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1、摘要本设计是双管程固定管板式换热器，是目前应用较为广泛的换热器。固定管板式换热器的优点是：结构简单、紧凑，能承受较高的压力，造价低，管程清洗方便，管子损坏时易于堵管或更换；这种换热器使用于壳侧介质清洁且不宜结垢，并能进行清洗管束，壳程两侧温差不大或者温差较大但壳侧压力不高的场合。本台换热器主要完成的是甲醇蒸汽、水蒸气-水之间的热量交换，设计压力为管程0.6MPa，壳程0.6MPa，工作温度管程进/出口32/42，壳程进出口91.86/86.4，设计温度管程60，壳程150，管程介质为0.4MPa的水，壳程介质主要为0.1MPa的甲醇蒸汽（85%）与水蒸气（15%）的混合物，传热面积为158m2
2、，采用252.54500的无缝钢管换热，则可计算出446根换热管，DN=800mm的圆筒。本台换热器的管板延长兼做法兰，管板与换热管的连接方式为焊接，因管板上的应力较多，且内外温度有一定的差值，因此，对管板强度的校核是一个重点，也是一个难点，本文按照弹性支撑假设对管板进行设计和校核的。关键词： 换热管； 固定管板； 温差应力AbstractThis design is about fixed plate heat exchanges. At present this exchanges are most used.The advantages of the fixed tube-shell e
3、xchanged: The exchanged can bear high press; the price of making is low; Structure is simple and compacted; we can wash the tubes easily; we can change the broken tubes conveniently. The foremost shortcoming of the fixed tube-shell exchanged is the heats tress between the shell and the tubes is very
4、 large. This exchanged is mainly completed the heat exchange from hot water steam to water. The design pressure of the tube-side is 0.6MPa. The design pressure of the shell-side is 0.6MPa. The work temperature of the import and export of the tube-side is 32/42.The work temperature of the import and
5、export of the shell-side is 91.86/86.4. The design temperature of the tube-side is 60.The design temperature of the shell-side is 150.The fluid of the tube-side is 0.4MPa water and the fluid of the shell-side is 0.1MPa methyl alcohol（85%）steam and water steam（15%）. The area for exchanging heat is 15
6、8.The heat exchanged used the tube 252.54500.We can work that this is heat exchanged consist of 446tubes and the DN of shell is 800mm.We weld the tube to the plate because there has a stress between the tube-side and shell-side that is really difficult to work out. The tube plate is designed and che
7、cked based in elastic supporting assumption.Keywords: heat exchange tube； fixed tube sheet； thermal stress目 录第一章换热器综述 11.1 换热器的概述 11.2 管壳式换热器的分类 1 1.2.1 固定管板式换热器 1 1.2.2 浮头式换热器 2 1.2.3 U形管换热器 2 1.2.4 填料函式换热器 21.3 换热器设计方案的原则 3 1.3.1 满足工艺和操作的要求 3 1.3.2 满足经济上的要求 3 1.3.3 保证安全生产 31.4 换热器管结垢及除垢 3 1.4.1 手工
8、或机械方法 4 1.4.2 冲洗法 4 1.4.3 化学除垢 41.5 换热器泄漏后如何进行试漏检查及堵管 41.5.1 试漏检查 4 1.5.2堵管 41.6 换热器腐蚀的主要部位及腐蚀原因 5 1.6.1 换热器腐蚀的主要部位 5 1.6.2 腐蚀原因如下 51.7 换热器的发展前景 5第二章换热器传热工艺计算 72.1 原始数据 72.2 定性温度及确定其物性参数 72.3 传热量与水流量计算 82.4 有效平均温差计算 92.5 管程换热系数计算 102.6 结构的初步设计 112.7 壳程换热系数计算 112.8 传热系数计算 132.9 管壁温度计算 132.10 管程压力降计算
9、142.11 壳程压力降计算 15第三章固定管板式换热器结构设计计算 173.1 换热管材料及规格的选择和根数的确定 173.2 布管方式的选择 173.3 筒体内径的确定 173.4 筒体壁厚的确定 183.5 管箱短节壁厚的计算 193.6 筒体水压试验 193.7 封头厚度的确定 203.8 管箱水压试验 203.9 容器法兰的选择 203.10 管板尺寸的确定及强度计算 213.11 是否安装膨胀节的判定 313.12 防冲板尺寸的确定 323.13 折流板尺寸的确定 323.14 各管孔接管及其法兰的选择 323.15 开孔补强计算 353.16 鞍座 择及应力校核 38总结 42参
10、考文献 43致 谢 44沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第一章 换热器综述第一章 换热器综述换热器是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，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递不可缺少的设备。在石油、化工、轻工、制药、能源等工业生产中，常常需要把低温流体加热或者把高温流体冷却，把液体汽化成蒸汽或者把蒸汽冷凝成液体。1.1 换热器的概述换热器在石油、化工、动力、能源、轻工、核能、食品等行业有着广泛的应用，其中管壳式换热器最为广泛。在化工生产的工艺过程中，各种传热单元，如：加热、蒸发、冷凝等。换热器是一种将热量从高温流体传递到低温流体的工艺设备。在化工厂中换热设备的投资约占总的投
11、资的10%20%，在炼油厂中约占总投资的35%40%。随着经济的发展，各种不同型式和种类的换热器发展很快，新结构、新材料的换热器不断涌现。为了适应发展的需要，我国对某些种类的换热器已经建立了标准，形成了系列。换热器的应用广泛，日常生活中取暖用的暖气散热片、汽轮机装置中的凝汽器和航天火箭上的油冷却器等，都是换热器。它还广泛应用于化工、石油、动力和原子能等工业部门。它的主要功能是保证工艺过程对介质所要求的特定温度，同时也是提高能源利用率的主要设备之一。换热器既可是一种单元设备，如加热器、冷却器和凝汽器等；也可是某一工艺设备的组成部分，如氨合成塔内的换热器。1.2 管壳式换热器的分类管壳式换热器是把
12、换热管与管板连接，再用壳体固定的一种换热器。根据管板和壳体的连接方式，管壳式大致可将其分为：固定管板式、浮头式、U型管式、填料函式等几种。1.2.1 固定管板式换热器固定管板式换热器两端管板采用焊接方式与壳体连接。由于结构简单、紧凑、制造成本低，能得到最小的壳体内径，管程可分为多程，壳程也可分为双程，规格范围广，故在工程中广泛应用。该换热器的缺点是壳程清洗困难，管壳程间有温差应力存在，当热冷流体温差较大时，需在壳体设置膨胀节。固定管板式换热器适用于介质清洁，不易结垢，以及温差不大或温差虽大但壳程压力不高的场合。1.2.2 浮头式换热器浮头式换热器只有一端管板与壳体固定，而另一端的管板壳在壳体自
13、由浮动。这种换热器最大的优点是解除了壳体与换热管之间的相互约束，管束和壳体间不产生温差应力，因而可适用于温差较大的场合。浮头端设计成可拆结构，使管束能容易地插入或抽出壳体，这样为检修、清洗提供方便。但是该换热器结构复杂，而且浮头端小盖在操作时无法判断泄露情况，因此在安装时要特别注意其密封。1.2.3 U形管换热器换热器是将换热管弯曲成U型，换热管的两端固定在同一块管板上。该换热器由于壳体与换热管相互之间不产生相互的约束，因此不会产生由于热变形不同而产上的温差应力。该换热器由于只有一块管板，且无浮头，故结构简单，造价低。由于管束可以从壳体内抽出，换热管的外壁便于清洗，但换热管内清洗困难，因此换热
14、管内应走清洁且不易结垢的物料。该换热器的缺点是由于管束中心存在空隙，液体易短路，影响传热效率。同时一旦换热管出现问题，更换非常困难，只能采用堵死的方法，这将造成传热面积的损失。该换热器由于结构简单，特别适用于高温高压的场合。1.2.4 填料函式换热器填料函式换热器是又一种为消除管子与壳体间热变形的不同而发展起来的固定管板式换热器，该换热器适用于壳程压力不高、介质腐蚀严重、 温差大而经常需要更换管束的场合。从结构上说它具有浮头式换热器的优点，又克服了固定管板式换热器的缺点，结构简单，制造方便，易于清洗。但由于填料的密封效果较差，因此该换热器不适宜于操作压力和温度过高的场合，壳程内不适宜于走易挥发
15、、易燃、易爆、有毒及贵重介质。1.3 换热器设计方案的原则1.3.1 满足工艺和操作的要求设计出来的流程和设备首先要保证质量，操作稳定，这就必须配置必要的阀门和计量仪表等，并自确定方案时，考虑到各种流体的流量，温度和压强变化使采取什么措施来调节，而在设备发生故障时，维修应方便。1.3.2 满足经济上的要求 在确定某些操作指标和选定设备型式以及仪表配置时,要有经济核算的观点,既能满足工艺和操作要求,又使施工简便,材料来源容易,造价低廉。如果有废热可以利用,要尽量节省热能,充分利用,或者采取适当的措施达到降低成本的目的。1.3.3 保证安全生产在工艺流程和操作中若有爆炸、燃烧、中毒、烫伤等危险性,就要考虑必要的安全措施。又如设备的材料强度的演算,除按规定应有一定的安全系数外,还应考虑防止由于设备中压力突然升高或者造成真空而需要装置安全阀等。以上提到的都是为了保证安全生产所需要的。设计方案也可能一次定不好,后来需要修改,但各物料流通路线和操作指标的改动都对后面的计算有影响,所以最好第一次确立就考虑周到些.1.4 换热
