化工机械设备基础课程设计.doc

1、目录1 前言11.1概述11.1.1换热器的类型11.1.2换热器介绍及其发展前景11.2设计的目的与意义21.3管壳式换热器的发展史31.4管壳式换热器的国内外概况31.5壳层强化传热41.6管层强化传热41.7提高管壳式换热器传热能力的措施51.8 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61.8.4 管、壳程分程设计61.8.5折流板的结构设计61.8.6管、壳程进、出口的设计61.9 选材方法71.9.1 管壳式换热器的选型71.9.2 流径的选择91.9.3 流速的选择101.9.4材质的选择101.9.5 管程结构10

2、2 壳体直径的确定与壳体壁厚的计算122.1 管径122.2 管子数n122.3 管子排列方式，管间距的确定122.4换热器壳体直径的确定122.5 换热器壳体壁厚计算133 换热器封头的选择154 容器法兰的选择165 管板175.1管板结构尺寸175.2管板与壳体的连接175.3管板厚度176 管子拉脱力的计算197 计算是否安装膨胀节218 折流板设计239 开孔补强2610 支座28主要符号说明32参考文献35谢辞36管壳式换热器课程设计摘 要课程设计是学生理论联系实际的一次很好的机会，本设计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、环保等概念。 换热设备在炼油

3、、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，以满足工艺上的需要（得到适合工

4、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 使用范围 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, industrial environmental protecti

5、on. 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 other aspects.Among them, shell-and-tube heat exchanger in the heat transfer efficiency, size of equipment and metal c

6、onsumption 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 used.Structure design of shell-and-tube heat exchanger, is to ensure that the heat exchanger and the quality of life, y

7、ou 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 choose an appropriate structure.With a form of heat exchangers, for a variety of conditions, often used structures are

8、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 (supported by most reasonable under suitable conditions the most effective and most economic manufacture of heat exchange

9、rs, 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10级化工机械设备课程设计 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

10、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。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换热器介绍及其发展前景 换热器是化工、石油、食品及其他许多工业部

11、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

12、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

13、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。热器是化工、石油、能源等各工业中应用相当广泛的单元设备之一。据统计, 在现代化学工业中换

14、热器的投资大约占设备总投资的30% , 在炼油厂中占全部工艺设备的40% 左右, 海水淡化工艺装置则几乎全部是由换热器组成的。对国外换热器市场的调查表明, 虽然各种板式换热器的竞争力在上升,但管壳式换热器仍占主导地位约64% 。新型换热元件与高效换热器开发研究的结果表明, 列管式换热器已进入一个新的研究时期, 无论是换热器传热管件, 还是壳程的折流结构都比传统的管壳式换热器有了较大的改变, 其流体力学性能、换热效率、抗振与防垢效果从理论研究到结构设计等方面也均有了新的进步。目前各国为改善该换热器的传热性能开展了大量的研究, 主要包括管程结构和壳程结构强化传热的发展。1.2设计的目的与意义 换热

15、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

16、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

17、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。 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

18、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

19、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

20、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

21、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 Re 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

22、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

23、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, 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

24、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, 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

25、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

26、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

27、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，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

28、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

29、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

30、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，2000mm，2500mm，3000m,4500,5000,6000m,7500mm,9000m等。换热器的换热管长度与公称直径之

31、比一般为425,常用的为610选用252.5的无缝钢管，材质为20号钢，管长3m。2.2 管子数n 其中安排拉杆需减少6根，故实际管数n=660-6=654根2.3 管子排列方式，管间距的确定 采用正三角形排列，由化工设备机械基础表7-4查得层数为14层，对角线上的管数为29，查表7-5取管间距a=40mm.2.4换热器壳体直径的确定 其中 取， 查表2-5，圆整后取壳体内径1300mm2.5 换热器壳体壁厚计算 材料选用20R钢，计算壁厚为： , 式中:为计算压力，取=1.0Mpa；mm;=0.9;t =92Mpa（设壳壁温度为 350C） 将数值代入上述厚度计算公式，可以得知： 查化工设备

32、机械基础表4-11取 ；查化工设备机械基础表4-9得 7.85+1.2+0.6=9.65mm查表4-13圆整后取 复验 ，最后取 该壳体采用20钢10mm厚的钢板制造1、液压试验应力校核 查化工设备机械基础附表9-1可见故水压试验强度足够。2、强度校核设计温度下的计算应力最大允许工作压力故强度足够。3 换热器封头的选择 上下封头均选用标准椭圆形封头，根据GB/T 25198-2010 压力容器封头标准，封头为DN13008，查化工设备机械基础表4-15得曲面高度 ，直边高度 ，材料选用20R钢标准椭圆形封头计算厚度： 所以，封头的尺寸如下图： 157 150 1300 1316 图3-1 换热

33、器封头尺寸4 容器法兰的选择 材料选用16MnR 根据JB/T4703-2000 选用DN1300，PN1.6Mpa的榫槽密封面长颈对焊法兰。 查化工设备机械基础附表14得 法兰尺寸如下表： 表4-1 法兰尺寸 公称直径DN/mm 法兰尺寸/mm 螺柱DD1D2D3D4 d规格数量1300143013901355134113384623M2020 5 管板管板除了与管子和壳体等连接外，还是换热器中的一个重要的受压器件。5.1管板结构尺寸 查（化工单元设备设计P25-27）得固定管板式换热器的管板的主要尺寸： 表5-1 固定管板式换热器的管板的主要尺寸公称直径Dbcd螺栓孔数1300136013

34、151266584427245.2管板与壳体的连接 图5-1管板与壳体的焊接方法 在固定管板式换热器中，管板与壳体的连接均采用焊接的方法。由于管板兼作法兰与不兼作法兰的区别因而结构各异，前者的结构见图1-15，其中图5-1（a）形式是在管板上开槽，壳体嵌入后进行焊接，壳体对中容易，施焊方便，适合于压力不高、物料危害性不高的场合；如果压力较高，设备直径较大，管板较厚时，可采用图5-1（b）形式，其焊接时较难调整。5.3管板厚度管板在换热器的制造成本中占有相当大的比重，管板设计与管板上的孔数、孔径、孔间距、开孔方式以及管子的连接方式有关，其计算过程较为复杂，而且从不同角度出发计算出的管板厚度往往相差很大。一般浮头式换热器受力较小，其厚度只要满足密封性即可。对于胀接的管板，考虑胀接刚度的要求，其最小厚度可按表5-2选用。考虑到腐蚀裕量，以及有足够的厚度能防止接头的松脱、泄露和引起振动等原因，建议最小厚度应大于20mm。表5-2 管板的最小厚度换热器管子外径/mm25323857管板厚度/mm3/42225326 管子拉脱力的计算 计算数据按表6-1选取表6-1项目管子壳体操作压力/Mpa0.750.80材质20钢20R线膨胀系数弹性模量许用应力/Mpa10192尺寸管子根数654管间距/mm40管壳壁温差/管子与管