化工机械与设备课程设计浮头式换热器的机械设计doc.docx

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化工机械与设备课程设计浮头式换热器的机械设计

化工机械与设备课程设计题目浮头式换热器的机械设计系别化学材料与工程系班级姓名学号组别组员教师日期化工设备机械课程设计任务书1、设计题目浮头式换热器的设计2、设计目的在给定工艺条件与化工原理设计的基础上,把所学相关专业知识综合运用,巩固和强化有关机械课程的基本理论和基础知识。

3、设计任务参数名称壳程管程设计压力（MPa）1.81.0操作压力（MPa）0.250.2设计温度（℃）17090操作温度（℃）125/70（进口/出口）25/40（进口/出口）流量（Kg/h）25000-物料（-）间二甲苯溶液水程数（个）1自定4、设计内容1.根据传热参数进行换热器的选型和校核；2.对换热器主要原件进行结构设计和强度和强度校核，包括筒体、前端封头管箱、外头盖、封头、法兰、管板、支座；3.设计结果汇总；4.设计装配图和重要的零件图5.设计评述5、人员安排2-3人一组6、进度安排第1-2天内查找资料，完成概述等相关撰写，第3-4天完成主体设计计算，第5-6天提交文字说明并绘制。

目录第1章概述1第2章工艺计算32.1设计条件32.2核算换热器传热面积32.2.1初算换热器传热面积32.2.2校核平均温差62.2.3校核换热面积72.3压力降的计算72.3.1管程压力降72.3.2壳程的压力降82.4换热器壁温计算92.4.1换热管壁温计算92.4.2圆筒壁温的计算102.5本章小结10第3章换热器结构设计与强度计算113.1壳体与管箱厚度的确定113.1.1壳体和管箱材料的选择113.1.2圆筒壳体厚度的计算113.1.3管箱厚度计算113.2开孔补强计算133.2.1壳体上开孔补强计算133.2.2外头盖开孔补强计算143.3换热管163.3.1换热管的排列方式163.3.2布管限定圆163.3.3排管163.3.4换热管束的分程173.3.5换热管与管板的连接173.4管板设计183.4.1管板与壳体的连接183.4.2管板计算183.4.3管板重量计算233.5折流板243.5.1折流板的型式和尺寸243.5.2折流板排列243.5.3折流板的布置243.5.4折流板重量计算253.6法兰与垫片253.6.1固定端法兰与垫片263.6.2外头盖法兰与浮头垫片273.6.3接管法兰型式与尺寸28第4章换热器的安装、试车与维修294.1安装294.1.1场地和基础294.1.2安装前的准备294.1.3地脚螺栓和垫铁294.1.4其他要求294.2试车294.3维护29总结30参考文献31第1章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。

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。

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）改变传热面形状按照设计要求，在结构的选取上，为了增大温差校正系数，采用了1-4型，即一个壳程两个管程。

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。

之后对有些部件用ANSYS进行了强度校核并进行对其优化设计。

由于时间和资料有限，本人的认识也不够全面，在设计过程中可能还存在许多问题，望老师们给予批评和指正。

第2章工艺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设计条件介质水间二甲苯溶液入口温度（℃）25125出口温度（℃）4070质量流量（Kg/h）-25000密度kg/998864比热容kj/kg·℃4.1831.70导热系数W/（m·℃）0.5990.167黏度mPa·s1.0050.611压力（MPa）1.81.02.2核算换热器传热面积2.2.1初算换热器传热面积2.2.1.1传热计算（热负荷计算）热负荷式中冷热流体的质量流量，J/kg·k；冷热流体的定压比热，J/kg·k；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。

故。

2.2.1.2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）2.2.1.3按经验值初选总传热系数查表选得490W/（㎡﹒℃）；2.2.1.4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2.2.1.5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。

2.2.1.6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，可知流体处于湍流状态；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，W/（㎡﹒K）；2.2.1.7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。

当换热管呈正方形排列时，其当量直径为；同时故可用Kern法求，即与都已经算出，而，，，同时查钢管壁热导率为，则有故，合适。

2.2.2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℃2.2.3校核换热面积实际传热面积校核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所以papapa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，；其中因此，取整为19。

则有PaPa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·℃）。

热流体侧的壁温冷流体侧的壁温所以℃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。

第3章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125℃；设计压力为1.8Mpa。

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6～16mm时），壳体计算厚度按下式计算为设计厚度；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格31DN600标准椭圆形封头参数DNmm总深度Hmm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3-2DN700标准椭圆形封头参数表格32DN700标准椭圆形封头参数DNmm总深度Hmm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。

3.2.1壳体上开孔补强计算3.2.1.1补强及补强方法判别1、补强判别根据GB表8-1，允许不另行补强的最大接管外径是89mm，本开孔外径为159密码，因此需要另行考虑其补强。

2、开孔直径ddi2C15022154mmDi/2300mm,满足等面积法开孔补强计算的适用条件，故可用等面积法进行开孔补强计算。

3.2.1.2开孔所需补强面积计算强度削弱系数接管有效厚度开孔所需补强面积按下式计算3.2.1.3有效补强范围1、有效宽度B2、有效高度外侧有效高度h1为内侧有效高度h2为3.2.1.4有效补强面积1、壳体多余金属面积壳体有效厚度则多余的金属面积A1为2、接管多余金属面积接管计算厚度接管多余金属面积A23、接管区焊缝面积（焊脚取为6mm）4、有效补强面积3.2.2外头盖开孔补强计算外头盖上的排污口与排气口接管材料也为20号钢，选用规格为,主要是通过采用厚壁接管进行补强。

3.2.2.1开孔所需补强面积其开孔直径强度削弱系数接管有效厚度开孔所需补强面积3.2.2.2有效补强范围1、有效宽度2、有效高度外侧有效高度为内侧有效高度h2为3.2.2.3有效补强面积1、外头盖多余金属面积外头盖有效厚度则多余的金属面积A1为2、接管多余金属面积接管计算厚度接管多余金属面积A23、接管区焊缝面积（焊脚取为4mm）有效补强面积由此可知已经达到了补强的目的。

3.3换热管换热管的规格为，材料选为20号钢。

3.3.1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①正三角形排列管外流体湍流程度高；②正方形排列易清洗；③正方形错列可以提高给热系数。

图表1换热管排列方式在此，选择正方形排列，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S32mm，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。

3.3.2布管限定圆布管限定圆为管束最外层换热管中心圆直径，其由下式确定查GB151-1999可知，b5，b13，bn12，故b2bn1.513.5，则。

3.3.3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（0.5～1.5）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表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3.3.4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4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。

3.3.5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。

3.4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。

3.4.1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。

3.4.2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3.4.2.1管板名义厚度计算；；；；查GB150可知，；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；查GB151-1999可知，同时由于前面换热管的材料选为20号钢，故，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