管壳式换热器设计说明书

E112 冷却器设计
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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。
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2．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 设计压力 Mpa 设计温度℃ 工作压力 Mpa 工作温度℃ 介质名称 介质性质 管程数 主要材质 0.6 60 0.5 <60 LW 无毒 1
3．总体结构和主要零部件设计 ......................................... 11
3.1 设备设计主要技术指标 .................................................. 11 3.2 排管的选择 ............................................................ 11 3.3 设备主要零部件 ........................................................ 11
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1.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最为广泛的，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，是目前应用最为广泛的换热设备，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， 换热设备中应用最为广泛。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最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
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，
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、外压或最大压差；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。
4．制造、检验与验收 .......................................... 19
4.1 管板 .................................................................. 19 4.2 换热管 ................................................................ 19 4.3 管箱和壳体 ............................................................ 19 4.4 鞍座要求 .............................................................. 19 4.5 容器铭牌要求 .......................................................... 19 4.6 容器的油漆、包装、运输 ................................................ 19
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目录
1.前言 ................................................................... 1
1.1 常用换热器 ............................................................. 1 1.2 常用换热器的设计 ....................................................... 3
参考文献 ............................................................... 21 致谢 .................................................................... 22
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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。
伸出长度
LW 进口 150 LW 出口 150 PA 进口 PA 出口 150 150
2.1 换热面积的计算[2] 计算项目 换热管数 n 公式 代入数据 计 算 结 圆整 果 A=n × (3.14 × d 35=n × 3.14 × 0.019 × (2.5-2 × n=240.7 257 37.35mm2
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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。
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。最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
管程 1.5 100 1.2 <100 PA 无毒 1
换热管排列 换热面积 m2 换热管直径 换热管长度 m 换热管间距 mm 管板厚度 折流板间距
正三角形 35 19 2.5 25 32 150
Q345R Q345R
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 N1 N2 N3 N4 PN1.6 PN1.6 PN1.6 PN1.6 DN50 DN50 DN80 DN80 SO SO WN WN RF RF RF RF
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2．设计计算 ............................................................. 5
2.1 换热面积的计算 ......................................................... 5 2.2 壳程的有关计算 ......................................................... 6 2.3 管程的有关计算 ......................................................... 7