浮头式换热器设计简介

浮头式换热器设计（PN 1.4/1.2;W=45T/h）

过程装备与控制工程 10150324 李扬 王文江、吴健 工程师

摘 要

列管式换热器在化工、石油等行业中广泛应用。本设计是关于浮头式换热器的设计，主要进行了换热器的工艺计算、换热器的结构和强度设计。

设计前半部分是工艺计算：主要有设计条件估算换热面积，从而进行选型、校核传热系数，计算出实际换热面积，最后压力降和壁温的计算。设计后半部分是关于结构和强度的设计：主要是根据已经选定的换热器形式进行设备内个零件部件的设计，包括：材料选择、具体尺寸确定、具体位置确定、管板厚度计算、开孔补强、计算拉脱力、震动计算等等。最后设计结果通过35张图纸表现出来。

关键词：浮头式换热器；工艺设计；结构设计 ；

Abstract

Tube type heat exchanger is widely used in chemical industy petrochemical industy and so on.This design work is floating head heat exchanger design calculation ,which include technology calculate of heat exchange ,the struclure and intensity of heat exchanger.

The first part of design is the technology calculation process .Mainly ,the process of technology calculate is according to the given conditions to extimate the heat exchanger area,and then,select a suitable heat transfer area.The secondhalf of the design is about the structure and intensity of the degign,This part is just on the select type of heat exanger to design the heat ehchanger is components and part. T

his

part

design mainly include,the choice of materials identify specifics size.identify specific location ,the thickeness calculate of tube sheet,the thickness .In the end,the finalresults through 35 maps to display. Key Words: floating head heat exchanger; total design; structural design. floating head planting

一、浮头式换热器基本理论

（一）工作原理

浮头式换热器属于间壁式换热器，其换热管内构成的流体通道称为管程，换热管外构成的流体通道称为壳程。管程和壳程分别通过两不同温度的流体时，温度较高的流体通过换热管壁将热量传递给温度较低的流体，温度较高的流体被冷却，温度较低的流体被加热，进而实现两流体换热工艺目的。 （二）主要特性：

浮头式换热器的一端管板固定在壳体与管箱之间，另一端管板可以在壳体内自由移动，这个特点在现场能看出来。这种换热器壳体和管束的热膨胀是自由的，管束可以抽出，便于清洗管间和管内。其缺点是结构复杂，造价高（比固定管板高20%），在运行中浮头处发生泄漏，不易检查处理。浮头式换热器适用于壳体和管束温差较大或壳程介质易结垢的条件。 （三）构成

浮头式换热器由管箱、壳体、管束等主要元件构成。管束是管壳式换热器的核心，其中换热管作为导热元件，决定换热器的热力性能。另一个对换热器热力性能有较大影响的基本元件是折流板（或折流杆）。管箱和壳体主要决定管壳式换热器的承压能力及操作运行的安全可靠性 二、换热器设计条件

浮头式换热器的设计条件见表2-1，表2-2：

表2-1 介质 最高工作压力（绝）（MPa） 入口温度（℃） 入口温度（℃） 处理量（吨/小时） 物 理 参 数 介 质 原油 1.2 70 110 45 表2-2

柴油 1.4 180 125 / 密度 （kg/m3） 849 730 动力粘度 （Ns/㎡） 2.54×10 0.68× 10 ?3比热 （kJ/kgK） 2.207 2.491 导热系数 （W/mK） 0.128 0.130 原油 柴油 三、换热器设计过程

?3（一）工艺设计

根据所给的设计数据计算（热流体柴油走管程，冷流体原油走壳程），确定换热器的公称直径DN=600mm，实际排管数n=192根（不包括4根拉杆），换热管长l=6m，规格为Φ25×2.5mm的无缝钢管，实际换热面积A实=88.925㎡，单管程，换热管排列方式为正方形转45°角排列，管心距s=32mm，设有折流板38个，其中内折流板5个，异形折流板2个，单弓形折流板31个，管程和壳程阻力损失均小于100kpa而大于10kpa，满足设计要求。 2.换热器核算结果见表3-1：

表3-1 换热器核算结果 主要表面传热传热温传热系数 面积裕流速 污垢热阻阻力 热流量 计算系数［w/差 ［w/度 2（m/s） （K/w） （Pa） （KW） m结果 （m2K）］ （℃） （m2K）］ （%） 管程 0.767 762.827 0.00034 16233.3 1103.5×56.31 258.46 11.76% 10?3 壳程 0.56 712.05 0.00034 43173.2 （二）浮头式换热器零部件的工艺结构设计

1.浮头式换热器的主要零部件有分程隔板、折流板、拉杆、定距管、滑道、法兰、管板、垫片、鞍座、导流筒及接管等，主要受力元件有：封头、管箱、壳体、外头盖、换热管等。各零部件工艺结构设计结果见表3-2：

表3-2

名称 材料 厚度（mm） 名称 材料 厚度（mm） 分程隔板 Q235-A 8 滑道 Q235-A 18 折流板 Q235-A. 5 容器法兰 16Mn / 拉杆 10 φ16 管法兰 20 / 定距管 10 φ25X2.5 导流筒 Q235-A 5 鞍座 Q345-A /Q235-B / 接管 20 φ159X8 换热管 10 φ25X2.5 浮动管板 Q345R 50 管箱封头 Q345R 8 固定管板 Q345R 50 管箱短节 Q345R 10 外头盖短节 Q345R 10 浮动法兰 Q345R 66 外头盖封头 Q345R 12 钩圈 Q345R 66 壳体 Q345R 10 球冠形封头 Q345R 10 垫片 / 3 2. 本台浮头式换热器浮头端采用B型钩圈式浮头，其详细结构如图3-1所示，而浮头盖采用了球冠形封头。

1—外头盖侧法兰；2—外头盖垫片；3—外头盖法兰；4—钩圈；5—短节； 6—排气口或放液口；7—浮头法兰；8—双头螺柱；9—螺母；10—封头；

11—球冠形封头；12—分程隔板；13—垫片；14—浮动管板；15—挡管；16—换

热管

图3-1 钩圈式浮头

（三）浮头式换热器的结构设计

根据GB151-1999的规定对管箱、壳程圆筒、管板、折流板、分程隔板的结构尺寸进行设计，选定换热管、拉杆、定距管的结构和规格尺寸，确定管板与壳程圆筒、管箱圆筒和换热管与管板的连接形式如下：

1.管板与壳体、管箱、浮头盖的连接

浮头式换热器中管板与壳体、管箱、外头盖的连接均为可拆连接。

固定管板连接形式是用管箱法兰和管箱侧法兰将其夹持固定，为防止管板周向移动，选用两个防松支耳与带肩双头螺柱在管板直径方向对称安装，二者配合固定管板。

浮动管板连接形式是用浮动法兰和钩圈将其夹持固定，用螺栓连接。 壳体与外头盖用法兰连接。 2.换热管与管板的连接

换热管与管板采用强度焊加贴胀的连接形式，焊接提供拉脱力，胀接保证密封，防止间隙腐蚀。采用先焊后胀的工艺，防止胀接留下的油污影响焊接质量。胀接与焊接接头要有一定的距离，本设计中为15mm，防止胀接破坏焊缝。 （四）强度计算

根据GB150-2011的强度计算及校核要求对壳程筒体、管箱筒体的壁厚、开孔补强和水压试验进行计算；对封头的规格、厚度以及水压试验校核进行了计算；在考虑到开孔削弱的前提下对管板的厚度进行了计算；同时也对换热管与管板连接时的拉脱应力（强度焊加贴胀）进行了核算。

四、总结

本次设计任务是管壳式换热器设计，从前期计算到其他零部件的选取，我们不再像以往一样依靠老师的教授，而更多的是通过自己查阅资料文献，以及大家交流讨论，最后确定方案进而得到设计成果。在查阅过程中，我认识到往往生产实际情况是很复杂的而不像是理论上的环境因素那样简单，因此往往我们要考虑很多因素的综合作用，然后选择数据和公式进行计算。其次是工程上的可行性是很重要的，就像对于相同条件，可能几种材料都符合生产要求，但是我们要考虑到设备的经济性，在满足要求的条件下，权衡利弊用最少的消耗获得最大的成果。在这通过此次设计任务我们对工业设计有了初次的感性认识，对以后的工作实践有着很重要的作用。

参考文献

[1] GB150-2011 钢制压力容器.国家质量技术监督局发布,2011. [2] GB151-1999 管壳式换热器.国家质量技术监督局发布,1999. [3] 压力容器安全技术监察规程，1999年； [4] JB/T4700～4707-2000 压力容器法兰.

[5] JB/T4718－92 管壳式换热器用金属包垫片. [6] JB/T4721－92 外头盖侧法兰. [7] JB/T4712－2007 鞍式支座.

[8] HG20592～20635－97 钢制管法兰、垫片、紧固件. [9] JB/T4746－2002 钢制压力容器用封头.

[10] JB/T4726－2000压力容器用碳素钢和低合金钢锻件. [11] 谭天恩,化工原理.北京:化学工业出版社,2006.4

[12] 王志文,化工容器设计. 北京:化学工业出版社,2005.4

[13] 匡国柱,化工单元过程及设备课程设计（第二版）. 北京:化学工业出版社,2007.10

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/1rg5.html