换热器结构设计及强度计算 毕业论文说明书.doc

本科生毕业设计（论文） i 摘要 本次设计的题目为汽提塔冷凝器。汽提塔冷凝器是换热器的一种应用，这 里我设计成浮头式换热器。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。在化工 工业中应用非常广泛。本文对浮头式换热器进行了整体的设计，按照设计要求， 在结构的选取上，采用了 1-2 型，即壳侧一程，管侧两程。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，之后对各部分进行校核。 本次毕业设计任务是流量为 3500kg/h，浮头式换热器的机械设计，工作压 力管程为 0.43mpa、壳程为 0.042mpa，工作温度管程为 61、壳程为 80。 通过本次毕业设计，我熟悉了浮头式换热器的工艺流程，掌握了浮头式换 热器的结构及计算方法，了解了浮头式化热器的制造要求及安装过程。但是， 限于经验不足和水平有限，一定存在缺点甚至错误之处，敬请老师批评指正。 关键词：换热器；浮头式；管程；壳程 本科生毕业设计（论文） ii abstract the topic of my study is the design of stripper condenser. stripper condenser is one of applications heat exchanger.in here, my design is the floating head heat exchanger. the floating head heat exchanger is a special type of tube and shell heat exchanger. it is special for its floating head. one of its tube sheet is fixed， while another can float in the shell， so called floating head. as the tubes can expand without the restriction of the shell， it can avoid thermal stress. another advantage is that it can be dismantled and clean easily . it is widely used in chemical industry. in this study an overall design of the floating head heat exchanger is carried out .according to the demand the type 1-2 is chosen to be the basic type， which has one segment in shell and two segment in tubes. first， heat transfer is calculated to determine the heat exchange surface area and the number of tubes that needed. then， according to the request and standards， structural of system is well designed. after that，the finite element analysis of the shell is completed. the graduation design task is 3500kg/h flow of the floating head heat exchanger, the mechanical design, working pressure tube 0.4 3mp, shell, work process of 0.042mp for 61 , the temperature tube for 80 shell cheng. through the graduation design, i am familiar with the floating head heat exchanger process, mastered the structure of floating head heat exchanger and calculation method of floating head, learned the heat exchanger is manufacturing requirements and installation process. but, due to lack of experience and limited ability, certain shortcomings and even mistakes, please the teacher criticism and corrections. key words：heat exchanger；floating head；tube-side；shell-side 本科生毕业设计（论文） iii 目录 第一章 换热器概述 1 1.1 换热器的应用 .1 1.2 换热器的主要分类 .1 1.2.1 换热器的分类及特点 .1 1.2.2 管壳式换热器的分类及特点 .2 1.3 管壳式换热器特殊结构 5 1.4 换热管简介 5 第二章 工艺计算 .7 2.1 设计条件 .7 2.2 换热器传热面积与换热器规格： .8 2.2.1 流动空间的确定 .8 2.2.2 初算换热器传热面积 a8 2.2.3 传热管数及管程的确定 .9 2.2.4 管心距的计算 .9 2.2.5 换热器型号、参数的确定 .9 2.2.6 壳体内径计算 .9 2.2.7 折流板的计算 10 2.3 换热器核算 10 2.3.1 传热系数核算 11 2.3.2 换热器的流体阻力 .13 2.3.3 换热器的选型 14 第三章 换热器的结构计算和强度计算 .15 3.1 换热器的壳体设计 15 3.2 筒体材料及壁厚 15 3.3 封头的材料及壁厚 16 3.4 管箱材料的选择及壁厚的计算 16 3.5 开孔补强计算 .17 3.6 水压试验及壳体强度的校核 19 3.7 换热管 .20 3.7.1 换热管的排列方式 .20 3.7.2 布管限定圆 ld.20 3.7.3 排管 21 3.7.4 换热管束的分程 21 3.8 管板设计 22 3.8.1 管板与壳体的连接 .22 3.8.2 管板计算 .22 本科生毕业设计（论文） iv 3.8.3 管板重量计算 .26 3.9 折流板 .26 3.9.1 折流板的型式和尺寸 .27 3.9.2 折流板排列 27 3.9.3 折流板的布置 .27 3.10 拉杆与定距管 27 3.10.1 拉杆的结构形式 27 3.10.2 拉杆的直径、数量及布置 .28 3.10.3 定距管 .28 3.11 法兰和垫片 28 3.11.1 固定端的壳体法兰、管箱法兰与管箱垫片 28 3.11.2 外头盖侧法兰、外头盖法兰与外头盖垫片、浮头垫片 30 3.11.3 接管法兰型式与尺寸 31 3.12 钩圈式浮头 .32 3.12.1 浮头盖的设计计算 .33 3.13 分程隔板 38 3.14 鞍座 .38 3.14.1 支反力计算如下 38 3.14.2 鞍座的型号及尺寸 .40 3.15 接管的最小位置 .40 3.15.1 壳程接管位置的最小尺寸 40 3.15.2 管箱接管位置的最小尺寸 .41 附录 外文翻译 .45 参考文献 .55 本科生毕业设计（论文） 1 第一章 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 管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 本科生毕业设计（论文） 2 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： 管式换热器：如套管式、螺旋管式、管壳式、热管式等； 板面式换热器：如板式、螺旋板式、板壳式等； 扩展表面式换热器：如板翅式、管翅式、强化的传热等。 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，而 图 1-2-1 所示为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 本科生毕业设计（论文） 3 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： 固定管板式换热器：其结构如图 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，当壳体直径相同时，可安排更多的管子，也便于分 程，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。 浮头式换热器：其结构如图 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 本科生毕业设计（论文） 4 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。 u 型管式换热器：其结构可参见图 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。 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 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。 填料函式换热器：图 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 本科生毕业设计（论文） 5 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。 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： 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。 （1） 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。 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。 （2） 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 本科生毕业设计（论文） 6 提高 1.31.7 倍，但阻力降增加 1.72.5 倍。 （3） 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工艺设计以及结构设计 进行介绍。 本科生毕业设计（论文） 7 第二章 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 两流体温度变化情况：热流体进口温度 82，出口温度 76；冷流体（自 来水）进口温度 51，出口温度 71。该换热器用循环冷却水冷凝，冬季操作 时进口温度会降低，考虑到这一因素，估计改换热器的管壁温和壳体壁温之差 不大，因此初步确定选用固定管板式换热器。 2.流动空间及流速的确定 因两流体中苯发生相变,水的对流传热系数一般较大且易结垢,故应使循环 水走管程，苯品走壳程。选用 20x2 的碳钢管，管内流速取 ui=1.2m/s。 3.确定物性数据 定性温度：可取流体进口温度的平均值。 壳程苯的定性温度为 t=(82+80)/2=81（） t=(80+76)=78（） 管程流体的定性温度为 t=（ 51+71） /2=61（） 苯在 79下的有关物性数据如下： 密度 =3.5kg/ m3 =879kg/ m 3 定压比热容 cp =1.41kj/（kg.）c p =1.29kj/（kg .） 导热系数 =0.007w/ （m. ） =0.11w/（m. ） 粘度 o=0.000312pa.s 汽化热 h=394kjkg 流量 )/(350hkgm 循环冷却水在 61下的物性数据： 密度 i =983kg/m3 定压比热容 c pi =4.622kj/(kg.) 导热系数 i=0.66w/(m.) 粘度 i=0.000469pa.s 本科生毕业设计（论文） 8 2.2 换热器传热面积与换热器规格： 2.2.1 流动空间的确定 选择被冷却的苯品走壳程，冷却介质水走管程。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 a 2.2.2.1 传热计算（热负荷计算） 热负荷：q c=mo h+mocpto+mocpt1 =3500394 35001.41(82-80) 35001.29(80-76)=1.407 106kj/h=390.78kw 冷却水用量： 14071520kg/hti.2qocp=（ ） （ -5） 2.2.2.2 有效平均温差 的计算ma 选取逆流流向，这是因为逆流比并流的传热效率高。 采用平均温度差。 t1-2-m=7.82lnln （ 80） （ 15） （ ） 7t- 9.4ll2 （ 6） （ ） （ ） 15)(76.1.82.70, cmtt 总 2.2.2.3 按经验值初选总传热系数 k估 查表选得 =300w/（） ；k估 2.2.2.4 初算出所需的传热面积 a ；390782a=.34mtm1.6q（ ） 总 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0a ，根据 查选型手册，可选换热器的型式为： 21*7348 本科生毕业设计（论文） 9 ，且为达到所需换热面积，应采用三台同类换热器串联。bes-2.586/-4 所选浮头式换热器的规格参数以及其工艺计算常用参数可参考表 2-3 与 表 2-4（附第二章后） 。 2.2.3 传热管数及管程的确定 选用 20x2 的传热管（碳钢）l=4.5(m),取管内流速 ui=0.4m/s 依据传热管内径和流速确定单程传热管数s 22i150/(9836)n7().74vdu根 按单程管计算，所需的传热管长度为 os8017.69(m)n3.12sl p7694()l5n管 程 传热管总根数 n=72x4=288 (根) 2.2.4 管心距的计算 采用组合排列法，即每程内均按正方形排列，隔板两侧采用正方 形排列。取管心距 t=1.25do，则 t=1.25 20=25（mm） 横过管束中心线的管数 nc=1.1 =18.6 取 19（根）28 2.2.5 换热器型号、参数的确定 将选型计算所得换热器管管子数与布管总数相比较，如果换热器管管子 数大于布管总数，则需更换公称直径 dn,然后重新计算布管总数；如果换热管 管子数小于布管总数，则可最终确定换热器型号，并将换热器的型号参数输 出。换热器型号参数有：公称直径 dn、公称压力 pn、换热管长度 ln、换热器 管程 np、换热器外径 d、 公称换热面积 a、管箱型式（a/b） 、壳体型式等。 2.2.6 壳体内径计算 采用多管程结构，取管板利用率 =0.7，则壳体内径为 本科生毕业设计（论文） 10 d=1.05t =1.1 25 =556（mm）取 600mm/n286/0.7 圆整可取 d=600mm 式中：t管心距 n传热管总根数 管板利用率 圆缺高度计算： 采用弓形折流板圆缺高度为壳体内径的 25，则切去的圆缺高度为 h=0.25 600=150mm 取折流板间距 b=0.5d,则 b=0.5 600=300mm，可取 b 为 300mm 2.2.7 折流板的计算 折流板一般都比较薄，为了尽量避免加工偏差，便于管束装配，全部折流 板应叠在一起同时进行钻孔为好，待钻孔工序完成后再按对称方向根据需要的 形状进行边缘加工。 弓形折流板 大部分换热器采用弓形折流板，其缺口高 h 数值，一般为 0.200.45 倍的圆筒内直径。折流板的缺口一般在排管中心以下或切于两排管 孔的小桥中间。 折流板数 450113bn传 热 管 长 （ 块 ）折 流 板 间 距 对于折流板的间距，没有严格规定一般按工艺要求而定。一般采用等距分 布。折流板的最小间距，一般不小于壳体内直径的五分之一，且不小于 50mm， 特殊情况可取小间距。折流板的最大间距与管径及壳体直径有关。 2.3 换热器核算 管程流体进出口接管的直径： 取接管内循环水流速 u=1.5m/s，则接管内径为41520/d0.64m3.（ 698）=（ ） 取标准管径为：65mm 壳程流体进出口接管：取接管内气体苯品流速为 u=15m/s，液体苯品流速 本科生毕业设计（论文） 11 为 u=0.5m/s,则接管内径为 进口内径: 取 200mm 4350/3.50.1u.14v（ 6） 出口内径： /879d.m3.5（ ） （ ） 取标准管径为：100mm 2.3.1 传热系数核算 壳程对流传热系数 对圆缺形折流板，可采用克恩公式 o0.14o0.51/3oew=.36rprd 当量直径，由正方形排列得 o222e4t40.5.780.d= .0m31（ ） 壳体流通截面积 o 2o 0.2bd10.6.36t 5s（ ） 壳体流体流速及其雷诺系数分别为 气体苯： o35/3.089ms0.6u（ ） （ /） 15e=.2r 液体苯： o35/70.38s0.6.189e12（ ） （ /） 普兰特准数 气体苯： 361.40pr .8.7 液体苯： 36.291r 3 本科生毕业设计（论文） 12 粘度校正 1 0.4ow w/(m2. )0.51/3o.=036982604. w/(m2. )./.139. =（104.31319223）2=325.5 w/(m2. )o （2）管程对流传热系数 i0.8.4i reprd. 管程流通截面积 22i0.75.16.7m4s（ ） 管程流体流速 ie3/u0.s0.17.69864（ ） （ /）r= 普兰特准数 330.80.4i.621.pr 29.0.657 （3）总传热系数 k 污垢热阻 rsi=0.000144m2./w rso=0.000072 m2./w 管壁的导热系数 =70w/(m.) =osisoim1db+ark= w/13100.20.2.0.2.4.075471667825. 本科生毕业设计（论文） 13 （m 2） （4）传热面积 s s= =mqkt2390784.m16.（ ） 该换热器的实际传热面积 sp 此管采用 d=600mm b=420mm 管长 l=4m 管程为 4 管程的规格，查国标可得： 传热管总管数为：288 根 换热器的实际传热面积 sp=3.14 (4.5-0.06) 0.02 (288-19)=752m 该换热器的面积裕度为 000754.11.2psh= 传热面积裕度合适，该换热器能够完成生产任务。 232 换热器的流体阻力 （1）管程流动阻力 i tspp12（ +） fn ns=1，np=4，ft=1.422iluud1=， 由 re=10061，传热管相对粗糙度 0.01/20=0.005，查莫狄图得 =0.034w/m，流速 ui=0.995m/s， =994kg/m3，所以i 24.5039810. 16.5a6p（ p） 22u.=.7（ ） 105pai ap（ 1368.5+.7） 14956.（ ） 管程流动阻力在允许的范围之内。 （2）壳程阻力 本科生毕业设计（论文） 14 po=(p1+p2)ftns nsl，ftl.15 流体流经管束的阻力 2010 8790.3.8(1).45316272cbupffnn pa4.59,63c ,0.2801efr0.38u222(.5/)/(.51)790.3816.7bpndpa 流体流过折流板缺口的阻力 总阻力po2716.743.7(pa)42 kpa 壳程流动阻力也比较适宜。 2.3.3 换热器的选型 表 2-3 所选浮头式换热器规格 dn mm pn mpa 管长 m 管程 数 换热管 规格 计算传 热面积 规格型号 管程出入 口公称直 径， 壳程出入口公 称直径， 6000.43 4.5 4 75 65 155 表 2-4 工艺计算常用参数 公称直径 （mm） 管程 中心排管数 换热管数 管程平均通道面 积（c） 弓形折流板缺口 弓高（） 600 4 19 288 144.7 150 20bes-2.586/-4 本科生毕业设计（论文） 15 第三章 换热器的结构计算和强度计算 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 换热器的壳体设计 采用多管程结构，取管板利用率 =0.7，则壳体内径为 d=1.05t =1.1 25 =556（mm）取 600mm/n286/0.7 圆整可取 d=600mm 式中：t管心距 n传热管总根数 管板利用率 3.2 筒体材料及壁厚 由于换热器为内压容器，故可以采用内压容器的设计方法来确定其壁厚， 根据内压薄壁容器“弹性失效”设计准则，壳壁计算壁厚计算公式为： 设计压力 pc=（1.05 c1 1.1）pw 壳程：pc=1.10.042=0.0462mpa 管程：pc=1.10.43=0.473mpa 采用双面对接焊，局部无损探伤，取焊缝系数为 85.0 压力容器的用钢种类很多，主要有 q235a,q235b,16mnr 等等，这里采 用的是 16mnr。材料的许用应力 mpa t170 取钢板的厚度负偏差 c1 =0.8mm，腐蚀裕量 c2=2mm。 则 c= c1+ c2=0.8+2=2.8mm 6mm0.47363.7822185.pdccmcid= 根据国家规定选 6mm 但查化工设备机械基础表 16-2，对于公称直径 dg=400 700mm 的合金 本科生毕业设计（论文） 16 钢圆筒的最小厚壁应该为 8mm，所以本设计 min =8mm。综上所述，取管体的 名义壁厚 n =10mm 3.3 封头的材料及壁厚 上下两封头均选用标准椭圆形封头，标准椭圆形封头的壁厚与筒体的厚度 基本相同，两者可以等厚，则 。根据 jb/t4737-2002 标准，封头为：mhf10 。如图所示，材料选用 20r.4,5,6021dn直 边 高 度曲 面 高 度 钢。下封头常与裙座焊接，h2=50mm，材料选用 16mnr 钢。 3.4 管箱材料的选择及壁厚的计算 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1120.8;cm 计算厚度为： ；0.4736.9285.20.5cihtcd 设计厚度 ；1.9278dhc 但查化工设备机械基础表 16-2，对于公称直径 dg=400 700mm 的合 金钢封头的最小厚度应该为 8mm， =10mm。 经检查， 没有变化，故dh t 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： 本科生毕业设计（论文） 17 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（） 600 175 0.4374 0.0353 34.6 短节部分的厚度同封头处厚度，为 10mm。 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1120.8;cm 为： ； 0.473.5285.20.5cihtcd 设计厚度 ； 1.29dhc 名义厚度 （ 为向上圆整量） ； 9n maa 经检查， 没有变化，故合适。 t 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（） 700 200 0.5861 0.0545 41.3 短节部分的厚度同封头处厚度，为 10mm。 3.5 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。 由于管程出入口公称直径均为 65mm，按照厚度系列，可选接管的规格 为 ；而壳程进口公称直径均为 200mm，出口公称直径均为 200mm，按照576 厚度系列，可选接管的规格分别为 ，为接管的材料选为 20 号钢。8219 本科生毕业设计（论文） 18 3.5.1 壳体上开孔补强计算 1. 补强及补强方法判别： 1 补强判别：根据 gb150 表 8-1，允许不另行补强的最大接管外径是 ，壳程进口开孔外径为 200mm，因此需要另行考虑其补强。其余开孔89m 外径因不大于 89mm，故不需要另行考虑其补强。 开孔直径 ，20125302ii ddcm 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。 2 开孔所需补强面积计算： 强度削弱系数 ；1370.86 tnrf m 接管有效厚度 ；92etntc 开孔所需补强面积按下式计算： 2(1)05.9.7(0.86)347;etradfm 3 有效补强范围 有效宽度 b： 20541ax 410269235hhntd m 有效高度： （a）外侧有效高度 为：1 ；1205943minhnthdm （b）内侧有效高度 为：2 ；2205943in0hnthd 本科生毕业设计（论文） 19 4 有效补强面积 壳体多余金属面积： 壳体有效厚度： 63;encm 则多余的金属面积 为：1a2()2()(1405(30.8730.8.6);hhehethrhbdfm 接管多余金属面积： 接管计算厚度： ；21.20.81372cittndm 接管多余金属面积 ：a21222()()4370.8.609.;hetretrfhcfm 接管区焊缝面积（焊脚取为 6mm）： ；231632am 有效补强面积： 2123459.01.e a 由此可知已经达到了补强要求，无需另行补强。 3.6 水压试验及壳体强度的校核 水压试验压力： mpaptct 59.01743.025125.1 根据文献化工原理课程设计4-89 有： adpeit 8.42).10(2659.2 本科生毕业设计（论文） 20 而 mpakdpeittf 73.24)8.10(25659.2).0( 式中： k应力增强系数或形状系数，对椭圆形封头取 k=1 内压容器的试验压力t 水压试验时筒体的壁内应力 水压试验时封头（管箱）的壁内应力tf 根据文献化工设备机械基础表 8-7，可知所选用的 16mnr 板材在 常温下时： mpas345 则有 pa246358.09.0 式中： 16mnr 在常温下时的许用应力s 则 246mpa， 246mpatf 可见筒体和封头在水压试验时均安全。 3.7 换热管 换热管的规格为 ，材料选为 20 号钢。192 3.7.1 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。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。 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 s=25mm，分程隔板槽两侧相邻管的 中心距为 35mm；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。 本科生毕业设计（论文） 21 3.7.2 布管限定圆 ld 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：12()lib 查 gb151-1999 可知，b=5，b1=3，bn=12，故 b2= bn+1.5=13.5，则 。6035.78.5m 3.7.3 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。3 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： ； min(ax)10%cpna 其中： 各程的平均管数； 各程中最小或最大的管cp min(ax)n 数。 实际排管如下所示： 由上图可知，经过实际排管后发现，每个管程的布管数目分别是 72，72， 而各管程的平均管数为 72，因此可知各程管数的相对误差是：min(ax)72110%0.3%20cpna 本科生毕业设计（论文） 22 3.7.4 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。 3.8 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。 3.8.1 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。 3.8.2 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da 换热管支承的面积， ，对正方形排列， ；2m ()dnas 隔板槽一侧的排管根数；n 换热管中心距；s 隔板槽两侧邻管的中心距；n 管板布管区面积， ；对多管程正方形排列换热器，ta2m ； 2tds 本科生毕业设计（论文） 23 管板布管区内开孔后的面积， ； ；la2m 24ltdan 一根换热管管壁金属的横截面积， ；a 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gd 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 ，0 652106.4nbm02.53.186.4bm 故 ；89g 管板布管区当量直径， ， ；td 4ttad 换热管外径， ；dm 设计温度时，管板材料的弹性模量，mpa；pe 设计温度时，换热管材料的弹性模量，mpa；f 系数，按 和 查 gb151 图 24；wega 123akpt 管束模数，mpa； ； tk ttenld 管束无量纲刚度，mpa； ；t ttpk 换热管有效长度（两管板内侧间距） ， ；l m 换热管与管板胀接长度或焊脚高度， ；l 换热管根数；n 无量纲压力， ；ap 1.5 datrp 当量压力组合；mpa；c 管板设计压力，mpa；dp 壳程设计压力，mpa；s 本科生毕业设计（论文） 24 管程设计压力，mpa；tp 换热管与管板连接拉脱力，mpa；q 许用拉脱力，查 gb151，mpa； 系数， ；1 naa 管板计算厚度， ；m 换热管管壁厚度， ；t 管板刚度削弱系数，一般可取 值； 管板强度削弱系数，一般取 ；0.4 系数， ；t ttgd 换热管轴向应力，mpa；t 换热管稳定许用压应力，mpa；cr 设计温度时，管板材料的许用应力，mpa； tr 设计温度时，换热管材料的许用应力，mpa； t 管板厚度计算过程如下： 1管板名义厚度计算： ； 295(3)10925(3)70ddam ；87t ； 23.140230658la ；222.()()13.044oiadm ；813.05.n 本科生毕业设计（论文） 25 ；325.021468 ；7549tdm ； ；5490.86t1.8t 查 gb150 可知 ， ； 5.620tempa51.80empa 则 ； 51.33(40)49tk 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， 。02()n管 端 伸 出 长 度 ；518.30.4.4tk 130.5tk 当中的 的计算如下：cr ； 5221.63. 14.2trsec ；2220.5()0.(0)6.tid 查 gb151-1999 可知 ，则 ，同时由于前6crbl 49375cr rlic 面换热管的材料选为 20 号钢，故 ，8 tmpa ； 245.(1)(1)2427.86tscrcrtlicmpapa 由于此时不能保证 与 在任何时候都同时作用，则取 ；故st 0.5dpma ，故 ；根据 =0.352 和097.86.415ap098.21ap123akp 查 gb151 图可知 ，则管板计算厚度为：2t.6,.7wecg ；0.549032tacdm 本科生毕业设计（论文） 26 管板的名义厚度应不小于下列三部分之和，即 min12(,)(,)(,)32.52.804n stmaxchmaxh圆 整圆 整=618+4圆 整 = 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。 02()451.547nlm管 端 伸 出 长 度 ； 51.632.979.tkmpa ；52040.48t 故 =0.352，查图可知 ， ，则 13ap0.61c.7weg ，.69.73285tcdm ；2.854n圆 整 3.