水—異丁烷換熱器設(shè)計論文說明書

1、. . . . 畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書題 目水異丁烷換熱器設(shè)計學生王浩學號7專業(yè)班級裝備0902設(shè)計（論文）容與基本要求設(shè)計參數(shù)：熱負荷：Q=200KW； 介質(zhì)流量：根據(jù)熱負荷計算；設(shè)計壓力（MPa）：管程 0.3，殼程 0.53；設(shè)計溫度（）：管程入口 25，管程出口 35；殼程溫度 40，殼程入口 飽和氣，殼程出口 飽和液；介質(zhì)：管程 水，殼程 異丁烷；允許壓降：100000Pa。設(shè)計工作容要求：1 研究設(shè)計題目，查閱換熱器設(shè)計有關(guān)文獻，完成包括本課題的意義、國外狀況、研究容、所采用的方法、手段以與步驟、詳細的階段進度時間計劃等容的開題報告。2 完成一篇與換熱器設(shè)計有關(guān)的外文資料（不少于1

2、5000個印刷符號）的翻譯。3 根據(jù)提供的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、操作條件確定設(shè)計方案，進行傳熱計算，對換熱器主體結(jié)構(gòu)進行設(shè)計、選型、選材，通過計算確定筒體和封頭的厚度，并對開孔、接管、法蘭、支座等附件進行強度校核。4 完成換熱器設(shè)計的符合石油大學本科畢業(yè)設(shè)計（論文）撰寫規(guī)的畢業(yè)設(shè)計論文。5 完成換熱器設(shè)計零號圖紙共3以上（合計）。設(shè)計（論文）起止時間2013 年 2 月 25 日 至 2013 年 6 月 14 日設(shè)計（論文）地點石油大學指導教師簽名年 月 日系（教研室）主任簽名年 月 日學生簽名年 月 日41 / 47水-異丁烷換熱器設(shè)計摘要：列管式換熱器在煉油、石油化工、醫(yī)藥、化工以與其它工業(yè)中使用廣

3、泛，它適用于冷卻、冷凝、加熱、蒸發(fā)和廢熱回收等各個方面。列管式換熱器雖然在換熱效率、設(shè)備的體積和金屬材料的消耗量等方面不如其他新型的換熱設(shè)備，但它具有結(jié)構(gòu)堅固、操作彈性大、可靠程度高、適用圍廣等優(yōu)點，所以在各個工程中仍得到普遍使用。冷凝器是列管式換熱器的一種，本設(shè)計主要是圍繞冷凝器的工藝、結(jié)構(gòu)設(shè)計，并依據(jù)有關(guān)標準進行相關(guān)的設(shè)計計算和校核。通過對換熱器的工藝設(shè)計(包括換熱器型號選擇、流程安排、傳熱面積計算、阻力計算、總傳熱系數(shù)校核等)、結(jié)構(gòu)設(shè)計、結(jié)構(gòu)材料選擇、以與強度校核，來提高實踐環(huán)節(jié)的能力。同時也對換熱器件和附件進行了設(shè)計和選擇，并進行了相應(yīng)的強度校核，確定了換熱器的類型為固定管板式冷凝器。

4、分析了焊接工藝和焊接結(jié)構(gòu)的選取以與容器的制造、檢驗和驗收方法。最后對設(shè)計的經(jīng)濟和可行性進行了分析。關(guān)鍵詞：冷凝器; 固定管板; GB151-1999; GB150-2011Design of water and iso-butane heat exchangerAbstract: Tubular heat exchangers are widely used in oil refining，petrochemical， pharmaceutical，chemical and other industries, and also applied in cooling, refrigerating

5、, heating，evaporation and heat recovery，and so on. Obviously, there are some disadvantages of tubular heat exchangers such as lower efficiency, huge volume and waste of metallic materials comparing with other novel heat transfer equipment. But it still used in various projects for its inherent merit

6、s like strong structure, flexible operation, high reliability, and wide range of application. Condenser is a kind of heat exchanger. This paper has carried out the design calculation of a condenser and its validating based on the relevant standards around technology, structure design. The practice a

7、bility of the author has been improved through the process of heat exchanger design (including heat exchanger model choice, process arrangement, heat transfer area computation, friction calculation, the total heat transfer coefficient check, etc.), structure design, structure material selection, and

8、 strength check. At the same time, the heat exchanger parts and accessories were designed and selected, and the corresponding strength was validated. At last, the type of heat exchanger was determined to fixed tube plate condenser. The welding process of the heat exchanger was analyzed, and the weld

9、 structure was selected. In addition, the containers manufacturing, inspection and test methods has been analyzed. Finally, the economy and the feasibility of the design have been evaluated.Keywords: Condenser; Fixed tube sheet; GB151-1999; GB150-2011目錄1緒論11.1換熱器的發(fā)展.11.2 課題的目的和意義11.2.1 課題的目的11.2.2 課

10、題的意義11.3 換熱器國外的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢21.3.1換熱器國的發(fā)展概況21.3.2 換熱器的國外發(fā)展概況31.4 換熱器的分類51.4.1 按用途分類51.4.2按冷、熱流體的傳熱方式分類51.4.3列管式換熱器的詳細分類52工藝結(jié)構(gòu)的計算.82.1 設(shè)計任務(wù)和設(shè)計條件.82.2 確定設(shè)計方案.82.3 確定物性溫度和物性數(shù)據(jù).82.4 估算傳熱面積.92.4.1管程冷卻水的流量.102.4.2殼體異丁烷的質(zhì)量流量.102.4.3平均傳熱溫差.102.4.4傳熱面積的估算.112.5 工藝結(jié)構(gòu)尺寸的計算.112.5.1 管徑和管流速.112.5.2 計算管程數(shù)和傳熱管數(shù).112.5.3 平

11、均傳熱溫差和殼程數(shù).112.5.4 傳熱管的排列和分程方法.122.5.5 殼體徑的計算.132.5.6折流板.132.5.7其他附件.132.5.8 接管.142.6換熱器核算.142.6.1 換熱器的熱流量核算.142.6.2壁溫核算172.6.3 換熱器流體的流動阻力.172.6.4 換熱器的主要尺寸和計算結(jié)果.193換熱器的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計.213.1 選材.213.2 管板與殼體、管箱、換熱管的連接.223.2.1 管板與殼體的連接結(jié)構(gòu).223.2.2 管板與管箱的連接結(jié)構(gòu).223.2.3 管板與傳熱管的連接結(jié)構(gòu).223.3其他零部件結(jié)構(gòu).233.3.1管程233.3.2分程隔板.233

12、.3.3拉桿.243.3.4排氣口與排液口.253.3.5膨脹節(jié).254換熱器的強度設(shè)計與其校核.264.1筒體的計算.264.2封頭的計算.274.3 接管開口補強校核.284.3.1管箱接管開孔補強.284.3.2 殼程接管的開孔補強.294.4 管板法蘭的設(shè)計與校核.314.4.1選定法蘭結(jié)構(gòu).314.4.2墊片.314.4.3螺栓.314.4.4法蘭.324.4.5應(yīng)力校核.344.5支座的設(shè)計與校核.344.5.1支座反力的計算.344.5.2支座的選型.354.5.3 強度校核.355經(jīng)濟性分析.396總結(jié).40參考文獻41致.421緒論1.1換熱器的發(fā)展在不同溫度的流體間傳遞熱能

13、的裝置稱為熱交換器，簡稱換熱器。它是將熱流體的部分熱量傳遞給冷流體的設(shè)備。換熱器既可是一種單獨的設(shè)備，如加熱器、冷卻器與凝汽器等；也可是某一工藝設(shè)備的組成部分，如氨合成塔的熱交換器。早期的換熱器只能采用簡單的結(jié)構(gòu)，而且傳熱面積小、體積大和笨重。隨著制造工藝的發(fā)展，逐步形成一種管殼式換熱器，它不僅單位體積具有較大的傳熱面積，而且傳熱效果也較好，長期以來在工業(yè)生產(chǎn)中成為一種典型的換熱器。 二十世紀20年代出現(xiàn)板式換熱器，并應(yīng)用于食品工業(yè)。以板代管制成的換熱器，結(jié)構(gòu)緊湊，傳熱效果好，因此陸續(xù)發(fā)展為多種形式。60年代左右，由于空間技術(shù)和尖端科學的迅速發(fā)展，迫切需要各種高效能緊湊型的換熱器，再加上沖壓、

14、釬焊和密封等技術(shù)的發(fā)展，換熱器制造工藝得到進一步完善，從而推動了緊湊型板面式換熱器的蓬勃發(fā)展和廣泛應(yīng)用。此外，自60年代開始，為了適應(yīng)高溫和高壓條件下的換熱和節(jié)能的需要，典型的管殼式換熱器也得到了進一步的發(fā)展。70年代中期，為了強化傳熱，在研究和發(fā)展熱管的基礎(chǔ)上又創(chuàng)制出熱管式換熱器。1.2 課題的目的和意義1.2.1 課題的目的通過此次換熱器的設(shè)計，正確系統(tǒng)地認識換熱器，了解其設(shè)計過程，掌握其設(shè)計方法。運用所學到的知識解決設(shè)計時的實際問題。學會查閱和熟練使用參考文獻，為以后的工作積累寶貴經(jīng)驗。1.2.2 課題的意義節(jié)約能源是當今世界的一種重要社會意識，是指盡可能的減少能源的消耗、增加能源利用率

15、的一系列行為。加強用能管理，采取技術(shù)上可行、經(jīng)濟上合理以與環(huán)境和社會可以承受的措施，從能源生產(chǎn)到消費的各個環(huán)節(jié)，降低消耗、減少損失和污染物排放、制止浪費，有效、合理地利用能源。 中國人民國節(jié)約能源法1指出“節(jié)約資源是我國的基本國策。國家實施節(jié)約與開發(fā)并舉、把節(jié)約放在首位的能源發(fā)展戰(zhàn)略?！痹诟鲊麓罅α繉ふ倚碌哪茉匆耘c在節(jié)約能源上研究新途徑，換熱設(shè)備的研究受到世界各國政府以與研究機構(gòu)的高度重視，在研究投入大量資金、人力資源配備足夠的情況下，一批具有代表性的高效能換熱器和強化傳熱元件誕生。目前，在我國石油化工產(chǎn)業(yè)換熱器受到普遍的重視，而換熱器的廣泛應(yīng)用性，決定了換熱器換熱性能的改善，設(shè)計理論的不斷

16、創(chuàng)新，企業(yè)經(jīng)濟的收益和工業(yè)的飛速發(fā)展，都具有一定的積極作用，為節(jié)約能源和保護環(huán)境有顯著的貢獻2。1.3 換熱器國外的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢1.3.1換熱器國的發(fā)展概況對國換熱器市場的調(diào)查表明，近年來，隨著我國石化、鋼鐵等行業(yè)的快速發(fā)展，換熱器的需求水平大幅上漲，但國企業(yè)的供給能力有限，導致?lián)Q熱器行業(yè)呈現(xiàn)供不應(yīng)求的市場狀態(tài)，巨大的供給缺口需要進口來彌補。換熱器是一種高效緊湊的換熱設(shè)備，它的應(yīng)用幾乎涉與到所有的工業(yè)領(lǐng)域，而且其類型、結(jié)構(gòu)和使用圍還在不斷發(fā)展3。近年來，焊接型板式換熱器的緊湊性、重量輕、制冷性能好、運行成本低等優(yōu)越性已越來越被人們所認識。隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展，換熱器技術(shù)的發(fā)展，特別是各種大型的

17、工業(yè)制冷裝置和空調(diào)用制冷裝置發(fā)展迅速，這為各種換熱器的應(yīng)用提供了廣闊的市場。近幾十年來，換熱器技術(shù)有所發(fā)展，但比較緩慢，綜合傳熱系數(shù)始終在60 左右徘徊，沒有大幅度的飛躍。理論上也沒有找到發(fā)展的明確方向，因而換熱器技術(shù)進展不快。其主要問題表現(xiàn)在以下幾個方面。1、單位體積換熱面積小，緊湊性差。2、傳熱系數(shù)小，效率低。3、可靠性差。4、生產(chǎn)周期長，金屬耗量大。5、組裝、檢修、維護困難。無論是換熱器的研制者，還是換熱器的使用者，都追求換熱器性能指標的完美。當前發(fā)展的基本方向是：繼續(xù)提高換熱器的熱效率，改進換熱器結(jié)構(gòu)的緊湊性，加速生產(chǎn)制造的標準化、系列化和專門化。管殼式換熱器追求的目標是：綜合傳熱系數(shù)

18、K值高；兩側(cè)流體的壓力損失P值低；體積的緊湊度a值高；低廉的成本和價格；性能持久和使用壽命長；制造容易和操作方便4。 從什么角度分析中國管殼式換熱器產(chǎn)業(yè)的發(fā)展狀況？以什么方式評價中國管殼式換熱器產(chǎn)業(yè)的發(fā)展程度？中國管殼式換熱器產(chǎn)業(yè)的發(fā)展定位和前景是什么？中國管殼式換熱器產(chǎn)業(yè)發(fā)展與當前經(jīng)濟熱點問題關(guān)聯(lián)度如何諸如此類，都是管殼式換熱器產(chǎn)業(yè)發(fā)展必須面對和解決的問題中國管殼式換熱器產(chǎn)業(yè)發(fā)展已到了岔口；中國管殼式換熱器產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)企業(yè)急需選擇發(fā)展方向。中國管殼式換熱器產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究報告闡述了世界管殼式換熱器產(chǎn)業(yè)的發(fā)展歷程，分析了中國管殼式換熱器產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀與差距，開創(chuàng)性地提出了“新型管殼式換熱器產(chǎn)業(yè)” 與替代

19、品產(chǎn)業(yè)概念，在此基礎(chǔ)上，從四個維度即“以人為本”、“科技創(chuàng)新”、“環(huán)境友好”和“面向未來”準確地界定了“新型管殼式換熱器產(chǎn)業(yè)” 與替代產(chǎn)品的涵。根據(jù)“新型管殼式換熱器產(chǎn)業(yè)” 與替代品的評價體系和量化指標體系，從全新的角度對中國管殼式換熱器產(chǎn)業(yè)發(fā)展進行了推演和精準預測，在此基礎(chǔ)上，對中國的行政區(qū)劃和四大都市圈的管殼式換熱器產(chǎn)業(yè)發(fā)展進行了全面的研究。 換熱器的發(fā)展前景：換熱器的所有種類中，管殼式換熱器是一個量大而品種繁多的產(chǎn)品，由于國防工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，換熱器操作條件日趨苛刻，迫切需要新的耐磨損、耐腐蝕、高強度材料。近年來，我國在發(fā)展不銹鋼銅合金復合材料、鋁鎂合金與碳化硅等非金屬材料等方面都有不

20、同程度的進展，其中尤以鈦材發(fā)展較快。鈦對海水、氯堿、醋酸等有較好的抗腐蝕能力，如再強化傳熱，效果將更好，目前一些制造單位已較好的掌握了鈦材的加工制造技術(shù)。對材料的噴涂，我國已從國外引進生產(chǎn)線。鋁鎂合金具有較高的抗腐蝕性和導熱性，價格比鈦材便宜，應(yīng)予注意。近年來國在節(jié)能增效等方面改進換熱器性能，提高傳熱效率，減少傳熱面積降低壓降，提高裝置熱強度等方面的研究取得了顯著成績。換熱器的大量使用有效的提高了能源的利用率，使企業(yè)成本降低，效益提高。根據(jù)國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十一個五年規(guī)劃綱要，“十一五”期間我國經(jīng)濟增長將保持年均7.5的速度。而石化與鋼鐵作為支柱型產(chǎn)業(yè)，將繼續(xù)保持快速發(fā)展的勢頭，預計2010

21、年鋼鐵工業(yè)總產(chǎn)值將超過5000億元，化工行業(yè)總產(chǎn)值將突破4000億元。這些行業(yè)的發(fā)展都將為換熱器行業(yè)提供更加廣闊的發(fā)展空間。未來，國市場需求將呈現(xiàn)以下特點：對產(chǎn)品質(zhì)量水平提出了更高的要求，如環(huán)保、節(jié)能型產(chǎn)品將是今后發(fā)展的重點；要求產(chǎn)品性價比提高；對產(chǎn)品的個性化、多樣化的需求趨勢強烈；逐漸注意品牌產(chǎn)品的選用；大工程項目青睞大企業(yè)或企業(yè)集團產(chǎn)品。據(jù)統(tǒng)計，在一般石油化工企業(yè)中，換熱器的投資占全部投資的40-50；在現(xiàn)代石油化工企業(yè)中約占30-40；在熱電廠中，如果把鍋爐也作為換熱設(shè)備，換熱器的投資約占整個電廠總投資的70；在制冷機中，蒸發(fā)器的質(zhì)量要占制冷機總質(zhì)量的30-40，其動力消耗約占總值的20

22、-30。由此可見，換熱器的合理設(shè)計和良好運行對企業(yè)節(jié)約資金、能源和空間都十分重要。提高換熱器傳熱性能并減小其體積，在能源日趨短缺的今天更是具有明顯的經(jīng)濟效益和社會效益5。1.3.2 換熱器的國外發(fā)展概況對國外換熱器市場的調(diào)查表明，管殼式換熱器占64%。雖然各種板式換熱器的競爭力在上升，但管殼式換熱器仍將占主導地位。隨著動力、石油化工工業(yè)的發(fā)展，其設(shè)備也繼續(xù)向著高溫、高壓、大型化方向發(fā)展。而換熱器在結(jié)構(gòu)方面也有不少新的發(fā)展。現(xiàn)就幾種新型換熱器的特點簡介如下：自20世紀70年代世界爆發(fā)能源危機以來，對傳統(tǒng)換熱設(shè)備的強化傳熱研究逐漸興起，并主要集中在兩大方向上：一是開發(fā)新品種的換熱器，如板式、螺旋板

23、式、振動盤式、板翅式等，這些換熱器的設(shè)計思想都是盡可能地提高換熱器的緊湊度和換熱效率；二是對傳統(tǒng)的管殼式換熱器采取強化傳熱措施，也就是用各種異型強化管取代原來的光管，如螺紋管、橫紋（槽）管、縮放管、翅片管，或者在管插入擾流物，如螺旋扭帶、靜態(tài)混合器等6。現(xiàn)就幾種新型換熱器的特點簡介如下：1） 氣動噴涂翅片管換熱器俄羅斯提出了一種先進方法，即氣動噴涂法，來提高翅片化表面的性能。其實質(zhì)是采用高速的冷的或稍微加溫的含微粒的流體給翅片表面噴鍍粉末粒子。用該方法不僅可噴涂金屬還能噴涂合金和瓷（金屬瓷混合物），從而得到各種不同性能的表面。將研究的翅片的效率與計算數(shù)據(jù)進行比較，得出的結(jié)論是：氣動噴涂翅片的底

24、面的接觸阻力對效率無實質(zhì)性影響。為了證實這一點，又對基部管子與表面翅片的過渡區(qū)進行了金相結(jié)構(gòu)分析。2） 非釬焊繞絲筋管螺旋管式換熱器在管子上纏繞金屬絲作為筋條翅片的螺旋管式換熱器，一般都是采用焊接方法將金屬絲固定在管子上。但這種方法對整個設(shè)備的質(zhì)量有一系列的影響，因為釬焊法必將從換熱中“扣除”很大一部分管子和金屬絲的表面。更重要的是，由于焊料迅速老化和破碎會造成機器和設(shè)備堵塞，隨之提前報損。俄羅斯推薦一種新方法制造繞絲筋管，即借助在管子上纏繞和拉緊金屬絲時產(chǎn)生的機械接觸來固定筋條。采用此法能促進得到釬焊時的連續(xù)特性即將金屬絲可靠地固定在管子上，而管子的截面又不過分壓緊，故對于金屬絲僅用做隔斷時

25、，可以認為是較釬焊更受歡迎的方法。但若利用金屬絲作為筋條翅片以增加換熱面積時，只有當非釬焊筋條的有效傳熱面不小于釬焊連接時，才應(yīng)更偏重于此方法。3） 螺旋折流板換熱器在管殼式換熱器中，殼程通常是一個薄弱環(huán)節(jié)。通常普通的弓形折流板能造成曲折的流道系統(tǒng)（z字形流道），這樣會導致較大的死角和相對高的返混。而這些死角又能造成殼程結(jié)垢加劇，對傳熱效率不利。返混也能使平均溫差失真和縮小。其后果是，與活塞流相比，弓形折流板會降低凈傳熱。由于弓形折流板管殼式換熱器很難滿足高熱效率的要求，故常為其他型式的換熱器所取代（如緊湊型板式換熱器）。對普通折流板幾何形狀的改進，是發(fā)展殼程的第一步。為此，美國提出了一種新方

26、案，即建議采用螺旋狀折流板。這種設(shè)計的先進性已為流體動力學研究和傳熱試驗結(jié)果所證實，此設(shè)計已獲得專利權(quán)。此種結(jié)構(gòu)克服了普通折流板的主要缺點。螺旋折流板換熱器是最新發(fā)展起來的一種管殼式換熱器，是由美國ABB 公司提出的。其基本原理為：將圓截面的特制板安裝在“擬螺旋折流系統(tǒng)”中，每塊折流板占換熱器殼程中橫剖面的四分之一，其傾角朝向換熱器的軸線，即與換熱器軸線保持一定傾斜度7。相鄰折流板的周邊相接，與外圓處成連續(xù)螺旋狀。每個折流板與殼程流體的流動方向成一定的角度，使殼程流體做螺旋運動，能減少管板與殼體之間易結(jié)垢的死角，從而提高了換熱效率。在氣一水換熱的情況下，傳遞一樣熱量時，該換熱器可減少30 %-

27、40 %的傳熱面積，節(jié)省材料20 %-30 %。相對于弓形折流板，螺旋折流板消除了弓形折流板的返混現(xiàn)象、卡門渦街，從而提高有效傳熱溫差，防止流動誘導振動；在一樣流速時，殼程流動壓降??；基本不存在震動與傳熱死區(qū)，不易結(jié)垢。對于低雷諾數(shù)下Re 1 000 的傳熱，螺旋折流板效果更為突出8。4）折流桿式換熱器20 世紀70 年代初，美國菲利浦公司為了解決天然氣流動振動問題，將管殼式換熱器中的折流板改成桿式支撐結(jié)構(gòu)，開發(fā)出折流桿換熱器。研究表明，這種換熱器不但能防振，而且傳熱系數(shù)高?，F(xiàn)在此種換熱器廣泛應(yīng)用于單相沸騰和冷凝的各種工況。在后來出現(xiàn)了一種外導流筒折流桿換熱器，此種換熱器能最大限度地消除管殼式

28、換熱器擋板的傳熱不活躍區(qū)，增加了單位體積設(shè)備的有效傳熱面積。目前，所有的浮頭式換熱器均采用了外導流筒。1.4 換熱器的分類1.4.1 按用途分類換熱器按用途的不同可分為加熱器、冷卻器、冷凝器和蒸發(fā)器等。1.4.2按冷、熱流體的傳熱方式分類 按冷熱兩種流體的傳熱方式可分為： 兩流體直接接觸式換熱器； 蓄熱式換熱器； 間壁式換熱器。 工業(yè)上應(yīng)用的換熱器大多是兩種流體不能直接接觸的間壁式換熱器。間壁式換熱器又可分為： 夾套式換熱器； 沉浸式蛇管換熱器； 噴淋式換熱器； 套管式換熱器； 螺旋板式換熱器； 板式換熱器； 板翅式換熱器； 熱管式換熱器； 列管式換熱器。1.4.3列管式換熱器的詳細分類 列管

29、式換熱器以其高度的可靠性和廣泛的適應(yīng)性，在長期的操作過程中積累了豐富的經(jīng)驗，其設(shè)計資料比較完備，在許多國家都有了系列化標準。近年來盡管列管式換熱器也受到新型換熱器的挑戰(zhàn)，但反過來也促進了其自身的發(fā)展。例如當流體的流速較大和壓強較高時，若采用其他類型的換熱器就有一定的困難。所以列管式換熱器目前仍是化工、石油和石油化工中使用的主要類型的換熱器，在高溫、高壓條件下和大型換熱器中，仍占絕對優(yōu)勢。列管式換熱器的種類很多，其結(jié)構(gòu)形式與所受的溫差應(yīng)力以與是否需要溫差補償裝置有著密切的聯(lián)系。按溫差補償結(jié)構(gòu)來分，主要有以下四種： 1） 固定管板式換熱器 如圖1-1（a）所示，此種換熱器的特點是管束以焊接或脹接方

30、式固定在兩塊管板上，管板分別焊接在外殼的兩端并在其上連接有頂蓋，頂蓋和殼體上裝有流體進出口接管。與其他形式的換熱器相比，結(jié)構(gòu)簡單，制造成本較低。管不易積累污垢，即使產(chǎn)生了污垢也便于清洗，但無法對管子的外表面進行檢查和機械清洗，因而不適宜處理臟的或有腐蝕性的介質(zhì)。由于管子和管板與殼體的連接都是剛性的，當管子和殼體的壁溫或材料的線膨脹系數(shù)相差較大時，在殼體和管子中將產(chǎn)生很大的溫差應(yīng)力，以至管子扭彎或從管板上松脫，甚至損壞整個換熱器。 當管子和殼體的壁溫差大于50時，應(yīng)在殼體上設(shè)置溫差補償膨脹節(jié)，依靠膨脹節(jié)的彈性變形可以減少溫差應(yīng)力，膨脹節(jié)的形式較多，常見的有形、平板形和形等幾種。由于形膨脹節(jié)的撓性

31、與強度都比較好，所以使用得最為普遍。當要求較大的補償量時，宜采用多波形膨脹節(jié)。當管子和殼體的壁溫差大于60和殼程壓強超過0.6MPa時，由于補償圈過厚，難以伸縮，失去溫差補償?shù)淖饔?，就?yīng)考慮其他結(jié)構(gòu)。 2） 浮頭式換熱器 如圖1-1（b）所示，換熱器的一塊管板用法蘭與殼體連接，另一塊管板不與殼體連接，且能自由移動。當管束與殼體受熱或受冷產(chǎn)生伸縮時，兩者互不牽制，因而不會產(chǎn)生溫差應(yīng)力。浮頭部分由浮頭管板、鉤圈與浮頭端蓋組成，為可拆連接，管束可以抽出，故管外都能清洗，也便于檢修。由于結(jié)構(gòu)復雜，其造價較高。 3） 填料函換熱器 如圖1-1（c）所示，浮頭部分伸在殼體之外，它與殼體之間的空隙用一填料函

32、密封，使換熱器管束的一端可以自由伸縮。當管束和殼體間的溫差較大，管束腐蝕嚴重且需經(jīng)常更換時，采用這種形式的換熱器比較合適。這種換熱器以制造、清洗和檢修都比較方便，造價也比浮頭式的低。 4） 形管換熱器 如圖1-1（d）所示，換熱器被彎成形，管的兩端固定在同一塊管板上，省去了一塊管板和一個管箱（流道室）。形管具有自由伸縮的特點，可以完全消除熱應(yīng)力。管束可以從殼體中抽出，管外清洗方便，但管清洗困難，所以宜讓不結(jié)垢的流體從管流過。因彎管時，必須保證一定的曲率半徑，所以管束的中心部分存在較大的空隙，在一樣直徑的殼體中排列的管子數(shù)較固定管板式少，價格比固定管板式高10。 綜觀上述不同種類的換熱器，由于本

33、設(shè)計題目為水-異丁烷換熱器的設(shè)計，水和異丁烷均為潔凈流體，不易結(jié)垢，傳熱溫度和熱負荷都較小，且管殼程的壓力較低，所以結(jié)合設(shè)計條件和項目經(jīng)費，選擇經(jīng)濟實用的固定管板式換熱器，這種換熱器具有單位體積傳熱面積大，結(jié)構(gòu)緊湊，堅固，傳熱效果好，而且能用多種材料制造，適用性較強，操作彈性大，結(jié)構(gòu)簡單，造價低廉，且適用于高溫、高壓的大型裝置中。并且固定管板式換熱器能得到最小的殼體徑，管程可分多程，殼程也可分成雙程，規(guī)格圍廣，故在工程中廣泛應(yīng)用。2工藝結(jié)構(gòu)的計算2.1 設(shè)計任務(wù)和設(shè)計條件題目：水-異丁烷換熱器的設(shè)計設(shè)計參數(shù)：熱負荷：Q=200KW； 介質(zhì)流量：根據(jù)熱負荷計算；設(shè)計壓力（MPa）：管程 0.3，

34、殼程 0.53；設(shè)計溫度（）：管程入口 25，管程出口 35； 殼程溫度 40，殼程入口 飽和氣，殼程出口 飽和液；介質(zhì)：管程 水，殼程 異丁烷；允許壓降：100000Pa。2.2 確定設(shè)計方案 1）選擇換熱器的類型異丁烷屬于無色氣體、無毒，對金屬無腐蝕性，微溶于水，與水無反應(yīng)，能溶于乙醚。兩流體溫度變化情況：熱流體進口溫度40，出口溫度40，冷流體進口溫度25，其出口溫度為35，所以由于管壁溫與殼體壁溫的溫差較小，且殼程壓力較小，故選取固定管板式冷凝器。固定管板式換熱器具有單位體積傳熱面積大，結(jié)構(gòu)緊湊，堅固，傳熱效果好，而且能用多種材料制造，適用性較強，操作彈性大，結(jié)構(gòu)簡單，造價低廉，且適用

35、于高溫、高壓的大型裝置中。并且固定管板式換熱器能得到最小的殼體徑，管程可分多程，殼程也可分成雙程，規(guī)格圍廣，故在工程中廣泛應(yīng)用。 2）流程的安排和確定從兩流體的操作壓力看，應(yīng)使異丁烷飽和氣體走管程，循環(huán)冷卻水走殼程。但由于循環(huán)冷卻水易結(jié)垢，若其流速太低，將會加快污垢增長速度，使換熱器的傳熱能力下降，所以從總體考慮，應(yīng)使循環(huán)水走管程異丁烷飽和氣體走殼程。另外由于異丁烷飽和氣體屬于氣體，對金屬無腐蝕性，并且對于飽和蒸汽的冷凝換熱器，飽和蒸汽一般走殼程，以便于冷凝液的排出，所以水走管程，異丁烷走殼程非常合適。2.3 確定物性溫度和物性數(shù)據(jù)定性溫度：對于一般氣體和水等低粘度流體，其定性溫度可卻流體進出

36、口溫度的平均值。故殼程異丁烷的定性溫度為：；管程水的定性溫度為：；查物性參數(shù)表可得：1.殼程異丁烷在40下的有關(guān)物性數(shù)據(jù)如下：1）異丁烷為飽和氣體時的物性參數(shù)密度 ；定壓比熱容 ；熱導率 ；粘度 ；2） 異丁烷為飽和液體時的物性參數(shù) 密度 ； 定壓比熱容 ； 熱導率 ； 粘度 ；2.管程水在30下的有關(guān)物性數(shù)據(jù)如下： 密度 ； 定壓比熱容 ； 熱導率 ； 粘度 ；2.4 估算傳熱面積熱負荷：Q=200KW;2.4.1管程冷卻水的流量；2.4.2殼體異丁烷的質(zhì)量流量由參考文獻19中公式：；Q：流體相變產(chǎn)生的傳熱速率，kw ：流體的氣化相變焓，異丁烷的相變焓為311.5 kJ/kg：流體的質(zhì)量流量

37、，kg/s所以： ；2.4.3平均傳熱溫差先按純逆流計算，依據(jù)文獻11式（4-40）得； 冷凝器操作情況如圖2-1所示：2.4.4傳熱面積的估算 按照文獻11表4-7，取，依據(jù)文獻11式（4-34）得；2.5 工藝結(jié)構(gòu)尺寸的計算2.5.1 管徑和管流速根據(jù)參考文獻12表3-2，由GB8163選用的普通碳素鋼鋼管，根據(jù)表3-3和3-4取管程流速。2.5.2 計算管程數(shù)和傳熱管數(shù)依據(jù)文獻12式（3-9）確定單程傳熱管數(shù)（根）；按單程管計算，所需的傳熱管長度為；按單程管設(shè)計，傳熱管過長，宜采用多管程結(jié)構(gòu)。根據(jù)GB151-1999，現(xiàn)取傳熱管長度，則該換熱器的管程數(shù)為：（管程）；所以，傳熱管總根數(shù)為：

38、（根）；2.5.3 平均傳熱溫差和殼程數(shù)依據(jù)文獻12式（3-13a）和（3-13b）得：； 按單殼程、四管程查溫差矯正系數(shù)圖得：；平均傳熱溫差 ；當時，多管程換熱器出現(xiàn)溫度逼近現(xiàn)象，在這種情況下，就需考慮采用多殼程結(jié)構(gòu)的換熱器或多臺換熱器串聯(lián)來解決。由于平均傳熱溫差校正系數(shù)，則不需設(shè)置多殼程結(jié)構(gòu)。同時，殼程流體流量較大，故取單殼程合適。2.5.4 傳熱管的排列和分程方法換熱管在管板上的排列有正三角形排列、正方形排列和正方形錯列三種排列方式。各種排列方式都有其各自的特點：正三角形排列：排列緊湊，管外流體湍流程度高；正方形排列：易清洗，但給熱效果較差；正方形錯列：可以提高給熱系數(shù)。所以，選擇正方形

39、錯列排列，能夠有效提高給熱系數(shù)。管子排列方式如圖2-2所示：圖2-2 換熱管排列示意圖取管間距：；隔板中心側(cè)到離其最近一排管中心距離為：；則各程相鄰管的管心距為44mm。每程各有傳熱管22根，其前后管箱中隔板設(shè)置和介質(zhì)的流通順序按照文獻12圖3-14選取。選取情況如圖2-3所示：2.5.5 殼體徑的計算采用多管程結(jié)構(gòu)，殼體徑可按照文獻12式（3-20）估算。正四邊形排列4程管子時，取管板利用率。則殼體徑為：；按卷制殼體的進級檔100mm，經(jīng)圓整可取D=500mm。2.5.6折流板采用弓形折流板，根據(jù)文獻12,由折流板尺寸確定原則，取弓形折流板的圓缺高度為殼體徑的20%，則切去的圓缺高度為：；考

40、慮到制造過程中的管孔變形而影響換熱管的穿入，故被切除處最邊緣上的管孔應(yīng)小于0.5個孔位。則取圓缺高度為：。折流板的最小間距：，則最??；折流板的最大間距：，故??；所以取折流板數(shù)NB ： （塊）；取折流板圓缺面水平裝配。由參考文獻12表4-3可得折流板厚度為5mm。2.5.7其他附件拉桿數(shù)量與直徑按文獻12表（4-7）和（4-8）選取。本換熱器傳熱管外徑為25mm，其拉桿直徑為16mm，取拉桿數(shù)量為4個。殼程入口處，應(yīng)設(shè)置防沖擋板，厚度取5mm。2.5.8 接管1）管程流體進出口接管根據(jù)文獻12表3-3到3-5，可確定管冷卻水流速為，則接管徑為；圓整后可取接管徑為100mm。2）殼程流體進出口接管

41、根據(jù)文獻12,可確定進口接管氣體流速為，則接管徑為：； 圓整后可取進口接管徑為150mm。由于出口接管流出飽和液體，體積流量較入口的氣體體積流量小很多，考慮到制造安裝的統(tǒng)一性，則取殼程出口接管徑與管程接管徑一樣，為100mm。2.6換熱器核算2.6.1 換熱器的熱流量核算 1)殼側(cè)系數(shù)殼側(cè)壁溫。冷凝平均溫度為：40。40時異丁烷的物理性質(zhì)a） 飽和液體時，；b） 飽和氣體時，；根據(jù)參考文獻13，估算管束直徑：；由于正方形排列管子，四管程時：，；且；所以，；在平均蒸汽溫度下的蒸汽密度：；中排的管數(shù)為： ；水平換熱管的載荷，單位管周長的冷凝物速率為：；根據(jù)參考文獻13公式(12.51)：；2）管表

42、面?zhèn)鳠嵯禂?shù) 依據(jù)文獻12式（3-32）和（3-33）得；管程流體流通截面積；管程流體流速和雷諾數(shù)為：；普朗特數(shù)為：；由于管流體被加熱，則；3）污垢熱阻和管壁熱阻 依據(jù)文獻12表（3-10），可取管程冷卻水側(cè)的熱阻 ；殼程異丁烷側(cè)的熱阻 ；鋼的導熱系數(shù) ； 管壁熱阻 ； 4) 傳熱系數(shù) 依據(jù)文獻12表（3-21），可得；在初步計算時，假設(shè)的總傳熱系數(shù)為。通過核算，該換熱器在規(guī)定的流動條件下，所提供的傳熱系數(shù)為，所以假設(shè)合適。 5) 傳熱面積和面積裕度 依據(jù)文獻12式（3-35）可得所計算的傳熱面積Ac為；該換熱器的實際傳熱面積A為；該換熱器的面積裕度依據(jù)文獻12式（3-36）計算為； 所以，由于

43、面積裕度在（15%20%）之間，則該換熱器面積裕度合適，能夠完成生產(chǎn)任務(wù)。2.6.2壁溫核算因管壁很薄，管壁熱阻小，故管壁溫度可按文獻12式（3-42）計算。由于該換熱器用循環(huán)水冷卻，冬季操作時，循環(huán)水的進口溫度將會降低。為確保可靠，取循環(huán)冷卻水進口溫度為25，出口溫度為35計算傳熱管壁溫。另外，由于傳熱管側(cè)污垢熱阻較大，會使傳熱管壁溫升高，降低了殼體和傳熱管壁溫之差。但在操作初期，污垢熱阻較小，殼體和傳熱管間壁溫差可能較大。計算中，應(yīng)按最不利的操作條件考慮，因此，取兩側(cè)污垢熱阻為零計算傳熱管壁溫。于是，依據(jù)文獻12式（3-42）有：；式中液體的平均溫度tm和氣體的平均溫度分別按式（3-44）

44、和（3-45）計算為：；傳熱管平均壁溫；殼體壁溫，可近似取為殼程流體的平均溫度，即；殼體壁溫和傳熱管壁溫之差為；由于該溫差較小，且殼程壓力較小，故選用帶膨脹節(jié)的固定管板式換熱器較為適宜，而且經(jīng)濟。2.6.3 換熱器流體的流動阻力 1) 管程流動阻力依據(jù)文獻12式（3-47）（3-49）可得：； 式中，Pi為單程直管阻力；Pr為局部阻力；Ns為殼程數(shù)；Pt為管程總阻力；Fs為管程結(jié)垢校正系數(shù)，可近似取1.5。 ； ；由，傳熱管的相對粗糙度，查莫狄圖，流速；，所以：；由于，故管程流體阻力在允許圍之。 2) 殼程流動阻力 根參考文獻13，可得橫截面積：; 質(zhì)量流速為：; 當量直徑為：; 飽和異丁烷蒸

45、汽粘度為：; 所以熱阻為：; 由文獻13圖12.30可得：; 設(shè)壓降為利用進口流量進行計算的計算值的50%，忽略粘度矯正，則：;由于殼程壓降2222Pa17254903252531Q345R的性能指標：設(shè)計溫度下的許用應(yīng)力：;常溫下的許用應(yīng)力：;參數(shù)選取 焊縫系數(shù)（雙面焊，100探傷）3.2 管板與殼體、管箱、換熱管的連接3.2.1 管板與殼體的連接結(jié)構(gòu)由于殼程流體較清潔，且殼體與管子溫差較小，殼程壓力也不高，故采用兩端管板與殼體焊接，其結(jié)構(gòu)簡單，制造成本低。3.2.2 管板與管箱的連接結(jié)構(gòu)固定管板式換熱器的管板兼作法蘭，與管箱的連接形式比較簡單，根據(jù)工藝要求，選擇長頸對焊法蘭連接。查4703

46、-2000壓力容器法蘭可選固定端的殼體法蘭和管箱法蘭為長頸對焊法蘭，法蘭，平面密封面，材料為鍛件20MnMo，其具體尺寸如下表：表3-3 DN500長頸對焊法蘭尺寸DN法蘭螺柱對接筒體最小厚度DD1D2D3D4Hhaa1Rd規(guī)格數(shù)量5006406005655554523810025171412221223M20244管板尺寸根據(jù)法蘭的相應(yīng)結(jié)構(gòu)尺寸確定，最大外徑確定為640mm，寬度根據(jù)標準取40mm。法蘭重量為27.8kg，管板重量為80kg。管箱墊片，依據(jù)管程操作條件，選石棉墊片，其寬度為14mm，墊片圓角尺寸，取R=8mm，墊片圓角是為了保證墊片有足夠的強度。3.2.3 管板與傳熱管的連接

47、結(jié)構(gòu)換熱管與管板的連接形式，主要有三種：(1)強度脹接;(2)強度焊接;(3)脹焊并用。本設(shè)計采用強度焊接，其結(jié)構(gòu)簡單，換熱管修補容易。但這種方法不適用于有較大振動與有間隙腐蝕的場合。焊接結(jié)構(gòu)強度高，抗拉脫能力強，在高溫高壓下能保證連接處的緊密性和抗拉脫能力。當管子焊接處有滲漏可以補焊。管子破漏，可以用專門道具劃掉焊縫，重新更換新管子。管子與管板的焊接其焊縫的剪切斷面應(yīng)不低于管子斷面的1.25倍。即：，強度焊的尺寸見表3-3。表3-3 強度焊結(jié)構(gòu)尺寸換熱管外徑規(guī)格（外徑壁厚）101.5142192252.5323383453573.5伸出長度l10.5+0.51+0.51.5+0.52.5+0

48、.53+0.5注：1.當工藝要求管端伸出長度小于表中數(shù)據(jù)時，可以適當加大管板焊縫破口深度，以保證焊腳高l2不小于1.4倍管壁厚度。 2.換熱管壁厚超標時，l1值可適當調(diào)整。3.3其他零部件結(jié)構(gòu)3.3.1管程因為管程介質(zhì)清潔，且壓力不高，故采用B型管箱（封頭管箱），如下圖3-1示圖3-1 管箱結(jié)構(gòu)示意圖3.3.2分程隔板分程隔板和管板上的溝槽結(jié)構(gòu)如下，隔板材料一般采用與管箱一樣的材料，每一程隔板上開約6mm的排放孔，以便排除每一程的殘液。分程隔板的密封長度應(yīng)比較短，減少泄露和用料。分程隔板槽型要簡單。分程隔板除了要滿足換熱器標準規(guī)定的最小厚度外，還要滿足隔板兩側(cè)的壓差。管板上的分程隔板槽見下圖。

49、槽深一般不小于4mm，碳鋼的槽寬為12mm。槽的拐角處的倒角45，倒角寬度為分程墊片的圓角半徑R加12mm。拐角的另一側(cè)轉(zhuǎn)角為R=7。墊片的拐角為圓弧型過度，使墊片有足夠的強度，一般圓角半徑R=10mm。本設(shè)計所采用的分程隔板結(jié)構(gòu)如下圖3-2所示。圖3-2 分程隔板示意圖3.3.3拉桿拉桿通常有兩種形式，一種為拉桿和折流板焊接形式，一般用于換熱管外徑小于或等于14mm的管束。另一種為拉桿定距管結(jié)構(gòu)形式，一般用于換熱管外徑大于或等于18mm的管束。本設(shè)計即采用后一種形式。拉桿一般盡量均勻布置在管束外邊緣。任何一塊折流板不小于3個支承點。拉桿直徑如下表3-5所示。表3-6 拉桿直徑換熱管外徑d10

50、d1414d2525d57拉桿直徑dn101216拉桿的長度按需要確定。拉桿的連接尺寸見圖3-6，連接尺寸表見表3-7.圖3-6 拉桿的連接尺寸拉桿的數(shù)量由換熱器的公稱直徑來確定，初次設(shè)計取拉桿數(shù)量為4個。表3-7 拉桿的連接尺寸拉桿直徑d螺紋公稱直徑dnlalbb101013401.5121215502.0161620602.03.3.4排氣口與排液口在換熱器的管程與殼程，為了回收或排除介質(zhì)，空氣與凝液，在管板或靠近管板的殼體上設(shè)置排氣口和排液口。排氣口和排液口的大小，一般不小于15mm。臥式換熱器的殼程排氣和排液口設(shè)置的位置分別在上部和底部。3.3.5膨脹節(jié) 由于壓力和溫差都較小，故選用波形膨脹節(jié)（U形膨脹節(jié)）較為合適。波形膨脹節(jié)具有結(jié)構(gòu)緊湊簡單、補償性能好、價格便宜而得到廣泛應(yīng)用，其補償能力和使用壓力與材料有關(guān)，當要求補償能力較大時，可采用多個波形膨脹節(jié)，或在設(shè)備組裝時預先將波形膨脹節(jié)進行預壓。為減小波形膨脹節(jié)的流動阻力，在設(shè)計時應(yīng)