摘 要本课题研究的目的主要是针对给定的固定管板式换热器设计的基本要求，通过查阅资料、分析设计条件，以及换热器的传热计算、壁厚设计和强度校核等设计，基本确定固定管板式换热器的结构。通过一系列分析固定管板式换热器的设计条件，确定设计步骤。对固定管板式换热器筒体、封头、管板等部件的材料选择、壁厚计算和强度校核。对固定管板式换热器前端管箱、后端管箱、传热管和管板等结构进行设计，对换热器进行开孔补强校核。绘制契合设计要求的固定管板式换热器的图纸，给出相关的技术方面的要求；在固定管板换热器的结构设计过程中，要参考相关的标准做设计，比如GB-150、GB151……，使设计能够符合有关标准。同时要是设计的结构满足生产的需要，抵达安全生产的要求。通过设计过程达到熟悉了解换热器各部分结构特点及工作原理的目的。关键词：换热器；固定管板；设计；强度目 录摘要 IAbstract II1绪论 11.2固定管板换热器介绍 21.3本课题的研究目的和意义 31.4换热器的发展历史 42产品冷却器结构设计的总体计算 72.2前端管箱计算 82.2.1前端管箱筒体计算 82.2.2前端管箱封头计算 102.3后端管箱计算 112.3.1后端管箱筒体计算 112.3.2后端管箱封头计算 132.4壳程圆筒计算 143各部分强度校核 163.1开孔补强计算 163.2壳程圆筒校核 193.3管箱圆筒校核 204换热管及法兰的设计 214.1换热管设计 214.2管板设计 224.3管箱法兰设计 234.4壳体法兰设计 264.5各项系数计算 285 产品冷却器制作的完整过程简介 355.1 总则 355.2零部件的制造 35结论 44参考文献: 45致谢 46附录 47 夹套式换热器 这种换热器是在容器外壁安装夹套制成,结构相对比较简单;但其加热面受容器壁面限制,传热系数也不高.为提高传热系数且使釜内液体受热均匀,可在釜内安装搅拌器.当夹套中通入冷却水或无相变的加热剂时,亦可在夹套中设置螺旋隔板或其它增加湍动的措施,以提高夹套一侧的给热系数.为补充传热面的不足,也可在釜内部安装蛇管夹套式换热器大范围的使用在反应过程的加热和冷却. ? ?沉浸式蛇管换热器 这种换热器是将金属管弯绕成各种与容器相适应的形状,并沉浸在容器内的液体中.蛇管换热器的优点是结构相对比较简单,能承受高压,可用耐腐蚀材料制造;其缺点是容器内液体湍动程度低,管外给热系数小.为提高传热系数,容器内可安装搅拌器. ? ?喷淋式换热器 这种换热器是将换热管成排地固定在钢架上，热流体在管内流动,冷却水从上方喷淋装置均匀淋下,故也称喷淋式冷却器.喷淋式换热器的管外是一层湍动程度较高的液膜,管外给热系数较沉浸式增大很多.另外,这种换热器大多放置在空气流通之处,冷却水的蒸发亦带走一部分热量,可起到降低冷却水温度,增大传热推动力的作用.因此,和沉浸式相比,喷淋式换热器的传热效果大有改善. ? ? 套管式换热器 套管式换热器是由直径不同的直管制成的同心套管,并由U形弯头连接而成.在这种换热器中,一种流体走管内,另一种流体走环隙,两者皆可得到较高的流速,故传热系数较大.另外,在套管换热器中,两种流体可为纯逆流,对数平均推动力较大. 套管换热器结构相对比较简单,能承受高压,应用亦方便(可根据自身的需求增减管段数目). 特别是由于套管换热器同时具备传热系数大,传热推动力大及可承受高压强的优点,在超高压生产的全部过程(例如操作压力为3000大气压的高压聚乙烯生产的全部过程)中所用的换热器几乎全部是套管式. ? ?? ? 管壳式换热器 管壳式(又称列管式) 换热器是最典型的间壁式换热器,它在工业上的应用有着悠久的历史,而且至今仍在所有换热器中占据主导地位. 管壳式换热器主要有壳体,管束,管板和封头等部分所组成,壳体多呈圆形,内部装有平行管束,管束两端固定于管板上.在管壳换热器内进行换热的两种流体,一种在管内流动,其行程称为管程;一种在管外流动,其行程称为壳程.管束的壁面即为传热面. 为提高管外流体给热系数,通常在壳体内安装少数的横向折流档板.折流档板不仅可防止流体短路,增加流体速度,还迫使流体按规定路径多次错流通过管束,使湍动程度大为增加.常用的档板有圆缺形和圆盘形两种,前者应用更广泛. 流体在管内每通过管束一次称为一个管程,每通过壳体一次称为一个壳程.为提高管内流体的速度,可在两端封头内设置适当隔板,将全部管子平均分隔成若干组.这样,流体可每次只通过部分管子而往返管束多次,称为多管程.同样,为提高管外流速,可在壳体内安装纵向档板使流体多次通过壳体空间,称多壳程.在管壳式换热器内,由于管内外流体温度不同,壳体和管束的温度也不同.如两者温差很大, 换热器内部将出现很大的热应力,可能使管子弯曲,断裂或从管板上松脱.因此,当管束和壳体温度差超过50℃时,应采取适当的温差补偿方法,消除或减小热应力.? ?2.混合式换热器混合式热交换器是依靠冷、热流体非间接接触而进行传热的，这种传热方式避免了传热间壁及其两侧的污垢热阻，只要流体间的接触情况良好，就有较大的传热速率。故凡允许流体相互混合的场合，都能够使用混合式热交换器，例如气体的洗涤与冷却、循环水的冷却、汽-水之间的混合加热、蒸汽的冷凝等等。它的应用遍及化工和冶金企业、动力工程、空气调节工程及其它许多生产部门中。混合式热交换器的种类根据用途的不同，可将混合式热交换器分成以下几种不同的类型： (1)冷却塔(或称冷水塔) 在这种设备中，用自然通风或机械通风的方法，将生产中已经提高了温度的水进行冷却降温之后循环使用，以提高系统的经济效益。例如热力发电厂或核电站的循环水、合成氨生产中的冷却水等，经过水冷却塔降温之后再循环使用，这种方法在实际工程中得到了广泛的使用。 (2)气体洗涤塔(或称洗涤塔) 在工业上用这种设备来洗涤气体有各种目的，例如用液体吸收气体混合物中的某些组分，除净气体中的灰尘，气体的增湿或干燥等。但其最广泛的用途是冷却气体，而冷却所用的液体以水居多。空调工程中普遍的使用的喷淋室，可以认为是它的一种特殊形式。喷淋室不仅能像气体洗涤塔一样对空气进行冷却，而且还可对其加热处理。但是，它也有对水质要求高、占地面积大、水泵耗能多等缺点：所以，目前在一般建筑中，喷淋室已不常使用或仅作为加湿设备使用。但是，在以调节湿度为最大的目的的纺织厂、卷烟厂等仍大量使用! (3)喷射式热交换器在这种设备中，使压力较高的流体由喷管喷出，形成很高的速度，低压流体被引入混合室与射流非间接接触进行传热传质，并—同进入扩散管，在扩散管的出口达到同一压力和温度后送给用户。 (4)混合式冷凝器这种设备一般是用水与蒸汽非间接接触的方法使蒸汽冷凝??3.蓄热式换热器蓄热式换热器用于进行蓄热式换热的设备。内装固体填充物，用以贮蓄热量。一般用耐火砖等砌成火格子（有时用金属波形带等）。换热分两个阶段进行。第一阶段，热气体通过火格子，将热量传给火格子而贮蓄起来。第二阶段，冷气体通过火格子，接受火格子所储蓄的热量而被加热。这两个阶段交替进行。通常用两个蓄热器交替使用，即当热气体进入一器时，冷气体进入另一器。常用于冶金工业，如炼钢平炉的蓄热室。也用于化学工业，如煤气炉中的空气预热器或燃烧室，人造石油厂中的蓄热式裂化炉。蓄热式换热器通常用于对介质混合要求比较低的场合。 论述换热器总体结构(换热器型式、主要结构)的选择 换热器的结构设计包括：管子在管板上的固定，要不要温差补偿装置的设计，管板的强度，管板与壳体的连接结构，折流板与隔板的固定，盖板与法兰的设计，个部件的公差及技术条件等。 3.1管束及管壳分程 3.1.1管束分程 未解决管束增加引起管内流速及传热系数的降低，可以将管束分程。在换热器的两端的管箱中安置少数的隔板，一般每程中管束大致相等。注意温差较大的流体应避免紧邻以免引起较大的温差应力。管束分程应第一先考虑偶数管程，因为从制造、安装、操作的角度来考虑，偶数管程有较多的方便之处。但是管程数不宜太多，否则隔板本身占去相当大的布管面积，且在壳程中形成旁路，影响传热。 3.1.2壳程分程 壳程分程型式可分为 E型、F型、G型、H型。他们的不同之处在于壳侧流体进出口的位置不同。同时考虑到制造上的困难，一般的换热器壳程数很少超过2。 3.2传热管 传热管采用普通钢管或异形管。光滑管常用的规格有19mm×2mm,25mm×2.5mm两种。当换热器的传热系数不是很高时，为了强化传热，可采用异形管，如翅片管、螺纹管，其都可以明显提高传热膜系数，但是制造困难，流体流动的阻力提高。管子的直径与长度的确定与工艺紧密关联，长的选择应根据我们国家现有的管长的规格系列(常有3m 、6m、9m)截取时因考虑管材的合理使用，避免浪费。 3.3管子布置 管子布置应在换热器的截面上均匀而紧凑的分布，除此以外还有考虑流体的性质和结构设计及制造等方面的问题 管于的排列方式有等边三角形和正方形两种，如图(a)、图(b)所示。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度安装如图(c)可在一定的程度上提高对流传热系数。 3.4管板 管板用来固定换热管并起着分隔管程、壳程的作用。 管板型有平管板椭圆型管板和双管板，其中最常见的是平管板。当流体有腐蚀性时，管板应采用耐腐蚀材料，工程上多采用轧制成的符合不锈钢，或在碳钢表面堆焊一层厚度不小于5mm的覆盖层。当换热器承受高温度高压力时，应采用薄型管板，即降低了温差应力，同时也满足了高压对机械应力的要求。薄管板的突出优点是节约管板材料，高压时壳节约90%，且加工方便。所以在中低压换热器中得以推广应用。 3.5管子与管板的连接 在管壳式换热器的结构设计中，管子与管板的连接是否紧密十分重要。如果连接不紧密，在操作时连接处发生泄露，冷热流体互相混合，会造成物料和热量损失；若物料带有腐蚀性、放射性或者两种流体接触会产生易燃易爆物质，后果将更严重。 在固定管板式换热器的连接方法处还应考虑能承受一定的轴向力，以避免气温变化较大时，产生的热应力使管子从管板脱出。 焊接法由于具有很多的优点（加工简单、对管孔的加工要求不高，较强的抗脱能力使之在高温度高压力下仍能保持连接处的紧密性，同时在压力不太高时还可采用薄型管板），在一些要求比较高的场合被广的应用。 3.6管板与壳体的连接 中间圆筒形的壳体，两端是半球型的封头，在圆筒的两端是焊接的管板，管板上是管子头固定在上面。两端封头是法兰结构与圆筒相连接。 。 3.7折流板 换热器内安装折流挡板是为了更好的提高完程流体的对流传热系数。为了获得良好效果，折流挡板的尺寸和间距必须适当。对于常用的圆缺形挡板，弓形切口太大或太小，都会产生流动“死区”，如图所示，不利于传热，且增加流体阻力。一般切口高度与直径之比为0.15——0.45，常见的有0.20和0.25两种。 a——切口过小，板间过大 b——切口适当 c——切口过大 挡板的间距对壳程的流动有重要的影响，间距太大不能够确保流体垂直流过管束，使得管外给热系数降低，间距太小又不方便检修，阻力损失也很大。一般都会采用间距为壳体的0.2-1.0倍。取折流板间距B=0.3D，则 B=0.3×500=150mm，可取B为150mm。 而对圆缺形挡板而言，弓形缺口的大小对壳程流体的流动情况有重要的影响。弓形缺口太大还是太小都可能会造成流体“死区”，既不利于传热也不利于流体的流动。一般来说，弓形缺口的高度可取壳程高度的0.1—0.4。据以上原理可以再一次进行选择的缺口高度以及挡板常采用0.2和0.25采用弓形折流板，去弓形折流板圆缺高度为壳体内径的25%，则切去的圆缺高度为 h=0.25×600=130mm，故可取h=130mm 折流板数目NB 换热器壳体的内径应等于或稍大于(对浮头式换热器而言)管板的直径。根据计算出的实际管数、管径、管中心距及管子的排列方法等，可用作图法确定壳体的内径。但是，当管数较多又要反复计算时，用作图法就太麻烦。一般在初步设计小，可光分别选定两流体的流速，然后计算所需的管程和壳程的流通截面积，于系列标准中查出外壳的直径。待全部设计完成后，仍应用作图法画出管子排列图。为了使管子排列均匀，防止流体走‘短流”，可以适当增减一些管子。 管于在管板上的固定方法主要有胀接和焊接两种。其选择原则是一定要保证管子与管板连接牢固，连接处不会产生泄漏。实际生产中，高温度高压力情况下有时采用胀接加焊接的方法，对非金属管和铸铁管也有采用垫塞法的。 ①封头 封头有方形和圆形两种，方形用于小直径 (400mm)的壳体，圆形用于大直径的壳体。 ②缓冲挡板 为防止壳程流体进入换热器时对管束的冲击，可在进料管口装设缓冲挡板。 ③ 导流桶 壳程流体的进、出口和管扳问必存在有一段流体不能流动的空间(死角)，为了更好的提高传热效果，常在管束外增设导流简，使流体进、出壳积时必然经过这个空间。 放气孔、排液孔 换热器的壳体上常安有放气孔和排液孔，以排除不凝气体和冷凝液等。 列管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和抗老化性能要下降。同时具有耐热性、高强度及耐腐蚀性的材料是很少有的。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、聚四氖乙烯和玻璃等。不锈钢和有色金属虽然抗腐蚀和抗老化性能好，但价格高且较稀缺，应尽量少用。 1 3 4 5 6

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