列方式的设计 管子的排列方式有等边三角形、正方形和同心圆排列等, 对于壳程介质不易结垢或可用化学方法清洗污垢的介质, 采用三角形排列可使换热器的外径减小15% ; 对于需要机械清洗的管束, 管子排列应采用正方形; 对于小于300mm 的换热器, 为使管束排列紧凑, 可采用同心圆排列。1.8.4 管、壳程分程设计 管程分程设计。当需要的传热面积很大,换热管长度太长( 对卧式换热器管长比壳径比超过610,

30、 立式换热器超过46 时) , 采用单管程换热器使管程流速很低时, 可采用管程分程的办法来提高管程换热介质的流速。因为决定管程介质的流态的雷诺数Rei 与管程介质流速成正比,为提高换热器管程换热系数hi, 可采用管程分程的办法提高管程换热系数。 壳程分程设计。为了提高换热器传热能力, 且不使换热管太长, 壳程利用横向折流板或纵向折流板分程。壳程分程可增加对壳程换热介质的扰动, 使壳程换热介质流速增加, 流程加大,换热介质横向冲刷扰动加大, 提高换热器传热能力。1.8.5折流板的结构设计 折流板的结构设计包括型式的确定, 形状的设计, 缺口高度设计和折流板间距设计。换热器壳程折流板可分为横向折流

31、板和纵向折流板, 由于壳程加装纵向折流板在制造工艺上较困难, 而且造成壳程压降增加, 因此一般采用壳程加装横向折流板。壳程加装横向折流板后, 壳程换热介质雷诺数Re0100 时, 壳程介质即达湍流, 能有效提高换热器的传热能力, 横向折流板常采用弓形和盘- 环形, 弓形折流板加工、制造和组装较方便, 使用最普遍, 盘- 环形折流板主要用于小型换热器中。在换热器结构设计中, 合理设计折流板间距是保证壳程换热介质的压力降满足设计要求的关键。1.8.6管、壳程进、出口的设计 管程进、出口管的设计。管程进、出口管径在考虑管程压降允许的条件下, 通过计算确定管径, 其计算公式为23 300( 为管程介质

32、密度, kg/m3; 为管程介质进、出口流速, m/s) 。为保证管程流体的均匀分布, 充分发挥换热管的换热性能, 管程进、出口应设置在换热器管程的底部和顶部。 对换热器的使用寿命影响较大, 特别是壳程换热介质流速较高或介质中含有固体颗粒。为保证换热器的使用性能, 可在壳程入口加装防冲板, 对介质冲刷起到缓冲的作用, 保护管束不受冲击; 为避免壳程入口流速过高, 壳程介质流速有一定的限制: 2100)下即可达到湍流，以提高对流传热系数。8、若两流体的温度差较大，传热膜系数较大的流体宜走壳程，因为壁温接近传热膜系数较大的流体温度，以减小管壁和壳壁的温度差。综合考虑以上标准，确定半水煤气应走壳程，

33、变换气走管程。1.9.3 流速的选择 表1-1 换热器常用流速的范围 介质流速 循环水 新鲜水 一般液体 易结垢液体 低粘度油 高粘度油 气体 管程流速，m/s1.02.00.81.50.531.00.81.80.51.5530壳程流速，m/s0.51.50.51.50.21.50.50.41.00.30.8215 由于增加流体在换热器中的流速，将加大对流传热系数，减少污垢在管子表面上沉积的可能性，即降低了污垢热阻，使总传热系数增大，从而可减小换热器的传热面积。但是流速增加，又使流体阻力增大，动力消耗就增多。故拟取变换气流速为20m/s。1.9.4材质的选择管壳式换热器的材料应根据操作压强、温

34、度及流体的腐蚀性等来选用。在高温下一般材料的机械性能及耐腐蚀性能要下降。同时具有耐热性、高强度及耐腐蚀性的材料是很少的。目前 常用的金属材料有碳钢、不锈钢、低合金钢、铜和铝等；非金属材料有石墨、聚四氟乙烯和玻璃等。根据实际需要，可以选择使用不锈钢材料。1.9.5 管程结构换热管管板上的排列方式有正方形直列、正方形错列、三角形直列、三角形错列和同心圆排列，如下图所示。 (a) 正方形直列（b）正方形错列 (c) 三角形直列 （d）三角形错列 （e）同心圆排列 图1-4 换热管管板上的排列方式正三角形排列结构紧凑；正方形排列便于机械清洗。对于多管程换热器，常采用组合排列方式。每程内都采用正三角形排列，而在各程之间为了便于安装隔板，采用正方形排列方式。 管板的作用是将受热管束连接在一起，并将管程和壳程的流体分隔开来。管板与管子的连接可胀接或焊接。 2 壳体直径的确定与壳体壁厚的计算2.1 管径 换热器中最常用的管径有19mm2mm和25mm2.5mm。小直径的管子可以承受更大的压力，而且管壁较薄；同时，对于相同的壳径，可排列较多的管子，因此单位体积的传热面积更大，单位传热面积的金属耗量更少。所以，在管程结垢不很严重以及允许压力降较高的情况下，采用19mm2mm直径的管子更为合理。如果管程走的是易结垢的流体，则应常用较大直径的管子。 标准管子的长度常用的有1500mm，2