固定管板式管壳式冷却器设计方案说明书Word文档下载推荐.docx

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2.2.4壳体及其与管板的连接……………………………………………10

2.2.5折流板…………………………………………………………………11

2.2.6拉杆和定距管………………………………………………………12

2.3管壳式换热器的标准………………………………………………………13

第三章煤油冷却器设计计算………………………………………………………14

3.1设计任务与设计方案的确定………………………………………………14

3.1.1原始资料………………………………………………………………14

3.1.2选择换热器类型………………………………………………………14

3.1.3流动空间及流速的确定………………………………………………14

3.1.4确定物性数据…………………………………………………………14

3.1.5传热量及平均温差……………………………………………………15

3.1.6估算传热面积及传热面结构…………………………………………16

3.1.7管程计算………………………………………………………………18

3.1.8壳程结构及壳程计算…………………………………………………18

3.1.9需用传热面积………………………………………………………20

3.1.10阻力计算……………………………………………………………21

第四章设计心得体会…………………………………………………………24

参考文献…………………………………………………………………………26

附录………………………………………………………………………………27

第一章概述

1.1换热器简单介绍

在石油化工生产中，常需要加热或冷却，及热量的传递。

热量的传递有导热、对流和辐射三种基本方式。

本设计是导热与对流两种传热方式的组合。

当一种流体与另一种流体进行热交换而且不允许混合时，就要求在间壁式热交换器中进行，冷热流体被固体传热面隔开。

本次设计的题目是固定管板的管壳式煤油冷却器，冷却器是换热设备中的一种，它是按在化工生产中所用的各种换热设备的功能和用途不同进行分类的。

用水或其他冷却介质冷却液体或气体的装置称为冷却器。

在不同温度的流体间传递热能的装置称为热交换器，简称换热器。

在换热器中至少要有两种流体，一种流体温度较高，放出热量；

另一种流体则温度较低，吸收热量。

在工程实践中有时也会存在两种以上流体参加换热的换热器，但它的基本原理与前一种情形并无本质上的区别。

1.2本设计的目的与意义

通过本次课程设计，培养学生多方位、综合地分析考察工程问题并独立解决工程实际问题的能力。

主要体现在以下几方面：

<

1）资料、文献、数据的查阅、收集、整理和分析的能力。

要科学、合理、有创新地完成一项工程设计，往往需要各种数据和相关资料。

因此，资料、文献和数据的查找、收集是工程设计必不可少的基础工作。

2）工程的设计计算能力和综合评价的能力。

为了使设计合理要进行大量的工艺计算和设备的设计计算。

本设计包括热工计算和冷却器设备的结构计算。

3）工程设计表达能力。

工程设计完成后，往往要交付他人实施或与他人交流，因此，在工程设计进行和完成过程中，都必须将设计理念、思想、设计过程和结果用文字、图纸和表格的形式表达出来。

只有完整、流畅、正确地表达出来的工程设计内容，才可能被他人理解、接受，顺利付诸实施。

通过本设计不仅可以进一步巩固学生所学的相关知识，提高学生学以致用的综合能力，尤其对传热学、流体力学等课程更加熟悉，同时还可以培养学生尊重科学、注重实践和学习严谨、作风踏实的品格。

第二章管壳式换热器的性能及特点

管壳式换热器具有悠久的使用历史，虽然在传热效率、紧凑性及金属耗量等方面不如近年来出现的其他新型换热器；

但其具有结构坚固、可承受较高的压力、制造工艺成熟、适应性强，其允许压力可以从高真空到41.5MPa，温度可以从-100°

C以下到1100°

C高温及选材范围广等优点，目前，仍是化工生产中应用最广泛的一种间壁式换热器，按其结构特点有固定管板、U形管、和浮头和填料涵式换热器式四种形式。

三种各有优缺点，适用于不同的场合。

管壳式换热器主要是由壳体、管束、管板、管箱及折流板等组成，管束和管板是刚性连接在一起的。

2.1列管式换热器的类型

2.1.1固定管板式换热器

固定管板式换热器的两端和壳体连为一体，管子则固定于管板上，它的结构简单；

在相同的壳体直径内，排管最多，比较紧凑；

由于这种结构使壳侧清洗困难，所以壳程宜用于不易结垢和清洁的流体。

当管束和壳体之间的温差太大而产生不头脑感的热膨胀时，常会使管子与管板的接口脱开，从而发生介质的泄露。

为此常在外壳上焊一膨胀节，但它仅能减小而不能完全消除由于温差而产生的热应力，且在多程换热器中，这种方法不能照顾到管子的相对移动。

由次可见，这种换热器比较适用于温差不大或温差较大但壳程压力不高的场合。

2.1.2浮头式换热器

浮头式换热器针对固定板式换热器的缺陷做了结构上的改进。

两端管板只有一端与壳体完全固定，另一端则相对于壳体作某些移动，该端称之为浮头。

次类换热器的管束膨胀不受壳体的约束，所以壳体与管束之间不会由于膨胀量的不同而产生热应力。

而且在清洗和检修时，紧需将管束从壳体中抽出即可，所以能适用于管壳壁间温差教大，或易于腐蚀和易于结垢的场合。

但该类换热器结构复杂、笨重，造价约为固定管板式高２０％左右，材料消耗量大，而且由于浮头的端盖在操作中无法检查，所以在制造和安装时要特别注意其密封，以免发生内漏，管束和壳体的间隙较大，在设计时要避免短路。

至于壳程的压力也受滑动接触面的密封限制。

2.1.3U型管换热器

U型管换热器仅有一个管板，管子两端菌固定于同一管板上。

这类换热器的特点是：

管束可以自由伸缩，不会因管壳之间的温差而产生热应力，热补偿性能好；

管程为双管程，流程较长，流速较高，传热性能较好；

承受压力强；

管束可以从壳体内抽出，便于检修和清洗，且结构简单，造价便宜。

但管内清洗不便，管束中间部分管子难以更换，又因为最内层管子弯曲半径不能太小，在管板中心部分布管不紧凑，所以管子数不能太多，且管束中心部分存在间隙，使壳程流体易于短路而影响壳程换管。

此外，为了弥补弯管后管壁的减薄，直管部分必须用壁较厚的管子。

这就影响了它的使用场合，仅宜用于管壳壁温差较大，或壳程介质易结垢而管程介质不易结垢，高温、高压、腐蚀性强的情形。

2.1.4填料涵式换热器

此类换热器的管板也仅有一端与壳体固定，另一端采用填料函密封。

它的管束也可以自由膨胀，所以管壳之间不会产生热应力，且管诚和壳程都能清洗，结构较浮头式简单，造价较低，加工制造方便，材料消耗较少。

但由于填料密封处易于泄露，故壳程压力不能过高，也不宜用于易挥发、宜燃、易爆、有毒的场合。

管壳式换热器工作时，一种流体走管内、称为管程，另一种流体走管外<

壳体内）、称为壳程。

管内流体从换热管一端流向另一端一次，称为一程；

管内流体从换热管一端经过U形弯曲段流向另一端一次，称为两程。

两管程以上就需要在管板上设置分程隔板来实现分程。

2.2题目要求换热器的设计

本设计要求是带有固定管板的管壳式冷却器。

下面介绍其特点：

所谓“固定管板”是指管板和壳体之间也是刚性连接在一起，相互之间无相对移动，具体结构如图2-1所示。

这种换热器结构简单、制造方便、造价较低；

在相同直径的壳体内可排列较多的换热管，而且每根换热管都可单独进行更换和管内清洗；

但管外壁清洗较困难。

当两种流体的温差较大时，会在壳壁和管壁中产生温差应力，一般当温差大于50℃时就应考虑在壳体上设置膨胀节以减小或消除温差应力。

固定管板式换热器适用于壳程流体清洁，不易结垢，管程常要清洗，冷热流体温差不太大的场合。

2.2.1换热管及其在管板上的排列

换热管是壳式换热器的传热元件，它直接与两种介质接触。

常用换热管为：

碳钢、低合金钢管有ф19×

2、ф25×

2.5、ф38×

3、ф57×

3.5；

不锈钢管有ф25×

2、ф38×

2.5。

采用小管径、布管数量多，单位体积的传热面积增大、金属耗量少，结构紧凑，传热效率也稍高一些；

但制造较麻烦，且小直径管子易结垢，不易清洗。

所以一般对清洁流体用小直径的管子，粘性较大的或污浊的流体采用大直径的管子。

在相同传热面积下，换热管越长则壳体、封头的直径和壁厚就越小，经济性越好；

但换热管过长，经济效果不再显著且清洗、运输、安装都不太方便。

换热管的长度规格有1.5、2.0、3.0、4.5、6.0、7.5、9.0、12.0m，化工生产中6m管长的换热器最常用。

换热器一般都用光管，为了强化传热，也可用螺纹管、带钉管及翅片管等。

换热管在管板上的排列形式有正三角形、转角正三角形、正方形和转角正方形等。

如图2-2所示。

三角形排列布管多，结构紧凑，但管外清洗不便；

正方形排列便于管外清洗，但布管较少、结构不够紧凑。

一般在固定管板式换热器中多用三角形排列，浮头式换热器多用正方形排列。

2.2.2管板和管子的连接

管板是换热器的主要部件之一，一般采用圆形平板，在板上开孔并装设换热管。

管板还起分隔管程和壳程空间、避免冷热流体混合的作用。

管板和管子的连接方式有胀接和焊接，对于高温高压下常采用胀、焊并用的方式。

图2-3胀接连接

胀接连接是利用管子与管板材料的硬度差，使管孔中的管子在胀管器的作用下直径变大并产生塑性变形，而管板只产生弹性变形，胀管后管板在弹性恢复力的作用下与管子外表紧紧贴合在一起，达到密封和紧固连接的目的，如图2-3所示。

由于胀接是靠管子的变形来达到密封和压紧的一种机械连接方法，当温度升高时，由于蠕变现象的作用可能引起接头脱落或松动，发生泄漏。

因此，胀接适用于换热管为碳钢，管板为碳钢或低合金钢，设计压力不超过4MPa、设计温度不超过350℃，且无特殊要求的场合。

焊接连接是将换热管的端部与管板焊在一起，工艺简单、不受管子和管板材料硬度的限制，且在高温高压下仍能保持良好的连接效果，所以对于碳钢或低合金钢，温度在300℃以上，大都采用焊接连接，如图2-4所示。

因为当温度在300℃以上时，蠕变造成胀接残余应力松弛，将使胀口失效。

目前广泛采用焊接加胀接。

这种方法能够提高接头的抗疲劳性能，并且能消除应力腐蚀和间隙腐蚀，从而延长接头的使用寿命。

2.2.3管箱 

管箱位于壳体两端，其作用是控制及分配管程流体。

管箱的结构如图2-5所示，其中<

a）图适用于较清洁的介质，因检查管子及清洗时只能将管箱整体卸下，故不够方便；

b）图在管箱上装有平盖，只要拆下平盖即可进行清洗和检查，所以工程应用较多，但材料用量较大；

c）图是将管箱与管板焊成整体，这种结构密封