固定管板式換熱器設計目錄第一章緒論···················································31.1什么是管殼式換熱器······································31.2管殼式換熱器的分類········································3第二章總體結構設計·············································42.1固定管板式換熱器結構······································4第三章機械設計·················································43.1工藝條件··················································43.2設計計算·················································4管子數n···············································5（2）換熱管排列形式········································5（3）管間距的擬定···········································5（4）殼程選擇···············································53.3筒體·····················································6（1）換熱器殼體內徑的擬定··································6（2）換熱器封頭的選擇······································63.4折流板··················································6（1）折流板切口高度的擬定·································6（2）擬定折流板間距········································6（3）折流板的排列方式······································7（4）折流板外徑的選擇······································7（5）折流板厚度的擬定······································7（6）折流板的管孔擬定······································73.5拉桿、定距管············································7（1）拉桿的直徑和數量······································7（2）拉桿的尺寸············································8（3）拉桿的布置············································9（4）定距管················································93.6、防沖板··················································93.7、接管····················································9（1）接管的公稱直徑········································9（2）接管的壁厚擬定········································9（3）接管高度的擬定········································93.8法蘭···················································10（1）容器法蘭的選用·······································10（2）接管法蘭··············································103.9墊片的選用·············································113.10管板的設計與計算······································113.11支座···················································123.12圓筒節的設計···········································13第四章列管式換熱器機械結構設計································134.1傳熱管與管板的連接·····································144.2管板與殼體及管箱的連接·································144.3管法蘭與接管連接·······································14第五章強度計算··················································155.1換熱器殼體壁厚的計算···································155.2管箱短節···············································16第六章安裝制造···················································166.1換熱器制造·············································166.2換熱器安裝·············································17參考文獻··························································18心得體會··························································18第一章緒論化工生產離不開化工設備，化工設備是化工生產必不可少的物質技術基礎，是生產力的重要因素，是化工產品質量保證體系的重要組成部分[1]。然而在化工設備中化工容器占據著舉足輕重的地位，由于化工生產中，介質通常具有較高的壓力，化工容器一般有筒體、封頭、支座、法蘭及各種容器開孔接管所組成，通常為壓力容器，由于壓力容器是化工設備的主體，對其化工生產過程極其重要，國家對其每一步都有具的標準對其進行規范，如：中國《壓力容器安全技術監察規程》、GB150—1998《鋼制壓力容器》、GB151—1999《管殼式換熱器》等。在其中能根據不通的操作環境選出不同的材料，查出計其允許的工作壓力，工作溫度等。換熱器簡樸說是具有不同溫度的兩種或兩種以上流體之間傳遞熱量的設備。在工業生產過程中，進行著各種不同的熱互換過程，其重要作用是使熱量由溫度較高的流體向溫度較低的流體傳遞，使流體溫度達成工藝的指標，以滿足生產過程的需要。此外，換熱設備也是回收余熱，廢熱，特別是低品位熱能的有效裝置。1.1什么是管殼式換熱器管殼式換熱器(shellandtubeheatexchanger)又稱列管式換熱器。是以封閉在殼體中管束的壁面作為傳熱面的間壁式換熱器。這種換熱器結構較簡樸，操作可靠，可用各種結構材料（重要是金屬材料）制造，能在高溫、高壓下使用，是目前應用最廣的類型。管殼式換熱器的分類是以封閉在殼體中管束的壁面作為傳熱面的間壁式換熱器。這種換熱器結構較簡樸，操作可靠，可用各種結構材料（重要是金屬材料）制造，能在高溫、高壓下使用，是目前應用最廣的類型。由殼體、傳熱管束、管板、折流板（擋板）和管箱等部件組成。殼體多為圓筒形，內部裝有管束，管束兩端固定在管板上。進行換熱的冷熱兩種流體，一種在管內流動，稱為管程流體；另一種在管外流動，稱為殼程流體。為提高管外流體的傳熱分系數，通常在殼體內安裝若干擋板。擋板可提高殼程流體速度，迫使流體按規定路程多次橫向通過管束，增強流體湍流限度。換熱管在管板上可按等邊三角形或正方形排列。等邊三角形排列較緊湊，管外流體湍動限度高，傳熱分系數大；正方形排列則管外清洗方便，合用于易結垢的流體。\o"查看圖片"

管殼式換熱器流體每通過管束一次稱為一個管程；每通過殼體一次稱為一個殼程。圖示為最簡樸的單殼程單管程換熱器,簡稱為1-1型換熱器。為提高管內流體速度,可在兩端管箱內設立隔板，將所有管子均提成若干組。這樣流體每次只通過部分管子，因而在管束中往返多次，這稱為多管程。同樣，為提高管外流速，也可在殼體內安裝縱向擋板，迫使流體多次通過殼體空間，稱為多殼程。多管程與多殼程可配合應用。第二章總體結構設計本次流體輸送與傳熱工段換熱器的設計，所選用的換熱器為臥式固定管板式換熱器。如圖2-1所示。其基本結構特點是兩塊管板分別焊于殼體的兩端，管束兩端固定在管板上。固定管板換熱器2.1固定管板式換熱器結構固定管板式換熱器由管箱、殼體、管板、管子等零部件組成，其結構較緊湊，排管較多，在相同直徑下面積較大，制造較簡樸。固定管板式換熱器的結構特點是在殼體中設立有管束，管束兩端用焊接或脹接的方法將管子固定在管板上，兩端管板直接和殼體焊接在一起，殼程的進出口管直接焊在殼體上，管板外圓周和封頭法蘭用螺栓緊固，管程的進出口管直接和封頭焊在一起，管束內根據換熱管的長度設立了若干塊折流板。這種換熱器管程可以用隔板提成任何程數。換熱器設計的優劣最終要看是否合用、經濟、安全、運營靈活可靠、檢修清理方便等等。一個傳熱效率高、緊湊、成本低、安全可靠的換熱器的產生，規定在設計時精心考慮各種問題.準確的熱力設計和計算，還要進行強度校核和符合規定的工藝制造水平。第三章機械設計3.1工藝條件名稱管程殼程物料名稱循環水甲醇工作壓力0.45Mpa0.05Mpa操作溫度40℃70℃換熱面積75m2管長φ=25mm2.5m推薦鋼材10，Q235-A,16MnR設計計算（1）管子數n根據本次的管程壓力為0.450.05MPa，管程進口溫度為40，殼程進口溫度為70。選取換熱管材料為10號鋼。查教材化工設備，標準管長有1.5、2.0、2.5、3.0、4.5、6.0、9.0（單位為），取標準管長為2.5。按教材公式換熱器的管數n為：式中:——傳熱面積，75；——管徑（外徑），0.025；——管長，2.5則：查化工原理（上）附錄二十八得：2.5m換熱管，取換熱管根數為390。固定管板換熱器重要參數（ф25×2.5）管程數管子總數換熱面積/m2139075（2）換熱管排列形式采用正三角形排列，正三角形排列比較緊湊，在一定的殼徑內可排列較多的管子，且傳熱效果好，但管外清洗較為困難。而正方形排列，管外清洗方便，合用于殼程中的流體易結垢的情況，其傳熱效果較正三角形差些。以上排列方式中最常用的是正三角形錯列，用于殼側流體清潔，不易結垢，后者殼側污垢可以用化學解決掉的場合。中心管數為：查化工原理（上）附錄二十八得：中心排管取23。（3）管間距的擬定由過程設備設計表6-2可知，取管間距a=32mm。正三角形（4）殼程選擇殼程的選擇：簡樸起見，采用單殼程。3.3筒體查教材化工設備，筒體的材料重要有碳素鋼、低合金鋼鋼板、不銹鋼鋼板等。根據筒體所承受的壓力機殼程流體的性質等，選取碳素鋼中的16MnR作為筒體的材料。（1）換熱器殼體內徑的擬定式中D——換熱器殼體內徑，mm；t——管中心距，mm;——橫過管束中心線的管數；——管束中心線上最外層管的中心至殼體內壁的距離，一般取，此處取25mm。則D=32×（23-1）+2×25=754mm圓整后取殼體內徑Di=750mm（2）換熱器封頭的選擇選取標準橢圓形封頭。由于本次設計的換熱器殼程壓力在0.450.05MPa，屬于低壓容器，橢圓形封頭可以滿足規定，并且該封頭制造比其他封頭容易沖壓形成，應力分布也比較均勻，為了便于焊接、經濟合理，選取標準橢圓形封頭。材料選用與筒體相同16MnR。按教材公式封頭厚度為：式中：——焊接接頭系數，為整塊鋼板制造，則=1.0；K——橢圓形封頭形狀系數，標注橢圓形封頭K=1.0；則：δ=1.54mm與筒體的壁厚計算相同，所以橢圓形封頭的壁厚也是6。由封頭厚度查化工設備表2-15得直邊高h=25。查封頭JB4746-2023表3-3,封頭的曲面高度hi=200，總高度H=225mm。3.4折流板根據換熱器計算手冊折流板的形式弓形折流板、圓盤-圓形折流板。由于本次換熱器的直徑較小，所以本次臥式換熱器的折流板采用弓形折流板中的單弓形。材料選用低合金16MnR。通過拉桿與定距管固定。、折流板切口高度的擬定取弓形折流板圓缺高度為殼體內徑的25%，則切去的圓缺高度為：187.5mm，則折流板高度為600mm、擬定折流板間距折流板間距=150mm，取B=300mm，折流板數=2500/300=9塊。、折流板的排列方式水平切口用得最普遍，這種排列可導致流體劇烈擾動，增大傳熱系數，因此本設計采用水平缺口排列方式。、折流板外徑的選擇折流板和支撐板外直徑及允許偏差應符合下表的規定（mm），得外直徑為750。折流板直徑及允許偏差公稱直徑DN＜400400～＜500500～＜900900～＜13001300～＜17001700～＜20232023～＜23002300～＜2600折流板名義外直徑DN-2.5DN-3.5DN-4.5DN-6DN-8DN-10DN-12DN-14允許偏差0-0.50-0.80-1.20-1.40-1.6（5）、折流板厚度的擬定折流板和支撐板的最小厚度應不小于下表的規定，則折流板厚度為5mm。折流板和支撐板的最小厚度公稱直徑DN換熱管無支撐距Lmm≤300＞300～600＞600～900＞900～1200＞1200～1500＞1500折流板和支撐板的最小厚度＜40034581010400～≤700456101012＞700～≤900568101216＞900～≤15006810121616＞1500～≤2023/1012162020＞2023～≤2600/1214182022、折流板的管孔擬定折流板和支撐板管孔直徑及允許偏差應符合下表的規定mm，得管孔直徑為25.4mm。折流板和支撐板管孔直徑換熱管外徑1416192532384557管孔直徑14.3016.3519.3525.4032.4038.5045.6557.70允許偏差+0.200+0.250+0.3003.5拉桿、定距管根據GB151-1999,由于換熱管規格為?25㎜×2.5㎜，采用拉桿定距管形式如圖。拉桿一端的螺紋擰入管板，折流板用定距管定位，最后一塊折流板靠拉桿螺母固定。材料選用Q235-A，同時拉桿應盡量均勻布置在管束外邊沿。拉桿的一端的螺紋擰入管板，折流板用定距管定位，最后一塊折流板靠拉桿螺母固定。拉桿、定距管（1）拉桿的直徑和數量根據GB151-1999，查得拉桿直徑為16，查得拉桿數量為6。拉桿直徑換熱管外徑d10≤d≤1414<d<2525≤d≤57拉桿直徑dn101216拉桿數量拉桿直徑dn(mm)公稱直徑DN(mm)≥700～9001010128166（2）拉桿的尺寸各部分尺寸如圖,查表得拉桿螺紋公稱直徑=16、=20、=60、=2.0。拉桿尺寸拉桿直徑d/拉桿螺紋公稱直徑////管板上拉桿孔深101013≥401.516121215≥502.018161620≥602.020拉桿（3）拉桿的布置拉桿應盡量均勻布置在管束的外邊沿。拉桿位置占據換熱管的位置，對于大直徑換熱器，在布管區的中心部位或靠近折流板缺口處也應當布置適當數目的拉桿。（4）定距管根據換熱器設計手冊，定距管的尺寸同換熱管的尺寸相同，材料選用碳鋼16MnR。外徑為?25×2.5。3.6、防沖板本課程設計的殼程流體為甲醇蒸汽，其，故不需防沖板。3.7、接管、接管的公稱直徑換熱器設計工藝條件接管表符號公稱尺寸，mm用途a200冷卻水進口b200甲醇蒸汽進口c20放氣口d70甲醇物料出口e20排凈口f200冷卻水出口、接管的壁厚擬定由公稱直徑可以查得相應的接管規格。選得對于DN200選取mm接管對于DN70選取mm接管對于DN20選取mm接管、接管高度的擬定接管材料選用Q235-A，與殼體焊接連接，對于接管的伸出長度指接管法蘭面到殼體（管箱殼體）外壁的長度。接管伸出殼體外壁的長度，重要考慮法蘭形式，焊接操作條件，螺栓拆卸，有無保溫層級保溫層厚度等因素決定。一般最短應符合下式計算值：式中h為接管法蘭厚度，為接管法蘭的螺母厚度，為保溫層厚度，為接管安裝高度。常見接管高度為150mm,200mm,250mm,300mm。選定的接管高度見表：接管高度公稱直徑/mmDN200DN80DN20接管高度/mm2001501503.10法蘭（1）、容器法蘭的選用設備法蘭分別有甲型平焊法蘭、乙型平焊法蘭、長頸對焊法蘭。對于的法蘭標準分別為JB4701、JB4702、JB4703。由于設計壓力較低，可選用甲型平焊法蘭。選用其中的凹凸面密封形式的法蘭。材料選用16MnR。根據JB/T4701-2023標準，法蘭尺寸如下：公稱直徑DN（mm）法蘭（mm）螺柱DD1D2D3D4δd規格數量7008307907557457423623M2024壓力容器甲型平焊法蘭（JB/T4701-2023）:（2）、接管法蘭板式平焊鋼制管法蘭根據化工設備機械基礎,由于換熱器的壓力不高，并且流體無毒，所以選用板式平焊法蘭，材料選用Q235-A，密封面型式選用全平面密封如圖，其公稱直徑分別為：板式平焊鋼制管法蘭（摘自HG/T20593-97）/mm公稱直徑DN管子直徑連接尺寸法蘭厚度C法蘭內徑B1法蘭外徑D螺栓中心圓直徑K螺栓孔直徑L螺栓孔數量n螺紋PN0.6MPa20259065114M1014268089190150184M161891200219320280188M16222223.9、墊片的選用常用的墊片有非金屬軟墊片、纏繞墊片、金屬包墊片。對的標準分別為JB4704、JB4705、JB4706。采用非金屬軟墊片結構和尺寸如下，則D=844，d=804。非金屬軟墊片非金屬軟墊片結構尺寸（摘自JB4704-2023）3.10管板的設計與計算查換熱器設計手冊，管板常用的材料有低碳鋼、普通低合金鋼、不銹鋼、合金鋼和復合鋼板等，由于本次的設計壓力屬于低壓，所以選用碳素鋼中的16MnR。管板型式采用整體管板，初步選定的尺寸如表，管板管孔尺寸查GB151-1999，則管板管孔直徑為25.25mm。固定管板式換熱器管板尺寸/mm公稱直徑DND=cd螺栓孔數nPN=0.6MPa700830790755697742700850-12.52324管板管孔直徑及允許偏差應符合下表規定GB151-1999換熱管外徑1416192532384557管孔直徑14.2516.2519.2525.2532.3538.4045.4057.55允許偏差+0.150+0.200+0.2503.11支座臥式換熱器的支座有鞍式支座、圈式支座和支腿式支座，本次臥式固定管板換熱器選用焊制鞍式支座（JB/T4712.1-2023)按照換熱器的公稱直徑選用BI型（重型）帶加強墊板與2個筋板的鞍座一對（其中F型S型各一個），材料選用Q235-A，支座高度H=200，標記為：JB/T4712-2023鞍座BI800-FJB/T4712-2023鞍座BI00-S一對鞍式支座的布置如圖3-4，根據GB151-1999,LB=(0.40.6)L，取LB=0.5L=1250。鞍座的位置查JB/T4712.1-2023,鞍座的各部分尺寸為:鞍式支座的結構參數（JB/T4712.1-2023）公稱直徑/DN鞍座高度h底板腹板筋板墊板螺栓間距L3b3δ3弧長7002006401501083501208830240656460鞍式支座的結構形式3.12圓筒節的設計由于管程接管的直徑大于封頭直邊的長度，所以需要在封頭與管板之間加一段圓筒節，根據接管直徑為200，圓筒節與封頭焊接的埋弧焊，寬20-30mm，手工電弧焊寬10-20mm，取長度為250的圓筒節可以滿足規定，直徑、厚度與殼體相同。第四章列管式換熱器機械結構設計4.1、傳熱管與管板的連接選用強度焊接連接。制造加工方便，保證換熱管與管板連接的密封性和抗拉脫強度的焊接，目前采用較廣泛。查GB151，，可知其相接各部分的尺寸如下：換熱管外伸長度換熱管規格（外徑×壁厚）ф25×2.5換熱管最小伸出長度/最小坡口深度/2換熱管與管板焊接4.2、管板與殼體及管箱的連接管板與殼體及管箱的連接4.3、管法蘭與接管連接管法蘭與接管采用內外焊接管法蘭與接管焊接第五章強度計算5.1換熱器殼體壁厚的計算材料選用16MnR，計算壁厚為式中——計算壓力，取=1.1Pw=1.1×0.05=0.055MPaDi=750mm；——筒體的焊接接頭系數，≤1.0取1（選取雙面對接焊，所有無損探傷）=121mpa故計算厚度鋼板厚度負偏差=0.3㎜，取腐蝕裕量=1,則設計厚度δd=0.17+0.3+1=1.47mm，但對低合金鋼制的容器，規定不涉及腐蝕裕量的最小厚度應不小于3mm，由鋼材標準規格，名義厚度取為6mm。水壓實驗壓力所選材料的屈服應力有效厚度水壓實驗應力校核所以，水壓實驗滿足強度規定。氣密實驗壓力5.2管箱短節由工藝設計給定設計溫度40為設計壓力選低合金結構鋼板16MnR卷制，材料70時的許用應力，取焊縫系數，腐蝕裕量計算厚度對于低合金鋼，為滿足運送剛度規定取δ=3mm設計厚度名義厚度，圓整后取6mm。有效厚度水壓實驗壓力所選材料的屈服應力水壓實驗應力校核所以，水壓實驗滿足強度規定。氣密實驗壓力第六章安裝制造6.1換熱器制造6.1.1換熱管直管一律采用整根管子而不允許有接縫。管子應當進行校直，管子兩端須用磨管機清除氧化皮、鐵銹、及污垢等雜質直至露出金屬光澤。除銹長度不小于兩倍管板厚度。同一根換熱管的對接焊縫，直管不得超過一條；最短管長不應小于300mm；涉及至少50mm直管段范圍內不得有拼接焊縫。管端破口應采用機械方法加工，焊前應清洗干凈。換熱管組裝規定兩管板互相平行，允許誤差不得大于1mm，兩管板間長度誤差為±2mm；管子與管板應垂直；拉感應牢固固定；定距管兩端面要整齊；穿管時管子頭不能用鐵器直接敲打。6.1.2筒體換熱器筒體的圓度規定較高，必須保證殼體與折流板之間有合適的間隙。如太大就要影響換熱效果，太小就要增長裝配的難度。切割好的鋼板應根據鋼板厚度、操作壓力高低選定破口形式進行邊沿加工。用鋼板卷制時，內直徑允許偏差可通過外圓周長加以控制，其外周長允許上偏差10mm；下偏差為0。6.1.3封頭和管箱封頭和管箱的厚度一般不小于殼體的厚度。分程隔板兩側全長均應焊接，并應具有全焊透的焊縫。由于焊接應力較大，故管箱和封頭法蘭等焊接后，須進行消除應