固定管板式换热器设计

固定管板式换热器的设计

第一章.设计方案概述和简介

一、概述

在不同温度的流体间传递热能的装置称为热交换器，简称为换热器。化工生产中换热器的使用十分普遍，由于物料的性质、要求各不相同，换热器的种类很多。了解各种换热器的特点，根据工艺要求正确选用适当类型的换热器是非常重要的。

按照热量交换的方法不同，分为间壁式换热器、直接接触式换热器、蓄热式换热器三种。化工生产中绝大多数情况下不允许冷、热两流体在传热过程中发生混合，所以，间壁式换热器的应用最广泛。在换热器中至少要有两种温度不同的流体，一种流体温度较高，放出热量：另一种流体温度较低，吸收热量。换热器在化工、石油、动力、制冷、食品等行业中都有广泛应用，且它们是上述这些行业的通用设备，并占有十分重要的地位

二、列管式换热器的分类

1、 U型管换热器

U型管换热器结构特点是只有一块管板，换热管为U型，管子的两端固定在同一块管板上，其管程至少为两程。管束可以自由伸缩，当壳体与U型环热管由温差时，不会产生温差应力。U型管式换热器的优点是结构简单，只有一块管板，密封面少，运行可靠；管束可以抽出，管间清洗方便。其缺点是管内清洗困难；由于管子需要一定的弯曲半径，故管板的利用率较低；管束最内程管间距大，壳程易短路；内程管子坏了不能更换，因而报废率较高。此外，其造价比管定管板式高10%左右。

2、固定管板式换热器

固定管板式换热器主要是由筒体、封头、管板、换热管、管箱、折流板及法兰等组成，管束两端固定在管板上，管板和筒体之间是刚性连接在一起，相互之间无相对移动，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摄氏度时就应考虑在壳体上设置膨胀节以减小温差应力。但当管、壳温差大于70摄氏度时，壳程压力超过0.6Mpa时，导致膨胀节过厚失去温差补偿作用。因此，固定管板式换热器适用于壳程流体清洁，不易结垢，管程常用要清洗，冷热流体温差不太大的场合。

三、设计方案选定

1 、换热器类型的选择

按照设计任务书的要求，热流体物料入口温度30.08℃，出口温度120℃，冷流体物料，入口温度142.2℃，出口142.2℃，操作压力小于0.6MPa，物料的温度变化大约为90℃比较大。基于这些要求，应选择固定管板式换热器。

2、流体路径的选择

由于此次设计的换热器所走物料为气体，且需要冷却，所以选择走壳程，并且，固定管板式换热器具有壳体易走较清洁流体，这样，冷却即走管程。按照一般情况，选用规格为 25*2.5mm的碳素钢无缝管。

3、列管式换热器设计的主要内容

固定管板式换热器的设计包括热力设计、流体设计、结构设计以及强度设计。本次设计课题以结构设计与强度校核为主要设计内容。不仅在设计一台新的换热器时需要进行热力设计，而且对于已生产出来的，甚至已投入使用的换热器在检验它是否满足使用时，均需要进行这方面的工作。热力设计是指根据使用单位提出的基本要求，合理的选择运行参数，并根据传热学的知识进行传热计算。

第二章固定管板式换热器的总体结构

一、认识固定管板式换热器

固定管板式换热器主要是由筒体、封头、管板、换热管、管箱、折流板及法兰等组成，管束两端固定在管板上，管板和筒体之间是刚性连接在一起，相互之间无

相对

移

动，

换热

器结

构简

单、

制造

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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摄氏度时就应考虑在壳体上设置膨胀节以减小温差应力。但当管、壳温差大于70摄氏度时，壳程压力超过0.6Mpa时，导致膨胀节过厚失去温差补偿作用。因此，固定管板式换热器适用于壳程流体清洁，不易结垢，管程常用要清洗，冷热流体温差不太大的场合。二、筒体

筒体是换热器的主要受压元件，筒体大多是由钢板冷（热）卷焊而成。筒体因为要经常抽装管束，所以对壳体的内直径偏、同一截面上最大与最小直径偏差以及直线度的控制比较严格，因此压力容器壳体的材料要具有良好的塑性、焊接性能和好的热加工性能。根据不同的工艺条件，壳体的材料一般选用碳素钢、低合金钢和不锈钢等。

根据图纸所知，本次设计的换热器所走的介质为气体且无腐蚀性，所以本次设计课题的筒体选材为Q235B

三、封头

封头是压力容器的重要组成部分，也是主要的受压元件，常用的有半球形封头、椭圆封头、碟形封头、锥形封头和平封头（即平盖）。其中平封头根据需要有多种形式，结构简单，与其他形式的封头相比，在相同的条件下满足强度要求的厚度较大，中低压容器中应用不多，锥形封头主要用于不同直径的过渡连接、介质中含有固体颗粒或粘度较大时作为容器下部的出料口等。

根据图纸所知，本次设计的换热器的结构较为简单，所以本次课题使用的封头即为标准椭圆封头，材料为Q235B。

半球形封头碟形封头标准椭圆封头锥形封头平封头

四、管板

管板是管壳式换热器的主要零件，管板的设计是否合理对确保换热器的安全运行、节约金属材料、降低制造成本是至关重要的。

管板一般采用低合金铸造，或者采用低合金钢钢板加工，当采用碳钢时，由于材料的偏析将使管子与管板焊接后出现气孔和裂纹，故应检查管板表面含碳量，不得小于0.19%，或在管板上加两层低碳堆焊来避免偏析的影响。当某种单一的材料不能同时抵抗两侧换热介质的腐蚀时，必须采用双金属板，有时虽只是一种介质具有强烈腐蚀作用，但是管板尺寸较厚，那么采用整体的贵重材料制造管板不如采用复合板经济，而且贵重材料如奥氏体不锈钢的强度和加工性还不如碳钢，导热性能反而差，因此在直径大、压力高的换热器中，采用以强度高而便

宜的低合金钢作为基层的复合板，管板尺寸越

大越经济。

管板的制作方法有：轧制法、堆焊法、爆

炸复合法、焊管复合法、桥面堆焊法

本次设计的换热器，所使用管板材料为

16Mn。

五、接管、法兰、支座及其它附件常用材料

1、容器壳体上各种接管等，要求使用无缝钢管，常用钢管有碳素钢低合金钢低合金耐热钢等。其中碳素钢钢号为20号钢管，使用流体输送，可与Q235 、16MnR等材料配合使用，是最广泛的一类无缝管。

根据该换热器所走介质，接管材料选择20号钢管，接管长度150mm。

2、法兰材料选择

法兰为典型的受压元件，通常由钢板或锻件经切削钻孔后制成，而后与接管组焊而成，因此法兰材料应具有良好的可锻性切削性加工性和可焊性。法兰常用的板材有Q235-A 、Q235-B等。

3、支座承受整个容器的重量，但不受截至压力和温度作用，一般选刚性较好的材料，常用的有Q235-A 、Q 235-B等。

本次设计的换热器支座材料为Q 235-B

六、管箱结构

1、管箱位于壳体两端，其作用是控制及分配管程流体。管程结构如下图，