固定管板式换热器结构设计.docx

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固定管板式换热器结构设计

固定管板式换热器的结构设计之南宫帮珍创作

创作时间：

二零二一年六月三十日

摘要

换热器是化工、石油、动力、冶金、交通、国防等工业部份重要工艺设备之一,其正确的设置,性能的改善关系各部份有关工艺的合理性、经济性以及能源的有效利用与节约,对国民经济有着十分重要的影响.

换热器的型式繁多,分歧的使用场所使用目的分歧.其中经常使用结构为管壳式,因其结构简单、造价昂贵、选材广泛、清洗方便、适应性强,在各工业部份应用最为广泛.

固定管板式换热器是管壳式换热器的一种典范结构,也是目前应用比力广泛的一种换热器.这类换热器具有结构简单、紧凑、可靠性高、适应性广的特点,而且生产本钱低、选用的资料范围广、换热概况的清洗比力方便.固定管板式换热器能接受较高的把持压力和温度,因此在高温高压和年夜型换热器中,其占有绝对优势.

固定管板式换热器主要由壳体、换热管束、管板、前端管箱（又称顶盖或封头）和后端结构等部件组成.管束装置在壳体内,两端固定在管板上.管箱和后端结构分别与壳体两真个法兰用螺栓相连,检修或清洗时便于装配.换热器设计的优劣最终要看是否适用、经济、平安、运行灵活可靠、检修清理方便等等.一个传热效率高、紧凑、本钱低、平安可靠的换热器的发生,要求在设计时精心考虑各种问题.准确的热力设计和计算,还要进行强度校核和符合要求的工艺制造水平.

关键词：

换热器；固定管板式换热器；结构；设计

TheStructuralDesignofFixedTubePlateHeatExchanger

Author:

ChenHui-juan

Tutor:

LiHui

Abstract

Heatexchangerisoneofthemostimportantequipmentswhichisusedinthefieldsofchemical,oil,power,metallurgy,transportation,nationaldefenseindustry.Itsrightsettingandtheimprovementsofperformanceplayanimportantroleintherationalityotechnology,economy,energyutilizationandsaving,whichhasaveryimportantimpactonthenationaleconomy.

Thetypeofheatexchangerisvarious,thedifferentu搜索引擎优化ccasionsandthepurposeisdifferent.Whicharecommonlyusedforthetubeshelltypestructure,becauseofitssimplestructure,lowcostandwideselection,easytoclean,strongadaptability,themostwidelyusedinvariousindustrydepartments.

Fixedtubeplateheatexchangerisakindoftypicalstructureoftubeandshellheatexchanger,alsoisakindofheatexchangerisappliedmorewidely.Thiskindofheatexchangerhassimpleandcompactstructure,highreliability,thecharacteristicsofwideadaptability,andtheproductionoflowcost,widerangeofselectionofmaterials,heatexchangesurfacecleaningmoreconvenient.Fixedtubeplateheatexchangercanoperateunderhighpressureandtemperature,therefore,theheatexchangerinhightemperatureandhighpressureandlargeinitspossessionofabsoluteadvantage.

Fixedtubeplateheatexchangerismainlycomposedofshell,heatexchangetubebundle,tubeplate,thefronttubebox（alsoknownastherooforhead）andtheback-endstructureparts.Tubebundleisinstalledonbothendsofcasing,whichisfixedonthetubeplate.Tubeboxandtheback-endrespectivelyconnectedtothe

flangeboltsattheendsoftheshellstructure,maintenanceorcleaningforeasydisassembly.Themeritsoftheheatexchangerdesignultimatelydependsonwhetherapplicable,economic,safe,flexibleandreliablerunning,convenientmaintenancecleaning,etc.Ahighheattransferefficiency,compact,lowcost,safeandreliableproductionofheatexchanger,requirescarefullyconsideredinthedesignofallsortsofproblems.Theaccuratethermaldesignandcalculation,butalsoforintensityandconformtotherequirementofprocessmanufacturinglevel.

Keywords:

Heatexchanger,Fixedtubeplateheatexchanger,Structure,Design

1绪论1

1.5本课题的研究内容及意义7

2固定管板式换热器的工艺计算9

0

0

0

0

1

1

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2

2.3换热器核算12

3强度计算16

6

6

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7

7

8

8

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9

9

9

4

结论27

致谢28

参考文献29

1绪论

换热器的用途

换热器是将热流体的部份热量传递给冷流体的设备,又称热交换器.换热器的应用广泛,日常生活中取暖用的暖气散热片、汽轮机装置中的凝汽器和航天火箭上的油冷却器等,都是换热器.它还广泛应用于化工、石油、动力和原子能等工业部份[1].它的主要功能是保证工艺过程对介质所要求的特定温度,同时也是提高能源利用率的主要设备之一[2].换热器在节能技术改革中具有的作用暗示在两个方面：

一是在生产工艺流程中使用着年夜量的换热器的效率显然可以减少能源的消耗；另一方面,用换热器来回收工业余热,废热,特别是低品位热能的有效装置,可以显著提高设备的热效率[3].

换热器的分类

换热器的种类划分方法很多,方法也各不相同.

按其用途：

可将换热器分为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器、再沸器.

按其传热方式和作用原理：

可分为混合式换热器、蓄热式换热器、间壁式换热器等.其中间壁式换热器为工业应用最为广泛的一种换热器.它按传热面形状可分为管式换热器、板面式换热器、扩展概况换热器等.这其中又以管壳式换热器应用最为广泛,它通过换热管的管壁进行传热.具有结构简单牢固、制造简便、使用资料范围广、可靠水平高等优点,是目前应用最为广泛的一种换热器.

管壳式换热器的类型

根据管壳式换热器的结构特点,常将其分为固定管板式、浮头式、U型管式、填料函式、滑动管板式、双管式等[4].

1）固定管板式换热器

固定管板式换热器的典范结构如下图1-1所示.管束连接在管板上,管板与壳体焊接.其优点是结构简单、紧凑、能接受较高的压力,造价低,管程清洗方便,管子损坏时易于梗塞或更换；缺点是当管束与壳体的壁温或资料的线胀系数相差较年夜时,壳体与管束将会发生较年夜的热应力.这种换热器适用于壳测介质清洁且不容易结垢、并能进行清洗、管程与壳程两侧温差不年夜或温差较年夜但壳测压力不高的场所[5].

图1-1固定管板式换热器结构图

2）浮头式换热器

浮头式换热器的典范结构如下1-2所示.两端管板中只有一端与壳体固定,另一端可相对壳体自由移动,称浮头.浮头由浮头管板、钩圈和浮头端盖组成,是可拆连接,管束可从壳体内抽出.管束与壳体的热变形互不约束,因而不会发生热应力[6].

浮头换热器的特点是管间与管内清洗方便,不会发生热应力；但其结构复杂,造价比固定管板式换热器高,设备粗笨,资料消耗年夜,且浮头端小盖在把持中无法检验,制造时对密封要求较高.适用于壳体与管束之间壁温差较年夜或壳程介质易结垢的场所.

图1-2浮头式换热器结构图

3）U形管换热器

U形管式换热器的典范结构如下图1-3所示.这种换热器的结构特点是,只有一块管板,管束由多根U形管组成,管的两端固定在同一根管板上管子可自由伸伸缩.当壳体与U形换热管有温差时,不会发生热应力[7].

图1-3U形管换热器结构图

由于弯管曲率半径的限制,其换热管排布较少管束最内层管间距较年夜,管板的利用率较低,壳程流体易形成短路,对传热晦气,当管子泄漏损坏时,只有管束外围处的U形管才便于更换,内层换热管坏了不能更换,只能堵死,而且坏一根U形管相当于坏两根管,报废率较高.

U形管结构比力简单、价格廉价、承压能力强、壳壁温差较年夜或壳程介质易结垢需清洗、又不适宜采纳浮头式和固定管板式的场所.特别适用于管内清洁

而不容易结垢的高温、高压、腐蚀性年夜的物料.

4）填料函式换热器

填料函式换热器的典范结构如下图1-4所示.这种换热器的结构特点与浮头式换热器相类似,浮头部份露在壳体以外,在浮头与壳体的滑动接触面处采纳填料函式密封结构.由于采纳填料函式密封结构,使得管束在壳体轴向可自由伸缩,壳壁与管壁不会发生热变形差,从而防止可热应力.其结构较浮头式换热器简单,加工制造方便,节省资料,造价比力昂贵,且管束从壳体内可以抽出你,管内,管间都能清洗,维修方便[8].

图1-4填料函式换热器结构图

管壳式换热器结构

管壳式换热器的主要零部件有壳体、接管、封头、管板、换热管、折流元件等,对温差较年夜的固定管板式换热器,还应包括膨胀节.管壳式换热器的结构应该保证冷、热两种流体分走管程和壳程,同时还要接受一定温度和压力的能力[9].

（1）管板：

管板是换热器的重要元件,主要是用来连接换热器,同时将管程和壳程分隔,防止冷热流体相混合.当介质无腐蚀或有轻微腐蚀时,一般采纳碳素钢、低合金钢板或其锻件制造.

（2）管子与管板的连接：

管子与管板的连接必需牢固,不泄漏.既要满足其密封性能,又要有足够的抗拉强度.其连接形式主要有强度胀接、强度焊接、胀焊结合等[10].

（3）管箱：

其作用是把管道中来的流体均匀分布到各换热管中,将换热管内流体汇集在一起送出换热器[11].

（4）折流板和支承板：

壳程内侧装设折流板或支承板,折流板的作用是组壳间流道,使流体以适当的流速冲洗管束,提高传热系数,改善传热效果,以到达一定的传热强度.经常使用的折流板有弓形和圆环形两种,弓形折流板又分为单弓形、双弓形和三弓形[12].

（5）拉杆和定距管：

折流板的装置一般是用拉杆和定距管组合并与管板固在一起.拉杆与管板连接的一端可用焊接或螺纹连接,另一端也用焊接或螺纹固定.一般拉杆的直径不得小于10mm、数量不得小于4根[13].

（6）管板与壳体的连接：

其连接型式可分为不成拆式和可拆式.

板式换热器的特点（板式换热器与管壳式换热器的比力）

（1）传热系数高由于分歧的波纹板相互颠倒,构成复杂的流道,使流体在波纹板间流道内呈旋转三维流动,能在较低的雷诺数（一般Re=50~200）下发生紊流,所以传热系数高,一般认为是管壳式的3~5倍.

（2）占空中积小板式换热器结构紧凑,单元体积内的换热面积为管壳式的2~5倍,也不像管壳式那样要预留抽出管束的检修场所,因此实现同样的换热量,

板式换热器占空中积约为管壳式换热器的1/5~1/10.

（3）容易改变换热面积或流程组合,只要增加或减少几张板,即可到达增加或减少换

热面积的目的；改变板片排列或更换几张板片,即可到达所要求的流程组合,适应新的换热工况,而管壳式换热器的传热面积几乎不成能增加.

（4）重量轻板式换热器的板片厚度仅为,而管壳式换热器的换热管的厚

度为,管壳式的壳体比板式换热器的框架重很多,板式换热器一般只有管壳

式重量的1/5左右.

（5）价格低采纳相同资料,[14]在相同换热面积下,板式换热器价格比管壳式约低40%~60%.

（6）制作方便板式换热器的传热板是采纳冲压加工,标准化水平高,并可年夜批生产,管壳式换热器一般采纳手工制作.

（7）不容易结垢由于内部充沛湍动,所以不容易结垢,其结垢系数仅为管壳式换热器的1/3~1/10.

（8）容易清洗框架式板式换热器只要松动压紧螺栓,即可松开板束,卸下板片进行机械清洗,这对需要经常清洗设备的换热过程十分方便.

（9）热损失小板式换热器只有传热板的外壳板流露在年夜气中,因此散热损失可以忽略不计,也不需要保温办法.而管壳式换热器热损失年夜,需要隔热层.

（10）对数平均温差年夜,末端温差小在管壳式换热器中,两种流体分别在管程和壳程内流动,总体上是错流流动,对数平均温差修正系数小,而板式换热器多是并流或逆流流动方式,其修正系数也通常在左右,另外,冷、热流体

在板式换热器内的流动平行于换热面、无旁流,因此使得板式换热器的末端温

差小,对水换热可低于1℃,而管壳式换热器一般为5℃.

（11）容量较小是管壳式换热器的10%~20%.

（12）单元长度的压力损失年夜由于传热面之间的间隙较小,传热面上有凹凸,因此比传统的光滑管的压力损失年夜.

（13）工作压力不宜过年夜,介质温度不宜过高,有可能泄露板式换热器采纳密封垫密封,工作压力一般不宜超越,介质温度应在低于250℃以下,否则有可能泄露.

（14）易梗塞由于板片间通道很窄,一般只有2~5mm,当换热介质含有较年夜颗粒或纤维物质时,容易梗塞板间通道.

板式换热器的传热原理

传热,即热量传递,是自然界中最普遍存在的物理现象,凡是有温度差存在的物系之间,会招致热量从高温处向高温处的传热过程,解决传热问题,都需要从总的传热速率方程动身,即：

Q=KA△tm

式中：

Q—冷流体吸收或热流体放出的热流量,W；

K—传热系数,W/（m2·0C）；

A—传热面积,m2；

△tm—平均传热温差,0C.

传热基本方式

根据热量传递机理的分歧,传热基本方式有三种,即传热导、对流和辐射.

（1）热传导：

传热导又称导热,是指热量从物体的高温部份向同一物体的高温部份、或者从一个与它直接接触的高温物体传热的过程.

（2）对流传热：

对流传热是依靠流体的宏观位移,将热量有一处带到别一处的传热现象.在化工生产中的对流传热,往往是指流体与固体壁面直接接触的热量传递.

（3）辐射传热：

又称为热辐射,是指因热的原因而发生的电磁波在空间的传递.物体将热能酿成辐射能,以电磁波的形式在空中传布,当遇到另一物体时,又被全部或部份吸收而酿成热能.作为换热设备,我们主要关心的是热传导和对流传热.

对流传热年夜大都是指流体与固体壁面之间的传热,其传热速率与流体性质及鸿沟层的状况密切相关.如图在靠近防止处引起温度的变动形成温度鸿沟层.温度差主要集中在层流底层中.假设流体与壁面的温度差全部集中在厚度为

1的有效膜内,该膜既不是热鸿沟层,也非流动鸿沟层,而是一集中了全部传热温差并以导热方式传热的虚拟膜.

对流传热速率方程可用牛顿冷却定律来描述,该定律是一个实验定律：

=

对两侧流体,均可使用牛顿冷却定律,即：

Q=ɑA△T

式中：

Q---对流传热的热流量,W；

A---对流传热面积,m2；

△T---壁面温度与壁面法向上流体的平均温度之差,K；

ɑ---比例系数,称为概况传热系数,W/（m2.K）.

对流传热过程的计算,归结为如何获取ɑ.ɑ一般有实验测定,采纳科学的试验方法.

对流传热的分类：

无相变动传热：

强制对流、自然对流

有相变动传热：

蒸汽冷凝、液体沸腾

无相变动时对流传热过程的因次分析

利用因次分析的方法可获得描述对流传热的几个重要的特征数：

（努赛尔数）

1.5本课题的研究内容及意义

本课题主要研究的是固定管板式换热器,查阅换热器相关标准,分析固定管板式各部份性能影响,并进行了换热器的热工计算、结构计算和强度计算[15].

换热器的应用广泛,日常生活中取暖用的暖气散热片、汽轮机装置中的凝汽器和航天火箭上的油冷却器等,都是换热器.它还广泛应用于化工、石油、动力和原子能等工业部份.本文的研究结果对指导换热器的规模化生产,扩年夜其应用领域,以在广泛范围内逐步取代进口同类资料,降低使用本钱具有重要意义.

近年来,随着制造技术的进步,强化换热元件的开发,使得新型高效换热器的研究有了较年夜的发展,根据分歧的工艺条件与工况设计制造了分歧结构形式的新型换热器,也取得了较年夜的经济效益.故我们在选择换热设备时一定要根据分歧的工艺、工况要求选择.换热器的作用可以是以热量交换为目的.在即定的流体之间,在一按时间内交换一定命量的热量；也可以是以回收热量为目的,用于余热利用；也可以是以保证平安为目的,即防止温度升高而引起压力升高造成某些设备被破坏[16].

换热器的发展趋势

二十世纪20年代呈现板式换热器,并应用于食品工业.以板代管制成的换热器,结构紧凑,传热效果好,因此陆续发展为多种形式.30年代初,瑞典首次制成螺旋板换热器.接着英国用钎焊法制造出一种由铜及其合金资料制成的板翅式换热器,用于飞机发念头的散热.30年代末,瑞典又制造出第一台板壳式换热器,用于纸浆工厂.在此期间,为了解决强腐蚀性介质的换热问题,人们对新型资料制成的换热器开始注意.60年代左右,由于空间技术和尖端科学的迅速发展,迫切需要各种高效能紧凑型的换热器,再加上冲压、钎焊和密封等技术的发展,换热器制造工艺获得进一步完善,从而推动了紧凑型板面式换热器的蓬勃发展和广泛应用.另外,自60年代开始,为了适应高温和高压条件下的换热和节能的需要,典范的管壳式换热器也获得了进一步的发展.70年代中期,为了强化传热,在研究和发展热管的基础上又创制出热管式换热器.

以后换热器发展的基本趋势是：

继续提高设备的传热效率,增进设备结构的紧凑性,加强生产制造本钱的标准系列化,并在广泛的范围内继续向年夜型化发展,并CDF（ComptationalFluidDynamics）模型化技术、强化传热技术及新型换热器开发等形成一个高技术体系.

换热器相关技术的发展主要暗示在以下几发面：

防腐技术,年夜型化与小型化偏重,强化技术,抗振技术,防结垢技术,制造技术,研究手段.

随着工业中经济效益与社会环境呵护的要求,制造水平的不竭提高,新能源的逐渐开发,研究手段的日益发展,各种新思路的与新结构的涌现,换热器将朝着更高效、经济、环保的方向发展[17].

2固定管板式换热器的工艺计算

设计工艺条件

热水锅炉的进出口温度为95℃/70℃；热水配水温度为50℃,若市政上的水温为30℃,生活热水量为5吨/小时.要求高温水和被加热水经过板式换热器的压降均不年夜于,设计压力.

热力计算

已知工艺参数

1）管程—水

定性温度：

tm=（t1+t2）/2=（95oC

工作压力：

a

查《化工原理》上册,附录二

粘度：

10-3Pa·s

0.355×10-6m2/s

比热容：

Cp=4.196kJ/（kg·k）

密度：

=970.17（kg/m3）

导热系数：

=0.67425W/（m·k）

2）壳程—水

定性温度：

tm=（t1+t2）/2=（30+50）/2=40oC

工作压力：

a流量qm2=5000kg/h

查《化工原理》上册,附录二

粘度：

10-3Pa·s

0.658×10-6m2/s

比热容：

Cp=4.175kJ/（kg·k）

密度：

=992.2（kg/m3）

导热系数：

=0.633W/（m·k）

热量计平衡算

壳程：

过热冷却部份的传热量

管程：

由

得,被加热水用量

工艺结构尺寸

管径和管内流速

换热管的规格包括管径和管长,换热管直径越小,换热器单元体积的换热面积越年夜.因此,对洁净的流体管径可取小些,但对不洁净或易结垢的流体,管径应取得年夜些,以免梗塞.

本设计选用较高级冷拔传热管（碳钢）,取管内流速

=1.0m/s

管程数和传热管数

根据传热管内径和流速确订单程传热管数[18]：

按单程管计算,所需的传热管长度为：

按单程管设计传热管过长,宜采纳多管程结构.

根据本设计实际情况,采纳非标设计,现取传热管长

=6m,则该换热器的管程数为:

（管程）

传热管总根数

（根）

平均传热温差校正及壳程数

平均温差校正系数

按单壳程,双管程结构,查得：

平均传热温差：

由于平均温差校正系数年夜于,同时壳程流体流量较年夜,故取单壳程合适.

2.2.4传热管排列和分程方法

管子的排列方式有等边三角形,正方形,转角正方形三种.与正方形相比,等边三角形排列比力仅凑,管外流体湍动水平高,概况传热系数年夜.正方形排列虽然比力松散,传热效果也较差,但管外清洗比力方便,对易结垢流体更为适用.若将正方形排列的管束斜转45°装置,可在一定水平上提高对流传热系数.

综合本设计结构和工艺结构考虑采纳正三角形排列方法如图2-1所示.

图2-1换热管排列方式

取管心距

（焊接时）,则

32（mm）

隔板中心到力气最近一排管中心距离：

各程相邻管的管心距为44mm

壳体内径

壳体内径采纳多管程结构,取管板利