内翅管换热器的设计
换热器的作用就是将两种或者两种以上的存在温度差的流体进行交换热量。主要应用场所是在化工业生产中，用于主要用来尾气冷凝，热流体降温，尾气回收。常用于医药，环保，化工等工业领域。是工业生产过程中不可或缺的一部分。本篇内容就是在原有的管壳式换热器上进行升级改进。设计并制造出内翅管式换热器。使得换热效率提高。并提高节能减排的效果。通过选材，实验，计算，检验，最后制造出成品。AbstractThe function of the heat exchanger is to exchange heat between two or more fluids with different temperature difference Main The application site is in the industrial production, used mainly for tail gas condensation, heat flow cooling, tail gas recovery. Often used for Pharmaceutical, environmental protection, chemical industry and other industrial fields is an integral part of the process of industrial production. The content of this article is Theoriginal shell-and-tube heat exchange improvement. Design and manfacture of the inner fin tube heat exchanger. Make the heat transfe .and improve the efficiency of energy saving and emission reduction. Through material selection, experiment, calculation,test,and finally make the finished product.引言 1一、换热器概述 2（一）换热器的应用 2（二）换热器的主要分类 21.换热器的分类及特点 22.翅管式换热 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: #351916072#
器的分类及特点 3二、 内翅管换热器的工艺条件及零部件选取 6（一）内翅管换热器工艺条件 6（二）内翅管换热器的结构设计 61.材料选择 62.换热管的选型 63.换热管的选择 64.管板 75.分成隔板与分程隔板槽 76.换热管与管板的连接 77.支持板 78.拉杆与拉杆孔 79.管箱 9三、强度与稳定性计算 10（一）壳程圆筒厚度计算 101.筒体厚度 102.管箱圆筒 103.管箱厚度 114.管箱封头 115.管箱封头厚度 116.内翅管数据处理 12（二）水压试验应力校核 131.压力试验及其强度校核 132.管程水压试验压力 143.管程试验压时圆筒应力 144.壳程试验时圆筒应力 14(三)开孔补强 141.换热器壳程筒体开孔补强 142.开孔削弱所需的补强面积 15(四)管板计算 151.壳程圆筒 152.管箱圆筒 163.换热管 164.管板 17总结 18致谢 19参考文献 20引 言随着科技的不断发展，现如今节能减排，拒绝环境污染成为了工业生产的检验标准。因此不管是政府还是企业，加强使用能源管理，采用技术上可行，经济上合理以及环境可以承受等一系列措施。因此在从能源的开采使用及到半成品，成品的加工过程中，做到减少污染物的排放，禁止浪费并有效合理的利用资源。因此换热器的推广也是必然的。通过对比换热器领域其他产品，如夹套式换热器、沉浸式换热器、套管式换热器、板式换热器、混合式换热器。这几类套管的优缺点。设计，制造出适合现如今生产需求和经济效益的换热器。在设计过程中，要对内翅管的选材，内翅管的选型，管板的排列，分成隔板与分程隔板槽的布局进行合理规划，对换热器内部的零件尺寸进行计算。最终检验，成品。一、换热器概述（一）换热器的应用换热器（英文翻译heat exchanger cold），是将不同壳室的具有温度差的两种流体，进行温度调节，使温度高的一侧的热量向温度低的一侧转移。换热器主要应用于航空科技；航天安全、保障系统与航天医学。还应用于化工行业，在石油，医药领域也有涉及，是现如今工业自动化生产中不可或缺的一部分。在工业生产中换热器在用途上可分为制热器、冷凝器、蒸发器和再沸器，应用较为广泛。现如今市场中换热器主要分有间壁式换热器、混合式换热器和蓄热式换热器。而其中应用最多的是间壁式换热器。（二）换热器的主要分类1.换热器的分类及特点（1）.夹套式换热器:该换热器是在容器的外壁上安装夹套，在夹套中注入冷媒或或热媒，从而实现换热。但由于受到容器壁面的约束，降低了传热系数。因此想要提高传热效率，我们可以在容器内安装搅拌装置，使得物料传热均匀。也可在容器内安装蛇形管，以弥补传热面的不足。（2）.沉浸式蛇管换热器:蛇管只是对换热管形象的称呼。事实上是通过将金属管像蛇形一样的盘绕在容器内部，增加金属管的受热面积，增大传热效率。这类换热管，优点是制造过程不复杂，且换热管可以使用耐腐蚀材料，提高耐蚀性，缺点便是这类管子内的流体流速较慢，传热效率较低。我们也可在容器内部安装搅拌装置，以提高传热速率。（3）套管式换热器:这类换热器是通过u形弯头固定将直径不同的直管加工成同心管。在这种换热器中，一种流体在管内流动，另一种流体在环隙中流动，两者都可得到较高的流动速度，因此传热系数较大。另外，套管换热器中，两种流体可为纯逆流。特别是因为套管换热器同时具有传热系数大，传热推动力大和能承受高压强的优点，所以在超高压生产过程中所用的换热器几乎都是套管式换热器。（4）.板式换热器是间壁式换热器的一种特殊形式，虽然出现在化工领域的年限久远，但是在目前的换热器行业，依然有它的一席之地。其主体部分是由换热板片与板间胶组成。通过在壳体内安装一定数量的横向折流板，提高了换热效率，而且折流板还有几个优点那就是不仅可以防止流体短路，还可以加快流体的流动速度，迫使流体按照规定的路线反复交错的通过管束，使得湍动程度增加。（5）.混合式换热器:这类换热器是通过冷媒、热媒直接接触进行换热的，这种换热方式相比于传统的隔开换热，回避了间壁和两侧形成的污垢热阻，大大提高了传热系数，因此只要两种媒体之间接触良好，就能有很高的传热效率。故凡是支持冷热媒相互混合的场所，都可以采用混合式换热器。2.翅管式换热器的分类及特点（1）.从结构型式上在结构上翅管可分为纵向如图1-1（a）和径向如图1-1（b）两种，其余型号大都是这两类翅管的改进或变形，例如螺旋形齿翅片管接近纵向，如图所示1-1（c）。翅片的形状有圆形和矩形。此外，翅片可放在管外，称为外翅管;也可安装在管内，称为内翅管。图1-1螺旋形齿翅片（2）.从制造工艺上可以分为整体式翅片管，焊接式翅片管，高频式翅片管和机械连接式翅片管。①.整体式套管，这类套管是通过机械加工和冲床轧制将翅片与金属管连为一体，如图1-2（d）。这类翅片管不仅没有接触热阻，而且耐热震，强度高，在传热方面性能也不错。但不足在于，制造成本较高。②.焊接翅片管是使用钎焊或者惰性气体保护焊等加工工艺制造。现代焊接技术可以使不同材质的翅片连在一起，并且将翅片管制作的简单，经济，具有良好的传热性及机械性能。由于在焊接过程中易形成残渣，这种残渣不易于导热，有可能还会引起断裂，所以在加工这类翅片管时必须保证焊接技艺精湛。③.高频焊翅片管是通过高频发射器发射高频电源，使得翅片和金属管之间温度迅速升高，互熔，从而使得它两之间连为一体。这类翅片管无需焊剂，也无需焊料，制造简易，生产率比较高。传热及机械性能优良。④.机械连接翅片管，这类翅片管有镶嵌式，套片式和串片式这三种类型。绕片式翅片制作简易，只要把金属常用机械以焊接方式固定于金属管的一端。通过金属管转动力矩将金属带盘绕在管外壁。这类绕片的材料可以为铜带，钢带或者铝带。图1-2（a）所示是钢带或者铜带缠绕的褶皱式绕片管。褶皱的存在增大了翅片与金属管之间的接触面积，因此提高了传热系数。然而皱褶的存在增加了空气阻力，而且生产过程中容易积灰导致不便清理。为了将翅片与金属管处的间隙消除，可通过在在缝隙处镀锌，镀锡，这种做法还能防止金属生锈。图1-2（b）所示是不带褶皱的绕片管，是由延展性好的铝带盘绕而成。这种管子有一个特点那就是绕制时翅片从直带变成了圆环型，它的尖部因为受拉而变薄，而根部由于受到压力而导致变厚成梯形断面，接近传热学最佳断面形状，从而获得很好的传热效果。⑤.镶嵌式翅片管是将翅片的根部制作成一定形状，镶嵌在管壁的对应槽内。⑥.套片式翅片和串片式的翅片一般是由于冲压成型，制热后套于管壁上，采用机械膨胀管的方式连接翅片管，如图所示。翅片和金属管的材料可以任意搭配，有铜管和铝翅、钢管和钢翅等，一般这种翅片制造成本较低。但这种翅片由于管与基管之间是机械接触，所以会生成接触热阻，长期使用不仅会产生塑性变形甚至氧化，而且它的接触热阻还会增加。所以基本在套片后进行镀锌处理从而消除接触热阻。⑦.除了这些，在多工位连续车床上通过冲压，拉伸，翻边，再翻边制作成二次翻边翅片管，如图1-2（e）所示，二次翻边换热器有良好的传热效果。图1-2螺旋形齿翅片制造工艺（三）内翅管换热器工作原理内翅管将平流的物料划分为小区，形成抖动湍流。让热流侧和冷流侧的传热系数达到平衡，从而提高传热效果低的一侧和水的利用率。（四）内翅管式换热器的特殊结构内翅管式换热器的结构按轴向来分，可以分为三个片区加热段，绝热段和冷凝段；从内翅管换热器的横截面来分，大致可分为三个部分壳体，内翅管，吸液芯和蒸汽流道。内翅管换热器的壳体大多数为圆筒形容器。但也可以根据客户需要生产成其他的形状。紧贴内壁的吸液芯，其主要作用是将冷凝液从凝结段吸回到蒸发段。通过利用吸力来回流液体。第三类是复合芯，就是在槽道芯的外表面加上丝网芯。形成复合芯；第四类是干道芯，就是在热管内安装一支细管，用来回流液体，这几种芯的特点如图1-3所示。如图1-4为实物图。图1-3内翅管式换热器的结构图图1-4实物图内翅管换热器的工艺条件及零部件选取（一）内翅管换热器工艺条件卧式内翅管式换热器的工艺条件换热器有700mm的公称直径，内翅管的长度2000mm，换热交换面积15m2;壳体所装介质为蒸汽，腐蚀性较弱，工作的介质压力0.2Mpa,工作环境温度70C0，；管子的介质为冷流体，所工作压力为0.4Mpa，工作环境温度为35C0，两支换热的换热管间距36mm，数量312根，材料0Cr8Ni9；蒸汽管的尺寸为380mm×7mm，冷凝水的出口端直径为(57mm，冷却水的进出口管都是(200mm×7mm。（二）内翅管换热器的结构设计1.材料选择。参考工作环境和工作介质，在壳程选择上，我们选用0Cr18Ni9，管程的材料选用硬度，耐腐蚀都不错的Q235B，在管板上我们选用的和壳程一样的材料0Cr18Ni9。2.换热管的选型换热管的选型不仅对换热器的换热效率有着非常大的影响，而且在实际生产中，对安全生产也起着重要的作用。3.换热管的选择内翅管在排列上有三种方式如图2-1，(1)正三角形排列(2)正方形排列（3）正方形错列。图2-1换热管排列方式各种排列方式的优点正方形排列易清洗，但给热效果差；正方形错列可提高给热系数；等边三角形紧凑排列，使得换热器内部的流体流速增大，给热效率增大。内翅管与隔板之间可以通过强度焊，胀焊以及胀焊强度焊并用的焊接方式，连为一体。强度焊接的设计温度≤300。在生产过程中没有较多碰撞，且生产温度波动不大。生产中的腐蚀性较小。如果不满足上述条件，便不能用强度焊接。强度焊接几乎可以用在所有场合，除了了上述的几个场合，有较多碰撞和较大腐蚀性。压力较大，温度高于三百的生产环境。4.管板。管板常常采用兼作法兰结构，但管板的材质多数情况下需要客户自己选择，但大多数情况下选用304材质。管板上利用冲床，冲出一个个三角形排布的内翅管孔，每个孔的间距为30mm，内翅管在管板上均匀排列，间隙部分可以透渗冷/热流体，用于交换热量，实现制冷或加热，如图2-2。图2-2管板型式5.分成隔板与分程隔板槽。分成隔板厚度10mm，开设(6mm泪孔；分成隔板槽宽12mm，深度4mm；垫片的选择上常采用耐热耐腐蚀性较好的石棉橡胶片，这类垫片有很好的伸展性，有很好的的缓冲效果。6.换热管与管板的连接。内翅管与管板之间我们通常采用惰性气体的保护焊工艺，长度上L1=3mm。L2=3mm。7.支持板。内翅管换热器的壳体部分主要是用来冷凝尾气，所以不需要使用折流板，但是为了防止内翅管与壳体之间的固定。所以添加少量的支持板，材质方面选用与管板一样的材质。支持板与内翅管的间隙部分采用惰性气体保护焊。8.拉杆与拉杆孔。拉杆的选择上，采用六根直径(16mm长度200mm的304不锈钢。拉杆与拉杆孔之间采用螺纹连接。拉杆两端螺纹为M16拉杆孔深度为24mm．定距管及拉杆的选择拉杆常用的结构型式有拉杆定距管结构，见图2-3（a）。此结构适用于换热管外径d≥19mm的管束且l2>La（La按表2-5规定）拉杆与折流板点焊结构，见图2-3（b）。此结构适用于换热管外径d≤14mm的管束且l1≥d；图2-3拉杆结构型式这里我们选用拉杆定距管结构。拉杆的尺寸拉杆的长度要从实际生产中考虑，拉杆的连接尺寸，直径和数量参考下面的表2-4。图2-4 拉杆连接尺寸拉杆的位置表2-1拉杆的尺寸拉杆直径d拉杆螺纹公称直径dnLaLbb101013≥401.5121215≥502.0161620≥602.0拉杆的直径和数量参考表2-2、2-3。表2-2拉杆直径选用表换热管外径d10≤d≤1414＜d＜2525≤d≤57拉杆直径dn101216表2-3拉杆数量选用表拉杆直径dn，mm＜400≥400~＜700≥700~＜900≥900~＜1300≥1300~15＜00≥1500~＜1800≥1800~＜2000≥2000~＜2300≥2300~＜260010461012161824283212448101214182024164466810121216拉杆的位置拉杆的位置要均匀的分布在管板的边缘部分。任何折流板不应少于3个支承点。定距管尺寸定距管的尺寸，通常情况下与内翅管的尺寸相同。而长度方面，要根据实际生产中的要求尺寸。9.管箱。管箱的法兰选择上通常采用常规容器法兰，封头选用市面上统一的标准椭圆形封头（如图2-4）。管箱接管采用径向接管，管箱的前端开设冷水进料口，下部开有冷流体排放口。实现冷流体的二次利用，和尾气的收集，防止造成污染。图2-4卧式内翅管换热器的支座安装1.当L≤3000mm时，取LB=（0.4~0.6）L；2.当L>3000mm时，取LB=（0.5~0.7）3.尽量使LC和L′相近。换热器采用鞍式支座，型号为“BI 800JB(T 4712.1—2007”，固定式和滑动式10.接管。换热器接管选用无缝钢板。三、强度与稳定性计算（一）壳程圆筒厚度计算已知条件:筒体内径——壳程工作压力——工作温度——筒体长度——L=3000mm管程操作压力 -- 0.5Mpa 材料——0Cr18Ni19设计参数壳程设计压力——设计温度——管程设计压力----1.筒体厚度圆筒承受内压已知条件Di=800mm，工作压力Pw=0.3Mpa，工作温度tw=60，材料0Cr18Ni9，筒体长度L=3000mm。设计参数设计压力P=1.25Pw=0.37Mpa，设计温度t=60 ℃，筒体长度L=3000mm，腐蚀裕量C2=0，ReL=205Mpa，=137Mpa，?=0.85.壳程筒体计算厚度根据规定最小厚度2.管箱圆筒已知条件筒体内径——工作压力——工作温度——材料——Q235B设计参数设计压力——P=0.63Mpa 设计温度——腐蚀裕量——焊接接头系数——3.管箱厚度设计厚度考虑钢板厚度负偏差，可取筒体名义厚度。去管箱名义厚度为，有效厚度4.管箱封头已知条件封头内经——工作压力——工作温度—— 材料——Q235B设计参数设计压力——设计温度——腐蚀裕量——焊接接头系数——计算压力——封头计算厚度5.管箱封头厚度设计厚度（mm)考虑钢板厚度负偏差，可取筒体名义厚度。根据表5-1，管箱最小厚度应不小于为。所以取管箱名义厚度为，有效厚度满足最小厚度要求6.内翅管数据处理当量直径处理实验数据寿县确定各种实验用强化换热管的当量直径，为便于与光管进行比较。当量直径以外管内径Dt进行计算热流密度热流密度q是由空气侧实际吸热量除以换热面积得到q=其中公式中M为管内空气质量流量，Cp为空气电压比热，Tout，Tin分别为空气进，出口温度，A为强化换热管换热面积，应包含外观内表面积和内翅片展开面积，为便于与光管进行比较，此外以外观内表面积计算，由于实验是在定压的状态下进行的，压力为环境大气压，因此公式中用的是电压比热。换热面积计算换热面积为外观内表面积其中L---表示强化换热管的有效管长换热管内壁面温度与管内主流方向空气温度由于实验采用的是强化换热管传热系数较高，加之所有热电偶均分布在强化换热管管壁切开的凹槽内，凹槽深度约为管壁厚度的三分之一，因此实验中可以近似认为热电偶测量到的换热管壁温即是强化换热管内壁表面温度Tw(X),加之在恒定热流密度的状态下管内空气主流方向平均温度沿流动方向呈线性变化趋势，因此强化管内某截面空气主流温度可采用以下计算公式对流换热系数对流换热系数采用以下公式努谢尔特数其中Di表示强化换热管的内直径，λ为空气的导热系数。雷诺数其中公式中u代表强化管内截面空气平均流速，v表示管内流体的运动粘度系数。阻力系数f其中p表示强化换热管段的压降，p为空气密度。（二）水压试验应力校核1.压力试验及其强度校核在内翅管投入市场之前必须进行一定的压力试验还有气密性实验，因为在许多的化工厂，对换热器的所能承受压力都有一定的要求，如果没有进行压力实验，有可能进入现场后，因为承受不了工作压力，换热器主体部分出现凹槽或者断裂。气密性的检验也是必不可少，因为化工厂的实际生产中或多或少会产生有毒气体，而这些有毒气体是坚决不能传到外界空气中去的。在对经过焊接处理的容器进行试压或者气密性检验时。一定要等到焊接表面温度降至常温，且之前已经经过热处理的。针对组装式分段内翅管换热器，我们可以一段段的进行热处理，试压检测。压力实验的种类、要求和试验压力值应在图样上注明。在进行压力测试时，多数情况下测试的介质为液体，但是有少数情况，不能使用液体来测，这时候我们可以采用空气压力测试，也是可以达到一样的效果的。液压试验在进行液体夜里测试时，测试液多数情况下为水，少数情况下，也可使用其他液体，根据实验情况而定。在测试过程中，温度的把控也很重要，不能超过测试液体的沸点。试验温度不同材料的换热器所对应的实验温度是不同的，所以在进行试验时，我们要参考对照表，将实验温度调到该材料对应的可适温度。试验方法在进行试验时，要将换热器内注入高于实际生产过程中的压力强度，（这样操作的好处是当试验成功后，用于生产过程中，也不会因为不能承受压力，产生破损的情况出现）将换热器完全沉浸在水（其他液体）中，通过精密仪器观察是否有气泡或者漏气情况发生。如果没有，则表示该换热器承受压力合格。2.管程水压试验压力3.管程试验压时圆筒应力<试验应力满足要求。4.壳程试验时圆筒应力<实验应力满足要求。(三)开孔补强1.换热器壳程筒体开孔补强已知条件壳体材料——0Cr18Ni9, 许用应力——内径——名义厚度——厚度负偏差——腐蚀裕量——有效厚度——接管材料——0Cr18Ni9许用应力——外径——名义厚度——厚度负偏差——腐蚀裕量——有效厚度——强度削弱——开孔直径有效补强宽度外侧有效高度内侧有效高度，试算得到圆筒和接管的计算厚度分别为和。2.开孔削弱所需的补强面积（mm2)壳体多余金属面积=(726-363)(5.4-1.27)=1499.19(mm2)接管多余金属面积 =2×53.9×（7-0.57）×1.0=693.154（mm2)焊缝金属面积（mm2)有效补强面积（mm2)所以不需要另加补强面积管箱筒体开孔补强通过计算不需另加补强。(四)管板计算1.壳程圆筒设计压力——设计温度——平均金属温度——材料名称——0Cr18Ni9设计温度下的的许用应力——平均金属温度下的弹性模量——平均金属温度下的热膨胀系数——壳程圆筒内经——壳程圆筒名义厚度——壳程圆筒有效厚度——壳体法兰在设计温度下的弹性模量壳程圆筒内直径横截面积壳程圆筒金属横截面积2.管箱圆筒设计压力——设计温度——材料——Q235B设计温度下弹性模量管箱圆筒有效厚度管箱法兰设计温度下弹性模量3.换热管材料名称——0Cr18Ni9 管子平均温度——设计温度下管子材料许用应力设计温度下管子材料屈服应力设计温度下管子材料弹性模量平均金属温度下管子材料弹性模量平均金属温度下管子材料热膨胀系数管子外径——管子壁厚——管子根数——n=312 换热管中心距——S=36mm一根管子金属横截面积换热管长度——4.管板材料名称——0Cr18Ni9 设计温度——设计温度下许用应力设计温度下弹性模量管板腐蚀裕量——管板对管束的支撑作用。根据表3-1，管板的厚度取设计厚度t=50mm计算厚度δ=44.1mm表3-1管板厚度表序号公称压力PN（Mpa）壳体内径X壁厚D1XSmm换热管数目n△t=±50℃计算值管板厚度t设计值△t=±10℃计算值设计值11.0400X89633.840.025.632.021.0450X813734.940.026.532.031.0500X817235.140.027.432.041.0600X824735.742.029.134.051.0700X835536.442.030.636.061.0800X1046944.150.035.440.0总结1.中心被堵强化换热管的表面传热系数大于光管传热系数，阻力系数较光管增加更多。2.翅片数的考量波纹内翅片换热管换热特性的一项重要因素，雷诺系数较大时翅片数的影响比较明显，雷诺数与翅片数成正相关，随着雷诺数的增加，换热系数越高。致谢转眼三年过去了，在这三年里，我学到了高中学不到的东西，那就是如何和人相处，还有实际生产中的操作经验。三年里，感谢同学的包容，关心。感谢老师的理论指导。感谢实习中师傅的手把手教学。正是因为你们，让我在大学的这三年，过的非充实。很有意义。高中时期常常只会死读书，而上了大学，才发现，如何做人比读书更重要，实习中，才发现理论如果不结合实践，那就是白搭，只是纸上谈兵。未来的目标，希望在这个行业做到精益求精，一步一步的往上爬，可以学到更多东西。成为对这个社会有用的人。很幸运，在这最后一次的作业中得到了李老师的指导和帮助，也感谢那些陪我走过大学三年的同学和朋友。能够在这三年包容我的过错，纠正我的错误，在我忧愁困惑时，帮我走出困境。我相信，不管走到哪，我都会记住你们的。虽然毕业代表着分离，但是心还连在一起，那就算在天涯海角也可以互相牵挂着。参考文献[1]刁玉玮，王立业.《化工设备机械基础》（第四版）[M]，大连理工大学出版社[M][2]贾绍义，柴诚敬.《化工原理课程设计（化工传递与单元操作课程设计）》[M]，天津大学出版社[3]宇波，王秋旺，陶文铨.波纹内翅片管换热阻力特性的实验研究[J].工程热物理学报，2000，5[4]娄爱娟，吴志泉，吴叙美.《化工设计》[M]，华东理工大学出版社[5]《中华人民共和国行业标准·固定管板式换热器型式与参数JB/T4715-92》[6]钱颂文，《换热器手册》[M]，化学工业出版社，北京，工业装备与信息工程出版中心[7]《中华人民共和国国家标准·GB150-1998钢制压力容器》[M][8]《中华人民共和国国家标准·管壳式换热器GB151-1999》[M][9]《容器、换热器专业设备数据表的格式与编制说明HG/T20701.7-2000》[M][10]《中华人民共和国行业标准·椭圆形封头JB/T4737-95》[M][11]《中华人民共和国行业标准·补强圈JB/T4746-2002·钢制压力容器封头JB/T4736-2002》[M][12]《HGJ528-1990钢制有缝对焊管件》[M][13]《GB/T16938-1997紧固件、螺栓、螺钉、螺柱和螺母通用技术条件》[M]
目 录
器的分类及特点 3二、 内翅管换热器的工艺条件及零部件选取 6（一）内翅管换热器工艺条件 6（二）内翅管换热器的结构设计 61.材料选择 62.换热管的选型 63.换热管的选择 64.管板 75.分成隔板与分程隔板槽 76.换热管与管板的连接 77.支持板 78.拉杆与拉杆孔 79.管箱 9三、强度与稳定性计算 10（一）壳程圆筒厚度计算 101.筒体厚度 102.管箱圆筒 103.管箱厚度 114.管箱封头 115.管箱封头厚度 116.内翅管数据处理 12（二）水压试验应力校核 131.压力试验及其强度校核 132.管程水压试验压力 143.管程试验压时圆筒应力 144.壳程试验时圆筒应力 14(三)开孔补强 141.换热器壳程筒体开孔补强 142.开孔削弱所需的补强面积 15(四)管板计算 151.壳程圆筒 152.管箱圆筒 163.换热管 164.管板 17总结 18致谢 19参考文献 20引 言随着科技的不断发展，现如今节能减排，拒绝环境污染成为了工业生产的检验标准。因此不管是政府还是企业，加强使用能源管理，采用技术上可行，经济上合理以及环境可以承受等一系列措施。因此在从能源的开采使用及到半成品，成品的加工过程中，做到减少污染物的排放，禁止浪费并有效合理的利用资源。因此换热器的推广也是必然的。通过对比换热器领域其他产品，如夹套式换热器、沉浸式换热器、套管式换热器、板式换热器、混合式换热器。这几类套管的优缺点。设计，制造出适合现如今生产需求和经济效益的换热器。在设计过程中，要对内翅管的选材，内翅管的选型，管板的排列，分成隔板与分程隔板槽的布局进行合理规划，对换热器内部的零件尺寸进行计算。最终检验，成品。一、换热器概述（一）换热器的应用换热器（英文翻译heat exchanger cold），是将不同壳室的具有温度差的两种流体，进行温度调节，使温度高的一侧的热量向温度低的一侧转移。换热器主要应用于航空科技；航天安全、保障系统与航天医学。还应用于化工行业，在石油，医药领域也有涉及，是现如今工业自动化生产中不可或缺的一部分。在工业生产中换热器在用途上可分为制热器、冷凝器、蒸发器和再沸器，应用较为广泛。现如今市场中换热器主要分有间壁式换热器、混合式换热器和蓄热式换热器。而其中应用最多的是间壁式换热器。（二）换热器的主要分类1.换热器的分类及特点（1）.夹套式换热器:该换热器是在容器的外壁上安装夹套，在夹套中注入冷媒或或热媒，从而实现换热。但由于受到容器壁面的约束，降低了传热系数。因此想要提高传热效率，我们可以在容器内安装搅拌装置，使得物料传热均匀。也可在容器内安装蛇形管，以弥补传热面的不足。（2）.沉浸式蛇管换热器:蛇管只是对换热管形象的称呼。事实上是通过将金属管像蛇形一样的盘绕在容器内部，增加金属管的受热面积，增大传热效率。这类换热管，优点是制造过程不复杂，且换热管可以使用耐腐蚀材料，提高耐蚀性，缺点便是这类管子内的流体流速较慢，传热效率较低。我们也可在容器内部安装搅拌装置，以提高传热速率。（3）套管式换热器:这类换热器是通过u形弯头固定将直径不同的直管加工成同心管。在这种换热器中，一种流体在管内流动，另一种流体在环隙中流动，两者都可得到较高的流动速度，因此传热系数较大。另外，套管换热器中，两种流体可为纯逆流。特别是因为套管换热器同时具有传热系数大，传热推动力大和能承受高压强的优点，所以在超高压生产过程中所用的换热器几乎都是套管式换热器。（4）.板式换热器是间壁式换热器的一种特殊形式，虽然出现在化工领域的年限久远，但是在目前的换热器行业，依然有它的一席之地。其主体部分是由换热板片与板间胶组成。通过在壳体内安装一定数量的横向折流板，提高了换热效率，而且折流板还有几个优点那就是不仅可以防止流体短路，还可以加快流体的流动速度，迫使流体按照规定的路线反复交错的通过管束，使得湍动程度增加。（5）.混合式换热器:这类换热器是通过冷媒、热媒直接接触进行换热的，这种换热方式相比于传统的隔开换热，回避了间壁和两侧形成的污垢热阻，大大提高了传热系数，因此只要两种媒体之间接触良好，就能有很高的传热效率。故凡是支持冷热媒相互混合的场所，都可以采用混合式换热器。2.翅管式换热器的分类及特点（1）.从结构型式上在结构上翅管可分为纵向如图1-1（a）和径向如图1-1（b）两种，其余型号大都是这两类翅管的改进或变形，例如螺旋形齿翅片管接近纵向，如图所示1-1（c）。翅片的形状有圆形和矩形。此外，翅片可放在管外，称为外翅管;也可安装在管内，称为内翅管。图1-1螺旋形齿翅片（2）.从制造工艺上可以分为整体式翅片管，焊接式翅片管，高频式翅片管和机械连接式翅片管。①.整体式套管，这类套管是通过机械加工和冲床轧制将翅片与金属管连为一体，如图1-2（d）。这类翅片管不仅没有接触热阻，而且耐热震，强度高，在传热方面性能也不错。但不足在于，制造成本较高。②.焊接翅片管是使用钎焊或者惰性气体保护焊等加工工艺制造。现代焊接技术可以使不同材质的翅片连在一起，并且将翅片管制作的简单，经济，具有良好的传热性及机械性能。由于在焊接过程中易形成残渣，这种残渣不易于导热，有可能还会引起断裂，所以在加工这类翅片管时必须保证焊接技艺精湛。③.高频焊翅片管是通过高频发射器发射高频电源，使得翅片和金属管之间温度迅速升高，互熔，从而使得它两之间连为一体。这类翅片管无需焊剂，也无需焊料，制造简易，生产率比较高。传热及机械性能优良。④.机械连接翅片管，这类翅片管有镶嵌式，套片式和串片式这三种类型。绕片式翅片制作简易，只要把金属常用机械以焊接方式固定于金属管的一端。通过金属管转动力矩将金属带盘绕在管外壁。这类绕片的材料可以为铜带，钢带或者铝带。图1-2（a）所示是钢带或者铜带缠绕的褶皱式绕片管。褶皱的存在增大了翅片与金属管之间的接触面积，因此提高了传热系数。然而皱褶的存在增加了空气阻力，而且生产过程中容易积灰导致不便清理。为了将翅片与金属管处的间隙消除，可通过在在缝隙处镀锌，镀锡，这种做法还能防止金属生锈。图1-2（b）所示是不带褶皱的绕片管，是由延展性好的铝带盘绕而成。这种管子有一个特点那就是绕制时翅片从直带变成了圆环型，它的尖部因为受拉而变薄，而根部由于受到压力而导致变厚成梯形断面，接近传热学最佳断面形状，从而获得很好的传热效果。⑤.镶嵌式翅片管是将翅片的根部制作成一定形状，镶嵌在管壁的对应槽内。⑥.套片式翅片和串片式的翅片一般是由于冲压成型，制热后套于管壁上，采用机械膨胀管的方式连接翅片管，如图所示。翅片和金属管的材料可以任意搭配，有铜管和铝翅、钢管和钢翅等，一般这种翅片制造成本较低。但这种翅片由于管与基管之间是机械接触，所以会生成接触热阻，长期使用不仅会产生塑性变形甚至氧化，而且它的接触热阻还会增加。所以基本在套片后进行镀锌处理从而消除接触热阻。⑦.除了这些，在多工位连续车床上通过冲压，拉伸，翻边，再翻边制作成二次翻边翅片管，如图1-2（e）所示，二次翻边换热器有良好的传热效果。图1-2螺旋形齿翅片制造工艺（三）内翅管换热器工作原理内翅管将平流的物料划分为小区，形成抖动湍流。让热流侧和冷流侧的传热系数达到平衡，从而提高传热效果低的一侧和水的利用率。（四）内翅管式换热器的特殊结构内翅管式换热器的结构按轴向来分，可以分为三个片区加热段，绝热段和冷凝段；从内翅管换热器的横截面来分，大致可分为三个部分壳体，内翅管，吸液芯和蒸汽流道。内翅管换热器的壳体大多数为圆筒形容器。但也可以根据客户需要生产成其他的形状。紧贴内壁的吸液芯，其主要作用是将冷凝液从凝结段吸回到蒸发段。通过利用吸力来回流液体。第三类是复合芯，就是在槽道芯的外表面加上丝网芯。形成复合芯；第四类是干道芯，就是在热管内安装一支细管，用来回流液体，这几种芯的特点如图1-3所示。如图1-4为实物图。图1-3内翅管式换热器的结构图图1-4实物图内翅管换热器的工艺条件及零部件选取（一）内翅管换热器工艺条件卧式内翅管式换热器的工艺条件换热器有700mm的公称直径，内翅管的长度2000mm，换热交换面积15m2;壳体所装介质为蒸汽，腐蚀性较弱，工作的介质压力0.2Mpa,工作环境温度70C0，；管子的介质为冷流体，所工作压力为0.4Mpa，工作环境温度为35C0，两支换热的换热管间距36mm，数量312根，材料0Cr8Ni9；蒸汽管的尺寸为380mm×7mm，冷凝水的出口端直径为(57mm，冷却水的进出口管都是(200mm×7mm。（二）内翅管换热器的结构设计1.材料选择。参考工作环境和工作介质，在壳程选择上，我们选用0Cr18Ni9，管程的材料选用硬度，耐腐蚀都不错的Q235B，在管板上我们选用的和壳程一样的材料0Cr18Ni9。2.换热管的选型换热管的选型不仅对换热器的换热效率有着非常大的影响，而且在实际生产中，对安全生产也起着重要的作用。3.换热管的选择内翅管在排列上有三种方式如图2-1，(1)正三角形排列(2)正方形排列（3）正方形错列。图2-1换热管排列方式各种排列方式的优点正方形排列易清洗，但给热效果差；正方形错列可提高给热系数；等边三角形紧凑排列，使得换热器内部的流体流速增大，给热效率增大。内翅管与隔板之间可以通过强度焊，胀焊以及胀焊强度焊并用的焊接方式，连为一体。强度焊接的设计温度≤300。在生产过程中没有较多碰撞，且生产温度波动不大。生产中的腐蚀性较小。如果不满足上述条件，便不能用强度焊接。强度焊接几乎可以用在所有场合，除了了上述的几个场合，有较多碰撞和较大腐蚀性。压力较大，温度高于三百的生产环境。4.管板。管板常常采用兼作法兰结构，但管板的材质多数情况下需要客户自己选择，但大多数情况下选用304材质。管板上利用冲床，冲出一个个三角形排布的内翅管孔，每个孔的间距为30mm，内翅管在管板上均匀排列，间隙部分可以透渗冷/热流体，用于交换热量，实现制冷或加热，如图2-2。图2-2管板型式5.分成隔板与分程隔板槽。分成隔板厚度10mm，开设(6mm泪孔；分成隔板槽宽12mm，深度4mm；垫片的选择上常采用耐热耐腐蚀性较好的石棉橡胶片，这类垫片有很好的伸展性，有很好的的缓冲效果。6.换热管与管板的连接。内翅管与管板之间我们通常采用惰性气体的保护焊工艺，长度上L1=3mm。L2=3mm。7.支持板。内翅管换热器的壳体部分主要是用来冷凝尾气，所以不需要使用折流板，但是为了防止内翅管与壳体之间的固定。所以添加少量的支持板，材质方面选用与管板一样的材质。支持板与内翅管的间隙部分采用惰性气体保护焊。8.拉杆与拉杆孔。拉杆的选择上，采用六根直径(16mm长度200mm的304不锈钢。拉杆与拉杆孔之间采用螺纹连接。拉杆两端螺纹为M16拉杆孔深度为24mm．定距管及拉杆的选择拉杆常用的结构型式有拉杆定距管结构，见图2-3（a）。此结构适用于换热管外径d≥19mm的管束且l2>La（La按表2-5规定）拉杆与折流板点焊结构，见图2-3（b）。此结构适用于换热管外径d≤14mm的管束且l1≥d；图2-3拉杆结构型式这里我们选用拉杆定距管结构。拉杆的尺寸拉杆的长度要从实际生产中考虑，拉杆的连接尺寸，直径和数量参考下面的表2-4。图2-4 拉杆连接尺寸拉杆的位置表2-1拉杆的尺寸拉杆直径d拉杆螺纹公称直径dnLaLbb101013≥401.5121215≥502.0161620≥602.0拉杆的直径和数量参考表2-2、2-3。表2-2拉杆直径选用表换热管外径d10≤d≤1414＜d＜2525≤d≤57拉杆直径dn101216表2-3拉杆数量选用表拉杆直径dn，mm＜400≥400~＜700≥700~＜900≥900~＜1300≥1300~15＜00≥1500~＜1800≥1800~＜2000≥2000~＜2300≥2300~＜260010461012161824283212448101214182024164466810121216拉杆的位置拉杆的位置要均匀的分布在管板的边缘部分。任何折流板不应少于3个支承点。定距管尺寸定距管的尺寸，通常情况下与内翅管的尺寸相同。而长度方面，要根据实际生产中的要求尺寸。9.管箱。管箱的法兰选择上通常采用常规容器法兰，封头选用市面上统一的标准椭圆形封头（如图2-4）。管箱接管采用径向接管，管箱的前端开设冷水进料口，下部开有冷流体排放口。实现冷流体的二次利用，和尾气的收集，防止造成污染。图2-4卧式内翅管换热器的支座安装1.当L≤3000mm时，取LB=（0.4~0.6）L；2.当L>3000mm时，取LB=（0.5~0.7）3.尽量使LC和L′相近。换热器采用鞍式支座，型号为“BI 800JB(T 4712.1—2007”，固定式和滑动式10.接管。换热器接管选用无缝钢板。三、强度与稳定性计算（一）壳程圆筒厚度计算已知条件:筒体内径——壳程工作压力——工作温度——筒体长度——L=3000mm管程操作压力 -- 0.5Mpa 材料——0Cr18Ni19设计参数壳程设计压力——设计温度——管程设计压力----1.筒体厚度圆筒承受内压已知条件Di=800mm，工作压力Pw=0.3Mpa，工作温度tw=60，材料0Cr18Ni9，筒体长度L=3000mm。设计参数设计压力P=1.25Pw=0.37Mpa，设计温度t=60 ℃，筒体长度L=3000mm，腐蚀裕量C2=0，ReL=205Mpa，=137Mpa，?=0.85.壳程筒体计算厚度根据规定最小厚度2.管箱圆筒已知条件筒体内径——工作压力——工作温度——材料——Q235B设计参数设计压力——P=0.63Mpa 设计温度——腐蚀裕量——焊接接头系数——3.管箱厚度设计厚度考虑钢板厚度负偏差，可取筒体名义厚度。去管箱名义厚度为，有效厚度4.管箱封头已知条件封头内经——工作压力——工作温度—— 材料——Q235B设计参数设计压力——设计温度——腐蚀裕量——焊接接头系数——计算压力——封头计算厚度5.管箱封头厚度设计厚度（mm)考虑钢板厚度负偏差，可取筒体名义厚度。根据表5-1，管箱最小厚度应不小于为。所以取管箱名义厚度为，有效厚度满足最小厚度要求6.内翅管数据处理当量直径处理实验数据寿县确定各种实验用强化换热管的当量直径，为便于与光管进行比较。当量直径以外管内径Dt进行计算热流密度热流密度q是由空气侧实际吸热量除以换热面积得到q=其中公式中M为管内空气质量流量，Cp为空气电压比热，Tout，Tin分别为空气进，出口温度，A为强化换热管换热面积，应包含外观内表面积和内翅片展开面积，为便于与光管进行比较，此外以外观内表面积计算，由于实验是在定压的状态下进行的，压力为环境大气压，因此公式中用的是电压比热。换热面积计算换热面积为外观内表面积其中L---表示强化换热管的有效管长换热管内壁面温度与管内主流方向空气温度由于实验采用的是强化换热管传热系数较高，加之所有热电偶均分布在强化换热管管壁切开的凹槽内，凹槽深度约为管壁厚度的三分之一，因此实验中可以近似认为热电偶测量到的换热管壁温即是强化换热管内壁表面温度Tw(X),加之在恒定热流密度的状态下管内空气主流方向平均温度沿流动方向呈线性变化趋势，因此强化管内某截面空气主流温度可采用以下计算公式对流换热系数对流换热系数采用以下公式努谢尔特数其中Di表示强化换热管的内直径，λ为空气的导热系数。雷诺数其中公式中u代表强化管内截面空气平均流速，v表示管内流体的运动粘度系数。阻力系数f其中p表示强化换热管段的压降，p为空气密度。（二）水压试验应力校核1.压力试验及其强度校核在内翅管投入市场之前必须进行一定的压力试验还有气密性实验，因为在许多的化工厂，对换热器的所能承受压力都有一定的要求，如果没有进行压力实验，有可能进入现场后，因为承受不了工作压力，换热器主体部分出现凹槽或者断裂。气密性的检验也是必不可少，因为化工厂的实际生产中或多或少会产生有毒气体，而这些有毒气体是坚决不能传到外界空气中去的。在对经过焊接处理的容器进行试压或者气密性检验时。一定要等到焊接表面温度降至常温，且之前已经经过热处理的。针对组装式分段内翅管换热器，我们可以一段段的进行热处理，试压检测。压力实验的种类、要求和试验压力值应在图样上注明。在进行压力测试时，多数情况下测试的介质为液体，但是有少数情况，不能使用液体来测，这时候我们可以采用空气压力测试，也是可以达到一样的效果的。液压试验在进行液体夜里测试时，测试液多数情况下为水，少数情况下，也可使用其他液体，根据实验情况而定。在测试过程中，温度的把控也很重要，不能超过测试液体的沸点。试验温度不同材料的换热器所对应的实验温度是不同的，所以在进行试验时，我们要参考对照表，将实验温度调到该材料对应的可适温度。试验方法在进行试验时，要将换热器内注入高于实际生产过程中的压力强度，（这样操作的好处是当试验成功后，用于生产过程中，也不会因为不能承受压力，产生破损的情况出现）将换热器完全沉浸在水（其他液体）中，通过精密仪器观察是否有气泡或者漏气情况发生。如果没有，则表示该换热器承受压力合格。2.管程水压试验压力3.管程试验压时圆筒应力<试验应力满足要求。4.壳程试验时圆筒应力<实验应力满足要求。(三)开孔补强1.换热器壳程筒体开孔补强已知条件壳体材料——0Cr18Ni9, 许用应力——内径——名义厚度——厚度负偏差——腐蚀裕量——有效厚度——接管材料——0Cr18Ni9许用应力——外径——名义厚度——厚度负偏差——腐蚀裕量——有效厚度——强度削弱——开孔直径有效补强宽度外侧有效高度内侧有效高度，试算得到圆筒和接管的计算厚度分别为和。2.开孔削弱所需的补强面积（mm2)壳体多余金属面积=(726-363)(5.4-1.27)=1499.19(mm2)接管多余金属面积 =2×53.9×（7-0.57）×1.0=693.154（mm2)焊缝金属面积（mm2)有效补强面积（mm2)所以不需要另加补强面积管箱筒体开孔补强通过计算不需另加补强。(四)管板计算1.壳程圆筒设计压力——设计温度——平均金属温度——材料名称——0Cr18Ni9设计温度下的的许用应力——平均金属温度下的弹性模量——平均金属温度下的热膨胀系数——壳程圆筒内经——壳程圆筒名义厚度——壳程圆筒有效厚度——壳体法兰在设计温度下的弹性模量壳程圆筒内直径横截面积壳程圆筒金属横截面积2.管箱圆筒设计压力——设计温度——材料——Q235B设计温度下弹性模量管箱圆筒有效厚度管箱法兰设计温度下弹性模量3.换热管材料名称——0Cr18Ni9 管子平均温度——设计温度下管子材料许用应力设计温度下管子材料屈服应力设计温度下管子材料弹性模量平均金属温度下管子材料弹性模量平均金属温度下管子材料热膨胀系数管子外径——管子壁厚——管子根数——n=312 换热管中心距——S=36mm一根管子金属横截面积换热管长度——4.管板材料名称——0Cr18Ni9 设计温度——设计温度下许用应力设计温度下弹性模量管板腐蚀裕量——管板对管束的支撑作用。根据表3-1，管板的厚度取设计厚度t=50mm计算厚度δ=44.1mm表3-1管板厚度表序号公称压力PN（Mpa）壳体内径X壁厚D1XSmm换热管数目n△t=±50℃计算值管板厚度t设计值△t=±10℃计算值设计值11.0400X89633.840.025.632.021.0450X813734.940.026.532.031.0500X817235.140.027.432.041.0600X824735.742.029.134.051.0700X835536.442.030.636.061.0800X1046944.150.035.440.0总结1.中心被堵强化换热管的表面传热系数大于光管传热系数，阻力系数较光管增加更多。2.翅片数的考量波纹内翅片换热管换热特性的一项重要因素，雷诺系数较大时翅片数的影响比较明显，雷诺数与翅片数成正相关，随着雷诺数的增加，换热系数越高。致谢转眼三年过去了，在这三年里，我学到了高中学不到的东西，那就是如何和人相处，还有实际生产中的操作经验。三年里，感谢同学的包容，关心。感谢老师的理论指导。感谢实习中师傅的手把手教学。正是因为你们，让我在大学的这三年，过的非充实。很有意义。高中时期常常只会死读书，而上了大学，才发现，如何做人比读书更重要，实习中，才发现理论如果不结合实践，那就是白搭，只是纸上谈兵。未来的目标，希望在这个行业做到精益求精，一步一步的往上爬，可以学到更多东西。成为对这个社会有用的人。很幸运，在这最后一次的作业中得到了李老师的指导和帮助，也感谢那些陪我走过大学三年的同学和朋友。能够在这三年包容我的过错，纠正我的错误，在我忧愁困惑时，帮我走出困境。我相信，不管走到哪，我都会记住你们的。虽然毕业代表着分离，但是心还连在一起，那就算在天涯海角也可以互相牵挂着。参考文献[1]刁玉玮，王立业.《化工设备机械基础》（第四版）[M]，大连理工大学出版社[M][2]贾绍义，柴诚敬.《化工原理课程设计（化工传递与单元操作课程设计）》[M]，天津大学出版社[3]宇波，王秋旺，陶文铨.波纹内翅片管换热阻力特性的实验研究[J].工程热物理学报，2000，5[4]娄爱娟，吴志泉，吴叙美.《化工设计》[M]，华东理工大学出版社[5]《中华人民共和国行业标准·固定管板式换热器型式与参数JB/T4715-92》[6]钱颂文，《换热器手册》[M]，化学工业出版社，北京，工业装备与信息工程出版中心[7]《中华人民共和国国家标准·GB150-1998钢制压力容器》[M][8]《中华人民共和国国家标准·管壳式换热器GB151-1999》[M][9]《容器、换热器专业设备数据表的格式与编制说明HG/T20701.7-2000》[M][10]《中华人民共和国行业标准·椭圆形封头JB/T4737-95》[M][11]《中华人民共和国行业标准·补强圈JB/T4746-2002·钢制压力容器封头JB/T4736-2002》[M][12]《HGJ528-1990钢制有缝对焊管件》[M][13]《GB/T16938-1997紧固件、螺栓、螺钉、螺柱和螺母通用技术条件》[M]
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