浮头式换热器

1、辽宁石油化工大学继续教育学院论文浮头式换热器E-204机械设计摘 要本次设计的题目为浮头式换热器。浮头式换热器是管壳式换热器系列中的一种，关键词Floating head heat exchanger mechanical design E-204AbstractThe subject of this design is floating head heat exchanger. Key words: heat exchangers, thermal stress, heat transfer显示对应的拉丁字符的拼音 字典46目录前言11.1 换热器的概述11.1.1 换热设备的应用

2、11.1.2 换热器设备的分类11.2 浮头式换热器31.2.1设计参数的确定41.2.2 材料的选取71.2.3 管程结构111.2.4 壳程结构131.2.5 开孔和开孔补强设计161.2.6 密封装置设计18 1.2.7 焊接结构设计19 1.2.8 支座结构设计212 设计计算222.1 筒体的计算22 2.1.1 计算条件22 2.1.2 厚度的计算222.2 管箱短节的计算23 2.2.1 计算条件23 2.2.2 厚度的计算232.3 外头盖短节的计算24 2.3.1 计算条件24 2.3.2 厚度的计算242.4 管箱封头的计算25 2.4.1 计算条件25 2.4.2 厚度的

3、计算252.5 外头盖封头的计算26 2.5.1 计算条件26 2.5.2 厚度的计算262.6 固定管板设计27 2.6.1 符号说明27 2.6.2 管板厚度的计算28 2.6.3 换热管的轴向应力32 2.6.4 换热管与管板连接拉脱力342.7 浮动管板设计35 2.7.1 符号说明35 2.7.2 管板厚度的计算36 2.7.3 换热管的轴向应力40 2.7.4 换热管与管板连接拉脱力422.8 浮头盖的设计计算42 2.8.1 管程压力作用下浮头盖的计算422.8.2 壳程压力作用下浮头盖的计算482.9 开孔补强502.10 水压试验校核583 总结62参考文献63谢辞641前言

4、1.1 换热器概述换热器是将热流体的部分热量传递给冷流体，使流体温度达到工艺流程规定的指标的热量交换设备，又称热交换器。换热器作为传热设备被广泛用于锅炉暖通领域，随着节能技术的飞速发展，换热器的种类越来越多。1.1.1 换热器设备的应用换热器是化工、石油、动力、食品及其它许多工业部门的通用设备，在生产中占有重要地位。2设计计算2.1 筒体的计算2.1.1 计算条件计算压力 设计温度 t=150内径 选用的材料 Q345R钢板负偏差 钢板的腐蚀余量 操作温度下的许用应力 设计温度下的许用应力 试验温度下的屈服点 焊接系数 =0.852.1.2 厚度的计算计算厚度 （2-1）设计厚度 （2-2）名

5、义厚度 （2-3）有钢材标准规格，可取 有效厚度 （2-4）2.2 管箱短节的计算2.2.1 计算条件计算压力 设计温度 内径 选用的材料 Q345R钢板负偏差 钢板的腐蚀余量 操作温度下的许用应力 设计温度下的许用应力 试验温度下的屈服点 焊接系数 2.2.2 厚度的计算 有钢材标准规格，可取 2.3 外头盖短节的计算2.3.1 计算条件计算压力 设计温度 t=150内径 选用的材料 Q345R钢板负偏差 钢板的腐蚀余量 操作温度下的许用应力 设计温度下的许用应力 试验温度下的屈服点 2.3.2 厚度的计算 2.4 管箱封头的计算2.4.1 计算条件计算压力 设计温度 t=150内径 选用的

6、材料 Q345R钢板负偏差 钢板的腐蚀余量 操作温度下的许用应力 设计温度下的许用应力 试验温度下的屈服点 焊接系数 =0.852.4.2 厚度的计算本设备采用标准椭圆形封头 2.5 外头盖封头的计算2.5.1 计算条件计算压力 设计温度 t=150内径 选用的材料 Q345R钢板负偏差 钢板的腐蚀余量 操作温度下的许用应力 设计温度下的许用应力 试验温度下的屈服点 2.5.2厚度的计算采用标准椭圆形封头 2.6 固定管板设计2.6.1 符号说明-未能被换热管支撑的面积，；-管板布管区内开孔后的面积，；-管板布管区面积，；a-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

7、，mm；d换热管直径，mm；-设计温度时管板材料弹性模量，MPa；-设计温度时换热管材料弹性模量，MPa；-管束模量，MPa；-管束无量纲刚度；L换热管有效长度，mm；l换热管与管板胀接长度或焊脚高度，mm；n换热管根数；-沿隔板槽一侧的排管根数；-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；q换热管与管板连接拉脱力，MPa；-许用拉脱力，MPa;S换热管中心距，mm；管板设计厚度，mm；-换热管管壁厚度，mm；管板刚度消弱系数；管板强度消弱系数；-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

8、许用应力，MPa；-设计温度时，换热管材料的许用应力，MPa。2.6.2管板厚度的计算=14 S=32mm =45mm （2-5）n=268 （2-6） （2-7）垫圈外径D=765mm 垫圈内径d=725mm密封基本宽度 （2-8） （2-9） （2-10） （2-11） （2-12） （2-13） （2-14）设管板厚度，。 （2-15） （2-16）=0.4 （2-17）换热管材料选用20号钢=216MPa （2-18）d=25mm =2.5mm换热管的回转半径 （2-19）换热管受压失稳当量长度=465mm （2-20） （2-21）=1.6MPa =1.6MPa取或较大者 （2-22

9、） （2-23） （2-24）查图23得到C=0.48查图24得到=4.7管板计算厚度 （2-25）管板规定的最小厚度 （2-26）壳程腐蚀裕量1.5mm或结构开槽深度0管程腐蚀裕量1.5mm或分程隔板槽深度5mm （2-27）所以取管板厚度=58mm2.6.3 换热管的轴向应力一般情况下，应按下列三种工况分别计算换热管的轴向力只有壳程设计压力,管程设计压力=0时， （2-28） （2-29） 0时， 符合要求只有管程设计压力，壳程设计压力=0时 （2-30） （2-31）0时， 符合要求壳程设计压力和管程设计压力同时作用时 （2-32） （2-33）0时， 符合要求2.6.4 换热管与管板连

10、接拉脱力 （2-34）换热管与管板焊脚高度l=3.5mm换热管的轴向应力，上述最大值为 （2-35） 符合要求在三种情况下，换热管与连接的拉脱力均满足要求。2.7 浮动管板设计2.7.1 符号说明-未能被换热管支撑的面积，；-管板布管区内开孔后的面积，；-管板布管区面积，；a-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，mm；d换热管直径，mm；-设计温度时管板材料弹性模量，MPa；-设计温度时换热管材料弹性模量，MPa；-管束模量，MPa；-管束无量纲刚度；L换热管有效长度，mm；l换热管与管板胀接长度或焊脚高度，mm；n换热管根数；-沿隔板槽一侧的排管根数；-无量

11、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；q换热管与管板连接拉脱力，MPa；-许用拉脱力，MPa;S换热管中心距，mm；管板设计厚度，mm；-换热管管壁厚度，mm；管板刚度消弱系数；管板强度消弱系数；-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。2.7.2 管板厚度的计算=14 S=32mm =45mm n=268 垫圈外径D=692mm 垫圈内径d=672mm密封基本宽度 设管板厚度，。 =0.4 换热管材料选用20号钢=216MP

12、a d=25mm =2.5mm换热管的回转半径 换热管受压失稳当量长度=465mm =1.6MPa =1.6MPa取或较大者 查图23得到C=0.38查图24得到=5.2管板计算厚度 管板规定的最小厚度 壳程腐蚀裕量1.5mm或结构开槽深度0管程腐蚀裕量1.5mm或分程隔板槽深度5mm 所以取管板厚度=58mm2.7.3 换热管的轴向应力一般情况下，应按下列三种工况分别计算换热管的轴向力只有壳程设计压力,管程设计压力=0时， 0时， 符合要求只有管程设计压力，壳程设计压力=0时 0时， 符合要求壳程设计压力和管程设计压力同时作用时 0时， 符合要求2.7.4 换热管与管板连接拉脱力 换热管与管

13、板焊脚高度l=3.5mm换热管的轴向应力，上述最大值为 符合要求在三种情况下，换热管与连接的拉脱力均满足要求。2.8 浮头盖的设计计算2.8.1 管程压力作用下浮头盖的计算a) 球罐形封头的计算厚度管程压力 =1.6MPa封头球面内半径 封头材料选用 Q345R封头材料在设计温度下的许用应力 焊接接头系数 =0.85 b) 浮头法兰计算厚度计算压力设计温度t=120法兰外直径螺栓中心圆直径法兰内直径螺栓材料 垫片材料 0垫片系数 m=3.75比压力 y=62.1MPa螺栓直径 =20mm螺栓数量 n=32个浮头垫片的基本参数，可得外径D=692mm 内径d=672mm垫片宽度 （2-36） （

14、2-37） （2-38） （2-39） （2-40） （2-41） （2-42） （2-43） （2-44） （2-45） （2-46）螺栓根径 （2-47） （2-48）封头边缘外球壳中面切线与法兰环的夹角 （2-49）操作情况下法兰的受力 （2-50） （2-51） （2-52） （2-53） （2-54） 设法兰厚度=90mm，l=16mm （2-55） 操作情况下法兰总力矩 预紧螺栓时法兰的受力 （2-56） （2-57）法兰材料为 16Mn （2-58）操作状态 （2-59）操作状态下的法兰厚度 （2-60）预紧状态下的法兰厚度 （2-61）2.8.2 壳程压力作用下浮头盖的计算a)

15、 球罐形封头的计算厚度假设=10mm （2-62）B=140MPa 合理 （2-63） 操作情况下法兰总力矩 综上所述 =90mm2.9 开孔补强2.9.1 管箱接管设计压力 P=1.6MPa设计温度 t=120接管规格 159×6的无缝接管短节厚度 =8mm厚度附加量 C=1.5mm焊接系数 =0.85短节材料 Q345R其设计温度下的许用应力 =189MPa接管材料 20号钢其设计温度下的许用应力 =144MPa开孔直径 （2-64）强度消弱系数 （2-65）接管有效厚度 开孔所需补强面积 （2-66）有效宽度 （2-67） （2-68）去两者较大值外侧有效高度 （2-69）接管

16、实际外伸高度 =207mm去两者较小值 =30mm内侧有效高度 接管实际内伸高度 =0去两者较小值 =0 （2-70）接管的计算厚度 （2-72）焊缝金属横截面积（取焊脚为6mm） 符合要求，不需要补强。2.9.2 筒体接管设计压力 P=1.6MPa设计温度 t=150接管规格 273×9的无缝接管筒体厚度 =8mm厚度附加量 C=1.5mm焊接系数 =0.85筒体材料 Q345R其设计温度下的许用应力 =189MPa接管材料 20号钢其设计温度下的许用应力 =140MPa开孔直径 （2-64）强度消弱系数 （2-65）接管有效厚度 开孔所需补强面积 （2-66）有效宽度 （2-67

17、） （2-68）去两者较大值外侧有效高度 （2-69）接管实际外伸高度 =207mm去两者较小值 =48.2mm内侧有效高度接管实际内伸高度 =0去两者较小值 =0 （2-70）接管的计算厚度 （2-72）焊缝金属横截面积（取焊脚为6mm） 符合要求，不需要补强。2.9.3 筒体接管设计压力 P=1.6MPa设计温度 t=150接管规格 108×5的无缝接管筒体厚度 =8mm厚度附加量 C=1.5mm焊接系数 =0.85筒体材料 Q345R其设计温度下的许用应力 =189MPa接管材料 20号钢其设计温度下的许用应力 =140MPa开孔直径 （2-64）强度消弱系数 （2-65）接管

18、有效厚度 开孔所需补强面积 （2-66）有效宽度 （2-67） （2-68）去两者较大值外侧有效高度 （2-69）接管实际外伸高度 =207mm去两者较小值 =18.8mm内侧有效高度 接管实际内伸高度 =0去两者较小值 =0 （2-70）接管的计算厚度 （2-72）焊缝金属横截面积（取焊脚为6mm） 符合要求，不需要补强。2.10 水压试验校核设计压力管程 P=1.6MPa 壳程P=1.6MPaQ345R在试验温度下的许用应力 =189MPaQ345R在设计温度下的许用应力 =189MPaQ345R在试验温度下的屈服点 =345MPa圆筒的应力校核 符合要求外头盖短节的应力校核 符合要求管箱

19、封头的应力校核 符合要求外头盖封头的应力校核 符合要求球罐形封头的应力校核内压作用下 符合要求外压作用下 符合要求3 总结经过将近一个学期的毕业设计实践与学习，我完成了浮头式换热器E-204的结构设计、强度校核等，并且手工绘制了装配图纸，电脑CAD绘制了零件图。在本次的设计中，我运用以前在学过的课程如过程设备设计、化工原理、机械设计基础和工程材料等上面的知识，再加上导师的细心指导，顺利的完成了浮头式换热器的设计。本次设计是大学四年所学知识的全面应用与考查，这是前几次课程设计所不能比拟的。所以，这次我能顺利完成任务，与老师、同学的热情帮助是离不开的。同时在完成此次过程中，我也学到了许多书本以外的知识。通过此次毕业设计，我对大学所学的知识有了更深刻的了解，加深了对这些知识的印象，并且能够融会贯通，这都为我以后的学习和工作打下了良好的基础。总之，此次设计让我受益匪浅。但由于个人水平有限，我对这个课题的研究还是没能足够深入，设计方面难免有一些缺陷和问题，请各位老师给我提出宝贵的意见。以便我能够在以后的研究设计中能够取得更大的进步。参考文献1朱聘冠.换热器原理及计算M.北京 ：清华大学出版社，19872史美中，王中铮.热交换器原理与设计M