浮头式换热器解读.docx

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浮头式换热器解读

浮头式冷却器E-1401设计

摘要

该毕业设计题目为浮头式冷却器（即浮头式换热器）E-1401设计，源于工程实际。

浮头式换热器是管壳式换热器中的一类，其管板一端固定在壳体与前端管箱之间，另一端（即浮头）可以在壳体中自由移动。

由于管束的热膨胀不受壳体的约束，因此浮头式换热器不会产生较大的温差热应力，这样便避免了对换热器结构的损害。

此外，浮头式换热器还便于拆卸、易于清洗，适用于壳体和管束温差较大或壳程介质易结垢的场合。

因此在石油化工以及其他相关行业中得到了广泛的应用。

该设计主要进行了换热器结构的研究和各处强度的校核。

根据所提供的设计条件，以及GB150-2011《压力容器》、GB151-1999《管壳式换热器》、《固定式压力容器安全技术监察规程》等标准确定出换热器各个零部件（管箱、封头、法兰、开孔接管、折流板、钩圈等）的具体方案，包括各处材料的选择，各零部件的基本结构，壁厚计算及强度校核，开孔补强计算，管板、法兰以及浮头钩圈的强度计算等。

本设计历时3个月，共完成说明书一份，A1图纸5张，外文翻译一份。

关键词：

换热器浮头设计

FloatingcoolerE-1401design

Summary

ThegraduationprojecttitledFloatingcooler（ie,floatingheadheatexchanger）E-1401design,fromengineeringpractice.Floatingheadheatexchangershellandtubeheatexchangerisinaclassofitstubeplatefixedatoneendbetweenthehousingandthefronttubebox,theotherend（ie,floatinghead）canmovefreelyinthehousing.Duetothermalexpansionofthebundleisnotboundbythehousing,thefloatingheadheatexchangerandthereforenolargetemperaturedifferencebetweenthethermalstress,thusavoidingdamagetothestructureoftheheatexchanger.Inaddition,floatingheadheatexchangerisalsoeasytodisassemble,easytoclean,suitableforlargetemperaturedifferencebetweentheshellandtubebundleormediumshelleasytoscaletheoccasion.Soithasbeenwidelyusedinthepetrochemicalandotherrelatedindustries.

Thedesignismainlystudiedtheintensityoftheheatexchangerandaroundthestructurechecked.DeterminethevariouscomponentsoftheheatexchangeraccordingtothedesignconditionsprovidedandGB150-2011"pressurevessel",GB151-1999"shellandtubeheatexchangers","SafetyTechnologySupervisionStationaryPressureVessels"andotherstandards（tubebox,head,flange,openingover,baffles,circlehooks,etc.）ofthespecificprogram,includingtheselectionofmaterialsthroughout,thebasicstructureofthevariousparts,wallthicknesscalculationandstrengthcheck,openingreinforcementcalculations,tubesheets,flangesandstrengthcalculationFloatingcirclehook.

Keywords:

Heatexchangerfloatingheaddesign

1.前言

随着时代的发展、科技的进步，石油化工及相关产业在人类的生活中扮演的角色越来越不可替代。

小到平时生活日用品，大到国民的经济发展，人类早已习惯了这种便利、快捷的生活。

在石油化工生产中，各类过程设备的品质直接决定了产品的生产效率及其性能。

在各种原料及半成品不断地调和中，温度让这个过程更平稳高效地进行着，然而，对于热量交换，换热器发挥了其平凡而伟大的作用。

因此，我选择了管壳式换热器中的浮头式换热器作为毕业设计的课题。

该设计的题目为浮头式冷却器E-1401设计。

在设计初期，我先根据设计条件[设计压力：

2.5MPa（管程）/3.0MPa（壳程）；设计温度：

80℃（管程）/250℃（壳程）；4管程/1壳程；155㎡的换热面积]和参考案例了解并选定了浮头式换热器的基本结构和各零部件的材料。

在设计前期，先进行了壁厚的计算和校核，之后又进行了开孔补强、法兰、管板及浮头钩圈的计算校核。

在设计中期，我便开始进行了图纸的绘制。

最后进行的是计算说明书、外文文献以及论文其他部分的整理工作。

在整个设计过程中，我发现了许多以前不是十分了解的问题，比如浮头处的结构，折流板形式的选择与排布等。

1.1浮头式换热器概述

换热设备是用于两种或两种以上流体间、一种流体一种固体间、固体粒子间或者热接触且具有不同温度的同种流体间的热量或焓传递的装置。

按热传递原理或传热方式分类，换热设备可分为：

直接接触式换热器，蓄热式换热器，间壁式换热器，中间载热体式换热器。

其中间壁式换热器又分为管式换热器、板面式换热器以及其他形式换热器。

浮头式换热器属于管壳式换热器中的一类。

浮头式换热器，两端管板中只有一端与壳体固定，另一端可相对壳体自由移动，称为浮头。

浮头由浮动管板、钩圈和浮头端盖组成，是可拆连接，管束可从壳体内抽出。

管束与壳体的热变形互不约束，因而不会产生热应力。

其优点是管间与管内清洗方便，不会产生热应力；但其结构复杂，造价比固定管板式换热器高，设备笨重，材料消耗量大，且浮头端小盖在操作中无法检查，制造时对密封要求较高。

适用于壳体和管束之间壁温差较大或壳程介质易结垢的场合。

1.2壳程

1.2.1换热器筒体

筒体提供了工艺所需的承压空间，是压力容器最主要的受压元件之一。

圆柱形筒体是工程中最常用的筒体结构。

该设计中，筒体直径为800mm，壳程设计压力为3.0MPa,可以用无缝钢管制作，也可以由钢板卷制而成。

在实际生产中，钢板卷焊形式使用更为广泛，因此选用单层卷焊式筒体结构。

同时在加工过程中，应注意避免环、纵焊缝交叉。

用于加工筒体的材料形式多样，其中低合金钢凭借优良的性能，在生产中占了很大的比重。

Q345R是屈服强度为340MPa级的压力容器专用钢板，是我国压力容器行业使用量最大、使用经验最丰富的钢板，主要用于中低压压力容器的制造。

因此选用Q345R钢板作为换热器筒体等其他部分的加工材料，既保证了结构需要，又降低了制造成本。

筒壁上焊有接管，供壳程流体进出。

为防止进口流体直接冲击管束而造成管子的侵蚀和振动，在壳程进口接管处常装有防冲挡板。

防冲挡板是由320x210x8的Q235-B钢板制成。

1.2.2外头盖

位于换热器的后端，相当于后端管箱，利用浮头将管程、壳程流体分开，浮头外侧部分改变壳程流体流向，内侧则改变管程流体流向。

外头盖的筒体通常比换热器筒体内径大100mm，为900mm，设计压力为壳程设计压力。

在该设计中，外头盖筒体与换热器筒体一样，是由Q345R钢板卷焊而成。

外头盖在安装拆卸的过程中不需要分离筒体跟封头，为了保证密封、节省材料和减少加工制造的工作量，外头盖处的封头选用了标准椭圆形封头，由Q345R制成。

这样既保证强度，又便于实际加工。

外头盖与换热器通过法兰螺栓相连接，但是由于两个筒体的内径不相同，因此只能在内径大的一侧使用标准法兰，而另一侧使用相配合的非标准法兰。

这样才能保证连接处的强度和刚度。

1.2.3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。

在卧式换热器中、折流板还起支撑管束的作用。

常用的折流板分弓形和圆盘圆环形两种形式。

换热器筒体材料为Q345R，折流板的材料选用碳钢即可，该设计选用了常用作零部件加工材料的Q235-B作为折流板的材料。

由于壳程介质是反应器产品，其中会含有固体颗粒，因此该设计选用了缺口垂直左右布置的单弓形折流板，并且在折流板最低处开通液口，用于排液。

折流板一般等间距排布，且管束两端的折流板应尽量靠近壳程介质的进出口接管。

为了充分交换热量，该设计一共布置了16块折流板，相邻两折流板间距为300mm，板厚10mm。

且最两端的两块折流板距离接管口的水平距离为100mm。

1.2.4防短路结构

为了防止壳程流体在某些区域流动时发生短路，降低热效率，需要采用防短路结构。

该设计中采用了旁路挡板与挡管。

旁路挡板防止壳程边缘介质短路，以迫使壳程流体通过管束与管程流体进行换热。

该设计中的旁路挡板是由610x40x8的Q235-B钢板制成。

当换热器采用多管程时，为了安排管箱分程隔板，在管中心或每程隔板中心的管间不排列换热管，导致了管间短路。

为此，该设计选用20号钢，φ25mm×2.5mm，4750mm的钢管作为挡管。

1.3.管程

1.3.1前端管箱

位于换热器的前端，将从管道输送来的流体均匀地分布到各个换热管和将管内流体汇集在一起送出换热器。

而且在该设计条件为4管程下，管箱还有改变流体流向的作用。

前端管箱筒体与换热器筒体内径一样大，为800mm，设计压力为管程设计压力。

在该设计中，前端管箱筒体与换热器筒体一样，是由Q345R钢板卷焊而成。

在管箱内部，水平设置了两块分层隔板，由10mm厚的Q235-B钢板制成。

由于在实际生产中需要定期清洗、检修，因此在该设计中前端管箱两侧均选用可拆式连接，一侧与平盖形封头相连，较比其他形式的封头更易拆卸；另一侧与换热器筒体相连，并且管箱筒体内径与换热器筒体内径相等，均采用标准法兰进行连接。

其中由于平盖形封头的厚度为90mm，大于50mm，因此选用16Mn的锻件制成。

1.3.2管板

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，同时受管程、壳程压力和温度的共同作用。

对于浮头式换热器而言，前端的固定管板由前端管箱和筒体夹持，通过法兰螺栓将其固定；后端的浮动管板由浮头和钩圈“夹持”，通过法兰螺栓固定。

这样当换热管由于热膨胀产生变形时，浮动管板一侧可在后端管箱内自由移动，不会产生热应力。

为增大换热面积，提高换热效率，该设计中将管束分为4管程。

对于4程的分法，有平行和工字形两种。

出于尽可能排布较多换热管的角度，该设计选用了工字形的分程方法，同时比平行法的密封线短。

两管板厚度均为100mm，同平盖形封头一样，选用16Mn的锻件制成。

1.3.3换热管

用于分隔流体，热量交换的“间壁”。

换热管常用的材料有碳钢、低合金钢、不锈钢、铜、铝合金等。

考虑到经济性因素，并且管程介质较清洁，因此该设计选用了10钢，尺寸为φ25mm×2.5mm，6m长的无缝钢管。

换热管在管板上的排列形式主要有四种，三角形能比正方形排更多的管子，但为了便于管外清洗，该设计选用了转角正方形的排列形式，较正方形而言，换热面积增大。

换热管的中心距应大于等于1.5倍的换热管外径，这样才能保证管桥有足够强度。

当换热管外径为25mm时，取中心距为32mm。

换热管与管板连接是管壳式换热器设计、制造最关键的技术之一，是事故率最多的部位。

连接方法主要由强度胀接、强度焊和胀焊并用。

胀接与焊接各有优缺点，综合考虑、选用胀焊并用中的强度焊加贴胀这种应用广泛的连接方法。

这样可以改善连接处的抗疲劳性能，消除应力腐蚀和间隙腐蚀，提高使用寿命。

1.3.4浮头及钩圈

浮头式换热器最鲜明的特点体现在浮头上。

浮头带动换热管自由伸缩，从而消除了热应力。

浮头由浮头盖和钩圈配合，“夹持”住浮动管板，完成工作。

浮头盖由浮头法兰和球冠形封头组成。

由于换热器筒体的内径为800mm，依据标准得球冠形封头的曲率半径为600mm。

球冠形封头内侧流经管程介质，外侧流经壳程介质，同时承受管、壳程压力，该设计选用Q345R为球冠形封头材料。

浮头法兰选用105mm厚的16Mn锻件制成。

根据标准，选用B型钩圈，其厚度比浮头法兰的厚度大11mm。

材料与浮头法兰相同。

1.4其他部件

1.4.1法兰

除与外头盖相连的筒体法兰外，其他法兰均为标准法兰。

所有法兰均由16Mn锻件制成。

3.结论

经结构设计和强度计算，该台设备结构符合使用要求，筒体、封头、管板、法兰、浮头强度达到标准。

整个计算校核过程严格符合GB150-2011《压力容器》、GB151-1999《管壳式换热器》、《固定式压力容器安全技术监察规程》等相关设计标准。

该台设备可以进行实际生产。

参考文献

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561-577

谢辞

时光荏苒，三个月的毕业设计，在自己细致的学习、老师悉心的指导、同学热烈的探讨之中一点一滴完成了。

通过对换热器知识的学习，相关设计标准的查阅，我掌握了浮头式换热器的设计过程、AutoCAD的基本绘图方法以及其他换热器的相关知识，将所学知识得以运用，达到了预期效果。

为大学四年的学习生涯画上了一个圆满的句点。

首先我要感谢王莲老师，感谢王老师这近一个学期的帮助！

从结构讲解到设计计算，从图纸绘制到论文整理，王老师耐心的讲解让我更快地了解并掌握换热器的设计。

然后我要感谢同组同学，感谢同学们平时的帮助，及时提醒我毕业设计过程中出现的问题。

最后，感谢各位评委老师的辛苦点评，为我提出宝贵的意见与建议！