浮头式换热器过程设备设计专业课程设计项目说明指导书.doc

目录

设计题目及工艺参数---------------------------------------------------1
一、 换热器分类及特点---------------------------------------------------2
二、构造设计-------------------------------------------------------------5
1、管径及管长选取---------------------------------------------------5
2、初步拟定换热管根数n和管子排列方式-------------------------------5
3、筒体内径拟定-------------------------------------------------------5
4、浮头管板及钩圈法兰构造设计-----------------------------------------6
5、管箱法兰、管箱侧壳体法兰和管法兰设计-------------------------------7
6、外头盖法兰、外头盖侧法兰设计---------------------------------------7
7、外头盖构造设计-----------------------------------------------------8
8、接管选取--------------------------------------------------------------------------------------8
9、管箱构造设计-------------------------------------------------------8
10、管箱构造设计------------------------------------------------------8
11、垫片选取----------------------------------------------------------9
12、折流板------------------------------------------------------------------------------------------9
13、支座选用----------------------------------------------------------10
14、拉杆选取--------------------------------------------------------13
15、接管高度（伸出长度）拟定------------------------------------------13
16、防冲板------------------------------------------------------------13
17、设备总长拟定----------------------------------------------------13
18、浮头法兰---------------------------------------------------------------------------------------14
19、浮头管板及钩圈----------------------------------------------------14
三、强度计算--------------------------------------------------------------14
1、筒体壁厚计算-----------------------------------------------------14
2、外头盖短节，封头厚度计算-------------------------------------------15
3、管箱短节、封头厚度计算 --------------------------------------------16
4、管箱短节开孔补强核校 --------------------------------------------16
5、壳体压力实验应力校核---------------------------------------------16
6、壳体接管开孔补强校核-----------------------------------------------17
7、固定管板计算-------------------------------------------------------18
8、无折边球封头计算 --------------------------------------------------19
9、管子拉脱力计算-----------------------------------------------------20
四、设计汇总-----------------------------------------------------21
五、设计体会--------------------------------------------------------------21
参照文献--------------------------------------------------------------22

设计题目：浮头式换热器
工艺参数：

管口表：
符号
公称直径（mm）
管口名称
a
130
变换气进口
b
130
软水出口
c
130
变换气出口
d
130
软水进口
e
50
排尽口

设备选取原理及因素：
浮头式换热器构造较复杂，金属材料耗量较大，浮头端浮现内泄露不易检查出来，由于管束与壳体间隙较大，影响传热效果。该换热器管束可以从壳体中抽出，便于清洗管间和管内，管束可以在壳体内自由伸缩，不会产生热应力。浮头式换热器合用于较高压力下工作，合用于壳体壁温于管壁温差较大或壳程流体易结垢场合。本设计管程壁温和壳程壁温温差较大，工作压力属于中上，且管程内物料为重油，壳程内为轻汽油。故本设计选取浮头式换热器。

一、 换热器分类及其特点
换热器是一种实现物料之间热量传递节能设备，是各种工业部门最常用通用热工设备，广泛应用于化工、能源、机械、交通、制冷、空调及航空航天等各个领域。换热器不但是保证某些工艺流程和条件而广泛使用设备，也是开发运用工业二次能源，实现余热回收和节能重要设备。
工业生产中使用换热器型式诸多，并且仍在不断发展。按使用目不同，换热器可分为加热器、冷凝器、蒸发器和再沸器等。由于使用条件和工作环境不同，换热器又有各种各样型式和构造。按传热原理和实现热互换办法，换热器可分为间壁式、混合式和蓄热式3类，其中以间壁式换热器应用最为普遍。
间壁式换热器种类诸多，如夹套式换热器、套管式换热器、蛇管式换热器、板式换热器、板翅式换热器和列管式换热器，列管式换热器又叫做管壳式换热器，是当前应用最广泛一种换热器。
管壳式换热器应用已有十分悠久历史。管壳式换热器是一种老式原则换热设备，广泛应用于化工、石油、制冷、核能和动力等工业。由于世界性能源危机，工业生产中对换热器需求量越来越多，对换热器质量规定也越来越高。在近代许多化工过程中，如裂解、合成和聚合等，大都规定在高温高压下进行，有压力高达250 ，温度则高达750℃，又腐蚀状况下，实现换热更困难。而管壳式构造具备选材范畴广、换热表面清洗以便、适应性强、解决能力大、能承受高温和高压等特点。一方面，随着着当代化工厂生产规模日益增大，换热设备也相应地向大型化方向发展，以减少动力消耗和余属消耗；另一方面，随着精细化工迅速崛起，换热设备也有向小而精方向发展趋势。管壳式构造换热器能满足这样规定。
近几十年来，随着紧凑式换热器(板式、板翅式等)、热管式换热器和直接接触式换热器等发展，管壳式换热器面临着挑战，在某些场合，管壳式换热器已被某些新型换热器所取代，但由于管壳式换热器具备高度可靠性和广泛适应性，它产量至今仍占统治地位。当前工业装置中管壳式换热器用量占所有用量70%。管壳式换热器构造也有较大改进和发展，从本来老式弓形隔板加光滑管构造，发展为其他类型管间支撑物加强化管构造，由于这些构造上改进，使得管壳式换热器传热与流体阻力性能有了明显改进，加上自身固有长处，如耐高温、耐高压、构造简朴和清洗以便等，使得管壳式换热器在激烈换热器竞争中得以生存和发展。
管壳式换热器重要涉及固定管板式、浮头式、U形管式、填料函式等构造。依照介质种类、压力、温度、污垢，以及管板与壳体连接方式、换热管形式与传热条件、造价和维修检查状况等，结合各种构造形式特点选取、设计和制造各种管壳式换热器。

图1.1固定管板式换热器典型构造

(1) 固定管板式换热器
固定管板式换热器两端管板，采用焊接方式与壳体连接固定。固定管板式换热器由管箱、壳体、管板和管子等零部件构成，如图1.1所示。其构造简朴紧凑，排管比较多，在相似换热器公称直径状况下面积比较大，制造简朴，但在最后一道壳体与管板焊缝无法进行无损检测。
其长处是：
①相似公称直径下，传热面积比浮头式换热器大20%～30%；
②旁路泄露比较小；
③锻件使用比较少；
④没有内部泄露存在。
缺陷是：
①壳体和管子壁温差普通不大于等于50℃，不不大于50℃时应在壳体上设立膨胀节；
②管板与管头之间容易产生温差应力而损坏；
③壳程无法进行机械清洗；
④管子腐蚀后导致连同壳体也报废，壳体部件寿命取决于管子寿命，因而设备寿命相对比较低；
⑤不合用于壳程容易结垢场合。
(2) 浮头式换热器
浮头式换热器一端管板与壳体固定，一端管板可在壳体内自由浮动，壳体和管板对热膨胀是自由，因而当两种介质温差较大时，管束与壳体之间不产生温差应力。浮头端设计成可拆构造，使管束能容易地插入或抽出壳体，这样以便清洗和检修。由于该换热器构造复杂，并且浮动端小盖在操作时无法得知其泄露状况，因此在安装时应特别注意其密封，如图1.2所示。

图1.2浮头式换热器

(3) U形管式换热器
该换热管两端是固定在同一块管板上，构造简朴，造价低。管束可抽出，外壁便于清洗，但换热管清洗困难，因此介质必要是清洁且不结污垢物料。由于构造不紧凑因素，影响传热效率，换热也不均匀。普通用于高温高压场合，壳程内普通按工艺规定设立折流板和纵向隔板，如图1.3所示。

图1.3 U形管式换热器典型构造

(4) 填料函式换热器
填料函式换热器合用于壳程压力不高、较严重腐蚀介质、温差较大且经常要更换管束冷却器。它具备浮头换热器长处，又克服了固定管板式换热器缺陷，构造简朴，制造以便，易清洗检修。当前它使用在不适当直径过大，操作压力和温度不适当过高场合，普通压力不超过2.0MPa。在壳程内为易挥发、易燃、易爆、有毒及贵重介质，不适当采用该换热器。如图1-4

图1.4 填料函式换热器典型构造

二、构造设计
1、管径及管长选取
选用GB816319x2、管长度L为6米、管程数为2较高档冷拔传热管（碳钢）。
2、初步拟定换热管根数n和管子排列方式
a、拟定换热管根数n（依照公式3-12[1]）
=803根
b、管子排列方式
管间距拟定（查表5-1[2]）
换热管中心距 t为25mm，分程隔板槽两侧相邻管中心距t0为38mm，采用正三角形排列，传热管排列是一种正六边形。
取拉杆数为10。
查表3-6[1] 管子总数为823根
管子实际总数还需依照作图排列后拟定，暂按823根计算。

3、筒体内径拟定
依照公式（3-20[1]） i=
正三角形排列，管程为2时，=0.70.85，取=0.75
即 Di=1.05
圆整，取筒体内径为Di =900mm。
如图2-1，实际排列换热管数为2x（16+17+···+32）=816

图 2-1 固定管板换热管排列图

4、浮头管板及钩圈法兰构造设计
由于换热器内径已经拟定，采用原则内径决定浮头管板外径及各构造尺寸（参照文献[4]及GB151）。构造尺寸为：
浮头管板外径， D0=Di-2b1
b1-------浮头管板外径与壳体内径间隙，取
即 D0=
垫片宽度， 按表4-16[1] 取
浮头管板密封面宽度，
浮头法兰和钩圈内直径，900-2 (5+13) =864（）；
浮头法兰和钩圈外直径，900+80=980（）；
外头盖内径，900+100 =1000（）；
螺栓中心圆直径，（）；
5、管箱法兰、管箱侧壳体法兰和管法兰设计
a、管箱法兰，管箱侧壳体法兰
依工艺条件：管侧压力和壳侧压力中高值，以及设计温度和公称直径，管箱法兰和管箱侧壳体法兰按/T4703-表1长颈对焊法兰原则选用。PN=1.10MPa。法兰尺寸见表2-1（查文献[5]）

表2-1
公称直径DN/mm
管箱法兰和管箱侧壳体法兰
螺栓
D
D1
D2
D3
D4

H
h
a
a1

R
d
规格
数量
900
1060
1015
976
966
963
52
115
35
21
18
16
26
12
27
M24
28
对接圆筒最小厚度0为12mm

b、管法兰 （查文献[1]）
表2-2（单位/mm）

公称直径DN

钢管外径

连接尺寸

法兰厚度C

法兰颈
A
B
外径D
K
L
n
Th
法兰内径B1
坡口
宽度
R
A
B
150
168.3
159
285
240
22
8
M20
24
170.5
161
6
6
50
60.3
57
165
125
18
4
M16
20
61.5
59
5
6

6、外头盖法兰、外头盖侧法兰设计
依工艺条件，壳侧压力、温度及公称直径900，按4703-《长径对焊法兰》原则选用，并拟定各某些尺寸，并画出构造草图。（查文献[2] [5]）

表2-2
公称
直径DN/mm
外头盖法兰，外头盖侧法兰
螺栓
D
D1
D2
D3
D4

H
h
a
a1

R
d
规
格
数量
1000
1160
1115
1076
1066
1063
56
120
35
21
18
16
26
12
27
M24
32
900
1160
1115
1076
1066
1063
60
140
54
--
--
16
34
12
27
M24
32

图 2-2 外头盖法兰，侧法兰

7、外头盖构造设计
轴向尺寸由浮动管板，钩圈法兰及钩圈强度计算拟定厚度后决定。
8、接管选取
由工艺参数给定接管公称直径为130mm、50mm。查表 附录七[1]
选用外直径1596，57420号扎碳素无缝钢管。
9、管箱构造设计
选用型封头管箱，因换热器直径较大，其管箱最小长度可不按流通面积计算，只考虑相邻焊缝间距离计算。
管箱法兰H=115mm，封头曲面高h1=225mm，直边高h2=40mm、C=80mmm、接管外直径d0159mm、封头厚度为=12mm
故管箱长为Lg=115+80+225+40+80+159+12=711mm
圆整 管箱长Lg=720mm
管箱内分程隔板由文献[1]采用与封头，管箱短节同等材料，取厚度为10mm，在处在水平位置分程隔板上开设直径为6mm排尽液孔（槽深6mm）。

10、管箱构造设计
根据所选管箱法兰，管箱侧法兰构造尺寸，拟定固定端管板最大外径为965。构造如图2-3

图 2-3 固定管板

11、垫片选取
依照管程、壳程操作条件，管箱垫片选取石棉橡胶垫片，外头盖垫片选缠绕式垫片，斧头垫片选金属包石垫片。（文献[2]）

图 2-4 2管程浮头垫片及头盖垫片 2管程箱垫片

垫片名称

浮头垫片
管箱垫片
头盖垫片
管箱侧垫片

外头盖垫片
PN(Mpa)
1.0 1.6 2.5 4.0 6.4
1.6

DN
D
d
d1
WA
WB
D
d
d1
D
d
d1
900
892
864
860
215
226
965
925
921
1065
1025
1021

12、折流板
a、折流板初步计算
采用弓形折流板，取弓形折流板圆缺高度为壳体内径20%，则切去圆缺高度为

折流板间距B=(0.21)Di
取B=mm
折流板NB=-1=
b、折流板布置：
折流板构造尺寸：外径，厚度取12 ，圆缺尺寸在排管上取。

图 2-5 管箱接管安装位置

壳体接管中心距管板内侧距离[1]
L2d0+hf+C=159+115+80=345mm,
取L2=360mm
前端折流板距固定管板距离至少为360+80=440，构造调节为460。
后端折流板距浮动管板距离至少为 540。
折流板间距按B=270mm计算，
则需要折流板数量=（换热管长-两管板厚度-先后端折流板离管板距离）/270
=（6000-70-66-960）/27018块
因此实际所需折流板数为18块。

13、支座选用
（1）鞍式支座选用及安装[5]
支座选用按JB/T 4712.1-《鞍式支座》规定，选用BI重型（DN500-900）1200包角、焊制，四筋，带垫板鞍式支座，近固定管板处选F型，远管板处选S型。
对于JB/T4712鞍式支座，由设备重量，考虑到接管，法兰，加强圈等附件质量以及风载荷和地震载荷等因素，其详细形式如图4-1，尺寸见表4-1
因接管较长，鞍座高度取h=300。

表4-1鞍座尺寸

DN/mm
容许载荷Q/MPa
h/mm
底板/mm
腹板/mm
筋板/mm
900
225
200

810
150
10
10
450
120
10

垫板/mm
螺栓间距
弧长

e

1060
200
6
36
590

垫板鞍座，其详细形式如图2-5：

图2-6

(2)卧式支座在换热器上位置尺寸，如图2-7：
安装位置条件：
a、 查文献1知：当，,取 =0.7L=0.76000=4200mm，且
b、 必要满足壳程接管焊缝与支座地脚螺栓孔中心线至支座点半边远距离规定，
即 LcL1+d/2+ba+C （ba=b1 /2）
式中，C=80mm，ba为地脚螺栓孔中心线至支座垫板边沿距离,d为接管直径
L1=275mm，则 Lc510mm
圆整，取=900mm

图 2-7 浮头式换热器

14、拉杆选取
a 、拉杆形式
拉杆惯用形式有两种：一种为拉杆和折流板焊接形式，普通用于换热管外径不大于或等于14㎜管束;另一种为拉杆定居管构造形式，用于换热管外径不不大于或等于19㎜管束。因此选取拉杆定居管构造形式。
b 、拉杆尺寸
拉杆数量为10根，dn=12mm，La=15mm，Lb50mm，管板上拉杆孔深Ld=18mm，
c 、拉杆布置
拉杆应尽量均匀布置在管束外边沿，对于大直径换热器，再布管区内或接近折流板缺口处应布置恰当数量拉杆。

15、接管高度（伸出长度）拟定
接管伸出壳体（或管箱壳体）外壁长度，重要考虑法兰形式，焊接拆装，有无保温及保温厚度等因素决定。
查表4-12[1]，当PN4.0Mpa时，DN=150时接管伸出长度为200mm，
DN=50时接管伸出长度为150mm。
16、防冲板
选用矩形防冲板，防冲板焊于壳体上，接管管径拟定后，防冲板与壳体内壁高度H1就拟定，H1=（1/41/3）接管外径。
取H1=1/3159=53mm，
防冲板直径或边长应不不大于接管外径50mm，
防冲板最小厚度：当壳程进口接管直径不大于300mm时，取=4.5mm

17、设备总长拟定
一方面考虑换热管长为L1=6000mm，取外头盖短节为180mm，
外头盖封头为椭圆封头，曲边高h1为250mm，直边高h2为40mm，封头壁厚为12mm
管箱长Lg=720mm，外头盖长L2=180+250+40+12=602mm，圆整为610mm
设备总长 L=Lg+ L1+ L2=720+6000+610=7330mm

18、浮头法兰
按GB—151—89相应规定。因而法兰处在受压状态，取法兰厚度64。

19、浮头管板及钩圈
浮头式换热器浮头管板厚度不是有强度决定，按构造取40，勾圈采用B型，材料与浮头管板相似，设计厚度按浮头管板厚加16mm，定为56mm。

三、强度计算
1、 筒体壁厚计算
本次设计中，依照壳体所用材料为，当厚度在时，壳程设计压力为P=1.10Mpa，焊缝采用双面对焊局部无损探伤，焊接接头系数为=。
[3]取钢板厚度负偏差C1=0.8mm，腐蚀裕量= 。C= C1+=2.8mm
由轻油走壳程，此换热器壳内产生静压力为：

其中，轻油密度不大于水密度，取水密度计算，
显然P不大于设计压力5%，故
依照如下厚度计算式：

式中， —计算厚度，；
—计算压力，；
—焊接接头系数；
—壳体直径，；
—材料许用应力，；
计算壁厚：

设计壁厚：

取名义厚度，有效厚度
圆整，故取名义厚度=12mm为筒体壁厚。
2、外头盖短节，封头厚度计算
外头盖内径=1000mm，外头盖材料为16MnR，屈服强度 =345 MPa，别的条件参数同筒体，
短节计算壁厚
短节设计壁厚
短节名义壁厚
取
有效厚度
压力实验应力校核

<
压力实验满足实验规定。

外头盖封头选用原则椭圆封头，（封头曲边高为250mm，直边高为40mm）
封头计算厚度
封头名义厚度
取封头名义壁厚与短节等厚，=12mm
3、管箱短节、封头厚度计算
依照给定工艺参数，管程材料为20号钢，设计压力1.12，材料许用应力[]=130，取焊缝系数=0.85，腐蚀裕度C2=2mm，C1=0.8mm。
设计厚度
取名义厚度 =12mm
有效厚度
压力实验强度在这种状况下一定满足。
管箱封头取用厚度与短节相似，取=12。
4、管箱短节开孔补强核校
开孔补强采用等面积补强法，由工艺设计给定接管公称直径130，选用1596无缝钢管，考虑实际状况选20号热轧碳素钢管 []=130 ，C2 =1mm。
接管计算壁厚
接管有效壁厚
开孔直径
接管有效补强宽度 B=2d=
接管外侧有效补强高度度
由于S==3.44mm,
需要补强面积
可以作为补强面积为

=2×29.2×(4.1-0.8)×130/130 =192.7（）
+=819.65+192.7=1012> A=489.5
该接管补强强度足够，不需另设补强构造。
5、壳体压力实验应力校核
压力实验类型：液压实验
实验压力值，由（GB150-98，式3-3）计算：

压力实验容许通过应力水平由（GB150-98，）计算：
，
所选材料屈服应力=325
水压实验应力校核
<
压力强度满足规定。
6、壳体接管开孔补强校核
开孔补强采用等面积补强法，由工艺设计给定接管公称直径130，选用1596无缝钢管，考虑实际状况选20号热轧碳素钢管 []=130 ，C2 =1mm。
接管计算壁厚
接管有效壁厚
开孔直径
接管有效补强宽度 B=2d=
接管外侧有效补强高度度
由于S==3.44mm,
需要补强面积
可以作为补强面积为

=2×30.08×(4.1-0.787)×130/170 =152.4（）
+=868.6+152.4=1021> A=518.75
该接管补强强度足够，不需另设补强构造。

排净口接管依照工艺设计给定接管公称直径50，选用574无缝钢管，考虑实际状况选20号热轧碳素钢管 []=130 ，C2 =1mm。
接管计算壁厚
接管有效壁厚
开孔直径
接管有效补强宽度 B=2d=
接管外侧有效补强高度度
由于S==3.44mm,
需要补强面积
可以作为补强面积为

=2×14.45×(2.4-0.282)×130/170 =46.81（）
+=298.37+46.81=345.18> A=179.57
该接管补强强度足够，不需另设补强构造。

7、固定管板计算

固定管板厚度设计采用BS法。
假设管板厚度 b=70
总换热管数量 n=823
一根管壁金属截面积为
a=
开孔强度削弱系数（双程）
两管板间换热管有效长度（除掉两管板厚）L取6000
计算系数K

K=3.32
按管板简支考虑，依K值查文献[1]图4-45、图4-46、图4-47
得 G1=2.5， G2=-0.57， G3=2.3
管板最大应力

筒体内径截面积
管板上管孔所占总截面积，
系数
系数
壳程压力 Ps=1.1
管程压力 Pt=1.12
当量差 Pa=Ps-Pt(1+)=1.1-1.12（1+0.22）=-0.2664
管子最大应力

管板采用Q235A =130
换热管采用20号碳素钢 130
管板，管子强度校核
=-0.66<1.5[]r=1.5×130=195
=-1.22<
管板计算厚度满足强度规定。
考虑管板双面腐蚀取C2=4 ，隔板槽深取4，查阅原则实际管板厚度取为78。

8、无折边球封头计算

浮头盖上无折边球形封头计算按外压球壳计算，根据GB151-89办法计算。选用16MnR板，封头Ri=750mm，壁温为550。
假设名义厚度为Sn=18mm，双面腐蚀取C2=3，
钢板负偏差C1=1.2mm，
当量厚度Se=Se-C=18-3-1.2=13.8mm，
封头外半径R0=Ri+Sn=750+18=768mm，
R0/Se=768/13.8=56.7， 计算A

根据所选16MnR材料、壁温、A系数查外压圆筒、球壳厚度计算图得B=162。
计算许用外压力[p]==2.96Mpa，
[p]>ps=1.1MPa，计算值可用。

9、管子拉脱力计算
=11.2、 Mpa、
管子尺寸 管间距 25mm
管壳壁温差 胀接长度 =41mm
在操作压力下，每平方米胀接周边所产生力
式中

而温差应力导致每平方米胀接周边上脱力，
式中，

<<[p]
由于管子核管板连接采用胀焊组合，管子许用拉脱力远不大于材料许用应力[p]
因而，拉脱力在许用应力范畴内。

四、设计汇总

表3-4设计汇总表：
名称
尺寸/ mm
材料
名称
尺寸/
材料
筒体壁厚
12
16MnR
管程接管

20
外盖头短节厚
12
16MnR
固定管板厚
78
20
外盖头封头厚
12
16MnR
浮头管板厚
40
16MnR
管箱短节厚
12
20
钩圈总厚
60
16MnR
管箱封头厚
12
20
无折边球封头厚
18
16MnR
管箱分隔板厚
10
20
浮头法兰厚
64
16MnR
壳程接管

20

五、设计体会

方案设计初期，只考虑了设计可行性，忽视了加工制造难度，导致设计某些零部件无法加工，不得不重新设计，挥霍了大量时间和精力。设计中过度考虑安全因素，某些构造参数设立过大，导致材料用量增长，这样虽然保证了刚度、强度，却增长了制导致本，使综合性价比有所下降。
在指引教师指引和协助下，通过两个星期不懈努力，我顺利完毕了本次课程设计。在此，我要感谢我指引教师，姜国平教师，感谢您在我设计过程遇到疑问时耐心细致解说。姜教师以高度责任心、渊博知识、严谨治学态度和对学生学业奉献精神，为咱们营造了浓厚学术氛围，她谆谆辅导让咱们受益匪浅。在本课题完毕过程中，姜教师既积极参加，对咱们不懂问题认真解答，又充分发挥了咱们想象力和动手能力，锻炼了咱们创造能力，培养了咱们一丝不苟工作作风。
最后，我还要感谢所有协助过我同窗。在此，祝愿所有始终关怀和协助我教师同窗在此后工作、学习和生活中事事如意！

参照文献

【1】《化工单元过程及设备课程设计》 匡国柱、史启才主编，化工工业出版社
【2】《过程设备机械设计》 潘红良主编，华东理工大学出版社
【3】《过程设备设计》 郑津洋主编，化工工业出版社
【4】《化工设备设计全书》 秦叔经主编，化工工业出版社
【5】《过程装备成套技术设计指南》黄振仁主编，化工工业出版社
【6】《化工设备设计基本》谭蔚主编，天津大学出版社