固定管板换热器设计书文档格式.doc

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thestandardforthedesignandcalculation.Thentheheatexchangerofstrength,stiffnessandstabilityofthecheck.

Thedesignincludesfourparts:

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目录

前言 1

1换热器的分类及工作原理 4

1.1换热器的工作原理及分类 4

1.2换热器研究现状及发展趋势 8

2换热器设备各部分的设计说明 12

2.1设备制造工艺过程 12

2.1.1筒体 12

2.1.2管箱 12

2.1.3管板 12

2.1.4换热管 13

2.1.5折流板及支撑板 14

2.1.6管束组装 14

2.1.7封头 14

2.2换热设备中换热管与管板的连接 15

2.2.1胀接 15

2.2.2焊接 16

2.2.3胀焊连接 16

2.2.4换热管与管板连接方式的选择 16

2.3换热器设备的安装说明 17

2.3.1筒体的制造 17

2.3.2封头的制造 18

2.3.3管箱 18

2.4压力试验 18

3结构设计计算 20

3.1封头厚度计算 20

3.1.1壳程壁厚计算 20

3.1.2管程筒体壁厚计算 20

3.1.3管程封头计算 20

3.1.4水压试验校核 20

3.2管板设计计算 21

3.2.1结构尺寸及材料选取 21

3.2.2管板计算 23

3.3开孔补强计算 40

结论 42

参考文献 43

43

前言

换热器在工农业的各领域应用十分广泛，在日常生活中换热设备也随处可见，是不可缺少的工业设备之一。

因此换热设备的研究备受世界各国政府及研究机构的高度重视，在全世界第一次能源危机爆发以来，各国都在大力量寻找新的能源及在节约能源上研究新途径。

在研究投入大、人力资源配备足的情况下，一批具有代表性的高效换热器和强化传热单元诞生。

随着研究的深入，工业应用取得了令人瞩目的成果，得到了大量的回报，如板翅式换热器、大型板壳式换热器和强化沸腾的表面多孔管、T型翅板管、强化冷凝的螺纹管、锯齿管等都等到国际传热界专家的首肯，社会效益非常显著，大大缓解了能源的紧张状况。

换热器是一种是实现物料之间热量传递节能设备，是在石油、化工、石油化工、冶金、电力、轻工、食品等行业普遍应用的一种工艺设备。

在炼油、化工装置中换热器占总设备数量的40%左右，占总投资的30%-45%。

近年来随着节能技术的发展，应用领域不断扩大，利用换热器进行高温和低温性能回收带来了显著的经济效益。

目前，再换热设备中，使用量最大的事管壳式换热器。

管壳式换热器按用途分为无项变传热的换热器和有项变传热的换热器和重废器。

板壳式换热器的发展，使换热器的效率提高到新的水平，结构更紧凑。

这种换热器的采用，满足了飞机发动机中间冷却和内燃机车发动机、汽车发动机冷却的需要。

由于具有体积小、重量轻、效率高、可处理两种以上介质的优点，这种换热器迅速在石油化工、乙烯装置中得到推广应用。

在低温场合（-185℃的氨气冷却、-177℃液态空气冷却、-130-150℃的乙烯冷却、-165℃的天然气冷却和空气装置的冷却），采用板翅式换热器可减少体积5-15倍，节约重量20-30倍以上。

随着铝及铝合金钎焊技术的日趋发展，应用场合及范围将越来越广泛。

螺旋板式换热器目前在石油、化工、冶金、电力中的应用较普遍，接受上已开发出了可拆和不可拆两种。

作为紧凑式换热器品种之一，它的主要优点是：

占地面积小、安装方便。

材料主要是碳钢、不锈钢、钛及其合金，主要用于设计小于2.5Mpa，温度小于300℃的中、低温的冷却，化工装置中代用较多，食品、医药重较干净的介质多使用这种换热器。

但螺旋板换热器在应有腐蚀的场合应慎重使用。

另外，在介质较脏的场合亦应慎重使用不可拆是螺旋板换热器。

在低温余热回收系统，热管的应用带来了巨大的社会效率，再烟气余热回收系统，国内普遍采用热管来回收低温热源，达到节能的目的。

目前开发的无机热管不仅在工业装置中应用，而且适用于家庭热水系统，既方便又节约能源。

热管主要是利用小的表面积来传递较大的热量，是20世纪60年代中发展起来的传热元件。

国外50年代进入民用工业，具有效率高、压强低、结构紧凑等优点。

由于我国目前油田多进入中、后期开采，原油中盐、硫含量升高，常减压装置常压塔顶及减压塔顶的腐蚀越来越严重。

在这些场合，碳钢换热器的寿命仅为4-18个月左右，防腐已从单纯的涂层发展到采用钛材料的防腐，使钛换热器已从原来化工装置的应用发展到炼油装置。

目前国内多数炼厂已在此场合应用钛换热器来提高换热器的寿命，一般寿命可达5-10年左右，对长周期运行起到了重大作用。

钽和锆换热器近年来发展也较为迅速，在化工工业中得到应用。

虽然这些稀有金属价格昂贵，但由于具有特殊的优良性能如耐温、耐腐蚀等而应用较广，现已开始制定钽和锆压力容器的行业标准，在化工深加工装置中将得到进一步的应用。

防腐涂层换热器的发展也较为迅速，从20世纪80年代中期投资低，防腐效果好的847防腐涂料开始，发展到90年代的901，不仅在冷却水系统成功防腐，而且还具有抗垢性能，Ni-P非金属化学镀层在60℃以下的海水和氯离子的防腐方面也起到了重要的作用，在110℃以下对流的防腐也发挥了较大的作用，不仅仿佛而且起到了耐冲蚀、耐磨作用。

近年来国内在节能、增效等方面改进换热器性能，在提高传热效率，减少传热面积，降低压降，提高装置热强度等方面的研究取得了显著成绩。

流程优化软件技术的发展带来了换热器应用的增多。

20世纪80年代常减压装置的换热器用量在70台左右，90年代换热器用量达到90-100台，90年代末至今已超过140台。

换热器的大量使用有效的提高了能源的利用率，使企业成本降低，效益提高。

1换热器的分类及工作原理

1.1换热器的工作原理及分类

换热器作为传热设备随处可见，在工业中应用非常普遍，特别是耗能用量十分大的领域，随着节能技术的飞速发展，换热器的种类开发越来越多。

适用于不同介质、不同工况、不同温度、不同压力的换热器，结构和形式亦不同，换热器种类随新型、高效换热器的开发不断更新。

按传热原理分类

　　直接接触式换热器这类换热器又成为混合式换热器。

它是利用冷、热流体直接接触彼此混合进行换热的换热器。

如冷却塔、气压冷凝器等。

为了增加量流体间的接触面积，以充分换热，在设备中常放置塔状结构的填料和栅板。

直接接触式换热器具有传热效率高、单位容积提供的传热面积大、设备结构简单、价格便宜等优点，但仅适用于工艺上允许两种流体混合的场合。

蓄热式换热器这类换热器又称回热式换热器，它是借助于由固体构成的蓄热体与热流体和冷流体交替接触，把热量从热流体传递给冷流体的换热器。

在换热器内，首先通过热流体，将热量积蓄在蓄热体中，然后通过冷流体，由蓄热体把热量释放给冷流体。

由于两流体交替与蓄热体接触，因此不可避免地会使两流体少量混合。

若两流体不允许有混合，则不能采用蓄热式换热器。

蓄热式换热器结构紧凑、价格便宜、单位面积传热面大，故适合用与气-气热交换的场合。

如回转式空气预热器就是一中蓄热式换热器。

间壁式换热器这类换热器又称表面式换热器。

它是利用间壁将进行热交换的冷热两种流体隔开，互不接触，热量由热流体通过间壁传递给冷流体的换热器。

间壁式换热器是目前应用最广泛的换热器，其形式多种多样，如常见的管壳式换热器和板式换热器都属于间壁式换热器。

中间载热体式换热器这类换热器是把两个间壁式换热器由在其中循环的载热体连接起来的换热器。

载热体在高温流体换热器和低温流体换热器之间循环，在高温流体换热器中吸收热量，在低温流体换热器中把热量释放给低温流体，如热管式换热器。

在上述几类换热器中，间壁式换热器应用最广，而且对他的研究最充分，其他类型换热器的设计和计算也常鉴于间壁式换热器。

间壁式换热器的分类

间壁式换热器又可分为管式换热器、板面式换热器等多种类型

管式换热器这类换热器都是通过管子壁面进行传热的换热器。

按传热管结构形式不同大致可分为列管式换热器、蛇管式换热器、套管式换热器、缠绕式换热器。

管式换热器虽然在换热效率、机构紧凑性和单位传热面积的金属消耗量等方面不如一些新型换热器，但它具有机构坚固、可靠、适应性强、易于制造、能承受较高的操作压力和温度等优点。

在高温高压和大型换热器中，管式换热器热占绝对优势，是目前使用最广泛的一类换热器。

列管换热器　列管换热器又称管壳式换热器，是目前化工生产中应用最为广泛的一种通用标准换热设备。

它的主要优点是制造材料广泛、结构简单、坚固耐用、清洗方便、适用性强等，在生产中使用的换热设备中占主导地位。

列管换热器主要由壳体、管束、管板和封头等部件组成。

根据结构特点可分为以下几种。

固定管板式换热器固定管板式换热器的结构特点是两端管板和壳体连接成一体，管束两端固定在两管板上。

其优点是结构简单、紧凑，管内便于清洗；

缺点是管程不能进行机械清洗，且当换热管内外两流体的温差较大（大约50℃）时，产生的温差应力（热应力）具有破坏性，需在壳体上设置膨胀节，因而壳程压力受膨胀节强度限制不能太高。

固定管板式换热器适用于壳程流体清洁且不结垢，两流体温差不大或温差较大但壳程压力不高的场合。

U型管式换热器U型管式换热器的结构特点是每根管子都弯成U型，只有一个管板，管子两端固定在同一管板上。

每根管子都可以自由伸缩，当壳体与管子有温差时，不会产生温差应力。

从而解决了热补偿问题。

U型管式换热器的优点是结构简单，只有一个管板，密封面少，运行可靠，造价低；

管间清洁比较方便。

其缺点是管内清洁比较困难；

可排管子数目较少；

管束最内层管间距大，管程易短路。

U型管式换热器适用于管、壳程温差较大或壳程介质不易结垢的场合。

浮头式换热器浮头式换热器结构特点是两端管板之一不与壳体固定连接，可以在壳体内沿轴向自由伸缩，该端称为浮头。

此种换热器的优点是当换热管与壳体有温差存在，在壳体或换热器膨胀时，管束连同浮头就可在壳体内自由伸缩，不会产生温差应力；

且管束可以从壳内抽出，便于管内和管间的清洗。

其缺点是结构复杂，用材量大，造价高。

浮头式换热器适用于壳体与管束温差较大或壳程流体容易结构的场合。

填料函式换热器填料函式换热器的结构特点是管板只有一端与壳体固定，另一端采用填料函密封。

管束可以自由伸缩，不会产生温差应力。

该换热器的优点是结构较浮头式换热器简单，造价低；

管束可以从壳体内抽出，管、壳程均能进行清洗。

其缺点是填料函耐压不高，一般小于4.0MPa；

壳程介质可以通过填料函向外泄露。

填料函式换热器适用于管、壳程温差较小或介质易结垢需要经常清洗且壳程压力不高的场合。

管套换热器管套换热器的优点是结构简单；

能耐高压；

传热面积可根据需要增减，适当选择内管和外管的直径，可使流体的流速增大，而且冷热流体可作严格逆流，传热效果较好。

其缺点是单位传热面积的金属耗量大；

管子接头多，易泄露，占地面积大，检修清洗不方便。

此类换热器适用于高温、高压及流量较小的场合。

蛇管换热器蛇管换热器根据操作方式不同，分为沉浸式和喷淋式两类。

沉浸式蛇管换热器此种换热器通常以金属管自弯绕而成，制成适应容器的形状沉浸在容器内的液体中。

管内流体与容器内液体隔着管壁进行换热。

此类换热器优点是结构简单、造价低廉、便于防腐、能承受高压。

缺点是管外对流传热系数小，常需加搅拌装置，以提高传热系数。

喷淋式蛇管换热器喷淋式蛇管换热器常用作冷却器冷却管内热流体，且常用水作为喷淋冷却剂，故常称为水冷器。

它是将若干排蛇管垂直地固定在支架上，蛇管的排数根据所需传热面积的多少而定。

热流体自下部总管流入各排蛇管，从上部流入在汇入总管。

冷却水由蛇管上方的喷淋装置均匀的喷洒在各排蛇管上并沿着管外表面淋下。

该装置通常置于室外通风处，冷却水在空气中汽化时，可以带走部分热量，以提高冷却效果。

与沉浸式蛇管换热器相比，喷淋式蛇管换热器具有检修清洁方便、产热效果好等优点。

缺点是体积庞大，占地面积多；

冷却水耗用量较大，喷淋不均匀等

套管式换热器它有两种不同大小直径的管子组装成同心管，两端用U型管将它们连结成排，并根据实际需要，排列组合形成单元。

换热时，一种流体走内管，另一种流体走外管之间的环隙，内管得壁面为传热面，安妮流方向进行换热。

两种流体都可以在较高的温度、压力、流速下进行换热。

1.2换热器研究现状及发展趋势

20世纪80年代以来，换热器技术飞速发展，带来了能源利用率的提高。

各种新型、高效换热器的相继开发与应用带来了巨大的社会经济效益，随着市场经济的发展，降低成本已成为企业追求得最终目标。

因而节能设备的研究与开发备受瞩目。

能源的日趋紧张、全球环境气温的不断升高、环境保护要求的提高给换热器济空冷式换热器及高温、高压换热器带来了日益广阔的应用前景。

a研究机构及研究现状

美国传热研究公司（HeatTransferResearchInc.）既HTRI，是1962年发起组建的一个国际性、非营利的合作研究机构，会员数百家，遍及全球，取得了大量的研究成果，积累了换热器设计的丰富经验，在传热机理、两相流、振动、无垢、模拟及测试技术方面做出了巨大贡献。

近年来，该公司在计算机应用软件开发上发展很快，所开发的网络优化软件、各种换热器工艺设计软件计算精度准确，不仅节省了人力，提高了效率，而且提高了技术经济性能。

目前国内近20家成为HTRI会员。

国内各研究机构和各类院校研究不断推陈出新，在强化传热元件方面华南理工大学相继开发出表面多孔管、螺旋槽管、波纹管、纵横管等；

天津大学在流路分析法、振动等方面研究成果显著；

清华大学在板片传热方面有深入地研究；

西安交大在板翅式换热器研究方面已取得初步成果；

重庆建工学院开发出翅管换热器；

在强度软件方面化工设备设计研究中心开发出SW6；

在液压胀管方面江苏化工学院开发出液压胀管器；

以换热器起家的兰州石油机械研究所率先开发出板式换热器、板式冷凝器、板式蒸发器、螺旋板换热器、板壳式换热器、螺纹管换热器、折流杆换热器、外导流筒换热器、高效重沸器、新机构高校换热器、Ω环高压换热器、表面蒸发空冷器、板式空冷器等一批实用价值的系列高效换热器，近年来又在强度软件上开发LansysPV,在CAD软件上开发出浮头式换热器LansysHF、U形管换热器LansysHU等系列CAD软件，含标准图2000多套；

中国石化工程建筑公司与兰州石油化工机械厂联合开发出螺纹锁紧环换热器；

西安交大、兰州五院、宁夏化工厂合作开发出螺旋绕管式换热器，这些技术成果为国民经济的快速发展，为中国炼油、化工工业的发展起到了决定作用，也是中国的传热技术水平步入国际先进水平。

ｂ．换热器研究及发展动向

换热器传热与流体流动计算的准确性，取决于物性模拟的准确性。

因此，物性模拟一直为传热界重点研究课题之一，特别是两相流无形的模拟。

两相流的物性基础来源于实验室实际工况的模拟。

这恰恰是与实际工况差别的体现。

实验室模拟实际工况很复杂，准确性主要体现于实际工况的差别。

纯组分介质的物性数据基本上准确，但油气组成物的数据就与实际工况相差较大，特别是带有固体颗粒的流体模拟更复杂。

为此，要求物性模拟在实验手段上更加先进，测试的准确率更高。

从而使换热器计算更精确，材料更节省。

物性模拟将代表换热器的经济技术水平。

ｃ．分析设计的研究

分析设计是近代发展的一门新兴学科，美国ANSYS软件技术一直处于国际领先水平，通过分析设计可以得到流体的流动分布场，也可将温度场模拟出来，这无疑给流路分析法技术带来发展，同时也给常规强度计算带来更准确，更便捷的手段。

在超常规设计强度计算中，可模拟出应力的分布图，是常规无法得到的计算结果能方便、快捷、准确地得到，是换热器更加安全可靠。

这一技术随着计算机应用的发展，见带来技术水平的飞跃。

将会逐步取代强度试验，摆脱试验室繁重的劳动强度。

ｄ．大型化及能耗研究

换热器将随装置的大型化而大型化，直径将超过5m，传热面积将达到单位10000m2，紧凑型换热器将越来越受欢迎。

板壳式换热器、折流杆换热器、板翅式换热器、板式空冷器将得到发展，振动损失将逐渐克服，高温、高压、安全、可靠的换热器结构将朝着结构简单、制造方便、重量轻发展。

随着全球水资源的紧张，循环水将被性的冷却介质取代，循环将被新型、高效的空冷器所取代。

保温绝热技术的发展，热量损失将减少到目前的50%以下。

ｅ．强化技术研究

各种新型、高效换热器将逐步取代现有常规产品。

电厂动力效应强化传热技术将会在新的世纪得到研究和发展。

同心管换热器、高温喷流式换热器、印刷线路板换热器、穿孔板换热器、微尺度换热器、微通道换热器、硫化床换热器、新能源换热器将在工业领域及其他领域得到研究和应用。

ｆ．材料的研究

材料将朝着强度高、制造工艺简单、防腐效果好、重量轻等方向发展。

随着稀有金属价格的下降，钛、钽、锆等稀有金属使用量将扩大，CrMo钢材料将实现不预热和后热的方向发展。

ｇ．控制结垢及腐蚀的研究

国内污垢数据基本上是20世纪60-70年代从国外照搬而来，污垢研究技术发展缓慢。

随着节能、增效要求的提高，污垢研究将会受到国家的重视和投入。

通过对污垢的形成机理、生长速度、影响因素的研究，预测污垢曲线，从而控制结垢，这对传热效率的提高将是中德的突破。

保证装置低能耗、常周期运转，超声防垢技术将得到大力发展。

腐蚀技术的研究将会有所突破，低成本的防腐涂层特别是金属防腐涂层技术将得到发展，电化学防腐技术将成为主导。

2换热器设备各部分的设计说明

2.1设备制造工艺过程

2.1.1筒体

换热器的筒体可以用钢板卷制，也可以用无缝钢管制作，通常以400mm为界。

筒体直径大于等于400mm，常用钢管作为筒体，公称直径以内径为基准。

碳钢和低合金钢作为通体必须是无缝钢管，奥氏体不锈钢管用筒体可以使无缝钢管，也可以是符合要求的有缝钢管。

换热器壳程的筒体内一般均设计折流板，设计折流板的主要目的是提高壳程流体流速，从而提高壳程流体的给热系数。

另外，也为换热管提供支撑，折流板与壳体之间应该有合理的间隙，既保证流体的传热效率有保证管束与壳体的装配。

为了保证合理的间隙，换热器筒体与一般压力容器相比应该具有较高的椭圆度和刚性要求。

2.1.2管箱

从管箱结构上分析，管箱上有封头，物料进出口接管，分程隔板及板箱侧法兰。

各元件之间均用全焊透焊的结构连接，是一个焊缝比较密集的部件，会存在较大的焊接接头的残余应力。

本设备运行期间，进出口接管也会受到外管线传来的外载荷。

因此，在管箱部件的设计与制造过程中应十分注意保证管箱的刚性和法兰的密封面的平整性。

为换热器能常周期安全运行提供前提条件。

2.1.3管板

管板毛胚可以是板材或锻件，也可以是复合板。

若是钢材，该钢材必须符合GB151规定的压力容器用钢。

为了控制管板内部表面层的力学性能差距过大，厚度大于60m