管壳式换热器设计说明书

I摘要本设计说明书介绍了E112冷却器的设计过程。E112冷却器的结构形式为固定管板式换热器。因此，设计说明书介绍了固定管板式换热器的主要结构形式，分类及工程应用。介绍了根据任务书要求进行总体设计计算过程与各部件（比如：管板，筒体，筒节法兰等）材料、尺寸选择的过程。昀后介绍了固定管板式换热器检验、验收的要求。在征得指导教师同意后，设计过程依据实际情况对任务书中的某些要求做了更改。关键词：换热器，固定管板式，强度计算，检验II目录1.前言...................................................................11.1常用换热器.............................................................11.2常用换热器的设计.......................................................32．设计计算.............................................................52.1换热面积的计算.........................................................52.2壳程的有关计算.........................................................62.3管程的有关计算.........................................................73．总体结构和主要零部件设计.........................................113.1设备设计主要技术指标..................................................113.2排管的选择............................................................113.3设备主要零部件........................................................114．制造、检验与验收..........................................194.1管板..................................................................194.2换热管................................................................194.3管箱和壳体............................................................194.4鞍座要求..............................................................194.5容器铭牌要求..........................................................194.6容器的油漆、包装、运输................................................19参考文献...............................................................21致谢....................................................................22E112冷却器设计11.前言1.1常用换热器换热器是实现热量传递过程的一种设备。在化工、炼油、动力、食品、轻工、原子能、制药、机械以及航空航天等许多部门广泛应用。在电子产品领域，通过高效换热器及时将产生的热量散发出去的研究，已经得到许多研究者的关注。在工业生产中，换热器的主要作用是使热量有温度高的流体传递给温度低的流体，使流体温度达到工艺过程所需。此外，比如热管换热器，也是吸收利用低位热能的有效装置。通常，在某些化工厂建设中，换热设备约占全部工艺设备投资40%左右，而在炼油厂的建设中换热设备所占投资比例更高[1]。由此可见，换热设备的设计，选型在技术上，经济上都是非常重要的问题。换热器的按作用原理和传热方式可分为直接接触式，蓄热式，间壁式，中间载热体式四种。间壁式换热器是在工业应用领域中应用昀为广泛的，其形式多种多样，如管壳式换热器和板式换热器。本设计所设计的固定管板式换热器就是间壁式换热器。工程上对换热器的具体分类是将间壁式换热器分为管式换热器，板面式换热器和其他形式换热器。管式换热器是通过管子壁面进行传热的换热设备，按传热管的结构形式不同大致可分为蛇管式换热器，套管式换热器，缠绕式换热器和管壳式换热器。板面式换热器通过板面进行传热，按传热板面的结构形式可分为螺旋板式换热器，板式换热器，板翅式换热器，板壳式换热器和伞板式换热器。管壳式换热器又称列管式换热器，是目前应用昀为广泛的换热设备，再设计、制造和选用方面，许多国家都有相应的规范和标准。管壳式换热器是通过管子壁面进行传热的换热设备，换热设备中应用昀为广泛。虽然在换热效率、结构紧凑和金属消耗量方面不及其他类型的换热器，但它具有结构坚固，可靠性高，选材范围广，耐压，耐温，操作弹性大等独特的优点。管壳式换热器是目前应用昀为广泛的一种换热器。它包括:固定管板式换热器、U型管壳式换热器、带膨胀节式换热器、浮头式换热器、分段式换热器、套管式换热器等。管壳式换热器由管箱、壳体、管束等主要元件构成。管束是管壳式换热器的核心，其中换热管作为导热元件，决定换热器的热力性能。另一个对换热器热力性能有较大影响的基本元件是折流板（或折流杆）。管箱和壳体主要决定管壳式换热器的承压能力及操作运行的安全可靠性。下面介绍几种常用的换热器，用以与管壳式换热器作比较。蛇管式换热器是把换热管（金属或非金属）按需要弯曲成所需的形状，如圆盘形、螺旋形和长蛇形等。蛇管的形状如图1-1所示。其特点是结构简单、造价低廉、检修清洗方便。对所需传热面积不大的场合比较适用，同时，因管子能承受高压而不易泄漏，常被高压流体的加热或冷却所采用。按使用状态不同，蛇管式换热器又分为沉侵式蛇管E112冷却器设计2换热器和喷淋式蛇管换热器。喷淋式蛇管换热器和沉侵式蛇管换热器相比，具有便于检修、清洗和传热效果较好等优点。其缺点是喷淋不均匀。图1-1蛇管的形状套管式换热器是由两种不同直径的标准管子组装成同心圆的套筒，然后由多段这种套管连接而成。每一段套筒称为一程，每程的内管用U形弯管顺次连接，而外管则以支管与下一程外管相连接。由此组成多段同心圆套管换热器，程数可根据传热要求而增减。图1-2是套管式换热器的结构简图。它的优点是：1、结构简单2、耐高压3、传热面积可根据需要增减4、适当地选择内管和外管的直径，可使流速大增5、冷、热流体可作严格的逆流，传热效果好。缺点是单位传热面金属消耗量太大，检修、清洗和拆卸都比较麻烦，在可拆连接处容易造成泄露。该类换热设备通常用于高温、高压、小流量流体和所需传热面积不大的场合。图1-2套管式换热器的结构简图翅片管换热器的结构与一般管壳式换热器结构基本相同，只是用翅片管代替了光管。其结构简图如图1-3所示，（a）为其外形简图，（b）为带有翅片的换热管。由于传热加强、结构紧凑，故可称作紧凑式换热器。它的主要优点是：传热能力强，与光管相比，传热面积可增大2-10倍，传热系数可提高1-2倍。结构紧凑，由于单位体积传热面大，传热能力增强，同样热负荷下与光管相比，翅片管换热管子少。壳体直径或高度可减少，E112冷却器设计3因而结构紧凑且便于设置，可以更有效合理地利用材料。缺点是造价高和流阻大。图1-3翅片管换热器结构简图管壳式换热器和螺旋板式换热器、板式换热器一样属于间壁式换热器，其换热管内构成的流体通道称为管程，换热管外构成的流体通道称为壳程。管程和壳程分别通过两不同温度的流体时，温度较高的流体通过换热管壁将热量传递给温度较低的流体，温度较高的流体被冷却，温度较低的流体被加热，进而实现两流体换热工艺目的。固定管板式换热器的结构如图1-4所示。图1-4固定管板式换热器结构简图一般管壳式换热器与其它类型的换热器比较有以下主要技术特性：1、耐高温高压，坚固可靠耐用；2、制造应用历史悠久，制造工艺及操作维检技术成熟；3、选材广泛，适用范围大。1.2常用换热器的设计换热器设计时应考虑的载荷主要有：内压、外压或昀大压差；膨胀量不同引起的作用力；液柱静压力。需要时尚应考虑一下载荷：换热器自重及正常工作条件下或试验条件下内装物料的重量载荷；附属设备及隔热材料、管道、扶梯、平台等的重力载荷；风载；地震力等；温差应力；压力急剧波动引起的冲击载荷等。换热器设计时应考虑腐蚀和钢材生产、加工过程中的负偏差。设计中厚度负偏差按材料标准中的规定选取。腐蚀余量主要是考虑了元件由于腐蚀、机械磨损而导致厚度削弱减薄。一般重要元件必须考虑腐蚀余量，而比如拉杆、定距管和折流板等非受压元件，则一般不考虑腐蚀余量。E112冷却器设计4焊缝又称焊接接头。容器上不同部位不同部件间的连接焊缝可按其在整体强度与安全中所处的地位不同而将其分为A,B,C,D四类。焊接接头系数φ应根据受压元件的焊接接头型式及无损检测的长度比例确定。双面焊对接接头和相当于双面焊的全焊透对接接头：100%无损检测φ=1.00；局部无损检测φ=0.85。单面焊对接接头（沿焊缝根部全长有紧贴基本金属的垫板）：100%无损检测φ=0.9；局部无损检测φ=0.8。换热器制成后应经压力试验。压力试验一般采用液压试验，对于不适合作液压试验的容器，例如容器内不允许有微量残留液体，或由于结构原因不能充满液体的容器，可采用气压试验。为保障安全压力试验前应进行应力校核。介质的毒性程度为极度或高度危害的容器，应在压力试验合格后进行气密性试验。换热器设计时选用的材料使用温度上限和下限均应符合相应的标准。对材料有特殊要求的设计单位应在图样或相关技术文件中注明。E112冷却器设计52．设计计算以下设计计算内容依据任务书提供的设计温度、设计压力、选用材料、介质等信息进行。表2.1是任务书提供的设备设计主要技术指标；表2.2是任务书提供的管口表技术指标。表2.1设备设计主要技术指标壳程管程换热管排列正三角形设计压力Mpa0.61.5换热面积m235设计温度℃60100换热管直径19工作压力Mpa0.51.2换热管长度m2.5工作温度℃60100换热管间距mm25介质名称LWPA管板厚度32介质性质无毒无毒折流板间距150管程数11主要材质Q345RQ345R表2.2管口表符号公称压力公称尺寸法兰形式密封面形式用途伸出长度N1PN1.6DN50SORFLW进口150N2PN1.6DN50SORFLW出口150N3PN1.6DN80WNRFPA进口150N4PN1.6DN80WNRFPA出口1502.1换热面积的计算[2]计算项目公式代入数据计算结果圆整换热管数nA=n×(3.14×d×l)35=n×3.14×0.019×(2.5-2×0.032)n=240.7257实际换热面积A=n×(3.14×d×l)A=257×3.14×0.019×(2.5-2×0.032)A=37.3537.35mm2通过计算换热管数为240.7根，但通过排管画图发现换热管主要集中在直径为415mm的圆内，离限定圆相差较远，容易导致壳程流体的短路。故通过增加换热管间距和增加换热管数的方法来避免壳程流体的短路。通过实际排管，昀终确定换热管数为257根。E112冷却器设计62.2壳程的有关计算计算项目公式代入数据计算结果圆整筒体计算厚度tctc=ctipD][2pctc=0.6×500/(2×163×0.85-0.6)tc=1.04筒体设计厚度tdtd