固定管板式换热器设计.docx

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固定管板式换热器设计

固定管板式换热器设计

BEM600-1.37/1.49-140-6/19-1设计

摘要

随着石化工业的不断进展，换热器在石化行业设备中占据着重要的地位。

本设计要紧针对的是固定管板式换热器，固定管板式换热器属于列管式换热器的一种，是利用间壁使高温流体和低温流体进行对流传热从而实现物料间的热量传递。

在本设计本设计包括四个部分：

说明部分；运算部分；绘图部分和翻译部分。

说明部分要紧阐述了固定管板式换热器的工艺流程及其在炼油化工生产中的地位，换热器设备及其进展现状和国内外换热器的最新进展趋势，同时介绍了换热器的结构设计，换热器要紧零部件结构的设计及压力容器常用材料等。

最后对压力容器的制造，检验和验收等问题也作了简单的介绍。

运算部分中对筒体、管箱、封头、管板、法兰、膨胀节及其他附属设备进行了详细的运算,并对各组成部分的材料，厚度，应力，强度要求，进行了详细的分析，在满足设计要求的同时，以节约的原则对各部件进行了优化。

并对管板兼做法兰的四种危险工况分别进行了校核，使其能在满足在高温高压的要求同时花费最少的成本，拥有最好的质量。

其中有许多部分的设计借鉴了其他的一些先进理论和方法，不但节约了原料，更使换热器的质量得到了技术保证。

以节约能耗与提高使用性能为设计原则，最终满足设计的目的，即低能耗、低成本、高质量。

关键词：

固定管板式换热器；换热面积；应力；管板兼作法兰；法兰连接

TheDesignoftheFittedTube-SheetExchangerBEM600-1.37/1.49-140-6/19-1

Abstract

Withthecontinuousdevelopmentofthepetrochemicalindustry,heatexchangerequipmentinthepetrochemicalindustryoccupiesanimportantposition.Thisdesignisaimedprimarilyatafixedplateheatexchangertube,fixedtubeplateheatexchangertubeisaheatexchangeristheuseofpartitionssothathigh-temperaturefluidandlow-temperaturefluidforconvectiveheattransferinordertoachievetheheattransferbetweenmaterials.

Duringthedesignofthedesignincludesfourparts:

thatpartofit;calculationpart;mappingandtranslationofsomeparts.Noteonsomeofthemajorfixed-plateheatexchangertubeanditsapplicationintheprocessofrefiningthepositionofchemicalproduction,heatexchangerandthedevelopmentofequipmentandheatexchangersathomeandabroadthelatestdevelopmenttrends,atthesametimeintroducedaheatexchangerstructuraldesign,heatexchangerdesignofthestructureofthemaincomponentsandpressurevesselscommonlyusedmaterials.Finally,pressurevesselmanufacturing,testingandacceptanceofotherissuesalsomadeabriefintroduction.Calculatedinpartonthecylinder,controlbox,head,controlpanels,flanges,expansionjointsandotherancillaryequipmenttocarryoutadetailedcalculationofthevariouscomponentsofthematerial,thickness,stress,strengthrequirements,indetailanalysisofdesignrequirementsaremetatthesametimeinordertosavetheprinciplesofthevariouscomponentswereoptimized.Flangeandtubesheetoffourtakingtheriskofworkershavebeencheckingthestatusof,respectively,toenablethemtomeettherequirementsofhightemperatureandhighpressureintheleastexpensivecostsatthesametime,havethebestquality.

Mostofthedesignmentsuseadvancedtechnologyandmethodathomeandabroadforreference.Wenotonlysavematerial，butalsoguaranteedtheheatexchanger’squality.Savingenergyandimprovingtheusingcapabilityistheprincipleofthedesignmentsandfinallysatisfiesthepurposeofthedesignments，suchasspendinglowerenergyandcostandhavingbetterquality.

Keyword：

FittedTube-SheetExchanger;Exchangearea;Strew;Tubesheetextendedasaflange;Flangecoupling

固定管板式换热器

BEM600-1.37/1.49-140-6/19-1设计

1绪论

固定管板式换热器是目前应用最为广泛的换热设备，几乎在所有的工业领域中都有应用，专门广泛应用于化工、能源、机械、交通、冶金、动力及航空航天等。

固定管板式换热器的经典结构，管束连接在管板上，管板兼做法兰与壳体焊接。

管板与管箱采纳法兰连接。

为了减少热应力，通常在固定管板式换热器中设置膨胀节，来吸取膨胀差。

固定管板式换热器具有可靠性高、适应性广等优点，在各工业领域中得到最为广泛的应用。

固定管板式换热器具有结构简单、紧凑，能承担较高的压力，可靠性高，易于制造，处理能力大，造价低，选用的材料范畴广，管程清洗方便，能承担较高的操作压力和温度，管子损坏时易于堵管或更换等优点，在高温、高压和大型换热器中，管壳式换热器占有绝对优势，研究与开发此类新型的换热器，对工业进展与经济增长具有重大意义。

2

换热器的分类及其工作原理

2.1换热器的分类及其工作原理

按换热设备热传递原理或传热方式进行分类，能够分为以下几种要紧形式。

（1）直截了当接触式换热器

这类换热器又成混合式换热器，它是利用冷，热流体直截了当接触，彼此混合进行换热的换热器。

如冷却塔，冷却冷凝器等。

为增加量流体的接触面积，以达到充分换热，在设备中常放置填料和栅板，通常采纳塔状结构。

直截了当接触式换热器具有传热效率高，单位容积提供的传热面积大，设备结构简单，价格廉价等优点，但又仅适用于工艺上承诺两种流体混合的场合。

（2）蓄热式换热器

这类换热器又称回热式换热器。

它是借助于由固体构成的蓄热体与热流体和冷却体交替接触，把热量从热流体传递给冷流体的换热器。

在换热器内第一由热流体通过，把热量积蓄在蓄热体中，然后由冷流体通过，由蓄热体把热量开释给冷流体。

由于两种流体交替与蓄热体接触，因此不可幸免地会使两种流体少量混合。

若两种流体不承诺有混合，则不能采纳蓄热式换热器。

蓄热式换热器结构紧凑，价格廉价，单位体积传热面积大，故较适合用于气-气热交换的场合。

如回转式空气预热器确实是一中蓄热式换热器。

（1）间壁式换热器

间壁式换热器又称表面式换热器。

他是利用间壁（固体壁面）将进行热交换的冷热两种流体隔开，互不接触，热量由热流体通过间壁传递给冷流体的换热器。

间壁式换热器是工业生产中应用最为广泛的换热器，其形式多种多样，如常见的管壳式换热器和板式换热器都属于间壁式换热器。

（2）中间载体式换热器

这类换热器是把两个间壁式换热器由在其中循环的载热体连接起来的换热器。

载热体在高温流体换热器和低温流体换热器之间循环，在高温流体换热器中吸取热量，在低温流体换热器换热器中把热量开释给低温流体，如换热管式换热器。

间壁式换热器分为以下几类。

（1）管式换热器

这类换热器差不多上通过管子壁面进行传热的换热器。

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，缠绕管式换热器。

①蛇管式换热器

蛇管式换热器一样由金属或非金属管子，按需要弯曲成所需的形状，如圆盘形，螺旋形和长的蛇形等。

它是最早显现的一种换热设备，具有结构简单和操作方便等优点。

按使用状态的不同，蛇管式换热器又可分为沉醉式蛇管和喷淋式蛇管两种。

②套管式换热器

它是由两种不同的大小直径的管子组成同心管，两端用U形弯管将他们连接成排，并依照实际的需要，排雷组合形成传热单元。

换热时，一种流体走内管，另一种流体走内外管之间的环隙，内管的壁面为传热面，一样按逆流的方式进行传热。

两种流体都能够再较高的温度，压力，流速下进行换热。

套管式换热器的优点是：

结构简单，工作适应范畴大，传热面积增减方便，两侧流体均可提高流速，使传热面的两侧都可有较高的传热系数；缺点是单位传热面的金属消耗量大，检修，清洗和拆卸都较苦恼。

③管壳式换热器

这类换热器是目前应用为最广泛的换热设备。

在圆筒形壳体中放置了由许多管子组成的管束，管子的两端固定在管板上，管子的轴线与壳体平行。

为了增加流体在管外空间的流速并支撑管子，改善传热性能，在筒体内间隔安装许多折流板，用拉杆和定距管将其与管子组装在一起。

管壳式换热器尽管在传热效率，结构紧凑性等方面均不如一些新型紧凑式换热器，但它具有明显的特点，即结构牢固，可靠性高，适用性广，易于制造，处理能力大生产成本低。

④缠绕管式换热器

这类换热器是在芯筒与外筒之间的空间内将传热管按螺旋线形状交替缠绕而成，相邻两层螺旋状传热管的螺旋方向相反，并采纳一定形状的定距件保持一定距离。

缠绕管式换热器适用于同时处理多种介质，在小温差下需要传递较大热量且馆内介质操作压力较高的场合。

（2）板面式换热器

这类换热器差不多上通过板面进行传热的换热器。

板面式换热器按传热面积的结构形式可分为：

螺旋板式换热器，板式换热器，板翅式换热器，板翘式换热器和伞板式换热器。

①螺旋板式换热器

螺旋板式换热器是由两张平行钢板卷制成的具有两个螺旋通道的螺旋体构成，并在其上安装端盖和接管。

其结构简单紧凑，单位体积内的传热面积约为管壳式的2-3倍，传热率比管壳式高50%-100%左右：

制造简单，利用率高。

②板式换热器

板式换热器板式换热器是由一簇长方形的薄金属传热板片盒密封垫片一级压紧装置所组成。

板片表面通常压制成为波浪形或槽形，以增加板的刚度，增大流体的湍流程度，提高热传导效率。

两相邻板片的边缘用垫片夹紧，以防止流体泄露，起到密封作用，同时也使板与板之间形成一定的间隙，构成板片间的流体通道。

冷热流体交替地在板片两侧流过，通过板片进行传热。

板式换热器管在较低的流速下即可到达湍流，具有较高的传热效率。

同时板式换热器还具有结构紧凑，使用灵活，清洗和修理比较方便。

③板翅式换热器

这种换热器的差不多结构是在两块平行金属板之间放置一种波浪形状的金属导热翅片，在其两侧边缘以封条密封而组成单元体，对各个单元进行不同的组合适当的排列，并焊牢，组成的板束，把若干板束按需要组装在一起，变构成逆流，错流，错逆流板翅式换热器。

④板翘式换热器

板翘式换热器要紧由板束和壳体两部分组成，是介于管壳式和板式换热器之间的一种换热器。

板束相当于管壳式换热器的管束，每一板束元件相当于一根管子，由板束元件构成的通道成为板式换热器的板程。

具有结构紧凑，单位体积包含的换钱面积较管壳式换热器增加70%；传热效率高，压力降小。

⑤伞板式换热器

伞板式换热器是中国独创的新型高效管热器，由板式换热器演变而来。

伞板式换热器是由伞形传热板片，异形垫片，端盖和进出口接管等组成。

它以伞形板片代替平板片，从而使制造工艺大为简化成本降低。

该设备的螺旋流道内具有湍流花纹，增加了流体的扰动程度，因而提高了传热效率。

伞板式换热器具有结构紧凑，传热效率高，便于拆洗等优点。

2.2换热器的材料

2.2.1换热器常用钢材

（1）钢材形状

钢材的形状包括板、管、棒、丝、锻件、铸件等。

换热器用的钢要紧形状是板、管和锻件。

①钢板

钢板是换热器最常用的材料，如圆筒一样由钢板卷焊而成，钢板通过冲压或旋压制成封头等。

在制造过程中，钢板要通过各种冷热加工，如下料、卷板、焊接、热处理等，因此，钢板应具有较高的强度以及良好的塑性、韧性、冷弯性能和焊接性能。

②钢管

压力容器的接管、换热管等常用无缝钢管制造。

它们通过焊接与容器壳体、法兰等连接在一起。

一样要求钢管有较高的强度、塑性和良好的焊接性能。

③锻件

高压容器的平盖、端部法兰与接管法兰等常用锻件制造。

依照锻件检验项目和数量的不同，中国压力容器锻件标准中，将锻件分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四个级别。

例如，Ⅰ级锻件只需逐件检验硬度，而Ⅳ级锻件却要逐件进行超声检测，并进行拉伸和冲击检验。

由于检验项目的不同，同一材料锻件的价格随级别的提高而升高。

（2）钢材类型

按化学成分分类，换热器用钢可分为碳素钢、低合金钢和高合金钢。

1碳素钢

碳素钢为含碳量小于2.06％的铁碳合金。

除碳以外，还含有少量的硫、磷、硅、氧、氮等元素。

换热器用碳素钢有碳素结构钢，如Q235－B和Q235－C钢板，10、20钢管，20、35钢锻件。

②低合金钢

低合金钢是一种低碳低合金钢，合金元素含量较少（总量一样不超过3％），具有优良的综合力学性能，其强度、韧性、耐腐蚀性、低温顺高温性能等均优于相同含碳量的碳素钢。

采纳低合金钢，不仅能够减小容器的厚度，减轻重量，节约钢材，而且能解决换热器在制造、检验、运输、安装中因厚度太大所带来的各种困难。

③高合金钢

换热器中采纳的低碳或超低碳高合金钢大多是耐腐蚀、耐高温钢，要紧有铬钢、铬镍钢和铬镍钼钢。

铬钢0Cr13是常用的铁素体不锈钢，有较高的强度、塑性、韧性和良好的切割加工性能，在室温的稀硝酸以及弱有机酸中有一定的耐腐蚀性，但不耐硫酸、盐酸、热磷酸等介质的腐蚀。

0Cr18Ni9、0Cr18Ni10Ti、00Cr19Ni10这三种钢均属于奥氏体不锈钢。

0Cr18Ni9在固溶态具有良好的塑性、韧性、冷加工性，在氧化性酸和大气、水、蒸汽等介质中耐腐蚀性亦佳。

但长期在水及蒸汽中工作时，0Cr18Ni9有晶间腐蚀倾向，同时在氯化物溶液中易发生应力腐蚀开裂。

00Cr19Ni10Ti具有较高的抗晶腐蚀能力，可在－196～600℃温度范畴内长期使用。

00Cr19Ni10为超低碳不锈钢，具有更好的耐蚀性。

00Cr18Ni5Mo3Si2是奥氏体－铁素体双相不锈钢，耐应力腐蚀、小孔腐蚀的性能良好，适用于制造介质中含氯离子的设备。

除上述钢材外，耐腐蚀换热器还采纳复合板。

复合板由复层和基层组成。

复层与介质直截了当接触，要求与介质有良好的相容性，通常为不锈钢、钛等耐腐蚀材料，其厚度一样为基层厚度的十分之一到三分之一。

基层与介质不接触，要紧起承载作用，通常为碳素钢和低合金钢。

用复合板制造耐腐蚀换热器，可节约大量昂贵的耐腐蚀材料，从而降低压力容器的制造成本。

复合板的焊接比一样钢板复杂，焊接接头往往是耐腐蚀的薄弱环节，因此厚度较薄、直径小的换热器最好不用复合板。

换热器零部件间焊接还需要焊条、焊丝、焊剂、电极和衬垫等焊接材料。

一样应依照待连接件的化学成分、力学性能、焊接性能，结合换热器的结构特点和使用条件综合考虑选用焊接材料，必要时还应通过试验确定。

2.2.2有色金属和非金属

（1）有色金属

有色金属在退火状态下的强度比较稳固，一样都在退火状态下使用，选用时应注意选择同类有色金属中的合适牌号。

换热器中常用的有色金属有以下几种。

①铜及其合金

在没有氧存在的情形下，铜在许多非氧化性酸中差不多上比较耐腐蚀的。

但铜最有价值的性能时在低温下保持较高的塑性及冲击韧性，时制造深冷设备的良好材料。

②铝及其合金

铝专门轻（密度约为钢的三分之一），耐浓硝酸、醋酸、碳酸、氢铵、尿素等，不耐碱，在低温下具有良好的塑性和韧性，使用温度范畴为－269～200℃，有良好的成型和焊接性能，可用来制作压力较低的储罐、塔、热交换器，防止污染产品的设备及深冷设备。

③镍和镍合金

在强腐蚀介质中比不锈钢有更好的耐腐蚀性，比耐热钢有更好的抗高温强度，最高使用温度可达900℃，由于价格高，一样只用于制造专门要求的压力容器。

④钛和钛合金

对中性、氧化性、弱还原性介质耐腐蚀，如湿氯气、氯化钠和次氯酸盐等氯化物溶液，具有密度小、强度高（相当于20R）、低温性能好、粘附力小等优点，但单位质量价格高，比一样钢材高20倍左右，使用温度仅限于350℃以内。

在介质腐蚀性强、寿命长的设备中应用，可获得较好的综合经济成效。

（2）非金属材料

非金属材料具有耐腐蚀性好，品种多，资源丰富的优点，在容器上也有宽敞的应用前景。

它既能够单独用作结构材料，也可用作金属材料爱护衬里或涂层，还可用用作设备的密封材料、保温材料和耐火材料。

非金属材料用于压力容器，除要求有良好的耐腐蚀性外，还应有足够的强度，良好的热稳固性，良好的加工制造性能。

其缺点一样是：

大多数材料耐热性不高，对温度波动比较敏锐，与金属相比强度较低（除玻璃钢外）。

换热器中常用的非金属材料有以下几种。

①涂料

涂料是一种有机高分子胶体的混合物，将其平均地涂在容器表面上能形成完整而坚强的薄膜，起耐腐蚀和爱护作用。

②工程塑料

工程塑料可分为热塑性塑料和热固性塑料。

热塑性塑料的特点是在一定温度下能够变软，而不发生化学变化，冷却后又变硬，再加热又软化。

如聚氯乙烯、聚四氟乙烯、ABS等，可用作密封元件、衬里等的材料。

③不透性石墨

具有良好的化学稳固性、导电性和导热性，可用于制造热交换器。

④陶瓷

具有良好的耐腐蚀性能，且又一定的强度，被用来制造塔、储槽、反应器和管件。

⑤搪瓷

搪瓷设备是由含硅量高的瓷釉通过900℃左右的高温煅烧，使瓷釉密着于金属胎表面而制成的。

它具有优良的耐腐蚀性能，具有一定的强度，被用来制造塔、储槽、反应器和管件。

2.3换热器研究现状及进展趋势

换热器是广泛应用于汽车、航空、石油化工、动力、医药、冶金、制冷、轻工、食品、工程机械等行业的一种通用设备。

按其传热面的形状和结构进行分类可分为管型、板型和其他形式换热器。

而板型换热器可分为螺旋型板式换热器、板式换热器和板翅式、板壳式换热器。

其他形式的换热器是为了某一专门的要求而显现的换热器,如回转式换热器、热管等。

板翅式换热器第一应用在航空和汽车行业,现在空分设备绝大多数采纳板翅式换热器。

其历史能够追溯到上个世纪30年代,由英国马尔斯顿.艾克歇尔瑟公司生产出了第一台铜质钎焊的板翅式换热器,40年代显现了铝质钎焊的板翅式换热器,50年代开始应用于空分装置,而我国是60年代开始研制的。

目前,就板翅式换热器而言,差不多上全部采纳铝合金制造,要紧由封头和芯子组成。

封头由5Ａ02即ＬＦ02制造,芯子由3Ａ21即ＬＦ21制造。

封头和芯子之间依照顾客需要采纳法兰连接或焊接。

假如采纳法兰连接还要添加垫子,由石棉橡胶制成,防止渗漏,要注意跑、冒、滴、漏的发生。

由于铝具有良好的低温韧性,故空分装置,绝大多数采纳铝制板翅式换热器。

但由于其承担压力不高,且受钎焊炉的尺寸的限制,板翅式单元尺寸不能做的太大,故只有在高压或特大容量的空分设备换热器的选型中,才有考虑采纳其他类型换热器,因此也能够采纳拼接的方法将几个小的换热器组装成一个大的换热器。

其适用范畴一样在250℃以下这是因为铝的熔点比较底,温度再高其强度得不到保证。

设计换热器时,翅片的选择也专门重要。

关于换热器而言,在满足顾客要求的情形下,压降越低越好。

如此能减少能耗,降低运行成本。

关于油-气系统,其压降一样为0.1Mpa,气-气系统,其压降0.01Mpa。

工程机械中的换热器,其介质为油-气,用多孔的翅片形式比较好,因为假如用锯齿型翅片,翅形复杂加上油的黏度大,相应的阻力也大,在进行水压试验时,容易显现换热器涨破的现象,质量得不到保证。

封头一样采纳氩狐焊,能够是手工的,也能够是半自动的;其芯子部分采纳真空钎焊,改变了传统的由盐浴的老工艺。

克服了容易局部脱焊,污染严峻的缺点,真空钎焊能精确操纵温度,加热平均,变形小的特点,因而其质量、效率得到大大提高,成为目前国内厂家的首选。

不同的厂家,由于设备、资金、人力的不同,因而翅片类型也不一样,一样有波浪的、锯齿的、多孔的、平直的等等。

国内厂家可分为三个类型和层次,一类是国有大中型企业,如河南开封空分设备厂,杭州制氧机厂、兰州石油机械研究所。

他们曾为我国换热器的国产化,作出了突出奉献.并研制开发了具有独立自主产权的换热器,打破了我国换热器长期依靠进口的局面,填补了我国在这这一领域的空白。

第二类是随着改革开放的深入,在东南一些发达的省份,如江苏、浙江,山东,其乡镇企业发达,数量众多,成为生产换热器的一支生力军。

其一开始是为主机公司生产配件,其技术也源于主机厂,到后来成为其竞争的对手,通过聘用离、退休人员,来加强自己的技术力量。

这类厂子规模从数十人到数百人不等,通常以一个村为单位。

第三类,确实是从乡镇企业分流出去的一部分人,他们要么有技术,要么有资金,要么有市场,自己创办的私营企业。

他们由于规模较小,往往能够为顾客量体裁衣,也赢得了一定的市场份额,从而稳步进展。

同一类产品在国外,如英格索兰、阿特拉斯、舒瑞浦,瑞典的阿法拉伐。

而对石油工业中某些大型、高压、有相变的多股流板翅式换热器的设计、制造,由于过去这些大型石化设备差不多上差不多上进口,国内行业没有机遇进行研制,因此这方面有待于研发。

1878年德国人发明了板式换热器,通过一个多世纪的进展,差不多得到了广泛的应用和推广,成为紧凑、高效的换热设备之一,与螺旋板式和板翅式共称为紧凑式换热器。

板式换热器由薄金属片压制组装而成,按其板片材质的不同,能够分为铜、不锈钢、镍、石墨。

按拆装方式分能够分为可拆卸式、半焊接式、全焊接式、双壁式、大间隙式板式换热器等类型。

上世纪七十年代末期,阿法拉伐发明了铜钎焊板式换热器,为暖通空调及制冷的设计理念带来了一场革命