固定管板式换热器的设计.docx

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单位代码：11414
学 号：2011010653

题目
固定管板式热交换器的设计
学院名称
化学工程学院
专业名称
过程装备与控制工程
学生姓名
张越
指导教师
陈鸿海 讲师

起止时间： 2015 年 4 月 2 日 至 2015 年 6 月 10 日

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摘 要

固定管板式热交换器是管壳式热交换器的一种典型结构，也是目前应用比较广泛的一种热交换器。由已经给出的数据，首先进行热力计算，对换热管根数和管径等进行选择，使热交换器能满足换热需求。再根据GB151-2014和GB150-2011对壳程、管程、管板等零部件进行了结构的设计和强度计算，包括了材料的选择、具体尺寸的确定、开孔补强的计算和一些标准件的选用等，在校核计算符合要求之后才确定各项数据。最后用AUTO CAD进行装配图和各个零件图的绘制，在陈老师的多次审图之后出正式图纸。

关键词：热交换器；固定管板式；标准

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The Design of Fixed-plate heat exchanger tube

ABSTRACT

Fixed tube plate heat exchanger is a typical structure of the shell and tube heat exchanger and a wide range of heat exchanger. By the given data ,first of all ,carrying out thermodynamic calculation ,to choice the heat exchanger tubes number and diameter to meet the demand of heat transfer.Then use GB151-2014 and GB150-2011 on the shell tube, tube sheet of structure design and strength calculation includes material selection, determine the concrete size, the calculation to the opening reinforcement and some standard parts of the selection.In the calculation to meet the requirements before determining the data. Finally use the AUTOCAD take the assembly drawing and parts drawing, a formal drawings after the teacher approvaled.

Key words:heat exchanger; Fixed tube plate; Standards
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目 录
摘要 I
ABSTRACT II
前言 1
第1章 文献综述 3
1.1 热交换器介绍 3
1.2 固定管板式热交换器结构简介 4
1.3 热交换器的优化 7
第2章 热力计算 9
2.1 原始数据和基本符号 9
2.1.1 原始数据表 9
2.1.2 基本符号 9
2.2 设计方案的确定 13
2.2.1 换热器类型的选择 13
2.2.2 冷流体通道选择 13
2.2.3 流速选择 13
2.2.4 设备的结构形式 13
2.3 工艺计算 14
2.3.1 求原油的流量 14
2.3.2 热流量 14
2.3.3 平均传热温度 14
2.3.4 传热面积 14
2.4 工艺结构尺寸 15
2.4.1 管径管内流速及管长 15
2.4.2 管程数和传热管数 15
2.4.3 平均传热温差校正及壳程数 15
2.4.4 传热管排列和分程方法 16
2.4.5 壳体内径 16
2.4.6 折流板 16
2.4.7 接管 17
2.4.8 其他附件 17
2.5 换热器核算 17
2.5.1 热流量核算 17

2.5.1 热流量核算 17
2.5.2 壁温计算 20
2.5.3 换热器内流体的流动阻力 20
第3章 强度计算 22
3.1 基本零部件 22
3.1.1 接管法兰 22
3.1.2 接管 23
3.1.3 支座 23
3.2 壳程圆筒 25
3.3 管箱 25
3.3.1 封头 25
3.3.2 管箱法兰 27
3.4 管板计算 32
3.4.1 初始数据 32
3.4.2 面积系数计算 34
3.4.3 强度影响系数计算 36
3.5 膨胀节设置判断 41
3.6 接管补强判断 41
第4章 结论 43
参考文献 44
致谢 45
附录 46
热交换器装配图 46
入口管板零件图 47
出口管板零件图 48
管箱零件图 49
鞍式支座零件图 50
顶丝零件图 51
吊耳零件图 52

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前 言
用于大于等于两种流体之间、固体和流体之间、固体粒子之间，或有热接触但温度不同的同种流体之间的热量（或焓）传递的装置，叫做换热设备，是实现化工生产过程中热量传递和交换的设备。
1课题研究背景及目的
在工业生产中，热交换器的主要作用是使热量（或焓）由温度相对较高的流体传到温度相对较低的流体，使流体的温度指标达到工艺过程的规定，以满足工艺过程的需求。石油、化工、制药、能源等工业生产，需要经常加热低温流体或冷却高温流体。这些过程与热量的传递有着非常密切的联系，都要用热交换设备来完成这些过程。在化工厂的设备里，热交换器的投资占总投资的10%到20%；在炼油厂中，约占设备总投资的35%到40%；海水淡化工艺里需要用到的装置几乎全部是由热交换设备组成的。近20年来，换热设备在能量的转化、储藏、回收以及新能源的利用和污染物的治理中有着普遍的应用[1]。
随着热交换器节能技术的高速发展，应用领域也扩大了很多，利用热交换器对多余的热量进行回收利用给公司带来了较为显著的经济效益。热交换器也是国民经济和工业生产中应用极其广泛的热交换设备，随着现代化的新工艺、新材料、新技术的开发和能源危机的来临，世界各国都把石油化工的深度加工和综合高效利用能源放在了首要的位置，由此可见热交换器面临着巨大的挑战。热交换器的性能对能源的利用率、产品的质量以及整套设备或者系统运行的可靠性、经济性起着至关重要的作用，有时候甚至起着决定性作用。
随着热交换器的地位和作用的提高，为了适应多种工作环境和工作要求，热交换器也开发出了越来越多的类型，不同类型的热交换器有不同的性能，也具有各自的优缺点。管壳式热交换器是属于表面式换热器的一类，是热交换器中使用最广的一种，虽然在传热效率、结构的紧凑性和单位传热面积金属消耗量等方面不如一些新型的高效紧凑式热交换器，但它结构坚固、可靠性高、易于制造、适应性广、生产成本低、处理能力大、选用的材料范围广、能承受较高的操作压力和温度、换热表面的清洁比较方便。在高温、高压和大型换热器中，管壳式热交换器仍具有绝对优势。管壳式热交换器主要又分为：固定管板式热交换器、U型管式热交换器、浮头式热交换器等，而固定管板式又是管壳式热交换器是使用最为广泛的一种，具有结构简单，管程清洗方便等特点。

因此对固定管板式热交换器的研究和设计具有很大的意义，也是为了实现以下目的：1、减小设计传热面积的热交换器来减小质量和体积；2、提高现有热交换器的换热效率；3、使热交换器能够工作在温差较低的环境中；4、减小热交换器的流体阻力来减少换热器的动力消耗。
2设计主要流程
本设计首先搜集资料，查阅了相关的二十多篇文献，了解了热交换器详细结以及作用原理，全面考虑设计过程中需要注意的因素，并总结了一些现代化的创新型设计方案，同时详细介绍了本设计的主体——固定管板式热交换器的结构，对管程、壳程的各个主要部件作用做了介绍，最后介绍了本设计要用到的各个标准，完成了第一章的文献综述。在第二章，通过给定的设计要求，首先确定了设计方案，即初步选定热交换器的容器类型、流体的通道、流速、管束的排布方式以及管径等。然后便开始了工艺计算，对原油的流量、平均传热温度和传热面积进行计算。接下来通过工艺结构尺寸计算确定了管长、管程数壳程数、传热管根数、壳体内径、折流板数以及接管内径等。最后进行了热交换器的传热和阻力计算完成了整个热交换器的热力计算。第三章首先确定了接管法兰、接管以及支座的尺寸，然后就分别开始了对壳程圆筒、封头、管箱法兰、管板等的选材和强度校核，最后进行是否需要膨胀节和接管补强的判断，完成了热交换器的整个强度计算及校核。第四章进行了对整个热交换器的主要零部件的汇总，得出了设计结论
第1章 文献综述
1.1热交换器介绍
换热设备是用于两种及其以上的流体之间、一种流体和一种固体之间、固体粒子之间或有热接触且具有不同温度的同种流体间的热量（或焓）传递的装置。它是化工、炼油、食品、轻工、能源、机械以及其他许多工业部门被广泛使用的一种通用设备。在化工厂的设备里，热交换器的投资占总投资的10% 到20%；在炼油厂中，约占设备总投资的35% 到40%；海水淡化工艺里需要用到的装置几乎全部是由热交换设备组成的。近20年来，热交换设备在能量的转化、储藏、回收以及新能源的利用和污染物的治理中有着普遍的应用。
工业生产中，热交换设备的主要作用是让热量（或焓）由温度较高的流体传递给温度较低的流体，使流体的温度达到工艺过程中规定的指标，从而满足工艺过程的需要。热交换设备也是回收余热、废热以及低品位热能的有效装置。
工业生产中，由于工作条件、用途、物料特性等不同，出现了各种不同形式和结构的换热设备。在此，主要研究了管壳式固定管板热交换器。管壳式热交换器属于间壁式热交换器（又称表面式热交换器），它是利用间壁将需要交换的冷热两种流体隔开，互不接触，热量从热流体通过间壁传递给冷流体的一种热交换器。这类热交换器是目前使用最为广泛的一种换热设备。它的基本结构是在一个或多个圆筒形的壳程（壳体）中放置管束（由多个管子组成），该管子的两端或者一端要固定于管板上面，其中管子上的轴线要和壳体上的轴线相平行。是为了增加流体在壳程的流速并支承管子，改善传热的性能，在筒体内间隔安装多块折流板（也可以是其他新型的折流元件），用拉杆和定距管将折流板和管子组装在一起。换热器的壳体和两侧的端盖上（偶数管程则是一侧）装有流体的进出口，也有根据要求在其上装设检查孔，为安置测量仪表用的接口管、排气孔和排液空等。
管壳式热交换器虽然在传热效率、结构的紧凑性和单位传热面积金属消耗量等方面比不上一些新型高效的紧凑式换热器，但它也有明显的优点，如结构坚固、可靠性高、易于制造、适应性广、生产成本低、处理能力大、选用的材料范围广、能承受较高的操作压力和温度、换热表面的清洁比较方便等。在高温、高压和大型热交换器中，管壳式热交换器仍具有绝对优势，是目前使用最广泛的一类换热器。
根据管壳式换热器的结构特点，分为固定管板式热交换器、浮头式热交换器、U形管式热交换器、填料函式热交换器和釜式重沸器五类。在本设计论文中是对固

定管板式热交换器的设计计算，则着重介绍固定管板式热交换器。
1.2固定管板式热交换器结构简介
固定管板式热交换器由管板、管箱、壳程、管子等零部件组成，管束连接在管板上，管板和壳体之间焊接，管束两端用胀接或焊接的方法将管子固定在管板上，壳体进出口管直接焊接在筒体上，管板外圆周和封头法兰直接用螺栓紧固，管程的进出口管直接焊接在管箱上，管束内根据换热管长度设置多块折流板，这类换热器的管程可以用隔板分程多个程数。
固定管板式热交换器的优点是结构简单、紧凑，并可以承受较高的压力，造价低，管程的清洗方便，管子损坏的时候易于堵管或者更换；缺点是当管束和壳体的壁温或者材料的线膨胀系数差别较大时，壳体和管束中的热应力较大。这种热交换器适用于壳侧介质比较清洁而且不容易结构并能进行清洗，管、壳程两侧的温差较小或温差较大但是壳侧的压力不高的场合。
在管壳式热交换器的基本设计方法中，要在满足工艺过程要求的前提下，达到安全和经济的目标。热交换器的设计中的主要任务有参数选择、结构设计、传热计算和压降计算等。设计主要包括了管子排列、管子支承结构、管程数、管长、壳体形式、热交换器类型、冷热流体流动通道等工艺计算和壳体、封头、管板等零部件的结构、强度设计计算。热交换器的工艺设计计算依据设计任务的不同可以分为设计计算和校核计算，包括换热面积的计算与选型两方面。一般情况下已知冷流体和热流体的物性和处理量。进出口压力和温度由工艺方面的要求来确定。在设计中需要选择或确定的有三大类数据：结构数据、物性数据和工艺数据。设计计算是根据已知的数据来计算热交换器的换热面积，从而来决定这个热交换器所需要的结构，可以来选定已有的标准热交换器；而校核计算则是对已经有的热交换器进行一些运行参数的核定，校核它是否满足预定的要求。
热交换器的各零部件的设计和选择依据的标准是GB151-2014[2]《热交换器》
。热交换器分为管程和壳程，流经换热管的内通道以及其相贯通的部分称之为管程，流经换热管外通道以及与其相贯通的部分称为壳程。整个热交换器的设计过程中，由于热交换器是压力容器的一种，则GB150-2011[3]《钢制压力容器》也是一个运用较多的标准，其他对法兰、垫片的标准则选用新的能源部发布的HG/T20615-2009[4] 《钢制管法兰》，螺纹的选择用到了GB/T196-2003[5]《螺纹规格标准》，而在制作过程中的选用则用到的是JBT4712.1~JBT4712.4-2007[6]《容器支座》，在整体的设计中，熟练运用标准是一项非常重要的技能。

在管程结构当中，换热管占了整个热交换器的大部分重量，换热管除了光管之外还能采用各式各样的强化传热管，比如翅片管、螺纹管、螺旋槽管等。当管内外两侧的给热系数较大的时候，翅片管的翅片布置应在给热系数较低的一侧。换热管是具有标准的尺寸（外径×壁厚）的钢管，主要分为无缝钢管和不锈钢管。在设计热交换器的时候，采用小管径的换热管时，可使传热系数提高、单位面积的传热面积增大、金属耗量减少、结构紧凑。据简单的估算，将同直径热交换器的换热管尺寸由φ25mm改为φ19mm，传热面积便可以增加40% 左右，同时节约20% 以上的金属。但小管径的流体有较大阻力，且不方便清洗，容易结垢堵塞。通常情况下，大直径的管子用于黏性较大或污浊的流体，小管径的管子则用于相对较清洁的流体。换热管常用的材料通常有碳素钢、铜、铜镍合金、铝合金、低合金钢、不锈钢、钛等。除此之外，也能够用一些非金属材料，如陶瓷、石墨、聚四氟乙烯等。换热管的排列方式主要有正方形、转角正三角形、正三角形、转角正方形等。正三角形的排列方式能够在相同的管板上排列最多的管数，所以用的最普遍，但是管外不便于清洗。为便于管外清洗，可采用正方形或转角正方形排列的管束。
管板是管壳式热交换器里面最重要的零部件之一，其作用是排布换热管。将管程和壳程的流体分开，避免冷热流体的混合，同时受到管程、壳程的压力和温度的作用。管板在选材的时候不仅要考虑力学性能，还要考虑管程和壳程流体的腐蚀性，以及管板和换热器之间存在的电位差对腐蚀的影响。当流体腐蚀较低或者基本没有腐蚀性的时候，管板一般采用压力容器用的碳素钢或者锻件或低合金钢板来制造。当流体的腐蚀性较强时，管板应采用耐腐蚀材料，如不锈钢钛、铝、铜、等。对于厚度较大的管板，为达到降低造价，工程上常采用钛+钢、不锈钢+钢、钛+钢等复合板，或堆焊衬里。在热交换器承受高温、高压时，高温、高压对管板的要求是具有矛盾的。增大管板的厚度，管板便可以承受更大的压力，但是当管板两侧的温差较大的时候，沿管板内部厚度方向的热应力会增大；若减小管板的厚度，可以适当的降低它的热应力，但是承压能力会下降一些。而且，在开车和停车的时候，由于厚管板的温度变化较慢，换热管壁厚薄，温度变化较快，所以在换热管和管板的连接处会产生出较大的热应力，大的热应力往往会导致换热管和管板连接的地方发生破坏。因此，在满足强度的要求下，应尽量减少管板的厚度。管板设计时的基本考虑是：把实际复杂的管板简化为承受均匀分布的载荷，置于弹性的基础上并且受到在管孔有平均削弱作用的当量圆板。同时也在这个基础上考虑管束对于管板的挠度有约束作用，但忽略对于管板的转角具有约束作用；管板周边没有布管区域对管板有应力影响，把管板划分成为两个区，即靠近中央的布管区和靠近周边较窄的不布管区；不同结构形式的热交换器，管板边缘处具有不同形式的连接结构，根据具体的情况，考虑了壳体、法兰、管箱、封头、垫片等元件对管板边缘转角产生的约束作用；管板兼做法兰时，法兰力矩对管板应力的影响。管板的设计思路包括管板的弹性分析、危险工况、管板应力校核、管板应力调整。总体下来，管板的计算非常复杂，手算的工作量很大，目前我国已开发出过程设备强度计算的软件，比如SW6，在实际工程计算中运用软件计算便会大大缩短设计计算的工作量[7]。
管箱位于换热器的两端，其作用是将管道输送过来的流体均匀分布到各个换热管，把管内的流体汇聚在一起并送出热交换器。在多管程热交换器里，管箱还能起到改变流体流向的作用。
管程是在管内流动着的流体从一端流到另一端，在管壳式热交换器中，最简单的是单管程的热交换器。根据工艺设计要求，需要增加换热面积的时候，可采用增加换热管的长度或管数的方法。过于加长换热管的长度会受到加工、运输、安装及维修等多方面的限制，因此经常用增加管数的方法来实现换热面积的增加。
管板与换热管的连接是管壳式热交换器的设计、制造中最关键的技术之一，也是热交换器出事故率最高的部位，所以，热交换器中管板和换热管的连接质量的好坏直接影响了热交换器的使用效果和使用寿命。主要有采用强度胀接、强度焊、胀焊并用的方法[8]。
在壳程结构中主要由壳体、折流板或折流杆、拉杆、防冲挡板、纵向隔板、防短路结构等元件组成。
壳体一般情况下是个圆筒，在筒壁上焊有接管，可以流入和排出流体。
折流板的设置是为了提高壳程流体的流速并增加湍动，使壳程流体垂直地冲刷管束，改善传热，增加壳程流体的传热系数，减少结垢。在卧式热交换器中，折流板的还有支承作用。折流板一般是等间距布置，管束两端的折流板应放置在靠近壳程进出口接管。折流板上的管孔和换热管之间的间隙、折流板和壳体内壁之间的间隙应该符合要求，间隙过大会泄漏严重，对传热不利，还会引起振动；间隙过小，会使安装困难。折流板一般采用拉杆和定距管连接在一起[9]。
其他零部件可根据需求来设定或者选用，如折流杆、防短路结构（挡管、旁路挡板、中间挡板）、防冲板、支座、静电接地板、铭牌等。
上述基本设计主要在工程设计中用到的为主，当今社会是一个不断发展和进步的社会，能源和资源的紧缺让人们不得不努力开发新型的热交换器，研究新型的高效的热交换器元件，各工业部门都在努力发展大容量、高性能的设备，减少设备的投资和使用费用。当今的化工等生产中的环境更加恶劣，介质的腐蚀、毒性等情况会更加突出，所以新型材料也不断的加入热交换器的设计制造中。

在这样的世界大环境下，各国都加快了先进热交换技术和节能技术的发展。我国十分重视传热强化和热能的回收利用这些方面的研究和开发工作，开发了适用于不同的工业生产过程要求的高效热交换设备来提高经济效益，并且取得了丰硕的成果。其中，传热强化和节能技术是热交换技术研究的主体方向。传热强化是改善传热性能的技术，可以通过提高和改善传热速率，来达到使用最经济的传热设备来传递一定热量的目的，也可以通过提高传热系数、增加平均传热温差、扩大换热面积等来实现。目前还普遍用槽管、翅片管、螺纹管、波纹管等新型管子来扩展表面以达到强化传热。同时也常会有通过改变壳程挡板结构、改变管束支承结构等方法来减少或者消除壳程的流动和传热的滞留死区，从而使换热面积能够得到充分得利用，达到壳程强化传热的效果[10]。
总之，在这个能源紧缺的时代，对热量的充分利用显得尤为重要。在这个大发展的背景下，我国的热交换器也取得了巨大的突破，但是由于我国的热交换器起步相对较晚，在一些高端热交换器领域，比如模型化技术、电脑程序应用于设计计算、高新材料在热交换器的运用等方面相对于发达国家较薄弱。而且我国的化工、炼油、轻工业等正处于快速发展的阶段，提高热交换器的本土效率和产量便可以减少大量的热交换器进口，并能有效的减少国内大多数需要用到热交换器公司的开支，同时也能促进我国热交换器的大发展。
1.3热交换器的优化
热交换器的优化升级是重要的研究方向。祁飞，刘国振，贾晓艳在《固定管板式换热器热处理有关问题的探讨》[11]一文中分析道，设备是否进行焊后热处理选用哪种热处理，应首先分析其热处理的目的，充分理解标准中含义，再做出正确的选择，从而才能设计且制造出合格产品。热交换器的优化主要从结构设计、制作工艺、热处理、新技术开发应用等方面出发，用以提高换热效率、延长使用寿命、升级控制方案。刘执彬、徐勇在《固定管板换热器传热效率影响因素分析》[12]一文中，总结固定管板换热器传热效率的影响因素有：流动路线及防短路设置、折流板间距、管束在壳程接管进口或出口处的流通面积。并建议，根据工艺设计参数（介质流速、压力降等）依据伯努利方程确定介质在换热器内的流速，再以此流速来设计折流板弓高和间距。周蕾在《固定管板式换热器的研究与优化》[13]中，对固定管板式热交换器的固定管板厚度随工作压力(壳程与管程压力)改变的变化情况和不同热交换器公称直径条件下的管板布管情况进行了系统的研究，采用线性加权法对固定管板式热交换器的整体进行了优化。陈文星，陈士玮在《换热

器优选的灰靶决策法》[14]一文中，灰靶理论应用到热交换器设计方案的评价与优选中，取得了与采用其他方法分析一致的结果，显示了它的有效性和实用性。而且整个分析过程简便，为其他一般化工设计方案优选提供 了一种实用的方法。王伟，商玉坤，王立刚在《焦化厂粗煤气冷却用固定管板式换热器改进》[15]提出了结构设计上 的改进和制造过程中的几个问题。王武超，赵竞全在《冷凝器动态性能仿真研究》[16]一文中应用移动边界法（MB)对冷凝器建立了动态仿真数学模型，模型体现了冷凝器内各个相区长度随时间的变化，模型最终可以化为常微分线性方程组的形式，在求解上更为方便且兼顾了仿真的效率和精度，模型可提供冷凝器详细的性能参数；研究了在系统不同的控制参数阶跃情况下冷凝器的动态响应，获得了冷凝器的动态特性，冷凝器的动态特性是冷凝器动态优化设计和编制系统控制规律的基础。该文中的冷凝器建模方法适合于系统级仿真研究。况莉在《循环水换热器泄漏故障分析和对策》[17]一文中，提出了循环水换热器泄漏故障分析和对策，使得换热器运行效果良好，达到了降低维修费用，保证装置长周期稳定运行的目的，为以后类似换热器的维护改造提供了有益的经验。刘维亭，张冰，朱志宇在《主冷凝器模糊控制系统设计》[18]一文中，从主冷凝器的特性出发，对真空－凝水过冷度控制系统进行了深入地研究，详细阐述了系统的设计准则、设计模型及实现方法。该系统硬件采用了数字信号处理芯片，以保证系统的实时性，软件采用了模糊－神经网络算法以克服系统模型的不确定性。设计出了工作稳定可靠，具有较强的鲁棒性的换热系统。

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第2章 热力计算
2.1 原始数据和基本符号
2.1.1 原始数据表
表2.1 原始数据表
Table 2.1 Raw data table

管程
壳程
工作介质
流体名称
回流液
原油
气相密度

流体密度（kg/）
701
798k
污垢热阻值(·℃/W)
0.0002
0.0004
物性
μ（kg/(m·s)）

(kJ/(kg·℃))
2.89
2.2
λ（W/（m·℃））
0.151
0.131
操作压力 正常/最大 MPa（G）
0.8MPa
1.0MPa
进/出口操作温度（℃）
194/101.8
53.7/122.1
环境温度 （℃）

壁温 （℃）
147.9
87.9
进口管流体流速（m/s）

主要材料 （推荐）
碳素钢
碳素钢
腐蚀速率 （mm/a）
0.1
0.1

2.1.2基本符号
——壳程圆筒的内径横截面积，；
——在布管区，由于设置隔板槽和拉杆的需要，而没被换热管支承的面积，；
——管板开孔之后剩下的面积，；
——圆筒壁金属的横截面积，；
——换热管管壁金属的横截面积，；

——设备法兰的宽度，对于c型连接方式为管板延长部分做法兰形成的凸缘宽度，mm；
——系数，按和查GB151-2014[2]图25；
——系数，按和查GB151-2014[2]图25；
——设备法兰上的外径，对于c型连接方式为管板延长部分做法兰形成的凸缘外直径，mm；
——换热器中的壳程圆筒以及管箱圆筒的内直径，mm；
——换热器管板上的布管区当量直径，mm；
——换热器里换热管拥有的外径，mm；
——换热器壳体法兰使用的材料拥有的弹性模量，MPa；
——换热器管箱法兰使用的材料拥有的弹性模量，MPa；
——换热器管板使用的材料拥有的弹性模量，MPa；
——换热器壳程圆筒使用的材料拥有的弹性模量，MPa；
——换热器换热管选用材料拥有的弹性模量，MPa；
——系数，当时，取和其中较大的值；当时，取值；
——系数，只适用于时，；
——系数，当时，按和查GB151-2014[2]图31（a）实线；当时，按和查GB151-2014[2]图31（b）；
——系数，按和查GB151-2014[2]里图29；

——系数，按和Q查GB151-2014[2]图30；
——热交换器中换热管拥有的加强系数；
——热交换器管束模数，MPa；
——热交换器换热管的有效长度，mm；
——换热管与管板的焊脚高度或者胀接长度，mm；
——热交换器管板边缘上的力矩系数；
——系数；
——边界效应压力组合系数；
——热交换器管程在操作工况下所拥有的法兰力矩，按GB150-2011[3]规定，取其计算压力是，；

——热交换器中换热管的数量；
——热交换器有效压力的组合，MPa；
——热交换器边界效应上的压力组合，MPa；
——热交换器当量压力的组合，MPa；
——热交换器壳程上的设计压力，MPa；
——热交换器管程上的设计压力，MPa；
——换热管与管板连接时的拉脱力，MPa；
——热交换器许用拉脱应力，MPa；
——设备制造的环境温度，℃；
——热交换器壳程圆筒沿长度的平均金属温度，℃；
——热交换器换热管沿长度的平均金属温度，℃；
——热交换器管板边缘上的剪切系数；
——系数，见GB150-2011[3]，按查取；
——热交换器壳程圆筒上的材料随温度的线性膨胀系数；
——换热管换热管上的材料随温度的线性膨胀系数；
——系数；
——壳程圆筒与换热管的热膨胀变形差；
——管板的计算厚度，mm；
——壳体的法兰厚度，对于c型连接方式，为管板延长部分做法兰形成的凸缘厚度，mm；
——管箱法兰厚度，mm；
——热交换器管箱圆筒的厚度，mm；
——热交换器壳程圆筒材料的厚度，mm；
——热交换器里换热管的壁厚，mm；
——管板上的刚度方面削弱系数，一般可以取值；
——系数；
——管板上的强度方面削弱系数，一般可以取；
——热交换器壳程圆筒上的轴向应力，MPa；
——热交换器壳体法兰上的应力，MPa；
——热交换器管板上的径向应力，MPa；

——热交换器管板上的布管区旁边位置径向应力，MPa；
——热交换器管板上径向拥有的应力系数；
——热交换器管板上的布管区周围位置的径向拥有的应力系数；
——热交换器的换热管上的轴向应力，MPa；
——热交换器管板的布管区周围位置的剪切应力，MPa；
——热交换器管板的布管区周边位置的剪切应力系数；
——热交换器壳程圆筒的装配环向焊缝系数；
——系数，按和查GB151-2014[2]图26；
——系数，按和查GB151-2014[2]图26；

2.2设计方案的确定
2.2.1.换热器类型的选择
回流液进口温度为194℃ 出口温度为101.8℃
原油进口温度为53.7℃ 出口温度为122.1℃
已知条件以给定为设计固定管板式热交换器，故选择固定管板式热交换器。
2.2.2.冷热流体通道选择
根据任务书回流液走管程，原油走壳程。
2.2.3.流速的选择
热交换器内流体的流速，不仅与对流传热系数有直接影响，而且与污垢热阻有关，从而会影响到总传热系数。特别是对于含有混沙等易沉积的颗粒物料，流速过低可能使管路堵塞，严重影响了设备的使用，但增大流速又会使流体阻力有明显的增大。一般的流体都尽可能使Re > 10-4初步选定速度为1.0m/s，根据计算确定具体值。
2.2.4.设备的结构形式
（1）结构类型
管束一般采用正三角形排列，管程应为偶数程，又由于壳程需要经常清洗，管束可采用正方形排列，折流板用纵向隔板，这些要根据后面的具体计算要求设计。
（2）流体设备内的流向
在无相变过程中，进出口温度确定时，逆流推动力大于并流传递，同样热流量所需的传热面积较小，因而逆流总是优于并流，但在实际换热器中纯的逆并流并不多见，其流动形态较为复杂，因此根据纯逆流的平均推动力和修正系数来计算实际的推动力，值应当大于0.8。

（3）设备的材料选择和保温
初选f19×2mm的碳钢管，需要的热补偿根据计算结果再具体确定
2.3工艺计算
2.3.1.求原油的流量

2.3.2.热流量

2.3.3.平均传热温度

2.3.4.传热面积
根据流体情况，假设

2.4工艺结构尺寸
2.4.1管径管内流速及管长
选用f19×2mm的碳钢管，管长选为6m
管内径
取管内流速
2.4.2管程数和传热管数

安单程换热计算，管束长度L为

按单程管设计管长太长，一般采用多程管，选管程，每管程为6m

所以选6管程，每管程为6m
传热管总根数为根
2.4.3平均传热温差校正及壳程数

查GB151-2014[2]图B.3得到

则平均传热温度为：

由于>0.8，故取单壳程合适
2.4.4传热管排列和分程方法
采用组合排列法，即每层内均按正三角形排列，隔板两侧选用正方形排列，取管心距,则

隔板中心到其最近一排管中心距离
各程相邻管的管心距为24mm
管数的分程方法：每一程的管数应大致相等，因为是6管程，且每一种的管数为121根，应采用平方分法，此方法便于接管。
2.4.5壳体内径
采用多管程结构，取管板利用率，则壳体内径为：

按卷制壳体的进档级，可取
2.4.6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,取折流间距，可取

折流板数目块
折流板圆缺面水平装配
2.4.7接管
壳程流体进出口接管：取接管内流体流速为，则接管内径为：

管程流体进出口接管：取接管内流体流速为，则接管内径为：

2.4.8其他附件
该热交换器壳体内径为800mm，则其拉杆直径为，最少拉杆数为4，壳程入口处，应设置防冲挡板
2.5换热器核算
2.5.1热流量核算
（1）壳程对流传热系数
对圆缺形折流板，可采用凯恩公式有：

当量直径为：

壳程流通面积为：

壳程流体流速及雷诺数为：

普朗特数为：

又由黏度校正：

（2）管内表面传热系数为：

管程流体流通截面积为：

管程流体流速为：

普朗特数为：

（3）污垢热阻和管壁热阻为：
管外侧污垢热阻
管内侧污垢热阻
碳钢在该条件下的热导率为50，所以:

（4）传热系数为：

（5）传热面积裕度
计算传热面积为：

该换热器的实际传热面积为:

该换热器的面积裕度为：

15%<15.8%<25%
1.15<1.16<1.25
所以该换热器能够完成生产任务
2.5.2壁温计算

热阻大的环节在传热过程中温差也相对较大，金属壁的热阻通常可以忽略不计，即故：

解得
2.5.3热转换器内流体的流动阻力
（1） 管程流体阻力为：

由Re=1279.5 ，传热管相对粗糙度0.01 查得：

在允许范围内
（2） 壳程阻力为：

流体流经管束的阻力为：

流体经过折流板缺口的阻力为：

总阻力为：

在允许范围内
所以所选固定管板式换热器满足生产需要
第3章 强度计算
3.1基本零部件
3.1.1接管法兰
依据管箱和壳程圆筒的材料，管法兰的材料定为S30408II。
根据设计条件中管口表中给出的连接尺寸标准，查HG/T20615-2009[21]中WN/RF（带颈对焊法兰凹凸密封面）部分表8.2.2-1，得到各个法兰的结构尺寸见表3.1，图3.1。

表3.1带颈对焊刚制管法兰（WN）尺寸
Table 3.1 steel pipe flanges (WN) size

工称尺寸
钢管外径（法兰焊端外径）A
连接尺寸

DN
DPS
法兰外径D
螺栓孔中心圆直径K
螺栓孔直径L
螺栓Th
螺栓孔数量n(个)
法兰厚度（C）
法兰颈大端（N）
法兰内径
法兰高度（H）
20
3/4
26.9
100
69.9
16
M14
4
11.2
38
21
51
40
11/2
48.3
125
98.4
16
M14
4
15.9
65
41
60
50
2
60.3
150
120.7
18
M16
4
17.5
78
52
62
80
3
88.9
190
152.4
18
M16
4
22.3
108
77.5
68

图3.1带颈对焊刚制管法兰（WN）
Fig 3.1Wn steel pipe flanges（WN）
3.1.2接管
尺寸设计以其中管箱法兰T1（DN50）处接管为例：
根据表8.2.2-1,钢管外径=A=60.3mm。查HG/T20615-2009[4]中表6.3.2得到DN50对应接管最小壁厚为4mm，确定接管壁厚5.6mm，计算接管内径mm。根据设计说明书，查HG/T20615-2009[4]中表9.3.4，接管采用与内壁平齐结构，无保温层时，DN50的接