设计题目：
设 计 人：
专业班级：
学 号：
指导老师：
毕 业 设 计 列管式煤油换热器设计 二 〇 年 月 日
设计任务书
（一）设计条件：
1．煤油：入口温度：150℃，出口温度：50℃；
2．冷却介质，循环水(P为0.3MPa，进口温度15℃，出口温度40℃）
3．允许压强降：不超过1.5*105Pa
4．每年按330天计；每天24h连续运转
5．处理能力：100000t/年 煤油
6．设备型式：列管式换热器
（二）设计内容及要求
1．根据换热任务和相关要求确定设计方案
2. 初步确定换热器的结构和尺寸
3. 核算换热器的传热面积和流体阻力
4．确定换热器的工艺结构，绘制总装图
5. 完成设计说明书1份（不少于8000字），设计思路明确，层次分明，内容详尽严谨求实，书写规范
（三）参考书目
[1]谭天恩•化工原理(第二版)下册•北京：化学工业出版社，1998
[2]柴诚敬,刘国维•化工原理课程设计•天津：天津科学技术出版社，1994
[3]贾绍义,柴敬诚•化工原理课程设计•天津：天津大学出版社，2002
[4] 夏清，姚玉英,陈常贵,等. 化工原理[M]. 天津：天津大学出版社，2001
[5] 华南理工大学化工原理教研组. 化工过程及设备设计[M]. 广州：华南理工大学出版社，1996
[6] 刁玉玮,王立业. 化工设备机械基础（第五版）[M]. 大连：大连理工大学出版社, 2000
[7] 大连理工大学化工原理教研室．化工原理课程设计[M]. 大连：大连理工大学出版社，1996
[8] 魏崇光，郑晓梅. 化工工程制图[M]. 北京：化学工业出版社,1998
[9] 娄爱娟,吴志泉. 化工设计[M].上海：华东理工大学出版社，2002
[10] 华东理工大学机械制图教研组. 化工制图[M]. 北京：高等教育出版社，1993
[11] 王静康. 化工设计[M]. 北京：化学工业出版，1998
[12] 傅启民. 化工设计[M]. 合肥：中国科学技术大学出版社，2000
[13] 董大勤. 化工设备机械设计基础[M]. 北京：化学工业出版社,1999
（四）进度计划（时间自己确定）
1、查找资料，初步确定设计方案和设计内容
2、根据设计要求进行设计，确定设计说明书初稿
3、撰写设计说明书
4、绘制总装图
摘 要 在生产中的许多行业中广泛使用各类换热器，是众多行业的通用型设备，对实践生产非常重要。无论在哪种类型的设备中，必需要有两种或者以上的温度不同的物料，其中一种传出热量的高温物料，降低自身的温度；另一种流体则温度相对较低，需要吸收热量，升高温度。
本设计的目的是设计年处理能力为10万吨煤油的列管式换热器，达到结构合理、安全可靠、成本低，传热效率高、流体阻力小、制造、安装、检修方便、节省物力和财力的效果。
关键词 列管式换热器，煤油，CAD电脑辅助设计
目 录
1．绪论............................................................................................................................................................. 1
1.1 换热器概述 ........................................................................................................................................ 1
1.2 换热器种类 ........................................................................................................................................ 1
1.3 换热器流动空间的选择原则 ............................................................................................................ 2
2. 换热器设计 .................................................................................................................................................. 3
2.1 设计方案的选定 ................................................................................................................................ 3
2.2 确定物料的物性数据 ........................................................................................................................ 3
2.3 计算换热器的总传热系数 ................................................................................................................ 4
2.4 传热面积初值的计算 ........................................................................................................................ 5
2.5 管侧的传热系数 ................................................................................................................................ 5
2.6 管内给热系数 .................................................................................................................................... 6
2.7 传热核算 ............................................................................................................................................ 6
2.8 换热器壳侧压强降 ............................................................................................................................ 7
2.9 换热器管侧压强降 ............................................................................................................................ 8
2.10 换热裕度 .......................................................................................................................................... 9
2.11 壳程接管计算 .................................................................................................................................. 9
2.12 管程接管计算 .................................................................................................................................. 9
2.13 壳体和封头的设计 ........................................................................................................................ 10
2.13.1 壁厚的确定 ......................................................................................................................... 10
2.13.2封头的选取 .......................................................................................................................... 12
2.14 管板与换热管 ................................................................................................................................ 14
2.14.1管板 ...................................................................................................................................... 14
2.14.2换热管 .................................................................................................................................. 15
2.15 壳体与管板、管板与法兰及换热管的连接 ................................................................................ 19
2.15.1 壳体与管板的连接结构 ..................................................................................................... 19
2.15.2 管板与法兰的连接 ............................................................................................................. 20
2.15.3 管子与管板的连接 ............................................................................................................. 21
2.16 折流板或支持板 ............................................................................................................................ 22
2.16.1 折流板型式 ......................................................................................................................... 22
2.16.2 折流板尺寸 ......................................................................................................................... 22
2.16.3 折流板的布置 ..................................................................................................................... 23
2.16.4支持板 .................................................................................................................................. 24
2.16.5 折流板质量计算 ................................................................................................................. 24
2.17 膨胀节 ............................................................................................................................................ 24
2.17.1 膨胀节 ................................................................................................................................. 25
2.17.2 膨胀节计算 ......................................................................................................................... 25
致 谢......................................................................................................................................................... 29
附 录......................................................................................................................................................... 30
1．绪论
1.1 换热器概述
换热器指的是把高温物料的一部分热量通过换热器件传递给低温物料的一种热传递专业生产设备。
在生产的许多行业中广泛使用各类换热器，是众多行业的通用型设备，对实践生产非常重要。无论在哪种类型的设备中，必需要有两种或者以上的温度不同的物料，其中一种传出热量的高温物料，降低自身的温度；另一种流体则温度相对较低，需要吸收热量，升高温度。随着我国和谐发展、绿色发展理念的提出，社会生产中对能源利用的要求变得越来越高，因此社会生产中需要更高效能的专业换热设备。目前，对于换热器的结构设计、性能改进以及工作机理等方面的研究成为热门领域。同时，一些新颖的、效能高的换热器也相继投入生产。
1.2 换热器种类
换热器重点应用在那些消耗能源比较多的生产领域中。随着人们设计水平的提高，生产中出现了各色的专业换热设备。可以满足不同的换热介质、不同的生产温度、不同的生产压力、不同的工作状况的换热器，其内部结构样式也有很多不同。间壁式、流体连接间接式、蓄热式、混合式换热器；以及冷却器、预热器、过热器、加热器、蒸发器等各种类型是目前换热器主要的一些设计形式。列管式换热器是这些形式中应用比较广泛、实际利用性最好的一种。
列管式换热器主要是由换热壳体、封头、折流挡板、换热管板、换热管等器件组成。管程指的是进行热交换的物料在换热管内流动的行程；而
壳程则指的是进行热交换的另一种物料在换热管的外侧流动的行程。列管式换热器是生产中非常典型的间壁式换热器，因此它的别称是管壳式换热器。以列管式换热器温差的补偿构造来分类，可以被分出以下类型：浮头式、固定式换热器、U管式等等。
优点：换热器设备多提供的单位体积比传热面积较大，设备结构坚固实用，结构材料可选择的范围较大，操作省时省力，在许多的大型生产装置中被广泛采用。
1.3 换热器流动空间的选择原则
1.3.1 总体换热原则：
①传热面对侧的传热系数尽量靠近，不要差距太大。
②管、壳程流体的选择要利于设备的清洗和设备的维修。
③降低设备器件由于受热不均而产生不利的热效应。
④有毒性的传热媒介，必需做到严格密封。
⑤尽量不要使用价钱较贵的金属材料，降低生产成本，节约支出。
1.3.2 选择管程的流体：
①相对清洁度较低的流体 在管字内部的流速较高情况下，悬浮物很难沉积，管字内空间也可以比较方便的清洗。
②体积较小的物料 为了可以更好的控制物料，能够得到特定的流动速度，一般管子内面比外面的流动截面要小，对设计成成程性流动也有益处。
③压力较大的流体 换热器的换热管耐压力比较强，可以降低换热器壳体对密封性的要求。
④有腐蚀性的流体 把管子和管箱做成耐腐蚀的材料器件，把其他所有器件都使用普通材料生产，设备的总体造价较低。
2. 换热器设计
在理论知识及专业设计内容的学习后，进行下面的列管式换热器设计。
2.1 设计方案的选定
1.选择换热器的类型.
列管式换热器内两种操作物料（煤油和水）温度的转化：煤油的进口处温度达到150°C，其出口处的温度则为50°C；冷流体物料自来水的进口处的温度是15°C，而其出口处则为40°C。综合考虑清洗、操作、维修等各类因素，确定设计为固定管板式的列管式换热器。
2.选定流动空间及流速
考虑到冷却水易结污垢，为了方便清洗、维护设备，设计管程内走水，壳程内通煤油。于此时，在换热器壳程内流动的高温煤油可以和空气进行有效的热传递，这在本质上加大了换热器装置本身的热交换强度，提供仪器设备的利用效率。换热设备选用Φ25×2.5 mm规格的10号碳钢管。
2.2 确定物料的物性数据
物料的定性温度以热交换装置内流动物料在设备进口以及出口处的温度的平均值来表示。
物料煤油在壳程中的定性温度是：
T1=150°C，T2=50°C，t1=15°C，t2=40°C
T=(150+50)/2=100(°C)
流体物料循环冷却水在换热器中的定性温度：
t=(15+40)/2=27.5(°C)
已知管程和壳程内水和煤油的物性数据为：
煤油在温度100°C下的相关物性数据是:
导热系数 λo=0.145 W/(m·k)
．4粘度 µ=7.05×10 N·s/m2 o
密度 ρo=790 kg/m3
定压比热容 Co=2.24 kJ/（kg·k）
水在温度27.5°C的相关物性数据为:
导热系数 λi =0.632 W/(m·k)
粘度 µ10．4 N·s/m2 i =7.19×
密度 ρi =990 kg/m3
定压比热容 C i =4.189 kJ/（kg·k）
2.3 计算换热器的总传热系数
1.热流量
m0=10×104×103/(330×24)=12626.26(kg/h)
Q0= m0CoΔto=12626.26×2.22×(150．50) =2.8×106 kJ/h=778.62(kw)
2.平均传热温差
∆t'm=(Δt1．Δt2 )/ ln(Δt1/Δt2) =[(150．50) ． (40．15)] / ln[(150．50) / (40．15)] =54(°C)
其中Δt1=T1．t2，Δt2=T2．t1。
3. 水用量．
Wi =Q0/(C iΔti)=2.8×106/[4.174×(40．15)]=67154.6kg/h=7.46kg/s 平均温差R=T1-T2150-50==4 40-15t2-t1
P=t2-t150-15==0.259 T1-t1150-15
选择卧式冷凝器，冷凝在壳程，为一壳程四管程，查图可得ϕ∆t=0.83。
'=54×0.83=44°C ∆tm=ϕ∆t⋅∆tm
管子规格φ25⨯2.5，L=3m。
换热管管束的排列：采用正三角形。
一壳程四管程的三角形管束排列方式为K1=0.175，n1=2.285。
2.4 传热面积初值的计算
总传热系数选取为K=500W/(m2.°C)
Q778.62⨯103=35.5m2 F==K∆tm500⨯44
单个管子面积 F1=πdiL=π⋅20⨯10-3⨯3=0.1874m2
换热管个数 Nt=F35.4=188 =F10.1884
换热管中心距离 t=1.25do=1.25×25=31.35mm，取t=32mm
N1882.285)换热管束的直径 Db=d0⋅(t)n1=25⨯(=408mm K10.17511
中心单行管束 Nr=Db408==13 t32
2.5 管侧的传热系数
估算壳体的壁温Tw
预设冷凝给热系数是100W/(m2·K)。
换热器壳程的平均温度：T=(150+50)/2=100(°C)
换热器管程的平均温度：t=(15+40)/2=27.5(°C)
那么（100．Tw ）·1000=（100．27.5）×500 所以：Tw =62.5°C 平均冷凝温度Tcm=
100+62.5
=76.2°C 2
76.2°C时煤油物性：
密度 ρo=825 kg/m3 定压比热容 Co=2.22 kJ/（kg·k） 导热的系数 λo=0.130 W/(m·k)
．42粘度值 µ=9×10 N·s/m o
12626.26
M3600.26=41Γh==12626.50⨯10-3．3
=4.5×10kg/(s·m) L⋅Nt⨯
3600188
Nr=
2
⨯19=13 3
2ρ2g18252⨯9.81-1/61/3-1/63=1024.6W/(m·K) αo=0.95⋅λ()⋅Nr=0.95⨯0.14⨯()⨯13-4-3
μΓh9⨯10⨯4.5⨯10
计算值与假设值基本相同，符合要求。
2.6 管内给热系数
换热管的横截面积 A1=换热管内部的流速 u=
π
4⋅di⋅
2
Ntπ1882
=⨯(20⨯10-3)2⨯=0.014m6 444
Wc18.65==1.288(m/s) ρ⋅A1994⨯0.0146
0.2
αi=4200(1.22+0.02t)⋅u0.8/di=4300⨯(1.22+0.02⨯27.5)⨯1.2780.8/200.2=5282.8(W/(m2⋅K))
2.7 传热核算
水污垢的热阻选取为Rsi=3.44×10．4 m2·K/W
煤油的污垢热阻选取为Rso=1.72×10．4 m2·K/W 选择换热管管壁的导热系数是 λ=45 W / (m·K) 那么
K=
1
dodob⋅do1
+Rsi++Rso+αi⋅didiλ⋅dmαo
1
-3-3
25⨯10-3252.5⨯10⨯25⨯101与前-4-4
+3.44⨯10⨯++1.72⨯10+-3-3
201034.64473⨯20⨯1044⨯23.4⨯10
=529（W/(m2⋅K))=
面所预设的K值基本相同，试差完毕。
2.8 换热器壳侧压强降
1）折流板计算
DS=Db+13=408+13=421mm 选DS=400mm
选择折流板为25%圆缺度的圆缺型的折流板。那么其圆缺高度是： H=0.25×400=100mm
所以，折流板的板间距计算得 B=0.4DS=0.4×300=120mm 折流板的板间距选取为 100mm
由此，折流板数目计算是 NB=L/B-1=3000/100-1=29 2) Kern's法计算换热器压降 换热管的横截面面积
As=
t-d027.5-25
⋅Ds⋅B=⨯400⨯100⨯10-6=0.013(m52) t27.5
那么，换热器壳侧的质量流速为 Gs=
MO
AS
12626.26
==213.6(kg/(s⋅m2)) 0.0135
则换热器壳侧的流体流速为 us=换热器壳体的当量直径为
de=
GS
ρO
=
212.6
=0.26(m/s) 835
1.1221.102
(t-0.927do)=(27.52-0.915⨯252)=19.8mm do25
其雷诺数为 Re=
Gs⋅de
μi
212.6⨯19.8⨯10-3
==2929.2
9⨯10-4
通过查找壳侧阻力因子图可得 jfo=5.8×10．2
取μ=μw，流体粘度有关的影响可以被忽视掉，使用进口处的物料流动速度，其压强降低了50%， 但
DSLρ⋅us2μ-0.14 ∆PS=8jfo⋅⋅⋅⋅()
deB2μwDSLρ⋅us2μ-0.14
∆PS=8jfo⋅⋅⋅⋅()
deB2μw
4003835⨯0.162
=8⨯5.8⨯10⨯⨯⨯
18.8100⨯10-32
=2466.4Pa
-2
所以，换热器的壳侧压强降是1.2332kPa
2.9 换热器管侧压强降
雷诺数为 Re=
uidiρi
μi
0.95⨯20⨯10-3⨯997==25746
7.35⨯10-4
根据壳侧阻力因子图可以查得jfi=3.6×10．3 换热管压强降为：
⎡⎤ρ⋅u2Lμ-m
∆Pt=NP⎢8jfi⋅⋅()+2.5⎥⋅
diμw2⎣⎦
3997⨯1.2782-3
=4⨯(8⨯3.8⨯10⨯+2.5)⨯
220*10-3
=14240Pa=14kPa
2.10 换热裕度
实际生产所需的换热面积为：
F1=πd0⋅L⋅(Nt-Nr)=3.14⨯25⨯10-3⨯(3-0.06)⨯(188-13)=40.39m2
换热器换热裕度由公式可得：
H=
F1-F040.39-33.80
⨯100%=⨯100%=19% F033.8
所以，换热面积裕度符合要求，设备可以满足生产要求。
2.11 壳程接管计算
选择换热器接管内物料的流动速度
u=1.35m/s，因此可以得到它的直径为：
d=
4V=πu
4⨯
12636.26
=0.072m=72mm 3.14⨯1.35
所以选取接管d=80mm。 2.12 管程接管计算
接管内流速选取为u=1.35m/s，那么其直径为：
18.54
4V=0.147m=147mm =πu3.14⨯1.3
4⨯
d=
所以选取接管d=150mm。
工作压力：换热器管程为0.3MPa，换热器壳程为0.3MPa。 标准换热器选取为： 公称直径DN=400mm；
公称压力：换热器管程为0.3MPa，而其壳程也为0.3MPa； 管程数：4程； 总管数：188；
中心一行管数：13； 管长：3m；
管程流通面积：0.0174m2； 计算换热面积：40.39m2；
2.13 壳体和封头的设计
2.13.1 壁厚的确定
管壳式换热器外壳主要是由封头、管箱壳体和壳体三部分组成。生产上，一般用管材或板材来制作换热器的壳体。对于那些小于400mm直径的设备，壳体往往选择采用管材和管箱。对于不小于400mm的直径的设备，往往以板材来卷制制作出换热器的壳体。设备所对应的直径种类要能够与换热器封头、连接法兰的种类相配合，如此可以更好的选择法兰和封头的构型。往往，在换热器设备小于1000mm的直径情况下，100mm的差距被当做系列间的均等差；当设备大于1000mm的直径情况下，200mm被当做是一个系列的均等差值。但是如若期望采用旋压式的封头，那么能够选取100mm当做直径系列的一个均等差。
表2.13.1 碳素钢或低合金钢圆筒的最小厚度
表2.13.2 壳体、管箱壳体厚度
根据先前的计算，换热器的壳体和管箱壳体的外围直径是400mm。因此可以选Q235．A碳素钢板材质来制作器件。根据有关的资料记录，在100°C下[σ]t=113MPa。接下来进行设备壳体壁厚度的设计。
如若取设备的工作压力与其设计的压力数值相等，那么pc=0.3MPa，此种设备的焊接接头的系数为φ=0.83。
壁厚计算为 S=
pc⋅Do1⨯400
==2.92mm
2[σ]tφ+pc2⨯112⨯0.84+0.1
壁厚设计 由于煤油是具有低腐蚀度的物料，那么选腐蚀裕量C2=1mm。所以
Sd=S+C2=2.92+1=3.92mm 同时壁厚的负偏差是 C1=0.5mm，所以Sd+C1=4.42mm。
名义上的壁厚为 Sn=Sd+C1+∆=4.39+∆，所以选择名义上的壁厚是5mm。
由以上所列的图表可以做出分析，6mm的大小能够被用来当做设备壳体以及管箱壳体的壁的厚度值，同时以前面所列的公称压力和设备所用的材料来分析的话，最后取8mm当做设备的壳体以及管箱壳体的适宜厚度。因此，所设计设备的壳体的单位长度是120kg的重量，单位长度是0.283m3的体积。
2.13.2封头的选取：椭圆形的封头JB/T4737．95
高ho的小圆筒（直边）和长半轴、短半轴大小依次为a，b的半椭圆一起组成了换热设备的椭圆形封头。为了防止边缘应力影响封头与筒体间的环向焊缝以及保持封头的生产制造的品质，所以设置了直边，这也是它的最大作用。
设备的椭圆形封头壁的厚度公式计算为：
S=
K⋅pc⋅DiK⋅pc⋅Do
=
2[σ]t⋅φ-0.4pc2[σ]t⋅⋅φ-0.4pc+2
D1
K=[2+(i)]2
63hi
标准椭圆形封头的K值为1，因此
S=
pc⋅Do0.6⨯400
==1.8mm t
2[σ]φ-0.6pc+22⨯114⨯0.84-0.5⨯0.01+2
表2.13.3 不同封头的厚度
表2.13.4 各种椭圆形封头的ho(mm)
依据以上相关资料和本设计的实际需求考虑，换热器封头选择为DN=400mm，设备的制作材质使用Q235.A，换热器的封头的厚度值选择为 8mm，直边ho选择为25mm的大小。
2.14 管板与换热管
2.14.1管板
管板作为管壳式换热器的其中非常关键的器件，其不光与管子和壳体等处接通，同时作为换热器中非常关键的耐压器件。面对管板的设置，不光要符合强度的硬性要求，还应该充分的考量它的内部结构。 1）管板结构
以下是固定管板式换热器同时作为法兰的管板，可以观察得到，一个明显的凸起的面是管板和法兰的连接密封面，在器件中的隔板槽拐角的地方，倒角为10×45°。
图2.14.1 换热器的整体管板构造 图2.14.2 换热器的堆焊管板构造 图2.14.1是由碳钢、不锈钢、低合金钢共同打造的一个联合管板，其中不锈钢管板的隔板槽是11mm的宽，而碳钢、低合金钢管板的为12mm大小，管板的槽深往往大于4mm。
图片2.14.2为采用堆焊的不锈钢管板，首先是堆焊，再来钻管孔。采用堆焊的不锈钢，提倡使用带级堆焊。 2）管板的最小厚度
如果换热器的管板和它的换热管采用胀接，换热器管板的最小厚度（腐蚀裕度不算在内）要符合表格2.14.1。
表2.14.1 胀接情况的管板最小厚度
3）管板尺寸
换热器管板的大小如表所示。根据国标GB151．1999《管壳式换热器》，以碳钢、低合金钢为材料制作的设备管板（16Mn锻件）在PN≤1MPa、DN=600情况下的尺寸大小，管板与换热管仅可以以焊接的方式来连接。 2.14.2换热管 1）管程分程
根据实际需要，选取四程。 2）换热管的规格和尺寸偏差
管子的类别和大小偏差见表2.14.2。
表2.13.2 管子的类别和大小偏差
选取10号碳钢为本设计的换热管，L=3000mm；φ25⨯2.5
密度γ=7850kg/m3,熔点tm=(1400~1500)︒C
比热cp=460.5J/(kg⋅K),导热系数λ=(46.5~58.2)W/(m⋅K)膨胀系数α=11.2⨯10-6︒C-1,电阻率ρ=(0.11~0.13)mm2/m弹性模数E=(196~206)⨯10MPa,波桑比μ=(0.24~0.28)
3
表2.14.3 10号碳钢的相关应力
3）换热管的排列
（1）换热管的排列型式
换热管的排列型式主要有以下四种。
图2.14.3 换热管的排列型式
图2.13.3中（a）和（d）两类排列，在管距一样的情况下的挡板，流体的截面相对于（b）和（c）两类要小一些，可以更好的增加流量，所以在理论上更加的合理、更加的科学。本设计综合分析以上因素，煤油换热器采用（a）类的排列。
（2）换热管中心距
换热管中心的距离，最小应为1.25倍管直径，热交换管的中心距分区支管，应最小传热管中心距与厚度的挡板槽密封面，以保证在膨胀管桥具有足够的强度。设计中能够采用焊接的技术来连接换热器器件，管的间距可以更加的小，但为了能够确保壳程清洗，清洗的通道定为6mm大小。当外
壳用于蒸发过程，为了使气相更好的逃脱，管间距可为1.4倍管外径大。依据制作规范，热管直径为25mm大小的管，设备的管中心距为32mm，位于换热管中心两侧位置的隔板槽为44mm大小。
（3）布管限定圆DL
布管限定、圆确定等参数可以依据下面的资料来制定。
表2.14.5 b的值
表2.14.6 bn、b1的值
表中：b的值、b1的值、bn为垫片厚度，分别按上面的表取值； b2=bn+1.5（mm）；
b3为固定管板换热器管束最外层换热管外表面至壳体内壁的最短距离，b3=0.25d且不小于8mm。 D为换热管外径，mm； Di为换热管筒体内直径，mm； DL为布管限定圆直径，mm。
（a） （b） 图2.14.4 布管示意图
根据前面的条件可得：b3=0.35d=0.35×25=6.25mm 那么，DL=Di．2b3=500．2×6.35=587.5mm。
除了考虑有限循环布管直径，管换热器和侵蚀之间的距离需要考虑。通常，换热管外表面和相邻的抗冲刷面板之间的距离，最小。
（4）换热管排列原则
以完全对称的原则来排列换热管得所有管束。可以都布满换热管的领域应该是符合换热管与防冲板的距离规则和布管限定圆直径的数值。
尽可能的把拉杆平均的安置在管束的外侧一面。拉杆能够被安排在折流板缺边的位置上，而且其间的远近不可以大过700mm的大小。换热器折流板的缺边和换热器拉杆中心处之间的距离要保持在换热器的换热管中心距的
（0.5~1.5）区间之内。
那些多管程的设备的各程管数的相对误差值也理应维持在10%的范围之内，同时也要维持大小等值，而误差绝对不能够超越20%的最大限制。
而相对误差的公式为：∆N=
Ncp-Nmin(max)
Ncp
⨯100%
式中：Ncp——各程平均数，Ncp=
总管数
； 管程数
错误！未找到引用源。——各程中最小（或最大）管数。 总管数：188 管程数：4
计算的平均每程换热器的管数：Ncp=47 各程管数：Nmin=51（3程），Nmax=60（1程） 中心一行的管数Nr=587.5/32=18 采用正三角形排列，层数为8层
2.15 壳体与管板、管板与法兰及换热管的连接
对不可拆式的换热器来说，管壳板的焊接式连接。由于壳壁的厚度，类型，直径，和管板（如管板法兰），所以必须焊接方法和焊接接头在不同的地方。
2.15.1 壳体与管板的连接结构
因为温度的差异，压力和材料的性质，因此固定管板与壳体的类型的要求是不一样的。对于非固定管板换热器的可拆卸的，从结构上看有两种类型，一是管板法兰（见图2.14.5（a）），另一个是一个夹式固定管板。
此种列管式换热器使用碳钢为其所有材质，适宜采用同时兼作法兰的管板，换热器圆筒与它所用的连接结构形式为：
图2.14.5 管板圆筒（可以兼做法兰）的构造
2.15.2 管板与法兰的连接
连接管板，法兰，当管板法兰，法兰连接管箱和一般固定管板换热器。 固定管板换热装置的管板本身就能够当做一个法兰的连接类型，这相对要简单一些，不光是应该满足生产操作的工艺条件，对于选一些密封型，其还应该要依据操作的压力和温度选择。结构式法兰的选择。如图所示的2.
14.6
图2.14.6 管板的连接构造（固定管板式换热器）
（a）用在管侧和壳侧压力为0.3MPa的结构，而不是在气密性要求。 2.15.3 管子与管板的连接
换热管子与换热设备管板间的构造样式主要包括这几类：（1）胀接；（2）胀焊结合；（3）焊接。根据前面的考虑可以知道，此种设计的煤油换热器管子与管板之间的连接仅能够适用焊接的技术去实现。
强度焊接的参数，参照国标GB151．1999，如下所示。
·
图2.14.7 强度焊结的结构及参数
表2.14.7 换热器换热管的延伸长度
如若在设计中选择上面的参数，那么有些问题需要特别在意： （1）若换热器部件的所需加工参数不大于如上列出的参数值时，能够在一定范围内增加换热器管板上面的坡口深度。
（2）如若换热管子的直径和换热器的壁厚不在上面所列的参数范围内，那么可以对l1、l2、l3的值做适宜的调整。
（3）图2.14.7（c）所示的情况，适宜于压力比较高的工作情况；图2.14.7（a）所示的构造，适宜于碳钢、整体不锈钢管板以及低合金钢材质的换热装置；图2.14.7（b）的构造，适宜于堆焊不锈钢钢板材质的换热装置。
2.16 折流板或支持板
关于换热器中折流板或支持板的构造规划，重点考虑的关键因素是生产过程中的工艺及生产要素。 2.16.1 折流板型式
折流板有很多的造型，比如弓形的以及矩形形状的折流板。其中弓形折流板是最常用、最实用、最好用的折流板。
此设计装置所最终使用的是弓形的折流板。而单、双、三弓形的折流板是弓形折流板的三种主要形式，并且生产中换热器基本上采用的是单弓形的折流板构造。 2.16.2 折流板尺寸
1）弓形折流板的缺口高度
弧形板挡板间隙高度应允许流体通过的间隙，在管束流动接近。通过
降低气缸直径弓高的比例确定单弓形折流板间隙对气隙的大小。气缸间隙高度也可以0.20 ~ 0.45倍的内直径。挡板切割切口在下面的行中心线根据权利，或剪两排管孔桥。 2）折流板或支持板最小厚度
表2.14.8 折流板最小厚度
3）折流板或支持板外直径及允许偏差
表2.14.9
2.16.3 折流板的布置
1）折流板的布置 一般的折流板按等距离布置，需要注意的是对于换热器管束端头的折流板要适当的排列在换热器壳程的端口接管位置，位于管板附近的折流板和其之间的远近值如图所示，折流板的大小能够照公式来计算：
l=(L1+
B2
)-(b-4) 2
公式内符号L1表示的是壳程接管地方的尺寸的最小值；
公式内符号B2表示的是换热器内防冲板的长度值，而若没有防冲板的情况下，其值B2=di。
如若单一成分的清洁流体作为卧式换热器的壳程，挡板间隙应水平的安排下，如果少量液体中含有气体，应在获得了最低的孔的液体出口挡板；如若在流动物料中夹杂有一小部分的气态物质，应当在设备挡板端口的最高。卧式热交换器，冷凝器和再沸器壳含有气体的固体材料中，液相或液，挡板间隙应垂直布局，与挡板打开出液最低。
2）折流板间距 折流板之间间隔距离最低也要达到圆柱壳的1 / 5直径的大小，而且要求不能够低于50mm的大小；在特殊情况下的距离也
较小。挡板最大间距应无支撑长度的变化对热管（包括边缘方向相同的折流板间距和其他支撑管长度的两个相邻块缺乏）应不超过表指定的，作为一个挡板，其值应小于壳体内径。 2.16.4支持板
本换热器设置了折流板，因此可以不使用支持板。 2.16.5 折流板质量计算
按下式进行折流板质量计算：
⎡⎛ππ2⎫⎤⎫⎛π2
Q=⎢ ⋅Da-Af⎪- ⋅d12⋅n1+⋅d2⋅n2⎪⎥⨯δ
4⎭⎝4⎭⎦⎣⎝4
式中：Q——折流板质量，kg； Da——折流板外圆直径，mm；
Af——去掉一部分的折流板的弓形面积，Af=Da2×C，mm表示； C[1]——一种关系系数，可以根据ha/Da由表来查阅。 ha——折流板所去除掉的弓形的高度，mm表示； d1——管孔直径，mm； d2——拉杆孔直径，mm； n1——管孔数量； n2——拉杆空数量；
δ——折流板或支持板厚度，mm。
得Q=26.62kg
2.17 膨胀节
固定管板换热器装置在工作中，装置的管束与壳体间有一些的不同，换热管束和换热壳体刚性地结合，如若温度变为一定的限度，由于大的温
差应力可能造成损害或者造成管弯曲。如若两者的温差超过一定限度，那么便可以考虑浮头式、U型管等换热装置。但换热器成本较高，如果不清洗管，也可以使用一个固定管板换热器，但需要设置温度补偿装置，如膨胀接头。 2.17.1 膨胀节
膨胀柔性件时装节的固定管板换热器壳，依靠弹性元件的变形，以补偿管束与壳体之间的变形差异，以消除壳体和管束因温度应力引起的温度。 理论上来说，多层的膨胀节在结构上比单膨胀就拥有了许多让人称赞的优点，多层的膨胀接头的弹性比较好，较高的操作灵敏度，较强的补偿能力、生产承载能力和生产强度高，结构紧凑等。 2.17.2 膨胀节计算
1）管子拉脱力计算
根据前面所做的设计，此换热器的换热管和其管板使用的焊接技术，所以，此种不用再计算换热管所受的拉脱力。
2）膨胀节设置计算
设计中必须设计膨胀节的条件：
对固定管板式的换热器来说，适宜使用下列公式计算换热器的壳体和换热管中的力：
σs=
-F1+F3F1+F2
，σt=
AsAt
若满足下述条件之一者，必须设置膨胀节：
1）σs>2φ[σ]ts；2）σt>2[σ]tt;3)σsB;
4)管子拉脱力q>[q]。
公式内符号F1表示的是换热器壳体和换热管间的温差所导致的轴向应力，单位为N；
F1=
αt(tt-t0)-αs(ts-t0)
+
Et⋅AtEs⋅As
公式内符号F2表示的是换热器壳程和换热器管程的压力对换热器的壳体形成影响而产生的轴向作用力，单位为N；
F2=
Q⋅As⋅Es
As⋅Es+At⋅Et
其中Q=[(Di2-ndo2)ps+n(do-2St)2pt]
4
π
公式内符号F3表示的是换热器的壳程和换热器的管程压力对换热器管子形成影响而产生的轴向作用力，单位为N；
F3=
Q⋅At⋅Et
As⋅Es+At⋅Et
公式内符号At,As依次表示的是换热器的管程和换热器的壳程所对应的横截面的面积，单位为mm2；
At=n⋅
A=
π
(d4
2o-di2
)
As=πD中S
0.094
，B的值可根据A值查表得出。 Rm/Se
公式内符号αt,αs依次表示的是换热管子和换热壳体所用材料的温度膨胀参数，单位为C；
公式内符号t0 表示的是安装时的测量温度；
26
公式内符号tt,ts依次表示的是换热器在实际操作的情况中，换热管的壁温度和换热壳的壁温度，单位为oC；
壳体和管子的材质都为碳素钢，其物性常数如下：
膨胀系数α=11.2⨯10-6︒C-1,弹性模数E=(196~206)⨯103MPa
At=n⋅
π
(d
4
2o-di2=222⨯
)
3.14
⨯（252-202）=39210.75mm2 4
As=πD中S=π⨯608⨯8=15272.96mm2 F1=
αt(tt-t0)-αs(ts-t0)
11
+
Et⋅AtEs⋅AsAs+At
⋅As⋅At
=
α⋅E（tt-ts)
11.2⨯10-6⨯200⨯103(57.5-90)=⨯39210.75⨯15272.96
39210.75+15272.96
=-7.9⨯105(N)
Q==
π
4
[(Di-ndo2)ps+n(do-2St)2pt]
2
π
4
=1.74⨯105(N)
⨯[(6002-222⨯255)⨯0.6+222⨯(25-2⨯2.5)2⨯1.0]
Q⋅As⋅EsQ⋅AS1.74⨯105⨯15272.964
F2====4.88⨯10（N）
As⋅Es+At⋅EtAS+At15272.96+39210.75
F3=
Q⋅At⋅Et5
=Q-F2=1.74⨯105-4.88⨯104=1.52⨯10（N）
As⋅Es+At⋅Et
F1+F2-7.9⨯105+4.88⨯104
σs===-48.53MPa
As15272.96-F1+F31.74⨯105+1.252⨯105
σt===233.4MPa
At39210.75
A=
0.0940.094==0.001237c Rm/Se608/8
通过查阅换热管子和换热壳厚度、外压圆管参数图
27
得：B=110MPa。
[σ]st=113MPa，[σ]tt=112MPa，Φ=0.85。 2[σ]stΦ=2×113×0.85MPa=192.1MPa 2[σ]tt=224MPa
根据所得到的数据，可以判断出此设计的换热器设置膨胀节。
28
致 谢
大学这些青春岁月给我留下了美好的回忆，也让我学会了很多知识和道理，非常谢谢每一个曾经对我有过帮助和指导的人，让我能够快速的进步。
在本次毕业设计中得到了指导老师和同学的大力支持，感谢大家为我做的一切，这会成为我今后进一步成长的精神动力。希望，在设计中学到的东西可以更多的学以致用，抑或把毕业设计的严谨精神运用到今后的工作和学习中去，为国家和社会做贡献。
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附 录
1. 煤油换热工艺流程图
说明：管程通循环水，壳程则通煤油。电泵把热的煤油吸取上来，由管道从接管C处流进换热设备的壳程内；而电泵把循环水吸上后，水由接管A处流进列管式换热器的管程之内。换热器是冷热两种物料热量交换的地方，高温的煤油从150℃降温至50℃后从接管D处出去；低温的循环冷却水却由15℃升温到40℃后，从接管B位置流出。
2. 主要符号说明
英文字母 t —冷流体温度，℃； A—流通面积，m2； b—厚度，m； c—常数，m；
cp—定压比热容，kJ/(kg*℃)； d—管径，m；
D—换热器壳径，m； h—挡板间距，m；
K—总传热系数，W/(m2*℃)； l—长度，m； L—长度，m； n—管数； N—程数； p—压强，Pa；
30
t—管心距，m； T—热流体温度，℃； u—流速，m/s； W—质量流量，kg/s。
希腊字母
α—对流传热系数，W/(m2*℃)； λ—导热系数，W/(m*℃)； μ—粘度，Pa*s； ρ—密度，kg/m3 σ—表面张力，/m。 下标
Q—传热速率或热负载，W； i—管内；
r—半径，mm； m—平均； R—热阻，m2*℃/W； o—管外； S—传热面积，m2；
Λt—温度差；
3.换热器总装图
31