摘要
换热器是化工、石油、动力、冶金、交通、国防等工业部门重要工艺设备之一，其正确的设置，性能的改善关系各部门有关工艺的合理性、经济性以及能源的有效利用与节约，对国民经济有着十分重要的影响。 换热器的型式繁多，不同的使用场合使用目的不同。其中常用结构为管壳式，因其结构简单、造价低廉、选材广泛、清洗方便、适应性强，在各工业部门应用最为广泛。
固定管板式换热器管束连接在管板上，管板与壳体焊接。其优点是结构简单、紧凑、能承受较高的压力，造价低，管程清洗方便，管子损坏时易堵管或更换；缺点是当管束与壳体的壁温或材料的线胀系数相差较大时，壳体与管束将会产生较大的热应力，这种换热器适用于壳侧介质清洁且不易结垢、并能进行清洗、管程与壳程两侧温差不大或温差较大但壳程压力不高的场合。
关键词：固定管板式 换热器 压力容器
第一章 绪论
化工生产离不开化工设备，化工设备是化工生产必不可少的物质技术基础，是生产力的主要因素，是化工产品质量保证体系的重要组成部分[1]。然而在化工设备中化工容器占据着举足轻重的地位，由于化工生产中，介质通常具有较高的压力，化工容器一般有筒体、封头、支座、法兰及各种容器开孔接管所组成，通常为压力容器，因为压力容器是化工设备的主体，对其化工生产过程极其重要，国家对其每一步都有具的标准对其进行规范，如：中国《压力容器安全技术监察规程》、gb150—1998《钢制压力容器》、gb151—1999《管壳式换热器》等。在其中能根据不通的操作环境选出不同的材料，查出计其允许的工作压力，工作温度等[。
换热器简单说是具有不同温度的两种或两种以上流体之间传递热量的设
备。在工业生产过程中，进行着各种不同的热交换过程，其主要作用是使热量由温度较高的流体向温度较低的流体传递，使流体温度达到工艺的指标，以满足生产过程的需要。此外，换热设备也是回收余热，废热，特别是低品位热能的有效装置。
1.1 什么是管壳式换热器
管壳式换热器(shell and tube heat exchanger)又称列管式换热器。是以封闭在壳体中管束的壁面作为传热面的间壁式换热器。这种换热器结构较简单，操作可靠，可用各种结构材料（主要是金属材料）制造，能在高温、高压下使用，是目前应用最广的类型。
1.2 管壳式换热器的分类
是以封闭在壳体中管束的壁面作为传热面的间壁式换热器。这种换热器结构较简单，操作可靠，可用各种结构材料（主要是金属材料）制造，能在高温、高压下使用，是目前应用最广的类型。
由壳体、传热管束、管板、折流板（挡板）和管箱等部件组成。壳体多为圆筒形，内部装有管束，管束两端固定在管板上。进行换热的冷热两种流体，一种在管内流动，称为管程流体；另一种在管外流动，称为壳程流体。为提高管外流体的传热分系数，通常在壳体内安装若干挡板。挡板可提高壳程流体速度，迫使流体按规定路程多次横向通过管束，增强流体湍流程度。换热管在管板上可按等边三角形或正方形排列。等边三角形排列较紧凑，管外流体湍动程度高，传热分系数大；正方形排列则管外清洗方便，适用于易结垢的流体 。
图表 1管壳式换热器
流体每通过管束一次称为一个管程；每通过壳体一次称为一个壳程。图示为最简单的单壳程单管程换热器,简称为1-1型换热器。
为提高管内流体速度,可在两端管箱内设置隔板，将全部管子均分成若干组。这样流体每次只通过部分管子，因而在管束中往返多次，这称为多管程。同样，为提高管外流速，也可在壳体内安装纵向挡板，迫使流体多次通过壳体空间，称为多壳程。多管程与多壳程可配合应用。
第二章 总体结构设计
本次流体输送与传热工段换热器的设计，所选用的换热器为卧式固定管板式换热器。如图2-1所示。其基本结构特点是两块管板分别焊于壳体的两端，管束两端固定在管板上。
2.1 固定管板式换热器结构
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，在相同直径下面积较大，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，管束两端用焊接或胀接的方法将管子固定在管板上，两端管板直接和壳体焊接在一起，壳程的进出口管直接焊在壳体上，管板外圆周和封头法兰用螺栓紧固，管程的进出口管直接和封头焊在一起，管束内根据换热管的长度设置了若干块折流板。这种换热器管程可以用隔板分成任何程数。
换热器设计的优劣最终要看是否适用、经济、安全、运行灵活可靠、检修清理方便等等。一个传热效率高、紧凑、成本低、安全可靠的换热器的产生，要求在设计时精心考虑各种问题.准确的热力设计和计算，还要进行强度校核和符合要求的工艺制造水平。
第三章 机械设计
3.1 工艺条件
3.2 设计计算
(1) 管子数n
换热管常用的金属材料有20, q235 — a, 16mnr等。根据本次的管程压力为0.450.05mpa，管程进口温度为40co，壳程进口温度为70co。选取换热管材料为20号钢。
查教材化工设备，标准管长有1.5、2.0、3.0、4.5、6.0、9.0（单位为m），截取标准管长为3m。
按教材公式换热器的管数n为：
采用正三角形排列，正三角形排列比较紧凑，在一定的壳径内可排列较多的管子，且传热效果好，但管外清洗较为困难。而正方形排列，管外清洗方便，适用于壳程中的流体易结垢的情况，其传热效果较正三角形差些。以上排列方式中最常用的是正三角形错 列，用于壳侧流体清洁，不易结垢，后者壳侧污垢可以用化学处理掉的场合。层数为14，换热器内管子总根数为721，拉杆数为10，所以实际管数711根。
（2）管间距的确定
由表可知，取管间距a=32mm。
（3）换热器壳体直径的确定
di=a（b-1）+2d0
式中 di ——换热器内径，mm；
b ——正六角形对角线上的管子数，查表，取b=29；
d0 —最外层管子的中心到壳壁边缘的距离，取d0=25。
故 di=32*(29-1)+2*25=946 mm
圆整后取壳体内径 di=1000mm
(4)换热器壳体壁厚的计算
材料选用20r钢，计算壁厚为
腐蚀裕量c2=1.2mm，查表得c1=0.25mm。
圆整后取δn=4.5mm
（5）换热器封头的选择
选取标准椭圆形封头。由于本次设计的换热器壳程压力在0.450.05mpa，属于低压容器，椭圆形封头能够满足要求，而且该封头制造比其他封头容易冲压形成，应力分布也比较均匀，为了便于焊接、经济合理，选取标准椭圆形封头。材料选用与筒体相同20号钢。
按教材公式封头厚度为：
与筒体的壁厚计算相同，所以椭圆形封头的壁厚也是4.5mm。由封头厚度查化工设备表2-15得直边高h=40mm。 查封头jb4746-XX表3-3,封头的曲面高度h=250mm。
（6）容器法兰的选用
湖南石油化工职业技术学院
材料选用16mnr。根据jb/t 4701-XX标准，选用dn1000，pn0.6mpa的凹凸密封面甲型平焊法兰。法兰尺寸如图2-2所示
(7)管板尺寸的确定
选用固定式换热器管板，并兼作法兰，材料选用20r，尺寸如图2-3所示。
(8)折流板设计
折流板为弓形， h=3/4di=750mm
湖南石油化工职业技术学院
折流板间距取600mm;折流板最小厚度为6mm，折流板外径为995.5mm，材料为q235-a钢，如图2-4所示。 拉杆选用，共10根，材料为q235-a钢。
（9）膨胀节
根据gb151-1999附录f的计算方法进行换热管壁温的计算，从设备的具体操作情况，可以假定k、dr、q和a保持不变，进行简化计算：
热流体的平均温度tm为：
式中：ti——壳层热流体的入口温度，40co；
to——壳层热流体的出口温度，70co；
则：tm=55.6
冷流体的平均温度mt为：
式中：ti——管层冷流体的入口温度，30℃；
to——管层冷流体的出口温度，35℃；
湖南石油化工职业技术学院
即换热器管壁温为56.5℃。
圆通壁温ts的计算：
应外部有良好的保温，故壳体壁温可取壳层流体的平均温度：ts=tm=80.5℃
管壳层温差：
△t=ts－t t=80.5－56.5=24℃＜50℃
所以无需
3.3换热管排列形式
换热管的常用排列方式主要有正三角形、转角三角形、正方形和转角正方形。由于三角形排列较为广泛，而且在同一直径管板面积上可排列较多换热管，所以管束采用三角形排列如图3-1，由化工设备教材表5-3可知换热管中心距s为25㎜。
3.4 筒体
查教材化工设备，筒体的材料主要有碳素钢、低合金钢钢板、不锈钢钢板等。根据筒体所承受的压力机壳程流体的性质等，选取碳素钢中的20号钢作为筒体的材料。
（1） 筒体厚度
材料选用20r钢，计算壁厚为
式中 pc——计算压力，取pc=1.1pw=5.0mpa
di=1000mm； ø=0.80
故δ=2.4mm
因为δ小于δmin=3mm，所以取δ=3mm。
腐蚀裕量c2=1.2mm，查表得c1=0.25mm。
圆整后取δn=4.5mm
钢板厚度负偏差1c=0.3mm(假设名义厚度为34mm)，取腐蚀裕量2c=1,厚附加量12ccc,=1.3。
设计厚度: ；
按照gb450-1998规定对碳素钢、低合金钢制容器, ,所以取钢板最小厚度3mm，加上2c,考虑到壳体需要进行焊
接，使其不被焊透，根据《化工设备机械基础》筒体的最小焊接厚度为5mm，所以最后按厚度规格向上圆整后取筒体的名义厚度为6mm。
所以无缝钢管的外直径为273。
（2 筒体的长度
根据换热器设计手册，长径比在5-15，换热管伸出管板的长度为l1=1.5mm。
圆筒节长度l为：
式中：b——管板厚度，34mm；
l1——换热管伸出管板的长度，1.5mm；
则:l=1500-2×1.5-2(34-4)=1437mm
3.5 管板的设计与计算
查换热器设计手册，管板常用的材料有低碳钢、普通低合金钢、不锈钢、合金钢和复合钢板等，由于本次的设计压力在0.3-0.5amp，属于低压，所以选用碳素钢中的16mnr。管板型式采用整体管板如图3-3，各部分尺寸查表3-4，管板管孔尺寸查gb151-1999见表3-5。
3.6 折流板
根据换热器计算手册折流板的形式弓形折流板、圆盘-圆形折流板、矩形折流板。由于本次换热器的直径较小，所以本次卧式换热器的折流板采用弓形折流板中的单弓形。材料选用低合金15crmor。通过拉杆与定距管固定。
3.6.1 折流板各部尺寸
取52mm。
查换热器的设计手册表3-9得厚度为3mm。
查换热器设计手册表3-10得外直径为259mm。
3.6.2 折流板布置
查换热器设计手册表3-11，可知折流板管孔的直径为19.6mm，在缺口朝下的折流板的最高处开通气孔如图3-8。
根据换热器设计手册，对于安放位置，一般应使管束两端的折流板尽可能的靠近壳层进出口接管，其余折流板按等距离布置，靠近管板的折流板与管板间的距离l为如图3-9： 式中：l1——导热油接管中心距管板密封面的距离，73mm；
b2——防冲板长度，当无防冲板时，可取2b=id（导热油接管内径），14mm；
b——管板厚度，34mm；
所以第一块折流板距离接管dn20中心长度为l：
折流板的间距取131mm，折流板的距离总长为l=1437-124=1313mm，所以共需11块折流板。
3.7 拉杆、定距管
根据gb151-1999,由于换热管规格为ø19㎜×2㎜，采用拉杆定距管形式如图3-7拉杆一端的螺纹拧入管板，折流板用定距管定位，最后一块折流板靠拉杆螺母固定。材料选用q235-a，同时拉杆应尽量均匀布置在管束外边缘。拉杆的一端的螺纹拧入管板，折流板用定距管定位，最后一块折流板靠拉杆螺母固定。 3.7.1 拉杆的直径和数量
根据gb151-1999，查表3-12得拉杆直径为12mm，查表44得拉杆数量为4。 3.7.2 拉杆的尺寸
各部分尺寸如图3-8,查表3-13得拉杆螺纹公称直径l1408.8mm、1277.5mm、dn=10mm、la=15mm、lb=50mm、b=2.0mm。
3.7.3 定距管
根据换热器设计手册，定距管的尺寸同换热管的尺寸相同，材料选用碳钢q235-b。外径为ø19mm×2mm。其长度总和分别为1353mm、1225mm。
3.8 支座
卧式换热器的支座有鞍式支座、圈式支座和支腿式支座，本次卧式固定管板换热器选用焊制鞍式支座（jb/t4712-07)按照换热器的公称直径dg273选用bi型（重型）带加强垫板与一个筋板的鞍座一对（其中f型s型各一个），材料选用q235-b，支座高度h=200mm,标记为：
jb/t4712-07鞍座a219-f
jb/t4712-07鞍座a219-s
一对鞍式支座的布置如图3-4，根据gb151-1999,lb=(0.40.6)l取lb=0.5l=750mm，lc' =lc=363.5mm 查化工设备机械基础表3-6,鞍座的各部分尺寸为:
3.9 接管
接管材料选用q235-a，与壳体焊接连接，对于接管的伸出长度指接管法兰面到壳体（管箱壳体）外壁的长度，根据换热器设计手册表3-7得各部分的接管外伸长度为150mm。
表3-7 pn≤4.0mpa 的接管伸出长度
根据化工设备机械基础表3-8，接管的外径分别为18mm、25mm，厚度为1.5mm，45mm厚度为2mm。
根据接换热器设计手册，由于接管与设备的直径较小，所以无需补强圈，壳体上接管的位置分别为：
壳层接管位置1l是指接管中心到管板密封面距离如图3-6。 导热油进出口dn20
式中：dh——接管外径，26.8mm；
b——管板厚度，34mm：
c≥4s(s为壳体厚度，mm）且30mm。
取74mm。
放净与放空口dn15
管层接管位置3l是指
进水与出水口dn40 (换热器设计手册1-6-5)
式中：hf——设备法兰与壳体焊缝与法兰密封面距离（因为没有设备法兰，所以hf=0）
取54。但考虑到与dn20接管法兰的位置及焊缝的距离取85mm。
3.10 法兰
3.10.1 接管法兰
根据化工设备机械基础,由于换热器的压力不高，而且流体无毒，所以选用板式平焊法兰，材料选用q235-b，密封面型式选用全平面密封如图3-9，查化工设备机械基础表3-13，其公称直径分别为：
表3-15 pn0.25和pn0.6mpa板式平焊法兰尺寸
图3-9 板式平焊法兰
3.11 圆筒节的设计
由于管程接管的直径大于封头直边的长度，所以需要在封头与管板之间加一段圆筒节，根据接管直径为40mm，圆筒节与封头焊接的埋弧焊，宽20-30mm，手工电弧焊宽10-20mm，取长度为200mm的圆筒节能够满足要求，直径、厚度与壳体相同。
3.13.1 封头与圆筒节连接
根据化工设备机械基础，两部分采用焊接，接头形式一般有对接、角接和t型接、搭接，本部分采用对接接头、对接焊缝，焊缝坡口形式采用v形。如图3-11。
图3-11 封头与圆筒节焊接
3.13.2接管与壳体连接
接管采用插入式焊接如图3-12。
图3-12 接管与壳体焊接
3.13.3管法兰与接管连接
管法兰与接管采用内外焊接如图3-13。
图3-13 管法兰与接管焊接接
3.13.4换热管与管板连接
根据换热器设计手册，换热管与管板的连接形式主要有强度胀接、强度焊接、胀焊结合。但强度焊接目前应用较为广泛，而且管孔不许开槽，换热管端不需退火，因此制造加工方便。焊接结构强度高，抗拉脱力强，当焊接部分有泄漏时，可补焊。如需要更换换热管，可采用专用刀具拆卸，比胀接方便。
查换热器设计手册，可知其相接各部分的尺寸查表3-16。如图3-14。
图3-14 换热管与管板焊接
表3-16 换热管外伸长度
3.13.5管板与壳体、封头的连接
图3-4 管板与壳体、封头焊接
3.14水压试验
由于本次管程与壳程的压力相同都是0.30.5mpa,所以只需进行一次水压试验。
试验温度按20℃考虑，则[∂]=113amp。
水压试验时的试验压力pt为：（化工设备教材 2-35)
式中：[∂]----容器元件材料在试验温度下的许用应力，113mpa; t
—容器元件材料在设计温度下的许用应力，113mpa;
试验应力校核：
压力试验时，由于容器承受的压力pt高于设计压力p，为防止容器产生过大的应力，要求在试验压力下圆筒产生的最大应力不超过圆筒材料在试验温度下屈服点90%。
试验压力下圆筒的应力∂t为：
式中：di——圆筒内直径，261mm；
——圆筒的有效厚度，2.7mm；
——材料在试验温度下的屈服点（或0.2%屈服强度），mpa；
第四章 技术要求
本设备按gb151-1999《管壳式换热器》进行制造，检验和验收，并接受《压力容器安全技术监察规程》的监督。
受压元件材料必须具备保证书，主要受压元件材料按“容规”要求复检。
焊接采用电弧焊，按jb/4709-XX标准的规定进行，焊接材料：手工焊选用焊条e5015,埋弧焊选用焊丝h10mn2，焊剂350。
a、b类对接焊缝采用双面焊，焊接接头型式和尺寸出土中注明外，按gb985-986-88中的规定，角焊缝腰高安较薄板的厚度，法兰的焊接按相应法兰的标准，接管端部打磨圆，圆角半径r3~5，支座、垫板四角制成r25的圆角。
壳体对接焊缝进行100%x射线检测，符合jb4703-94标准ⅱ级合，接管及其他构件与壳体内外表面焊接的角焊缝，打磨后进行磁粉探伤检查，ⅰ级为合格。
对于换热管：标准长度为1.5m，其壁厚为2㎜。当换热管壁厚小于或等于2.5㎜时，与换热管的直径急壁厚相差应补超过15%；当换热管壁厚大于2.5㎜时，评定用管壁厚应大于2.5㎜；
钢管管端应除锈。钛管管端应清楚附着物急氧化层，清理长度应比试板厚度大5㎜，且不小于25㎜。
管板密封面与壳体轴线垂直，其公差为1㎜。
设备制成后，进行整体消应力热处理。
液压试验，因管层与壳层的压力相同，所以管层与壳层分别以0.55mpde压力进行水压试验，合格以后以空气进行气密性试验。无泄漏为合格。
管口及支座方位按图。
第五章 安装制造
5.1 换热器制造
5.1.1 换热管
直管一律采用整根管子而不允许有接缝。管子应该进行校直，管子两端须用磨管机清除氧化皮、铁锈、及污垢等杂质直至露出金属光泽。除锈长度不小于两倍管板厚度。当管子与管板的连接采用胀接工艺时，管端硬度应低于管板硬度。同一根换热管的对接焊缝，直管不得超过一条；u型管不得超过二条；最短管长不应小于300mm；包括至少50mm直管段范围内不得有拼接焊缝。管端破口应采用机械方法加工，焊前应清洗干净。
换热管组装要求两管板相互平行，允许误差不得大于1mm，两管板间长度误差为±2mm；管子与管板应垂直；拉感应牢靠固定；定距管两端面要整齐；穿管时管子头不能用铁器直接敲打。
5.1.2 筒体
换热器筒体的圆度要求较高，必须保证壳体与折流板之间有合适的间隙。如太大就要影响换热效果，太小就要增加装配的难度。切割好的钢板应根据钢板厚度、操作压力高低选定破口形式进行边缘加工。用钢板卷制时，内直径允许偏差可通过外圆周长加以控制，其外周长允许上偏差10mm；下偏差为0。
5.1.3 封头和管箱
封头和管箱的厚度一般不小于壳体的厚度。分程隔板两侧全长均应焊接，并应具有全焊透的焊缝。由于焊接应力较大，故管箱和封头法兰等焊接后，须进行消除应力的热处理，最后进行机械加工。
5.1.4 折流板
由于折流板很薄，钻孔时钻头的推力使管板中心变形，故可将下料或圆整的折流板去掉毛刺并校平，重叠、压紧后沿周边点焊、然后一起钻孔。
为了保证顺利穿管，必须是折流板的管孔与管板中心在同一直线上，可以将管板当作钻模放在折流板上，压紧后进行引孔，即以管板危机出现在折流板上钻出和管板孔距一致的定位孔，然后取下管板，将折流板压紧，并换上合适的钻头。
5.1.5 管板
管板由低合金钢锻件16mnr制成，加工前表面不平度不得大于2mm，如超过此值，应先进行校平，然后进行加工。
拼接管板的对接接头应进行100%射线或超声检测，按jb4730-94进行表面检测，检测结果不低于ⅲ级，或超声检测中的ⅰ级为合格。
换热管与管板的连接：二者采用焊接的形式连接，连接部位的换热管和管板孔表面，应清理干净，不得有毛刺、铁屑、锈斑、油污等。焊渣及凸出于换热器内壁的焊瘤均应清除。
管板与换热管焊接时，管孔表面粗糙度ra值≤25µm。
5.2 换热器安装
1.安装位置：根据该换热器的结构形式，在换热器的两端留有足够的空间来满足拆装、维修的需要。
2.基础：必须使换热器不发生下沉。在活动支座的一端应予埋滑板。
3.地脚螺栓和垫铁
（1）活动支座的地脚螺栓应装有两个紧锁的螺母，螺母与底板间应留有1～3mm的间隙。
（2）地脚螺栓两侧均有垫铁。设备找平后，斜垫铁，可与设备支座底板焊牢，但不得与下面的平垫铁或滑板焊死。
（3）垫铁的安装不应妨碍换热器的热膨胀。
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致谢
大学三年学习时光已经接近尾声，在此我想对我的母校，我的父母、亲人们，我的老师和同学们表达我由衷的谢意。感谢我的家人对我大学三年学习的默默支持；感谢我的母校给了我在大学三年学习的机会，让我能继续学习和提高；感谢老师和同学们三年来的关心和鼓励。
这次毕业论文设计我得到了很多老师和同学的帮助。感谢三年中陪伴在我身边的同学、朋友，感谢他们为我提出的有益的建议和意见，有了他们的支持、鼓励和帮助，我才能充实的度过了三年的学习生活。