換熱器的設計說明書

1、換熱器的設計換熱器概述 換熱器是化工、石油、動力、食品及其它許多任務業(yè)部門的通用設備，在生 產(chǎn)中占有重要地位。 換熱器種類很多， 但根據(jù)冷、 熱流體熱量交換的原理和方式 基本上可分三大類即：間壁式、混合式和蓄熱式。在三類換熱器中，間壁式換熱 器應用最多。換熱器隨著換熱目的的不同， 具體可分為加熱器、 冷卻器、蒸發(fā)器、 冷凝器，再沸器和熱交換器等。 由于使用條件的不同， 換熱設備又有各種各樣的 形式和結構 。換熱器選型時需要考慮的因素是多方面的，主要有 : 熱負荷及流量大??； 流體的性質； 溫度、壓力及允許壓降的范圍； 對清洗、維修的要求； 設備結構、材料、尺寸、重量； 價格、使用安全性和壽命；

2、 按照換熱面積的形狀和結構進行分類可分為管型、板型和其它型式的換熱 器。其中，管型換熱器中的管殼式換熱器因制造容易、生產(chǎn)成本低、處理量大、 適應高溫高壓等優(yōu)點，應用最為廣泛。管型換熱器主要有以下幾種形式：（ 1）固定管板式換熱器： 當冷熱流體溫差不大時， 可采用固定管板的結構型 式，這種換熱器的特點是結構簡單，制造成本低。但由于殼程不易清洗或檢修， 管外物料應是比較清潔、 不易結垢的。 對于溫差較大而殼體承受壓力較低時， 可 在殼體壁上安裝膨脹節(jié)以減少溫差應力。（ 2）浮頭式換熱器： 兩端管板只有一端與殼體以法蘭實行固定連接， 稱為固 定端。另一端管板不與殼體連接而可相對滑動，稱為浮頭端。因此

3、，管束的熱膨脹不受殼體的約束，檢修和清洗時只要將整個管束抽出即可。適用于冷熱流體溫 差較大，殼程介質腐蝕性強、易結垢的情況。（3）U形管式換熱器換：熱效率高，傳熱面積大。結構較浮頭簡單，但是管程不易清洗，且每根管流程不同，不均勻。表1-1換熱器特點一覽表分類管式管殼式名稱特性固定管板式剛性結構用于管殼溫差較小的情況（一般W 50。C）,管間不能清洗帶膨脹節(jié)：有一定的溫度補償能力，殼程只能承受較低的壓 力浮頭式管內(nèi)外均能承受高壓，殼層易清洗，管殼兩物料溫差120C；內(nèi)墊片易滲漏U型管式制造、安裝方便，造價較低，管程耐壓高；但結構不緊湊、 管子不易更換和不易機械清洗填料函式內(nèi)填料函：密封性能差，只

4、能用于壓差較小場合外填料函：管間容易泄露，不易處理易揮發(fā)、易爆易燃及壓力較咼場合釜式殼體上都有個蒸發(fā)空間，用于蒸汽與液相分離套雙套結構比較復雜，主要用于高溫高壓場合或固定床反應器中管式管式套管式能逆流操作，用于傳熱面積較小的冷卻器、冷凝器及預熱器板式板式拆洗方便，傳熱面能調(diào)整，主要用于粘性加大的液體間換熱螺旋板板制造簡單，緊湊，可用于帶顆粒物料，溫位利用好；不易檢修傘板式制造簡單、緊湊、成本低、易清洗，使用壓力不大于，使用 溫度不大于150 C板殼式板數(shù)類似管束，可抽出清洗檢查，壓力不能太高蓄熱式回旋式盤式傳熱效率咼，用于咼溫煙氣冷卻等鼓式用于空氣預熱器等固定格室式緊湊式適用于低溫到高溫的各種

5、條件非緊湊式適用于咼溫及腐蝕性氣體場合表 面 擴 展 式板翅式緊湊、效率高?？啥喙晌锪魍瑫r換熱，使用溫度不大于150C, 主要用于粘性加大的液體間換熱管翅式咼效而緊湊，換熱面積大，傳熱效果好在過程工業(yè)中， 由于管殼式換熱器具有制造容易， 生產(chǎn)成本低，選材范圍廣， 清洗方便，適應性強，處理量大，工作可靠，且能適應高溫高壓等眾多優(yōu)點，管 殼式換熱器被使用最多。工業(yè)中使用的換熱器超過 90%都是管殼式換熱器，在工 業(yè)過程熱量傳遞中是應用最為廣泛的一種換熱器。結合上述優(yōu)點和本工藝的特 點，本工藝的換熱器主要選用管殼式換熱器。管殼式換熱器的選用結構參數(shù)的確定管徑 管徑越小換熱器越緊湊、便宜，但壓力降會增

6、加。為了滿足允許的壓降，一 般選用19m的管子；對于物流流量較大的，采用25mm以上的管子。管長無相變傳熱時， 管子長則換熱系數(shù)增加， 對于相同的換熱面積， 管子長則管 程數(shù)減小， 使得壓力降減小， 每平方米傳熱面積比降低。 我國生產(chǎn)的標準鋼管長 度為6m,故系列標準中管長有 m, 2 m, 3 m, 6 m和9 m五種。因此，一般管長取 4-6m,對大面積，無相變換熱器管長可取至 89m管子配布換熱管在管板上的排列方式主要有正三角形、 正方形和轉角正三角形、 轉角 正方形。正三角形排列形式最為普遍, 由于管距都相等, 可以在同樣的管板面積 上排列最多的管數(shù)。 但因管外不易清洗, 其適用場合受

7、到限制, 主要適用于殼程 介質污垢少, 且不需要進行機械清洗的場合。 而采用正方形和轉角正方形排列的 管束,能夠使管間小橋形成一條直線通道,便于管外機械清洗。管心距 管心距小設備緊湊,但將引起管板增厚、清潔不便、殼程壓降增大。故一般 選用范圍為（d為管外徑）表1-2 換熱管管心距換熱管外徑/mm19253238換熱管中心距/mm25324048分程隔板槽兩側相鄰管中心距/mm38445260管程數(shù)管程數(shù)增加，管內(nèi)流速增加，傳熱系數(shù)增加。管程數(shù)一般有 1、2、4、6 8、 10、12等七種。但管程數(shù)不能分得太多，以免壓力降過大，且隔板要占用相當大 的布管面積。折流板折流板可以改變殼程流體的方向，

8、使其垂直于管束流動，提高流速，從而增 加流體流動的湍流程度，獲得較好的傳熱效果。折流板型式可分為圓缺形(弓形) 折流板、盤環(huán)形折流板、孔式折流板和折流圈。表1-3折流板間距常用數(shù)值管長(mm)折流板間距(mm) 30001002003004506004500600015006000150200300450600 Pith 25Tube lype FlainW/m Mateiial Carbcri Steel| Iute pdhan3(-1；SHII OrbonSttel10 7500D 77Shall coverCarbon Steel1 jChanrel or bmnetCarbon Ste

9、elChinrwl ccvirCarbon Steel賓T Lbfisheetjstatiorar5* Carbon 5teeT ubesheebfloatiigOrbonStfisI41Floating hed coer Carbon SteelImpingerrenl proiectcm More4tE訓e-ciossihg Cartch SteelT邛e SinqlesjementalCutffed 35.15H Spacing c/z 5254/Biffle-lorig-S&al IvP*| Intel466.40nm4cSuppcrts-tubeU-bendTypeBypass se

10、alTube-tubesheet johtExp.51：Eipansion |oint-Type MunQ51FihoVE-Inlet noEEb1714Eunde entraice 963Bundle2394kg/|m sGesketJ - Sh? II sideFlat Meta Ja?kei FieTube SideFa Metal Jacket FibeFfcatiin headFlat M eta J a:ke FieCode laquirementsASME Cede sac VIII Div 1-EMAdass R - efineru serviceWaiit/5hell5229

11、7Filed with tar 7758.EBundle?974.1頁Remiks57圖1-1換熱器工藝參數(shù)結構設計利用Aspen Exchanger Design & Rating 軟件也可以對換熱器進行結構設計,模擬出來的結果如下: 換熱管設計T ubssbpePlainTotal numhei5140 utside diameterm m19Number of tubes pluggedCInside diametermm15Tube length actualmm5850Wall thicknessmm2Tub# length effectivemm5S56Area ratio Ao/

12、Ai1.27Tubesheet thickn已當乞iriim44.52Pitchmm25MdtcridCarbon S 鬭Pattern30Thermal ooncluctivitvW/(m IQ507945E wternal enhancementInternal enhancement圖1-2換熱管基本參數(shù)產(chǎn) =4” i -壬nAKT-ETLSPrif 二MbLi-LTucaORHn*Tuu.Em-.MbHU*-.TJtaMJbriunC-l : E1A.V44tin.MA!* mKHi Sfc|-jr-s STZ lTuLOIiZRH-J:A 4 ”MBiTAsgwr 湖li 星 Tuo

13、e一 -n-Mr JW Lfl/wJEh寺孟MS jhlC ujaraHb -q -rnoei*. XMiJ. | x 即1 ns I圖1-3換熱管排列方式換熱管為平滑管，外徑19mm壁厚為2mm管間距為25mm管長5850mm換熱管根數(shù)514根。管子排列方式為正三角形排列。 折流板和管口設計折流板的設置主要是為了提高殼程的流速， 增加擾動，改善傳熱。這里選擇 單弓形折流板，并且圓缺方向的高度為殼體公稱直徑的， 折流板間距一般不小 于圓筒內(nèi)徑的1/5。折流板的數(shù)目及厚度等基本參數(shù)見圖1-4所示BafflesTypeSina tegmentalBaffle cut: me r i outer i

14、 intermT utMBS in windcwyYesActual 1( diameter)/3915 /Number10Nominal (Z diameter)/40 /S pacing (centet center)mm525Actual (Z area)/36.3 /Spacing 貳 inletmm46&48Cut orientationHSpacing at outletmmThickneismm9.52Spacing at central inZod for GHJ J sheikmmTube ioivs in biffb overlapSS pacing at center o

15、f H shellmmTube idws in baffle window11.5E nd lergHi 朮 front headmm514Baffle hole - tube oddiam cleararicemm.4E nd lenglh al real headmm611Shdl id - bdffla od diam clearancemim4.76圖1-4折流板基本參數(shù)折流板數(shù)目為6,折流板型式為單弓形，切割率為 %折流板朝向為水平，與進出口間隔（第一塊與進口或最后一塊與出口端面的距離）為，兩塊板間隔為。ShelSboTube SideNojcle typeInletOutletIn

16、letOutletNumber of no胡倚1111Actual outside diametermn323.85273 05168.28168.28In?ide diameter304.S254.51154.0515.05Height under rudemm110.9445.99圖1-5管口基本參數(shù)管程進、出口管口各有一個。其中，管程進口管口外徑為，內(nèi)徑；管程出口 管口外徑，內(nèi)徑。殼程進、出口管口亦各有一個，殼程進口管口外徑為，內(nèi)徑； 殼程出口管口外徑，內(nèi)徑。 管束Shell ID to center 1 st tube rowmmTube passes4From top45.99Tub

17、elayoutMined (H)From bottom110.94Tube pa$ oriantalionnda(d (hcxizontlFrom right71.47U-bend oiienAationundefinedFrom Left71.47Hariontal pass lane widthmm19,05Impingenwnt protectionNoneVertical p$ lane widthmm105Impingernent distancemmInteiipass tube alignmentNoInnpingenient plate diameteimmDeviationi

18、 in tubes/pasS.56ImpingerrwntwidthmmOuter tube limitmm619Impinjement plate lengUimmShell id - bundle oil diam clearancemm131Impingemeri plwtg thickre?mmTie nod nunberEGrots surface ana par shellm?179.5Tia rad cfiamotsmm127E ffective suiface area per shellm?173.6Sealing strips (iwirsj3Bare tube area

19、per shellm?173.6Tube to tub&she皂t jointExp,Finned area p&r sFiellm?0Tube poiecHon from front hhtmm3U-bonderea per shelm?0Tube pcojeclion from lean tshtmm3圖1-6管束基本參數(shù)如圖為管束信息，主要對管束布置、布置限定、定位桿拉桿和管束布置圖進行詳細設置It Ij&e刑 MinbiirVgT*F.E/hk-J-gWuZ-3-a-=I3=*3I-T：4.二 i JI仲亠flitt!/*C 1ihLlari丄LWa i i-i* 芳 f ibd6ar

20、nj.fi t結論合格表1-9前端管箱封頭計算前端管箱封頭計算結果計算單計算條件計算壓力Pc設計溫度t內(nèi)徑D曲面咼度hi材料Q235-B (板材試驗溫度許用應力設計溫度許用應力位全國化工設備設計技術中心站橢圓封頭簡圖MPaCmm8n.mm廠!) rTt rMPa1-*| 1MPat鋼板負偏差Cmm腐蝕裕量C2mm焊接接頭系數(shù)厚度及重量計算形狀系數(shù)2K = 1Di=2 62h計算厚度KPcDi=2 t 0祀=mm有效厚度e =n - C- C 2=mm最小厚度min mm名義厚度n =mm結論滿足最小厚度要求重量Kg壓力計算最大允許工作壓力2 tePq=KDi 0.5 e =MPa結論合格表1-

21、10后端管箱筒體計算后端管箱筒體計算結果計算單位全國化工設備設計技術中心站計算條件筒體簡圖計算壓力PcMPa1設計溫度tC)i r-J內(nèi)徑Dmm材料Q235-B (板材)試驗溫度許用應力MPa設計溫度許用應力MPa試驗溫度下屈服點sMPa鋼板負偏差C1mm腐蝕裕量C2mm焊接接頭系數(shù)厚度及重量計算計算厚度Pc Di=2 tPc =mm有效厚度e =n -Cl- C 2=mm名義厚度n =mm重量Kg壓力試驗時應力校核壓力試驗類型液壓試驗試驗壓力值Pt =冷=（或由用戶輸入）MPa壓力試驗允許通過的應力水平TTs =MPa試驗壓力下圓筒的應力T =Pt (Dje)=2 e.MPa校核條件TT校核

22、結果合格壓力及應力計算最大允許工作壓力2 e F Pw=(D.e)=MPa設計溫度下計算應力tPUD.e)=2 e=MPatMPa校核條件t t結論合格表1-11后端管箱封頭計算后端管箱封頭計算結果計算單計算條件計算壓力Pc設計溫度t內(nèi)徑D曲面咼度hi材料Q235-B (板材試驗溫度許用應力設計溫度許用應力t鋼板負偏差C腐蝕裕量C2焊接接頭系數(shù)厚度及重量計算形狀系數(shù)2K = 1 cDi=_ 2 62h計算厚度KPcDi=2 t0.5Pc位全國化工設備設計技術中心站橢圓封頭簡圖MPaCmmmm)MPaMPali-mmmm=mm有效厚度e =n C- C 2=mm最小厚度min mm名義厚度n =

23、mm結論滿足最小厚度要求重量Kg壓力計算最大允許工作壓力2 t e Pwl=KDi 0.5 e =MPa結論合格表1-12筒體計算浮頭式換熱器筒體計算結果計算單位全國化工設備設計技術中心站計算條件筒體簡圖計算壓力Pc設計溫度t內(nèi)徑D材料試驗溫度許用應力設計溫度許用應力試驗溫度下屈服點鋼板負偏差C腐蝕裕量C2焊接接頭系數(shù)MPaCmmQ235-B （板材）MPaMPaMPammmm厚度及重量計算計算厚度Pc Di=2 tPc =mm有效厚度e =n -C- C 2=mm名義厚度n =mm重量Kg壓力試驗時應力校核壓力試驗類型液壓試驗試驗壓力值Pt =冷=（或由用戶輸入）MPa壓力試驗允許通過的應力

24、水平TTs =MPa試驗壓力下圓筒的應力T =pT .( Die)=2 e.MPa校核條件TT校核結果合格壓力及應力計算最大允許工作壓力 2 e Pw=(Die)=MPa設計溫度下計算應力tPc(Die)=2 e=MPatMPa校核條件結論合格表1-13筒體法蘭計算筒體法蘭計算結果計算單位全國化工設備設計技術中心站設計條件 設計壓力pMPa計算壓力PcMPa設計溫度t軸向外載荷F外力矩M材料名稱Q235-B許用應力MPa材料名稱16MnffMPa材料名稱b兒公稱直徑d b螺栓根徑d 1數(shù)量n結構尺mm材料類型DbLe壓緊面形狀b 40MnB28墊片DOMPaMPaMPammmm1a,1bb =

25、.巾0b0螺栓受力計算預緊狀態(tài)下需要的最小螺W= n bDG簡 * 一/y(MPa)DGDG= ( D卜+D內(nèi) )/2DG= D 卜-2 bN栓載荷w操作狀態(tài)下需要的最小螺栓載荷WW = Fp+ F =N所需螺栓總截面積AmAm = max ( Ap , A)=2 mm實際使用螺栓總截面積AA = n _ df =42 mm力矩計算操Fd = d2NLd= l a+ S 1mmM= F d Ld作Fg = FpNLg= (Db -J )mmM= F g LgMFt = F- FdNLt=( La +1+ Lg )mmM= Ft Lt外壓：M = Fd(Ld - Lg)+ Ft( Lt- Lg)

26、;內(nèi)壓：M = M+M+MM=.0預緊MW=NLg =mmM=W_g = .0計算力矩M0= M與M /f中大者M = .0螺栓間距校核實際間距l(xiāng)旦=nmm最小間距Lmin(查 GB150-98表 9-3)mm最大間距L maxmm形狀常數(shù)確定h0 yDi 0h/h =K = O/D1 =由K查表9-5得T=1=整體法蘭查圖9-3和圖Fi =V=eFi ho松式法蘭9-4查圖9-5和圖9-6Fl=Vl=e Fl/ho整體法蘭查圖9-7diUhoVi松式法di U ho 2Vldi由l/ 0得/T剪應力校核許用值預緊狀態(tài)W1 DilMPa108 n操作狀態(tài)Wp2 DilMPat20.8 n輸入法

27、蘭厚度S f= mm時,法蘭應力校核應力性質許用值軸向fM o12DiMPa應力1.5；i.5 n=（按整體法蘭設計意式法蘭，取校核合格徑向應力(1.33 f e 1)MoR 2-f DiMPa；=校核合格切向應力MoYZT2Z Rf DiMPa；=校核合格綜合應力maX 0.5( hr),0.5( ht)MPa；=校核合格法蘭校核結果校核合格表1-14后端筒體法蘭計算后端筒體法蘭計算結果計算單位 全國化工設備設計技術中心站設計條件設計壓力pMPa計算壓力PcMPa設計溫度tC軸向外載荷FN外力矩M殼材料名稱Q235-B體許用應力IMPa法材料名稱16Mn簡 圖許fMPa、人應fMPa材料名稱

28、40MnB螺許bMPa應；MPa栓公稱直徑d bmm螺栓根徑d imm數(shù)量n28個DDO墊結構尺寸DbD卜D內(nèi)3 0mmLeLah31材料類型軟墊片Nmy(MPa)壓緊面形狀1a,1bbDG片bob =拓bo Da= D 卜-2 b螺栓受力計算預緊狀態(tài)下需要的最小螺栓載荷WW= n bDG y =N操作狀態(tài)下需要的最小螺栓載荷WW = Fp+ F =N所需螺栓總截面積AmAm = max (A , Aa )=2 mm實際使用螺栓總截面積 AbAb =.2 =rndi42 mm力矩計算操Fd = D2NLe= L a+ 3 1mmM= Fd Ld=.0作Fg = FpNLg= (Db - DG

29、)mmM= Fg LgMFt = F-FdNLt=( La +1 + Lg )mmM= Ft Lt外壓：M = Fd ( Ld - Lg )+ Ft( Lt- Lg );內(nèi)壓：M = Md+MG+MTm = .0預緊MW=NLg =mmM=WLg = .0計算力矩M0= M與M /f中大者M = .0螺栓間距校核實際間距LDb=nmm最小間距Lmin(查 GB150-98表 9-3)mm最大間距L maxmm形狀常數(shù)確定ho Di oh/h =K = dj/d i =1：0由K查表9-5得T=Z =Y =1=整體法蘭查圖9-3和圖9-4Fi =V =e F|/l%松式法蘭查圖9-5和圖9-6F

30、l=e Fdho查圖9-7由i/得f =整體法蘭d1 Uho 0 vi松式法蘭d U h 2d1 0 0 vl3 _f_ d1書=S f e+1= /T(fe 13 f=剪應力校核計算值許用值結論預緊狀態(tài)W1DilMPa108n操作狀態(tài)Wp2DilMPa20.8n輸入法蘭厚度S f= mm時,法蘭應力校核應力性質計算值許用值結論軸向應力fM oH212DiMPa1.5；=或2.5】n =（按整體法蘭設計的任意式法蘭，取1.5】n）（校核合格徑向應力(1.33 f e 1)MoR 2、f DiMPa；=校核合格切向應力MoY ZT2Z RfDiMPa；=校核合格綜合應力ma* 0.5( hr),

31、0.5( ht)MPa：=校核合格法蘭校核結果校核合格表1-15前端管箱法蘭計算前端管箱法蘭計算結果計算單位全國化工設備設計技術中心站設計條件簡冬片bob =v bobo DG= D 卜-2 b壓緊面形狀1a,1bbDG螺栓受力計算設計壓力pMPa計算壓力PcMPa設計溫度t軸向外載荷F外力矩M材料名稱Q235-B許用應力nMPa材料名稱16Mnff材料名稱40MnBMPaMPab；MPa公稱直徑d b螺栓根徑d 1數(shù)量n結構尺寸DbmmLe材料類型28軟墊片DOMPammmmaay(MPa)預緊狀態(tài)下需要的最小螺栓W= n bDG y =N載荷W操作狀態(tài)下需要的最小螺栓Wp = Fp + F

32、 =載荷W所需螺栓總截面積AmAm = max ( A , A)=2 mm實際使用螺栓總截面積 AbA =n_d2 =42mm力矩計算操Fd = d2NLd= L a+ S 1mmMD= F d Ld作Fg = FpNLg= (Db - DG )mmM= Fg LgMFt = F-FdNLt=( La +1 + Lg )mmM= Ft Lt外7卜壓：M = Fd ( Ld - Lg )+Ft(Lt-Lg )；內(nèi)壓：MP= Md+MG+MMP = .0預緊MW=NLg =mmM=WLg = .0計算力矩M0= M與M /f中大者M = .0螺栓間距校核實際間距LDb =nmm最小間距Lmin(查

33、 GB150-98表 9-3)mm最大間距L maxmm形狀常數(shù)確定h0 pDi h/h o =K = D)/D I =1/0由K查表9-5得T=Z =丫 =U=整體法蘭查圖9-3和圖9-4Fi =V=e Fi.； ho松式法蘭查圖9-5和圖9-6Fl=Vl=eFl/ ho查圖9-7由 1 o得f =整體法蘭d1壯Ovi松式法蘭d1 U ho OVl3fd1書=S f e+1= /T4-f e 13=剪應力校核計算值許用值結論預緊狀態(tài)WDilMPa10.8n操作狀態(tài)Wp2DilMPat20.8n輸入法蘭厚度S f= mm時,法蘭應力校核應力性質計算值許用值結論軸向應力fM oH212DiMPa1.5；=或2.5】n =（按整體法蘭設計 的任意式法蘭，取1.5】n ）（校核合格徑向應力(1.33 f e 1)M0R 2、f DiMPa；=校核合格切向應力MoYzT2 Z Rf DiMPa；=校核合格綜合應力maX 0.5( hr),0.5( ht)MPaf =校核合格法蘭校核結果校核合格表1-16后端管箱法蘭計算后端管箱法蘭計算結果計算單位