各种换热器设计详细说明书--原稿Word格式.doc
《各种换热器设计详细说明书--原稿Word格式.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《各种换热器设计详细说明书--原稿Word格式.doc（85页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
随着我国工业的不断发展，对能源利用、开发和节约的要求不断提高，因而对换热器的要求也日益加强。
换热器的设计制造结构改进以及传热机理的研究十分活跃，一些新型高效换热器相继问世。
完善的换热器在设计或选型时应满足以下基本要求：
（1）合理地实现所规定的工艺条件；
（2）结构安全可靠；
（3）便于制造、安装、操作和维修；
（4）经济上合理。
随着换热器在工业生产中的地位和作用不同，换热器的类型也多种多样，不同类型的换热器各有优缺点，性能各异。
在换热器设计中，首先应根据工艺要求选择适用的类型，然后计算换热所需传热面积，并确定换热器的结构尺寸。
目录
设计任务书 6
一设计题目：
煤油冷却器的设计 6
二设计任务及操作条件 6
三选择适宜的列管式换热器并进行核算 6
四绘制换热器装配图（A1图纸） 6
第一章设计方案简介 7
第一节换热器简介 9
一、换热器概述 9
二、换热器的分类 9
第二节列管式换热器的结构 13
1、管程结构 13
2、壳程结构 14
第三节管程和壳程数的确定 16
第四节流动空间的选择 17
第五节流体流速的选择 18
第六节流动方式的选择 18
第七节加热剂、冷却剂的选择 19
第八节流体出口温度的确定 19
第九节材质的选择 19
第二章列管式换热器的设计计算 20
第一节传热计算 21
1、传热系数K 21
2、平均温度差 21
3、对流传热系数 24
4、污垢热阻 24
第二节流体流动阻力（压强降）的计算 26
第三节列管式换热器的设计和选用的计算步骤总结 28
第三章换热器设计 29
一、确定设计方案. 29
二、确定物性数据 29
四、传热面积初值计算 30
五、管侧传热系数 30
六、管内给热系数 31
七、传热核算 31
八、壳侧压力降 31
九、管侧压降计算 32
十、裕度计算 33
十一、冬季因素考虑 33
十二、壳程接管 39
十三、管程接管 39
第四章零件计算 40
第一节壳体、管箱壳体和封头的设计 40
1、壁厚的确定 40
2、封头 40
第二节管板与换热管 42
1、管板 42
2、换热管 43
第三节进出口设计 47
1、接管外伸长度 47
2、接管与筒体、管箱壳体的连接 47
3、排气、排液管 48
4、接管最小位置 49
第四节壳体与管板、管板与法兰及换热管的连接 51
1、壳体与管板的连接结构 51
2、管板与法兰的连接 52
3、管子与管板的连接 54
第五节折流板或支持板 55
1、折流板型式 55
2、折流板尺寸 56
3、折流板的布置 57
4、支持板 57
5、折流板质量计算 57
第六节防冲与导流 58
第七节拉杆与定距管 58
1、拉杆的结构和尺寸 58
2、拉杆的位置 59
3、定距管尺寸 59
第八节防短路结构 60
1、旁路挡板结构尺寸 60
2、假管 60
第九节膨胀节 61
1、膨胀节 61
2、膨胀节计算 62
第五章管束振动计算 65
第一节概述 65
1、流动诱发振动的三种基本情况 65
2、管子最可能破坏的区段 65
3、破坏机理 65
4、流动诱发振动机理 65
5、横流下管束动力行为 66
6、流体动力作用力 66
第二节流动诱发振动机理 67
1、漩涡分离 67
2、湍流抖振 68
3、弹性不稳定性 68
第三节振动分析：
69
1、阻尼稳定性理论：
2、共振 69
3、横向载荷校核 70
第四节管束振动计算 71
1、求斯特罗哈数 71
2、求临界速度系数D 71
3、求临界状态时漩涡分离振频率与管子固有频率之比 71
4、求临界状态时紊流抖动振频率与管子固有频率之比 71
第六章流程图 72
设计流程图 72
工艺流程图 73
第七章结语 74
第八章致谢 75
参考文献 76
设计任务书
煤油冷却器的设计
二设计任务及操作条件
1．处理能力：
10万吨/年煤油
2．设备形式：
列管式换热器
3．操作条件
（1）煤油：
入口温度140℃，出口温度40℃
（2）冷却介质：
自来水，入口温度30℃，出口温度40℃
（3）允许压强降：
不大于100kPa
（4）煤油定性温度下的物性数据：
密度825kg/m3，黏度7.15×
10-4Pa.s，比热容2.22kJ/（kg.℃），导热系数0.14W/（m.℃）
（5）每年按330天计，每天24小时连续运行
三选择适宜的列管式换热器并进行核算
3.1传热计算
3.2管、壳程流体阻力计算
3.3管板厚度计算
3.4U形膨胀节计算
3.5管束振动
3.6管壳式换热器零部件结构
四绘制换热器装配图（A1图纸）
参考文献
[1]夏清，姚玉英,陈常贵,等.化工原理[M].天津：
天津大学出版社，2001
[2]华南理工大学化工原理教研组.化工过程及设备设计[M].广州：
华南理工大学出版社，1996
[3]刁玉玮,王立业.化工设备机械基础（第五版）[M].大连：
大连理工大学出版社,2000
[4]大连理工大学化工原理教研室．化工原理课程设计[M].大连：
大连理工大学出版社，1996
[5]魏崇光，郑晓梅.化工工程制图[M].北京：
化学工业出版社,1998
[6]娄爱娟,吴志泉.化工设计[M].上海：
华东理工大学出版社，2002
[7]华东理工大学机械制图教研组.化工制图[M].北京：
高等教育出版社，1993
[8]王静康.化工设计[M].北京：
化学工业出版，1998
[9]傅启民.化工设计[M].合肥：
中国科学技术大学出版社，2000
[10]董大勤.化工设备机械设计基础[M].北京：
化学工业出版社,1999
[11]GB151-1999管壳式换热器
[12]JB/T4715-92固定管板式换热器与基本参数
[13]靳明聪.换热器[M].重庆：
重庆大学出版社，1990
[14]兰州石油机械研究所.换热器[M].北京：
烃加工出版社，1986
第一章设计方案简介
一、
设计目的
课程设计是化工原理课程教学中综合性和实际性较强的教学环节，是理论联系实际的桥梁，是使学生体察工程实际问题复杂性的初次尝试。
通过化工原理课程设计，要求学生能综合运用本课程和前修课程的基本知识，进行融会贯通的独立思考，在规定的时间内完成指定的化工设计任务，从而得到化工设计的主要程序和方法，培养学生分析和解决工程实际问题的能力。
同时，通过课程设计，还可以培养学生树立正确的设计思想，培养实事求是，严肃认真，高度负责的工作作风。
二、
该设备的作用及在生产中的应用
换热器是实现传热过程的基本设备。
而此设备是比较典型的传热设备，它在工业中的应用十分广泛。
例如：
在炼油厂中作为加热或冷却用的换热器、蒸馏操作中蒸馏釜和冷凝器、化工厂蒸发设备的加热室等。
三、工艺流程示意图
饱和水蒸气应从换热器壳程上方进入，冷凝水由壳程下方排出，冷却水从换热器下方的入口进入，上方的出口排除。
四、说明运用该设备的理由
这种换热器的特点是壳体和管板直接焊接，结构简单、紧凑。
在同样的壳体直径内，排管较多。
管式换热器具有易于制造、成本较低、处理能力达、换热表面清洗比较方便、可供选用的结构材料广阔、适应性强、可用于调温调压场合等优点，由于两管板之间有管子相互持撑，管板得到加强，故在各种列管换热器中他的管板最薄，其造价比较低，因此得到了广泛应用。
五、设备的结构特点
该结构能够快速的降低物料的温度，工作时热流体走壳程，冷流体走管程，使接触面积大大增加，加快了换热速度。
同时，对温差稍大时可在壳体的适当部位焊上补偿圈（或称膨胀节），通过补偿圈发生弹性变形（拉伸或压缩）来适应外壳和管束不同的膨胀程度。
六、在设计中遇到的问题的处理
在设计中，在工艺计算过程中，由于选取K0不当或其他条件选取不当，造成在校核时K0不符合要求。
在重新选取K0的同时，改变了其他的条件，如：
n，L等，经过二次校核达到了预期的目的。
七、设计方案的确定
（1）对于列管式换热器，首先根据换热流体的腐蚀性或其它特性选项定其结构材料，然后再根据所选项材料的加工性能，流体的压强和温度、换热的温度差、换热器的热负荷、安装检修和维护清洗的要求以及经济合理性等因素来选项定其型式。
设计所选用的列管换热器的类型为固定管板式。
列管换热器是较典型的换热设备，在工业中应用已有悠久历史，具有易制造、成本低、处理能力大、换热表面情况较方便、可供选用的结构材料广阔、适应性强、可用于调温调压场合等优点，故在大型换热器中占优势。
固定管板式列管换热器的特点是，壳体与管板直接焊接，结构简单紧凑，在同样的壳体直径内排管最多。
由于两管板之间有管板的相互支撑，管板得到加强，故各种列管换热器中它的管板最薄，造价最低且易清洗。
缺点是，管外清洗困难，管壁与壳壁之间温差大于50℃时，需在壳体上设置膨胀节，依靠膨胀节的弹性变形以降低温差压力，使用范围仅限于管、壳壁的温差不大于70℃和壳程流体压强小于600kpa的场合，否则因膨胀节过厚，难以伸缩而失去温差补偿作用。
（2）工艺流程图
（3）流体流经的空间：
冷却水走管程原因有以下几个方面，冷却水常常用江水或井水，比较脏硬度较高，受热容易结垢，在管内便于清理，此外，管内流体易于维持高速，可避免悬浮颗粒的沉积。
管程可以采用多管程来增大流速，用以提高对流传热系数。
被加热的流体应走管程，以提高热的有效利用，被冷却的流体走壳程，以便于热量散失。
饱和蒸汽由于比较清洁应于壳程流过，易便于冷凝液的排出。
综上所述冷却水走管程蒸汽走壳程。
（4）流体的流动方向选择：
饱和水蒸气应从换热器壳程上方进入，冷凝水从壳程的下方排出，这样既便于冷凝水的排放，又利于传热效率的提高;
冷却水一般从换热器的下方的入口进入,上方的出口排出,可减少冷却水流动中的死角,以提高传热面积的有效利用.故采用逆流.
（5）流速的选择:
换热器内流体的流速大小,应有经济衡算来决定.增大器内流体的流速,可增强对流传热,减少污垢在换热管表面上沉积的可能性,即降低了污垢的热阻,使总传热系数增大,从而减少换热器的传热面积和设备的投资经费,但是流速增大,又使流体阻力增大,动力消耗也就增多,从而致使操作费用增加,若流速过大,还会使换热器产生震动,影响寿命,因此选取合适的流速是十分重要的.
（6）冷却剂及出口温度的确定:
选取水做冷却剂,它们可以直接取自大自然,不必特别加工.由于本地水源丰富,可以降低传热面积,减少设备费用,故取出口温度为28℃.
第一节换热器简介
一、换热器概述
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。
在化工、石油、动力、制冷、食品等行业中广泛使用各种换热器，且它们是上述这些行业的通用设备，占有十分重要的地位。
二、换热器的分类
换热器作为传热设备被广泛用于耗能用量大的领域。
随着节能技术的飞速发展，换热器的种类越来越多。
适用于不同介质、不同工况、不同温度、不同压力的换热器，结构型式也不同，换热器的具体分类如下：
1、换热器按传热原理可分为：
1）间壁式换热器
间壁式换热器是温度不同的两种流体在被壁面分开的空间里流动，通过壁面的导热和流体在壁表面对流，两种流体之间进行换热。
因此又称表面式换热器，这类换热器应用最广。
间壁式换热器根据传热面的结构不同可分为管式、板面式和其他型式。
2）蓄热式换热器
蓄热式换热器通过固体物质构成的蓄热体，把热量从高温流体传递给低温流体，热介质先通过加热固体物质达到一定温度后，冷介质再通过固体物质被加热，使之达到热量传递的目的。
蓄热式换热器有旋转式、阀门切换式等。
3）流体连接间接式换热器
流体连接间接式换热器，是把两个表面式换热器由在其中循环的热载体连接起来的换热器，热载体在高温流体换热器和低温流体之间循环，在高温流体接受热量，在低温流体换热器把热量释放给低温流体。
这类换热器主要用于回收和利用高温废气的热量。
以回收冷量为目的的同类设备称蓄冷器，多用于空气分离装置中。
如炼焦炉下方预热空气的蓄热室。
4）混合式换热器
混合式换热器是通过冷、热流体的直接接触、混合进行热量交换的换热器，又称接触式换热器。
由于两流体混合换热后必须及时分离，这类换热器适合于气、液两流体之间的换热。
例如，冷水塔、气体冷凝器等。
2、换热器按用途分为：
1）冷却器
冷却器是把流体冷却到必要的温度，但冷却流体没有发生相的变化。
2）加热器
加热器是把流体加热到必要的温度，但加热流体没有发生相的变化。
3）预热器
预热器预先加热流体，为工序操作提供标准的工艺参数。
4）过热器
过热器用于把流体（工艺气或蒸汽）加热到过热状态。
5）蒸发器
蒸发器用于加热流体，达到沸点以上温度，使其流体蒸发，一般有相的变化。
下面我们主要介绍列管式换热器。
1、列管式换热器分类
列管式换热器是目前化工及酒精生产上应用最广的一种换热器。
它主要由壳体、管板、换热管、封头、折流挡板等组成。
列管式换热器又称为管壳式换热器，是最典型的间壁式换热器。
优点：
单位体积设备所能提供的传热面积大，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，大型装置中普遍采用。
结构：
壳体、管束、管板、折流挡板和封头。
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。
列管式换热器，按材质分为碳钢列管式换热器，不锈钢列管式换热器和碳钢与不锈钢混合列管式换热器三种，按形式分为固定管板式、浮头式、U型管式换热器，按结构分为单管程、双管程和多管程，传热面积1～500m2，可根据用户需要定制。
在进行换热时，一种流体由封头的连结管处进入，在管流动，从封头另一端的出口管流出，这称之管程；
另-种流体由壳体的接管进入，从壳体上的另一接管处流出，这称为壳程。
列管式换热器种类很多，目前广泛使用的按其温差补偿结构来分，主要有以下几种：
浮头式换热器、固定式换热器、U形管换热器、填料函式换热器等
1）浮头式换热器
浮头式换热器两端的管板，一端不与壳体相连，该端称浮头。
管子受热时，管束连同浮头可以沿轴向自由伸缩，完全消除了温差应力。
新型浮头式换热器浮头端结构，它包括圆筒、外头盖侧法兰、浮头管板、钩圈、浮头盖、外头盖及丝孔、钢圈等组成，其特征是：
在外头盖侧法兰内侧面设凹型或梯型密封面，并在靠近密封面外侧钻孔并套丝或焊设多个螺杆均布，浮头处取消钩圈及相关零部件，浮头管板密封槽为原凹型槽并另在同一端面开一个以该管板中心为圆心，半径稍大于管束外径的梯型凹槽，且管板分程凹槽只与梯型凹槽相连通，而不与
图1浮头式换热器
凹型槽相连通；
在凹型和梯型凹槽之间钻孔并套丝或焊设多个螺杆均布，设浮头法兰为凸型和梯型凸台双密封，分程隔板与梯型凸台相通并位于同一端面的宽面法兰，且凸型和梯型凸台及分程隔板分别与浮头管板凹型和梯型凹槽及分程凹槽相对应匹配，该浮头法兰与无折边球面封头组配焊接为浮头盖，其法兰螺孔与浮头管板的丝孔或螺杆相组配，用螺栓或螺帽紧固压紧浮头管板凹型和梯型凹槽及分程凹槽及其垫片，该结构必要时可适当加大浮头管板的厚度和直径及圆筒的内径，同时相应变更加大相关零部件的尺寸；
另配置一无外力辅助钢圈，其圈体内径大于浮头管板外径，钢圈一端设法兰与外头盖侧法兰内侧面凹型或梯型密封面连接并密封，另一端设法兰或其他结构与浮头管板原凹型槽及其垫片或外圆密封。
浮头换热器的特点：
浮头式换热器的一端管板固定在壳体与管箱之间，另一端管板可以在壳体内自由移动，这个特点在现场能看出来。
这种换热器壳体和管束的热膨胀是自由的，管束可以抽出，便于清洗管间和管内。
其缺点是结构复杂，造价高（比固定管板高20%），在运行中浮头处发生泄漏，不易检查处理。
浮头式换热器适用于壳体和管束温差较大或壳程介质易结垢的条件。
2）固定管板式换热器
固定管板式换热器的两端管板和壳体制成一体，当两流体的温度差较大时，在外壳的适当位置上焊上一个补偿圈（或膨胀节）。
当壳体和管束热膨胀不同时，补偿圈发生缓慢的弹性变形来补偿因温差应力引起的热膨胀。
固定管板式换热器主要有外壳、管板、管束、封头压盖等部件组成。
固定管板式换热器的结构特点是在壳体中设置有管束，管束两端用焊接或胀接的方法将管子固定在管板上，两端管板直接和壳体焊接在一起，壳程的进出口管直接焊在壳体上，管板
图2固定管板式换热器
外圆周和封头法兰用螺栓紧固，管程的进出口管直接和封头焊在一起，管束内根据换热管的长度设置了若干块折流板。
这种换热器管程可以用隔板分成任何程数。
这类换热器的结构比较简单、紧凑、造价便宜，但壳程清洗困难，对于较脏或有腐蚀性的介质不宜采用。
此种换热器管束连接在管板上，管板分别焊在外壳两端，并在其上连接有顶盖，顶盖和壳体装有流体进出口接管。
通常在管外装置一系列垂直于管束的挡板。
同时管子和管板与外壳的连接都是刚性的，而管内管外是两种不同温度的流体。
因此，当管壁与壳壁温差较大时，由于两者的热膨胀不同，产生了很大的温差应力，以至管子扭弯或使管子从管板上松脱，甚至毁坏换热器。
为了克服温差应力必须有温差补偿装置，一般在管壁与壳壁温度相差50℃以上时，为安全起见，换热器应有温差补偿装置。
但补偿装置（膨胀节）只能用在壳壁与管壁温差低于60～70℃和壳程流体压强不高的情况。
一般壳程压强超过0.6Mpa时由于补偿圈过厚，难以伸缩，失去温差补偿的作用，就应考虑其他结构。
固定管板式换热器的特点
1、旁路渗流较小；
2、造价低；
3、无内漏；
4、固定管板式换热器的缺点是，壳体和管壁的温差较大，易产生温差力，壳程无法清洗，管子腐蚀后连同壳体报废，设备寿命较低，不适用于壳程易结垢场合。
3）U型管式换热器
图3U型管换热器
这类换热器只有一个管板，管程至少为两程，管束可以抽出清洗，管子可以自由膨胀。
其缺点是管子内壁清洗困难，管子更换困难，管板上排列的管子少。
4）填料函式换热器：
这类换热器管束一端可以自由膨胀，结构比浮头式简单，造价也比浮头式低。
但壳程内介质有外漏的可能，壳程中不应处理易挥发、易燃、易爆和有毒的介质。
第二节列管式换热器的结构
1、管程结构
①换热管规格和排列的选择
换热管直径越小，换热器单位体积的传热面积越大。
因此，对于洁净的流体管径可取小些。
但对于不洁净或易结垢的流体，管径应取得大些，以免堵塞。
考虑到制造和维修的方便，加热管的规格不宜过多。
目前我国试行的系列标准规定采用和两种规格，对一般流体是适应的。
此外，还有，φ57×
2.5的无缝钢管和φ25×
2,的耐酸不锈钢管。
按选定的管径和流速确定管子数目，再根据所需传热面积，求得管子长度。
实际所取管长应根据出厂的钢管长度合理截用。
我国生产的钢管长度多为6m、9m，故系列标准中管长有1.5m，2m，3m，4.5m，6m和9m六种，其中以3m和6m更为普遍。
同时，管子的长度又应与管径相适应，一般管长与管径之比，即L/D约为4～6。
管子的排列方式有等边三角形和正方形两种（图4.7.11a，图4.7.11b）。
与正方形相比，等边三角形排列比较紧凑，管外流体湍动程度高，表面传热系数大。
正方形排列虽比较松散，传热效果也较差，但管外清洗方便，对易结垢流体更为适用。
如将正方形排列的管束斜转45°
安装（图4（3）），可在一定程度上提高表面传热系数。
图4管子在管板上的排列
②管板
固定管板式换热器的两端管板采用焊接方法与壳体连接固定。
管板的作
升级会员 