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1、1. 绪论换热设备是化工、炼油、食品、轻工、能源、制药机械及其他许多工业部门广泛使用的通用设备。随着工业的发展，换热设备在能量储存、转化、余热回收以及新能源利用和污染治理中得到广泛应用。1.1 换热器的分类 1.1.1 换热器的分类及特点按照传热方式的不同，换热器可分为三类：1.直接接触式换热器；2.蓄热式换热器；3.间壁式换热器.1.2 管壳式换热器的分类及特点管壳式换热器可分为五类：1.固定管板式换热器；2.浮头式换热器3.U形管式换热器；4.填料函式换热器；5重沸器。浮头式换热器的特点浮头式换热器两端管板中只有一端与壳体固定，另一端可相对壳体自由移动，成为浮头。浮头部分是由浮头管板，钩圈
2、与浮头端盖组成的可拆联接，因此可以容易抽出管束，故管内管外都能进行清洗，也便于检修。浮头式换热器的优点是管间和管内清洗方便，不会产生热应力；但其结构复杂，造价比固定管板式换热器高，设备笨重，材料消耗量大，且浮头端小盖在操作中无法检查，制造时对密封要求高。适用于壳体和管束之间壁温差较大的或壳程介质易结垢的场合。2. 换热器的工艺条件与选型2.1 换热器的工艺条件设计条件 壳程 管程工作介质设计压力工作压力设计温度介质特性换热面积 烃 循环水 -0.0781MPa 0.495MPa-0.071MPa 0.45MPa80 60易爆 /782.2 换热器的选型根据换热器流体的性质和各种管壳式换热器的特
3、点，本回收塔冷却器选用浮头式换热器。3. 换热器的零部件结构设计3.1换热管3.1.1 换热管的材料、形式及尺寸.回收塔冷却器采用光管，因为光管加工方便、价格便宜。根据换热流体的性质选用25mm2.5mm长度L=60000mm的20号无缝钢管作为换热管的材料。根据GB151-89表3-11（a）I级换热器换热管外径允许的偏差是250.20管板管孔允许的偏差是。3.1.2 换热管的排列方式及管心距如图所示，换热管在管板上的排列形式主要有正三角形、正方形和转角正三角形、转角正方形。本换热器壳程流体的性质属于易结垢，因此采用转角正方形排列。根据GB151-1989表3-7 规定管心距为S=32mm分
4、程隔板两侧相邻管中心距Sn=44mm。3.1.3 换热管根数根据流体性质选用规格为25mmx2.5mm长L=6m的换热管，换热面积F=78m2则换热管根数 （3-1）考虑到换热过程中有热量的损失和拉杆的布置，实际管数取176根。3.1.4 换热管布管限定圆布管限定圆根据GB151表3-8确定。=6001000，b3,取b=4，取b1=3, b2=bn+1.5=13.5且=6.25,bn10, b2=13.5=600-2（3+13.5+4）=559mm3.1.5 管程数和壳程数及形式管程数有18程几种，常用的为1、2或4管程。本回收塔冷却器采用2管程。壳程一般可分为单壳程换热器、分流式换热器和双
5、分流式换热器，本回收塔冷却器采用1壳程。3.1.6 换热管与管板的连接换热管与管板的连接方法主要有强度胀接、强度焊接和胀焊并用。由于回收塔冷却器壳程介质易爆要求密封性能较高所以采用胀焊并用的连接方法。3.2折流板与支持板设置折流板的目的是为了提高壳程流体流速，增加湍动程度，并使壳程流体垂直冲刷管束，以改善传热，增大壳程流体的传热系数，同时减少结垢。根据本回收塔冷却器的工艺条件和流体性质采用单弓形折流板。3.2.1 折流板的材料的选取壳程设计温度80设计压力Pc-0.0781MPa,根据GB150-1998选取Q235-B钢板为折流板材料。3.2.2 折流板的布置本回收塔冷却器壳程介质为烃，含有
6、少量液体，则在缺口朝上的折流板最低处开设通液口，结构如图3-2a所示。图3-2单弓形折流板缺口弦高h一般取0.200.45倍的圆筒内直径，h=（0.200.45）Di=（0.200.45）600=120170=150.3.2.3 折流板的间距折流板的最小间距应不小于圆筒内直径的五分之一即0.2Di=0.2600=120mm最大间距l不大于圆筒的内直径即Di=600mm，且满足GB151-1989表3-22折流板的最大无支承跨距的要求即折流板的最大无支承跨距是1900mm。根据经验取折流板数量是8块，间距=450。3.2.4 折流板的厚度折流板厚度与壳体直径、换热管无支承长度有关，根据GB151
7、-1989表3-19折流板的最小厚度是5mm取厚度8mm。3.2.5 折流板管孔根据GB151-1989表3-20（a）查的折流板管孔外直径是25.08管孔直径允许的偏差是。3.2.6 折流板与壳体间隙根据GB151-89表3-21选取折流板名义外直径D=DN-4.5=600-4.5=595.5mm折流板外直径允许偏差是-0.8。3.2.7 支持板浮头式换热器的浮头端必须设置支持板，用来支持换热管管束以防止管束产生过大的挠度发生变形。3.3 拉杆、定距杆、拉杆孔3.3.1 拉杆的结构形式折流板与支持板一般均采用拉杆与定距管等元件与管板固定，其固定形式有如下几种：采用全焊接方式；采用拉杆定距管结
8、构；螺纹与焊接相结合；定距螺栓拉杆图3-3 拉杆的结构形式拉杆的参数表拉杆的直径d拉杆螺纹公称直径dn LaLbb拉杆的数量16162060243.3.2 拉杆直径、数量和尺寸拉杆直径和数量：根据GB15189表3-23和表3-24规定，拉杆直径d16mm，拉杆数量最少为4根取5根。拉杆尺寸：拉杆的链接尺寸按GB151-89图3-30和表3-23确定。 拉杆的长度L按需要确定。具体见零件图。3.3.3 拉杆布置拉杆应尽量均匀布置在管束的外边缘，对于大直径的换热器，在布管区内或靠近折流板缺口处应布置适当数量的拉杆，任何折流板应不少于3个支承点。3.3.4 拉杆孔拉杆孔深度等于拉杆孔直径，拉杆孔直
9、径按下式确定： =16+1=17mm式中：拉杆直径，mm； 拉杆孔直径，mm。拉杆与管板螺纹连接的拉杆螺纹结构见图见下图 , 螺纹深度按下式确定： 式中：螺孔深度，mm； 拉杆螺孔公称直径，mm。图3-4 螺纹连接的拉杆孔3.4 防冲板与导流筒3.4.1 防冲板为了防止壳程物料进口处水蒸气对换热管表面的直接冲刷，引起侵蚀及振动，在流体入口处装置防冲板，以保护换热管。根据GB151-89规定，防冲板在壳体内的位置，应使防冲板周边与壳体内壁所形成的流通面积为壳程进口接管截面积的11.25倍。3.4.2 导流筒导流筒作用是增加换热管的有效换热长度，提高换热效率，在换热器壳程进出料口距管板较远时，流体
10、在管板附近易产生死区，影响传热，为减少流体的停滞区可设置导流筒来实现。一般分为内导流筒和外导流筒：根据换热器流体的流速和性质，需要设置导流筒，具体结构见零件图。3.5 接管3.5.1 接管外伸长度接管外伸长度也叫接管伸出长度，是指接管法兰面到壳体外壁的长度。可按下式计算：式中：接管外伸长度，mm 接管法兰厚度，mm 接管法兰的螺母厚度，mm 保温层厚度，mm除按上式计算外，接管外伸长度也可按相关标准的数据选择，取为150mm。3.5.2 接管与筒体、管箱壳体的连接（1）结构型式：接管与壳体、管箱壳体（包括封头）连接的形式，可采用插入式焊接结构，一般接管不能凸出与壳体内表面。（2）开孔补强计算：
11、具体过程见强度计算。3.6 管箱3.6.1 管箱结构形式管箱分为A型、B型和C型，由于B型用于单程或多程管箱，优点是结构简单，便于制造，适于高压，清洁介质，且椭圆封头受力情况要比平端盖好的多，缺点是检查管子和清洗管程时必须拆下连接管道和管箱。本换热器由于压力不高，所以采用B型管箱。3.6.2 分程隔板根据GB151-89表3-1规定，PN600时，碳素钢和低合金钢材料的隔板厚度不小于8mm，高合金钢材料的隔板厚度不小于6mm，本装置采用Q235-B，厚度取8mm。3.7 管板结构尺寸3.7.1 管板厚度计算 符号说明：在布管区范围内，因设置隔板槽和拉杆结构的需要，而未能被换热管支承的面积，对正
12、方形排列，;隔板槽一侧的排管根数；换热管中心距；隔板槽两侧邻管的中心距；管板布管区面积，；对多管程正方形排列换热器，;管板布管区内开孔后的面积，；;根换热管管壁金属的横截面积，固定端管板垫片压紧力作用中心圆直径，；根据所选的垫片的尺寸，且选择其压紧面型式为GB150表9-1的1a，可知密封面宽度管板布管区当量直径，；换热管外径，设计温度时，管板材料的弹性模量，；设计温度时，换热管材料的弹性模量，；系数，按和查GB151图24；管束模数，； 管束无量纲刚度，Mpa；换热管有效长度（两管板内侧间距），；换热管与管板胀接长度或焊脚高度，；换热管根数；无量纲压力；当量压力组合,；管板设计压力，；壳程设
13、计压力，；管程设计压力，；换热管与管板连接拉脱力,；许用拉脱力，查GB151，；系数，；管板计算厚度，；换热管管壁厚度，；管板刚度削弱系数，一般可取值；管板强度削弱系数，一般取；系数；换热管轴向应力，；换热管稳定许用压应力，；设计温度时，管板材料的许用应力，；设计温度时，换热管材料的许用应力；管板名义厚度计算：； ； ； ； ； ； ； ； 查GB150可知， 则 ；式中L应为换热管的有效长度，但由于管板厚度尚未计算出，暂估算管板厚度为40mm进行试算，待管板厚度算出再用有效长度核算，。；当中的的计算如下： ； ；查GB151-1999可知，则，同时由于前面换热管的材料选为20号钢，故, ；由于此时不能保证与在任何时候都同时作用，则取；故，故；根据=4.32和查GB151图可知，则管板计算厚度为： ；根据GB151-89表3-6管板的最小厚度，取管板的名义厚度应不小于下列三部分之和，即式中Cs和Ct分别是指壳程、管程的腐蚀裕量；而h1是指壳程侧管板结构槽深，为0；h2是指管程隔板槽深，为4mm。此时应根据得到的管板名义厚度，重复以上步骤，使得管子有效长度对应于管板厚度。重复以上步骤的管板的名义厚度是。3.7
