换热器设计报告

本科毕业设计说明书

乙炔反应器出料冷却器设计

ACETYLENE REACTOR DISCHARGING

COOLER DESIGN

学院（部）： 专业班级： 学生姓名： 指导教师：

2012年 06 月 05

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乙炔反应器出料冷却器设计

摘要

合成乙炔工业中，对出料进行冷却是工艺中的一个重要环节，因而冷却器是该工业中的必备设备。本设计从生产实际出发，根据生产环境及生产能力的需求，选择合适的换热器类型，然后根据具体生产工况，按相关设计规范，进行基于整体结构的工艺设计，再对相关辅助部件进行机械设计，最终设计出一台满足要求的换热器。浮头式换热器是管壳式换热器系列中的一种，它的特点是两端管板只有一端与外壳固定死，另一端可相对壳体滑移，称为浮头。浮头式换热器由于管束的膨胀不受壳体的约束，因此不会因管束之间的差胀而产生温差热应力，另外浮头式换热器的优点还在于拆卸方便，易清洗。设计的前半部分是工艺计算部分，主要设根据设计传热系数.压强校核.壳程压降.管程压降的计算。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（如壳体. 折流板.分程隔板.拉杆.进出口管.浮头箱.浮头.支座.法兰.）的设计

关键词:工艺设计，机械设计，开孔补强

I

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ACETYLENE REACTOR DISCHARGING

COOLER DESIGN

ABSTRACT

Synthesis of ethylene industry, the discharge of cooling is an important link in the process which makes cooler be the necessary equipment in this industry. The design comes from the actual production. we will choose the proper type of heat exchanger according to the production environment and production needs. Then complete the process design and related auxiliary parts of machinery design, according to the relevant specifications and design according to the design specification. Finally, to complete the task of designing the heat exchanger, Floating head type heat exchanger is a shell and tube heat exchanger in the series, it is characterized by both ends of the tube plate and shell is fixed only at one end, the other end can be relative to the casing slip, known as the floating head. Floating head type heat exchanger tube bundle from the shell due to expansion of the constraints, thus not due to differential expansion between tube bundles arising from thermal stress, The first is the process design calculation section, established according to the design of the heat transfer coefficient. Shell-side pressure drop calculation of pressure drop of tube. The latter part of the design is the design of the structure and strength, are mainly based on the heat exchanger type has been selected for equipment parts (such as a casing. Pipe box fixed tube plate. Pass partition. Pull rod. The floating head flange.)

KEYWARDS：Process design, mechanical design, opening reinforcement

II

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目录

摘要................................................................ I ABSTRACT........................................................... II 1绪论 .............................................................. 1 1.1 换热器概述...................................................... 1 1.2 浮头式换热器.................................................... 2 2 换热器设计........................................................ 3 2.1 换热器计算方法依据.............................................. 3 2.2 换热器工艺设计计算.............................................. 3 2.2.1 确定设计方案................................................ 3 2.2.2定性温度和物性参数计算 ...................................... 3 2.3初选结构 ........................................................ 4 2.3.1管排列方式 .................................................. 4 2.3.2管子外径 .................................................... 5 2.3.3折流板的选择 ................................................ 7 2.3.4校核总换热系数 .............................................. 7 3、换热器的机械设计计算............................................ 10 3.1换热流程设计 ................................................... 10 3.1.1管子和传热面积 ............................................. 10 3.1.2壳体 ....................................................... 10 3.2.前端管箱筒体计算............................................... 11 3.2.2前端管箱封头的设计计算 ..................................... 13 3.2.3外头盖筒体计算 ............................................. 14 3.2.4外头盖封头计算 ............................................. 15 3.2.5浮头设计计算 ............................................... 16 3.2.6壳程外压作用下浮头盖的计算 ................................. 18 3.2.7管板的设计计算 ............................................. 19 3.2.8接管及开孔补强计算 ......................................... 25 4其他结构选择 ..................................................... 27 4.1.1换热器支座选择和设计 ......................................... 27

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4.1.2法兰选择 ..................................................... 30 4.1.3拉杆的选取 ................................................... 31 4.1.4防冲与导流 ................................................... 32 4.1.5安装与拆卸 ................................................... 33 总结............................................................... 34 主要参考文献....................................................... 35 致谢............................................................... 40

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1绪论

1.1 换热器概述

换热器是国民经济和工业生产领域中应用十分广泛的热量交换设备。 随着现 代新工艺、新技术、新材料的不断开发和能源问题的日趋严重，世界各国已普遍 把石油化工深度加工和能源综合利用摆到十分重要的位置。换热器因而面临着新 的挑战。换热器的性能对产品质量、能量利用率以及系统运行的经济性和可靠性 起着重要的作用，有时甚至是决定性的作用。目前在发达的工业国家热回收率已 达 96%。换热设备在现代装置中约占设备总重的 30%左右，其中管壳式换热器仍然占绝对的优势，约 70%。其余 30%为各类高效紧凑式换热器、新型热管热泵和蓄热器等设备，其中板式、螺旋板式、板翅式以及各类高效传热元件的发展十分迅速。[1] 在继续提高设备热效率的同时，促进换热设备的结构紧凑性，产品系列化、标准化和专业化，并朝大型化的方向发展。浮头式换热器是管壳式换热器系列中的一种，换热管束包括换热管、管板、折流板、支持板、拉杆、定距管等。换热管可为普通光管，也可为带翅片的翅片管，翅片管有单金属整体轧制翅片管、双金属轧制翅片管、绕片式翅片管、叠片式翅片管等，材料有碳钢、低合金钢、不锈钢、铜材、铝材、钛材等。壳体一般为圆筒形，也可为方形。管箱有椭圆封头管箱、球形封头管箱和平盖管箱等。分程隔板可将管程及壳程介质分成多程，以满足工艺需要。管壳式换热器主要有固定管板式，U型管式和浮头式换热器。针对固定管板式与U型管式的缺陷，浮头式作了结构上的改进，两端管板只有一端与外壳固定死，另一端可相对壳体滑移，称为浮头。浮头式换热器由于管束的膨胀不受壳体的约束，因此不会因管束之间的差胀而产生温差热应力。浮头式换热器的优点还在于方便拆卸，清洗方便，对于管子和壳体间温差大、壳程介质腐蚀性强、易结垢的情况很能适应。其缺点在于结构复杂、填塞式滑动面处在高压时易泄露，这使其应用受到限制，适用压力为：1.0Mpa～6.4Mpa。

换热器（热交换器）是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，换热器按传热方式的不同可分为混合式（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）、蓄热式（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）和间壁式（随间壁式换热器的冷、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）三类[2]。

在我国换热器的制造技术远落后于外国，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

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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。

在我国随着经济快速发展的同时，各种不同型式和种类的换热器发展很快，新结构、新材料的换热器不断涌现。为了适应发展的需要，我国对某些种类的换热器已经建立了标准，形成了系列。完善的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。

所谓提高换热器性能，就是提高其传热性能。狭义的强化传热系数指提高流体和传热之间的传热系数。其主要方法归结为下述两个原理：温度边界层减勃和调换传热面附近的流体。

因此最近十几年来，强化传热技术受到了工业界的广泛重视，得到了十分迅速的发展，凝结是工业中普遍遇到的另一种相变换热过程，凝结换热系数很高，但经过强化措施还可以进一步提升换热效率。

1. 管外凝结换热的强化 （1）冷却表面的特殊处理 （2）冷却表面的粗糙化 （3）采用扩展表面 2. 管内凝结换热的强化 （1）扩展表面法 （2）采用流体旋转法 （3）改变传热面形状 1.2 浮头式换热器

浮头式换热器的一端管板与壳体固定，一端的管板可在壳体内自由浮动，壳体和管板对热膨胀是自由的，因此当两种介质温差较大时，管束与壳体之间不产生温差应力。浮头端设计成可拆结构，使管束能容易地插入或抽出壳体，这样方便清洗和检修。由于此类换热器结构复杂，而且浮动端小盖在操作时无法得知其泄漏情况，所以在安装时应特别注意其密封。首先，通过换热计算确定换热面积与管子的根数初步选定结构。然后按照设计的要求以及一系列国际标准进行结构设计，在结构设计时，要考虑许多因素，例如传热条件、材料、介质压力、温度、流体性质以及便于拆卸等等[3]。

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2 换热器设计

2.1 换热器计算方法依据

由于换热器不仅是一种把热量从一种流体传递到另一种流体的专用设备，而且还是一种压力容器，所以在上个世纪较长的时间里，换热器各个部件的设计和计算都是由压力容器标准，特别是ASME标准提供依据的，但其主要部件：管板，却没提供设计和计算的依据。我国的管壳式换热器管板设计计算最早出现于TH2-59标准中，1972年颁布的JBll45-71也包含有关管板设计计算的内容。参照TEMA和日本JISB8249标准，根据钢制石油化工压力容器相关设计规定和钢制列管式换热器相关技术条件和我国多年来在管壳式换热器设计、制造、安装、使用和维护等方面的经验，于1989年颁布文献[11]的前版本：GBl51—1989。该标准同时遵守文献[10]和劳动部颁布的《压力容器安全监察规程》的有关规定[4] 2.2 换热器工艺设计计算

管壳式换热器的工艺设计，必须考虑很多因素，如材料、压力、温度、壁温差、结垢情况、流体性质以及检修与清理等，通过各种因素的综合考虑及比较来选择某一种适合的结构形式，并且按工艺特定的条件进行设计，以满足工艺上的需要。

2.2.1 确定设计方案

两流体温度变化情况：热流体是乙炔，进口温度116.7 oC，出口温度40oC；冷流体（循环水）进口温度30 oC，出口温度38.5oC。

2.2.2定性温度和物性参数计算

水的定性温度：

t=38.5?30=34.250C 2（1）

水的密度：ρ2=995.7kg/m3 水的比热：Cp2=4.174kJ/kg℃ 水的导热系数：k2=0.686W/m℃ 水的粘度：μ2=801.5×10-6 水的柏朗特数：Pr2=5.42 乙炔的定性温度：

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t=116.7?40=78.350C 2（2）

乙炔密度：ρ1=1.261 kg/m3 乙炔比热：Cp1=1.222 kJ/kg℃ 乙炔导热系数：k1=1.25 W/m℃ 乙炔粘度：μ1=9.85×10-4 乙炔柏朗特数：Pr1=0.963 2.3初选结构

有效平均温差计算

由于逆流的传热效果比并流好，故在此选用逆流操作 逆流平均温差?tN??t大??t小ln(?t大?t小)?76.7?8.5?30.123?C 76.7ln8.5参数R: R?t1??t1??116.7?4076.7???9.024 ???t2?t238.5?308.5???t2?t238.5?308.5???0.098 参数P：P??116.7?3086.7t1??t2 换热器按照双壳程四管程设计，查GB151图F2（b）可得温差校正系数： ?=0.9 5，则有效平均温差?tm????tN?0.95?30.123?28.617?C 在此温度下水的密度为：?水=995.7kgm3

水的比热容：CP?4.174KJKG.0C 查相关资料取总传热系数K?300w?m0C 化工原理16P表4-7

??

2.3.1管排列方式 ：

管子在管板上的排列方式，应力求均布、紧凑并考虑清扫和整体结构的要求。基本的排列方式有五种：

等边三角形。其一边与流向垂直，是最常用的形式。与正方形排列相比传热

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系数高，可节省15%的管板面积。适用于不生污垢或可用化学清洗污垢以及允许压降较高的工况；

转角三角形。三角形的一边与流向平行，其特点介于等边三角行和正方形两种排列之间，不宜用于卧式冷凝器，因下方管子形成的厚度越来越厚的凝膜会使传热削弱；

正方形排列最不紧凑，但便于机械清扫，常用于壳程介质易生污的浮头式换热器；

对于多管程换热器常采用组合排列法，每程均属正三角形排列，而各层面间呈正方形排列，以便于安排分程隔板[5]。

图2-1，排管方式简图

综合比较以上几种布管方式，可采用组合排列形式.采用正方形. 2.3.2管子外径

对一定的传热面积而言，传热管径越小，换热器单位体积的传热面积越大。对清洁的流体，管径可取小些，而对黏度较大或易结垢的流体，考虑管束的清洗方便或避免管子堵塞，管径可取大些。由已知设计条件知冷却水走管程，急冷油走壳程，故可取较小的管径。在此选取的无缝钢管d0=0.019m

作为换热管。

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热管中心距选择表2-1

[10].GB150《钢制压力容器设计标准》

管子内径：

di =d0-（2×2/1000）=0.015m（4）

由已知设计条件知换热面积A?1052.1m2，则总传热量

Q0?K?A??tm?300?1052.1?28.617?9.0324?106W

列管式换热器内常用流速气体为5~30m/s

取管内水的流速u=1m/s 则单根管子的传热量q=qm?Cp??t=?4di2????水?Cp??t=4.2739?103w

Q9.0324?106=2113.39 所需换热管根数n==q4.2739?103则取换热管根数N=2114根 则管子的长度为L=AN??d0=1052.12114?3.14?0.019=8.342m

经查换热管长度的系列标准取换热管长L?8m 管长：L=8 m

换热管中心距宜不小于1.25倍的换热管外径，根据换热管外径查管壳式换热器设计手册GB151表12可得换热管中心距S=25mm；分程隔板槽两侧相邻管中心距

Sn?38mm。

则管束中心换热管数：

Nc?1.1N?1.1?2114?54

取Nc=54根

故壳体内径：Di?S?Nc?1??2b'?25??54?1??2?1.5?19?1379mm

式中b'?管束中心线上最外层管的中心到壳体内壁的距离，一般取

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b'??1~1.5?d0，在此取b'?1.5d0，mm。

图2-2折流板简图

查标准取筒体公称直径Di=1600mm 长径比

L8??5 设计合理 Di1.52.3.3折流板的选择

常用的折流板和支撑板有弓形和圆盘两种。弓形折流板又可以分为单弓形、双弓形、三弓形。这里选用单弓形。

折流板的作用是可以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。常用的折流板形式有弓形和圆盘-圆环形两种，在这里选用弓形折流板。 即弓形折流板弓高：h?0.25Di?0.25?1600?400mm

折流板的最小间距宜不小于壳体内直径的15，且不小于50mm；最大间距应

11不大于壳体内直径。在这里取折流板间距：B?Di??1.6?0.533m

33L8折流板数量：nB??1??1?14.009

B0.533取nB=14

2.3.4校核总换热系数

（1）管程对流传热系数

?i?0.023?idiRe0.8Pr0.4

式中di——管子的内径，m； 管程雷诺数Re1?diu?水?0.015?1?10004?2.1?10

7.274?10-44.174?103?7.274?10-4??4.85

0.6265?水管程普朗特准数Pr1?故管程对流传

Cp1??水?水

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?i?0.023?idiRe0.8Pr0.4=0.023?0.6265?(2.1?104)0.8?4.850.4?5183.60.015

W/(m.0C)

（2）壳程对流传热系数

?d壳程流通截面积S?hDi?1?0t???19?2?0.533?1.6?1??0.2047m ????25??式中h——折流挡板间距，m； t——管中心距，mm。 乙炔流量qm2Q9.0324?106kg ???28.213scp2?T2?T1?4.174?103?76.7乙炔流速u2?qm2??2S??28.213?10.93ms

1.261?0.2047管子正三角形排列时当量直径

?32?2?de?4?t?d0?4?2???d0?

式中t——相邻两管中心距，m； d0——管外径，m。 所以

?32?2?de?4?t?d0?24????d0??4???1.7323.14??0.0252??0.0192?4?2??3.14?0.019??0.0173mRe2?deu2?2?2?0.0173?10.93?1.261?0.298?103 ?30.8?10查化工原理图4-53得

Nu2Pr2?13?u2??u?w???0.14?17

Pr2?cp2?2?1.222?103?0.8?10?3??1.834

0.533?0.14u?乙炔被冷却，取??2u?w??=0.95

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则 ?2?17 总传热系数

总传热热阻： K计=1bddd+Rd2+2?Rd12?2?2?dmd1?1d11?2dePr213?u2??u?w???0.1410.533?17???14.4?3?0.95?1200W/(m.0C)0.0173

式中dm?di?d00.019?0.015?m?0.017m 22计算得K计=342.34W/(m.0C)

传热面积

Q9.032?106??921.9m2 A计?K计??tM342.34?28..617

A1052.1??1.141 A计921.9即传热面积有14.1%的裕量

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3、换热器的机械设计计算

3.1换热流程设计

采用2壳程4管程的2-4型换热器。由于换热器尺寸较大，可以用一台，未考虑采用多台组合使用。管程分程隔板采用十字型结构，其主要优点是布管紧密。壳体分程采用纵向隔板。

图3-1 换热器隔板简图

3.1.1管子和传热面积

换热管除要求具有足够的强度外，当采用胀管法固定时，还要求管子有良好的塑性，避免因胀接而产生裂缝。焊接固定时，要求管子可焊性好，一般采用优质碳钢，以保证管子质量，一般对于无腐蚀性或腐蚀性不大的流体可采用10号钢和20号钢管，在强腐蚀性流体的情况下，可采用不锈钢（1Cr18Ni9Ti）、钢、铝等无缝管石墨管、聚四氟乙炔管等。由于水、油腐蚀性不大，故可采用碳钢，现选择20号钢的无缝钢管。

根据设计要求采用?19?2的无缝钢管 管子总数为2114根。其传热面积为：

F??d0LNt???0.019?8?2114?1008.96m2

3.1.2壳体

壳体材料除要满足一定的强度外，由于制造过程中经过卷板、冲压和焊接，故要求材料有一定的塑性和可焊性，一般采用含碳量较低的Q345R、16?nR等，现选用钢。

壳体内径Ds=1600mm 壳体壁厚：

??pDS?c t2[?]??p（50）

[?]t为壳体工作温度下的许用应力，已知壳程设计温度为415℃，根据碳钢

板许用应力，表查得[?]t=99.4

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?为焊缝系数，取?=1

p?1.25p1，p1为工作压力，p1=3.46MPa

c=3mm 则

1.25?3.46?1600?3?40.06mm

2?99.4?1?1.25?3.46??液压试验

对于内压容器，耐压试验的的目的是：在超设计压力下，考核缺陷是否会发生快速扩展造成破坏或开裂造成泄漏，检验密封结构的密封性能。 水压试验压力

pT?????pt????7.76Mpa

式中pT?耐压试验压力，Mpa；

P?压力容器的设计压力，Mpa ；

??耐压试验压力系数；对于钢和有色金属，液压试验时??1.25。

压力试验允许通过

的应力水平 ???T? 0.90 ?s =274.54mpa

试验压力下圆筒的应力?T = pT.(Di??e) =148.32mpa

2?e.?由于?T? ???T

所以满足条件 3.2.前端管箱筒体计算

?1?.由给定条件知、管程的设计压力p?3.46Mpa；焊接接头系数??0.85；

设计温度t?650C；腐蚀裕量C2?3.0mm。在此筒体的材料选择Q345R设计温度需用应力???=163Mpa 钢板负偏差C1=0.3mm 腐蚀余量C2=3.00mm

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筒体简图如下：

图3-2通体简图

计算厚度??pcDi2?????pct?3.46?1600?20.23mm

2?163?0.85?3.46可知筒体内径Di?1600mm查《化工压力容器设计——方法、问题和要点》时浮头式换热器筒体的名义厚度?n?26.0mm

所以有效厚度?e??n?C1?C2?10?0.3?3?6.7mm

对于内压容器，耐压试验的的目的是：在超设计压力下，考核缺陷是否会发生快速扩展造成破坏或开裂造成泄漏，检验密封结构的密封性能。 实验压力值pT?1.25p?2?液压实验

???t????1.25325=4.33Mpa 163t压力试验下允许通过的应力水平???

???t=0.9??s?=293Mpa

实验压力下圆筒的应力?T

?T?pT??Di??e?2?e?t?7.76??1600?22.7?2?22.7?0.85?181.9Mpa

校核?T???? 所以、合格。

?3?压力和应力计算

筒体的最大允许工作压力?pw?

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?pw??2?e????Di??et?2?22.7?163?0.85?3.88Mpa

1600+22.7筒体设计温度下的计算应力?t

??ttpc?Di??e?2?e?3.46??1600?22.7?2?22.7?123.7Mpa

?????163?0.85Mpa?138.6Mpa

校核?t?????所以满足要求

3.2.2前端管箱封头的设计计算 前端封头采用标准椭圆封头原因如下：

根据工艺条件的要求、和制作的难易程度和材料的消耗情况采用标准椭圆封头最合理。 标准椭圆封头如图

图3-3椭圆封头简图

椭圆形封头是由半个椭球面和短圆筒组成。直边段的作用是避免封头和圆筒的连接焊缝处出现径向曲率半径突变，以改善焊缝的受力状况。由于封头的椭球部分经线曲率变化平滑连续，故应力分布比较均匀，且椭圆形封头深度较半球形封头小的多，易于冲压成型，是目前中、低压容器中应用较多的封头之一。在此选择标准椭圆形封头

见过程设备设计127P封头设计

已知条件：计算压力

Pc=3.46Mpa设计温度65度、内径1600毫米、板材Q345R.

t、

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设计温度许用应力163Mpa 焊接接头系数0.85

标准椭圆形封头的形状系数公式：K

21??Di??K = ?2???? = 1.0

6??2hi????求封头的曲面高度hi

hi?11600Di==400mm 44KpcDi2?????0.5pct则封头的计算厚度

???1?3.46?1600?20.3mm

2?163?0.85?0.5?3.46封头的有效厚度

?e??n?C1?C2=23.6mmn 允许最大工作压力

?pw??2?e????KDi?0.5?et?2?23.6?163?0.85?3.963Mpa

1?1600?0.5?23.3比较可知:合格 3.2.3外头盖筒体计算 已知条件：计算压力

Pc=3.46Mpa设计温度t=65度、内径D=1600毫米、板材Q345R.

设计温度许用应力99.4Mpa 焊接接头系数1.0 钢板负偏差C1=0.3mm

腐蚀裕量的最小厚度应不小于3mm取腐蚀余量C2=3.0mm 计算厚度 封头的有效厚度

?e??n?C1?C2=43.8mmn

?2?液压实验

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对于内压容器，耐压试验的的目的是：在超设计压力下，考核缺陷是否会发生快速扩展造成破坏或开裂造成泄漏，检验密封结构的密封性能。 实验压力值pT?1.25p???t????1.25157=7.7Mpa 99t压力试验下允许通过的应力水平???

???t=0.9??s?=274.5Mpa

实验压力下圆筒的应力?T

?T?pT??Di??e?2?e?t?7.76??1600?43.8?2?43.8?1?163Mpa

校核?T???? 所以、合格。

?3?压力和应力计算

筒体的最大允许工作压力?pw?

?pw??2?e????Di??et?2?43.8?99?1?4.75Mpa

1600+43.8筒体设计温度下的计算应力?t

?t?tpc?Di??e?2?e?4.5??1600?43.8?2?43.8?94.5Mpa

?????99?1Mpa?99Mpa

校核?t?????所以满足要求 3.2.4外头盖封头计算

椭圆形封头是由半个椭球面和短圆筒组成。直边段的作用是避免封头和圆筒的连接焊缝处出现径向曲率半径突变，以改善焊缝的受力状况。[6]由于封头的椭球部分经线曲率变化平滑连续，故应力分布比较均匀，且椭圆形封头深度较半球形封头小的多，易于冲压成型，是目前中、低压容器中应用较多的封头之一。

15

t、

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在此选择标准椭圆形封头。 曲面高度hi?1Di4

式中，Di?封头内径，即封头直边段内径，mm。 所以hi?11Di??1700mm?425mm 44对于标准椭圆形封头，形状系数K?1

封头的材料仍选Q345R。封头的焊接形式采用双面全焊透，100%无损检测，即焊接接头系数??1.00。

假设材料的许用应力????99Mpa，则封头的计算厚度为：

t??pcDi2?????0.5pct?4.5?1700?39.08mm

2?99?1?0.5?4.5所以封头的有效厚度?e???C1?C2=42.38mm

考虑到封头与管箱筒体焊接的整体强度，故将封头的名义厚度也圆整为

?n?51mm。

当?n?51mm时，???没有发生变化，故?n?51mm合适。 满足最小厚度要求 压力试验:

最大允许工作压力?pw??2?e????KDi?0.5?ett?2?42.38?99?1?4.65Mpa1?1700?0.5?42.38

因为计算压力小于最大允许工作压力 所以合格

3.2.5浮头设计计算

根据GB151---1999《管壳式换热器》[7]选用钩圈式浮头，浮头端盖选用球冠形封头，根据换热器筒体内径Di?1600mm查GB151---1999《管壳式换热器》表46可得封头球面内半径Ri?1300mm.

浮头简图

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图3-4浮头简图

布管限定圆参数表3-1

换热器形式 布管限定圆直径 固定管板式/U形式 Di?2b3 浮头形式 Di?2?b1?b2?b? [10].GB150《钢制压力容器设计标准》

布管限定圆参数总表3-2

[10].GB150《钢制压力容器设计标准》

选择所用参数并绘制表格

布管限定圆参数表3-3

序号 1 2 项目 单位 数值 8 5 序号 5 6 项目 布管限定圆直径DL 垫片压紧力作用中心圆直径Dc单位 1531 数值 b b1mm mm mm mm 3 bnmm 20 7 封头球面内半径Ri 1300 mm

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4 b2mm 21.5 8 螺栓中心圆直径Db mm [10].GB150《钢制压力容器设计标准》

布管限定圆直径DL

DL=Di?2?b1?b2?b?=1600-2?5+21.5+8?=1531mm

浮头法兰和钩圈的内直径Dfi

Dfi?Di?2?b1?bn??1600?2??8?20??1544mm

浮头法兰和钩圈的外直径

Dfo?Di?80?1600?80?1680mm

外头盖内直径D

D?Di?100?1600?100?1700mm

浮动管板外径D0

D0?Di?2b1?1600?2?5?1590mm

3.2.6壳程外压作用下浮头盖的计算

用图算法设计球冠形封头:

计算压力pc?3.46Mpa，封头的材料仍选择Q345R。 封头材料的许用应力????99Mpa 焊接接头系数??1.0

取腐蚀裕量C2?3.0mm，厚度负偏差C1?0.3mm。 假设浮头盖的名义厚度?ns?51mm，则有效厚度

t?es??ns?C1?C2?51?0.3?3?47.7mm则 计算系数A?0.1250.125??0.0045

?Ri?es?27.25Ri?es?1300?27.25 47.7由A?0.0045，设计温度t?4150C用温度内插法查图《过程设备设计》图

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4-8可得系数B?110Mpa 则许用外压力?p??B?110?4.03Mpa 27.25?51mm合适。

?Ri?es??p??pc且两者相差不多，所以名义厚度?ns设计厚度下封头的计算应力

pc?Di??e?4?e3.46??1600?51?4?51????28.0Mpa??????99Mpat

满足强度要求。 3.2.7管板的设计计算

管板是管壳式换热器的主要部件。管板的设计是否合理对确保换热器的安全运行、节约金属材料，降低制造成本是至关重要的。由于管板受力情况复杂，影响管板强度因素很多，有管内、外压力，温度产生的力，法兰力矩和换热管的支撑力等影响，因此正确地进行管板分析是比较复杂的。在不同的假定下，可得到各种不同计算方法各计算结果，在此采用GB151标准中管板计算方法来设计计算管板。

（1）结构如图所示，

图3-5管板简图

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图4-6布管简图

本设计选择不带法兰的管板，管板通过垫片与壳体法兰和管箱法兰连接。结构如GB151-1999图18 a型管板所示。

Ad?在布管区内，因设置隔板槽和拉杆结构的需要，而未能被换热管支承的面积，

mm。对于正方形排列 Ad?n'S?Sn?S?

式中：S?换热管中心距, mm2；

Sn?隔板槽两侧相邻管中心距，mm； n'?沿隔板槽一侧的排管根数。 取n'?59

则Ad?n'S?Sn?S??59?25??38?25??19175mm2 换热管正方形排列的浮头式换热器， 管板布管区的面积为:

At?nS2?Ad?2114?252?19175?1340425mm2

n?换热管根数，根。 管板布管区内开孔后的面积为：

3.14?192A1?At?n?1340425?2114??741349.11mm2

44

20

?d2

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一根换热管管壁金属横截面积为：

a???t?d??t??3.14?2??19?2??106.76mm2 式中?t?换热管壁厚，mm。 管板布管区当量直径Dt

Dt?4At?4?1340425?1306.73mm

3.14?换热管的有效长度为：L

L?Lt?2?n?2l2

式中Lt?换热管长，mm。

?n?管板的名义厚度，mm；

l2?换热管与管板胀接长度或焊脚高度，mm。

根据换热管外径d0?19mm查《管壳式热交换器设计手册GB151》知管板最小厚度?min?0.75d0?0.75?19?14.52mm，在这里取?n?200mm。

在这里换热管和管板的连接方式选择焊接，参考《管壳式热交换器设计手册GB151》表33取l2?3.5mm。

换热管最小伸出长度表3-4

资料来源：[11].GB151《管壳式热交换器设计手册》

则L?Lt?2?n?2l2?8000?2?52?2?3.5?7889mm 管束模数为：Kt?Et?na L?Dt式中Kt?管束模数，Mpa；

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Et?设计温度下换热管材料的弹性模量；

Dt?管板布管区当量直径，mm。

换热管的材料选择10号钢（热轧处理），由于换热管既受管程温度作用，受壳程温度作用，取两者中较大的作为换热管的设计温度。查GB150-1998表F5得Et?180600Mpa 则Kt?Et?na180600?2114?106.76??3953.87Mpa L?Dt7889?1306.73~管束无量纲刚度Kt?Kt ??Ep式中??管板刚度削弱系数，一般可取?（一般可取??0.4）；

Ep?设计温度时，管板材料的弹性模量，Mpa。

同理查GB150-1998表F5可得Ep?166400Mpa 则Kt?~

Kt3953.87??0.0594 ??Ep0.4?166400~无量纲压力Pa?Pd1.5????rt

式中??管板强度削弱系数，可取??0.4；

Pd?管板设计压力，Mpa；

???r?设计温度时，管板材料的许用应力，Mpa。

管程设计压力pt?3.46Mpa，设计温度tt?650C 壳程设计压力ps?4.5Mpa，设计温度ts?4150C

管板材料选择16Mn钢。管板既受管程温度的作用也受壳程温度的作用，取两者中的较大者作为管板的设计温度。《过程设备设计》表D-5得 ???r?99Mpa参考GB151-1999《管壳式热交换器设计手册》取管程和壳程设计压力

tt

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较大者作为管板的设计压力，即pd?ps?4.5Mpa。则Pa?~

Pd1.5????rt?ps1.5????rt?4.5?0.0758

1.5?0.4?99系数?t?~13Dt1306.73??0.769 DG1700KtPa1~120.059413??1.417 0.0758121?1.30 0.769?t?根据

KtPa~13~120.05941311??1.417 ，??1.300.075812?t0.769 na2114?106.76??0.3044 A1741349.11系数??系数Cr??2Et?ts 式中?st?设计温度下换热管材料的屈服点，Mpa；

Et?设计温度下换热管材料的弹性模量，Mpa。

已查得Et?180600Mpa，查GB150-1998表得?st?99Mpa 则Cr??2Et?st?3.14?2?180600?189.66

99换热管的回转半径i

i?0.25d2??d?2?t??0.25?192??19?2?2??6.05mm 根据GB151-1999图32，

22

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图4-7换热管失稳当量长度简图

换热管失稳当量长度Lcr?320mm，故换热管稳定许用压应力为：

Lcr320??52.89?Cr?189.66 i6.05???cr??st?Lcri?97?52.66?1???1??????41.76Mpa 2?2Cr?2?2?189.66?由上述计算过程知pd?max?ps,pt??ps?4.5Mpa Pa?0.0758。

~，

管板的计算厚度??CDtPa?0.49?1306.73?0.0758?176.30mm 管程的腐蚀裕量Ct等于壳程的腐蚀裕量Cs即Ct?Cs?3mm；

查GB151-1999《管壳式热交换器设计手册》知隔板槽的深度宜不小于4mm。 所以在此取管板的管程侧隔板槽深h2?6mm，壳程侧结构槽深h1?6mm。 则?d???max?h1,Cs??max?h2,Ct??176.30?6?6?188.30mm??n?200mm 所以管板名义厚度取?n?200mm合格 （2）换热管轴向应力计算及校核

对于浮头式换热器，换热管轴向应力为:?t?式中pc?ps?pt?1???

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~?At1?p?p?pG?st?cwe? ??A?1?安徽理工大学毕业设计

只有壳程设计压力ps，管程设计压力pt?0时，pc?ps。 则

?t?

?At1?1291850??p?p?pG??4.5?4.5?0??2.2??43..54Mpa????cstwe?????A0.2833166593.83???1??t?43.54Mpa????cr 所以管板轴向应力校核合格 换热管与管板连接拉脱力

q??ta?17.24Mpa??q? ?dL所以管板满足强度要求

3.2.8接管及开孔补强计算

由于各种工艺和结构上的要求，不可避免地要在容器上开孔并安装接管。开孔以后，除削弱器壁的强度外，在壳体和接管的连接处，因结构的连续性被破坏，会产生很高的局部应力，给容器的安全操作带来隐患，因此压力容器设计必须充分考虑开孔的补强问题。

接管宜与壳体内表面平齐；对于不能利用接管（或接口）进行放气和排液的换热器，就在管程和壳程的最高点设置放气口，最低点设置排液口，其最小公称直径为20mm；立式换热器可设置溢流口。 接管直径计算

当圆筒内径Di?1500mm时，开孔最大直径d?1Di，且d?1000mm。 3壳程流体进出口接管：取接管内变换气流速为u=10.93m/s,则接管内径为

d?4qo4?4273??371.89 mm ?u3.14?10.93?3600查GB/T17395-2008取管子?541?70mm

管程流体进出口接管：取接管内循环水流速u=1.0 m/s,则接管内径为

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d?4qi?28 mm ?u查GB/T17395-2008取管子?71?25mm 外壳接管开孔补强计算 (1)设计条件

计算压力：Pc?4.5MPa 计算温度：415℃

接管实际外伸长度：200mm 接管实际内伸长度：0mm 接管焊接接头系数：1 接管腐蚀裕量：3mm 接管厚度负偏差：C1?0mm 接管材料许用应力：????99MPa

（2）开孔补强计算

?——壳体计算厚度，mm；

t??39mm

?t——接管计算厚度，mm；

?t?

Pcdi2?????Pct?4.5?371?8.628mm

2?99?1?4.5fr——接管材料强度削弱系数

接管与母材材料相同、所以接管材料强度削弱系数为0

d——开孔直径，mm；

d?di?2?nt?2(C1?C2)?371.89?2?8?2?(3?0)?361.89mm

B——补强区有效宽度，mm；

B?2d?2?361.89?723.78mm

h1——接管有效外伸长度，mm；

h1?d?nt?361.89?8?53.8mm

h2——接管有效内伸长度，mm；

h2?0

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A——开孔削弱所需的补强面积，mm2；

A?d??2??et?1?fr??361.89?39?2?39?5.2??1?0??14271mm2

A1——壳体有效厚度减去计算厚度之外的多余面积，mm2；A1??B?d???e????2?et??e????1?fr???723.78?361.89??51?39??2?5.2??51?39???1?0? ?2156mm2A2——接管有效厚度减去计算厚度之外的多余面积，mm2；A2?2h1??et??t?fr?2h2??et?C2?fr?11326mm2

A3——补强区内的焊缝面积，mm2；

1A3?2??8?8?64mm2

2Ae——有效补强范围内的计算补强截面积，mm2；

Ae?A1?A2?A3?64?2156?11271=13491mm2

因为Ae?A，所以不需另加补强。 结论：补强满足要求，不需另加补强。

4其他结构选择

4.1.1换热器支座选择和设计

鞍式支座如图2-9所示。鞍式支座在换热器上的布置，因L?3000mm，取

LB?(0.5~0.7)L。

图4-1 鞍式支座图

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在本换热器设计过程中，令LB?7000mm且令L'c?Lc?1000mm

查JB/T4712.1-2007标准，在DN1500mm~2000mm、120o包角重型带垫板或不带垫板鞍式支座结构：

鞍式支座结构表4-1

[12].JB/T4712.1-2007标准

卧式设备一般采用两个鞍座。这是因为基础水平高度有可能不一致，如果使用多个支座，将会造成支座反力分布不均匀，从而引起设备的局部应力增大，因此采用两个支座。

采用双支座时，一个鞍座为固定支座，地脚螺栓为圆孔；另一个鞍座为活动支座，地脚螺栓为长圆孔，配合两个螺母，第一个螺母拧紧后，倒退一圈，然后再用第二个螺母锁紧。这样，可以使设备在温度变化是自由伸缩。如图示：

δ4Ⅰ型Ⅱ型

图4-2 鞍式支座

JB/T4712.1-2007,鞍座BI 600-S 材料Q345R

置于对称分布的鞍座上卧式容器所受的外力包括载荷和支座反力。容器受重力作用时，双鞍座卧式容器可近似看成支承在两个铰支点上受均布载荷的外伸简

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支梁

支座的安放位置也有一定的标准，一般支座与壳体端面的距离A<0.2L，L为壳体的长度。

置于对称分布的鞍座上卧式容器所受的外力包括载荷和支座反力。容器受重力作用时，双鞍座卧式容器可近似看成支承在两个铰支点上受均布载荷的外伸简支梁[14]。在此次设计中我们对注满水时的静重情况进行校核计算。

鞍式支座结构数据表4-2

[10].GB150《钢制压力容器设计标准》

根据GB150钢制压力容器鞍座设计标准、公称直径为1600mm的容器、其鞍座的尺寸结构见表最后一条。

将鞍座的尺寸结构用表列出。

鞍座的尺寸结构表4-3

公称允直径 许DN 载荷 Q KN 鞍腹座 底 板 板 筋 板 垫 板 质量 kg e 弧长 带b1 ?1 ?2 l3 l1 b3 ?3 b4 ?4 l2 垫板 1600 796 250 1120 200 16 12 257 230 12 1870 320 10 40 960 146 [10].GB150《钢制压力容器设计标准》

鞍座高度 h 螺栓间距 增加100mm高度增加的质量,kg 18

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4.1.2法兰选择

压力容器法兰是压力容器的常用部件，是连接压力容器部件的基本元件。法兰应该是个组件，包括法兰垫片和连接螺栓或螺柱以及螺母。其作用是使不同的受压元件组合在一起，同时保证连接部位不产生泄露。[8]我国的压力容器法兰自成体系、目前最新的标准为JB/T4700-4707-2000<<压力容器法兰>>

压力容器法兰分类表4-4

[13].JB/T4700-4707-2000<<压力容器法兰>>

本次设计的换热器公称直径为1600mm，设计压力为4.5MPa,参考设计标准应当选择对焊法兰。 法兰分类

压力容器的法兰分类种类很多。按法兰的材料可分为：钢制法兰、有色金属法兰。 其他还有按制造工艺分类和按结构形式分类。

[13].JB/T4700-4707-2000<<压力容器法兰>>

一、 壳体法兰

我国压力容器行业，压力容器法兰分类主要按结构形式进行划分。本设计采用对焊法兰。

壳体接管采用平颈对焊法兰，由于管箱、壳体、浮头箱直径都不一样，因此

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在选用法兰时，不能只按标准选取。如图6为壳体与浮头箱的对接法兰，DN=1600mm的是按标准选取的。

二、接管法兰

管箱接管采用平颈对焊法兰，如图示：

图4-3 接管法兰

设计尺寸按化工机械标准设计 4.1.3拉杆的选取

常用的拉杆结构有两种，拉杆定距管结构和拉杆折流板点焊结构。这里选用拉杆定距管结构，适用于换热管外径大于或者等于19mm的管束。如图所示：

图4-4拉杆定距管结构简图

拉杆的直径和数量

拉杆的直径和数量可以按表43和表44选用

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拉杆的直径和数量表4-5

[11].GB151《管壳式热交换器设计手册》

因为换热管的外径为d=19mm

由表得拉杆直径选择为dn=12mm 进一步选择拉杆的数目nl=14

在保证大于或者等于表44所给定的拉杆中截面积的前提下，拉杆的直径和数量可以变动，但其直径不得小于10mm，数量不得小于4根。 拉杆的长度L按需要确定。在此设计中拉杆的长度为L=8m 拉杆的布置

拉杆应尽量均匀布置在管束的外边缘。对于大直径的换热器，在布管区内或者靠近折流板的缺口处应布置适当数量的拉杆，任何折流板应不少于3个支撑点。

图4-5拉杆简图

4.1.4防冲与导流 管程设置防冲板的条件

当管程采用轴向入口接管或换热管内流体流速超过3m/s时，应设置防冲板，以减少流体不均匀分布和对换热管端的冲蚀。因为本设计管内水流速为u=1m/s，

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所以不需要设计防冲挡板。 4.1.5安装与拆卸

设计中要考虑到安装问题，各零部件的结构不能影响整个装配体的安装，对于浮头式换热器，设计的初衷是可以拆下管束进行清洗。因此也要考虑到拆卸的问题，其安装步骤可概述如下：

第一步：焊接部件 将所有的焊接部件进行焊接，包括管箱，壳体，浮头箱，碟形盖，支座等；

第二步：安放折流板 将拉杆的一个螺纹端拧入固定管板的螺纹孔，拉杆都装好，然后每套入一组定距杆再装一组折流板，依次把折流板装在拉杆上，直到最后两块折流板装上后用螺母套在拉杆的另一个螺纹端拧紧固定；

第三步：安装管子将管子沿折流板的孔一根根穿入，并在固定管板上进行胀接。另一端装上浮动管板并进行胀接；

第四步：安装壳程隔板 先将壳程隔板两侧的偏心杆机构装好，将壳程隔板从管束侧面装入并将一头插入固定管板上安装隔板的槽中；

图4-6 安装示意图

第五步：安装壳体 将焊接好的壳体从浮动管板的那一端套入，使之前装好的组件（如图7示）完全装入壳体内，在壳程隔板的伸出端扭动偏心杆的摇柄使隔板两侧的密封填料挤紧，从而达到壳程的分程密封；

第六步：安装管箱 在固定管板端接已焊接好的管箱，将管箱法兰与壳体法兰对接用双头螺柱连接。在浮头端装上钩圈法兰和碟形盖，（钩圈法兰由两个半圆形构成，使其安装方便）用双头螺柱连接；

第七步：安装浮头箱 将浮头箱法兰与壳体法兰对接用双头螺柱连接； 第八步：安装支座 将支座焊接到壳体上。

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总结

通过六个月的辛苦努力，我的毕业设计终于圆满完成。虽然做的过程很辛苦，但是看到自己的成果，我感到很欣慰。作为大学四年的最后一道大作业——毕业设计，使我在各个方面都有了很大的提高，收获很大。具体表现在以下几个方面：通过在设计中经常查资料提高了我们检索和查阅资料的能力；进一步扎实了所学的理论知识，对所学基础知识和专业知识进行了一次综合应用和系统复习；思维方式和设计思想更加全面化和系统化。养成了勤学好问的习惯，敢于面对困难，能够独立的查找和解决问题，也提高了自己的创新能力。将理论知识和生产实际相结合，为以后的工作和学习打下了很好的基础.

在设计过程中，我通过查阅大量相关资料，与同学交流经验和自觉，并向老师请教等方式，使自己学到了不少知识，也经历了不少艰辛，但收获同样巨大。在整个设计中我懂得了许多东西，也培养了我独立工作的能力，树立了自信心，相信会对今后的学习工作生活有非常重要的帮助。设计大大提高了我的动手能力，使我充分体会到了在创造过程中探索的艰难和成功的喜悦。虽然这个设计做的也不是太好，但是在设计过程中所学到的东西是这次毕业设计的重大收获和财富，使我终身受益。

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主要参考文献

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安徽理工大学毕业设计

致谢

在做此毕业设计的过程中，本人得到了唐琼副教授的精心指导，正是因为老师不断的指导帮助，使我明确了设计方向，精化了相关设计步骤，使设计效率得到很大提高。其间与同学们的交流，也使有些问题得到较好的解决。在此感谢指导老师和同学们的帮助，感谢培养我四年的学校。

在设计过程中，我通过查阅大量相关资料，与同学交流经验和自觉，向老师请教等多种方式，使自己学到了不少知识，也经历了不少艰辛，收获颇丰。本次培养了我独立工作的能力，树立了自信心，相信会对今后的学习、工作、生活有着非常大的帮助。

设计提高了我的动手能力，使我充分体会到了在创造过程中探索的艰难和成功的喜悦。虽然这个设计做的也不是太好，但是在设计过程中所学到的东西是这次毕业设计的重大收获和财富，使我一生受益。

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安徽理工大学毕业设计

致谢

在做此毕业设计的过程中，本人得到了唐琼副教授的精心指导，正是因为老师不断的指导帮助，使我明确了设计方向，精化了相关设计步骤，使设计效率得到很大提高。其间与同学们的交流，也使有些问题得到较好的解决。在此感谢指导老师和同学们的帮助，感谢培养我四年的学校。

在设计过程中，我通过查阅大量相关资料，与同学交流经验和自觉，向老师请教等多种方式，使自己学到了不少知识，也经历了不少艰辛，收获颇丰。本次培养了我独立工作的能力，树立了自信心，相信会对今后的学习、工作、生活有着非常大的帮助。

设计提高了我的动手能力，使我充分体会到了在创造过程中探索的艰难和成功的喜悦。虽然这个设计做的也不是太好，但是在设计过程中所学到的东西是这次毕业设计的重大收获和财富，使我一生受益。

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