固定管板式换热器设计

1、固定管板式换热器的设计第一章.设计方案概述和简介一、概述在不同温度的流体间传递热能的装置称为热交换器，简称为换热器。化工生 产中换热器的使用十分普遍，由于物料的性质、要求各不相同，换热器的种类很 多。了解各种换热器的特点，根据工艺要求正确选用适当类型的换热器是非常重 要的。按照热量交换的方法不同，分为间壁式换热器、直接接触式换热器、蓄热 式换热器三种。化工生产中绝大多数情况下不允许冷、 热两流体在传热过程中发 生混合，所以，间壁式换热器的应用最广泛。在换热器中至少要有两种温度不同 的流体，一种流体温度较高，放出热量：另一种流体温度较低，吸收热量。换热 器在化工、石油、动力、制冷、食品等行业中都

2、有广泛应用，且它们是上述这些 行业的通用设备，并占有十分重要的地位二、列管式换热器的分类1、U型管换热器U型管换热器结构特点是只有一块管板，换热管为U型，管子的两端固定在同一块管板上，其管程至少为两程。管束可以自由伸缩，当壳体与U型环热管由温差时，不会产生温差应力。U型管式换热器的优点是结构简单，只有一块 管板，密封面少，运行可靠；管束可以抽出，管间清洗方便。其缺点是管内清洗 困难；由于管子需要一定的弯曲半径，故管板的利用率较低；管束最内程管间距 大，壳程易短路；内程管子坏了不能更换，因而报废率较高。此外，其造价比管 定管板式高10%左右。2、固定管板式换热器固定管板式换热器主要是由筒体、封头

3、、管板、换热管、管箱、折流板及法 兰等组成，管束两端固定在管板上，管板和筒体之间是刚性连接在一起， 相互之 间无相对移动，换热器结构简单、制造方便、造价较低；在相同直径的壳体内可 排列较多的换热管，而且每根换热管都可单独进行更换和管内清洗；但管外壁清洗较困难。当两种流体的温差较大时，会在壳壁和管壁中产生温差应力， 一般当 温差大于50摄氏度时就应考虑在壳体上设置膨胀节以减小温差应力。但当管、 壳温差大于70摄氏度时，壳程压力超过0.6Mpa时，导致膨胀节过厚失去温差补 偿作用。因此，固定管板式换热器适用于壳程流体清洁，不易结垢，管程常用要 清洗，冷热流体温差不太大的场合。三、设计方案选定1、换

4、热器类型的选择按照设计任务书的要求，热流体物料入口温度 30.08C,出口温度120C, 冷流体物料，入口温度142.2C，出口 1422C，操作压力小于0.6MPa,物料的 温度变化大约为90C比较大。基于这些要求，应选择固定管板式换热器。2、流体路径的选择由于此次设计的换热器所走物料为气体， 且需要冷却，所以选择走壳程，并 且，固定管板式换热器具有壳体易走较清洁流体，这样，冷却即走管程。按照一 般情况，选用规格为 25*2.5mm的碳素钢无缝管。3、列管式换热器设计的主要内容固定管板式换热器的设计包括热力设计、流体设计、结构设计以及强度设计。 本次设计课题以结构设计与强度校核为主要设计内容

5、。 不仅在设计一台新的换热 器时需要进行热力设计，而且对于已生产出来的，甚至已投入使用的换热器在检 验它是否满足使用时，均需要进行这方面的工作。热力设计是指根据使用单位提 出的基本要求，合理的选择运行参数，并根据传热学的知识进行传热计算。第二章固定管板式换热器的总体结构一、认识固定管板式换热器Hit体传热管析at板二L匡龙曹盒貝換4券固定管板式换热器主要是由筒体、封头、管板、换热管、管箱、折流板及法 兰等组成，管束两端固定在管板上，管板和筒体之间是刚性连接在一起， 相互之 间无 相对 移 动， 换热 器结 构简 单、 制造 方 便、造价较低；在相同直径的壳体内可排列较多的换热管， 而且每根换热

6、管都可单独进行更换和管内清洗；但管外壁清洗较困难。当两种流体的温差较大时，会 在壳壁和管壁中产生温差应力，一般当温差大于 50摄氏度时就应考虑在壳体上 设置膨胀节以减小温差应力。但当管、壳温差大于70摄氏度时，壳程压力超过0.6Mpa时，导致膨胀节过厚失去温差补偿作用。因此，固定管板式换热器适用 于壳程流体清洁，不易结垢，管程常用要清洗，冷热流体温差不太大的场合。二、筒体筒体是换热器的主要受压元件，筒体大多是由钢板冷（热）卷焊而成。筒体 因为要经常抽装管束，所以对壳体的内直径偏、同一截面上最大与最小直径偏差 以及直线度的控制比较严格，因此压力容器壳体的材料要具有良好的塑性、 焊接 性能和好的热

7、加工性能。根据不同的工艺条件，壳体的材料一般选用碳素钢、低 合金钢和不锈钢等。根据图纸所知，本次设计的换热器所走的介质为气体且无腐蚀性，所以本次设计课题的筒体选材为Q235B三、封头封头是压力容器的重要组成部分，也是主要的受压元件，常用的有半球形封 头、椭圆封头、碟形封头、锥形封头和平封头（即平盖）。其中平封头根据需要 有多种形式，结构简单，与其他形式的封头相比，在相同的条件下满足强度要求 的厚度较大，中低压容器中应用不多，锥形封头主要用于不同直径的过渡连接、 介质中含有固体颗粒或粘度较大时作为容器下部的出料口等。根据图纸所知，本次设计的换热器的结构较为简单,所以本次课题使用的封头即为标准椭圆

8、封头，材料为Q235B半球形封头碟形封头标准椭圆封头锥形封头平封头平H头 eai dp四、管板管板是管壳式换热器的主要零件，管板的设计是否合理对确保换热器的安全 运行、节约金属材料、降低制造成本是至关重要的。管板一般采用低合金铸造，或者采用低合金钢钢板加工，当采用碳钢时，由 于材料的偏析将使管子与管板焊接后出现气孔和裂纹，故应检查管板表面含碳 量，不得小于0.19%，或在管板上加两层低碳堆焊来避免偏析的影响。当某种单 一的材料不能同时抵抗两侧换热介质的腐蚀时， 必须采用双金属板，有时虽只是 一种介质具有强烈腐蚀作用，但是管板尺寸较厚，那么采用整体的贵重材料制造 管板不如采用复合板经济，而且贵重

9、材料如奥氏体不锈钢的强度和加工性还不如 碳钢，导热性能反而差，因此在直径大、压力高的换热器中，采用以强度高而便 宜的低合金钢作为基层的复合板，管板尺寸越 大越经济。管板的制作方法有：轧制法、堆焊法、爆 炸复合法、焊管复合法、桥面堆焊法本次设计的换热器，所使用管板材料为16Mn。五、接管、法兰、支座及其它附件常用材料1、容器壳体上各种接管等，要求使用无缝钢管，常用钢管有碳素钢 低合金 钢 低合金耐热钢等。其中碳素钢钢号为20号钢管，使用流体输送，可与Q235、 16MnR等材料配合使用，是最广泛的一类无缝管。根据该换热器所走介质，接管材料选择 20号钢管，接管长度150mm。2、法兰材料选择法兰

10、为典型的受压元件，通常由钢板或锻件经切削 钻孔后制成，而后与接 管组焊而成，因此法兰材料应具有良好的可锻性 切削性 加工性和可焊性。法兰 常用的板材有 Q235-A、Q235-B等。3、支座承受整个容器的重量，但不受截至压力和温度作用，一般选刚性较好的材料，常用的有 Q235-A、Q 235-B等。本次设计的换热器支座材料为Q 235-B六、管箱结构1、管箱位于壳体两端，其作用是控制及分配管程流体。管程结构如下图，BIJA BIJB圏 C图A为四管程管箱，适用于较清洁的介质，因检查管子及清洗时只能将管 箱整体卸下，故不方便；图 B在管箱上装有平盖，只要拆下平盖即可进行清洗 和检查，所以工程应用

11、较多，但材料用量较大；图 C是将管箱和管板焊成整体， 这种结构密封性好，但管箱不能单独拆下，检修、清洗都不方便，实际应用较少。1管程管箱的作用是把管道中来的流体，均匀分布到各换热管和将换热管内流体汇 聚到一起送出换热器。2、分程为增加换热面积，必须增加换热管数量，而介质在管束中的流速随着话呢管 的增加而下降，结果反而使流体的给热系数降低，故增加换热管不一定达到所需 换热要求。因此要保持流体在管束中较大流速，可将管束分成若干程数，使流体 依次流过各程换热管，以增加流体速度、提高给热系数。本次设计的换热器为四管程，所以选择的管箱形式为图A。七、壳程结构1、壳程主要是由折流板、支撑板、纵向隔板、旁路

12、挡板、拉杆、定距管等 元件组成，由于各种形式换热器的工艺性能、 适用场合不同，壳程内各种元件的 设置也不同，以满足设计要求。各元件在壳程内设置，按其不同的作用，可分为两类，一类为使壳侧介质对 换热管最有效的流动，来提高换热效率而设置的各种挡板，如折流板、纵向挡板、 旁路挡板等；另一类为了管束的安装及保护换热管而设置的，如支撑板。1-1折流板折流板的结构设计，要根据工艺过程及要求来确定，折流板的作用是使壳程 流体反复的改变方向作错流流动或其他形式的流动，提高管间流体的湍动程度， 并可调节折流板间距以获得适宜流速， 提高传热效果，另外，折流板还可起到支 撑管束的作用。折流板的类型有：弓形折流板（单

13、弓形和双弓形折流板）、矩形折流板、圆 盘-圆环形本次设计的换热器使用的折流板为单弓形折流板。折流板的最小间距应不小于圆筒内径的1/5,且不小于50mm,最大间距应不大于圆筒内直径，所以此次设计的换热器两折流板之间的距离为110m m,共1920需折流板个数为1920171101-2、根据GB151查得拉杆直径为16,拉杆数量为4换热管外径d10 d 1414d2525 d 57拉杆直径dn101216.公称直径DN拉杆直径dn40070090010461012448 164461-3、定距管的个数：根据折流板个数与拉杆个数，确定定距管个数为68根, 每根长为102mm,规格为 25X2.5mm

14、1-2、旁路挡板为了防止壳程边缘介质短路，常设置旁路挡板以迫使壳程介质通过管束之间 与管程流体进行换热。旁路挡板可用钢板或扁钢制成，其厚度一般与折流板相同。旁路挡板嵌入折流板槽内，并与折流板焊接。壳体公称直径DN 500mm时，增 设三对旁路挡板。通过上述简介，固定管板式换热器的各结构材料与规格的汇总：名称选用形式规格封头标准椭圆封头550mm管板管板兼做法兰管板630 X 40mm管箱筒体短节加封头四管程管箱换热管无缝管屮 25 X 2.5mm第三章换热器的选材及计算根据工作介质、工作温度、工作压力选择合适的材料:零件名称材质零件名称材质零件名称材质筒体；Q235B接管20鞍座 Q235B

15、:封头Q235B换热管20管板16Mn一、换热器设计工艺参数工艺参数1名称壳程管程物料名称01顶气相物料（无腐蚀）原料C01 （无腐蚀）操作压力（MPa-0.80.032设计压力（MPa0.980.212操作温度C进 142.2出 142.2进 30.08出 120设计温度C162.2140流体密度Kg/ m31.088853.6程数14壳体内径mm550管外x(mm)*25X 2.5数111管长(mr)1924管间距（mr）32材料排列方式管板厚度 40mm换热面积21.4 m2管口表管口表符号DN X PN(mm X MPaG)法兰标准连接面用途N120 X 1.6HG20592-97RF

16、放空口N2250 X 1.6HG20592-97RF气相进口N3250 X 1.6HG20592-97RF气相出口N440 X 1.6HG20592-97RF原料出口N540 X 1.6HG20592-97RF原料进口N6100X 1.6HG20592-97RF凝液出口、换热管规格、选材与计算1换热管常用规格：一般用外径X壁厚表示，常用碳素钢、合金钢管的规格有19X 2mm、25X 2.5mm、38 X 2.5mm；不锈钢的规格有 25X 2mm,38X 2.5mm。换热管的标准管长为 1.5、2.0、3.0、6.0、9.0（单位：m）等。换 热管数量、长度和直径根据换热管的换热面积确定，所选

17、换热管直径和长度应符合标准规格。一般小直径管子单位传热面积的金属消耗量小，行传热系数稍高， 但容易结垢，不易清洗，因此，为了提高换热效率，对于较清洁的流体通常选用 直径较小的换热管；而对于粘度较大的或污浊的流体通常选用大直径换热管。本次设计的换热器所走介质比较清洁所以选用小管径换热管25 * 25mm,管长为1924 mm2、换热管材料: 蚀性能选择换热管 材料有碳素钢管、 奥氏体不锈钢焊接 其合金管；非合金 乙烯、塑料等。根据压力、温度、介质的腐 的材料。换热管可采用金属 低合金钢管、高合金钢管、 钢管、铜管、钛管、铝管及 材料有石墨、陶瓷、聚四氟根据本次设计换热器的温度、压力、介质的腐蚀性

18、，所以换热管使用的材料 为20dL21.4*0.025*1.9243、换热管数的计算其中n:换管热管数S:总换热面积d:换热管外径L; 换热管总长度4 、换热管的间距为了便于清洗以及保证连接质量，换热管间必须保证一定的管间距，要求管 间距1.25d，相邻换热管的管间距数值可查标准GB151管壳换热器，根据GB151可查的换热管中心距为 32mm换热管外径d1012141619202225换热管中心距s1314161922252628325、换热管排列方式:换热管在管板上的排列方式主要有正三角形、 转角正三角形、正方形、转角 正方形排列，正三角形和转角正三角形排列紧凑，同样的管板面积上排列的管子

19、 数比正方形多10%左右，同一体积传热面积更大，应用最普遍，但管外不易清洗。 适用于壳程介质污垢少，且不需要进行机械清洗的场合，一般在固定管板式换热 器中多用三角形排列。正方形和转角正方形排列，管间小桥形成一条直线通道，便于机械清洗。 要经常清洗的管子外表面上的污垢，多用正方形排列或转角正方形排列。正三奔雉排列報刨E三貫聊魂m3正三角形排列管子示意图正方搭排列蕎坤亚方巒排列爲体%请方商图4正方形排列管子示盘图本次设计的换热器所走介质为气体并且不需要经常清洗，所以选择的排列形 式为正三角形排列。查GB151知：最外层管壁与壳壁之间的最短距离不小于 8mm。三、筒体壁厚计算与选材C2PCDi0.9

20、85502 163 1 - 0.981.5 二 3.9mmG 二 3.9 0.3 二 4.2mm向上圆整到钢板标准规格厚度, 其中 ;圆筒计算厚度;d圆筒计算厚度焊接接头系数即筒体壁厚为 6mmPc计算压力C 设计温度下筒体材料的许用应力C 2腐蚀裕量四、封头壁厚计算KPcD2 匚-0.5 Pc=3.4mm1 0.98 5502 163 1 -0.5 0.98其中 K椭圆形封头系数，对标准椭圆封头，K =1在同等条件下封头壁厚与圆筒壁厚大致相同， 便于焊接，经济合理。所以封头壁厚为6mm。筒体的校核设计温度下圆筒的最大允许工作压力 Pw2 1e(Dje)2 3.9 163 1(550 3.9)

21、2.3MPa是圆筒的有效厚度 mm设计温度下圆筒的计算应力0.98550 3.92 汇 3.969.6t封头的校核设计温度下封头的最大允许工作压力 Pw(D e)4 3.9 163 1(550 3.9)二 4.6设计温度下圆筒的计算应力 ，Pc D e0.98550 3.94 3.9二 34.8 -第四章、管板与壳体、管箱、换热管的连接一、壳体与管板的连接结构固定管板式换热器的管板与壳体连接为不可拆的焊接式连接，通常有管 板兼做法兰和管板不兼做法兰两种。管板与壳体的连接形式有两种：可拆式与不可拆1、对壳体与管板采用焊接形式连接的，由于设备直径的大小、压力的高低 以及换热介质的毒性或易燃性等，所

22、以必须考虑采用不同的焊接方法及焊接结 构。2、不带法兰的管板与壳体连接形式，目前常用的-其使用压力不大于4MPa 根据设计要求及使用方便，本设计课题选择的是管板兼做法兰，可拆式二、管箱与管板的连接结构管箱与管板的连接形式较多，随着压力的大小、温度的高低以及物料性质、 耐腐蚀情况不同，连接处的密封要求，法兰形式也不同。1、固定管板式换热器的管板兼做法兰，与管箱法兰的连接形式比较简单， 根据工艺要求，选择一定的密圭寸面形式。当管程介质腐蚀或有清洁度要求，管箱采用不锈钢时，这是管板可采用碳钢, 但在管板表面衬36mm厚的不锈钢板。2、可拆式管板，因管束经常需清洗、维修，所以管板与壳体不采用焊接连 接

23、，而做成可拆形式，固定在壳体法兰与管箱法兰之间。三、换热管与管板连接结构管板是换热器的主要部件之一，一般采用圆形平板，在板上开孔并装设换热 管。管板还起分隔管程和壳程空间、 避免冷热流体混合的作用。管板与管子的连 接方式有胀接、焊接、高温高压下常采用胀、焊并用的方式。胀接连接胀接连接，即利用管子与管板材料的硬度差，把胀管器挤压伸入管板孔中的 管子端部，使管端直径变大发生塑性变形，而管板孔只产生弹性变形，这样胀管 撤去胀管器，管板在弹性恢复力的作用下雨管子外表紧紧贴合在一起，达到密封和紧固连接的目的，由于胀接是靠管子的变形来达到密封和压紧的一种机械的连 接方法，当温度升高时，由于蠕变现象的作用可

24、能引起接头脱落或松动，发生泄漏。因此，胀接适用于换热管为碳钢，管板为碳钢或低合金钢，设计压力不超过 4MPa、设计温度不超过 300C，且操作中无剧烈震动，无过大的温度变化及无 明显应力腐蚀的场合。焊接连接焊接连接是将换热管的端部与管板焊在一起，工艺较胀接简单，压力较低时可使用较薄的管板，不受管子和管板材料硬度的限制，且在高温高压下仍能保持 良好的连接效果，所以对于碳钢或低合金钢，大都采用焊接连接，但是焊接连接 在焊接接头处产生的热应力可能造成应力腐蚀开裂和疲劳破裂，同时管子、管板间存在间隙，易出现间隙腐蚀。因此焊接连接不适合于有较大的震动及有间隙腐 蚀的场合。胀焊结合胀接和焊接各有优、缺点，因而目前广泛应用了胀焊结合的方法， 该方法能 提高连接处的疲劳性能，消除应力腐蚀和间隙腐蚀，提高使用寿命。胀焊结合连 接适合于密圭寸性能要求较高的场合；承受震动或疲劳载荷的场合；有间隙腐蚀的 场合；采用复合管板的场合。根据本次换热器设计的需求，本次设计课题选择焊接连接四、折流板的固定方式折流板具有以下两种固定方式：1、拉杆-定距管固定方式，适用于换热管外径19mm的管束，拉杆