管壳式换热器的设计化工机械专业课程设计.doc

北京理工大学珠海学院课程设计任务书第 2 学期学生姓名： 专业班级：指导老师： 工作部门： 一、课程设计题目管壳式换热器设计二、课程设计内容1管壳式换热器结构设计 包含：管子数n，管子排列方法，管间距确实定，壳体尺寸计算，换热器封头选择，容器法兰选择，管板尺寸确定塔盘结构，人孔数量及位置，仪表接管选择、工艺接管管径计算等等。2. 壳体及封头壁厚计算及其强度、稳定性校核（1）依据设计压力初定壁厚；（2）确定管板结构、尺寸及拉脱力、温差应力；（3）计算是否安装膨胀节；（4）确定壳体壁厚、封头选择及壁厚，并进行强度和稳定性校核。3. 筒体和支座水压试验应力校核4. 支座结构设计及强度校核 包含：裙座体（采取裙座）、基础环、地脚螺栓5. 换热器各关键组成部分选材，参数确定。6. 编写设计说明书一份7. 绘制2号装配图一张，Auto CAD绘3号图一张（塔设备）。三、设计条件（1）气体工作压力管程：半水煤气（1、0.80MPa；2、0.82 MPa；3、0.85Mpa；4、0.88 MPa ；5、0.90 MPa）壳程：变换气 （1、0.75MPa；2、0.78 MPa；3、0.80Mpa；4、0.84 MPa ；5、0.85 MPa）（2）壳、管壁温差50，ttts 壳程介质温度为320-450，管程介质温度为280-420。（3）由工艺计算求得换热面积为120m2，每组增加10 m2。（4）壳体和封头材料在低合金高强度刚中间选择，并查出其参数，接管及其它数据依据表7-15、7-16选择。（5）壳体和支座对接焊接，塔体焊接接头系数=0.9（6）图纸：参考图7-52，注意：尺寸需依据自己设计尺寸标注。四、进度安排制图地点： 暂定CC405时间安排：从第7周（ 3月31日）至第 10 周（4月20日）序号内 容主讲人时 间 听课班级1化工设备设计基础知识唐小勇4月 9 日星期一、三、五早晨09化工1，24月11日09化工1，24 月13日09化工1，22管壳式换热器设计计算唐小勇4月 9 日-13日早晨：8：30-11：30下午14：00-17：3009化工1，23管壳式换热器结构设计唐小勇4 月 16 日早晨：8：30-11：30下午14：00-17：3009化工1，24月 17 日09化工1，24管壳式换热器设计制图唐小勇4 月 17 日早晨：8：30-11：30下午14：00-17：3009化工1，24 月18 日09化工1，24月 19 日09化工1，25设计说明书撰写唐小勇4月9日-18日早晨：8：30-11：3009化工1，209化工1，209化工1，26 答辩唐小勇4月 20日早晨：8：3009化工1下午14：3009化工2五、基础要求1.学生要根据任务书要求，独立完成塔设备机械设计；2.设计说明书一律采取电子版，2号图纸一律采取徒手绘制；3.各班长负责组织借用绘图仪器、图板、丁字尺；学生自备图纸、橡皮和铅笔；4.画图结束后，将图纸根据统一要求折叠，同设计说明书统一在答辩那一天早上8：30前，由班长负责统一交到HF508。5.依据设计说明书、图纸、平时表现及答辩综合评分。六、说明书内容 1.符号说明2.序言（1）设计条件；（2）设计依据；（3）设备结构形式概述。3.材料选择（1）选择材料标准；（2）确定各零、部件材质；（3）确定焊接材料。4.绘制结构草图（1）换热器装配图（2）确定支座、接管、人孔、控制点接口及附件、内部关键零部件轴向及环向位置，以单线图表示；（3）标注形位尺寸。（4）写出图纸上技术要求、技术特征表、接管表、标题明细表等5.壳体、封头壁厚设计（1）筒体、封头及支座壁厚设计；（2）焊接接头设计；（3）压力试验验算；6.标准化零、部件选择及补强计算：（1）接管及法兰选择：依据结构草图统一编制表格。内容包含：代号，PN,DN,法兰密封面形式，法兰标识，用途）。补强计算。（2）人孔选择：PN,DN,标识或代号。补强计算。（3）其它标准件选择。7.结束语：对自己所做设计进行小结和评价，经验和收获。8.关键参考资料。【格式要求】：1.计算单位一律采取国际单位； 2.计算过程及说明应清楚；3.全部标准件均要写明标识或代号； 4.设计说明书目录要有序号、内容、页码；5.设计说明书中和装配图中数据一致。假如装配图中有修改，在说明书中要注明变更；6.书写工整，字迹清楚，层次分明； 7.设计说明书要有封面和封底，均采取A4纸，装订成册。七、关键参考资料1. 化工设备机械基础课程设计指导书.化学工业出版. .12.化工设备机械基础第五版 刁和玮 王立业 编著 .3；3. 化工单元过程和设备设计匡国柱 史启才 主编；4.化工制图华东化工学院制图教研室编 人民教育出版社 1980；5.化工设备机械基础参考资料；6.钢制压力容器GB150-1998；7.钢制塔式容器JB4710-1992；8. GB151-1999 管壳式换热器1999年；9.压力容器安全技术监察规程国家质量技术监督局 1999年。 教研室主任署名： 年 月 日 管壳式换热器结构设计摘 要课程设计理论是学生理论联络实际一次很好机会，此次试验就管壳式换热器进行一次课程设计，掌握并了解在工业生产中节能、高效、环境保护等概念。 换热设备在炼油、石油化工和在其它工业中使用广泛，它适适用于冷却、冷凝、加热、蒸发和废热回收等各个方面。 其中，管壳式换热器即使在换热效率、设备体积和金属材料消耗量等方面不如其它新型换热设备，但它含有结构坚固、弹性大、可靠程度高、使用范围广等优点，所以在各工程中仍得到普遍使用。 管壳式换热器结构设计，是为了确保换热器质量和运行寿命，必需考虑很多原因，如材料、压力、温度、壁温差、结垢情况、流体性质和检修和清理等等来选择某一个适宜结构形式。对同一个形式换热器，因为多种条件不一样，往往采取结构亦不相同。在工程设计中，除尽可能选择定型系列产品外，也常按其特定条件进行设计，以满足工艺上需要（得到适合工况下最合理最有效也最经济便于生产制造换热器等等）。关键词：管壳式换热器课程设计 管壳式换热器使用范围 管壳式换热器结构设计 Structure design of shell-and-tube heat exchangerAbstractStudent in course design theory is a good opportunity of integrating theory with practice,this experim ent on the course design of shell-and-tube heat exchanger, industrial production, mastering and understanding concepts such as energy conservation, effciency, environmental protection. Heat exchanger in oil refining, petrochemical, and widely used in other industries, it is suitable for cooling, heating, evaporation and condensation, heat recovery, and various other aspects.Among them, shell-and-tube heat exchanger in the heat transfer efficiency, size of equipment and metal consumption than other new type of heat-exchange equipment, but it has a strong structure, flexibility, high reliability, widely used and so on, so the project is still being widely used.Structure design of shell-and-tube heat exchanger, is to ensure that the heat exchanger and the quality of life, you must consider many factors, such as material, pressure, temperature and wall temperature difference, scaling, fluid properties, as well as maintenance and cleaning, and so on to choose an appropriate structure.With a form of heat exchangers, for a variety of conditions, often used structures are not the same.In engineering design, apart from used as far as possible the training series, often designed according to their specific conditions, to meet the needs of technology (supported by most reasonable under suitable conditions the most effective and most economic manufacture of heat exchangers, and so on).Key words：Course design of shell-and-tube heat exchanger Shell-and-tube heat exchanger use Structure design of shell-and-tube heat exchanger目 录 摘要 ABSTRACT1序言11.1概述11.1.1换热器类型11.1.2换热器11.2设计目标和意义21.3管壳式换热器发展史21.4管壳式换热器中国外概况31.5壳层强化传热31.6管层强化传热31.7提升管壳式换热器传热能力方法41.8设计思绪、方法51.8.1换热器管形设计51.8.2换热器管径设计51.8.3换热管排列方法设计51.8.4 管、壳程分程设计51.8.5折流板结构设计5 1.8.6管、壳程进、出口设计6 1.9 选材方法6 1.9.1 管壳式换热器选型6 1.9.2 流径选择8 1.9.3流速选择9 1.9.4材质选择9 1.9.5 管程结构9 2壳体直径确实定和壳体壁厚计算11 2.1 管径11 2.2管子数n11 2.3 管子排列方法，管间距确实定11 2.4换热器壳体直径确实定11 2.5换热器壳体壁厚计算及校核11 3换热器封头选择及校核14 4容器法兰选择15 5管板16 5.1管板结构尺寸16 5.2管板和壳体连接16 5.3管板厚度16 6管子拉脱力计算18 7计算是否安装膨胀节20 8折流板设计22 9开孔补强25 10支座27 10.1群座设计27 10.2基础环设计29 10.3地角圈设计30 符号说明32 参考文件34 谢辞35 1 序言1.1概述1.1.1换热器类型 管壳式换热器是最经典间壁式换热器，历史悠久，占据主导作用，关键有壳体、管束、管板、折流挡板和封头等组成。一个流体在管内流动，其行程称为管程；另一个流体在管外流动，其行程称为壳程。管束壁面即为传热面。其关键优点是单位体积所含有传热面积大，传热效果好，结构坚固，可选择结构材料范围宽广，操作弹性大，所以在高温、高压和大型装置上多采取列管式换热器。为提升壳程流体流速，往往在壳体内安装一定数目和管束相互垂直折流挡板。折流挡板不仅可预防流体短路、增加流体流速，还迫使流体按要求路径数次错流经过管束，使湍步骤度大为增加。 列管式换热器中，因为两流体温度不一样，使管束和壳体温度也不相同，所以它们热膨胀程度也有差异。若两流体温差较大（50以上）时，就可能因为热应力而引发设备变形，甚至弯曲或破裂，所以必需考虑这种热膨胀影响。1.1.2换热器 换热器是化工、石油、食品及其它很多工业部门通用设备，在生产中占相关键地位。因为生产规模、物料性质、传热要求等各不相同，故换热器类型也是多个多样。 按用途它可分为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等。依据冷、热流体热量交换原理和方法可分为三大类：混合式、蓄热式、间壁式。 间壁式换热器又称表面式换热器或间接式换热器。在这类换热器中，冷、热流体被固体壁面隔开，互不接触，热量从热流体穿过壁面传给冷流体。该类换热器适适用于冷、热流体不许可直接接触场所。间壁式换热器应用广泛，形式繁多。将在后面做关键介绍。 直接接触式换热器又称混合式换热器。在这类换热器中，冷、热流体相互接触，相互混合传输热量。该类换热器结构简单，传热效率高，适适用于冷、热流体许可直接接触和混合场所。常见设备有凉水塔、洗涤塔、文氏管及喷射冷凝器等。蓄热式换热器又称回流式换热器或蓄热器。这类换热器是借助于热容量较大固体蓄热体，将热量由热流体传给冷流体。当蓄热体和热流体接触时，从热流体处接收热量，蓄热体温度升高后，再和冷流体接触，将热量传给冷流体，蓄热体温度下降，从而达成换热目标。这类换热器结构简单，可耐高温，常见于高温气体热量回收或冷却。其缺点是设备体积庞大，且不能完全避免两种流体混合。工业上最常见换热器是间壁式换热器。依据结构特点，间壁式换热器能够分为管壳式换热器和紧凑式换热器。紧凑式换热器关键包含螺旋板式换热器、板式换热器等。管壳式换热器包含了广泛使用列管式换热器和夹套式、套管式、蛇管式等类型换热器。其中，列管式换热器被作为一个传统标准换热设备，在很多工业部门被大量采取。列管式换热器特点是结构牢靠，能承受高温高压，换热表面清洗方便，制造工艺成熟，选材范围广泛，适应性强及处理能力大等。这使得它在多种换热设备竞相发展中得以继续存在下来。使用最为广泛列管式换热器把管子按一定方法固定在管板上，而管板则安装在壳体内。所以，这种换热器也称为管壳式换热器。常见列管换热器关键有固定管板式、带膨胀节固定管板式、浮头式和U形管式等多个类型。1.2设计目标和意义 换热器是将热流体部分热量传输给冷流体设备，以实现不一样温度流体间热能传输，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输不可缺乏设备。 在换热器中，最少有两种温度不一样流体，一个流体温度较高，放出热量；另一个流体则温度较低，吸收热量。在工程实践中有时也会存在两种以上流体参与换热，但它基础原理和前一个情形并无本质上区分。 换热设备在炼油、石油化工和在其它工业中使用广泛，它适适用于冷却、冷凝、加热、蒸发和废热回收等各个方面。 其中，管壳式换热器即使在换热效率、设备体积和金属材料消耗量等方面不如其它新型换热设备，但它含有结构坚固、弹性大、可靠程度高、使用范围广等优点，所以在各工程中仍得到普遍使用。 管壳式换热器结构设计，是为了确保换热器质量和运行寿命，必需考虑很多原因，如材料、压力、温度、壁温差、结垢情况、流体性质和检修和清理等等来选择某一个适宜结构形式。 对同一个形式换热器，因为多种条件不一样，往往采取结构亦不相同。在工程设计中，除尽可能选择定型系列产品外，也常按其特定条件进行设计，以满足工艺上需要（得到适合工况下最合理最有效也最经济便于生产制造换热器等等）。1.3管壳式换热器发展史为了满足电厂对在较高压力下运行大型换热器（如冷凝器和供水加热器）需要，在20世纪初，提出了壳管式换热器基础设计。经过长久利用，使设计变得相当成熟和专业化。 当今已广泛地应用于工业上壳管式换热器，在20世纪初也开始适应石油工业提出要求。油加热器和冷却器、再沸器和多种原油馏分和相关有机流体冷凝器这些设备需要在恶劣野外条件下运行，流体常常不洁净而且又要求高温和高压，所以，设备便于清洗和进行现场修理是绝对需要。壳管式换热器发展早期阶段，出现最大量严重问题，不是在传热方面（这能够由实践经验粗略估算），而是多种部件，尤其是管板材料强度计算问题，还有在制造技术和工程实施中很多相关其它问题，如管和管板连接，法兰和接头管焊接等。 在20世纪20年代，壳管式换热器制造工艺得到相当圆满发展，这关键是因为多个关键制造商努力结果。制造设备传热面积可达500m2,即直径约750mm、长6m，用于急剧增加石油工业。在30年代，壳管式换热器设计者，依据直接经验和在理想管束上试验数据，建立了很多正确设计标准。水-水和水-气换热器设计，大约和现今设计差不多。因为污垢热阻起很大作用，壳侧流动粘性流是一个困难问题，而且，60年代以前她们了解极少。伴随壳管式换热器应用稳步增加，和对在多种步骤条件下性能估计精度要求越来越高，这造就40年代直至50年代研究活动激增。研究内容不仅包含壳侧流动，而且相当关键还有真实平均温差计算、结构件尤其是管板强度计算。多年来发展起来壳管式换热器，因为其结构坚固并能适应很大设计和使用条件改变，已成为最广泛使用换热器。1.4管壳式换热器中国外概况 伴随现代新工艺、新技术、新材料不停发展和能源问题日益严重, 肯定带来更多高性能、高参数换热设备需求。换热器性能对产品质量、能量利用率和系统经济性和可靠性起着关键作用, 有时甚至是决定性作用。现在在发达工业国家热回收率已达96% ,换热设备在石油炼厂中约占全部工艺设备投资35%40%。其中管壳式换热器仍然占绝正确优势,约70%。其它30 %为各类高效紧凑式换新型热管和蓄热器等设备,其中板式、板翅式、热管及各类高效传热元件发展十分快速。伴随工业装置大型化和高效率化, 换热器也趋于大型化,并向低温差设计和低压力损失设计方向发展。当今换热器发展以CFD (Computational Fluid Dynamics) 、模型化技术、强化传热技术及新型换热器开发等形成了一个高技术体系1。 该换热器是目前应用最广,理论研究和设计技术完善,利用可靠性良好一类换热器。现在各国为改善该换热器传热性能开展了大量研究。强化传热关键有3 种路径提升传热系数、扩大传热面积和增大传热温差,研究关键集中在强化管程和壳程传热面方面。1.5壳层强化传热 传统管壳式换热器, 流体在壳侧流动存在着转折和进出口两端涡流影响区, 影响了壳侧给热系数。壳侧传热强化研究包含管型和管间支撑物研究。1.6管层强化传热 大家想尽多种措施实施强化传热, 归结起来不外乎2 条路径, 即改变传热面形状和在传热面上或传热流路径内设置多种形状插入物。改变传热面形状方法有多个, 用于强化管程传热有: 横纹管、螺旋槽管、螺纹管(低翅管)和缩放管和螺旋扁管(瑞典ALLARDS 企业生产) 。中国螺纹管标准翅化率为1.32.9(3),美、英、日、德等国全部有商品化低翅管。德国Hde企业螺旋槽管，管内传热效率显著优于光管,在2300 Re 105 范围内, 提升传热效率2.311.1倍, 当200 Re 100 时, 壳程介质即达湍流, 所以,对于流量小或粘度大介质优先考虑作为壳程换热介质; 因为管程清洗相对于壳程清洗要轻易, 所以对于易结垢、有沉淀及杂物介质宜走管程; 从经济性考虑, 对于高温、高压或腐蚀性强介质, 作为管程换热介质愈加合理; 对于刚性结构换热器, 若冷、热介质温差大, 因壁面温度和换热系数大介质温度靠近, 为减小管束和壳体膨胀差, 换热系数大介质走壳程愈加合理, 而冷、热介质温差小, 两介质换热系数相差大, 换热系数大介质走管程愈加合理。3、 采取强化管壳式换热器传热结构方法 在换热器设计中, 通常采取强化传热方法来提升换热器传热能力。强化传热常见方法有: 采取高效能传热面、静电场强化传热、粗糙壁面、搅拌等。1.8 设计思绪、方法1.8.1换热器管形设计 管子外形有光管、螺纹管。相同条件下, 采取螺纹管管束比光管管束能增加换热面积2 倍左右。同时, 因为螺纹管螺纹结构能有效破坏流体边界层, 有效提升了换热器传热能力。当壳程介质易结垢时, 因为外螺纹管束沿轴向胀缩作用使换热管外壁硬垢脱落, 含有良好自洁作用, 能够有效预防管束外壁结垢, 减小换热器壳程热阻, 提升换热器传热能力。1.8.2 换热器管径设计 因为小直径换热管含有单位体积传热面积大, 换热器结构紧凑, 金属耗量少, 传热系数高特点, 在换热器结构设计中, 对于管程介质清洁、不易结垢介质, 采取小管径管束能有效增加换热面积。相同条件下, 采取19mm 管束比采取25mm 管束能提升传热面积30%40% , 节省金属20% 以上。1.8.3换热管排列方法设计 管子排列方法有等边三角形、正方形和同心圆排列等, 对于壳程介质不易结垢或可用化学方法清洗污垢介质, 采取三角形排列可使换热器外径减小15% ; 对于需要机械清洗管束, 管子排列应采取正方形; 对于小于300mm 换热器, 为使管束排列紧凑, 可采取同心圆排列。1.8.4 管、壳程分程设计 管程分程设计。当需要传热面积很大,换热管长度太长( 对卧式换热器管长比壳径比超出610, 立式换热器超出46 时) , 采取单管程换热器使管程流速很低时, 可采取管程分程措施来提升管程换热介质流速。因为决定管程介质流态雷诺数Rei 和管程介质流速成正比,为提升换热器管程换热系数hi, 可采取管程分程措施提升管程换热系数。 壳程分程设计。为了提升换热器传热能力, 且不使换热管太长, 壳程利用横向折流板或纵向折流板分程。壳程分程可增加对壳程换热介质扰动, 使壳程换热介质流速增加, 步骤加大,换热介质横向冲刷扰动加大, 提升换热器传热能力。1.8.6管、壳程进、出口设计 管程进、出口管设计。管程进、出口管径在考虑管程压降许可条件下, 经过计算确定管径, 其计算公式为23 300( 为管程介质密度, kg/m3; 为管程介质进、出口流速, m/s) 。为确保管程流体均匀分布, 充足发挥换热管换热性能, 管程进、出口应设置在换热器管程底部和顶部。 对换热器使用寿命影响较大, 尤其是壳程换热介质流速较高或介质中含有固体颗粒。为确保换热器使用性能, 可在壳程入口加装防冲板, 对介质冲刷起到缓冲作用, 保护管束不受冲击; 为避免壳程入口流速过高, 壳程介质流速有一定限制: 2100)下即可达成湍流，以提升对流传热系数。8、若两流体温度差较大，传热膜系数较大流体宜走壳程，因为壁温靠近传热膜系数较大流体温度，以减小管壁和壳壁温度差。综合考虑以上标准，确定半水煤气应走壳程，变换气走管程。1.9.3 流速选择 表1-1 换热器常见流速范围 介质流速 循环水 新鲜水 通常液体 易结垢液体 低粘度油 高粘度油 气体 管程流速，m/s1.02.00.81.50.531.00.81.80.51.5530壳程流速，m/s0.51.50.51.50.21.50.50.41.00.30.8215 因为增加流体在换热器中流速，将加大对流传热系数，降低污垢在管子表面上沉积可能性，即降低了污垢热阻，使总传热系数增大，从而可减小换热器传热面积。不过流速增加，又使流体阻力增大，动力消耗就增多。故拟取变换气流速为20m/s。1.9.4材质选择管壳式换热器材料应依据操作压强、温度及流体腐蚀性等来选择。在高温下通常材料机械性能及耐腐蚀性能要下降。同时含有耐热性、高强度及耐腐蚀性材料是极少。现在 常见金属材料有碳钢、不锈钢、低合金钢、铜和铝等；非金属材料有石墨、聚四氟乙烯和玻璃等。依据实际需要，能够选择使用不锈钢材料。1.9.5 管程结构换热管管板上排列方法有正方形直列、正方形错列、三角形直列、三角形错列和同心圆排列，以下图所表示。 (a) 正方形直列（b）正方形错列 (c) 三角形直列 （d）三角形错列 （e）同心圆排列 图1-4 换热管管板上排列方法正三角形排列结构紧凑；正方形排列便于机械清洗。对于多管程换热器，常采取组合排列方法。每程内全部采取正三角形排列，而在各程之间为了便于安装隔板，采取正方形排列方法。 管板作用是将受热管束连接在一起，并将管程和壳程流体分隔开来。管板和管子连接可胀接或焊接。 2 壳体直径确实定和壳体壁厚计算2.1 管径 换热器中最常见管径有19mm2mm和25mm2.5mm。小直径管子能够承受更大压力，而且管壁较薄；同时，对于相同壳径，可排列较多管子，所以单位体积传热面积更大，单位传热面积金属耗量更少。所以，在管程结垢不很严重和许可压力降较高情况下，采取19mm2mm直径管子更为合理。假如管程走是易结垢流体，则应常见较大直径管子。 标准管子长度常见有1500mm，mm，2500mm，3000m,4500,5000,6000m,7500mm,9000m等。换热器换热管长度和公称直径之比通常为425,常见为610选择252.5无缝钢管，材质为20号钢，管长4.5m。 2.2 管子数n (2-1) 其中安排拉杆需降低6根，故实际管数n=503-6=497根2.3 管子排列方法，管间