固定管板式换热器整体结构设计_固定管板式换热器设计

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山东建筑大学毕业设计说明书固定管板式换热器整体结构设计

2.1换热器类型的选择

两流体温度变化情况：热流体进口温度140℃，出口温度40℃；冷流体（循环水）进口温度30℃，出口温度40℃。该换热器用循环水冷却，冬季操作时进口温度会降低，考虑到这一因素，估计该换热器的管壁和壳体壁温之差较大，因此初步选定带膨胀节的固定管板式换热器。

2.2 换热器内流体流动空间及流速的确定

由于循环冷却水较易结垢，为便于水垢清洗，应使循环水走管程，油品走壳程。选用的碳钢管252.5，管内流速取i0.5m。

s2.2.1冷热流体物性数据的确定

定性温度：可取流体进口温度的平均值。壳程油的定性温度为：

T14040290℃

管程流体的定性温度为：

T3040235℃

根据定性温度，分别查取壳程和管程流体的有关物性数据。油在90℃下的有关物性数据如下： 密度

0825㎏/m3 定压比热容

cp02.22KJ/（㎏·℃）导热系数

00.140W/（m·℃）粘度

i0.000715Pas 循环冷却水在35℃下的物性数据如下： 密度

0994㎏/m3 定压比热容

cp04.08KJ/（㎏·℃）导热系数

00.626W/（m·℃）粘度

i0.000725Pas

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2.2.2总传热系数的计算

（1）热流量

Q0m0cp0t060002.22(14040)1.32106kJ366.7(kW)（2）平均传热温度

t't1t2lnt1t2(14040)(4030)ln14040403039℃

（3）冷却水用量

iQ0cpiti13200004.08(4030)3235（3kg/h）

（4）总传热系数K

管程传热系数：

Rediuiiui0.020.59940.0007250.803670

i0.02 0.023idiuiidi(ui)(cpuii0.8)0.4

0.6260.020(13670)(4.082.61750.4)0.626

=2731W/（m2·℃）

壳程传热系数：

假设壳程的传热系数0290W/（m2·℃）

污垢热阻

Rsi0.000344mC/WRso0.000344mC/W22

管壁的导热系数45W/(mC)；

山东建筑大学毕业设计说明书 1dKidiRsiddibddiRs110.00250.025450.022512900.02527310.0200.0003440.0250.020

0.000172219.5W/(mC)22.3传热面积的计算

SQKtm366.7103219.53942.8(m)

2考虑15%的面积裕度

S1.15S1.1542.849.2(m)。

22.4工艺结构设计

（1）管径和管内流速

选用252.5传热管（碳钢），取管内流速ui0.5m/s。（2）管程数和传热管数

依据传热管内径和流速的确定单程传热管数

nsV4232353/(9943600)0.7850.020.5257.658(根)

diu按单程管计算，所需的传热管长度为

LS49.23.140.0255810.8(m)

dns按单管程设计，传热管过长，宜采用多管程结构。先取传热管长L=6m，则该换热器管程数为NpLl10.862(管程)

传热管总根数N582116(根)（3）平均传热温差校正及壳程数 平均传热温差校正系数

R1404040304

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403014030P0.091

按单壳程，双管程结构，温差校正系数应查有关图表。但R=10的点在图上难以读出，因而相应以1/R代替R，PR代替P，查同一图线，可得

t0.82

平均传热温差

tmttm0.823932(C)

（4）传热管排列和分程方法

采用组合排列法，即每程内均按正三角形排列，隔板两侧采用正方形排列。取管心距 t1.25d，则 t1.252531.2532(mm)

横过管束中心线的管数

nc1.19N1.1911613(根)，其排列形式如图2.1所示。

图2.1 换热管排列形式

（5）壳体内径

采用多管程结构，取管板利用率0.7，则壳体内径为

D1.05tN/1.0532116/0.7432.5(mm)

圆整可取D450mm。（6）折流板

采用弓形折流板，取弓形折流板圆缺高度为壳体内径的25%，则切去的圆缺高度为h0.25450112.5(mm)，故可取h110mm。

取折流板间距B0.3D，则

B0.3450135(mm)可取B为150mm。

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折流板数NB传热管长折流板间距16000150139（块）

但考虑到实际情况，换热管还要和管板装配，管板有一定厚度，且壳体还需要装接管，所以取37块折流板，中间的折流板距离不变，仍为150mm，两边各去掉一块，使换热管有足够的长度和管板装配。

折流板圆缺面水平装配。

（7）接管

壳程流体进出口接管：取接管内油品流速为u1.0m/s，则接管内径为

d4V46000/(3600825)3.141.00.051(m)

u取标准管径为50mm。

管程流体进出口接管：取接管内循环水流速u1.5m/s，则接管内径为

d432353/(3600825)3.141.50.088(m)

取标准管径为80mm。

取双管程单壳程的结构，查手册各种标准，应选取126根换热管，这样排管合适，又满足了热量交换要求。换热管束布局如图2.2所示。

图2.2 换热管排列形式

山东建筑大学毕业设计说明书膨胀节的设计

在固定式换热器中，因壳程流体与管程流体之间具有温差，而壳体和换热管均与管板固定连接，在使用中会引起壳体和换热管之间的膨胀差，造成壳体和换热管受到轴向载荷，避免壳体和换热管拉伸破坏、换热管失稳、换热管从管板上拉脱的方法有多种，如选用U型管换热器、浮头式换热器等，上述两种方法补偿应力大，但制造较复杂，费用高。在应力不大的情况下可选择在壳体中间设置一个变形补偿元件——膨胀节以降低壳体与换热管的轴向载荷。膨胀节除了位移补偿的作用外，还同时兼有减震降噪和密封的功能。

3.1 判断是否需要设置膨胀节

分别计算筒体及换热管上所产生的应力，以及换热管与管板连接的拉脱力，当应力或拉脱力超过许用峰值时，则必须设置膨胀节。

（1）筒体上产生的应力

cF1F2FS3[]cMPa

t式中F1——壳体和换热管之间的温差所产生的轴向力，MPa

F1FSEsFtEtFSEsFtEt

F2—壳程和管程压力作用于壳体上的力，MPa

F2QFSEsFSEsFtEt

—换热管与壳体的热膨胀变形差

t(ttt0)s(ttt0)

Fs—壳程壳体壁金属横截面积，mmFt—换热管管壁金属横截面积，mm2

Es—壳程壳体材料弹性模量，MPaEt—换热管材料弹性模量，MPa

t—换热管材料线膨胀系数，℃-1

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s—壳体材料线膨胀系数，℃

tt—沿长度平均的换热管金属温度，℃ ts—沿长度平均的壳体金属温度，℃ t0—制造环境温度，℃

-1Q—壳程与管程压力产生的力，N 4(Dind0)ps22Q4n(d02tt)pt2

d0—换热管外径，mm Di—筒体内径，mm Ps—壳程设计压力，MPaPt

—管程设计压力，MPa

tt—换热管管壁厚度，mm n—换热管根数

[]c—壳体材料在设计温度下的许用应力，MPat

（2）换热管上产生的应力

tF1F2Ft

当t0时，t3[]tt

t0时，t[]cr

式中 []tt—换热管材料在设计温度下的许用应力，MPa

[]cr—换热管稳定许用压应力，MPa

（3）拉脱应力

qtad0l3[q]

式中 a—一根换热管管壁金属横截面积，mm 7

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L—换热管与管板焊接高度，mm

[q]—许用拉脱力，MPa

[q]0.5[]t

计算过程及结果

Fs23522252214451mm2

mm2 Ft(12.510)12622264.22Es2.0110Et2.01105MPaMPa 5t10.8106℃-1 ℃-1 s12.510tt=35℃ ts=90℃ t0=20℃ Q64(450212625)0.31.2524126(255)0.41.2556211.252

d0—25mm Di—450mm Ps—0.375MPaPt

—0.5MPa

tt—2.5mm n—126 10.8106(3520)12.51066(9020)7131056

F17131014451.22.011022264.22.0110555144512.011022264.22.01101255887.4MPa

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F256211.3144512.0110555144512.011022264.22.01101255887.422087.5144511255887.422087.585.37MPa22087.5MPa

c

t57.4MPa22264.257.4176.7q51.68MPa

3.14252.5

经计算的应力小于需要设置膨胀节的要求，但由于所选的系数较小，且壳程和管程的温度相差较大，为保证其在冬季工作时不致因为过大得温差导致应力过大引起损坏，综合考虑，需要设置膨胀节。

本设计选用U型膨胀节，如图3.1所示。

3.1 U型膨胀节示意图图

3.2 膨胀节结构尺寸

3.2 膨胀节的设计

根据GB167491997中的规定，壳程液体流速0.137m/s3.04m/s，所以不需要设置内衬套。壳程液体流速不大，压力不高，选取单层、厚壁、大波高、大波距的U型膨胀节。

膨胀节型号ZDW(A)0.31101(C)，如图3.2所示。

山东建筑大学毕业设计说明书固定管板式换热器三维造型设计

4.1 换热器的固定管板建模

固定管板是换热器很重要的组成部分，其主要作用是固定换热管束、连接壳体并且兼做法兰和管箱连接。材料用45钢，上面的板孔数为128，板孔正三角形排列，Ⅱ级管束，板孔直径d=25.8mm。共有24个18的螺栓孔和M16的螺栓配合。其建模过程也较复杂。先在二维草图上画出圆柱轮廓，再选择柱体上的一个面作为草图，进行换热管孔的绘图，先画出上半部分草图，再用镜像命令复制出下半部分，综合运用拉伸、除料命令，最后的效果图如图4.1所示。

图4.1 固定管板模型

4.2 换热器的换热管束建模

换热管是换热器工作的核心，其材料用Q235的无缝钢管，尺寸252.5。管长6000mm，128根正三角形排列，管程数是2，壳程为1。其建模过程比较简单。换热管的排列形式要和固定管板上的换热管孔一致，这样才能进行装配。首先按照固定管板上的孔的排列形式画出管束孔，再在原来孔的基础上画出比原孔直径小5mm的孔，完成山东建筑大学毕业设计说明书

草图。用拉伸命令拉伸出换热管的长度。如图4.2所示。

图4.2 换热管束模型

4.3 换热器的管箱法兰建模

法兰的作用主要是连接管箱和固定管板，材料为45钢，其上的螺栓孔和固定管板上的螺栓孔的大小规格和排列方式一致。管箱法兰由于是圆周对称结构，所以只画出其剖面二维草图，再进行旋转拉伸出实体即可。上面的螺栓连接孔可以只画出一个，然后用镜像命令圆周镜像出。如图4.3所示。4.4 换热器的折流板建模

折流板主要作用是改变壳程液体的流向和支撑换热管束，用45钢即可满足强度、刚度要求。为在停止工作时排除壳程内残留液体和在换热过程中伴随有气相产生或在不工作时排除不凝性气体，在折流板顶部和底部需设置缺口，缺口角度为90°。上面的管孔位置和固定管板上的一一对齐，Ⅱ级管束，板孔直径d=25.8mm。其周围三个16.4的孔是穿过拉杆的，折流板建模比较简单，在二维草图上画出管孔位置，用拉伸命令即可。如图4.4所示。

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图4.3管箱法兰

图4.4 折流板模型

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4.5 换热器的膨胀节建模

膨胀节受到拉伸应力作用，必须有足够的强度和韧性，选用Q235A。膨胀节建模如同管箱法兰，由于是圆周对称件，所以只画出其剖面二维草图再用旋转拉伸命令即可。由于壳体内液体流速0.137m/s3.04m/s，根据GB167491997中的规定，不需要设置内衬套。如图4.5所示。

图4.5 膨胀节模型

4.6 换热器的其它零部件建模

椭圆封头、壳体、接管等的建模都比较简单，都是最基本的拉伸、除料命令，在这不一一详解，如图4.6～4.8所示，椭圆封头的尺寸按JB/T47371995《椭圆形封头》的规定标准，其长短轴的比值为2。与壁厚相等的筒体连接时，椭圆封头可以达到与筒体等强度。

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图4.6 接管模型

图4.7 壳体模型

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图4.8 椭圆封头模型

4.7 换热器的装配体生成 4.7.1 换热器的装配模式

零部件装配的过程，就是确定装配体中各组成零部件如何连接的过程。零部件之间的连接关系即为装配关系。装配体是在一个Solid works文件中两个或多个零件的组合。用户可以使用配合关系来确定零部件的位置和方向，可以自下而上设计一个装配体，也可以自上而下地进行设计，或者两种方法结合使用。

所谓自下而上的设计方法，就是先生成零部件并将其插入到装配体中，然后根据设计要求配合零部件。该方法是比较传统的方法，因为零部件是独立设计的，所以可以让设计者更加专注于单个零部件的设计工作，而不用建立控制零部件大小和尺寸的参考关系等复杂概念。

自上而下的设计方法是从装配体开始设计工作，用户可以使用一个零部件的几何体来帮助定义另一个零部件，或生成组装零部件后才添加加工特征。可以将草图布局作为设计的开端，定义固定的零部件位置、基准面等，然后参考这些定义来设计零部件。

零部件设计完成之后，可根据要求进行零部件装配。零部件之间的装配关系实际上就是零部件之间的位置约束关系。可以把一个大型的零部件装配模型看作是由多个子装

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配体组成，因而在创建大型的零部件模型时，可先创建各个子装配体，子装配体完成后，再将各个子装配体按照它们之间的相互位置关系进行装配，最终创建一个大型的零部件装配模型。

通过给装配体添加约束关系，可以使零部件之间精确地进行定位，从而将各个单独得零件组合成所需要的装配体。Solid works提供了六种装配体约束类型：重合、平行、垂直、同轴心、距离、角度。4.7.2生成装配体的基本条件

进行零件装配时，必须合理选取第一个装配零部件。第一个装配零部件应满足如下两个条件：一是整个装配体模型中最为关键的零部件；二是用户在以后的工作中不会删除该零部件。

零部件的装配步骤如下：

（1）建立一个装配体零件（.sldasm），进入零件装配模式；

（2）调入第一个零件模型。默认情况下，装配体中第一个零件是固定的，但是用户可以随时将其解除固定；

（3）调入其它与装配体有关的零件模型和子装配体；

（4）分析零件之间的颚装配关系，并建立零件之间的装配关系。（5）检查零部件之间的干涉关系；

（6）全部零件装配完毕后，将装配体模型保存。4.7.3 换热器的管箱装配图生成管箱装配体主要由椭圆封头、管箱法兰和接管组成，管箱法兰作为第一个零件固定，然后调入接管和椭圆封头，装配过程中接管和管箱法兰的其中一个螺栓孔要对齐，因为下面的装配中法兰还要和固定管板用螺栓连接，否则会产生干涉。同样两接管法兰的螺栓孔也要一一对齐。其装配完的结构如图4.9所示。4.7.4 换热器管束与管板的装配

管束与管板的装配是比较重要的装配结构，需要精确的对中性，如果对中不够准确，就会产生干涉，使下一级装配无法进行或装配错误。另外，两块折流板间的距离要保持150mm的准确性，如果有偏差，再装定距管和拉杆时就会产生干涉，导致整个换热管束和折流板的装配错误。其完整装配如图4.10所示。

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图4.9 管箱装配体

图4.10 换热管与折流板装配体 4.7.5 换热器壳体与膨胀节的装配

壳体与膨胀节装配比较简单，把壳体作为第一个零件，只要和膨胀节同轴，面面重

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合即可，其装配如图4.11所示。

图4.11 壳体与膨胀节装配体

4.7.6 换热器的总体装配图生成总装配体是由各个子装配体装配而成，把壳体与膨胀节的装配作为第一个装配体固定，其它的装配体如管箱、封头、换热管束等都往第一个装配体上装配。在装配过程中要注意的是管箱接管和壳体上的接管要平行对齐，否则螺栓孔就不能完全对齐，出现偏差，导致错误。最后完整的总体装配如图4.12所示。

图4.12 整体装配图

至此，换热器的各个零部件建模及装配体的装配过程已经完成。装配过程中要注意

山东建筑大学毕业设计说明书的问题是当两个面配合时一定要平行，否则就会产生干涉，使后面的步骤无法进行。另外，本方案中换热管与固定管板的连接采用强度焊形式，其优点是制造加工简便，焊接结构强度高，抗拉脱力强，当焊接部分有泄漏，可补焊。如需更换换热管，可采用专用刀具拆卸，比胀接管方便。适用于压力和温度无限制，不适用于有较大振动及有间隙腐蚀的场合。

山东建筑大学毕业设计说明书总结与展望

5.1 总结

本设计完成了对固定管板式换热器的选型、总体结构设计和变形补偿元件膨胀节、固定管板等的设计计算。针对现代设计方法的特点，根据固定管板式换热器结构和尺寸的分析以及对其各个零部件参数的分析，按照参数化设计的要求，运用三维绘图软件Solid works对换热器的各个零部件建立三维参数化模型，存入模型数据库中。需要建立的模型包括：封头、筒体、管板、筒体法兰、接管、接管法兰、膨胀节、折流板、换热管等。

基于三维绘图软件的换热器计算机辅助设计(Solid works、Solid Edge等)不仅节省大量人力、物力，提高设计过程的效率，而且全改变以往单纯的手工计算和二维绘图设计，使换热器的设计过程提高到了完全计算机计算和绘图，增强了设计过程中零部件和换热器最终装配的可视化，方便了换热器需求方和设计方在设计过程中的交流和产品优化。

本设计较好的完成了设计任务的规定要求，达到了生产制造的条件，但设计过程中也有不足之处：

(1)方案设计初期，只考虑了设计的可行性，忽略了加工制造的难度，导致设计的一些零部件无法加工，不得不重新设计，浪费了大量的时间和精力。

(2)设计中过分考虑安全因素，某些结构参数设置过大，导致材料用量增加，这样虽然保证了刚度、强度，却增加了制造成本，使综合的性价比有所下降。5.2 展望

目前工业装置中管壳式换热器的用量占全部换热器用量的70%。管壳式换热器结构有较大的改进和发展，从原来传统的弓形隔板加光滑管的结构，发展为其它类型的管间支撑物加强化管的结构，由于这些结构上的改进，使得管壳式换热器的传热与流体阻力性能有了明显的改善，加上本身固有的优点，如耐高温、耐高压、结构简单和清洗方便等，使得管壳式换热器在激烈的换热器竞争中得以生存和发展。

在设计方面，新的设计方法和设计手段不断出现。随着计算机技术的发展，计算机辅助设计法(CAD)和基于计算流体动力学(CFD)和数值传热学的设计方法将成为本世纪管壳式换热器的主要设计方法。新型材料的使用，使换热器朝着强度高、制造简单、防腐效果好、重量轻的方向发展。

最近几年，具有代表性的高效换热器和强化传热元件不断出现，如板翅式换热器、大型板壳式换热器和强化沸腾的表面多孔管、T形翅片管、强化冷凝的螺纹管和锯齿管

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等，社会效益非常显著，大大缓解了能源的紧张状况。

总之，在今后的设计中要综合考虑各方面的制约因素，要注意技术创新与改进，但也不能忽略安全性和经济性。故在设计中，应在考虑安全性的前提下在一定的范围内体现其经济性，这也就是设计所要达到的最终目标。