换热器系列设计（0.23Mpa , 255oC）
过程装备与控制(2)班 xxxxxx 指导老师：xxxxx
摘 要
换热器是石油、化工、动力、轻工业等许多工业部门中最为广泛的热交换设备。它作为一种流体间传递热量的设备，在化工行业等诸多领域占有举足轻重的作用。本设计重点介绍了最常用的一种换热器——固定管板式换热器的设计过程和内容，设计过程主要包括：热力学计算、主要零部件的结构设计及设备的合理设计等。根据任务书的要求，参考现有换热器固定管板式的结构，完成了换热器的管箱、管板、折流板等主要零部件的设计。针对本设计中热力学计算进行了计算机编程，翻译了相关文献资料，完成了相关课题的论文一篇。本设计可为固定管板式换热器的设计提供一定的参考。
关键词：换热器；固定管板；强度
Abstract
Heat exchanger is an equipment which is most widely used in the oil, chemical, power, light industry and many other industrial sectors. It transmit thermal between on kind of fluid and another. The equipment play an import role in heat transfer. The design focuses on the progress and content of a most common heat exchanger ——fixed tube plate heat exchanger. The design process includes: the calculation of Thermodynamics, structure design of the main components, and rational design of equipment, ectc. According to the requirements in the task of the design, referenced to the structure of the existing fixed tube plate heat exchanger, and completed the heat exchanger design of the Tube box, tube sheets, baffle and main spare parts. Aiming at the calculation of Thermodynamics to computer programming, translation of the relevant literature, and completed the relevant topic of a thesis. The design can provide certain information for the design of the fixed tube plate heat exchanger.
Keywords: heat exchanger；fixed tube plate；intensity
一、概述
换热器是化工、石油、动力、轻工等许多工业部门中应用最为广泛的设备之一。在一般石油化工企业中，换热器的投资占全部投资的40%-50%，在现代石油化工企业中约占30%-40%；在热电厂中，如果把锅炉也作为换热设备，换热器的投资占整个电厂总投资的70%。由此可见，换热器的合理设计和良好运行对企业节约资金、能源和空间都十分重要。提高换热器传热性能并减少其体积，在能源日趋短缺的今天更是具有明显的经济效益和社会效益。近年来随着节能技术的发展，应用领域不断扩大，利用换热器进行高温和低温热能回收带来了显著的经济效益。
本设计是来源于现实利用中发电厂对余热——过热蒸汽的回收利用，通过管壳式换热器将200~350oC的过热蒸汽降至150oC以下，从而可以将过热蒸汽变为饱和蒸汽传送给可拆式板式换热器，将供暖用水加热（其温度在70oC左右），达到对过热蒸汽的利用，起到节能效果。在本设计中就是对固定管板式换热器进行合理的设计，以保证之后的板式换热器安全高效的换热，最终满足生产或生活需求。
二、固定管板式换热器初步设计
（一）换热器的构成
固定管板式换热器由管箱、壳体、管板、管子等零部件组成，其结构较紧凑，排管较多，在相同直径下面积大，制造较简单。
固定管板式换热器的结构特点是在壳体中设置有管束，管束两端用强度焊加贴胀的方法将管子固定在管板上，两端管板与壳体焊接在一起，同时兼作法兰与封头法兰用螺栓连接固定，壳程和管程的进出口接管直接和筒体焊在一起。管内有两种流体，一种在管内流动，另一种在壳体与管束之间从管外表面流过，为了保证壳程流体能够横向流过管束，以形成较高的传热效率，在外壳上装有支持板，同时也能起到支撑管束的作用。
（二）传热计算
换热器的总体结构和相关零部件的设计均需以传热计算为基础，因此这部分内容显得尤为重要。
1、确定换热器的型式、流体的流动途径，根据给定的工艺条件进行热量衡算
Q=KA∆tm
2、管程、壳程流体、物性参数
据平均温度t，T可查得压力p下的物性参数有：密度、粘度、热导率、定压比热容，计算出粘度、普朗特数等。
3、初定换热器尺寸
①已知传热量Q；
②再估算管内流通截面；
③再算管子个数；
④求管子长度；
⑤估算壳体直径（内径）；
⑥排管后得到实际管子数下的流通截面；
⑦实际换热面积；
4、传热系数的计算
包括管内流体给热系数、管外流体给热系数及总传热系数K
1K=dodbdo1+Rio++Ro+idididmo
5、传热面积：
A计=Q A实=1.15-1.20 K∆tmA计
通过传热计算可查得换热器内两种流体的相关物性参数，同时可确定壳体内径、换热管的相关尺寸以及管程壳程数，最终可求得传热面积和面积裕度。根据以上计算事项及说明书里的详细计算，可确定设计出的壳体公称直径是400㎜，管长为2500㎜，管子根数为117根，有四根拉杆，两块支持板，管程数为单管程。
（三）其他计算
在进行传热计算之后，为了进一步确定设备结构和性能，还需要计算其他一些参数和尺寸，如流动阻力、接管直径、壁厚及壁温等，从而为零部件的结构设计提供理论依据。
三、固定管板式换热器零部件结构设计
（一）换热管的设计
换热管是用于传热的主要元件，管子的尺寸大小对传热有很大影响，经过计算和选择原则考虑，最终确定换热管的排列方式为正三角形排列，管径Φ25×2.5，管长2500mm，材料为20，管子在管板上的固定为强度焊加贴胀，具体尺寸见装配图。
（二）管板设计
管板材料选择16Mn；管板结构为延长部分兼作法兰；
管板的厚度计算（分别以弯曲强度、剪切强度和最小厚
度为依据进行计算）；管板的校核（用SW6进行校核）；
管板尺寸；管板质量。
壳体与管板、管板与法兰及换热管的连接
a. 管板与壳体的连接结构：
管板与与壳体连接为焊接连接（详图如右图所示）；
b.管板与法兰的连接：
管板延长部分兼作法兰，与法兰用螺柱连接；
c.管子与管板的连接：
胀焊并用，由于压力不高，故用强度焊加贴胀即可。
(三)支持板设计
为了提高流体的流速和湍流程度，强化壳程流体的传热，在管外空间需装设折流板，但是考虑到壳程内流体速度过大，可加两个支持板，主要起到支撑管束、防止管束振动和弯曲的作用。支持板的形式选为单弓形支持板，厚度为12mm，缺口高度为95mm，板间距为1000mm。
（四）拉杆设计
为了能对支持板起到固定定位的作用，还需要安置一定数量的拉杆对其进行固定，拉杆的一端通过螺钉螺纹连接与管板固定，另一端在支持板的端面用螺栓连接，在本设计中，拉杆有4个，直径为16mm，均匀分布在管束的外边缘（上下左右），拉杆形式为拉杆定距管结构，定距管与换热管的规格是相同的，即为Φ25×2.5mm。
（五）其他结构设计
除了对以上主要零件的设计外，还需对其他一些零件进行选材、相关计算及尺寸确定，主要包括，接管及相应管法兰的设计、鞍座设计等。
四、固定管板式换热器的合理设计
（一）接管开孔补强
确定好接管以后，还需对其强度进行校核，主要是对于补强圈的使用与否需要做出判断，通过计算（在本设计中采用两种计算方法进行计算），最终得知接管与壳体、管箱的连接强度足够，故不需另加补强。
（二）管束振动计算
由于振动可使管子发生泄漏、磨损甚至断裂，同时还伴随着刺耳的噪声，这就不仅降低设备的寿
命，也有损于人们的健康，故需对管束是否振动进行计算，以确定是否需要加防冲板等防振措施。按照
GB151-1999相关规范进行计算，最终确定管子的卡门涡旋频率和流体的横流速度均满足要求，故管子不发生振动，即不用加防冲板。
（三）热应力计算
在固定管板式换热器中，当管束与壳体的温差太大而产生不同的热膨胀时，常会使管子与管板的接口脱开，从而发生流体的泄漏。因此，在对其他零部件校核计算合格后，还需要计算热应力以判断是否加膨胀节以降低应力，从而保证设备安全运行。在计算中，分别对换热器所受的应力，温差应力和拉脱力进行计算，结果表明，三个条件（见说明书）均满足要求，故无需再加膨胀节即可保证设备安全运行。
五、结论
本次设计是以固定管板式换热器为设计对象，通过翻阅大量参考文献，严格按照相关国家标准进行的。设计过程包括：按设计参数进行工艺计算，然后进行了结构设计，选择了零部件的材料，对换热器的主要零部件的结构和尺寸也做出了明确的核算，最后对整个设备的结构进行了合理的设计，绘制了换热器的装配图及零部件图。
固定管板式换热器的设计是一次综合性、实践性很强的设计，经过一学期的努力，运用大学四年所掌握的学科知识，在GB151-1999，GB150-1998和《压力容器设计手册》等相关资料的指导下，并参考实际的换热器结构，最终完成了从换热器整体方案的确定到每一个细节的设计。
本次毕业设计使我不仅在换热器、压力容器的设计和材料的选择方面得到了很好的锻炼，也在查询相关文献的能力上得到了很好的实践。更重要的是通过本次毕业设计掌握了很多学习方法，总结了一些实践经验，使我深刻的体会到所学理论知识与生产实践相结合的重要性，它不但可以加深对理论知识的理解，而且可以将理论知识很好的应用与实践，指导实践生产。
参考文献
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