[工学]四管程浮头换热器毕业设计

[工学]四管程浮头换热器 题目:四管程浮头式换热器 学 院: 助学单位: 专 业: 过程装备与控制工程 办学形式: 姓 名: 指导教师: 年 月 XXXX大学XXXX学院论文 四管程浮头换热器 摘要 本设计说明书是关于浮头式换热器的设计，主要是进行了换热器的工艺计算、换热器 结构和强度设计。 换热器是化工、炼油、动力、食品、轻工、原子能、制药、机械及其它许多工业部门广泛使用的一种通用设备。在目前大型化工及石油化工装置中，采用各种换热的组合，就能充分合理地利用各种等级的能量，使产品的单位能耗降低，从而降低产品的成本已获得好的经济效益。因而，在大型化工及石油化工生产过程中，换热器得到越来越广泛的应用。在化工厂中，换热器所占比例也有了明显提高，成为最重要的单元设备之一。近二三十年来，化工、石油、轻工等过程工业得到了迅猛发展。因此，要求提供尺寸小，重量轻、换热能力大的换热设备。在设计过程中，我尽量采用较新的国家，做到既满足设计要求，又使结构优化，降低成本，以提高经济效益为主，力争使产品符合生产实际需要，适合市场激烈的竞争。同时为了使本次设计能够进行顺利，我在设计前参阅了许多有关书籍和英文文献，并做了一定量的外文翻译工作。 设计的前半部分主要是对换热器的原理、结构进行的详细的描述，从而进行换热器的选型，结构设计。设计的后半部分则是关于结构和强度的设计，主要是根据已经选定的换热器型式进行设备内各零部件的设计，如管板、折流板、定距管、钩圈、管箱等。 关键词:管壳式换热器 、浮头式换热器 、管板 浮头盖 、浮头法兰。 I XXXX大学XXXX学院论文 Floating Head Heat Exchanger Design Abstract This design manual is about the floating head heat exchanger design, mainly for the heat exchanger process calculation, heat exchanger design of the structure and strength. Heat exchanger is the chemical, oil refining, power, food, light industry, atomic energy, pharmaceutical, machinery, and other widely used in many industrial sectors as a general-purpose device. The past 23 years, chemical, petroleum, light industry and other process industries have been developing rapidly. In the design process, I try to use a relatively new national standard, so not only meet the design requirements, but also to structural optimization, cost reduction, mainly to improve economic efficiency, and strive to make the products meet the actual needs of production for the market competition. Meanwhile, in order to make this design smoothly carried out, I read a lot before in the design of the books and English literature, and to do a certain amount of foreign language translation work The first part of the design is mainly the principle of heat exchanger, a detailed description of the structure, which for heat exchanger selection, structure design. The latter part is about the design of the structure and strength of the special heat exchanger, which is mainly to design the parts, such as tube-sheet, baffle plate, distance control, floating cover, tube boxes and so on , based on the heat exchanger types selected. The paper include: design and calculation, material selection, determining the specific dimensions , determining the exact location, pipe thickness calculation, the floating head cover and floating head flange thickness calculation, the opening reinforcement calculation. Finally I draw an assembly map, three parts diagram. Key words: Floating Head Heat Exchanger; Design; Check; II XXXX大学XXXX学院论文 目录 1说明部分 ............................................................ 1 1.1换热器的概述 .................................................... 1 1.2 换热器的发展历史 ................................................ 1 1.3 换热器的分类 .................................................... 2 1.3.1 直接接触式换热器 ............................................ 2 1.3.2 蓄热式换热器 ................................................ 2 1.3.3 间壁式换热器 ................................................ 3 1.3.4 中间载热体式换热器 .......................................... 3 1.4 浮头式(或固定管板式或U形管式)换热器的介绍 .................... 4 1.5 换热器的设计要求 ................................................ 6 1.6 设备制造工艺过程 ................................................ 7 1.7 换热器的选型 .................................................... 8 1.7.1板型选择 .................................................... 8 1.7.2和流道的选择 ............................................ 8 1.7.3压降校核 .................................................... 9 1.8 管程结构部件 .................................................... 9 1.9 壳程结构部件 ................................................... 12 2 计算部分 .......................................................... 17 2.1浮头式换热器筒体的计算 ......................................... 17 2.1.1 计算条件 ................................................... 17 2.1.2 前端管箱筒体壁厚计算 ...................................... 17 2.1.3 后端管箱筒体壁厚计算 ...................................... 18 2.1.4壳程筒体壁厚计算 ........................................... 19 2.2 前后端封头的计算 .............................................. 20 2.2.1计算条件 ................................................... 20 2.2.2 前端封头的厚度计算 ........................................ 20 2.2.3 后端封头的厚度计算 ......................................... 21 2.3管板的计算 ..................................................... 21 1 XXXX大学XXXX学院论文 2.3.1 符号说明 ................................................... 21 2.3.2 垫片的选择和计算 ........................................... 22 2.3.3管板结构参数及系数的确定 ................................... 22 2.3.4 换热器的应力校核 ........................................... 24 2.3.5换热管与管板连接的拉脱力校核 ............................... 25 螺栓的选择及强度校核 ........................................... 25 2.4 2.4.1螺栓的选择 ................................................. 25 2.4.2螺栓的强度校核 ............................................. 26 2.5 法兰的选择 ..................................................... 26 2.5.1 法兰的力矩计算 ............................................. 27 2.5.2法兰的应力校核 ............................................. 27 2.6 浮头部分的计算 ................................................. 28 2.6.1 球冠形封头计算 ............................................. 28 2.7 开孔补强计算 ................................................... 29 2.7.1符号说明 ................................................... 29 2.7.2补强的判断 ............................................. 30 谢辞 ................................................................ 33 参考文献 ............................................................ 34 2 XXXX大学XXXX学院论文 1说明部分 1.1换热器的概述 换热器是将热流体的部分热量传递给冷流体，使流体温度达到工艺流程规定的指标的热量交换设备，又称热交换器 1.2 换热器的发展历史 二十世纪20年代出现板式换热器，并应用于食品工业。以板代管制成的换热器，结构紧凑，传热效果好，因此陆续发展为多种形式。 30年代初，瑞典首次制成螺旋板换热器。接着英国用钎焊法制造出一种由铜及其合金材料制成的板翅式换热器，用于飞机发动机的散热。30年代末，瑞典又制造出第一台板壳式换热器，用于纸浆工厂。在此期间，为了解决强腐蚀性介质的换热问题，人们对新型材料制成的换热器开始注意。 60年代左右，由于空间技术和尖端科学的迅速发展，迫切需要各种高效能紧凑型的换热器，再加上冲压、钎焊和密封等技术的发展，换热器制造工艺得到进一步完善，从而推动了紧凑型板面式换热器的蓬勃发展和广泛应用。 此外，自60年代开始，为了适应高温和高压条件下的换热和节能的需要，典型的管壳式换热器也得到了进一步的发展。 近二三十年来，化工、石油、轻工等过程工业得到了迅猛发展。能源紧缺已成为世界性重大问题之一，各工业部分都在大力发展大容量、高性能设备，以减少设备的投资和运转费用。因此，要求提供尺寸小，重量轻、换热能力大的换热设备。特别是20世纪70年代的世界能源危机，加速了当代先进换热技术和节能技术的发展。世界各国十分重视传热强化和热能回收利用的研究和开发工作，开发适用于不同工业过程要求的高效能换热设备来提高工业生产经济效益，并取得了丰硕成果。到目前为止，已研究和开发出多种新的强化传热技术和高效传热元件。为了强化传 1 XXXX大学XXXX学院论文 在研究和发展热管的基础上又创制出热管式换热器。 1.3 换热器的分类 在工业生产中，由于用途、工作条件和物料特性的不同，出现了各种不同形式和结构的换热设备。 按作用原理或传热方式分类: 按换热设备热传递原理或传热方式进行分类，可分为以下几种主要形式。 1.3.1 直接接触式换热器 这类换热器又称混合式换热器，它是通过冷、热流体的直接接触、混合进行热量交换的换热器。如冷却塔、冷却冷凝器等。为增加两流体的接触面积，以达到充分换热，在设备中常放置填料和栅板，通常采用塔状结构。直接接触式换热器具有传热效率高、单位容积提供的传热面积大、设备结构简单、价格便宜等优点，但仅适用于工艺上允许两种流体混合的场所。由于两流体混合换热后必须及时分离，这类换热器适合于气、液两流体之间的换热。例如，化工厂和发电厂所用的凉水塔中，热水由上往下喷淋，而冷空气自下而上吸入，在填充物的水膜表面或飞沫及水滴表面，热水和冷空气相互接触进行换热，热水被冷却，冷空气被加热，然后依靠两流体本身的密度差得以及时分离。 1.3.2 蓄热式换热器 2 XXXX大学XXXX学院论文 这类换热器又称回热式换热器。它是借助于由固体(如固体调料或多孔性格子砖等)构成的蓄热体与热流体和冷流体交替接触，把热量从热流体传递给冷流体的换热器。在换热器内首先由热流体通过，把热量积蓄在蓄热体中，然后由冷流体通过，由蓄热体把热量释放给冷流体。由于两种流体交替与蓄热体接触，因此不可避免地会使两种流体少量混合。若两种流体不允许混合，则不能采用蓄热式换热器。蓄热式换热器结构紧凑、价格便宜、单体体积传热面积大，故较适合用于气-气热交换的场合。如炼焦炉下方预热空气的蓄热室。这类换热器主要用于回收和利用高温废气的热量。以回收冷量为目的的同类设备称蓄冷器，多用于空气分离装置中。 1.3.3 间壁式换热器 这种换热器又称表面式换热器。它是利用间壁(固体壁面)将进行热交换的冷、热两种流体隔开，互不接触，热量由热流体通过间壁传递给冷流体的换热器。间壁式换热器是工业生产中应用最为广泛的换热器，其形式多种多样。 1.3.4 中间载热体式换热器 这类换热器是把两个间壁式换热器由在其中循环的载热体连接起来的换热器。载热体在高温流体换热器和低温流体换热器之间循环，在高温流体换热器中吸收热量，在低温流体换热器中把热量释放给低温流体，如热管式换热器。 1 间壁式换热器分类: 间壁式换热器根据传热面的结构不同可分为管式、板面式和其他型式。 (1)管式换热器 这类换热器都是通过管子壁面进行传热的换热器。按传热管的结构形式不同大致可以分为蛇管式换热器、套管式换热器、管壳式换热器和缠绕管式换热器等。 (2)板面式换热器 此类换热器都是以板面作为传热面，按传热板面的结构形式可分分为以下五 3 XXXX大学XXXX学院论文 种:螺旋板式换热器、板式换热器、板翅式换热器、板壳式换热器和伞板换热器。 板面式换热器的传热性能要比管式换热器优越，由于其结构上的特点，使流体能在较低的速度下就达到湍流状态，从而强化了传热。板面式换热器采用板材制造，在大规模组织成产时，可降低设备成本，但其耐压性能比管式换热器差。 (3)其他型式换热器 这类换热器是指一些具有特殊结构的换热器，一般是为满足某些工艺特殊要求 而设计的，如石墨换热器、聚四氟乙烯换热器和热管换热器等 换热器按传热方式的不同可分为混合式、蓄热式和间壁式三类。 混合式换热器是通过冷、热流体的直接接触、混合进行热量交换的换热器，又称接触式换热器。由于两流体混合换热后必须及时分离，这类换热器适合于气、液两流体之间的换热。例如，化工厂和发电厂所用的凉水塔中，热水由上往下喷淋，而冷空气自下而上吸入，在填充物的水膜表面或飞沫及水滴表面，热水和冷空气相互接触进行换热，热水被冷却，冷空气被加热，然后依靠两流体本身的密度差得以及时分离。 蓄热式换热器是利用冷、热流体交替流经蓄热室中的蓄热体(填料)表面，从而进行热量交换的换热器，如炼焦炉下方预热空气的蓄热室。这类换热器主要用于回收和利用高温废气的热量。以回收冷量为目的的同类设备称蓄冷器，多用于空气分离装置中。 间壁式换热器的冷、热流体被固体间壁隔开，并通过间壁进行热量交换的换热器，因此又称表面式换热器，这类换热器应用最广。 间壁式换热器根据传热面的结构不同可分为管式、板面式和其他型式。管式换热器以管子表面作为传热面，包括蛇管式换热器、套管式换热器和管壳式换热器等;板面式换热器以板面作为传热面，包括板式换热器、螺旋板换热器、板翅式换热器、板壳式换热器和伞板换热器等;其他型式换热器是为满足某些特殊要求而设计的换热器，如刮面式换热器、转盘式换热器和空气冷却器等。 1.4 浮头式(或固定管板式或U形管式)换热器的介绍 4 XXXX大学XXXX学院论文 浮头式换热器的一端管板与壳体固定，而另一端的管板可在壳体内自由浮动，壳体和管束对膨胀是自由的，故当两张介质的温差较大时，管束和壳体之间不产生温差应力。浮头端设计成可拆结构，使管束能容易的插入或抽出壳体。(也可设计成不可拆的)。这样为检修、清洗提供了方便。但该换热器结构较复杂，而且浮动端小盖在操作时无法知道泄露情况。因此在安装时要特别注意其密封。 浮头换热器的浮头部分结构，按不同的要求可设计成各种形式，除必须考虑管束能在设备内自由移动外，还必须考虑到浮头部分的检修、安装和清洗的方便。 在设计时必须考虑浮头管板的外径Do。该外径应小于壳体内径Di，一般推荐浮头管板与壳体内壁的间隙b1=3~5mm。这样，当浮头出的钩圈拆除后，即可将管束从壳体内抽出。以便于进行检修、清洗。浮头盖在管束装入后才能进行装配，所以在设计中应考虑保证浮头盖在装配时的必要空间。 钩圈对保证浮头端的密封、防止介质间的串漏起着重要作用。随着幞头式换热器的设计、制造技术的发展，以及长期以来使用经验的积累，钩圈的结构形式也得到了不段的改进和完善。 钩圈一般都为对开式结构，要求密封可靠，结构简单、紧凑、便于制造和拆装方便。 浮头式换热器以其高度的可靠性和广泛的适应性，在长期使用过程中积累了丰富的经验。尽管近年来受到不断涌现的新型换热器的挑战，但反过来也不断促进了自身的发展。故迄今为止在各种换热器中扔占主导地位。 管子构成换热器的传热面，管子尺寸和形状对传热有很大影响。采用小直径的管子时，换热器单位体积的换热面积大一些，设备比较紧凑，单位传热面积的金属消耗量少，传热系数也较高。但制造麻烦，管子易结垢，不易清洗。大直径管子用于粘性大或者污浊的流体，小直径的管子用于较清洁的流体。 管子材料的选择应根据介质的压力、温度及腐蚀性来确定。 换热器的管子在管板上的排列不单考虑设备的紧凑性，还要考虑到流体的性质、结构设计以及加工制造方面的情况。管子在管板上的标准排列形式有四种:正三角形和转角正三角形排列，适用与壳程介质清洁，且不需要进行机械 5 XXXX大学XXXX学院论文 清洗的场合。正方形和转角正方形排列，能够使管间的小桥形成一条直线通道，便于用机械进行清洗，一般用于管束可抽出管间清洗的场合。 另外对于多管程换热器，常采用组合排列方法，其每一程中一般都采用三角形排列，而各程之间则常常采用正方形排列，这样便于安排隔板位置。 当换热器直径较大，管子较多时，都必须在管束周围的弓形空间内尽量配置换热管。这不但可以有效地增大传热面积，也可以防止在壳程流体在弓形区域内短路而给传热带来不利影响。 管板上换热管中心距的选择既要考虑结构的紧凑性，传热效果，又要考虑管板的强度和清洗管子外表面所需的空间。除此之外，还要考虑管子在管板上的固定方法。若间距太小，当采用焊接连接时，相邻两根管的焊缝太近，焊缝质量受热影响不易得到保证;若采用胀接，挤压力可能造成管板发生过大的变形，失去管子和管板间的结合力。一般采用的换热管的中心距不小于管子外径的1.25倍。 当换热器多需的换热面积较大，而管子又不能做的太长时，就得增大壳体直径，以排列较多的管子。此时为了提高管程流速，增加传热效果，须将管束分程，使流体依次流过各程管束。 为了把换热器做成多管程，可在一端或两端的管箱中分别安置一定数量的隔板。 1.5 换热器的设计要求 换热器在设计或选型时应满足以下基本要求: (1) 合理地实现所规定的工艺条件; (2) 结构安全可靠; (3) 便于制造、安装、操作和维修; (4) 经济上合理。 6 XXXX大学XXXX学院论文 1.6 设备制造工艺过程 选取换热设备的制造材料及牌号，进行材料的化学成分检验，机械性能合格后，对钢板进行矫形，方法包括手工矫形，机械矫形及火焰矫形。 备料,,划线,,切割,,边缘加工(探伤),,成型,,组对,,焊接,,焊接质量检验,,组装焊接,,压力试验 质量检验 化工设备不仅在制造之前对原材料进行检验，而且在制造过程中要随时进行检查。 质检内容 设备制造过程中的检验，包括原材料的检验、工序间的检验及压力试验，具体内容如下: (1)原材料和设备零件尺寸和几何形状的检验; (2)原材料和焊缝的化学成分分析、力学性能分析试验、金相组织检验，总称为破坏试验; (3)原材料和焊缝内部缺陷的检验，其检验方法是无损检测，它包括:射线检测、超声波检测、磁粉检测、渗透检测等; (4)设备试压，包括:水压试验、介质试验、气密试验等。 耐压试验和气密性试验: 制造完工的换热器应对换热器管板的连接接头，管程和壳程进行耐压试验或增加气密性试验，耐压试验包括水压试验和气压试验。换热器一般进行水压试验，但由于结构或支撑原因，不能充灌液体或运行条件不允许残留试验液体时，可采用气压试验。 如果介质毒性为极度，高度危害或管、壳程之间不允许有微量泄漏时，必须增加气密性试验。 质检方法 换热器压力试验的顺序如下: 7 XXXX大学XXXX学院论文 固定管板换热器先进行壳程试压，同时检查换热管与管板连接接头，然后进行管程试压; U形管式换热器、釜式重沸器(U形管束)及填料函式换热器先用试验压环进行壳程试压，同时检查接头，然后进行管程试压; 浮头式换热器、釜式重沸器(浮头式管束)先用试验压环和浮头专用工具进行管头试压，对于釜式重沸器尚应配备管头试压专用壳体，然后进行管程试压，最后进行壳程试压; 重叠换热器接头试压可单台进行，当各台换热器程间连通时，管程和壳程试压应在重叠组装后进行。 1.7 换热器的选型 1.7.1板型选择 板片型式或波纹式应根据换热器场合的实际需要而定。对流量大允许压降小的情况，应选用阻力小的板型，反之选用阻力大的板型。根据流体压力和温度的情况，确定选择可拆卸式，还是钎焊式。确定板型时不宜选择单板面积太小的板片，以免板片数量过多，板间流速偏小，传热系数过低，对较大的换热器更应注意这个问题。 1.7.2流程和流道的选择 流程指板式换热器内一种介质同一流动方向的一组并联流道，而流道指板式换热器内，相邻两板片组成的介质流动通道。一般情况下，将若干个流道按并联或串联的费那个是连接起来，以形成冷、热介质通道的不同组合。流程组合形式应根据换热和流体阻力计算，在满足工艺条件要求下确定。尽量使冷、热水流道内的对流换热系数相等或接近，从而得到最佳的传热效果。因为在传热表面两侧对流换热系数相等或接近时传热系数获得较大值。虽然板式换热器各板间流速不等，但在换热和流 8 XXXX大学XXXX学院论文 体阻力计算时，仍以平均流速进行计算。由于“U”形单流程的接管都固定在压紧板上，拆装方便。 1.7.3压降校核 在板式换热器的设计选型使，一般对压降有一定的要求，所以应对其进行校核。如果校核压降超过允许压降，需重新进行设计选型计算，直到满足工艺要求为止。 1.8 管程结构部件 (1).换热管 ? 换热管型式 光管、翅片管、螺旋槽管、螺纹管等。 当管内外两侧给热系数相差较大时，翅片管的翅片应布置在给热系数低的一侧。 ?换热管尺寸(常用) 无缝钢管:φ19×2 φ25×2.5 φ38×2.5 不锈钢管: φ25×2 φ38×2.5 标准管长为:10、 1.5、 2.0、 2.5、 3.0、 4.5、 6.0、 7.5、 9.0、 12.0m等。 外径范围: φ10 , φ57 ?换热管材料 黑金属:碳素钢、低合金钢、不锈钢等。 有色金属:铜、铜镍合金、铝合金、钛合金等。 非金属:石墨、陶瓷、聚四氟乙烯等。 ?换热管排列形式及中心距 换热管在管板上的排列形式:正三角形、正方形、转角正三角形、转角正方形。如图1.1所示， 在同样的管板面积上正三角形排列的管数最多，故用得最为普遍，但管外不易清洗。为便于管外清洗，可以采用正方形或转角正方形排列的管束。 9 XXXX大学XXXX学院论文 30?60?90?45? (c)正方形(b)转角正三角形(d)转角正方形(a)正三角形 图1.1 换热管排列型式 换热管中心距一般不小于1.25倍的换热管外径。 常用的换热管中心距见表1-1。 表1-1 常用换热管中心距 mm 换热管外12 14 19 25 32 38 45 57 径d o 换热管中16 19 25 32 40 48 57 72 心距 (2) 管板 作用:a. 用来排布换热管 b. 分隔管程和壳程的流体，避免冷、热流体混合。 c. 同时受管程、壳程压力和温度的作用。 ? 管板材料 选择管板材料，除力学性能外，还应考虑管程和壳程流体的腐蚀性，以及管 板和换热管之间的电位差对腐蚀的影响。 工程上常用材料:a. 碳素钢 b. 低合金钢 钢板、锻件 c. 不锈钢 d. 不锈钢，钢 e. 钛，钢 复合板 f. 铜，钢 g. 堆焊衬里。 ? 管板结构 在满足强度的前提下，应尽量减少管板厚度。 薄管板一般为:8,20mm。 10 XXXX大学XXXX学院论文 形状主要有:平面形、椭圆形、碟形、球形、挠性薄管板等。 最为常用的是平面形薄管板。 (b)(c)(d)(a) 图1.1 薄管板结构形式 32 4 1 1,空隙;2,壳程管板;3,短节;4,管程管板 图1.3 椭圆形管板 图1.4 双管板结构 图1.2所示为用于固定管板式换热器中的薄管板四种结构形式。 图1.3所示为椭圆形管板。 图1.4所示为双管板结构 (3)管箱 管箱位于管壳式换热器的两端。 作用:把从管道输送来的流体均匀地分布到各换热管和把管内流体汇集在一起送出换热器。在多管程换热器中，管箱还起改变流体流向的作用。 11 XXXX大学XXXX学院论文 图1.5 管箱结构形式 管箱的结构形式主要以换热器是否需要清洗或管束是否需要分程等因素来决定。 图1.5为管箱的几种结构形式。图1.5(a)的管箱结构适用于较清洁的介质情况。因为在检查及清洗管子时，必须将连接管道一起拆下，很不方便。图1.5(b)为在管箱上装箱盖，将盖拆除后(不需拆除连接管)，就可检查及清洗管子，但其缺点是用材较多。图1.5(c)形式是将管箱与管板焊成一体，从结构上看，可以完全避免在管板密封处的泄漏，但管箱不能单独拆下，检修、清理不方便，所以在实际使用中很少采用。图1.5(d)为一种多程隔板的安置形式。 1.9 壳程结构部件 壳程主要由壳体、折流板或折流杆、支承板、纵向隔板、拉杆、防冲挡板、防短路结构等元件组成。 1、壳体 壳体一般是一个圆筒，在壳壁上焊有防冲挡板，见图1.6。当壳体法兰采用高颈法兰或壳程进出口接管直径较大或采用活动管板时，壳程进出口接管距管板较远，流体停滞区过大;靠近两端管板的传热面积利用率很低。为克服这一缺点，可采用导流筒结构，见图1.7。导流筒除可减小流体停滞区，改善两端流体的分布，增加换热管的有效换热长度，提高传热效率外，还起防冲挡板的作用，保护管束免受冲击。 防冲挡板或导流筒的设置条件: ?若进口管流体ρυ2值为下列值时设防冲挡板或导流筒 a.非腐蚀、非磨蚀的单相流体ρυ2,2230kg/ms2; 12 XXXX大学XXXX学院论文 b.其他液体、包括沸点下的液体ρυ2,740kg/ms2; ?有腐蚀、磨蚀的介质设防冲挡板; ?接管距管板较远设导流筒，减小流体停滞区，增加换热管的有效 换热长度。 ρ—密度 υ—流速 导流筒:减小流体停滞区，改善两端流体的分布，增加换热管的有效换热长度，提高换热率，并起防冲挡板的作用。 有接管，供壳程流体进入和排出之用。 为防止进口流体直接冲击管束而造成管子的侵蚀和振动，在壳程进口接管处常装 图1.6 防冲挡板 图1.7 导流筒结构 2、折流板 设置折流板的目的:是为了提高壳程流体的流速，增加湍动程度，并使壳程流体垂直冲刷管束，以改善传热，增大壳程流体的传热系数，同时减少结垢。在卧式换 13 XXXX大学XXXX学院论文 热器中，折流板还起支撑管束的作用。 常用的折流板形式有弓形和圆盘-圆环形两种。其中弓形折流板有单弓形、双弓形和三弓形三种。各种形式的折流板见图1.8所示。根据需要也可采用其他形式的折流板。 弓形折流板缺口高度应使流体通过缺口时与横向流过管束时的流速相近。缺口大小用切去的弓形弦高占壳体内直径的百分比来表示。如单弓形折流板，缺口弦高一般取O.20,0.45倍的壳体内直径，最常用的是0.25倍壳体内直径。 对于卧式换热器，壳程为单相清洁液体时，折流板缺口应水平上下 布置。若气体中含有少量液体时，则在缺口朝上的折流板最低处开设通液口，见图1.9(a);若液体中含有少量气体，则应在缺口朝下的折流 图1.8 折流板形式 14 XXXX大学XXXX学院论文 90? 15-20 90?90? (a)(b)(c) 图1.9 折流板缺口布置 板最高处开通气口，如图1.9(b)。卧式换热器的壳程介质为气液相共存或液15-20 体中含有固体颗粒时，折流板缺口应垂直左右布置，并在折流板最低处开通液口，15-20 如图1.9(c)。 折流板一般应按等间距布置，管束两端的折流板应尽量靠近壳程进、出口接管。折流板的最小间距应不小于壳体内直径的1,5，且不小于50mm;最大间距应不大于壳体内直径。折流板上管孔与换热管之间的间隙以及折流板与壳体内壁之间的间隙应合乎要求，间隙过大，泄漏严重，对传热不利，还易引起振动;间隙过小，安装困难。 从传热角度考虑，有些换热器(如冷凝器)是不需要设置折流板的。但是为了增加换热管的刚度，防止产生过大的挠度或引起管子振动，当换热器无支撑跨距超过了标准中的规定值时，必须设置一定数量的支持板，其形状与尺寸均按折流板规定来处理。 图1.10 拉杆结构 15 XXXX大学XXXX学院论文 折流板与支持板一般用拉杆和定距管连接在一起，如图1.10(a)所示。拉杆数不少于4根，每个折流板不少于3个支点。当换热管外径小于或等于14mm时，采用折流板与拉杆点焊在一起而不用定距管，如图1.10(b)所示。 在大直径的换热器中，如折流板的间距较大，流体绕到折流板背后接近壳体处，会有一部分流体停滞起来，形成了对传热不利的“死区”。为了消除这个弊病，宜采用多弓形折流板。如双弓形折流板，因流体分为两股流动，在折流板之间的流速相同时，其间距只有单弓形的一半。不仅减少了传热死区，而且提高了传热效率。 3、折流杆 32 1 1,支撑杆;2,折流杆;3,滑轨 图1.11 折流杆结构 目的:装有折流板的管壳式换热器存在着影响传热的死区，流体阻力大，且易发生换热管振动与破坏。为了解决传统折流板换热器中换热管与折流板的切割破坏和流体诱导振动，并且强化传热提高传热效率，近年来开发了一种新型的管束支撑结构——折流杆支撑结构。 结构:由折流圈和焊在折流圈上的支撑杆(杆可以水平、垂直或其他角度)所组成。折流圈可由棒材或板材加工而成，支撑杆可由圆钢或扁钢制成。一般4块折流圈为一组，如图1.11所示，也可采用2块折流圈为一组。支撑杆的直径等于或小于管子之间的间隙。因而能牢固地将换热管支撑住，提高管束的刚性。 16 XXXX大学XXXX学院论文 2 计算部分 2.1浮头式换热器筒体的计算 2.1.1 计算条件 1、设计条件 设计压力: 管程:2.0Mpa，壳程:2.0Mpa 设计温度 管程:60?， 壳程:120? 、操作介质 管程:水 壳程:丙烷 2 3、程数 管程:4， 壳程:1 24、换热面积 53.7 m 5、安装地点 抚顺 ,,0.856、设计温度下屈服点 焊接系数 ,,345MPas 2.1.2 前端管箱筒体壁厚计算 (1)厚度计算 ,计算厚度: PD2.0，500Ci,,,,3.48mmt2，170，0.85,2.0 ,,,,P2,C ,,,，2,5.90mmd设计厚度: ,d 根据管壳式换热器对于低合金钢板的最小厚度要求，当 时，最小D,500mmi厚度为8mm，又考虑此处有两个大开孔，利用多余的壁厚进行开孔补强，所以: ,n名义厚度: ,,,，，，,CCmm圆整16.0nd21 ,,,,,C,C,14mmeen21有效厚度: (2)压力试验应力校核 压力试验类型:水压试验 允许最大操作压力: ,,Pw 17 XXXX大学XXXX学院论文 t ,,,22，14，170，0.85,,e,,P,,,9.56MPaw，，, D，500，14ie 水压试验校核: ,,,170P,1.25P,1.25，2.0，,2.5MPatT170,,, ,，，PD，，，2，500，14.0Tie,,,,36.7MPat2,2，14.0 e 0.9 ,,0.9，0.85，345,263.925MPaS ,，0.9,,满足要求ts 2.1.3 后端管箱筒体壁厚计算 D,600mmi(1)计算厚度 DP2.0，600ic,,,,4.18MPat2，170，0.85,2.0,,,,2,P c 根据管壳式换热器对于低合金钢板的最小厚度要求，当 时，最D,800mmi 小厚度为10mm, 名义厚度: ,,,,，,Cmm12.0nnmin2 有效厚度: ,,,,,C,C,10mmeen21 (2) 压力及应力计算及水压试验校核 t ,,,22，10，170，0.85,,e,,P,,,4.73MPaw，，,D，600，10 ie 水压试验校核: ,,,170 P,1.25P,1.25，2.0，,2.5MPatT170,,, 压力试验允许通过的应力水平: 0.9 ,,0.9，345,310.5MPaS 试验压力下圆筒的应力: 18 ,(，)PD2，(600，10)Tie,,,,71.76MPaT,,22，10，0.85e XXXX大学XXXX学院论文 ？,，0.9,Ts 合格。 ？ 2.1.4壳程筒体壁厚计算 =2.0 设计温度t=120? 内径 材料名称 16MnR MPaPD,500mmCi 计算厚度 : DP2.0，500ic ,,,,3.71MPat2，170，0.85,2.0,,,,2,Pc 名义厚度:根据管壳式换热器对于低合金钢板的最小厚度要求，当 ,D,700mmni 时，最小厚度为8mm, ,,,，,Cmm10.0nmin2 有效厚度: ,,,,,C,C,8mmeen21 t ,,,22，8，170，0.85,,e,,P,,,4.55MPaw ，，,D，500，8ie ？P，,,PTw ？合格 ,,,170P,1.25P,1.25，1.6，,2MPatT170,,, ,P(D，)2，(500，8)Tie,？,,,74.71MPaT,,22，8，0.85 e =0？,，0.9,Ts mpa.9×345=310.5 ？ 合格。 19 XXXX大学XXXX学院论文 2.2 前后端封头的计算 2.2.1计算条件 Dmm计算压力: =2.0 MPaPC ,500D,600mm 内径: 前 ;后 ii 设计温度: 120?; 材料名称: 16MnR; 腐蚀裕量: ; C,2mm2 负偏差: ; C,01 ,,0.85 焊接系数: ; t设计温度许用应力: ,,170MPa,, 本设计当中均采用标准椭圆型封头。 2.2.2 前端封头的厚度计算 (1)厚度计算: Di,2D,500mm ; ; i2hi K,1根据化工设备设计手册查表得到椭圆封头形状系数:; 计算厚度,: KPD2.0，500Ci,,,,3.76mmt 2，170，0.85,0.5，2.0,,,,2,0.5PC 名义厚度: ,n ,,,，C，,,,10mmnd1 有效厚度: ,e ,,,,C,C,10,0,2,8mmen12 最大允许工作应力: t,,,22，8，170，0.85,, e,,P,,,3.83MPaw,KD，0.5600，0.5，8ie ,,？P，PTw？ 该厚度的前端封头满足使用要求。 20 XXXX大学XXXX学院论文 2.2.3 后端封头的厚度计算 (1)厚度计算: DiD,600mm ; ; ,2i2hiK,1根据化工设备设计手册查表得到椭圆封头形状系数:; 计算厚度: , KPD2.0，600Ci,,,,4.51mmt 2，170，0.85,0.5，2.0,,,,2,0.5PC 设计厚度: ,d ,,,，C,4.44，2,6.44mmd2 ,n名义厚度: ,,,，C，,,12.0mmnd1 ,e有效厚度: ,,,,C,C,12,0,2,10mmen12 (2)压力试验应力校核 压力试验类型:水压试验 ,,Pw最大允许压力: t,,,22，10，170，0.85,,e ,,P,,,4.78MPaw，，,KD，0.5600，0.5，10ie水压试验校核: ,,,170 P,1.25，P，,1.25，2.0，,2MPatTc170,,, ,,PPwT由于,，所以该厚度的后端封头满足使用要求。 2.3管板的计算 2.3.1 符号说明 D-法兰外直径，mm; D螺栓中心圆直径，mm; b- 21 XXXX大学XXXX学院论文 -法兰内直径，mm; Di F-作用在法兰环内侧风头压力载荷引起的轴向分力，N; D C 2 F=0.785PDDi F-作用在法兰环内侧封头压力载荷引起的径向分力，N; r M-总力矩，N?mm; 0 P-计算压力，MPa; c R-封头球面部分内直径，mm; i L-螺栓中心至法兰环内直侧的径向距离，mm D L- F对法兰环截面形心的力臂，mm; rr β-封头边缘处球壳中面切线与法兰环直径的夹角(?); 1 ,-封头计算厚度，mm; -法兰计算厚度，mm; ,f 2.3.2 垫片的选择和计算 选缠绕垫片 材料 填料 石墨 压紧形式1a OCNi189r 尺寸 d,765mmd,725mm0i d,d765,7250i N,,,20mm22 N当 b,,10，6.4时2.5310,8mm02 D,d,2b,765,2，8,749mmG0 2.3.3管板结构参数及系数的确定 ,?.管子选中25×2.5 10号钢 管长 L=2840mm 120,,A,,dLn n,,254out3.14，0.025，6 实际管子数n=256根，采用转正方形排列，查表S=32mm Sn=40mm 22 XXXX大学XXXX学院论文 ?. 隔板面积:对于a型连接形式，转正方形 SSS1，，2222nnn A45.52S2.75S6.52S3.25S()S,，，,，,，,d,,2224，， =4×(4978.03—2816+5883.13—3328+400—256) =19444.64mm 222 A,ns，Ad,256，32，19444.64,281588.64mmt 4，281588.64D,,598.9mm t3.14 ,222 A,At,nd,281588.64,0.785，256，25,155988.64mm104 D1749G,,,1.251 ,D598.9tt na=256×3.14×(25-2.5)×2.5=45216mm na45216,,,,0.29 A155988.641 ,设管板的 L,6000,2，250,2，1.5,5877mm ,,50mmn 查表 Et=186×1000Mpa Ep=196×Mpa 3Etna186，10，45216Kt,,,2389.43 ,La5877，589.9 kt2389.43~Kt,,,0.0305 3DEp0.4，196，10 ps确定管板的设计压力 Pd,max{},1.6Mpapd1.6Pd~ ,,,0.0189Pat1.5，0.4，144,,,,1.5r 11~~~32根据 Kt/Pa,2.27由Pa,0.0189查C,0.48 ~,,C，DtPa,0.48，598.90.0189,39.52mm 管程侧:结构开槽 H,5mm2 壳程侧:结构尺寸为零 C,2mm2 23 XXXX大学XXXX学院论文 ,,39.52，5，2,46.52mmn 取,,50mm,假设成立n 系数 tt3 C,,2Et/,,3.142，186，10/162,150.5rs 根据FB151---1999图32查算: L,400，150,550mmcr 2222i,0.25d(d,2,t),0.2525，(25.2，2.5),8.004mm L/i,550/8.004,68.72cr ？L,Ccrr tL/i，，所以 ,scr,1,,,,,,cr22cr，， 16268.72，， ,，1,,62.51Mpa,,22，150.5，，t,,,,101Mpa因为 < ,,,tcr 所以: 合格。 2.3.4 换热器的应力校核 111~32,,1.251由 ，，，，kt/pa,2.27,t 查GB151图24得Gwe,4.1 ?.当只有管程设计压力 pc,Ps-Pt(HB),-1.6，(H0.29),-2.064Mpa AT1，，,,Pc,(Ps,Pt)Gwet,,A1,，， 1281588.64，，2.064(0.16)4.149.94,,,，，,MPA,,0.29155988.64，， ,,,,,,101Mpa tt 所以 : 合格。 ?.当只有壳程设计压力 pc,Ps,Pt(HB),4.6MPa 1At1281588.64 ,t,[pc,(ps,pt)Gwe],[2.0,2.0，，4.1],,35.32Mpa,A10.29155988.64 24 XXXX大学XXXX学院论文 ？,,,,,cr 所以: 合格 ?.当管程设计压力和壳程设计压力同时作用 Pc,2.0,2.0，(1,10.29),,0.464Mpa 1At,t,[Pc,(ps,pt)Gwe],A1 1,[,0.464,0],,2.0Mpa0.29 ？ 合格。 ？,,,,,crt 2.3.5换热管与管板连接的拉脱力校核 取换热管轴向应力三种工况的绝对值最大值，故取=49.95Mpa ,,tt l,1.5，2,3.5mm ,,,,(d,)49.95，3.14(25,2.5)，2.50tttq,,,32.11Mpa,dl3.14，25，3.50 t,,,,q,0.5,,0.5，101,50.5Mpat 合格。 2.4 螺栓的选择及强度校核 2.4.1螺栓的选择 根据JB/T4707-2000 材料40MnB 个数26个 ,,635Mpa,,,,765Mpa,,,,180Mpabstb m=3 y=69 (1) 操作下的螺栓载荷 2W,F，F,0.785DP，6.28DmbPppGcGC ,0.785，749，749，1.6，6.28，749，3，8，1.6,885240.104N,mm(2)预紧状态下螺栓载荷 W,Fa,3.14Dby,3.14，749，8，69,1298226.72N,mmaG 25 XXXX大学XXXX学院论文 2.4.2螺栓的强度校核 (1)预紧状态下需要的最小螺栓面积 W885240.104p2 Ap,,,4918mmt180,,,b (2)操作条件下需要的最小螺栓面积 Wa1298226.722Aa,,,1697.03mm765,,, Ap2,,Am,max,4918mmAa 4AmAm4918d,,1.13,1.13,15.54mm螺栓根径: 0,nn26 ,22实际螺栓面积: Ab,nd,4958.84mm04 66，50~,螺栓的间距校核: Smax,2d，,2，24，,133.71mmBm，0.53，0.5 D3.14，815~,b实际间距: S,,,14.22mm180180 ~~ ？S,Smax 所以: 合格。 2.5 法兰的选择 选择固定管板端为整体法兰，材料为16MnR 型号为FM700-2.5， tt,,,,150Mpa,,50mm f,,,,157Mpaf 26 XXXX大学XXXX学院论文 2.5.1 法兰的力矩计算 D,D815,749bGL,,,33mmG 22 L,L，0.5,,34，0.5，26,47mmDA1 22 F,0.785DPc,0.785，749，1.6,615440NDD 22 F,F,F,0.785DPc,0.785DPcTDGi 22,0.785，749，1.6,0.785，700，1.6,89177.26N (1)预紧状态的法兰力矩 Am，Ab4918，4928.847 ,,Ma,FL,,L,，129，33,2.10，10N,mmbGGG22(2)操作状态的法兰力矩 Mp,FL，FL，FLDDTTGG 7,615440，47，89177.26，93，2.10，10 7,5.82，10N,mm,M0 2.5.2法兰的应力校核 (1)轴向应力 7fM5.82，100, ,,,100.8MpaH22,,Di1.220，26，7001 t？,,1.5,,, fH 所以: 合格。 (2)径向应力 ,1.33，1 e1.33，48，0.01086，1,,f7,,,，5.82，10,50.1,,MMpaR02,,1.220，48，48，700,,Di 1 t？,,,,, fR 所以: 合格。 27 XXXX大学XXXX学院论文 (3)环向应力 YM14.57，5.820,,,Z,,,7.53，50.1,148.5MpaTR22 fDi48，700, t ,,？,,,fT 所以 : 合格。 2.6 浮头部分的计算 2.6.1 球冠形封头计算 (1)选择球冠形封头的材料为16MnR 200 ,,0.85C,0C,4mm,,,,1.59Mpa12 (1)按内压设计 此时 Pc=Pt=2.0Mpa 5PcRi5，1.6，600,,,,5.92mm t6，159，0.85,,,,6 ,,,，,Cmm9.92d2 取,10mm, (2)外压校核按GB150-1998中进行 a 假设厚度取内压 ,,10mm,,,,C,6mmnen2 R,R，,,2,608mm0in 故 0.1252A,,0.00144mm 608/7 28 XXXX大学XXXX学院论文 查GB150-1998图6-5 B=84Mpa 0.1250.125,, 此时许用外压力 P,,,0.83Mpa,R/618/160e 显然不满足壳程外压=1.6的要求 b 重设 ,,20mm,此时,,,,16mmne R,600，20,2,618mm0 0.1250.1252A,,,0.00324mm ,R/618/16e0 查GB150-1998图6-5 B=98Mpa BB,,P,,,2.54Mpa ,R/619/160e [P]>2.0Mpa 所以 满足要求 ,,20mm(3)根据内，外，压计算校核的结果 取 n 2.7 开孔补强计算 2.7.1符号说明 2A--开孔削弱所需要的补强截面积，mm; B--补强有效宽度，mm; D--壳体内直径，mm; i d--开孔直径，mm; f--强度削弱系数 r h--接管外侧有效补强高度，mm; 1 h--接管内侧有效补强高度，mm; 2 p--计算压力，MPa; c S--管孔的轴向节距，mm; 1 S--孔带的单位长度，mm; 2 29 XXXX大学XXXX学院论文 --管孔的对角向节距，mm; S3 --壳体开孔处的计算厚度，mm; , --壳体开孔处的有效厚度，mm; ,e --接管有效厚度，mm; ,et ---壳体开孔处的名义厚度，mm; ,n ---接管名义厚度，mm; ,nt ----接管计算厚度，mm; ,t t[]--设计温度下壳体材料的许用应力，MPa; , ---钢材标准抗拉强度下限值，MPa; ,b ---刚才标准屈服点，MPa; ,s -----焊接接头系数。 , 2.7.2补强的判断方法 壳体开孔满足下述全部要求时，可不另行补强: a) 设计压力小于或等于2.5MPa; b) 两相邻开孔中心的间距应不小于两孔直径之和的两倍; c) 接管公称外径小于或等于89mm; 本设计中只需对壳程的DN=150的接管进行开孔补强计算，接管材料为20号钢， 外径及厚度为,，1597。 (1)接管的计算厚度 PcD2.0，145i,,,,1.12mm t2，123，0.85,2.0,,,,2,Pc d,159,15，2C,159,14，4,149mm t,123,,n fr,,,0.724t170,,, (2)开孔削弱截面A 2A,d,，2,,(1,fr),149，3.9，2，3.9，5，(1,0.724),591.864mm et 30 XXXX大学XXXX学院论文 (3)有效补强范围 B,2d,,B,max,298mm有效宽度 ,,B,d，2n，2nt h,d,nt1,,h,min,32.30mm补强区外侧高度 1200 h,d,nt2,,h,min,02接管实际内伸长度补强区内侧高度 (4)补强区补强金属面积 ?壳体多余的金属面积 A,(B,d)(,,,),2,t(,,,)(1,fr)1eee 2 ,(298,149)，(8,3.9),2，5，(8,3.9)(1,0.724),599.584mm ? 接管多余的截面积 A,2h(,t,,t)fr，2h(,t,C)fr 21e2e2 2 ,2，32.30，(5,1.12)，0.724，2，0,18147mm 122？A，A，A,A?.焊缝金属截面积 A,,，k,n,80mm123n32 所以 不需要补强。 31 XXXX大学XXXX学院论文 结 论 本设计参阅了大量的相关书籍和资料，并严格依照GB 150-1998《钢制压力容器》和GB 151-1999《管壳式换热器》的规定进行相应的计算。在设计过程中，其结构的选择，要考虑到总体结构的特点，而对相应结构的优缺点进行对比而选择，对选定的结构进行强度校核和水压试验。 提高传热效率和抗腐蚀的材料是炼油、化工等许多部门的要求。在能源日渐被消耗的今天，应在满足强度校核的条件下，尽可能的减少材料的消耗。在本设计中，对换热器的中存在的问题进行了解决和对结构进行了最优的选择，但设计可能存在一些缺陷，需要进一步的探索和研究，望老师给与指正。 32 XXXX大学XXXX学院论文 谢辞 在整个设计的过程中我的导师姜老师给了我很大的帮助和支持。在设计中，我经常遇到一些问题难以解决，当我带着问题去请教时，他都不是直接给出答案，而是旁敲侧击的给我一些指引，让我充分发挥自己的思维，一步一步地将问题慢慢解决每次遇到做的不好的地方，老师都给我耐心的讲解和分析。 姜老师告诉我考虑问题要从多方面考虑，每次同他讨论一些问题都让我受益匪浅。姜老师在毕业设计期间，对我们严格要求，要求我们能够独立完成自己的设计任务，培养了我们独立解决问题的能力，还从自己宝贵的时间中抽出时间为我们审阅图纸，解决相关问题，并提出修改的意见和建议。 姜老师的一丝不苟作风是我学习的榜样;他循循善诱的的教导思路给予我无尽的启迪。在此我衷心的感谢指导老师姜文全，谢谢。 33 XXXX大学XXXX学院论文 参考文献 [1] GB150—1998《钢制压力容器》,,,(国家技术监督局( [2] GB151—1999《管壳式换热器》,,,( 国家技术监督局( [3] 毛希澜(化工设备设计全书—换热器设计,,,(上海:上海科技出版社，1986 [4] 朱有庭等(化工设备设计手册,,,( 北京:化学工业出版社， 2005 [5] 黄嘉琥编( 压力容器材料实用手册,,,( 北京:化学工业出版社，1997 [6] 黄载生主编(化工机械力学基础,,,( 北京:化学工业出版社， 1990 [7] 王宽福编( 压力容器焊接结构工程分析,,,( 北京:化学工业出版社， 1998 [8] 卓震主编( 化工容器及设备,,,( 北京:中国石化出版社， 1995 [9] 郑津洋等( 过程设备设计,,,( 北京:化学工业出版社， 2005 [10] 贺匡国主编( 化工容器及设备简明设计手册,,,( 北京:化学工业出版社， 1991 [11] 邹广华等( 过程装备制造与检测,,,( 北京:化学工业出版社， 2004 [12] 杨可桢主编( 机械设计基础,,,( 北京:高等教育出版社， 2003 [13] 王志魁主编( 化工原理,,,( 北京:高等教育出版社， 2001 34