管殼式換熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計

緒論1.1換熱器的概念及意義換熱器（英語翻譯：heatexchanger），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)部門的通用設(shè)備，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)用更加廣泛。[1]換熱器是化工、石油、能源等各工業(yè)中應(yīng)用相當廣泛的單元設(shè)備之一。據(jù)統(tǒng)計,在現(xiàn)代化學(xué)工業(yè)中換熱器的投資大約占設(shè)備總投資的30%,在煉油廠中占全部工藝設(shè)備的40%左右,海水淡化工藝裝置則幾乎全部是由換熱器組成的。對國外換熱器市場的調(diào)查表明,雖然各種板式換熱器的競爭力在上升,但管殼式換熱器仍占主導(dǎo)地位約64%。新型換熱元件與高效換熱器開發(fā)研究的結(jié)果表明,列管式換熱器已進入一個新的研究時期,無論是換熱器傳熱管件,還是殼程的折流結(jié)構(gòu)都比傳統(tǒng)的管殼式換熱器有了較大的改變,其流體力學(xué)性能、換熱效率、抗振與防垢效果從理論研究到結(jié)構(gòu)設(shè)計等方面也均有了新的進步。目前各國為改善該換熱器的傳熱性能開展了大量的研究,主要包括管程結(jié)構(gòu)和殼程結(jié)構(gòu)強化傳熱的發(fā)展。[2]1.2換熱器的發(fā)展歷史二十世紀20年代出現(xiàn)板式換熱器，并應(yīng)用于食品工業(yè)。以板代管制成的換熱器，結(jié)構(gòu)緊湊，傳熱效果好，因此陸續(xù)發(fā)展為多種形式。30年代初，瑞典首次制成螺旋板換熱器。接著英國用釬焊法制造出一種由銅及其合金材料制成的板翅式換熱器，用于飛機發(fā)動機的散熱。30年代末，瑞典又制造出第一臺板殼式換熱器，用于紙漿工廠。在此期間，為了解決強腐蝕性介質(zhì)的換熱問題，人們對新型材料制成的換熱器開始注意。60年代左右，由于空間技術(shù)和尖端科學(xué)的迅速發(fā)展，迫切需要各種高效能緊湊型的換熱器，再加上沖壓、釬焊和密封等技術(shù)的發(fā)展，換熱器制造工藝得到進一步完善，從而推動了緊湊型板面式換熱器的蓬勃發(fā)展和廣泛應(yīng)用。此外，自60年代開始，為了適應(yīng)高溫和高壓條件下的換熱和節(jié)能的需要，典型的管殼式換熱器也得到了進一步的發(fā)展。70年代中期，為了強化傳熱，在研究和發(fā)展熱管的基礎(chǔ)上又創(chuàng)制出熱管式換熱器。換熱器中流體的相對流向一般有順流和逆流兩種。順流時，入口處兩流體的溫差最大，并沿傳熱表面逐漸減小，至出口處溫差為最小。逆流時，沿傳熱表面兩流體的溫差分布較均勻。在冷、熱流體的進出口溫度一定的條件下，當兩種流體都無相變時，以逆流的平均溫差最大順流最小。在完成同樣傳熱量的條件下，采用逆流可使平均溫差增大，換熱器的傳熱面積減??；若傳熱面積不變，采用逆流時可使加熱或冷卻流體的消耗量降低。前者可節(jié)省設(shè)備費，后者可節(jié)省操作費，故在設(shè)計或生產(chǎn)使用中應(yīng)盡量采用逆流換熱。當冷、熱流體兩者或其中一種有物相變化(沸騰或冷凝)時，由于相變時只放出或吸收汽化潛熱，流體本身的溫度并無變化，因此流體的進出口溫度相等，這時兩流體的溫差就與流體的流向選擇無關(guān)了。除順流和逆流這兩種流向外，還有錯流和折流等流向。在傳熱過程中，降低間壁式換熱器中的熱阻，以提高傳熱系數(shù)是一個重要的問題。熱阻主要來源于間壁兩側(cè)粘滯于傳熱面上的流體薄層(稱為邊界層)，和換熱器使用中在壁兩側(cè)形成的污垢層，金屬壁的熱阻相對較小。增加流體的流速和擾動性，可減薄邊界層，降低熱阻提高給熱系數(shù)。但增加流體流速會使能量消耗增加，故設(shè)計時應(yīng)在減小熱阻和降低能耗之間作合理的協(xié)調(diào)。為了降低污垢的熱阻，可設(shè)法延緩污垢的形成，并定期清洗傳熱面。一般換熱器都用金屬材料制成，其中碳素鋼和低合金鋼大多用于制造中、低壓換熱器；不銹鋼除主要用于不同的耐腐蝕條件外，奧氏體不銹鋼還可作為耐高、低溫的材料；銅、鋁及其合金多用于制造低溫換熱器；鎳合金則用于高溫條件下；非金屬材料除制作墊片零件外，有些已開始用于制作非金屬材料的耐蝕換熱器，如石墨換熱器、氟塑料換熱器和玻璃換熱器等。[3]1.3換熱器的應(yīng)用和發(fā)展前景換熱器是一種在不同溫度的兩種或兩種以上流體間實現(xiàn)物料之間熱量傳遞的節(jié)能設(shè)備，是使熱量由較高的流體傳遞給溫度較低的流體，使流體溫度達到流程規(guī)定的指標，以滿足過程工藝條件的需要，同時也提高能源利用率的主要設(shè)備之一。換熱器行業(yè)涉及暖通、壓力容器、中水處理設(shè)備等近30多種產(chǎn)業(yè)，相互形成產(chǎn)業(yè)鏈條。據(jù)《2013-2017年中國換熱器行業(yè)發(fā)展前景預(yù)測與轉(zhuǎn)型升級分析報告》數(shù)據(jù)顯示2010年中國換熱器產(chǎn)業(yè)市場規(guī)模在500億元左右，主要集中于石油、化工、冶金、電力、船舶、集中供暖、制冷空調(diào)、機械、食品、制藥等領(lǐng)域。其中，石油化工領(lǐng)域仍然是換熱器產(chǎn)業(yè)最大的市場，其市場規(guī)模為150億元;電力冶金領(lǐng)域換熱器市場規(guī)模在80億元左右;船舶工業(yè)換熱器市場規(guī)模在40億元以上;機械工業(yè)換熱器市場規(guī)模約為40億元;集中供暖行業(yè)換熱器市場規(guī)模超過30億元，食品工業(yè)也有近30億元的市場。另外，航天飛行器、半導(dǎo)體器件、核電常規(guī)島核島、風力發(fā)電機組、太陽能光伏發(fā)電多晶硅生產(chǎn)等領(lǐng)域都需要大量的專業(yè)換熱器，這些市場約有130億元的規(guī)模。近年來國內(nèi)換熱器行業(yè)在節(jié)能增效、提高傳熱效率、減少傳熱面積、降低壓降、提高裝置熱強度等方面的研究取得了顯著成績?；谑?、化工、電力、冶金、船舶、機械、食品、制藥等行業(yè)對換熱器穩(wěn)定的需求增長，我國換熱器行業(yè)在未來一段時期內(nèi)將保持穩(wěn)定增長，前瞻網(wǎng)預(yù)計2011年至2020年期間，我國換熱器產(chǎn)業(yè)將保持年均10-15%左右的速度增長，到2020年我國換熱器行業(yè)規(guī)模有望達到1500億元。目前，全國換熱設(shè)備市場呈現(xiàn)出供不應(yīng)求的市場狀態(tài)，換熱設(shè)備產(chǎn)業(yè)正處在黃金增長期。世界換熱器產(chǎn)業(yè)的總市場規(guī)模在500億美元左右。其中，歐盟和美國這兩大市場的規(guī)模約占200億美元，占全球換熱器市場近40%的份額。世界換熱器市場新的增長點集中于中國、俄羅斯、巴西、印度“金磚四國”和快速發(fā)展的東南亞市場。其中，“金磚四國”約占全球換熱器市場近30%的份額。中國、俄羅斯、巴西、印度和東南亞換熱器市場是最近幾年增長較快的國家和地區(qū)。這些地區(qū)近些年來的經(jīng)濟發(fā)展速度較快，對換熱器設(shè)備的需求增加較多。印度最近幾年在軍工、造船領(lǐng)域發(fā)展較快，對該領(lǐng)域換熱器的需求較大（一艘航空母艦需要換熱器約600-700萬美元）；俄羅斯地處高緯度地區(qū)，軍工、重化工產(chǎn)業(yè)發(fā)達，對集中供熱用換熱器和工業(yè)用換熱器市場需求巨大，但俄羅斯不能生產(chǎn)0.5mm不銹鋼板，因此不具備生產(chǎn)換熱器的條件，換熱器基本依靠進口，主要是整機進口或進口板片組裝，原材料成本居高不下使俄羅斯市場上的換熱器價格很高；另外，東南亞國家近些年來經(jīng)濟發(fā)展迅速，大規(guī)模的能源電力等基礎(chǔ)建設(shè)對換熱器產(chǎn)品的需求出現(xiàn)較大的增長。在世界范圍內(nèi)，雖然目前管殼式換熱器仍占主導(dǎo)地位，但各種板式換熱器的競爭力在逐漸上升。世界換熱器產(chǎn)業(yè)在產(chǎn)品與技術(shù)方面的發(fā)展趨勢主要表現(xiàn)為產(chǎn)品大型化、高效化、節(jié)能化，此外，換熱器新材料的開發(fā)應(yīng)用、產(chǎn)品技術(shù)的更新?lián)Q代、不同應(yīng)用領(lǐng)域產(chǎn)品的細分化也都是行業(yè)的發(fā)展趨勢。隨著工業(yè)裝置的大型化及高效化，世界換熱器也趨于大型化，并向低溫差、低壓力損失方向發(fā)展，在大型化的同時也提高了產(chǎn)品的換熱效率，更加體現(xiàn)節(jié)能減排。在管殼式換熱器領(lǐng)域，世界大型管殼式換熱器直徑已經(jīng)突破4.5m，部分甚至達到了5m以上，出現(xiàn)了換熱面積超過10000m2的超大型管殼式換熱器；目前，板殼式換熱器、空氣預(yù)熱器的最大單臺換熱面積也都超過了10000m2。[4]1.4換熱器的市場狀況圖1.1換熱器行業(yè)發(fā)展前景預(yù)測圖

前瞻產(chǎn)業(yè)研究院發(fā)布的《2012-2016年中國換熱器行業(yè)發(fā)展前景預(yù)測與轉(zhuǎn)型升級分析報告》顯示，2010年中國換熱器產(chǎn)業(yè)市場規(guī)模在500億元左右，主要集中于石油、化工、冶金、電力、船舶、集中供暖、制冷空調(diào)、機械、食品、制藥等領(lǐng)域。其中，石油化工領(lǐng)域仍然是換熱器產(chǎn)業(yè)最大的市場，其市場規(guī)模為150億元;電力冶金領(lǐng)域換熱器市場規(guī)模在80億元左右;船舶工業(yè)換熱器市場規(guī)模在40億元以上;機械工業(yè)換熱器市場規(guī)模約為40億元;集中供暖行業(yè)換熱器市場規(guī)模超過30億元，食品工業(yè)也有近30億元的市場。1.5管殼式換熱器的分類以及各自特點基本類型根據(jù)管殼式換熱器的結(jié)構(gòu)特點可分為固定管板式、浮頭式、U形管式和填函式四類。[5]1.5.1固定管板式換熱器固定管板式換熱器管束連接在管板上管板與殼體焊接。（1）優(yōu)點：傳熱面積比浮頭式換熱器大，旁路漏流較水，鍛件使用較少，沒有內(nèi)漏。（2）缺點：不適用于換熱管與殼程圓筒的熱膨脹變形差很大的場合管板與管頭之間易產(chǎn)生溫差應(yīng)力而損壞為了減少熱應(yīng)力通常在固定管板式換熱器中設(shè)置柔性元件如設(shè)置膨脹節(jié)來吸收熱膨脹差；殼程無法機械清洗不適用于殼程結(jié)垢的場合；管子腐蝕后造成連同殼體報廢殼體部件壽命決定于管子壽命故設(shè)備壽命相對較低。（3）適用的場合：設(shè)備需要盡少使用法蘭密封面的場合；管殼程金屬溫差不是很大的場合；殼程流體清潔無需經(jīng)常抽出管束清洗的場合。圖1.2固定管板式換熱器結(jié)構(gòu)圖1.5.2浮頭式換熱器浮頭浮頭式換熱器的兩端管板中只有一端與殼體固定另一端可相對殼體自由移動稱為浮頭。浮頭由浮頭管板、鉤圈和浮頭端蓋組成是可拆連接管束可從殼體內(nèi)抽出。管束與殼體的熱變形互不約束因而不會主生熱應(yīng)力。浮頭式換熱器的特點。（1）優(yōu)點：管束可以抽出以方便清洗管程、殼程；殼程壁與管壁不受溫差限制；可在高溫、高壓下工作一般溫度T≤450℃P

≤6.4MPa；可用于結(jié)垢比較嚴重的場合；可用于管程腐蝕場合。（2）缺點:浮頭端易發(fā)生內(nèi)漏；金屬材料耗量大成本高；結(jié)構(gòu)復(fù)雜.。（3）可用的場合：管殼程金屬溫差很大場合；殼程介質(zhì)易結(jié)垢要求經(jīng)常清洗的場合。圖1.3浮頭式換熱器結(jié)構(gòu)圖1.5.3U形管式換熱器U形換熱器的結(jié)構(gòu)特點是只有一塊管板管束由多根U形管組成管的兩端固定在同一塊管板上管子可以自由伸縮。當殼體與U形換熱管有溫差時不會產(chǎn)生熱應(yīng)力。由于受彎管曲率半徑的限制其換熱管排布較少管束最內(nèi)層管層管間距較大管板的利用率較低殼程流體易形式成短路對傳熱不利。當管子泄漏損壞時只有管束外圍處的U形管才便于更換內(nèi)層換熱管壞了不能更換只能堵死而壞一根U形相當于壞兩根管報廢率較高。（1）優(yōu)點：管束可抽出來機械清洗殼體與管壁不受溫差限制可在高溫、高壓下工作一般適用于T≤500℃P

≤10MPa；可用于殼程結(jié)垢比較嚴重的場合；可用于管程易腐蝕場合。（2）缺點:在管子的U型處易沖蝕應(yīng)控制管內(nèi)流速；管程不適用于結(jié)垢較重的場合；因死區(qū)較大只適用于內(nèi)導(dǎo)流筒；單管程換熱器不適用。（3）可用的場合:管程走清潔流體；管程壓力特別高；管殼程金屬溫差很大固定管板換熱器連設(shè)置膨脹節(jié)都無法滿足要求的場合。圖1.4U形管式換熱器結(jié)構(gòu)圖1.5.4填料函式換熱器填料函式換熱器的結(jié)構(gòu)特點與浮頭式換熱器相類似，浮頭部分露在殼體以外，在浮頭與殼體的滑動接觸面處采用填料函式密封結(jié)構(gòu)。由于采用填料函式密封結(jié)構(gòu)，使得管束在殼體軸向可以自由伸縮，不會產(chǎn)生殼壁與管壁熱變形差而引起的熱應(yīng)力。填料函式換熱器現(xiàn)在已很少采用。（1）優(yōu)點：比浮頭式換熱器簡單，加工制造方便，節(jié)省材料，造價低廉，管束可以抽出，清洗、維修方便。（2）缺點：填料處易產(chǎn)生泄露，不適用于易揮發(fā)、易燃、易爆、有毒及貴重介質(zhì)，使用溫度也受填料的限制。（3）適用范圍：適用于4MPa以下的工作條件。圖1.5填料函式換熱器結(jié)構(gòu)圖.1.6管殼式換熱器的設(shè)計與選型管殼式換熱器是一種傳統(tǒng)的標準換熱設(shè)備，它具有制造方便、選材面廣、適應(yīng)性強、處理量大、清洗方便、運行可靠、能承受高溫、高壓等優(yōu)點，在許多工業(yè)部門中大量使用，尤其是在石油、化工、熱能、動力等工業(yè)部門所使用的換熱器中，管殼式換熱器居主導(dǎo)地位。1.6.1管殼式換熱器的設(shè)計與選型換熱器的設(shè)計是通過計算，確定經(jīng)濟合理的傳熱面積及換熱器的其它有關(guān)尺寸，以完成生產(chǎn)中所要求的傳熱任務(wù)。1．設(shè)計的基本原則（1）流體流徑的選擇流體流徑的選擇是指在管程和殼程各走哪一種流體，此問題受多方面因素的制約，下面以固定管板式換熱器為例，介紹一些選擇的原則。①不潔凈和易結(jié)垢的流體宜走管程，因為管程清洗比較方便。②腐蝕性的流體宜走管程，以免管子和殼體同時被腐蝕，且管程便于檢修與更換。③壓力高的流體宜走管程，以免殼體受壓，可節(jié)省殼體金屬消耗量。④被冷卻的流體宜走殼程，可利用殼體對外的散熱作用，增強冷卻效果。⑤飽和蒸汽宜走殼程，以便于及時排除冷凝液，且蒸汽較潔凈，一般不需清洗。⑥有毒易污染的流體宜走管程，以減少泄漏量。⑦流量小或粘度大的流體宜走殼程，因流體在有折流擋板的殼程中流動，由于流速和流向的不斷改變，在低Re（Re>100）下即可達到湍流，以提高傳熱系數(shù)。⑧若兩流體溫差較大，宜使對流傳熱系數(shù)大的流體走殼程，因壁面溫度與α大的流體接近，以減小管壁與殼壁的溫差，減小溫差應(yīng)力。以上討論的原則并不是絕對的，對具體的流體來說，上述原則可能是相互矛盾的。因此，在選擇流體的流徑時，必須根據(jù)具體的情況，抓住主要矛盾進行確定。（2）流體流速的選擇流體流速的選擇涉及到傳熱系數(shù)、流動阻力及換熱器結(jié)構(gòu)等方面。增大流速，可加大對流傳熱系數(shù)，減少污垢的形成，使總傳熱系數(shù)增大；但同時使流動阻力加大，動力消耗增多；選擇高流速，使管子的數(shù)目減小，對一定換熱面積，不得不采用較長的管子或增加程數(shù)，管子太長不利于清洗，單程變?yōu)槎喑淌蛊骄鶄鳠釡夭钕陆?。因此，一般需通過多方面權(quán)衡選擇適宜的流速。（3）冷卻介質(zhì)（或加熱介質(zhì)）終溫的選擇在換熱器的設(shè)計中，進、出換熱器物料的溫度一般是由工藝確定的，而冷卻介質(zhì)（或加熱介質(zhì)）的進口溫度一般為已知，出口溫度則由設(shè)計者確定。如用冷卻水冷卻某種熱流體，水的進口溫度可根據(jù)當?shù)貧夂驐l件作出估計，而出口溫度需經(jīng)過經(jīng)濟權(quán)衡確定。為了節(jié)約用水，可使水的出口溫度高些，但所需傳熱面積加大；反之，為減小傳熱面積，則可增加水量，降低出口溫度。一般來說，設(shè)計時冷卻水的溫度差可取5~10℃。缺水地區(qū)可選用較大溫差，水源豐富地區(qū)可選用較小的溫差。若用加熱介質(zhì)加熱冷流體，可按同樣的原則選擇加熱介質(zhì)的出口溫度。（4）管子的規(guī)格和管間距①管子規(guī)格的選擇包括管徑和管長。目前試行的管殼式換熱器系列只采用25×2.5mm及19×2mm兩種管徑規(guī)格的換熱管。對于潔凈的流體，可選擇小管徑，對于易結(jié)垢或不潔凈的流體，可選擇大管徑。管長的選擇以清理方便和合理使用管材為原則。我國生產(chǎn)的標準鋼管長度為6m，故系列標準中管長有1.5、2、3和6m四種。此外管長和殼徑的比例應(yīng)適當，一般為4~6。②管間距管子的中心距t稱為管間距，管間距小，有利于提高傳熱系數(shù)，且設(shè)備緊湊。但由于制造上的限制，一般為管的外徑。（5）管程和殼程數(shù)的確定①管程數(shù)的確定當換熱器的換熱面積較大而管子又不能很長時，就得排列較多的管子，為了提高流體在管內(nèi)的流速，需將管束分程。但是程數(shù)過多，導(dǎo)致管程流動阻力加大，動力能耗增大，同時多程會使平均溫差下降，設(shè)計時應(yīng)權(quán)衡考慮。管殼式換熱器系列標準中管程數(shù)有1、2、4、6四種。采用多程時，通常應(yīng)使每程的管子數(shù)相等。②殼程數(shù)的確定當溫度差校正系數(shù)時，應(yīng)采用殼方多程。殼方多程可通過安裝與管束平行的隔板來實現(xiàn)。流體在殼內(nèi)流經(jīng)的次數(shù)稱殼程數(shù)。但由于殼程隔板在制造、安裝和檢修方面都很困難，故一般不宜采用。常用的方法是將幾個換熱器串聯(lián)使用，以代替殼方多程。（6）折流檔板的選用安裝折流擋板的目的是為了加大殼程流體的速度，使湍動程度加劇，提高殼程流體的對流傳熱系數(shù)。折流擋板有弓形、圓盤形、分流形等形式，其中以弓形擋板應(yīng)用最多。擋板的形狀和間距對殼程流體的流動和傳熱有重要的影響。弓形擋板的弓形缺口過大或過小都不利于傳熱，還往往會增加流動阻力。通常切去的弓形高度為外殼內(nèi)徑的10~40%，常用的為20%和25%兩種。擋板應(yīng)按等間距布置，擋板最小間距應(yīng)不小于殼體內(nèi)徑的1/5，且不小于50mm；最大間距不應(yīng)大于殼體內(nèi)徑。系列標準中采用的板間距為：固定管板式有150、300和600mm三種；浮頭式有150、200、300、480和600mm五種。板間距過小，不便于制造和檢修，阻力也較大；板間距過大，流體難于垂直流過管束，使對流傳熱系數(shù)下降。（7）外殼直徑的確定換熱器殼體的直徑可采用作圖法確定，即根據(jù)計算出的實際管數(shù)、管長、管中心距及管子的排列方式等，通過作圖得出管板直徑，換熱器殼體的內(nèi)徑應(yīng)等于或稍大于管板的直徑。但當管數(shù)較多又需要反復(fù)計算時，用作圖法就太麻煩。一般在初步設(shè)計中，可參考殼體系列標準或通過估算初選外殼直徑，待全部設(shè)計完成后，再用作圖法畫出管子的排列圖。為使管子排列均勻，防止流體走“短路”，可以適當?shù)卦黾右恍┕茏踊虬才乓恍├瓧U。（8）流體通過換熱器的流動阻力（壓降）計算流體流經(jīng)管殼式換熱器的阻力，應(yīng)按管程和殼程分別計算。①管程流動阻力計算對于多管程換熱器，其總阻力為各程直管阻力、回彎阻力及進、出口阻力之和。相比之下，進、出口阻力較小，一般可忽略不計。②殼程流動阻力的計算用于計算殼程流動阻力的公式很多，由于殼程流體的流動狀況較為復(fù)雜，用不同的公式計算結(jié)果差別很大。1.6.2．設(shè)計與選型的具體步驟管殼式換熱器的設(shè)計計算步驟如下：（1）估算傳熱面積，初選換熱器型號①根據(jù)換熱任務(wù)，計算傳熱量。②確定流體在換熱器中的流動途徑。③確定流體在換熱器中兩端的溫度，計算定性溫度，確定在定性溫度下的流體物性。④計算平均溫度差，并根據(jù)溫度差校正系數(shù)不應(yīng)小于0.8的原則，確定殼程數(shù)或調(diào)整加熱介質(zhì)或冷卻介質(zhì)的終溫。⑤根據(jù)兩流體的溫差和設(shè)計要求，確定換熱器的型式。⑥依據(jù)換熱流體的性質(zhì)及設(shè)計經(jīng)驗，選取總傳熱系數(shù)值。⑦依據(jù)總傳熱速率方程，初步算出傳熱面積，并確定換熱器的基本尺寸或按系列標準選擇設(shè)備規(guī)格。（2）計算管、殼程壓降根據(jù)初選的設(shè)備規(guī)格，計算管、殼程的流速和壓降，檢查計算結(jié)果是否合理或滿足工藝要求。若壓降不符合要求，要調(diào)整流速，再確定管程和折流擋板間距，或選擇其它型號的換熱器，重新計算壓降直至滿足要求為止。（3）核算總傳熱系數(shù)計算管、殼程對流傳熱系數(shù)，確定污垢熱阻，再計算總傳熱系數(shù)，然后與值比較，若相同，則初選的換熱器合適，否則需另選值，重復(fù)上述計算步驟。1．7設(shè)計條件（1）氣體工作壓力管程：半水煤氣（0.85Mpa）殼程：變換氣（0.80Mpa）（2）殼、管壁溫差50℃，tt＞ts殼程介質(zhì)溫度為320-450℃，管程介質(zhì)溫度為280-420℃。（3）由工藝計算求得換熱面積為130m2。（4）殼體與封頭材料在低合金高強度剛中間選用，并查出其參數(shù)，接管及其他數(shù)據(jù)根據(jù)表7-15、7-16選用。（5）殼體與支座對接焊接，塔體焊接接頭系數(shù)Φ=0.9（6）圖紙：參考圖7-52，注意：尺寸需根據(jù)自己的設(shè)計的尺寸標注。2換熱器設(shè)計部分2.1管數(shù)的確定選用φ25×2.5的無縫鋼管，材質(zhì)為20號鋼，管長為3m。表2.1管規(guī)格名稱接管公稱直徑/mm接管外徑×厚度×長度/mm規(guī)格2525×2.5×3000因為（1.1）所以其中，根據(jù)GB151-1999[7]因安排拉桿需減少6根，實際管數(shù)為607根。2.2管子排列方式、管間距的確定換熱管的排列方式一般有一下幾種：正三角形、轉(zhuǎn)角正三角形、正方形和轉(zhuǎn)角正方形。（1）正三角形和轉(zhuǎn)角正三角形排列適用于殼程介質(zhì)污垢少，且不需要進行機械清洗的場合。排列方式如圖2.1所示。圖2.1正三角形排列的管子（2）正方形和轉(zhuǎn)角正方形排列能夠使管間小橋形成一條直線通道，可用于機械方法進行清洗，一般可用于管束可抽出以清洗管間的場合。排列方式如圖2.2所示。圖2.2正方形排列的管子因為本次設(shè)計的所用的是變換氣，具有污垢少，不需要的機械清洗，所以選用正三角形排列。由《化工設(shè)備機械基礎(chǔ)》書中的表7-4（以下直接說表名，書名省略）查的層數(shù)為13層。[5]查表7-5，去管間距。2.3換熱器殼體直徑的確定因為（1.2）查表7-4得b為27，由2.2得。所以圓整后取殼體內(nèi)徑。2.4換熱器殼體壁厚的計算2.4.1厚度計算材料選用Q245R鋼材，計算壓力，設(shè)殼體溫度為350℃，查附錄6-1處查的，由設(shè)計條件可得φ=0.9，所以：取，查表4-9得。圓整后2.4.2校核水壓試驗強度根據(jù)(1.3)有效壁厚試驗壓力則查附表6-1得，所以：因為，所以水壓試驗強度足夠。2.4.3強度校核最大允許工作壓力因為，所以該貯罐強度足夠。2.5換熱器封頭的選擇受內(nèi)壓或受外壓容器封頭，按其形狀可分為凸形封頭、錐形封頭和平概、變徑段、緊縮口等。其中凸形封頭包括半球型封頭、橢圓封頭、碟形封頭和球冠形封頭。橢圓形封頭沿經(jīng)線各點的應(yīng)立是變化的，頂點處應(yīng)力最大，在赤道上可能出現(xiàn)環(huán)向壓應(yīng)力。標準橢圓形封頭與壁厚相等的圓筒體相連接時，可以達到與圓筒體等強度。所以本次設(shè)計采用標準橢圓形封頭。根據(jù)GB/T25198-2010標準，封頭為DN1000×8，曲面高度，直邊高度，材料選擇Q245R。封頭壁厚為：取，查表4-9得。圓整后復(fù)驗：，故符合要求。圖2.3標準橢圓封頭2.6容器法蘭的選擇材料選用Q345R。根據(jù)NB/T47023-2012標準，選用DN1000，PN1.6MPa的榫槽密封面長頸對接法蘭。法蘭尺寸如圖2.4所示。圖2.4容器法蘭2.7管板尺寸的確定選用固定式換熱器管板，并兼作法蘭，查相關(guān)標準得（取管板的公稱壓力為1.6MPa）的碳鋼管板尺寸，如圖2.5所示圖2.5管板2.8管子拉脫力的計算計算數(shù)據(jù)按表2.2選取表2.2項目管子殼體操作壓力/MPa0.850.82操作溫度/℃420450材質(zhì)20鋼Q245R線膨脹系數(shù)/(1/℃)13.72×10-613.93×10-6彈性模量/MPa0.159×1060.158×106許用壓力/MPa8366尺寸/mmf25×2.5×3000f1000×8管子根數(shù)607排列方式正三角形管壁溫差/℃50管間距/mma=32管子與管板連接結(jié)構(gòu)開槽脹接脹接長度/mml=50許用脫應(yīng)力/MPa[q]=4(1)在操作壓力下，管子每平方米脹接周長上的所受到的力(1.4)其中，（2）在溫差應(yīng)力導(dǎo)致管子每平米脹接周邊上的所受到的力(1.5)其中(1.6)則由已知條件可知，與的作用方向相同，都使管子受壓，則管子的拉脫力：因此，拉脫力在許用的范圍內(nèi)。2.9計算是否安裝膨脹節(jié)（1）管殼壁溫差所產(chǎn)生的軸向力:(1.7)（2）壓力作用于殼體上的軸向力:(1.8)其中則（3）壓力作用于管子上的軸向力；則（4）根據(jù)GB151-1999《管殼式換熱器》條件成立，故本換熱器不需要安裝膨脹節(jié)。2.10折流板設(shè)計設(shè)置折流板的目的是為了提高流速，增加湍動，改善傳熱，在臥式換熱器中還起支撐管束的作用。常用的有弓形折流板和圓盤-圓環(huán)形折流板，弓形折流板又分為單弓形[圖2.6（a）]、雙弓形[圖2.7（b）]、三重弓形[圖2.8（c）]等幾種形式。圖2.6弓形折流板和圓盤-圓環(huán)形折流板單弓形折流板用得最多，弓形缺口的高度h為殼體公稱直徑Dg的15%～45%，最好是20%，見圖2.6（a）；在臥式冷凝器中，折流板底部開一90°的缺口，見圖2.6（b）。高度為15～20mm，供停工排除殘液用；在某些冷凝器中需要保留一部分過冷凝液使凝液泵具有正的吸入壓頭，這時可采用帶堰的折流板，見圖2.6（c）。圖2.7單弓形折流板在大直徑的換熱器中，如折流板的間距較大，流體繞到折流板背后接近殼體處，會有一部分液體停滯起來，形成對傳熱不利的“死區(qū)”。為了消除這種弊病，宜采用雙弓形折流板或三弓形折流板。從傳熱的觀點考慮，有些換熱器（如冷凝器）不需要設(shè)置折流板。但為了增加換熱器的剛度，防止管子振動，實際仍然需要設(shè)置一定數(shù)量的支承板，其形狀與尺寸均按折流板一樣來處理。折流板與支承板一般均借助于長拉桿通過焊接或定距管來保持板間的距離，其結(jié)構(gòu)形式可參見圖2.7。圖2.7折流板安裝圖由于換熱器是功用不同，以及殼程介質(zhì)的流量、粘度等不同，折流板間距也不同，其系列為：100mm，150mm，200mm，300mm，450mm，600mm，800mm，1000mm。允許的最小折流板間距為殼體內(nèi)徑的20%或50mm，取其中較大值。允許的最大折流板間距與管徑和殼體直徑有關(guān)，當換熱器內(nèi)流體無相變時，其最大折流板間距不得大于殼體內(nèi)徑，否則流體流向就會與管子平行而不是垂直于管子，從而使傳熱膜系數(shù)降低。折流板外徑與殼體之間的間隙越小，殼程流體介質(zhì)由此泄漏的量越少，即減少了流體的短路，使傳熱系數(shù)提高，但間隙過小，給制造安裝帶來困難，增加設(shè)備成本，故此間隙要求適宜。折流板厚度與殼體直徑和折流板間距有關(guān)，見表2.3所列數(shù)據(jù)。表2.3折流板厚度/mm殼體公稱內(nèi)徑/mm相鄰兩折流板間距/mm≤300300～450450～600600～750＞750200～2503561010400～70056101012700～100068101216＞1000610121616所以本設(shè)計采用弓形折流板。折流板間距取600mm，由表7-7查的折流板最小厚度為6mm，由表7-9查的折流板外徑為995.5mm，材料為Q235-A鋼，如圖2.9所示。圖2.9折流板拉桿選用，共六根，材料為20鋼。2.11開孔補強壓力容器為彌補開孔周圍區(qū)域強度下降而采取的加強措施。殼體開孔后因承載面積減小及應(yīng)力集中使開孔邊緣應(yīng)力增大且強度受到削弱，為使孔邊應(yīng)力下降至允許范圍以內(nèi)，可采用增加大面積殼體厚度的整體式補強或在開孔附近區(qū)域內(nèi)增加補強元件金屬的局部補強。換熱器殼和封頭上的接管出開孔需要補強，常用的結(jié)垢是在開孔外面焊上一塊與容器壁材料相同和厚度都相同，即為8mm的Q245R鋼板。其補強結(jié)構(gòu)如圖2.10所示。圖2.10換熱器開孔補強結(jié)構(gòu)2.12支座2.12.1裙座設(shè)計采用圓筒形裙式支座，裙座與塔體的連接采用焊接，由于對接焊縫的焊縫受壓，可承受較大的軸向力，故采用對接形式。取裙座外徑與封頭外徑相等。并且取裙座的厚度與封頭的厚度相同，即裙座尺寸為Ф1000×8mm.。裙座材料選用Q235-A。圖2.11裙座殼與殼體的對接型式無保溫層的裙座上部應(yīng)均勻設(shè)置排氣孔。表2.4排氣孔規(guī)格和數(shù)量容器內(nèi)直徑Di600~12001400~2400>2400排氣孔尺寸Φ80Ф80Ф100排氣孔數(shù)量/個24≥4排氣孔中心線至裙座殼頂端的距離140180220因此設(shè)置兩個排氣孔，排氣孔尺寸為Ф80，排氣孔中心線至裙座殼頂端的距離為140圖2.12裙座上部排氣孔的設(shè)置塔式容器底部引出管一般需伸出裙座殼外。表2.5引出孔尺寸引出管直徑d20、2532、4050、7080、100引出孔的加強管無縫鋼管Ф133×4Ф159×4.5Ф219×6Ф273×8卷焊管--Ф200Ф250引出孔的加強管選用Q235-A的無縫鋼管，引出管直徑選用20圖2.13引出孔結(jié)構(gòu)示意圖2.12.2基礎(chǔ)環(huán)設(shè)計（1）、基礎(chǔ)環(huán)尺寸的確定（2）、基礎(chǔ)環(huán)的結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)環(huán)選用有筋板的基礎(chǔ)環(huán)圖2.14有筋板基礎(chǔ)環(huán)（3）、有筋板基礎(chǔ)環(huán)厚度的設(shè)計操作時或水壓試驗時，設(shè)備重力和彎矩在混凝土基礎(chǔ)環(huán)（基礎(chǔ)環(huán)底面上）所產(chǎn)生的最大組合應(yīng)力為基礎(chǔ)環(huán)上的最大壓應(yīng)力可以認為是作用在基礎(chǔ)環(huán)底上的均勻載荷。表2.6混凝土基礎(chǔ)的許用應(yīng)力Ra混凝土標號Ra/MPa混凝土標號Ra/MPa混凝土標號Ra/MPa753.51005.01507.520010.025013.0同樣，根據(jù)工藝要求和前人的經(jīng)驗，可確定基礎(chǔ)環(huán)的厚度為20mm，材料選用為Q235-A。2.12.3地腳栓的設(shè)計為了使塔設(shè)備在刮風或地震時不至翻倒，必須安裝足夠數(shù)量和一定直徑的地腳螺栓，把設(shè)備固定在基礎(chǔ)環(huán)上。地腳螺栓承受的最大拉應(yīng)力為如果，則設(shè)備自身足夠穩(wěn)定，但為了固定塔設(shè)備的位置，應(yīng)設(shè)置一定數(shù)量的地腳螺栓。如果，則設(shè)備必須安裝地腳螺栓，并進行計算。計算時可先按4的倍數(shù)假設(shè)地腳螺栓的數(shù)量為n，此時地腳螺栓的螺紋小徑（mm）:(1.9)螺紋小徑與公稱直徑見下表。表2.7螺紋小徑與公稱直徑對照表螺栓公稱直徑螺紋小徑/mm螺栓公稱直徑螺紋小徑/mmM2420.752M2723.752M3026.211M3631.670M4237.129M4842.588M5650.046選用Q235-A，計算后，選取地腳螺栓為，n=8,相應(yīng)螺母M30，8個，則其尺寸查表，得表2.8M30螺母的尺寸螺栓M3036422812300120170符號說明tt——操作狀態(tài)下管壁溫度，°C;F——換熱面積，㎡；ts——操作狀態(tài)下殼壁溫度，°C；a——管間距，mm；Ф——焊接接頭系數(shù)，無量綱；di——殼體內(nèi)徑，mm；b——正六邊形對角線上的管子數(shù)，個；do——殼體外徑，mm；Lｎ——換熱管長度，ｍｍ；Pc——計算壓力，