畢業(yè)設(shè);固定管板式換熱器設(shè)計(jì)說明書計(jì)

安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書固定管板式換熱器的整體設(shè)計(jì)ONTHEOVERRALLDESIGNOFFIXEDTABEPLATEHEATEXCHANGER學(xué)院（部）：機(jī)械工程學(xué)院專業(yè)班級(jí)：過控09—2班學(xué)生姓名：王寧指導(dǎo)老師：伍廣教授2013年06月08日固定管板式換熱器設(shè)計(jì)摘要換熱設(shè)備在煉油、石油化工以及在其他工業(yè)中使用廣泛，它適用于冷卻、冷凝、加熱、蒸發(fā)和廢熱回收等各個(gè)方面。固定管板式換熱器是管殼式換熱器的一種典型結(jié)構(gòu)，也是目前應(yīng)用比較廣泛的一種換熱器。這類換熱器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊、可靠性高、適應(yīng)性廣的特點(diǎn),并且生產(chǎn)成本低、選用的材料范圍廣、換熱表面的清洗比較方便。固定管板式換熱器能承受較高的操作壓力和溫度，因此在高溫高壓和大型換熱器中，其占有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。本次設(shè)計(jì)主要是針對(duì)用于煤化工工業(yè)中用于變換氣和半水煤氣的換熱用換熱器。此次設(shè)計(jì)的換熱器不僅達(dá)到了降低變換氣溫度的作用，同時(shí)還吸收了變換氣放出的廢熱，用于加熱半水煤氣。再設(shè)計(jì)中進(jìn)行對(duì)物料及熱量衡算，并對(duì)換熱器整體機(jī)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算和對(duì)換熱器的基本附件進(jìn)行選擇和設(shè)計(jì)。最后繪出非標(biāo)零件圖和裝配圖。關(guān)鍵詞：流量，換熱面積，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，換熱管，管板，封頭，殼體ONTHEOVERRALLDESIGNOFFIXEDTABEPLATEHEATEXCHANGERABSTRACTHeatexchangerinoilrefining,petrochemical,andwidelyusedinotherindustries,itissuitableforcooling,heating,evaporationandcondensation,heatrecovery,andvariousotheraspects.Fixedtubeplateheatexchangerisatypicalstructureoftheshellandtubeheatexchangerandawiderangeofheatexchanger.Thistypeofheatexchangerhasthecharacteristicsofasimplestructure,compact,highreliabilityandwideadaptability,andlowcostoftheproduction,widechoiceofusedmaterials,moreconvenientofcleaningheatexchangerthesurface.Fixedtubeplateheatexchangercanwithstandsthehigheroperatingpressureandtemperature,soithastheabsoluteadvantageinthepossessionofhightemperatureandhighpressureheatexchangersandlarge.Thisdesignismainlyusedforheatexchangeofheatexchangerusedingasandwatergasforcoalchemicalindustry.Heatexchangerofthedesignnotonlycanreducetheairtemperaturechangeeffect,italsoabsorbsthewasteheatreleasedforheatingventilation,semiwatergas.Inthedesignofthematerialandheatbalance,thebasicaccessoriesheatexchangerandwholebodywerecalculatedandtheheatexchangerselectionanddesign.FinallyIdrawthenon-standardpartsdrawingandassemblydrawing.KEYWARDS：discharge,theheatexchangearea,structuraldesign,heatexchangetube,tubesheet,heads,housings目錄摘要 IABSTRACT II1緒論 11.1化工設(shè)備簡(jiǎn)介 11.2換熱器概述 11.2.1板式換熱器 11.2.2管殼式換熱器的分類 11.2.3管殼式換熱器結(jié)構(gòu) 41.3換熱器研究?jī)?nèi)容及發(fā)展動(dòng)向 42工藝計(jì)算 7設(shè)計(jì)參數(shù)： 72.1換熱器選擇 72.1.1選擇換熱器的類型 72.1.2.流道選擇 72.1.3傳熱形式選擇 82.2換熱面積的計(jì)算 82.3物料與熱量衡算 92.3.1定性溫度 92.3.2介質(zhì)物性計(jì)算 102.3.3選擇總傳熱系數(shù) 132.3.4平均溫差 132.3.5熱負(fù)荷計(jì)算 142.3.6管程流體（半水煤氣）質(zhì)量流量估算 142.3.7流速及總傳熱系數(shù)的確定 152.4殼程流體（變換氣）流量確定 153結(jié)構(gòu)計(jì)算 163.1換熱管的計(jì)算 163.1.1管徑和管子材質(zhì)選擇 163.1.2傳熱管數(shù)和管程數(shù) 163.1.3傳熱管的排列 163.2殼體計(jì)算 173.2.1筒體材料選擇 173.2.2焊接形式選擇 183.2.3筒體計(jì)算 183.3管箱圓筒計(jì)算 193.4封頭計(jì)算 193.5管板計(jì)算 213.3.1管板與殼體圓筒，管箱圓筒的連接方式選擇 213.3.2管板材料及厚度選擇 223.3.3管板與換熱管的連接 224附件選擇 244.1折流板選擇 244.1.2折流板管孔直徑和允許偏差 244.2拉桿計(jì)算 254.2.1拉管結(jié)構(gòu)形式選擇 254.2.2拉桿的直徑和數(shù)量 254.2.3拉桿尺寸 254.2.4拉桿的布置 264.3流體進(jìn)出管選擇及布置 274.3.1管程流體進(jìn)出管選擇及布置 274.3.2殼程流體進(jìn)出管選擇 294.4防沖與導(dǎo)流 334.5防短路板 344.5.1旁路擋板 344.5.2擋管 344.6波形膨脹 354.7支座選擇 354.8法蘭及螺柱選擇 374.9墊片選擇 385安裝制造 405.1換熱器制造 405.1.1換熱管 405.1.2筒體 405.1.3封頭和管箱 405.1.4折流板 405.1.5管板 415.2換熱器安裝 415.3安裝步驟 41附表1 45附表2 47參考文獻(xiàn) 49致謝 50.1緒論1.1化工設(shè)備簡(jiǎn)介化工生產(chǎn)離不開化工設(shè)備，化工設(shè)備是化工生產(chǎn)必不可少的物質(zhì)技術(shù)基礎(chǔ)，是生產(chǎn)力的主要因素，是化工產(chǎn)品質(zhì)量保證體系的重要組成部分。然而在化工設(shè)備中化工容器占據(jù)著舉足輕重的地位，由于化工生產(chǎn)中，介質(zhì)通常具有較高的壓力，化工容器一般有筒體、封頭、支座、法蘭及各種容器開孔接管所組成，通常為壓力容器，因?yàn)閴毫θ萜魇腔ぴO(shè)備的主體，對(duì)其化工生產(chǎn)過程極其重要，國(guó)家對(duì)其每一步都有具的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)其進(jìn)行規(guī)范，如：中國(guó)《壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》、GB150—2011《鋼制壓力容器》、GB151—2012《管殼式換熱器》等。在其中能根據(jù)不通的操作環(huán)境選出不同的材料，查出計(jì)其允許的工作壓力，工作溫度等。1.2換熱器概述換熱器簡(jiǎn)單說是具有不同溫度的兩種或兩種以上流體之間傳遞熱量的設(shè)備。在工業(yè)生產(chǎn)過程中，進(jìn)行著各種不同的熱交換過程，其主要作用是使熱量由溫度較高的流體向溫度較低的流體傳遞，使流體溫度達(dá)到工藝的指標(biāo)，以滿足生產(chǎn)過程的需要。此外，換熱設(shè)備也是回收余熱，廢熱，特別是低品位熱能的有效裝置。換熱設(shè)備在煉油、石油化工以及在其他工業(yè)中使用廣泛，它適用于冷卻、冷凝、加熱、蒸發(fā)和廢熱回收等各個(gè)方面。對(duì)同一種形式的換熱器，由于各種條件不同，往往采用的結(jié)構(gòu)亦不相同。在工程設(shè)計(jì)中，除盡量選用定型系列產(chǎn)品外，也常按其特定的條件進(jìn)行設(shè)計(jì)，以滿足工藝上的需要（得到適合工況下最合理最有效也最經(jīng)濟(jì)的便于生產(chǎn)制造的換熱器等等）〔1〕。1.2.1板式換熱器板式換熱器是一種高效緊湊型熱交換設(shè)備。它具有傳熱效率高，阻力損失小，結(jié)構(gòu)緊湊，拆裝方便，操作靈活等優(yōu)點(diǎn)。目前廣泛應(yīng)用于冶金、機(jī)械、電力、石油、化工、制藥、紡織、造紙、食品、城鎮(zhèn)小區(qū)集中供熱等各個(gè)行業(yè)和領(lǐng)域〔1〕。1.2.2管殼式換熱器的分類根據(jù)管殼式換熱器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，常將其分為固定管板式、浮頭式、U型管式、填料函式、滑動(dòng)管板式、雙管式等〔2〕。1、固定管板式換熱器固定管板式換熱器的典型結(jié)構(gòu)如下圖所示。管束連接在管板上，管板與殼體焊接。其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊、能承受較高的壓力，造價(jià)低，管程清洗方便，管子損壞時(shí)易于堵塞或更換；缺點(diǎn)是當(dāng)管束與殼體的壁溫或材料的線脹系數(shù)相差較大時(shí)，殼體與管束將會(huì)產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力。這種換熱器適用于殼測(cè)介質(zhì)清潔且不易結(jié)垢、并能進(jìn)行清洗、管程與殼程兩側(cè)溫差不大或溫差較大但殼測(cè)壓力不高的場(chǎng)合〔2〕。一般固定管板式換熱器的結(jié)構(gòu)如圖1—1。圖1—1固定管板式換熱器結(jié)構(gòu)圖（圖片來源于GB151-2012）2、浮頭式換熱器浮頭式換熱器的典型結(jié)構(gòu)如下圖所示。兩端管板中只有一端與殼體固定，另一端可相對(duì)殼體自由移動(dòng)，稱浮頭。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(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力。浮頭換熱器的特點(diǎn)是管間與管內(nèi)清洗方便，不會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力；但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價(jià)比固定管板式換熱器高，設(shè)備笨重，材料消耗大，且浮頭端小蓋在操作中無法檢驗(yàn)，制造時(shí)對(duì)密封要求較高。適用于殼體與管束之間壁溫差較大或殼程介質(zhì)易結(jié)垢的場(chǎng)合〔2〕。一般浮頭式換熱器的結(jié)構(gòu)如圖1—2。圖1—2浮頭式換熱器結(jié)構(gòu)圖（圖片來源于GB151-2012）3、U形管換熱器〔2〕U形管式換熱器的典型結(jié)構(gòu)如下圖所示。這種換熱器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)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根管板上管子可自由伸伸縮。當(dāng)殼體與U形換熱管有溫差時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力〔2〕。一般U形管換熱器的結(jié)構(gòu)如圖1—3。圖1—3U形管換熱器結(jié)構(gòu)圖（圖片來源于某換熱器工廠宣傳圖）由于彎管曲率半徑的限制，其換熱管排布較少管束最內(nèi)層管間距較大，管板的利用率較低，殼程流體易形成短路，對(duì)傳熱不利，當(dāng)管子泄漏損壞時(shí)，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，而且壞一根U形管相當(dāng)于壞兩根管，報(bào)廢率較高。U形管結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜、承壓能力強(qiáng)、殼壁溫差較大或殼程介質(zhì)易結(jié)垢需清洗、又不適宜采用浮頭式和固定管板式的場(chǎng)合。特別適用于管內(nèi)走清潔而不易結(jié)垢的高溫、高壓、腐蝕性大的物料。4、填料函式換熱器填料函式換熱器的典型結(jié)構(gòu)如下圖所示。這種換熱器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)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(dòng)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自由伸縮，殼壁與管壁不會(huì)產(chǎn)生熱變形差，從而避免可熱應(yīng)力。其結(jié)構(gòu)較浮頭式換熱器簡(jiǎn)單，加工制造方便，節(jié)省材料，造價(jià)比較低廉，且管束從殼體內(nèi)可以抽出你，管內(nèi)，管間都能清洗，維修方便〔2〕。一般填料函式換熱器的結(jié)構(gòu)如圖1—4。圖1—4填料函式換熱器結(jié)構(gòu)圖（圖片來源于GB151-2012）1.2.3管殼式換熱器結(jié)構(gòu)管殼式換熱器的主要零部件有殼體、接管、封頭、管板、換熱管、折流元件等，對(duì)于溫差較大的固定管板式換熱器，還應(yīng)包括膨脹節(jié)。管殼式換熱器的結(jié)構(gòu)應(yīng)該保證冷、熱兩種流體分走管程和殼程，同時(shí)還要承受一定溫度和壓力的能力。1、管板：管板是換熱器的重要元件，主要是用來連接換熱器，同時(shí)將管程和殼程分隔，避免冷熱流體相混合。當(dāng)介質(zhì)無腐蝕或有輕微腐蝕時(shí)，一般采用碳素鋼、低合金鋼板或其鍛件制造〔3〕。2、管子與管板的連接：管子與管板的連接必須牢固，不泄漏。既要滿足其密封性能，又要有足夠的抗拉強(qiáng)度。其連接形式主要有強(qiáng)度脹接、強(qiáng)度焊接、脹焊結(jié)合]〔13〕。3、管箱：其作用是把管道中來的流體均勻分布到各換熱管中，將換熱管內(nèi)流體匯集在一起送出換熱器〔3〕。4、折流板和支承板：殼程內(nèi)側(cè)裝設(shè)折流板或支承板，折流板的作用是組殼間流道，使流體以適當(dāng)?shù)牧魉贈(zèng)_刷管束，提高傳熱系數(shù)，改善傳熱效果，以達(dá)到一定的傳熱強(qiáng)度。常用的折流板有弓形和圓環(huán)形兩種，弓形折流板又分為單弓形、雙弓形和三弓形〔3〕。5、拉桿和定距管：折流板的安裝一般是用拉桿和定距管組合并與管板固在一起。拉桿與管板連接的一端可用焊接或螺紋連接，另一端也用焊接或螺紋固定。一般拉桿的直徑不得小于10mm、數(shù)量不得小于4根[4]。管板與殼體的連接：其連接型式可分為不可拆式和可拆式。1.3換熱器研究?jī)?nèi)容及發(fā)展動(dòng)向板式換熱器出現(xiàn)是在二十世紀(jì)20年代，主要應(yīng)用于食品工業(yè)。以板代管制成的換熱器，主要特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊，傳熱效果好，因此陸續(xù)發(fā)展為多種形式。在30年代初，瑞典首次制成螺旋板換熱器。接著英國(guó)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(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的散熱。接著30年代末，瑞典又制造出第一臺(tái)板殼式換熱器，用于紙漿工廠。在這十多年的時(shí)間里，為了解決強(qiáng)腐蝕性介質(zhì)的換熱問題，人們對(duì)新型材料制成的換熱器開始關(guān)注。到了60年代左右，因?yàn)榭臻g技術(shù)和尖端科學(xué)的迅速發(fā)展，迫切需求各種高效能緊湊型的換熱器，又加上沖壓、釬焊和密封等技術(shù)的發(fā)展，換熱器制造工藝得到進(jìn)一步完善，從而推動(dòng)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(jìn)一步的發(fā)展。到了70年代中期，為了強(qiáng)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[10]。當(dāng)前換熱器的基本發(fā)展趨勢(shì)是：繼續(xù)提高設(shè)備的傳熱效率，促進(jìn)設(shè)備結(jié)構(gòu)的緊湊性，加強(qiáng)生產(chǎn)制造成本的標(biāo)準(zhǔn)系列化，并在廣泛的范圍內(nèi)繼續(xù)向大型化發(fā)展，并CDF（ComptationalFluidDynamics）模型化技術(shù)、強(qiáng)化傳熱技術(shù)及新型換熱器開發(fā)等形成一個(gè)高技術(shù)體系。管殼式換熱器具有結(jié)構(gòu)堅(jiān)固、彈性大和使用范圍廣等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，一直被廣泛應(yīng)用。尤其在高溫高壓和大型化的場(chǎng)合下，以及制造工藝上的進(jìn)一步自動(dòng)化和機(jī)械化，管殼式換熱器今后將在廣泛的領(lǐng)域內(nèi)得到繼續(xù)發(fā)展。而板翅式換熱器（冷箱）主要用于乙烯裂解，空氣分離和天然氣液化等。板翅式換熱器現(xiàn)在生產(chǎn)制造技術(shù)已經(jīng)達(dá)到了世界先進(jìn)水平，流道多達(dá)15股，單體外形尺寸達(dá)6m×1.1×1.154m,最高設(shè)計(jì)壓力達(dá)5.12Mpa。隨著換熱器廣泛應(yīng)用于各行業(yè)，誕生了各種新型的換熱器，這使得傳熱理論不斷完善，換熱器相關(guān)技術(shù)也得到不斷提高，換熱器研究、設(shè)計(jì)、制造等技術(shù)不斷改進(jìn)和發(fā)展，傳熱技術(shù)發(fā)展的同時(shí)又讓各種新型高效換熱器不斷地產(chǎn)生。目前各國(guó)為了提高換熱器性能而進(jìn)行的研究方向主要是強(qiáng)化傳熱，強(qiáng)化傳熱的途徑主要有擴(kuò)大傳熱面積、提高傳熱系數(shù)和增大傳熱溫差等方式，其中提高傳熱系數(shù)是強(qiáng)化傳熱的重點(diǎn)，其方法主要是通過強(qiáng)化管程傳熱和殼程傳熱兩個(gè)方面得以實(shí)現(xiàn)。目前，管殼式換熱器強(qiáng)化傳熱方法主要有[1]：1、采用改變傳熱元件本身的表面形狀及其表面處理方法，以獲得粗糙的表面和擴(kuò)展表面。2、用添加內(nèi)插物的方法以增加流體本身的繞流、3、將傳熱管的內(nèi)外表面軋制成各種不同的表面形狀，使管內(nèi)外流體同時(shí)產(chǎn)生湍流并達(dá)到同時(shí)擴(kuò)大管內(nèi)外有效傳熱面積的目的，提高傳熱管的傳熱性能。4、將傳熱管表面制成多孔狀，使氣泡核心的數(shù)量大幅度增加，從而提高總傳熱系數(shù)并可增加其抗污垢能力。5、改變管束支撐形式以獲得良好的流動(dòng)分布，充分利用傳熱面積等。換熱器相關(guān)技術(shù)的發(fā)展主要表現(xiàn)在以下幾發(fā)面：防腐技術(shù)，防結(jié)垢技術(shù)，強(qiáng)化技術(shù)，抗振技術(shù)，制造技術(shù)，研究手段以及大型化與小型化并重，。隨著工業(yè)中經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)環(huán)境保護(hù)的要求，制造水平的不斷提高，新能源的逐漸開發(fā)，研究手段的日益發(fā)展，各種新思路的與新結(jié)構(gòu)的涌現(xiàn)，換熱器將朝著更高效、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保的方向發(fā)展。2工藝計(jì)算設(shè)計(jì)參數(shù)：1、物料表2—1物料參數(shù)名稱操作壓力（表壓MPa）進(jìn)口溫度（°C）出口溫度（°C）半水煤氣1.1160375變換氣1.054202102、操作方式逆流操作3、換熱器結(jié)構(gòu)工藝尺寸（1）殼體內(nèi)徑?700mm（2）換熱管?25×3×6000，295根，等邊三角形排列，中心距34mm（3）拉桿?16×6（4）圓缺形折流板高度510mm，板間距400mm，（5）熱流體進(jìn)出管直徑×長(zhǎng)度Dg200×150（6）冷流體進(jìn)出管直徑×長(zhǎng)度Dg1500×1502.1換熱器選擇2.1.1選擇換熱器的類型換熱器的使用場(chǎng)合、使用目的、換熱介質(zhì)物性等因素的不同,決定了管殼式換熱器的結(jié)構(gòu)型式。固定管板式換熱器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊、造價(jià)低,每根換熱管可以單獨(dú)清洗和更換,在外形尺寸相同的條件下,與浮頭式和U形管式換熱器相比,換熱面積大〔2〕。所設(shè)計(jì)換熱器用于半水煤氣和變換氣的傳熱，粘度較小，不易結(jié)垢，不易腐蝕管道，所以選用固定管板式換熱器，便于拆卸、清洗。綜上所述，換熱器選擇固定管板式換熱器。2.1.2.流道選擇冷、熱流體流動(dòng)通道的選擇原則〔2〕：1、不潔凈和易結(jié)垢的液體宜走管程（管內(nèi)清洗方便）；2、腐蝕性流體宜走管程（以免管束和殼體同時(shí)受到腐蝕）；3、壓強(qiáng)高的流體宜走管程（以免殼體承受壓力）；4、飽和蒸汽宜走殼程（潔凈，α與流速無關(guān)，冷凝液易排出）；5、被冷卻的流體宜走殼程（便于散熱）；6、若兩流體溫差較大，宜將α大的流體走殼程（以減小熱應(yīng)力）；7、流量小、粘度大的流體宜走殼程（Re>100即可達(dá)湍流，也可走管程，采用多管程）；綜上所述，選擇半水煤氣走管程，變換氣走殼程。2.1.3傳熱形式選擇管壁兩側(cè)流體溫度差變化如下圖2-1所示：并流逆流圖2-1流體溫度差變化圖如上圖所示，若傳熱形式選擇并流傳熱，則不符合熱傳遞定律，所以流體傳熱形式選擇逆流傳熱。2.2換熱面積的計(jì)算查JB/T4715得換熱面積的計(jì)算公式為：A=πd(L-2δ-0.006)n式中：A—計(jì)算換熱面積，m2d—換熱管外徑，m；L—換熱管長(zhǎng)度，m；δ—管板厚度，m；n—換熱管根數(shù)。查GB151-2012得：1、用于易燃易爆及有毒介質(zhì)等嚴(yán)格場(chǎng)合時(shí)，管板的最小厚度（不包括腐蝕裕量）應(yīng)不小與換熱管的外徑。2、管板與換熱管采用焊接時(shí)管板的最小厚度應(yīng)滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造要求，且不小于12mm。因此暫取管板最小厚度δ=12mm則換熱面積計(jì)算如下：A=0.025π×(6-2×0.012-0.006)×295=138.32042.3物料與熱量衡算變換氣主要成分是CO2、CO、N2、H2,還有少量的CO、CH4等。半水煤氣主要由N2、H2、CO、CO2、O2、組成,并含有少量H2S和惰性氣體。由《小合成氨廠工藝與設(shè)計(jì)手冊(cè)》〔3〕查的半水煤氣和變換氣各組分比列如下（自貢市鴻鶴化工廠的實(shí)際數(shù)據(jù)）：表2-2變換氣組分組分N2COH2CO2H2OCH4含量（%）16.163.2744.3311.7824.190.27表2-3半水煤氣組分組分N2COH2CO2O2CH4含量（%）213038.1定性溫度對(duì)于一般氣體和水等低粘度流體，其定性溫度可取流體進(jìn)出口溫度的平均值。故殼程流體（變換氣）的定性溫度為〔4〕：T=管程流體（半水煤氣）的定性溫度為：t=2.3.2介質(zhì)物性計(jì)算根據(jù)定性溫度，在定性溫度下分別查《化學(xué)化工物性數(shù)據(jù)手冊(cè)》〔6〕（無機(jī)、有機(jī)卷）得殼程和管程流體的物性數(shù)據(jù)如表2-5和2-6。表2-4315℃×1.058MP時(shí)變換氣物性數(shù)據(jù)組分N2COH2CO2H2OCH4含量xi（%）16.163.2744.3311.7824.190.27密度kg/m35.59315.595830.40288.844859.107.8905（表格來源于《化學(xué)化工物性數(shù)據(jù)手冊(cè)》（無機(jī)卷））表2-5255℃×1.1MP時(shí)半水煤氣物性數(shù)據(jù)組分N2COH2CO2O2CH4H2O含量（%）213038密度kg/m36.10186.213560.44059.85136.98107.909522.15（表格來源于《化學(xué)化工物性數(shù)據(jù)手冊(cè)》（無機(jī)卷））根據(jù)定性溫度，在定性溫度下分別查《工程熱力學(xué)》〔5〕得殼程和管程流體的比壓熱熔各項(xiàng)系數(shù)如表2-6和2-7。表2-6變換氣各組分的比壓熱熔各項(xiàng)系數(shù)組分N2COH2CO2H2OCH4含量xi（%）16.163.2744.3311.7824.190.27a01.03161.005314.4390.50581.78951.2398a1(10-3)-0.056080.05980-0.95041.35900.10683.1315a2(10-6)0.28840.19181.9861-0.79550.58610.7810a3(10-9)-0.1025-0.07933-0.43180.1697-0.1995-0.6863（表格來源于《工程熱力學(xué)》〔10〕附表2）表2-7半水煤氣各組分的比壓熱熔各項(xiàng)系數(shù)組分N2COH2CO2O2CH4H2O含量（%）213038a01.03161.005314.4390.50581.78951.23981.7895a1(10-3)-0.056080.05980-0.95041.35900.10683.13150.1068a2(10-6)0.28840.19181.9861-0.79550.58610.78100.5861a3(10-9)-0.1025-0.07933-0.43180.1697-0.1995-0.6863-0.1995（表格來源于《工程熱力學(xué)》〔10〕附表2）則計(jì)算得變換氣和半水煤氣各組分的比壓熱容及質(zhì)量分?jǐn)?shù)如表2-8和2-9。表2-8變換氣各組分的比壓熱熔及質(zhì)量分?jǐn)?shù)組分N2COH2CO2H2OCH4含量xi（%）16.163.2744.3311.7824.190.27比壓熱熔CpCp=a0+a1(T)K+a2(T)2K+a3(T)3K(KJ/(Kg.K))1.0781.40714.1341.0642.0152.97質(zhì)量分?jǐn)?shù)(%)gi27.157.465.3231.1026.132.84表2-9半水煤氣各組分的比壓熱熔及質(zhì)量分?jǐn)?shù)組分N2COH2CO2O2CH4H2O含量（%）213038比壓熱熔CpCp=a0+a1(T)K+a2(T)2K+a3(T)3K(KJ/(Kg.K))1.0671.07914.4741.0270.9893.0111.980質(zhì)量分?jǐn)?shù)(%)gi26.8151.973.4614.041.021.231.47則半水煤氣和變換氣在各自定性溫度和壓力下的平均密度和比熱容為：變換氣的平均密度ρ==16.646變換氣的平均比熱容為=(0.2715×1.078+0.0746×1.407+0.0532×14.134+0.3110×1.064+0.2613×2.015+0.0284×2.97=2.09134半水煤氣的平均密度ρ==4.5565kg/m半水煤氣的平均比熱容2.3.3選擇總傳熱系數(shù)在列管式換熱器中，兩流體為氣體—?dú)怏w，總傳熱系數(shù)大致范圍為10～40W/(m2.s)（數(shù)據(jù)來源于《化工原理》〔4〕152頁表4-7）。因?yàn)榭倐鳠嵯禂?shù)增大，可減小換熱器的傳熱面積。所以選擇總傳熱系數(shù)K=40W/(m2.s)。2.3.4平均溫差逆流?t1?t因?t?t=2.3.5熱負(fù)荷計(jì)算由公式Q=KA?tQ=KA2.3.6管程流體（半水煤氣）質(zhì)量流量估算由2.1.4選取的管程流體在管內(nèi)流速為20m/s。換熱管體積為V=πr=9.52×6000×295π×10-9=0.50185m3管路截面積為A=9.52×295π×10-6=0.08364m2由公式Q=qm2Cp2(t2-t1)可得：管程流體（變換氣）質(zhì)量流量為q=0.779Kg/s管程流體（變換氣）體積流量為q管程流體（變換氣）流速為υ2.3.7流速及總傳熱系數(shù)的確定常見的換熱器中流體流速如表2-10。根據(jù)表2-10，氣體的在管程中的流速范圍在5～30m/s，由2.3.3得，選擇總傳熱系數(shù)K=40W/(m2.s)時(shí)，管程流體流速υ=5.5678m/s，符合要求，故選擇總傳熱系數(shù)K=40W/(m2.s)合適。表2-10換熱器常用流速的范圍介質(zhì)循環(huán)水新鮮水一般液體易結(jié)垢液體低粘度油高粘度油氣體流速管程流速，m/s1.0～2.00.8～1.50.5～3>1.00.8～1.80.5～1.55～30殼程流速，m/s0.5～1.50.5～1.50.2～1.5>0.50.4～1.00.3～0.82～15（圖表來源于GB150-2011）2.4殼程流體（變換氣）流量確定由公式Q=qq==0.797553結(jié)構(gòu)計(jì)算3.1換熱管的計(jì)算3.1.1管徑和管子材質(zhì)選擇由設(shè)計(jì)參數(shù)換熱管管徑選用?25×3，由于半水煤氣和變換氣都不具有強(qiáng)腐蝕性，所以根據(jù)GB150.2-2011以及GB151-2012選用低合金鋼無縫鋼管，材質(zhì)選擇Q345R。3.1.2傳熱管數(shù)和管程數(shù)根據(jù)給定設(shè)計(jì)參數(shù)，換熱管管數(shù)為295根，長(zhǎng)度為6000mm。因采用逆流方式傳熱，根據(jù)JB/T4715表4得，選擇單殼程單管程傳熱。3.1.3傳熱管的排列管子的排列方式有等邊三角形，正方形，轉(zhuǎn)角正方形三種。與正方形相比，等邊三角形排列比較僅湊，管外流體湍動(dòng)程度高，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)大。正方形排列雖然比較松散，傳熱效果也較差，但管外清洗比較方便，對(duì)易結(jié)垢流體更為適用。若將正方形排列的管束斜轉(zhuǎn)45°安裝，可在一定程度上提高對(duì)流傳熱系數(shù)〔7〕。根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)，等邊三角形排列，中心距34mm。如圖3-1。圖3-1管子三角形排列圖（圖片來源于GB151-2012）管心距為34mm（焊接時(shí)）。則隔板中心到力氣最近一排管中心距離：S=（公式來源于GB151-2012）根據(jù)《化工設(shè)備設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》〔7〕表5—3得，公稱直徑DN=700，管徑?=25排管數(shù)目為見表2-3。表3-1排管數(shù)目表正六角形同心圓數(shù)目六角形對(duì)角線上的的管字?jǐn)?shù)每個(gè)弓形部位的管子數(shù)弓形部位管字?jǐn)?shù)管子總數(shù)六角形內(nèi)的管字?jǐn)?shù)第一列第二列第三列919530301271（表格來源于GB151-2012）總排管數(shù)目301根中設(shè)定6根拉桿。3.2殼體計(jì)算由設(shè)計(jì)參數(shù)得，圓筒內(nèi)徑D=700mm，設(shè)計(jì)壓力Pc=1.05MP。3.2.1筒體材料選擇根據(jù)GB150.2-2011,、GB713-2008、GB713-2008壓力容器鋼板的選用標(biāo)準(zhǔn)，壓力容器選材原則：1.選用壓力容器材料時(shí)，必須考慮容器的工作條件，如溫度、壓力和介質(zhì)特征；材料的使用性能，如機(jī)械性能、物理性能和化學(xué)性能；加工性能，如材料的焊接性能和冷熱加工性能；經(jīng)濟(jì)合理性能，如材料的價(jià)格、制造費(fèi)用和使用壽命。2.剛制壓力容器用鋼材應(yīng)按照GB713-2008中所列材料選用，標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定設(shè)計(jì)壓力不大于35Mpa，對(duì)于超出規(guī)定的，應(yīng)進(jìn)行具體分析，并進(jìn)行試驗(yàn)，經(jīng)過研究以后決定。3.鋼材的使用溫度不超過各鋼號(hào)許用應(yīng)力中所對(duì)應(yīng)的上限溫度。但要注意的是，碳素鋼和碳錳鋼在高于425℃溫度下長(zhǎng)期使用時(shí)，應(yīng)考慮鋼中碳化物的石墨化傾向。奧氏體剛的使用溫度高于525℃時(shí)，鋼中的含碳量不應(yīng)小于0.04％，對(duì)于≤-20℃的低溫容器材料用鋼，還應(yīng)進(jìn)行夏比“V”型缺口沖擊試驗(yàn)。4.壓力容器非受壓元件用鋼必須有良好的可焊性。5.在考慮壓力容器受壓元件有足夠強(qiáng)度的情況下，必須考慮他的韌性，以防止外加載荷作用下發(fā)生脆性破壞[18]。選擇本換熱器殼體材料為Q345R。3.2.2焊接形式選擇1、壓力容器的焊接結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)應(yīng)遵循以下原則〔2〕：（1）盡量采用全熔透的結(jié)構(gòu)。（2）盡量采用對(duì)接接頭。（3）盡量減少焊縫處的應(yīng)力集中。坡口的選擇主要考慮以下因素〔2〕：（1）盡量減少填充金屬量，這樣既可以節(jié)省焊接材料，又可減少焊接工作量。（2）保證熔透，避免產(chǎn)生各種焊接缺陷。（3）減少焊接變形和殘余變形量，對(duì)較厚元件焊接應(yīng)盡量選用沿厚度對(duì)稱的坡口形式。根據(jù)《過程設(shè)備設(shè)計(jì)》〔2〕表4—3以及實(shí)際操作允許，選取焊接接頭形式為雙面焊對(duì)接接頭或相當(dāng)于雙面焊的全熔透對(duì)接接頭，無損檢測(cè)比例為100%，則焊接接頭系數(shù)?=1.00。3.2.3筒體計(jì)算從設(shè)計(jì)參數(shù)得，設(shè)計(jì)溫度為425℃因介質(zhì)為氣體，無靜壓力，所以計(jì)算壓力等于設(shè)計(jì)壓力，即殼程流體的操作壓力pc查《過程設(shè)備設(shè)計(jì)》表D-1得在設(shè)計(jì)溫度425℃時(shí)假設(shè)材料的許用應(yīng)力為σt=93MP（厚度為3～16mm時(shí)）計(jì)算厚度：δ=（公式來源于《過程設(shè)備設(shè)計(jì)》4.3）對(duì)變換氣，起不具有強(qiáng)腐蝕特性，而且規(guī)定對(duì)于碳素鋼和低合金鋼，腐蝕裕量不小于1mm。所以取C2=2mm.則設(shè)計(jì)厚度：δ對(duì)于Q345R，查GB/T3274-2007得，鋼板負(fù)偏差C1=0.3mm，因而取名義厚度δn=8mm。但對(duì)低合金鋼制的容器，規(guī)定不包括腐蝕裕量的最小厚度應(yīng)不小于3mm,因此，計(jì)算值符合規(guī)定，由鋼材的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格，名義厚度取8mm。再返回查《過程設(shè)備設(shè)計(jì)》表D-1得，δn=8mm，σt沒有變化，故取名義厚度8即，換熱器殼體圓筒內(nèi)徑為700mm，筒壁厚度為8mm。3.3管箱圓筒計(jì)算由給定設(shè)計(jì)參數(shù)得，設(shè)計(jì)溫度400℃，因介質(zhì)為氣體，無靜壓力，所以計(jì)算壓力等于設(shè)計(jì)壓力，即管程流體的操作壓力pc查《過程設(shè)備設(shè)計(jì)》表D-1得，在設(shè)計(jì)溫度400℃時(shí)，假設(shè)材料的許用應(yīng)力為σtδ=對(duì)變換氣，起不具有強(qiáng)腐蝕特性，而且規(guī)定對(duì)于碳素鋼和低合金鋼，腐蝕裕量不小于1mm。所以取C2=2mm.則設(shè)計(jì)厚度：δ對(duì)于Q345R，查GB/T3274得，鋼板負(fù)偏差C1=0.3mm，因而取名義厚度δn=8mm。但對(duì)低合金鋼制的容器，規(guī)定不包括腐蝕裕量的最小厚度應(yīng)不小于3mm,因此，計(jì)算值符合規(guī)定，由鋼材的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格，名義厚度取8mm。再返回查《過程設(shè)備設(shè)計(jì)》表D-1得，δn=8mm，σt即，換熱器管箱圓筒內(nèi)徑為700mm，筒壁厚度為8mm。同時(shí)，有GB151-1999得，軸向開口的單管程管箱，開口中心處的最小深度應(yīng)不小于按管內(nèi)徑的1/3。因此，根據(jù)給定參數(shù)冷流體進(jìn)出管直徑×長(zhǎng)度：Dg150×150，管箱圓筒長(zhǎng)度取300mm。3.4封頭計(jì)算對(duì)于管殼式換熱器，從內(nèi)徑、制造、受力分析、流體流通等因素考慮，GB/T25198-2010根據(jù)本換熱器左右封頭都選擇標(biāo)準(zhǔn)橢球形封頭。封頭EHA樣式如下圖3-2。圖3-2橢球形封頭（圖片來源于GB/T25198-2010）對(duì)于EHA橢形封頭DN=Di，D(公式來源于GB/T25198-2010附表C)根據(jù)GB150.2-2011,、GB713-2008、GB6654-1996壓力容器鋼板的選用標(biāo)準(zhǔn)，選擇本換熱器封頭材料為Q345R。根據(jù)GB/T25198-2010附表C得，對(duì)DN=700的封頭，總深度H=200，內(nèi)表面積A=0.5861m2，容積V=0.0545m3。因此由D得h=25mm。由給定設(shè)計(jì)參數(shù)得，設(shè)計(jì)溫度400℃，因介質(zhì)為氣體，無靜壓力，所以計(jì)算壓力等于設(shè)計(jì)壓力，即管程流體的操作壓力pc查《過程設(shè)備設(shè)計(jì)》表D-1得，在設(shè)計(jì)溫度400℃時(shí)，假設(shè)材料的許用應(yīng)力為σt計(jì)算厚度：因pc=1.1MP<0.6σδ=（公式來源于《過程設(shè)備設(shè)計(jì)》4.3）對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)橢球形封頭，K=1δ=對(duì)變換氣，起不具有強(qiáng)腐蝕特性，而且規(guī)定對(duì)于碳素鋼和低合金鋼，腐蝕裕量不小于1mm。所以取C2=2mm.則設(shè)計(jì)厚度：δ對(duì)于Q345R，查GB/T3274得，鋼板負(fù)偏差C1=0.3mm，因而取名義厚度δn=8mm。但對(duì)低合金鋼制的容器，規(guī)定不包括腐蝕裕量的最小厚度應(yīng)不小于3mm,因此，計(jì)算值符合規(guī)定，由鋼材的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格，名義厚度取8mm。即，換熱器管封頭內(nèi)徑為700mm，筒壁厚度為8mm。3.5管板計(jì)算3.3.1管板與殼體圓筒，管箱圓筒的連接方式選擇根據(jù)GB151-1999，管板與殼體圓筒，管箱圓筒的連接方式選擇e型：管板與殼程圓筒連為整體，其延長(zhǎng)部分兼做法蘭，與管箱用螺柱墊片連接。連接方式如圖3-3。圖3-3管板結(jié)構(gòu)（圖片來源于GB151-2012）3.3.2管板材料及厚度選擇便于焊接以及操作要求，管板材料選擇與筒體一致，選用Q345R。因冷熱流體間的平均溫差?tm=47.5℃，即換熱管壁與殼體壁見的平均溫差?t=47.5℃，查《化工設(shè)備設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》表5—1得管板厚度值見表3-2表3-2管板厚度值設(shè)計(jì)壓力NP(MP)殼體內(nèi)直徑×壁厚Di×δ(mm)管板厚度（mm）?t=±50計(jì)算值設(shè)計(jì)值1.6700×846.452（表格來源于《化工設(shè)備設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》表5—1）注：設(shè)計(jì)壓力大于1MP小于1.6MP時(shí)，按1.6MP查詢管板厚度為52mm。3.3.3管板與換熱管的連接管板與換熱管的連接方式有：脹接，焊接，脹、焊結(jié)合連接三種主要形式〔2〕。1、脹接一般設(shè)計(jì)壓力不大于4MP，設(shè)計(jì)溫度不超過300℃，用于無劇烈震動(dòng)、無大溫差波動(dòng)、無應(yīng)力腐蝕，且工作介質(zhì)費(fèi)易燃易爆的場(chǎng)合。換熱管的硬度值一般要求低于管板的硬度值；有應(yīng)力腐蝕時(shí)，不應(yīng)采用管端局部退火的方式來降低換熱管的硬度；強(qiáng)度脹接的最小脹接長(zhǎng)度應(yīng)取管板的名義厚度減去3㎜或50㎜二者的最小值。當(dāng)有要求時(shí)，管板的名義厚度減去3㎜或50㎜之間的差值可采用貼脹；或管板名義厚度減去3㎜全長(zhǎng)脹接。2、焊接的優(yōu)點(diǎn)是管孔在焊接時(shí)不用開槽，管孔光潔度要求不高，管子端部不需退貨及磨光，焊接強(qiáng)度高，拉脫力強(qiáng)，高溫條件下密封性好，焊縫出現(xiàn)泄漏時(shí)維修較方便，拆卸漏管更容易，材料焊接性能好，加工比脹接省力等。缺點(diǎn)是焊縫處的熱應(yīng)力可能引起應(yīng)力腐蝕，管子與管板間的環(huán)隙處會(huì)引起間隙腐蝕。3、脹、焊結(jié)合連接具有脹接和焊接的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)，脹、焊結(jié)合連接有分為先脹后焊和先喊后脹。先焊后脹能避免脹接使用的潤(rùn)滑油在焊接時(shí)受熱變?yōu)闅怏w時(shí)使焊縫產(chǎn)生氣孔。先脹后焊則可避免長(zhǎng)生焊縫裂紋，焊縫質(zhì)量容易保證。綜上所述，管板與換熱管間的連接方式選用脹、焊結(jié)合連接，且選用先脹后焊的方式。結(jié)構(gòu)型式及尺寸如圖3-4。圖3-4脹焊并接結(jié)構(gòu)型式及尺寸（圖片來源于GB151-2012）4附件選擇4.1折流板選擇根據(jù)給定設(shè)計(jì)參數(shù)，折流板采用圓形折流板，高度為510mm，板間距為400mm。4.1.1折流板厚度計(jì)算由GB151-2012表34查的折流板最小厚度為5mm。根據(jù)鋼板尺寸，取折流板厚度為6mm。4.1.2折流板管孔直徑和允許偏差由GB150-2011得：I級(jí)管束（適用于碳鋼、低合金鋼和不銹鋼換熱管）折流板或支持板管孔直徑即允許偏差應(yīng)符合表4-1規(guī)定。表4-1I級(jí)管束折流板或支持板管孔直徑即允許偏差換熱管外徑d或無支撐跨距l(xiāng)d>32或l≤900l>管孔直徑d+0.7d+0.4允許偏差+0.300（表格來源于GB150-2010）II級(jí)管束（適用于碳鋼、低合金鋼和不銹鋼換熱管）折流板或支持板管孔直徑即允許偏差應(yīng)符合表4-2規(guī)定。表4-2II級(jí)管束折流板或支持板管孔直徑即允許偏差換熱管外徑1416192532384557管孔直徑14.616.619.625.832.838.845.858.0允許偏差+0.400+0.450+0.500（表格來源于GB150-2010）由上表得，選擇折流板管孔直徑25.7mm，允許偏差為：04.2拉桿計(jì)算4.2.1拉管結(jié)構(gòu)形式選擇由GB151-2012得常用拉桿的形式有兩種：（1）、拉桿定距管結(jié)構(gòu)，適用于換熱管外徑大于或等于19mm的管束。（2）、拉桿與折流板點(diǎn)焊結(jié)構(gòu)，適用于換熱管外徑小于或等于14mm的管束。其結(jié)構(gòu)如圖4-1。圖4-1拉桿結(jié)構(gòu)圖（圖片來源于GB151-2012）4.2.2拉桿的直徑和數(shù)量換熱管外徑25≤d≤57，由GB151-2012表43查得：拉桿直徑dn=16mm。殼體公稱直徑700≤DN＜900，拉桿直徑dn=16mm，由GB151-2012表44查得：拉桿數(shù)量為6根。與3.1.3傳熱管的排列所選擇的管孔數(shù)相符合，4.2.3拉桿尺寸根據(jù)GB151-2012得，拉桿的連接尺寸如圖4-2。圖4-2連接尺寸圖（圖片來源于GB151-2012）查GB151-2012表45得：表4-3拉桿尺寸拉桿直徑d拉桿螺紋公稱直徑dnLaLbb161620≥602.0（表格來源于GB151-2012）4.2.4拉桿的布置由GB151-2012得，拉桿應(yīng)盡量均勻布置在管束的外邊緣。對(duì)于大直徑的換熱器，在布管區(qū)內(nèi)或靠近折流板缺口處應(yīng)布置適當(dāng)數(shù)量的拉桿，任何折流板不少于三個(gè)支撐點(diǎn)。則拉桿布置如圖4-3。圖4-3拉桿位置示意圖4.3流體進(jìn)出管選擇及布置4.3.1管程流體進(jìn)出管選擇及布置管程流體進(jìn)出管規(guī)格由給定參數(shù)確定：冷流體進(jìn)出管直徑×長(zhǎng)度Dg150×150。由GB150.2-2010查得，管子厚度為4.5mm.材料選用Q345D。由于采用單管程，所以流體進(jìn)出管布置最優(yōu)采用軸向入口接管。如圖4-4所示。圖4-4管箱接管布置示意孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算〔2〕補(bǔ)強(qiáng)圈材料選擇同封頭材料一致為Q345R。由給定設(shè)計(jì)參數(shù)得，設(shè)計(jì)溫度400℃，因介質(zhì)為氣體，無靜壓力，所以計(jì)算壓力等于設(shè)計(jì)壓力，即管程流體的操作壓力pc=1.1MP查《過程設(shè)備設(shè)計(jì)》表D-1得，在設(shè)計(jì)溫度400℃時(shí)，假設(shè)材料的許用應(yīng)力為σt=125MP（厚度為3～16mm時(shí)）根據(jù)《過程設(shè)備設(shè)計(jì)》表4-15，允許不另行補(bǔ)強(qiáng)的最大接管外徑為89mm。本開孔外徑等于159mm。故需另行考慮其補(bǔ)強(qiáng)。開孔直徑d=d本凸形封頭開孔直徑d=154＜Di/2=350mm，滿足等面積法開孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算的適用條件，故可用等面積法進(jìn)行開孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算。封頭計(jì)算厚度為δ=3.087mm對(duì)于Q345D，在420℃時(shí)的許用應(yīng)力〔δ〕nf接管有效厚度為δet則開孔所需補(bǔ)強(qiáng)面積A=dδ+2δ有效補(bǔ)強(qiáng)范圍a有效寬度BB=2d=2×154=308mmB=d+2取大值B=308mm。b有效高度外側(cè)有效高度h1為hh1取小值h內(nèi)側(cè)有效高度h2為hh2取小值h封頭有效厚度δ封頭多余金屬面積A=(308-154)(6-3.087)=448.602mm2接管計(jì)算厚度δ接管多余金屬面積A=2×26.3×=94.42mm2接管區(qū)焊縫面積（焊腳取6.0mm）A有效補(bǔ)強(qiáng)面積A因Ae4.3.2殼程流體進(jìn)出管選擇管程流體進(jìn)出管規(guī)格由給定參數(shù)確定：冷流體進(jìn)出管直徑×長(zhǎng)度Dg200×150。由GB150.2=2011查得，管子厚度為4.5mm.材料選用Q345D。流體進(jìn)出管布置最優(yōu)采用軸向入口接管。如圖4-5所示。圖4-5殼體接管布置示意圖開孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算〔2〕補(bǔ)強(qiáng)圈材料選擇同封頭材料一致為Q345R。由給定設(shè)計(jì)參數(shù)得，設(shè)計(jì)溫度425℃，因介質(zhì)為氣體，無靜壓力，所以計(jì)算壓力等于設(shè)計(jì)壓力，即管程流體的操作壓力pc=1.05查《過程設(shè)備設(shè)計(jì)》〔12〕表D-1得在設(shè)計(jì)溫度425℃時(shí)假設(shè)材料的許用應(yīng)力為σt根據(jù)《過程設(shè)備設(shè)計(jì)》表4-15，允許不另行補(bǔ)強(qiáng)的最大接管外徑為89mm。本開孔外徑等于209mm。故需另行考慮其補(bǔ)強(qiáng)，開孔直徑d=d本凸形封頭開孔直徑d=204＜Di/2=350mm，滿足等面積法開孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算的適用條件，故可用等面積法進(jìn)行開孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算。殼體計(jì)算厚度為δ=3.974mm，對(duì)于Q345D，在425時(shí)的許用應(yīng)力〔δ〕nf接管有效厚度為δet則開孔所需補(bǔ)強(qiáng)面積A=dδ+2δ有效補(bǔ)強(qiáng)范圍a有效寬度BB=2d=2×204=408mmB=d+2取大值B=308mm。b有效高度外側(cè)有效高度h1為hh1取小值h內(nèi)側(cè)有效高度h2為hh2取小值h圓筒有效厚度δ封頭多余金屬面積A=(408-204)(6-3.974)=413.304mm2接管計(jì)算厚度δ接管多余金屬面積A=2×30.3×=82.659mm2接管區(qū)焊縫面積（焊腳取6.0mm）A有效補(bǔ)強(qiáng)面積A因Ae<所需另行補(bǔ)強(qiáng)面積為A根據(jù)接管公稱直徑DN=200選補(bǔ)強(qiáng)圈，參照J(rèn)B/T4736，選取補(bǔ)強(qiáng)圈的坡口型式為D型—適用于殼體為內(nèi)坡口的全焊透結(jié)構(gòu)。如圖4-6、圖4-7所示。圖4-6補(bǔ)強(qiáng)圈結(jié)構(gòu)圖（圖片于JB/T4736）圖4-7補(bǔ)強(qiáng)圈坡口型式（圖片來源于JB/T4736）取補(bǔ)強(qiáng)圈外徑D2=400mm，內(nèi)徑如圖4.6取D1=216mm。因B=408mm＞400mm，補(bǔ)強(qiáng)圈在有效補(bǔ)強(qiáng)范圍內(nèi)。補(bǔ)強(qiáng)厚度為δ考慮鋼板負(fù)偏差及便于制造時(shí)準(zhǔn)備材料，補(bǔ)強(qiáng)圈名義厚度取為殼體厚度，取為8mm4.4防沖與導(dǎo)流由GB151-2012得，當(dāng)滿足下列條件時(shí)應(yīng)設(shè)置防沖板：1、管程設(shè)置防沖板的條件：當(dāng)管程采用軸向入口接管或換熱管內(nèi)流體流速超過3m/s時(shí)應(yīng)設(shè)置防沖板，以減少流體的不均勻分布和對(duì)換熱管端的沖蝕。由2.1.4得，管程流體流速為5.5678m/s，所以，應(yīng)設(shè)置防沖板。2、殼程設(shè)置防沖板或?qū)Я魍驳臈l件：（1）當(dāng)殼程流體的ρυ2值（ρ—流體密度，kg/m3;①非腐蝕、非腐蝕性的單相流體，ρυ2＞2230②其他液體，包括沸點(diǎn)以下的液體，ρυ2＞740kg/(m.（2）有腐蝕或有磨蝕的氣體，蒸汽及汽液混合物，應(yīng)設(shè)置防沖板。（3）當(dāng)殼程進(jìn)出接管激勵(lì)管板較遠(yuǎn)，流體停滯區(qū)過大時(shí)，應(yīng)設(shè)置導(dǎo)流筒，以減小流體停滯區(qū)，增加換熱管的有效換熱長(zhǎng)度。殼程流體進(jìn)入殼程是的流速為：由給定參數(shù)知，殼程流體進(jìn)出管直徑為200mm，則υ則ρ因ρυ2>2230kg/(m.s2)，所以殼程應(yīng)設(shè)置防沖板或?qū)Я魍病?.5防短路板4.5.1旁路擋板根據(jù)GB151-2012，旁路板應(yīng)與折流板焊接牢固，其厚度可取與折流板相同厚度為6mm。因500＜DN＜1000，故取旁路擋板數(shù)為2對(duì)。旁路擋板焊接結(jié)構(gòu)如圖4-8所示。圖4-8旁路擋板焊接結(jié)構(gòu)示意圖（圖片來源于GB151-2012）4.5.2擋管根據(jù)GB151-2012，擋管為兩端堵死的換熱管，擋管設(shè)置于分程隔板槽背面兩管板之間，擋管與換熱管規(guī)格相同，可與折流板點(diǎn)焊固定，也可用拉桿（帶定矩管或不帶定距管）代替。本設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)的換熱器采用的是單殼程，無分程隔板，所以不必設(shè)置擋管和中間擋板。4.6波形膨脹根據(jù)設(shè)計(jì)原則，當(dāng)冷熱流體平均溫差?tm<4.7支座選擇根據(jù)JB/T4712選擇重型（代號(hào)B）鞍式支座，根據(jù)GB151-2012換熱器鞍式支座布置如圖4-9，且應(yīng)按下列原則確定：1、當(dāng)L≤3000mm時(shí)，取LB=(0.4～0.6)L;2、當(dāng)L＞3000mm時(shí)，取LB=(0.5～0.7)L；3、盡量使Lc=Lc圖4-9鞍式支座布置示意圖（圖片來源于JB/T4712）有設(shè)計(jì)參數(shù)得L=6000mm。則LB=0.6L=3600mm；L根據(jù)JB/T4712.1，選擇鞍式支座型式特征如表4-4.表4-4支座尺寸型式包角墊板筋板數(shù)適用公稱直徑重型焊制B120o有2500～900（表格來源于JB/T4712）結(jié)構(gòu)尺寸如圖4-10所示。具體尺寸見表4-5。表4-5支座尺寸公稱直徑DN允許載荷QkN鞍座高度mm底板腹板筋板墊板螺栓間距鞍座質(zhì)量kg增加100mm高度增加的質(zhì)量mml1b1δδlbδ弧長(zhǎng)bδe7001702006401501083501208830240656460305（表格來源于JB/T4712）圖4-10鞍式支座結(jié)構(gòu)尺寸圖（圖片來源于JB/T4712）4.8法蘭及螺柱選擇材料選用16MnR根據(jù)JB/T4703-2000選用DN900，PN1.6Mpa的榫槽密封面長(zhǎng)頸對(duì)焊法蘭。密封面形式如圖4-11所示。圖4-11榫槽密封面（圖片來源于JB/T4703-2000）查JB/T4703-2000表1得，法蘭尺寸如表4-6。表4-6法蘭尺寸公稱直徑DNmm法蘭mm螺柱對(duì)接筒體最小厚度mmDD1D2D3D4δHhaa1δ1δ2Rd規(guī)格數(shù)量PN=1.0MP7008408007657557525010525171412221223M20328（表格來源于JB/T4703-2000）4.9墊片選擇設(shè)備墊片標(biāo)準(zhǔn)主要有〔2〕：JB4704非金屬軟墊片JB4705纏繞墊片JB4706金屬包墊片一般情況下，非金屬軟墊片適用于甲型平焊法蘭、乙型平焊法蘭、長(zhǎng)頸對(duì)焊法蘭。法蘭密封面形式為光滑密封面或凹凸密封面。纏繞墊片適用于乙型平焊法蘭、長(zhǎng)頸對(duì)焊法蘭。非金屬軟墊片厚度一般根據(jù)容器直徑選?。喝萜髦睆紻N≤450mm時(shí)，厚度δ=2mm；容器直徑DN＞450mm時(shí),厚度δ=3mm。金屬平墊片厚度一般為3～6mm。墊片的選擇要綜合考慮操作介質(zhì)的性質(zhì)、操作壓力、操作溫度以及需要密封的程度；對(duì)墊片本身要考慮墊片性能，壓緊用的次數(shù)。對(duì)高溫高壓的情況一般多采用金屬墊片；中溫中壓可采用金屬和非金屬組合式或非金屬墊片；中低壓情況多采用非金屬墊片；高真空或深冷溫度下以采用金屬墊片為宜。根據(jù)本設(shè)計(jì)要求,查《過程設(shè)備設(shè)計(jì)》表4-11得，選擇墊片如表4-7。根據(jù)本設(shè)計(jì)要求,查《過程設(shè)備設(shè)計(jì)》表4-9得，確定墊片系數(shù)m=3.0比壓力y=69MPa，根據(jù)4-7得墊片尺寸外徑D=755㎜,內(nèi)徑d=721mm。表4-7墊片選擇介質(zhì)法蘭公稱壓力/MP工作溫度/℃密封面墊片形式材料氫氣與油氣混合物4.0251～450凹凸纏繞墊、柔性石墨復(fù)合墊0Cr18Ni19鋼帶-石墨帶石墨-0Cr18Ni19等骨架墊片預(yù)緊時(shí)需要的壓緊力為：F5安裝制造5.1換熱器制造5.1.1換熱管直管一律采用整根管子而不允許有接縫。管子應(yīng)該進(jìn)行校直，管子兩端須用磨管機(jī)清除氧化皮、鐵銹、及污垢等雜質(zhì)直至露出金屬光澤。除銹長(zhǎng)度不小于兩倍管板厚度。當(dāng)管子與管板的連接采用脹接工藝時(shí)，管端硬度應(yīng)低于管板硬度。同一根換熱管的對(duì)接焊縫，直管不得超過一條，U型管不得超過二條，最短管長(zhǎng)不應(yīng)小于300mm，包括至少50mm直管段范圍內(nèi)不得有拼接焊縫。管端破口應(yīng)采用機(jī)械方法加工，焊前應(yīng)清洗干凈。換熱管組裝要求兩管板相互平行允許誤差不得大于1mm，兩管板間長(zhǎng)度誤差為±2mm，管子與管板應(yīng)垂直拉感應(yīng)牢靠固定，定距管兩端面要整齊，穿管時(shí)管子頭不能用鐵器直接敲打。5.1.2筒體換熱器筒體的圓度要求較高，必須保證殼體與折流板之間有合適的間隙。如太大就要影響換熱效果，太小就要增加裝配的難度。切割好的鋼板應(yīng)根據(jù)鋼板厚度、操作壓力高低選定破口形式進(jìn)行邊緣加工。用鋼板卷制時(shí)，內(nèi)直徑允許偏差可通過外圓周長(zhǎng)加以控制，其外周長(zhǎng)允許上偏差10mm，下偏差為0。5.1.3封頭和管箱封頭和管箱的厚度一般不小于殼體的厚度。分程隔板兩側(cè)全長(zhǎng)均應(yīng)焊接并應(yīng)具有全焊透的焊縫。由于焊接應(yīng)力較大，故管箱和封頭法蘭等焊接后，須進(jìn)行消除應(yīng)力的熱處理，最后進(jìn)行機(jī)械加工。5.1.4折流板由于折流板很薄，鉆孔時(shí)鉆頭的推力使管板中心變形，故可將下料或圓整的折流板去掉毛刺并校平，重疊、壓緊后沿周邊點(diǎn)焊、然后一起鉆孔。為了保證順利穿管，必須是折流板的管孔與管板中心在同一直線上，可以將管板當(dāng)作鉆模放在折流板上，壓緊后進(jìn)行引孔，即以管板危機(jī)出現(xiàn)在折流板上鉆出和管板孔距一致的定位孔，然后取下管板，將折流板壓緊，并換上合適的鉆頭。5.1.5管板管板由低合金鋼Q345R制成，加工前表面不平度不得大于2mm如超過此值應(yīng)先進(jìn)行校平，然后進(jìn)行加工。拼接管板的對(duì)接接頭應(yīng)進(jìn)行100%射線或超聲檢測(cè)，按JB4730-2005進(jìn)行表面檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果不低于Ⅲ級(jí)，或超聲檢測(cè)中的Ⅰ級(jí)為合格。換熱管與管板的連接，二者采用焊接的形式連接，連接部位的換熱管和管板孔表面，應(yīng)清理干凈，不得有毛刺、鐵屑、銹斑、油污等。焊渣及凸出于換熱器內(nèi)壁的焊瘤均應(yīng)清除。管板與換熱管焊接時(shí)管孔表面粗糙度Ra值≤25μm。5.2換熱器安裝1、安裝位置根據(jù)該換熱器的結(jié)構(gòu)形式，在換熱器的兩端留有足夠的空間來滿足拆裝、維修的需要。2、基礎(chǔ)必須使換熱器不發(fā)生下沉。在活動(dòng)支座的一端應(yīng)予埋滑板。3、地腳螺栓和墊鐵（1）活動(dòng)支座的地腳螺栓應(yīng)裝有兩個(gè)緊鎖的螺母，螺母與底板間應(yīng)留有1—3mm的間隙。（2）地腳螺栓兩側(cè)均有墊鐵。設(shè)備找平后，斜墊鐵可與設(shè)備支座底板焊牢，但不得與下面的平墊鐵或滑板焊死。（3）墊鐵的安裝不應(yīng)妨礙換熱器的熱膨脹。5.3安裝步驟管殼式換熱器安裝應(yīng)按照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SH3532-2005《石油化工換熱設(shè)備施工及驗(yàn)收規(guī)范》相關(guān)規(guī)定進(jìn)行。具體安裝要求如下：1、安裝前，換熱器外部檢查應(yīng)包括下列內(nèi)容：（1）、設(shè)備殼體有無損傷；（2）、設(shè)備的連接管、排出管、法蘭密封面等處有無變形和缺陷；（3）、設(shè)備連接管法蘭面與支座支撐面是否平行或垂直；法蘭的規(guī)格、型號(hào)、壓力等級(jí)是否符合設(shè)計(jì)圖樣的規(guī)定。2、安裝換熱器連接管時(shí)，嚴(yán)禁強(qiáng)力裝配。液面計(jì)、安全閥等附件安裝前應(yīng)經(jīng)檢查、試壓、調(diào)試合格。3、換熱器抽芯檢查時(shí)，抽芯機(jī)械應(yīng)有足夠的抽出力和推進(jìn)力，能自動(dòng)對(duì)中，且重心穩(wěn)定，運(yùn)轉(zhuǎn)靈活，安全可靠。4、換熱器在抽芯時(shí)，應(yīng)將拆卸下來的零件做好標(biāo)記，妥善保管。5、吊裝換熱器管束時(shí)，不得用鋼絲繩或其他銳利的吊具直接捆綁管束。管束水平放置時(shí)，必須支撐在管板或支持板上。6、換熱器重疊安裝時(shí)，應(yīng)按制造廠的竣工圖樣進(jìn)行組裝。重疊支座間的調(diào)整墊板，應(yīng)在試壓合格后焊在下層換熱設(shè)備的支座上。總結(jié)換熱設(shè)備是實(shí)現(xiàn)物料之間熱量傳遞的節(jié)能設(shè)備，也是回收余熱、廢熱，特別是低位熱能的有效裝置。換熱器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（heatexchanger）。在化工生產(chǎn)中，常常需要把低溫流體加熱或者把高溫流體冷卻，把液體汽化成蒸汽或者把蒸汽冷凝成液體。本文主要研究的是固定管板式換熱器，它是換熱設(shè)備的一類。通過對(duì)換熱器的發(fā)展、分類、材料和運(yùn)用等相關(guān)理論進(jìn)行闡述，進(jìn)而對(duì)換熱器進(jìn)行熱工設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及強(qiáng)度設(shè)計(jì)。固定管板式換熱器的設(shè)計(jì)，讓我對(duì)換熱器的設(shè)計(jì)流程和作用有了更深刻了解。無論換熱設(shè)備的設(shè)計(jì)計(jì)算或是校核計(jì)算，一般均應(yīng)考慮下。1、首先必須滿足工藝要求。2、換熱設(shè)備中換熱介質(zhì)參數(shù)（流速、允許壓降、溫度等）的合理選取。在換熱設(shè)備中，介質(zhì)流速高，傳熱系數(shù)大，在熱負(fù)荷一定的情況下，可使傳熱面積減小，設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊，不僅節(jié)省投資，而且有利于減緩或抑制污垢的形成，但同時(shí)，介質(zhì)流速高，壓降增大，而且介質(zhì)對(duì)傳熱面積的沖蝕加劇，并容易產(chǎn)生流體誘導(dǎo)振動(dòng)破壞等。因此介質(zhì)速度的選取應(yīng)考慮壓降的合理性，盡可能在允許壓降范圍內(nèi)，提高流速，以加大傳熱系數(shù)。3、合理安排流程，以便獲得較大的傳熱系數(shù)，并使熱、冷流體的流向盡可能接近逆流。4、換熱設(shè)備結(jié)構(gòu)參數(shù)的合理選擇主要包括結(jié)構(gòu)形式、尺寸和材質(zhì)等方面。5‘設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，應(yīng)注意定性尺寸的計(jì)算。在弩塞爾特?cái)?shù)、雷諾數(shù)等的定義式中均有定性尺寸，通常是選取對(duì)流體運(yùn)動(dòng)或傳熱發(fā)生主導(dǎo)影響的尺寸作為定性尺寸。6、在達(dá)到所需工藝要求的前提下，應(yīng)使設(shè)備費(fèi)、操作費(fèi)和維護(hù)費(fèi)之和最低。7、考慮采用各種強(qiáng)化傳熱措施。由傳熱基本方程Ｑ＝ＫＡ△t可見，增大總