毕业设计 毕业论文 管壳式换热器

河南理工大学万方科技学院本科毕业论文摘 要换热器是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，以实现不同温度流体间的热能传递，又称热交换器。换热器是实现化工生产过程中热量交换和传递不可或缺的设备。 本设计是以传热学为基础，根据热交换器原理与设计进行热力计算，参照GB 1511999标准选型设计出了一个有效换热面积为61.8，管外一程、管内二程（型）的浮头式煤气冷却换热器。 本毕业设计首先是热力计算，主要根据给定的设计条件估算换热面积，从而进行换热器的选型，校核传热系数，计算出实际的换热面积，最后进行压力降和壁温的计算。然后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（如折流板、拉杆、钩圈、浮头盖等）的设计。最后设计结果可通过表3-9和2张CAD图表现出来。 关键词：管壳式换热器 浮头式换热器 热力计算 浮头盖 浮头法兰 AbstractThe heat exchanger is part of the thermal fluid heat transfer equipment to the cold fluid, in order to achieve different temperature heat transfer fluid, also known as heat exchangers. The heat exchanger is the heat exchange process of the realization of the chemical production and delivery of essential equipment.This design is based on the heat transfer based on thermodynamic calculation based on the heat exchanger principle and design, reference GB of 151-1999 standard selection to design an effective heat transfer area is 61.8, outside the one-way pipe tube two of shell ( type) floating head gas cooling heat exchanger.This graduation project is first of all the thermodynamic calculation, according to the given design conditions to estimate the heat transfer area, thus the selection of the heat exchanger, check the heat transfer coefficient, to calculate the actual heat transfer area, and finally the pressure drop and wall temperature calculations. And then on the structure and strength of design, mainly based on the type of heat exchanger has been selected the design of the device components (such as baffles, rod, hook ring, floating head cover, etc.). The final design results shown in Table 3-9 and two CAD drawings.Key word: Shell-Tube heat exchanger, floating head heat exchanger, tube sheet, floating head planting, floating head flange.iii目 录摘 要I前 言11 换热器概述21.1 换热器的应用21.2 换热器的主要分类21.2.1 换热器的分类及特点21.2.2 管壳式换热器的分类及特点31.3 管壳式换热器特殊结构91.4 换热管简介91.5本章小结102 热力计算112.1 设计条件112.2 核算换热器传热面积112.2.1 流动空间的确定112.2.2 初算换热器传热面积122.2.3 总传热系数K的校验132.2.4 校核平均温差162.2.5 校核换热面积172.3 压力降的计算172.3.1 管程压力降172.3.2 壳程的压力降192.4 换热器壁温计算202.4.1 换热管壁温计算202.4.2 圆筒壁温的计算212.5 本章小结213 换热器结构设计与强度计算233.1 壳体与管箱厚度的确定233.1.1 壳体和管箱材料的选择233.1.2 圆筒壳体厚度的计算233.1.3 管箱厚度计算243.2 开孔补强计算263.3 水压试验263.4 换热管263.4.1 换热管的排列方式263.4.2 布管限定圆273.4.3 排管273.4.4 换热管束的分程283.4.5 换热管与管板的连接293.5 管板设计293.5.1 管板与壳体的连接293.5.2 管板计算293.5.3 管板重量计算363.6 折流板373.6.1 折流板的型式和尺寸373.6.2 折流板排列373.6.3 折流板的布置383.6.4 折流板重量计算383.7 拉杆与定距管393.7.1 拉杆的结构形式393.7.2 拉杆的直径、数量及布置403.7.4 定距管403.8 防冲板403.9 保温层413.10法兰与垫片413.10.1固定端的法兰与垫片413.10.2外头盖法兰与浮头垫片433.10.3 接管法兰型式与尺寸453.11 钩圈式浮头463.12 管箱接管位置的最小尺寸493.13 本章小结514 换热器的腐蚀、制造与检验534.1 换热器的腐蚀534.1.1 换热管腐蚀534.1.2 管子与管板、折流板连接处的腐蚀534.1.3 壳体腐蚀534.2 换热器的制造与检验534.2.1 总体制造工艺534.2.2 换热器质量检验544.2.3 管箱、壳体、头盖的制造与检验544.2.4 换热管的制造与检验554.2.5 管板与折流板的制造与检验554.2.6 换热管与管板的连接564.2.7 管束的组装564.2.8 管箱、浮头盖的热处理574.2.9 换热器水压试验574.3 本章小结57总 结59致 谢60参考文献61河南理工大学万方科技学院本科毕业论文前 言 在不同温度的流体间传递热能的装置称为热交换器,简称为换热器。在换热器中至少要有两种温度不同的流体，一种流体温度较高,放出热量；另一种流体则温度较低，吸收热量。在化工和石油化工厂中，传热既是最重要也是应用最多的过程。在换热器中，应用最多的是管壳式换热器，它是工业过程热量传递中应用最广泛的一种换热器。虽然管壳式换热器在结构紧凑型、传热强度和单位传热面积的金属消耗量方面无法与板式或板翅式等紧凑式换热器相比，但管壳式换热器适用的操作温度与压力范围较大，制造成本低，清洗方便，处理量大，工作可靠。鉴于本人所设计的煤气冷却换热器的热、冷流体的温度、压力以及处理能力，设计为浮头式换热器。 本设计根据给定参数的浮头式换热器的要求，查阅相关的设计手册，完成了浮头式换热器的热力计算和各个零部件的结构尺寸设计，并对壳体、支撑部件进行强度的校核。通过CAD制图软件，设计出了本换热器的二维机械工程图。使结构设计的表达更加直观，整个过程中可以边设计边优化，克服了传统浮头式换热器结构设计效率不高的缺点。1 换热器概述 过程设备在生产技术领域中的应用十分广泛，是在化工、炼油、轻工、交通、食品、制药、冶金、纺织、城建、海洋工程等传统部门所必需的关键设备，而换热设备则是广泛使用的一种通用的过程设备。在化工厂中，换热设备的投资约占总投资的10%20%；在炼油厂，约占总投资的35%40%。1.1 换热器的应用 在工业生产中，换热器的主要作用是将能量由温度较高的流体传递给温度较低的流体，是流体温度达到工艺流程规定的指标，以满足工艺流程上的需要。此外，换热器也是回收余热、废热特别是低位热能的有效装置。例如，高炉炉气（约1500）的余热，通过余热锅炉可生产压力蒸汽，作为供汽、供热等的辅助能源，从而提高热能的总利用率，降低燃料消耗，提高工业生产经济效益。 随着我国工业的不断发展，对能源利用、开发和节约的要求不断提高，因而对换热器的要求也日益加强。换热器的设计、制造、结构改进及传热极力的研究十分活跃，一些新型高效换热器相继面世。1.2 换热器的主要分类 在工业生产中，由于用途、工作条件和物料特性的不同，出现了不同形式和结构的换热器。 1.2.1 换热器的分类及特点 按照传热方式的不同，换热器可分为三类： （1）直接接触式换热器 又称混合式换热器，它是利用冷、热流体直接接触与混合的作用进行热量的交换。这类换热器的结构简单、价格便宜，常做成塔状，但仅适用于工艺上允许两种流体混合的场合。 （2）蓄热式换热器 在这类换热器中，热量传递是通过格子砖或填料等蓄热体来完成的。首先让热流体通过，把热量积蓄在蓄热体中，然后再让冷流体通过，把热量带走。由于两种流体交变转换输入，因此不可避免地存在着一小部分流体相互掺和的现象，造成流体的“污染”。 蓄热式换热器结构紧凑、价格便宜，单位体积传热面比较大，故较适合用于气-气热交换的场合。 （3）间壁式换热器 这是工业中最为广泛使用的一类换热器。冷、热流体被一固体壁面隔开，通过壁面进行传热。按照传热面的形状与结构特点它又可分为：1）管式换热器：如套管式、螺旋管式、管壳式、热管式等；2）板面式换热器：如板式、螺旋板式、板壳式等；3）扩展表面式换热器：如板翅式、管翅式、强化的传热管等。1.2.2 管壳式换热器的分类及特点 由于设计题目是浮头式换热器的设计，而浮头式又属于管壳式换热器，故特此介绍管壳式换热器的主要类型以及结构特点。 管壳式换热器是目前用得最为广泛的一种换热器，主要是由壳体、传热管束、管板、折流板和管箱等部件组成，其具体结构如下图所示。壳体多为圆筒形，内部放置了由许多管子组成的管束，管子的两端固定在管板上，管子的轴线与壳体的轴线平行。进行换热的冷热两种流体，一种在管内流动，称为管程流体；另一种在管外流动，称为壳程流体。为了增加壳程流体的速度以改善传热，在壳体内安装了折流板。折流板可以提高壳程流体速度，迫使流体按规定路程多次横向通过管束，增强流体湍流程度。 流体每通过管束一次称为一个管程；每通过壳体一次就称为一个壳程，最简单的单壳程单管程换热器。为提高管内流体速度，可在两端管箱内设置隔板，将全部管子均分为若干组。这样流体每次只通过部分管子，因而在管束中往返多次，这称为多管程；同样。为提高管外流速，也可以在壳体内安装纵向挡板，迫使流体多次通过壳体空间，称为多壳程。多管程与多壳程可以配合使用。 这种换热器的结构不算复杂，造价不高，可选用多种结构材料，管内清洗方便，适应性强，处理量较大，高温高压条件下也能应用，但传热效率、结构的紧凑性、单位传热面的金属消耗量等方面尚有待改善。 由于管内外流体的温度不同，因之换热器的壳体与管束的温度也不同。如果两流体温度相差较大，换热器内将产生很大的热应力，导致管子弯曲、断裂或从管板上拉脱。因此，当管束与壳体温度差超过50时，需采取适当补偿措施，以消除或减少热应力。根据所采用的补偿措施，管壳式换热器可以分为以下几种主要类型： （1）固定管板式换热器：其结构如图1-1所示。换热器的管端以焊接或胀接的方法固定在两块管板上，而管板则以焊接的方法与壳体相连。与其它型式的管壳式换热器相比，结构简单，同时制造成本较低。由于不存在弯管部分，管内不易积聚污垢，即使产生污垢也便于清洗。如果管子发生泄漏或损坏，也便于进行堵管或换管，但无法在管子的外表面进行机械清洗，且难以检查，不适宜处理脏的或有腐蚀性的介质。更主要的缺点是当壳体与管子的壁温或材料的线膨胀系数相差较大时，在壳体与管中将产生较大的温差应力，因此为了减少温差应力，通常需在壳体上设置膨胀节，利用膨胀节在外力作用下产生较大变形的能力来降低管束与壳体中的温差应力。 （2）浮头式换热器：其结构如图1-2所示。管子一端固定在一块固定管板上，管板夹持在壳体法兰与管箱法兰之间，用螺栓连接；管子另一端固定在浮头管板上，浮头管板夹持在用螺柱连接的浮头盖与钩圈之间，形成可在壳体内自由移动的浮头，故当管束与壳体受热伸长时，两者互不牵制，因而不会产生温差应力。浮头部分是由浮头管板，钩圈与浮头端盖组成的可拆联接，因此可以容易抽出管束，故管内管外都能进行清洗，也便于检修。由上述特点可知，浮头式换热器多用于温度波动和温差大的场合，尽管与固定管板式换热器相比其结构更复杂、造价更高。 图1-1 固定管板式换热器图1-2 浮头式换热器 （3）U型管式换热器：其结构可参见图1-3。一束管子被弯制成不同曲率半径的U型管，其两端固定在同一块管板上，组成管束，从而省去了一块管板与一个管箱。因为管束与壳体是分离的，在受热膨胀时，彼此间不受约束，故消除了温差应力。其结构简单，造价便宜，管束可以在壳体中抽出，管外清洗方便，但管内清洗困难，故最好让不易结垢的物料从管内通过。由于弯管的外侧管壁较薄以及管束的中央部分存在较大的空隙，故U型管换热器具有承压能力差、传热能力不佳的缺点。 图1-3 U型管式换热器（4）双重管式换热器：将一组管子插入另一组相应的管子中而构成的换热器，其结构可以参看图1-4。管程流体（B流体）从管箱进口管流入，通过内插管到达外套管的底部，然后返回，通过内插管和外套管之间的环形空间，最后从管箱出口管流出。其特点是内插管与外套管之间没有约束，可自由伸缩。因此，它适用于温差很大的两流体换热，但管程流体的阻力较大，设备造价较高。 （5）填料函式换热器：图1-5为填料函式换热器的结构。管束一端与壳体之间用填料密封，管束的另一端管板与浮头式换热器同样夹持在管箱法兰和壳体法兰之间，用螺栓连接。拆下管箱、填料压盖等有关零件后，可将管束抽出壳体外，便于清洗管间。管束可自由伸缩，具有与浮头式换热器相同的优点。由于减少了壳体大盖，它的结构较浮头式换热器简单，造价也较低，但填料处容易泄漏，工作压力与温度受一定限制，直径也不宜过大。图1-4 双重管式换热器图1-5 填料函式换热器1.3 管壳式换热器特殊结构 包括有双壳程结构、螺旋折流板、双管板等特殊结构，这些结构将使换热器拥有更高的工作效率。（1） 双壳程结构：在换热器管束中间设置纵向隔板，隔板与壳体内壁用密封片阻挡物流内漏，形成双壳程结构。适用场合：管程流量大壳程流量小时，采用此结构流速可提高一倍，给热系数提高11.2倍；冷热流体温度交叉时，但壳程换热器需要两台以上才能实现传热，用一台双壳程换热器不仅可以实现传热，而且可以得到较大的传热温差。（2）螺旋折流板式换热器：螺旋折流板可以防止死区和返混，压降较小。物流通过这种结构换热器时存在明显的径向变化，故不适用于有高热效率要求的场合。（3）双管板结构：在普通结构的管板处增加一个管板，形成的双管板结构用于收集泄漏介质，防止两程介质混合。1.4 换热管简介换热管是管壳式换热器的传热元件，采用高效传热元件是改进换热器传热性能最直接有效的方法。国内已使用的新效的换热管有以下几种： （1）螺纹管：又称低翅片管，用光管轧制而成，适用于管外热阻为管内热阻1.5倍以上的单相流及渣油、蜡油等粘度大、腐蚀易结垢物料的换热。 （2）T形翅片管：用于管外沸腾时，可有效降低物料泡核点，沸腾给热系数提高1.63.3倍，是蒸发器、重沸器的理想用管。 （3）表面多孔管：该管为光管表面形成一层多孔性金属敷层，该敷层上密布的小孔能形成许多汽化中心，强化沸腾传热。 （4）螺旋槽纹管：可强化管内物流间的传热，物料在管内靠近管壁部分流体顺槽旋流，另一部分流体呈轴向涡流，前一种流动有利于减薄边界层，后一种流动分离边界层并增强流体扰动，传热系数提高1.31.7倍，但阻力降增加1.72.5倍。 （5）波纹管：为挤压成型的不锈钢薄壁波纹管，管内、管外都有强化传热的作用，但波纹管换热器承压能力不高，管心距大而排管少，壳程短而不易控制。管壳式换热器的应用已经有悠久的历史，而且管壳式换热器被当作一中传统的标准的换热设备在很多工业部门中大量使用。尤其在化工、石油、能源设备等部门所使用的换热设备中，管壳式换热器仍处于主导地位，因此本次毕业设计特针对这类换热器中的浮头式换热器的热力计算以及结构设计进行介绍。1.5本章小结本章主要叙述换热器的分类。换热器是一种将热量从一种载热介质传递给另一种载热介质的装置。其中管壳式换热器在化工厂、在炼油厂中应用最为广泛。所以本章着重介绍了管壳式换热器在工业生产中的应用已经各种管壳式换热器的优缺点。常见的管壳式换热器分为：固定管板式换热器、浮头式换热器、U型管换热器和填料函式换热器四种。其中浮头式换热器有管束可以抽出，以方便清洗管、壳程；介质间温差不受限制；可在高温、高压下工作，一般温度小于等于550度，压力小于等于6.4兆帕；可用于结垢比较严重的场合；可用于管程易腐蚀场合等优点。 鉴于这些优点，本次毕业设计特针对这类换热器中的浮头式换热器的热力计算以及结构设计进行介绍。2 热力计算 在换热器设计中，首先应根据工艺要求选择适用的类型，然后计算换热所需要的传热面积。工艺设计中包括了热力设计以及流动设计，其具体运算如下所述：2.1 设计条件 表2-1 煤气与水的操作参数冷 却 水 煤 气进口温度（C）出口温度（C）压力（MPa）进口温度（C）出口温度（C）流 量（m3/s）压力（MPa）20350.254502503.330.2 表2-2 煤气的组成成份煤气成份体积分数34.4521.28.240.2 表2-3 煤气与水的物性参数名称平均温度（）比热kJ/kgk导热系数W/（mk）密度kg/ m3粘度（）PaS热阻（）K/w水27.73.1650.1408058.100.52煤气3502.5870.1149180.9200.522.2 核算换热器传热面积2.2.1 流动空间的确定选择被冷却的煤气走壳程，被加热的冷却水走管程。这是因为：被冷却的流体走壳程可便于散热，而传热系数大的流体应走管程，这样可降低管壁的温差，减少热应力，同时对于浮头式换热器，一般是将易结垢流体流经管程。 2.2.2 初算换热器传热面积 2.2.2.1 传热计算（热负荷计算） 热负荷： （2-1） 式中：冷热流体的质量流量，kg/s； 冷热流体的定压比热，J/(kgk)； 冷流体的进、出口温度，k； 热流体的进、出口温度，k。理论上，=，实际上由于热量损失，通常热负荷应该取max（，）。这里按理论设计计算 （2-2） 故。 2.2.2.2 有效平均温差的计算 选取逆流流向，这是因为逆流比并流的传热效率高。其中为较小的温度差，为较大的温度差。 因为 ，故采用对数平均温度差，则 （2-3）在这里，温差修正系数 故 2.2.2.3 按经验值初选总传热系数 查表选得=120W/（）； 2.2.2.4 初算出所需的传热面积 （2-4） 考虑到所用传热计算式的准确程度及其他未可预料的因素，应使所选用的换热器具有换热面积留有裕度10%-25%，故有：，且为达到所需换热面积，应采用两台同类换热器串联。 2.2.3 总传热系数K的校验管壳式换热换热器面积是以传热管外表面为基准，则在利用关联式计算总传热系数也应以管外表面积为基准，因此总传热系数K的计算公式如下： （2-5） 式中：K总传热系数，W/（K）； 、分别为管程和壳程流体的传热膜系数，W/（K）； 、分别为管程和壳程的污垢热阻，K/w； 、分别是传热管内径、外径及平均直径，m； 传热管壁材料导热系数，W/（K）； 传热管壁厚，m。 2.2.3.1管程流体传热系数 其计算过程如下：初选管内流体（冷却水）的流速 =1m/s ，可知流体处于湍流状态； （2-6） 当流体在管内流动为过渡流的时候，对流传热系数可先按湍流的公式计算，然后把计算结果乘以校正系数，即可得到过渡流下的对流传热膜系数。先计算校正系数： （2-7）而湍流情况下的计算如下：由于，故原油为高黏度的流体，故应用Sieder-Tate关联式： （2-8）工程上，当液体被加热时，取，当液体被冷却时，取，而管程流体原油是被加热的，则有 W/（K）；故管内流体传热膜系数为： W/（K） （2-9）2.2.3.2 壳程流体传热系数 其计算过程如下：换热器内需装弓形折流板，根据GB151-1999可知，折流板最小的间距一般不小于圆筒内直径的1/5，且不小于，故根据浮头式换热器折流板间距的系列标准，可取折流板间距。 因为壳体选择为卷制圆筒，根据GB150-1999可知壳体内径。管间流速是根据流体流过管间最大截面积计算：其中：管外径，即25， 为换热管中心距，此时选择换热管在管板上的排列方式为正方形排列，因为这样便于机械清洗，查GB151-1999得。 （2-10） （2-11）当换热管呈正方形排列时，其当量直径为 ；同时： （2-12） （2-13）故可用Kern法求，即： （2-14）与都已经算出，而，同时查钢管壁热导率为，则有故，合适。 2.2.4 校核平均温差与平均温差有关参数的计算如下：；根据R、P值，查温度校正系数图可得温度校正系数，因此有效平均温度差为： （2-15） 2.2.5 校核换热面积实际传热面积： （2-16）校核： （2-17）为了保证换热器的可靠性，一般应使换热器的实际面积，由上可知所选换热器面积满足要求。2.3 压力降的计算 流体流经换热器因流动引起的压力降，可按管程压降和壳程压降分别计算。 2.3.1 管程压力降 管程压力降有三部分组成，可按下式进行计算： （2-18）其中：流体流过直管因摩擦阻力引起的压力降，Pa； 流体流经回弯管中因摩擦阻力引起的压力降，Pa； 流体流经管箱进出口的压力降，Pa； 结构校正因数，无因次，对的管子，取为1.4；对的管子，取为1.5； 管程数； 串联的壳程数。其中，、的计算式如下：；式中：管内流速，；管内径，；管长，；摩擦系数，无量纲，可由下式求取；管内流体密度，。由于，在范围内，故可采用下面公式求取： （2-19）所以 Mpa （2-20） Mpa （2-21） Mpa （2-22） （2-23）经查，可知每台换热器合理的压力降为Pa，由此可知上述压力降符合要求。2.3.2 壳程的压力降 当壳程装上折流板后，流体在管外流动为平行流和错流的耦合。尽管管束为直管，但流动却变得复杂化。由于制造安装公差不可避免地存在间隙，因而会产生泄漏和旁流，而流体横向冲刷换热管引起的旋涡，也使流动变得更加复杂。由于流动的复杂性，要准确地分析影响这种复杂流动的各种因素，精确地计算压力降是相当的困难。 下面通过埃索法来计算： （2-24）式中：流体横过管束的压力降，Pa； 流体通过折流板缺口的压力降，Pa； 壳程压力降的结垢修正系数，无因次，对液体可取1.15；对气体可取1.0。其中：；式中：管子排列方法对压力降的修正系数，对三角形排列。对正方形排列，对转置正方形排列； 壳程流体摩擦系数，当时，； 横过管束中心线的管子数，对三角形排列；对正方形排列； 按壳程流通截面计算的流速，；其中： （2-25）因此 （2-26） （2-27） （2-28） ，取整为19。则有： Pa （2-29） Pa （2-30） （2-31）可知此时的压力降在合理范围之类。2.4 换热器壁温计算 2.4.1 换热管壁温计算符号说明：以换热管外表面积为基准计算的总传热系数，W/（m）； 污垢热阻，/w； 分别为热、冷流体的的平均温度，； 分别为热流体的进、出口温度，； 分别为冷流体的进、出口温度，； 流体的有效平均温差，；以换热管外表面积为基准计算的给热系数， W/（m）。热流体侧的壁温： （2-32）冷流体侧的壁温： （2-33）所以 （2-34） 2.4.2 圆筒壁温的计算 由于圆筒外部有良好的保温层，故壳体壁温取壳程流体的平均温度：。2.5 本章小结 热力计算最主要的环节是冷、热流体的热流量计算以及换热系数的校核和传热面积的核算。冷、热流体的热流量考虑外界因素实际上是不相同的，但本毕业设计只考虑理想状态下的相同情况。首先根据已知冷、热流体的状态参数分别计算热流量，然后再根据冷、热流体的特性初选换热系数，根据所选换热系数来估算换热面积。考虑到所用传热计算式的准确程度及其他未可预料的因素，应使所选用换热器的换热面积留有裕度，一般在10%-25%之间。最后再根据公式： 核算总传热系数。核算合适后再计算有效传热面积。 流体流经换热器因流动会引起的压力降。由于管程和壳程互不相连，可以分别计算压强降。最后进行核算，所核算的压强降必须在所设计换热器所能承受最高工作压力范围之内。 3 换热器结构设计与强度计算 在确定换热器的换热面积后，应进行换热器主体结构以及主要零部件的设计和强度计算，主要包括壳体和封头的厚度计算、材料的选择、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，还有主要构件的设计（如管箱、壳体、折流板、拉杆等）和主要连接（包括管板与管箱的连接、管子与管板的连接、壳体与管板的连接等），具体计算如下。3.1 壳体与管箱厚度的确定 根据给定的流体的进出口温度，选择设计温度为400；设计压力为2.5Mpa。 3.1.1 壳体和管箱材料的选择 由于所设计的换热器属于常规容器，并且在工厂中多采用低碳低合金钢制造，故在此综合成本、使用条件等的考虑，选择16MnR为壳体与管箱的材料。 16MnR是低碳低合金钢，具有优良的综合力学性能和制造工艺性能，其强度、韧性、耐腐蚀性、低温和高温性能均优于相同含碳量的碳素钢，同时采用低合金钢可以减少容器的厚度，减轻重量，节约钢材。 3.1.2 圆筒壳体厚度的计算 焊接方式：选为双面焊对接接头，100%无损探伤，故焊接系数； 根据GB6654压力容器用钢板和GB3531低温压力容器用低合金钢板规定可知对16MnR钢板其。 假设材料的许用应力Mpa（厚度为616mm时），壳体计算厚度按下式计算为： （3-1）设计厚度；名义厚度查其最小厚度为8mm，则此时厚度满足要求，且经检查，没有变化，故合适。3.1.3 管箱厚度计算 管箱由两部分组成：短节与封头；且由于前端管箱与后端管箱的形式不同，故此时将前端管箱和后端管箱的厚度计算分开计算。3.1.3.1 前端管箱厚度计算 前端管箱为椭圆形管箱，这是因为椭圆形封头的应力分布比较均匀，且其深度较半球形封头小得多，易于冲压成型。此时选用标准椭圆形封头，故，且同上，则封头计算厚度为： （3-2） 设计厚度；名义厚度 经检查，没有变化，故合适。查JB/T47462002钢制压力容器用封头可得封头的型号参数如下：表3-1 DN600标准椭圆形封头参数DN(mm)总深度H(mm)内表面积A()容积(m3) 封头质量（）6001750.43740.035334.6 短节部分的厚度同封头处厚度，为10mm。 3.1.3.2 后端管箱厚度计算由于是浮头式换热器设计，因此其后端管箱是浮头管箱，又可称外头盖。外头盖的内直径为700mm，这可在“浮头盖计算”部分看到。选用标准椭圆形封头，故，且同上，则计算厚度为： （3-3）设计厚度；名义厚度 经检查，没有变化，故合适。查JB/T47462002钢制压力容器用封头可得封头的型号参数如下：表3-2 DN700标准椭圆形封头参数DN(mm)总深度H(mm)内表面积A()容积(m3) 封头质量（）7002000.58610.054541.3 短节部分的厚度同封头处厚度，为10mm。3.2 开孔补强计算 在该台浮头式换热器上，壳程流体的进出管口在壳体上，管程流体则从前端管箱进入，而后端管箱上则有排污口和排气口，因此不可避免地要在换热器上开孔。开孔之后，出削弱器壁的强度外，在壳体和接管的连接处，因结构的连接性被破坏，会产生很高的局部应力，会给换热器的安全操作带来隐患。因此此时应进行开孔补强的计算。 由于管程与壳程出入口公称直径均为150mm，按照厚度系列，可选接管的规格为，接管的材料选为20号钢。3.3 水压试验设试验温度为常温，则有 （3-4）则校核水压试验时圆筒的薄膜压力： （3-5）3.4 换热管 换热管的规格为，材料选为20号钢。 3.4.1 换热管的排列方式 换热管在管板上的排列有正三角形排列、正方形排列和正方形错列三种排列方式。如图3-1所示。各种排列方式都有其各自的特点：正三角形排列：排列紧凑，管外流体湍流程度高；正方形排列：易清洗，但给热效果较差；正方形错列：可以提高给热系数。图3-1 换热管排列方式在此，选择正三角形排列，主要是考虑这种排列便于进行机械清洗。查GB151-1999可知，换热管的中心距S=32mm，分程隔板槽两侧相邻管的中心距为44mm；同时，由于换热管管间需要进行机械清洗，故相邻两管间的净空距离（S-d）不宜小于6mm。 3.4.2 布管限定圆布管限定圆为管束最外层换热管中心圆直径，其由下式确定： （3-6）查GB151-1999可知，b=5，b1=3，bn=12，故b2= bn+1.5=13.5，则。 3.4.3 排管排管时须注意：拉杆应尽量均匀布置在管束的外边缘，在靠近折流板缺边位置处布置拉杆，其间距小于或等于700mm。拉杆中心至折流板缺边的距离应尽量控制在换热管中心距的（0.51.5）范围内。多管程换热器其各程管数应尽量相等，其相对误差应控制在10%以内，最大不能超过20%。相对误差计算： （3-7） 其中：各程的平均管数；各程中最小或最大的管数。 实际排管如下所示： 图3-2 管子排布由图3-2可知，经过实际排管后发现，每个管程的布管数目分别是38，56，56，38，而各管程的平均管数为47，因此可知各程管数的相对误差是： 3.4.4 换热管束的分程 在这里首先要先提到管箱。管箱作用是把从管道输送来的流体均匀地分布到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。 由于所选择的换热器是2管程，故管箱选择为多程隔板的安置形式。而对于换热管束的分程，为了接管方便，采用平行分法较合适，且平行分法亦可使管箱内残液放尽。 3.4.5 换热管与管板的连接 换热管与管板的连接方式有强度焊、强度胀以及胀焊并用。 强度胀接主要适用于设计压力小4.0Mpa；设计温度300；操作中无剧烈振动、无过大的温度波动及无明显应力腐蚀等场合。 除了有较大振动及有缝隙腐蚀的场合，强度焊接只要材料可焊性好，它可用于其它任何场合。 胀焊并用主要用于密封性能要求较高；承受振动和疲劳载荷；有缝隙腐蚀；需采用复合管板等的场合。在此，根据设计压力、设计温度及操作状况选择换热管与管板的连接方式为强度焊。这是因为强度焊加工简单、焊接结构强度高，抗拉脱力强，在高温高压下也能保证连接处的密封性能和抗拉脱能力。3.5 管板设计 管板是管壳式换热器最重要的零部件之一，用来排布换热管，将管程和壳程的流体分隔开来，避免冷、热流体混合，并同时受管程、壳程压力和温度的作用。由于流体只具有轻微的腐蚀性，故采用工程上常用的16MnR整体管板。 3.5.1 管板与壳体的连接 由于浮头式换热器要求管束能够方便地从壳体中抽出进行清洗和维修，因而换热器固定端的管板采用可拆式连接方式，即把管板利用垫片夹持在壳体法兰与管箱法兰之间。 3.5.2 管板计算 符号说明： 在布管区范围内，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，对正方形排列，；隔板槽一侧的排管根数；换热管中心距；隔板槽两侧邻管的中心距；管板布管区面积，；对多管程正方形排列换热器，；管板布管区内开孔后的面积，；一根换热管管壁金属的横截面积，；固定端管板垫片压紧力作用中心圆直径，；根据所选的垫片的尺寸，且选择其压紧面型式为GB150表9-1的1a，可知密封面宽度；则，故；管板布管区当量直径，；换热管外径，；设计温度时，管板材料的弹性模量，Mpa；设计温度时，换热管材料的弹性模量，Mpa；系数，按和查GB151图24；管束模数，Mpa； 管束无量纲刚度，Mpa；换热管有效长度（两管板内侧间距），；换热管与管板胀接长度或焊脚高度，；换热管根数；无量纲压力，；当量压力组合；Mpa；管板设计压力，Mpa；壳程设计压力，Mpa；管程设计压力，Mpa；换热管与管板连接拉脱力，Mpa；许用拉脱力，查GB151，Mpa；系数，；管板计算厚度，；换热管管壁厚度，；管板刚度削弱系数，一般可取值；管板强度削弱系数，一般取；系数，；换热管轴向应力，Mpa；换热管稳定许用压应力，Mpa；设计温度时，管板材料的许用应力，Mpa；设计温度时，换热管材料的许用应力，Mpa；管板厚度计算过程如下： 3.5.2.1管板名义厚度计算 （3-8） （3-9） （3-10） （3-11） ； ； （3-12） ； 查GB150可知，； （3-13） 式中L应为换热管的有效长度，但由于管板厚度尚未计算出，暂估算管板厚度为50mm进行试算，待管板厚度算出再用有效长度核算，。；当中的的计算如下： （3-14） ；查GB151-1999可知，同时由于前面换热管的材料选为20号钢，故， （3-15） 由于此时不能保证与在任何时候都同时作用，则取；故；根据=1.36和查GB151图可知，则管板计算厚度为： ；管板的名义厚度应不小于下列三部分之和，即式中Cs和Ct分别是指壳程、管程的腐蚀裕量；而h1是指壳程侧管板结构槽深，为0；h2是指管程隔板槽深，为4mm。此时应根据得到的管板名义厚度，重复以上步骤，使得管子有效长度对应于管板厚度。 （3-16）；故=1.39，查图可知，则，；3.5.2.2 换热管的轴向应力 换热管的轴向应力在一般情况下，应按下列三种工况分别计算： （1）壳程设计压力，管程设计压力： （3-17） （3-18）明显地，； （2）管程设计压力，壳程设计压力： （3-19） （3-20）明显地，； （3）壳程设计压力与管程设计压力同时作用： （3-21）明显地，。由以上三种情况可知，换热管的轴向应力符合要求。3.5.2.3 换热管与管板连接拉脱力 （3-22）式中，其中：换热管最小伸出长度，查GB151-1999可知 ； 最小坡口深度，； 许用拉脱力；明显地，。 3.5.3 管板重量计算管板有固定管板以及活动管板，两者的重量计算分别如下所示：3.5.3.1 固定管板重量计算 图 3-3 固定管板 （3-23）3.5.3.2 活动管板重量计算：图3-4 活动管板 （3-24）3.6 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，并使管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，同时减少结构，而且在卧式换热器中还起支撑管束的作用。常见的折流板形式为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，但是工程上使用较多的是单弓形折流板。 在浮头式换热器中，其浮头端宜设置加厚环板的支持板。 3.6.1 折流板的型式和尺寸 此时选用双弓形折流板这样可造成液体的剧烈扰动，增大传热膜系数。 为方便选材，可选折流板的材料选为16MnR，由前可知，弓形缺口高度为150mm，折流板间距为300mm，数量为19块，查GB151-1999可知折流板的最小厚度为5mm，故此时可选其厚度为6mm。同时查GB151-1999可知折流板名义外直径为。 3.6.2 折流板排列 该台换热器折流板排列示意图3-5所示： 图3-5 折流板3.6.3 折流板的布置 一般应使管束两端的折流板尽可能靠近壳程进、出口管，其余折流板按等距离布置。靠近管板的折流板与管板间的距离l应按下式计算： （3-25）其中：壳程接管位置的最小尺寸，mm； 管板的名义厚度，mm； 为防冲板长度，若无防冲板时，应为接管的内径，mm； 3.6.4 折流板重量计算 符号说明如下：折流板质量，kg；折流板外圆直径，；折流板切去部分的弓形面积，系数，由查表求取；折流板切去部分的弓形高度，mm；管孔直径，mm；拉杆孔直径，mm；管孔数量；拉杆孔数量；折流板厚度，mm。计算过程如下：，查得； （3-26）3.7 拉杆与定距管 3.7.1 拉杆的结构形式 常用拉杆的形式有两种：（1）拉杆定距管结构，适用于换热管外径大于或等于19mm的管束，（按GB151-1999表45规定）；（2）拉杆与折流板点焊结构，适用于换热管外径小于或等于14mm的管束，；（3）当管板比较薄时，也可采用其他的连接结构。 由于此时换热管的外径为25mm，因此选用拉杆定距管结构。 3.7.2 拉杆的直径、数量及布置其具体尺寸如图3-6所示：图3-6 拉杆 表3-3 拉杆的参数拉杆的直径d拉杆螺纹公称直径dn abb拉杆的数量1616206024其中拉杆的长度L按需要确定。拉杆应尽量均匀布置在管束的外边缘。若对于大直径的换热器，在布管区内或靠近折流板缺口处应布置适当数量的拉杆，任何折流板应不少于3个支承点。 对于本台换热器拉杆的布置可参照零件图。 3.7.4 定距管 定距管的规格同换热管，其长度同实际需要确定。本台换热器定距管的布置可以参照部件图。3.8 防冲板 由于壳程流体的，管程换热管流体的流速，因此在本台换热器的壳程与管程都不需要设置防冲板。3.9 保温层 根据设计温度选保温层材料为脲甲醛泡沫塑料，其物性参数如下：表3-4 保温层物性参数密度（kgm3）导热系数（kcalmh）吸水率抗压强度（kgm）适用温度（）13200.01190.02612%0.250.5-190+5003.10法兰与垫片 换热器中的法兰包括管箱法兰、壳体法兰、外头盖法兰、外头盖侧法兰、浮头盖法兰以及接管法兰，另浮头盖法兰将在下节进行计算，在此不作讨论。 垫片则包括了管箱垫片和外头盖垫片。 3.10.1固定端法兰与垫片 （1）查JB4700-2000压力容器法兰可选固定端的壳体法兰和管箱法兰为长颈对焊法兰，凹凸密封面，材料为锻件20MnMo，其具体尺寸如图3-7所示：（单位为mm）图3-7 法兰表3-5 DN600长颈对焊法兰尺寸DN法兰螺柱对接筒体最小厚度DD1D2D3D4Hhaa1Rd规格数量6007607156766666634211035211816261227M242410（2）此时查JB4700-2000压力容器法兰，根据设计温度可选择垫片型式为金属包垫片，材料为0Cr18Ni9，其尺寸为： 图3-8 垫片 表3-6 管箱垫片尺寸PN(Mpa)DN(mm)外径D(mm)内径d(mm)垫片厚度反包厚度2.560066562534 3.10.2外头盖法兰与浮头垫片 （1）外头盖法兰的型式与尺寸、材料均同上壳体法兰，凹密封面，查JB4700-2000压力容器法兰可知其具体尺寸如下所示：（单位为mm）。 表3-7 外头盖法兰尺寸DN法兰螺柱对接筒体最小厚度DD1D2D3D4Hhaa1Rd规格数量7008608157767667635012035211816261227M242810 （2）外头盖侧法兰选用凸密封面，材料为锻件20MnMo，查JB/4721-92可知其具体尺寸如下表： 图3-9外头盖侧法兰 表3-8 外头盖侧法兰尺寸DN法兰螺柱对接筒体最小厚度DD1D2D3D4Hha1Rd规格数量60086081577676676348150721816401227M242810 （3）查JB/T4718-92选外头