浮头式换热器.docx

浮头式换热器的设计
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、换热器的结构和强度设计。
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。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标准，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，结构设计分析。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。包括：设计计算、材料的选择、具体尺寸确定、确定具体位置、管板厚度的计算、浮头盖和浮头法兰厚度的计算、开孔补强计算等。最后绘制一张装配图，三张零部件图。

关键词：浮头式换热器；设计；校核；

Floating Head Heat Exchanger Design
Abstract
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. Therefore, the required small size, light weight, large capacity heat exchanger heat transfer equipment. 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;

目 录

1前 言 1
1.1 换热器的应用及其发展 1
1.2 换热器的分类及其特点 3
2 换热器的结构说明 6
2.1 换热器的选型和选材 6
2.2 浮头式换热器的结构及特点 8
2.3 管程结构 9
2.4 壳程结构 16
2.5 管板设计 24
2.6 膨胀节 28
2.7 管壳式换热器的振动与防止 29
3 计算部分 34
3.1 浮头式换热器筒体的计算 34
3.2 前后端封头的计算 37
3.3 管板的计算 39
3.4 螺栓的选择及强度校核 44
3.5 法兰的选择 45
3.6 浮头部分的计算 47
3.7 开孔补强计算 49
4 结 论 52
参 考 文 献 53
谢 辞 54

浮头式换热器的设计
1 前 言
换热器是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，又称热交换器。
换热器的应用广泛，它的主要功能是保证工艺过程对介质所要求的特定温度，同时也是提高能源利用率的主要设备之一。换热器既可是一种单独的设备，如加热器、冷却器和凝汽器等；也可是某一工艺设备的组成部分，如氨合成塔内的热交换器。
在石油、化工、轻工、制药、能源等工业生产中，常常需要把低温流体加热或者把高温流体冷却，把液体汽化成蒸汽或者把蒸汽冷凝成液体。这些过程均和热量传递有着密切联系，因而均可以通过换热器来完成。
1.1 换热器的应用及其发展
它是化工、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。在化工厂中，换热设备的投资约占总投资的10%～20%；在炼油厂中，约占总投资的35%～40%。
例如，如烟道气（约200～300℃）、高炉炉气（约1500℃）、需要冷却的化学反应工艺气（300～1000℃）等的余热，通过余热锅炉可生产压力蒸汽，作为供热、供气、发电和动力的辅助能源，从而提高热能的总利用率，降低燃料消耗和电耗，提高工业生产经济效益。
由于制造工艺和科学水平的限制，早期的换热器只能采用简单的结构，而且传热面积小、体积大和笨重，如蛇管式换热器等。随着制造工艺的发展，逐步形成一种管壳式换热器，它不仅单位体积具有较大的传热面积，而且传热效果也较好，长期以来在工业生产中成为一种典型的换热器。
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。为了强化传在研究和发展热管的基础上又创制出热管式换热器。
1.2 换热器的分类及其特点
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。
⑴ 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。
⑵ 蓄热式换热器
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。
⑶ 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。
⑷ 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。
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。
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。
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。
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。

3 计算部分

3.1浮头式换热器筒体的计算
3.1.1 计算条件
设计温度t=200℃
内径 钢板负偏差 材料名称 16MnR
腐蚀裕量 设计温度下许用应力[]t=170MPa
设计温度下屈服点 焊接系数
有GB6654《压力容器用钢板》，GB3531《低温压力容器用低合金钢板》规定，压力容器专用钢板偏差不大于0.25mm，因此使用标准钢板可取.
3.1.2 前端管箱筒体壁厚计算
（1）厚度计算
计算厚度：

设计厚度：
根据管壳式换热器对于低合金钢板的最小厚度要求，当 时，最小厚度为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：
名义厚度：
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：

水压试验校核：

0.9

3.1.3 后端管箱筒体壁厚计算：
（1）计算厚度

根据管壳式换热器对于低合金钢板的最小厚度要求，当 时，最小厚度为10mm,
名义厚度：
有效厚度：
（2） 压力及应力计算及水压试验校核
最大允许工作压力：

水压试验校核：

压力试验允许通过的应力水平：
0.9
试验压力下圆筒的应力：

合格
3.1.4壳程筒体壁厚计算：
=1.6 设计温度t=200℃ 内径 材料名称 16MnR
计算厚度 :

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 时，最小厚度为8mm,

有效厚度：

=0.9×345=310.5所以 合格。
3.2 前后端封头的计算
3.2.1计算条件
计算压力： =1.6
内径： ，；
设计温度： 200℃；
材料名称： 16MnR；
腐蚀裕量： ；
负偏差： ；
焊接系数： ；
设计温度许用应力：
本设计当中均采用标准椭圆型封头。
3.2.2 前端封头的厚度计算
（1）厚度计算：
； ；
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：

名义厚度：

有效厚度：

最大允许工作应力：

所以该厚度的前端封头满足使用要求。
3.2.3 后端封头的厚度计算
（1）厚度计算：
； ；
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：

设计厚度：

名义厚度：

有效厚度：

（2）压力试验应力校核
压力试验类型：水压试验
最大允许压力：

水压试验校核：

由于＜，所以该厚度的后端封头满足使用要求。

3.3管板的计算
3.3.1 符号说明
D-法兰外直径，mm；
Db-螺栓中心圆直径，mm；
Di-法兰内直径，mm；
FD-作用在法兰环内侧风头压力载荷引起的轴向分力，N；
FD=0.785PC
Fr-作用在法兰环内侧封头压力载荷引起的径向分力，N；
M0-总力矩，N·mm；
Pc-计算压力，MPa；
Ri-封头球面部分内直径，mm；
LD-螺栓中心至法兰环内直侧的径向距离，mm
Lr- Fr对法兰环截面形心的力臂，mm；
β1-封头边缘处球壳中面切线与法兰环直径的夹角（°）；
-封头计算厚度，mm；
f-法兰计算厚度，mm；

3.3.2 垫片的选择和计算
选缠绕垫片 材料 填料 石墨 压紧形式1a
尺寸

当

3.3.3管板结构参数及系数的确定
①.管子选中25×2.5 10号钢 管长 L=6000mm

实际管子数n=256根，采用转正方形排列，查表S=32mm Sn=40mm
②. 隔板面积：对于a型连接形式，转正方形

=4×（4978.03—2816+5883.13—3328+400—256）
=19444.64mm

na=256×3.14×（25-2.5）×2.5=45216mm

设管板的
查表 Et=186×1000Mpa Ep=196×Mpa

确定管板的设计压力

根据

管程侧：结构开槽
壳程侧：结构尺寸为零

系数

根据FB151---1999图32查算：

所以

因为 <
所以： 合格。
3.3.4 换热器的应力校核
由
①.当只有管程设计压力

所以 ： 合格。
②.当只有壳程设计压力

所以： 合格
③.当管程设计压力和壳程设计压力同时作用

所以： 合格。
3.3.5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

合格。

3.4 螺栓的选择及强度校核
3.4.1螺栓的选择
根据JB/T4707-2000 材料40MnB 个数26个

　　　　　m=3 y=69
（1）操作下的螺栓载荷

（2）预紧状态下螺栓载荷

3.4.2螺栓的强度校核
（1）预紧状态下需要的最小螺栓面积

（2）操作条件下需要的最小螺栓面积

螺栓根径：
实际螺栓面积：

螺栓的间距校核：

实际间距：

所以： 合格。
3.5 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，

3.5.1 法兰的力矩计算

(1)预紧状态的法兰力矩

(2)操作状态的法兰力矩

3.5.2法兰的应力校核
（1）轴向应力

所以： 合格。

（2）径向应力

所以： 合格。
（3）环向应力

所以 ： 合格。
3.6 浮头部分的计算
3.6.1 球冠形封头计算
选择球冠形封头的材料为16MnR Ri=60mm DN=700mm

(1)按内压设计 此时 Pc=Pt=1.6Mpa

(2)外压校核按GB150-1998中进行
a 假设厚度取内压

故

查GB150-1998图6-5 B=84Mpa
此时许用外压力
显然不满足壳程外压=1.6的要求
b 重设

查GB150-1998图6-5 B=98Mpa

所以 满足要求
(3)根据内，外，压计算校核的结果 取
3.6.2浮头法兰的计算
结构尺寸设计

螺栓M24 n=32个 螺栓材料根据TB/4707-2000为40MnB
垫片选用缠绕填料石墨 按JB/T4718-1992
垫片尺寸：

当

查GB150/1998表9-2 m=3.0 y=69Mpa

3.7 开孔补强计算
3.7.1符号说明
A--开孔削弱所需要的补强截面积，mm2；
B--补强有效宽度，mm；
Di--壳体内直径，mm；
d--开孔直径，mm；
fr--强度削弱系数
h1--接管外侧有效补强高度，mm；
h2--接管内侧有效补强高度，mm；
pc--计算压力，MPa；
S1--管孔的轴向节距，mm；
S2--孔带的单位长度，mm；
S3--管孔的对角向节距，mm；
--壳体开孔处的计算厚度，mm；
e--壳体开孔处的有效厚度，mm；
et--接管有效厚度，mm；
n---壳体开孔处的名义厚度，mm；
nt---接管名义厚度，mm；
t----接管计算厚度，mm；
[]t--设计温度下壳体材料的许用应力，MPa;
b---钢材标准抗拉强度下限值，MPa;
s---刚才标准屈服点，MPa;
-----焊接接头系数。
3.7.2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。
(1)接管的计算厚度

(2)开孔削弱截面A

(3)有效补强范围
有效宽度

补强区外侧高度

补强区内侧高度

(4)补强区补强金属面积
①壳体多余的金属面积

② 接管多余的截面积

③.焊缝金属截面积
所以 不需要补强。

4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。

参考文献
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谢 辞