空氣冷卻器設(shè)計

1、空氣冷卻器設(shè)計2、應(yīng)完成的項目： （1）了解換熱器在各行業(yè)的用途； （2）換熱器機械計算； （3）傳熱工藝計算； （4）畫施工圖，折合為3張以上0號圖，其中總裝圖為0號圖； （5）按規(guī)定和規(guī)范翻譯參考文獻5000漢字，并寫畢業(yè)論文。 3、參考資料以及說明： （1）GB151-99 鋼制管殼式換熱器 國家技術(shù)監(jiān)督局發(fā)布 （2）GB151-98 鋼制管殼式換熱器 國家技術(shù)監(jiān)督局發(fā)布 （3）AutoCAD2005壓力容器設(shè)計 欒春遠 編著，化學(xué)工業(yè)出版社 （4）過程設(shè)備設(shè)計 鄭津洋等著，化學(xué)工業(yè)出版社 （5）化工設(shè)備設(shè)計手冊上下卷 朱有庭，曲文海，于浦義主編 （6）機械設(shè)計手冊 ，化學(xué)工業(yè)出版社 （

2、7）化工原理上下冊，鄒華生等主編，華南理工大學(xué)出版社 （8）壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程. 國家技術(shù)監(jiān)督局 （9）換熱器設(shè)計. 上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，1987 （10）流體力學(xué)與傳熱. 華南理工大學(xué)出版社，2006 摘要 本文主要圍繞空氣冷卻器，即臥式固定管板式換熱器的設(shè)計展開說明，本說明共分五章。第一章為緒論，主要介紹本設(shè)計課題的選題背景，選題意義以及調(diào)研情況，并對本設(shè)計的主要工作進行規(guī)劃。第二章為方案論證，對換熱器的傳熱原理進行了簡述。并對換熱器進行了分類，并對各類換熱器作了簡短的描述，最后著重介紹了本次設(shè)計主題，固定管板式換熱器。第三章為設(shè)計論述，對固定管板式換熱器的主要部件的設(shè)計作了詳細的描

3、述，其中包括：管程的設(shè)計，筒體的設(shè)計與強度校核，折流板的設(shè)計，管箱的設(shè)計與強度校核，封頭的設(shè)計與強度校核，管板的設(shè)計與強度校核，是否安裝膨脹節(jié)的判定，鞍式支座的選取與開孔補強的計算。第四章為結(jié)果的匯總與分析，主要將第三章的計算內(nèi)容進行了匯總并作了補充說明，然后對其他的標(biāo)準(zhǔn)附件進行了選擇。第五章為總結(jié)，總結(jié)了本次設(shè)計的不足，介紹了換熱器在近期的發(fā)展與未來的趨勢。關(guān)鍵詞：空氣冷卻器，固定管板式換熱器，傳熱，管板，發(fā)展 Abstract 目錄摘要IAbstractII第一章 緒論51.1 選題背景51.2 選題意義51.3 調(diào)研情況51.3.1 國際資源形式51.3.2 國內(nèi)資源形式51.3.3 換

4、熱器對于我們的重大意義51.4 主要工作5第二章 方案論證52.1 傳熱的基本方式及其機理52.1.1 熱傳導(dǎo)52.1.2 對流傳熱52.1.3 輻射傳熱52.2 冷、熱流體熱量傳遞方式及換熱設(shè)備52.2.1 間壁式傳熱52.2.2 混合式傳熱52.2.3 蓄熱式傳熱52.3 列管式換熱器52.4 固定管板式換熱器52.5 本章小結(jié)5第三章 設(shè)計論述53.1 初始數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)處理53.2 管程的設(shè)計53.2.1 換熱管規(guī)格與尺寸的選擇53.2.2 排管53.3 筒體設(shè)計53.3.1 筒體壁厚的確定53.3.2 筒體強度的校核53.4 折流板的設(shè)計53.5 管箱的設(shè)計與長頸法蘭的選擇53.5.1

5、管箱筒體的設(shè)計53.5.2 長頸法蘭的選擇53.5.3 封頭的計算53.6 管板的設(shè)計與強度校核53.6.1 管板的設(shè)計53.6.2 管板厚度的校核53.7 膨脹節(jié)判定53.8 鞍式支座的選用53.9 開孔補強的計算53.9.1 殼體管接頭處開孔補強53.9.2 封頭管接頭處開孔補強53.9.3 管箱管接頭處開孔補強53.10 本章小結(jié)5第四章 結(jié)果匯總與分析54.1 計算結(jié)果匯總54.2 其他附件的設(shè)計與選擇54.3 本章小結(jié)5第五章 總結(jié)55.1 設(shè)計中存在的問題55.1.1 換熱管的設(shè)計問題55.1.2 折流板的設(shè)計問題55.1.3 材料選擇問題55.2 換熱器的發(fā)展前景55.2.1 新

6、型換熱器的發(fā)展55.2.2 近期國內(nèi)外的研究方向5參考文獻5附錄5附錄一 符號說明5附錄二 金屬需用應(yīng)力5附錄三 折流板或支撐板的最小厚度表5致謝5 第一章 緒論1.1 選題背景空氣冷卻器在化工生產(chǎn)中，有著廣泛的應(yīng)用，同樣也起著重要的作用。它的作用是：冷卻或冷凝。主要應(yīng)用于：煉油、石油化工塔頂蒸氣的冷凝；回流油、塔底油的冷卻；各種反應(yīng)生成物的冷卻；循環(huán)氣體的冷卻和電站汽輪機排氣的冷凝。工作壓力可達69兆帕。但耗電量、噪聲和占地面積均大，冷卻效果受氣候變化影響較大。采用空冷器可節(jié)省大量工業(yè)用水，減少環(huán)境污染，降低基建費用。特別在缺水地區(qū)，以空冷代替水冷，可以緩和水源不足的矛盾。1.2 選題意義空

7、氣冷卻器，是以空氣作為冷卻劑的換熱器。換熱器，是將熱流體的部分熱量傳遞給冷流體的設(shè)備，又稱熱交換器。換熱器是化工、石油、動力、食品及其它許多工業(yè)部門應(yīng)用較為廣泛的單元設(shè)備之一，在生產(chǎn)中占有重要地位。在化工生產(chǎn)中換熱器可作為加熱器、冷卻器、冷凝器、蒸發(fā)器和再沸器等應(yīng)用。據(jù)統(tǒng)計，在現(xiàn)代化學(xué)工業(yè)生產(chǎn)中，換熱器的投資大約占設(shè)備總投資的30%，在煉油廠中，換熱器占全部工藝設(shè)備的40%左右，海水淡化工藝裝置，則全部由換熱器組成。能源危機，是現(xiàn)在社會發(fā)展，需要重視的關(guān)鍵問題之一，隨著社會的快速發(fā)展，尤其是工業(yè)革命之后，石油，煤礦等不可再生資源由于巨大的消耗，存量已日益減少，上個世紀70年代初發(fā)生的世界性能源

8、危機，有力促進了傳熱強化技術(shù)的發(fā)展。為了節(jié)能降耗，提高工業(yè)生產(chǎn)的經(jīng)濟效益，則換熱器的應(yīng)用，發(fā)展與研究就成為了一個人們所關(guān)注的課題。1.3 調(diào)研情況1.3.1 國際資源形式工業(yè)革命之后，機械化的生產(chǎn)與生活走入了人們的生活，石油、天然氣、煤炭成為了人類社會生存與發(fā)展不可或缺的化石原料。但是作為不可再生的資源，隨著開采量的日益增大，和儲存量的日益減少，能源危機已經(jīng)是一個討論越來越熱烈的問題?，F(xiàn)代社會在經(jīng)濟、科技、文化等領(lǐng)域快速的發(fā)展。而這個發(fā)展，得益于化石能源，如石油、天然氣、煤炭與核裂變能的廣泛的投入應(yīng)用。自工業(yè)革命之后，機械化的生產(chǎn)與生活走入了人們的生活，石油、天然氣、煤炭成為了人類社會生存與發(fā)

9、展不可或缺的化石原料，因而它是建筑在化石能源基礎(chǔ)之上的一種發(fā)展。然而，由于這一經(jīng)濟的資源載體將在21世紀上半葉迅速地接近枯竭。 石油儲量的綜合估算，可支配的化石能源的極限，大約為11801510億噸，以1995年世界石油的年開采量33.2億噸計算，石油儲量大約在2050年左右宣告枯竭。 天然氣儲備估計在131800152900兆立方米。年開采量維持在2300兆立方米，將在5765年內(nèi)枯竭。煤的儲量約為5600億噸。1995年煤炭開采量為33億噸，可以供應(yīng)169年。 鈾的年開采量目前為每年6萬噸，根據(jù)1993年世界能源委員會的估計可維持到21世紀30年代中期。 核聚變到2050年還沒有實現(xiàn)的希望

10、?；茉磁c原料鏈條的中斷，必將導(dǎo)致世界經(jīng)濟危機和沖突的加劇，最終葬送現(xiàn)代市場經(jīng)濟。事實上，近10年來，中東及海灣地區(qū)與非洲的戰(zhàn)爭都是由化石能源的重新配置與分配而引發(fā)。這種軍事沖突，今后還將更猛烈、更頻繁。 總之，能源危機遲早會爆發(fā)；它的爆發(fā)將具有爆炸性。11.3.2 國內(nèi)資源形式國內(nèi)的能源狀況也同樣讓人堪憂。從上世紀70 年代初開始，我國已經(jīng)經(jīng)歷了三次大的能源危機。由于能源危機，每到冬夏兩季用電高峰，各大城市便會出現(xiàn)不同程度的拉閘限電現(xiàn)象，而企業(yè)則會出現(xiàn)大面積的開工不足。1992 年我國開始成為石油的凈進口國，此后不斷增加的石油進口量引起國際社會的嚴重關(guān)切，能源已成為國家安全的重要影響因素。

11、雖然2008 年的全球性經(jīng)濟危機已經(jīng)使石油價格下降了60%多，但現(xiàn)價仍是同樣發(fā)生經(jīng)濟危機的1998 年的近四倍。能源是我國國民經(jīng)濟發(fā)展中的一個戰(zhàn)略問題。長期以來,由于能源緊張，嚴重制約著我國經(jīng)濟的發(fā)展，因此能源問題已成為影響我國四個現(xiàn)代化進程的關(guān)鍵問題。我國目前的能源現(xiàn)狀是：一、我國人均能源資源不足。總量也有下降。從總體上看，我國的能源資源總量位于世界前列，但因人口眾多，人均能源資源不足。不僅如此，總量方面也有一定程度的下降 二、我國能源資源分布不均。我國煤炭資源的64% 集中在華北地區(qū)，水電資源約70% 集中在西南地區(qū)，而能源消費則集中在東部經(jīng)濟較發(fā)達地區(qū)。因此，“北煤南運”“西煤東運”“西

12、電東輸”的產(chǎn)銷格局將長期存在，造成能源輸送損失和過大的輸送建設(shè)。 三、我國能源種類不均衡，開發(fā)難度加大，能源利用率低，能源發(fā)展后勁嚴重不足。我國能源以煤炭為主，其次是石油、天然氣、水電和核能。在能源探明儲量中，煤炭占94%、石油占5.4%、天然氣占0.6%，屬于富煤、貧油、少氣。這種特點決定了我國能源生產(chǎn)以煤為主的格局長期不會改變。此外，我國的核能、太陽能、風(fēng)能、潮汐能、地?zé)崮艿刃履茉春驮偕茉吹拈_發(fā)，與發(fā)達國家的差距也很大。 四、能源領(lǐng)域的供求矛盾日益突出，出現(xiàn)能源緊張。2003年，全國21個省市區(qū)發(fā)生大面積電荒，進而引發(fā)了煤炭、柴油供應(yīng)緊張，煤、油緊張又加劇了電荒。而2004年全國總體電力

13、供需形勢更加嚴峻。歸其主要原因有：（1）電源建設(shè)增長和社會用電增長存在巨大落差；電網(wǎng)結(jié)構(gòu)脆弱、網(wǎng)際調(diào)度能力差、電煤緊張。（2）高速經(jīng)濟列車拉緊了弦。經(jīng)濟高增長和重化工業(yè)拉動用電需求剛性增長。鋼材、建材、有色金屬、汽車等行業(yè)出現(xiàn)高速增長，盲目投資、低水平重復(fù)建設(shè)加劇。高耗能工業(yè)成為工業(yè)用電增長的主導(dǎo)力量。（3）氣候原因。高溫少水使水力發(fā)電的作用受到限制。五、我國的能源儲備嚴重不足，而融入世界的步伐卻很快。我國至今沒有建立起能源預(yù)警機制和戰(zhàn)略儲備系統(tǒng)。我國水能資源和煤炭探明儲量人均分別只占世界水平的55%、25%，預(yù)計到2030 年，這一數(shù)字還將有所下降。而石油、天然氣的人均儲量更遠低于世界水平。

14、我國石油產(chǎn)量不可能大幅度增長，甚至若干年后將逐漸下降。到2020年，中國石油供應(yīng)的一大半將依賴國際資源，很容易受到全球原油價格變化的影響。21.3.3 換熱器對于我們的重大意義能源危機的問題，已經(jīng)嚴重影響到了人類社會以后的發(fā)展，所以傳熱技術(shù)的發(fā)展需要被提上日程。為了能降低能耗，同時提高工業(yè)生產(chǎn)經(jīng)濟效率，需要開發(fā)適用于不同行業(yè)與領(lǐng)域的高效率換熱器。這是因為隨著能源的短缺，可利用的溫度越來越低，換熱允許的溫差越來越小，因此，對換熱器的發(fā)展與換熱器技術(shù)的提高也就越發(fā)的顯得重要。換熱器是國民經(jīng)濟與工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中應(yīng)用十分廣泛的熱量交換設(shè)備，隨著現(xiàn)在的新工藝，新科技，新材料的不斷開發(fā)和能源匱乏引發(fā)的問題，

15、世界各國已經(jīng)將能源的綜合利用和重復(fù)利用放到了一個非常重要的位置。目前發(fā)達國家的工業(yè)熱回收率已經(jīng)達到了96%，而換熱設(shè)備占現(xiàn)代設(shè)備總量的30%。我國已經(jīng)進行了大量的強化傳熱技術(shù)的研究，但是在新型的傳熱器的應(yīng)用與開發(fā)上還與發(fā)達國家有著很大的差距。并且新型換熱器的推廣方面也十分的有限。我國能源的利用率也是讓人堪憂統(tǒng)計數(shù)字表明，建國59 年來，我國的GDP 增長了10 多倍，而能源消耗同比增長了40 多倍。2002年度數(shù)據(jù)顯示，我國能源利用效率以單位產(chǎn)值能耗計算相當(dāng)于美國的3.36 倍，為日本的9.3 倍，是世界平均水平的3.2 倍。我國2004 年和2005 年實際的一次能源消費彈性系數(shù)1.67，能

16、源消費年均增長率大于15%。如果以10%的增長速率預(yù)測，到2012 年我國一次能源需求就將超過11.5×1012MJ，是資源和環(huán)境都難以承受的。而國民節(jié)能意識和節(jié)能措施的相對落后，國際間高耗能產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)移和縣域經(jīng)濟工業(yè)化可能會使得節(jié)能與能耗總量的增長比例失調(diào)，能源利用效率低成為我國爆發(fā)能源危機的關(guān)鍵因素。3隨著煤炭、石油、天然氣等化石資源的日益減少，能源危機的問題日益的嚴重，而新型能源的發(fā)展卻又十分的緩慢。而換熱器的普及使用和大力的發(fā)展，雖然沒法從根本上解決能源問題，但是熱量的回收和再利用，減緩了我們能源的消耗，給予我們更多的時間進行新能源的開發(fā)，為我們以后的發(fā)展起到很大的促進作用。所

17、以換熱器的設(shè)計與應(yīng)用是一項非常重要的課題。1.4 主要工作 本課題的主要工作是換熱器設(shè)備的設(shè)計，在設(shè)計的同時對大學(xué)四年所學(xué)的知識進行一次全面的梳理與復(fù)習(xí)。在本次設(shè)計之前，通過調(diào)研，對我國目前換熱器的使用范圍與技術(shù)水平有大致的了解。然后集中學(xué)習(xí)化工設(shè)備設(shè)計工程的步驟與流程，以及合格施工圖的畫法。復(fù)習(xí)換熱器熱傳遞的原理和化工設(shè)備設(shè)計的理論知識，通過已知的換熱面積與工作溫度、壓力等數(shù)據(jù)進行計算，按照國家標(biāo)準(zhǔn)選擇正確的各零部件，最后對各部件的強度進行校核，使其在工作壓力和溫度下正常工作。最后，對本次設(shè)計進行總結(jié)與繪圖。第二章 方案論證2.1 傳熱的基本方式及其機理熱量由熱源傳給熱阱有三種不同的方式,他

18、們分別為熱傳導(dǎo)、對流、和輻射。工程上通常由兩種或兩種以上組合而成的復(fù)合傳熱過程。2.1.1 熱傳導(dǎo)不同溫度的物體相互接觸時熱量會由高溫物體傳遞到低溫物體，這種熱量傳遞過程稱為熱傳導(dǎo)。固體或壁面存在溫度梯度發(fā)生的傳熱是最典型的熱傳導(dǎo)，此外，液體、氣體之間也會發(fā)生熱傳導(dǎo)現(xiàn)象。在金屬固體中，熱傳導(dǎo)主要靠自由電子的運動；在非金屬固體和大多數(shù)液體中，熱傳導(dǎo)是由個別分子的動量傳遞引起的；在氣體中，熱傳導(dǎo)是由個別分子無規(guī)則運動所致的。熱傳導(dǎo)發(fā)生時，物體內(nèi)部的分子或流體質(zhì)點沒有發(fā)生宏觀位移。描述熱傳導(dǎo)的數(shù)學(xué)模型為傅里葉定律。2.1.2 對流傳熱對流傳熱是不同溫度的流體因攪拌、流動引起的流體質(zhì)點宏觀位移導(dǎo)致的傳

19、熱過程。對流傳熱必然伴隨著熱傳導(dǎo)，兩者無法分開，通常只是對流傳熱占主導(dǎo)地位，研究時將兩者一起考慮，稱為對流傳熱或傳熱。對流傳熱可分為自然對流傳熱與強制對流傳熱兩大類。前者是因流體各處不同溫度引起密度差從而產(chǎn)生浮力導(dǎo)致的流體質(zhì)點宏觀位移傳熱；后者是因為不同溫度流體受外來干擾，諸如攪拌、泵、風(fēng)機等作用引起的流體質(zhì)點宏觀位移傳熱。強制對流傳熱過程總會伴隨著自然對流傳熱過程，因為溫度差在流體中產(chǎn)生浮力，但其影響很小，可以忽略不計。描述對流傳熱的數(shù)學(xué)模型是牛頓冷卻定律。2.1.3 輻射傳熱輻射傳熱涉及輻射能從能源向熱阱的傳遞過程。輻射傳熱和熱傳導(dǎo)與對流傳熱不同，它不需要物體之間直接接觸，也不需要任何中介

20、介質(zhì)，太陽將熱量傳給地球就是靠熱輻射。若輻射在真空中傳播，它不會轉(zhuǎn)變?yōu)闊峄蚱渌问降哪?。僅僅因為熱引起的輻射稱為熱輻射。熱輻射以電磁波的形式在空間中傳遞，它與光傳播類似，既有波動性，又有粒子性，熱輻射的傳播速度與光速相同，它在空間中以直線傳播。輻射傳熱還伴隨能量形式的轉(zhuǎn)換?；跓崃W(xué)第二定律，波爾茲曼給出了描述輻射傳熱機理與數(shù)學(xué)模型，根據(jù)其機理，所有物質(zhì)只要其溫度高于絕對零度，都能發(fā)射輻射能。應(yīng)予指出，熱傳導(dǎo)、對流傳熱總是伴隨著熱輻射傳熱，只是通常在化工生產(chǎn)過程，溫度不太高，輻射傳熱被忽略。熱傳導(dǎo)與熱對流傳熱速率取決于冷熱物體之間的溫度差大小，輻射傳熱則取決于物體的溫度水平。 2.2 冷、熱流

21、體熱量傳遞方式及換熱設(shè)備根據(jù)工業(yè)過程冷、熱流體的接觸及進行熱量傳遞情況，通常分為三種情況：間壁式傳熱、混合式傳熱、蓄熱式傳熱。2.2.1 間壁式傳熱間壁式傳熱是化工生產(chǎn)過程中最普遍采用的傳熱形式，間壁式傳熱是冷、熱流體被一固體壁隔開，熱流體將熱量傳導(dǎo)固體壁面，通過固體壁面將熱量傳給冷流體。典型的間壁式換熱器如下：套管式換熱器 由直徑不同的兩根同軸心線管子組成。進行熱交換的冷、熱流體分別在內(nèi)管與環(huán)隙中流過，通過內(nèi)管壁熱量傳遞。 圖 2-1 套管式換熱器列管式換熱器 主要由殼體、管束、管板、和封頭等部件組成。一種流體由一側(cè)接管進入封頭，流經(jīng)各管后匯集于另一封頭，并從該封頭接管流出。該流體稱為管程流

22、體。另一種流體由殼程接管流入，在殼體與管束間的空隙流過，然后從殼體的另一接管流出。該流體稱為殼程流體。在殼體內(nèi)安裝與管束相垂直的折流板是為了支撐管子避免管子變形；調(diào)高殼程流體的流速和改變其流動方向以增強殼程流體的傳熱效果。為了提高管程流體流速以強化管程流體的傳熱，可將列管式換熱器的全部管束分為多程，使流體每次只沿一管程束通過，在換熱器內(nèi)作兩次或兩次以上來回折流。2.2.2 混合式傳熱將冷、熱流體在換熱器中以直接混合的方式進行熱量交換，具有傳熱效率高、設(shè)備簡單等優(yōu)點。這種傳熱方式常用于氣體的冷卻或水蒸氣的冷凝。2.2.3 蓄熱式傳熱其特點是冷、熱流體間的熱交換是通過蓄熱體得周期性加熱和冷卻來實現(xiàn)

23、的。先令熱流體通過蓄熱器，熱流體降溫，填充物升溫，然后令冷流體通過蓄熱器，一方面冷流體升溫，同時填充物降溫。蓄熱器通常采用兩臺交替使用。這類換熱器結(jié)構(gòu)簡單，能耐高溫，常用于高低溫氣體的換熱。其特點是設(shè)備體積大，且兩種流體會有一定程度的混合。42.3 列管式換熱器列管式換熱器，又稱為管殼式換熱器，是目前化工生產(chǎn)中應(yīng)用最為廣泛的換熱設(shè)備，其用量約占全部換熱設(shè)備的90%。他有著突出的有點：單位體積具有的傳熱面積大，結(jié)構(gòu)緊湊、堅固，傳傳熱效率好，而且能用多種材料制造，適用性較強，操作彈性大。在高溫、高壓和大型裝置中多采用列管式換熱器。而列管式換熱器又分為：固定管板式換熱器、U形管式換熱器以及浮頭式換熱

24、器。 U形管式換熱器 屬石油化工設(shè)備，由管箱、殼體及管束等主要部件組成，因其換熱管成U形而得名。U 形管式換熱器僅有一個管板，管子兩端均固定于同一管板上。此類換熱器的特點是管束可以自由伸縮，不會因管殼之間的溫差而產(chǎn)生熱應(yīng)力，熱補償性能好但管內(nèi)清洗不便，管束中間部分的管子難以更換，又因最內(nèi)層管子彎曲半徑不能太小，在管板中心部分布管不緊湊，所以管子數(shù)不能太多，且管束中心部分存在間隙，使殼程流體易于短路而影響殼程換熱。 浮頭式換熱器 浮頭式換熱器兩端的管板，一端不與殼體相連，該端稱浮頭。管子受熱時，管束連同浮頭可以沿軸向自由伸縮，完全消除了溫差應(yīng)力。由于這種換熱器殼體和管束的熱膨脹是自由的，管束可以

25、抽出，便于清洗管間和管內(nèi)。其缺點是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價高（比固定管板高20%），在運行中浮頭處發(fā)生泄漏，不易檢查處理。浮頭式換熱器適用于殼體和管束溫差較大或殼程介質(zhì)易結(jié)垢的條件。2.4 固定管板式換熱器固定管板式換熱器結(jié)構(gòu)簡單，制造成本低，管程清洗方便，管程可以分成多程，殼程也可以分成雙程，規(guī)格范圍廣，故在工程上廣泛應(yīng)用，近年來，隨著節(jié)能技術(shù)的不斷發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域不斷地擴大，在工業(yè)生產(chǎn)中，進行高溫與低溫的回收，帶來了較大的經(jīng)濟效益。但是，固定管板式換熱器并不是在任何場合均通用的，有趣其殼程清洗困難，對于較臟或有腐蝕性的介質(zhì)不宜采用。并且當(dāng)膨脹之差較大時，需要在殼體上設(shè)置膨脹節(jié)，以減少因管、殼程溫差而

26、產(chǎn)生的熱應(yīng)力。將固定管板換熱器的優(yōu)缺點總結(jié)如下：優(yōu)點：l 旁路滲流較??；l 鍛件使用較少，造價低；l 無內(nèi)漏；l 傳熱面積比浮頭式換熱器大20%30%；缺點：l 殼體和管壁的溫差較大，殼體和管子壁溫差t<50,當(dāng)t>50時必須在殼體上設(shè)置膨脹節(jié)；l 易產(chǎn)生溫差力，管板與管頭之間易產(chǎn)生溫差應(yīng)力而損壞；l 殼程無法機械清洗；l 管子腐蝕后連同殼體報廢，設(shè)備壽命較低；l 不適用于殼程易結(jié)垢場合，殼程必須是潔凈不易結(jié)垢的物料。在選擇換熱器類型的時候，應(yīng)參考固定管板式換熱器的優(yōu)缺點，確定其是否符合設(shè)計與應(yīng)用所要求的條件。固定管板式換熱器由管箱、殼體、管板、管子等零部件組成，管子的兩端與管板通

27、過焊接法或者膨脹法固定，而殼體則與管板焊接。從而管束、管板與殼體成為了一個不可分割的整體。這就是固定管板式名稱的由來。換熱器內(nèi)的折流板主要有圓缺形與盤環(huán)形兩種。 圖2-2 固定管板式換熱器52.5 本章小結(jié) 本章首先介紹了換熱器的傳熱原理，讓我們對換熱器的工作機理有了一定的了解。然后根據(jù)工業(yè)過程冷、熱流體的接觸及進行熱量傳遞情況，分別介紹了三種傳熱情況，并著重介紹了間壁式傳熱。再者介紹了列管式換熱器，對U型管換熱器與浮頭式換熱器進行了簡短的介紹。最后著重介紹了本次設(shè)計的課題，固定管板式換熱器。通過這章，我們了解了換熱器的分類，和各自的特點，通過對比，了解固定管板式換熱器與其他換熱器的相同點與異

28、同點，對以后的設(shè)計打下基礎(chǔ)。第三章 設(shè)計論述3.1 初始數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)處理 表3-1 初始數(shù)據(jù)殼程管程工作壓力0.3MPa4MPa工作溫度（進口/出口）25/45145/45介質(zhì)冷卻水壓縮空氣換熱面積20在正常工作狀況下，管子與殼體的溫度計算：設(shè)殼體的進出口溫度為,，設(shè)管子的進出口溫度為，殼體金屬溫度，管子的金屬溫度：根據(jù)過程設(shè)備設(shè)計設(shè)計壓力應(yīng)為工作壓力的1.05-1.1倍，設(shè)計溫度應(yīng)略大于工作時最高溫度。所以： 3-2 處理數(shù)據(jù)殼程管程設(shè)計壓力0.32MPa4MPa設(shè)計溫度65165金屬溫度35653.2 管程的設(shè)計3.2.1 換熱管規(guī)格與尺寸的選擇由于本固定管板式換熱器的安置要求，在達到20的

29、換熱面的同時，具有較小的筒徑，所以我們在此選擇了非常規(guī)換熱管，根據(jù)GB/T 17395-2008,其中的系列2，我們選擇了以下尺寸的換熱管：表3-3 換熱管規(guī)格尺寸管徑壁厚長度理論質(zhì)量材料規(guī)格8mm1.5mm18450.24kg/mQ235B計算管子在設(shè)計壓力下是否可以正常工作： 經(jīng)計算，管子在工作壓力下可以正常工作。3.2.2 排管本設(shè)計的排管方式采用正三角形，管外徑為8mm較小，管間距定位12mm，共416根管子，如以下兩圖排管: 圖3-1 布管圖1 圖 3-2 布管圖23.3 筒體設(shè)計3.3.1 筒體壁厚的確定由于殼程的介質(zhì)為冷卻水，腐蝕強度較低，壓力較小，所以采用Q235B。查詢機械設(shè)

30、計手冊可得知，Q235B彈性模量E=，線膨脹系數(shù)。管束外徑為264mm，所以筒體的內(nèi)徑Di=300mm，殼體受內(nèi)壓，設(shè)計壓力為0.32MPa，所以殼體壁厚： ,可以得到名義厚度由于筒體的壁厚至少為6mm，所以筒體的壁厚定為6mm。3.3.2 筒體強度的校核固定管板換熱器的殼體由于受到介質(zhì)的壓強與熱應(yīng)力的雙重作用。(1) 由于殼體與管束介質(zhì)內(nèi)壓引起的軸向力。 由于殼體與換熱管的材料相同，所以殼體內(nèi)的拉應(yīng)力： 換熱管受到的拉應(yīng)力： (2) 由于筒體和管束的溫差引起的熱應(yīng)力。由于管束和殼體的材料相同： 殼體受到拉應(yīng)力： 管束受到壓應(yīng)力： 殼體受到拉應(yīng)力，其強度條件是 所以殼體能夠正常工作。3.4 折

31、流板的設(shè)計 在對流傳熱的換熱器中，安置折流板是為了提高殼程介質(zhì)流速，強化傳熱效果。對于臥式的換熱器，折流板還具有支撐換熱管束的作用。常見的折流板有弓形和圓環(huán)形兩種，我們在這個設(shè)計中采用單弓形折流板。單弓形折流板缺口弦高一般取0.20-0.45倍的圓筒內(nèi)直徑，原則是使流體通過缺口時與橫過管束時的流速相近。 折流板的圓形直徑略比殼體的內(nèi)徑小一些，在本次設(shè)計中定為297.5mm，取72.05mm，為圓筒內(nèi)徑的0.25倍左右。由于換熱管管徑為8mm，所以折流板上的管孔直徑取為mm。折流板的設(shè)計如下圖所示： 圖 3-3 折流板開孔 圖 3-4 折流板 本次設(shè)計共設(shè)定6個折流板，從左側(cè)的擋板隔250mm設(shè)

32、定一個折流板，最大的無支撐間距為250mm，根據(jù)附錄二的表格，折流板的最小厚度為3mm，本次設(shè)計定為6mm。3.5 管箱的設(shè)計與長頸法蘭的選擇3.5.1 管箱筒體的設(shè)計 管箱筒體的內(nèi)徑與殼體的內(nèi)徑相同，由于管箱筒體的內(nèi)壓是管程的內(nèi)壓，所以設(shè)計壓力為4.3MPa。 管箱筒體的計算厚度為4.5mm，,可以得到名義厚度所以管箱的厚度定為8mm。材料選用 Q345R。3.5.2 長頸法蘭的選擇 根據(jù)JB4703-92，選擇長頸對焊法蘭，公稱直徑為300mm，公稱壓力選擇6.4MPa。 表3-4 JB4703 公稱直徑300mm 長頸對焊法蘭公稱直徑DHhaRd螺柱規(guī)格螺柱數(shù)量3004604153763

33、66363461103521181227M2416 圖 3-5 榫面長頸法蘭 法蘭的材料選用16Mn II。3.5.3 封頭的計算根據(jù)JBT4746-2002鋼制壓力容器用封頭，我們選用EHA型以內(nèi)徑為基準(zhǔn)， 圖 3-6 封頭公稱直徑為300mm。 表3-5 JBT4746-2002 EHA型，公稱直徑為300mm封頭公稱直徑DN mm總深度H mm內(nèi)表面積A m2容積V m33001000.12110.0053封頭壁厚的計算： 封頭的計算厚度為4.5mm，,可以得到名義厚度所以管箱的厚度定為8mm。材料選用 Q345R。3.6 管板的設(shè)計與強度校核3.6.1 管板的設(shè)計本設(shè)計方案，在管板得設(shè)

34、計中，管板的延長部分作為殼體的法蘭。根據(jù)hg20592上的要求，選用公稱直徑為300mm，公稱壓力1.6MPa的法蘭。 表 3-6 hg20592 公稱直徑300mm，公稱壓力1.6MPa法蘭數(shù)據(jù)公稱直徑 mm法蘭最大直徑 mm 螺孔圓直徑 mm螺栓型號螺栓數(shù)300460410M2412根據(jù)長頸法蘭的規(guī)格將螺孔圓的直徑改為415mm螺栓數(shù)改為16，可裝配。法蘭厚度為46mm，管板的厚度定為48mm,管板設(shè)計如下圖所示： 圖 3-7 管板3.6.2 管板厚度的校核下邊我們通過GB151-1999管殼式換熱器中的延長部分作法蘭的管板強度校核表，對管板的強度進行校核，判定管板的厚度是否合格。 表3-

35、7 管板計算表 延長部分兼作法蘭的固定管板式管板計算表 初始數(shù)據(jù)管板假設(shè)管板厚度管子加強系數(shù)殼程圓筒內(nèi)徑 厚度內(nèi)徑面積金屬橫截面積 表3-7 （續(xù)）管箱圓筒厚度法蘭外徑法蘭寬度管箱法蘭厚度旋轉(zhuǎn)剛度 旋轉(zhuǎn)剛度 旋轉(zhuǎn)剛度無量綱參數(shù)殼體法蘭應(yīng)力參數(shù)Y=4.72查GB150-1998 第九章圖9-8或表9-5按K,查GB151-1991 管板計算圖27按K,查GB151-1991 管板計算圖29按K,查GB151-1991 管板計算圖30管子管子外徑d=8mm管子壁厚管子根數(shù)n=461管心距S=12面積管子金屬總截面積開孔面積管子的有效長度L=1745mm管束模數(shù)管子的回轉(zhuǎn)半徑管子受壓失穩(wěn)當(dāng)量長度系數(shù)

36、管子穩(wěn)定需用壓應(yīng)力由于Cr<所以系數(shù)計算開孔后面積管板布管區(qū)面積管板布管區(qū)當(dāng)量直徑系數(shù)表3-7 （續(xù)）延長部分兼作法蘭的固定管板式管板計算表系數(shù)計算按K,查GB151-1991 管板計算圖28法蘭力矩基本法蘭力矩管程壓力作用時法蘭力矩殼程壓力作用下的危險組合殼程設(shè)計壓力管程壓力管程壓力作用下的危險組合殼程壓力 管程壓力 不計膨脹差不計膨脹差00001.1136-21.74512.49-0.0652.52-0.0657.03-0.184.08-0.932.111.61.10.0852.75-0.0650.520.0530.24-0.0104表3-7 （續(xù)）延長部分兼作法蘭的固定管板式管板計

37、算表殼程壓力作用下的危險組合殼程設(shè)計壓力管程壓力管程壓力作用下的危險組合殼程壓力 管程壓力 管板應(yīng)力 MPa 管板應(yīng)力 MPa管子應(yīng)力 MPa管子應(yīng)力 MPa殼體法蘭應(yīng)力 MPa殼體法蘭應(yīng)力 MPa殼程圓筒軸向應(yīng)力 MPa殼程圓筒軸向應(yīng)力 MPa拉脫應(yīng)力 MPa拉脫應(yīng)力 MPa3.7 膨脹節(jié)判定并不是所有的固定管板式換熱器都需要安裝膨脹節(jié)，下述三個條件中，任何一個不能滿足時，必須加膨脹節(jié)。(1) 換熱器的殼體和管束的軸向應(yīng)力滿足強度條件，即殼體軸向應(yīng)力 管束軸向應(yīng)力 滿足強度條件。(2) 換熱器的殼體和管束的軸向壓縮應(yīng)力應(yīng)滿足穩(wěn)定條件：殼體的壓縮應(yīng)力 條件滿足。管子的壓縮應(yīng)力首先確定值（壓桿的

38、柔度），其中為換熱管失穩(wěn)當(dāng)量長度，根據(jù)上一節(jié)的設(shè)定，取值為500mm。i為換熱管的慣性半徑。 值為211.86。然后計算Cr值，用以判定換熱管屬于大柔度或是中柔度壓桿 。由于Cr<,所以 管子的壓縮應(yīng)力條件滿足。(3) 管板與換熱管間的拉脫力q不得大于需用應(yīng)力q(脹接)或3q(焊接)。 表 3-8 許用拉脫力 /MPa 換熱管與管板連接結(jié)構(gòu)形式q脹接鋼管管段不卷邊、管孔不開槽 2管段卷邊或管孔開槽 4有色金屬管管孔開槽 3 焊接 0.5經(jīng)過計算，上述三個條件均達到要求，所以本次設(shè)計的固定管板式換熱器是不需要添加膨脹節(jié)的。3.8 鞍式支座的選用本次設(shè)計為臥式固定管板式換熱器，在此，我們選用

39、鞍式支座進行安裝，置放。鞍式支座按照工程直徑的分類，分為輕型與重型兩種型式，我們選用公稱直徑為300mm的重型B1鞍式支座，結(jié)構(gòu)特征：120°，包角，焊制，單筋，帶墊板。 表3-9 鞍式支座規(guī)格 /mm公稱直徑DN 允許載荷kN鞍座高度h底板筋板墊板螺栓間距 鞍座質(zhì)量帶墊板kg弧長e300582001208837012062820010 圖3-8 鞍式支座3.9 開孔補強的計算 由于在本次設(shè)計的換熱器體身上有焊接有4個管接頭，所以要在其上開孔，進行開孔補強計算。3.9.1 殼體管接頭處開孔補強一、符號的計算（1）被開孔殼體的各種尺寸由3.3中殼體的壁厚計算中可得知殼體的壁厚為：，而，

40、。因為管箱開孔不在焊縫上，且焊接接頭系數(shù)等于0.85，所以。殼體壁厚附加量C=1.6mm。（2）接管各部分尺寸 由中徑公式 ，。其中，d為去掉管子附加量后的接管的內(nèi)直徑。 （3）補強有效區(qū)的范圍 的取值為與之間的最大值。 所以=86.4mm。的取值為與接管實際外伸長度之間的最小值。接管實際外伸長度等于63mm。所以。的取值為與接管實際內(nèi)伸長度之間的最小值。接管實際內(nèi)伸長度等于0mm。所以。圖3-9二、 被削去金屬截面積計算在圖3-9中，給出了四個金屬截面面積圖3-9（a）3-9（d）。圖3-9（a）：矩形1234所圍處的面積因為中有部分厚度即使去掉，也不會影響殼體強度，所以不是必需補強的面積。

41、圖3-9（b）：矩形1256所圍出的面積因為大于殼體承壓所必需的厚度，所以也不是必需補強的面積。圖3-9（c）：矩形1278所圍出的面積 這部分厚度是承壓所必需的，如果削掉必須補回來，如果開孔后不接接管，那么就是必須補強的截面面積。但是開孔后都要裝接管，裝了接管后管壁金屬將被塞入孔中，導(dǎo)致需要補強的截面就不再是了。圖3-9（d）：裝入接管后，孔徑由縮小到接管的內(nèi)徑。由于接管要腐蝕，所有管壁的腐蝕余量及負偏差不能作為填補的金屬，于是需要補強的金屬截面面積A就是矩形9、10、11、12所圍出的面積，應(yīng)按下式計算：三、補強的金屬截面積計算由于應(yīng)力集中只發(fā)生在接管開孔周圍，所以只有在一定范圍內(nèi)的“多余

42、”金屬截面面積才能起補強作用，圖3-9（e）中用點劃線圍出的XYWZ就是補強有效范圍。在此范圍內(nèi)有三塊“多余”的金屬截面面積，即：從原設(shè)計壓力考慮，殼體厚度只需要，但實際的有效厚度是，所以是多余的厚度，在有效區(qū)內(nèi)形成截面面積是 接管承受設(shè)計壓力所需要厚度是t，而有效厚度是。所以在范圍內(nèi)多余的管壁截面面積是,在范圍內(nèi)管壁沒有承壓任務(wù)，所以除管壁的厚度附加量外都是多余厚度，于是在范圍內(nèi)多余的管壁金屬截面面積是，所以 焊縫金屬截面面積，不予考慮。于是“多余”截面總計為:所以此接管開孔處不需要進行開孔補強。3.9.2 封頭管接頭處開孔補強一、符號的計算（1）被開孔殼體的各種尺寸由3.5中殼體的壁厚計算

43、中可得知殼體的壁厚為：，而，。因為管箱開孔不在焊縫上，且焊接接頭系數(shù)等于0.85，所以。殼體壁厚附加量C=1.6mm。（2）接管各部分尺寸 由中徑公式 ，。其中，d為去掉管子附加量后的接管的內(nèi)直徑。 （3）補強有效區(qū)的范圍 的取值為與之間的最大值。 (3-36)所以=93.6mm。的取值為與接管實際外伸長度之間的最小值。接管實際外伸長度等于160mm。所以。的取值為與接管實際內(nèi)伸長度之間的最小值。接管實際內(nèi)伸長度等于0mm。所以。二、 被削去金屬截面積計算在圖3-9中，給出了四個金屬截面面積圖3-9（a）3-9（d）。圖3-9（a）：矩形1234所圍處的面積因為中有部分厚度即使去掉，也不會影響

44、殼體強度，所以不是必需補強的面積。圖3-9（b）：矩形1256所圍出的面積因為大于殼體承壓所必需的厚度，所以也不是必需補強的面積。圖3-9（c）：矩形1278所圍出的面積 這部分厚度是承壓所必需的，如果削掉必須補回來，如果開孔后不接接管，那么就是必須補強的截面面積。但是開孔后都要裝接管，裝了接管后管壁金屬將被塞入孔中，導(dǎo)致需要補強的截面就不再是了。圖3-9（d）：裝入接管后，孔徑由縮小到接管的內(nèi)徑。由于接管要腐蝕，所有管壁的腐蝕余量及負偏差不能作為填補的金屬，于是需要補強的金屬截面面積A就是矩形9、10、11、12所圍出的面積，應(yīng)按下式計算：三、補強的金屬截面積計算由于應(yīng)力集中只發(fā)生在接管開孔周圍，所以只有在一定范圍內(nèi)的“多余”金屬截面面積才能起補強作用，圖3-9（e）中用點劃線圍出的XYWZ就是補強有效范圍。在此范圍內(nèi)有三塊“多余”的金屬截面面積，即：從原設(shè)計壓力考慮，殼體厚度只需要，但實際的有效厚度是，所以是多余的厚度，在有效區(qū)內(nèi)形成截面面積是 接管承受設(shè)計壓力所需要厚度是t，而有效厚度是。