固定管板式换热器说明

1、 2 48 -固定管板式换热器毕业设计说明书 摘 要 固定管板式换热器是一种广泛应用于化工、石油、动力和原子能等工业部门的换热设备，特别是在化工机械领域有着重要的意义。本次设计主要是设计一个固定管板式换热器，讨论了固定管板式换热器的特性，以及在给定条件下固定管板式换热器的各种参数的设计和结构尺寸。设计的前半部分是工艺计算部分，主要是根据给定的设计压力及换热面积，进行换热器的选型，校核传热系数，计算出实际的换热面积，最后进行压力降的计算。设计的后半部分则是关于结构和强度的设计，主要是进行设备内各零部件（如接管、管板、法兰、筒体、封头、折流板、定距管、管箱等）的设计，包括材料的选择、具体尺寸确定、

2、确定具体位置、厚度与强度的计算、开孔补强计算等，最后画出零部件图和装配图关键字： 固定管板式换热器、换热器、工艺设计、结构设计、校核毕业设计（论文）用纸目录 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc289239356 摘要 PAGEREF _Toc289239356 h - 1 - HYPERLINK l _Toc289239357 设计任务书 PAGEREF _Toc289239357 h - 2 - HYPERLINK l _Toc289239358 第1章 概论 PAGEREF _Toc289239358 h - 3 - HYPERLINK l _Toc28923

3、9359 1.1.换热器概述 PAGEREF _Toc289239359 h - 3 - HYPERLINK l _Toc289239360 1.2换热器分类 PAGEREF _Toc289239360 h - 3 - HYPERLINK l _Toc289239360 1.3固定管板式换热器的特点 PAGEREF _Toc289239360 h - 4 - HYPERLINK l _Toc289239360 1.4设计要求 PAGEREF _Toc289239360 h - 5 - HYPERLINK l _Toc289239360 1.5设计的目的和意义 PAGEREF _Toc28923

4、9360 h - 6 - HYPERLINK l _Toc289239360 1.6设计的方法和步骤 PAGEREF _Toc289239360 h - 6 - HYPERLINK l _Toc289239360 1.7设计内容和要求 PAGEREF _Toc289239360 h - 6 - HYPERLINK l _Toc289239360 1.7.1设计内容 PAGEREF _Toc289239360 h - 6 - HYPERLINK l _Toc289239360 1.7.2设计要求 PAGEREF _Toc289239360 h - 6 - HYPERLINK l _Toc2892

5、39359 第二章 工艺计算 PAGEREF _Toc289239359 h - 8 - HYPERLINK l _Toc289239360 2.1设计任务和设计条件 PAGEREF _Toc289239360 h - 8 - HYPERLINK l _Toc289239360 2.2确定设计方案 PAGEREF _Toc289239360 h - 8 - HYPERLINK l _Toc289239360 2.2.1选择换热器的类型 PAGEREF _Toc289239360 h - 8 - HYPERLINK l _Toc289239360 2.2.2流程安排 PAGEREF _Toc28

6、9239360 h - 8 - HYPERLINK l _Toc289239360 2.3确定物性数据 PAGEREF _Toc289239360 h - 8 - HYPERLINK l _Toc289239360 2.4估算传热面积 PAGEREF _Toc289239360 h - 9 - HYPERLINK l _Toc289239360 2.4.1热流量 PAGEREF _Toc289239360 h - 9 - HYPERLINK l _Toc289239360 2.4.2平均传热温差 PAGEREF _Toc289239360 h - 9 - 2.4.3传热面积 HYPERLINK

7、 l _Toc289239360 PAGEREF _Toc289239360 h - 9 - HYPERLINK l _Toc289239360 2.4.4冷却水用量 PAGEREF _Toc289239360 h - 10 - HYPERLINK l _Toc289239360 2.5工艺结构尺寸 PAGEREF _Toc289239360 h - 10 - HYPERLINK l _Toc289239360 2.5.1管径和管内流速 PAGEREF _Toc289239360 h - 10 - HYPERLINK l _Toc289239360 2.5.2管程数和传热管数 PAGEREF

8、_Toc289239360 h - 10 - HYPERLINK l _Toc289239360 2.5.3平均传热温差校正及壳程数 PAGEREF _Toc289239360 h - 11 - HYPERLINK l _Toc289239360 2.5.4传热管排列和分程方法 PAGEREF _Toc289239360 h - 11 - HYPERLINK l _Toc289239360 2.5.5壳体内径 PAGEREF _Toc289239360 h - 12 - HYPERLINK l _Toc289239360 2.5.6折流板 PAGEREF _Toc289239360 h - 1

9、2 - HYPERLINK l _Toc289239360 2.5.7接管 PAGEREF _Toc289239360 h - 13 - HYPERLINK l _Toc289239360 2.6换热器核算 PAGEREF _Toc289239360 h - 13 - HYPERLINK l _Toc289239360 2.6.1热流量核算 PAGEREF _Toc289239360 h - 13 - HYPERLINK l _Toc289239360 2.6.2壁温计算 PAGEREF _Toc289239360 h - 16 - HYPERLINK l _Toc289239360 2.6.

10、3换热器内流体的流动阻力 PAGEREF _Toc289239360 h - 16 - HYPERLINK l _Toc289239359 2.7换热器主要结构尺寸和计算结果 PAGEREF _Toc289239359 h - 17 - HYPERLINK l _Toc289239359 第三章 结构设计 PAGEREF _Toc289239359 h - 20 - HYPERLINK l _Toc289239359 3.1筒体内径确定 PAGEREF _Toc289239359 h - 20 - HYPERLINK l _Toc289239359 3.2管箱法兰的设计 PAGEREF _To

11、c289239359 h - 20 - HYPERLINK l _Toc289239359 3.3管箱结构设计 PAGEREF _Toc289239359 h - 22 - HYPERLINK l _Toc289239359 3.3.1前端管箱 PAGEREF _Toc289239359 h - 23 - HYPERLINK l _Toc289239359 3.3.2后端管箱 PAGEREF _Toc289239359 h - 24 - HYPERLINK l _Toc289239359 3.4管板结构设计 PAGEREF _Toc289239359 h - 24 - HYPERLINK l

12、_Toc289239359 3.5折流板结构设计 PAGEREF _Toc289239359 h - 25 - HYPERLINK l _Toc289239359 3.6换热管 PAGEREF _Toc289239359 h - 26 - HYPERLINK l _Toc289239359 3.7分程隔板 PAGEREF _Toc289239359 h - 27 - HYPERLINK l _Toc289239359 3.8拉杆和定距管设计 PAGEREF _Toc289239359 h - 27 - HYPERLINK l _Toc289239359 3.9接管设计 PAGEREF _Toc

13、289239359 h - 28 - HYPERLINK l _Toc289239359 3.9.1壳程接管位置 PAGEREF _Toc289239359 h - 28 - HYPERLINK l _Toc289239359 3.9.2管箱接管位置 PAGEREF _Toc289239359 h - 28 - HYPERLINK l _Toc289239359 3.9.3接管最小高度 PAGEREF _Toc289239359 h - 28 - HYPERLINK l _Toc289239359 3.10防冲板设计 PAGEREF _Toc289239359 h - 28 - HYPERLI

14、NK l _Toc289239359 3.11接管法兰选取 PAGEREF _Toc289239359 h - 29 - HYPERLINK l _Toc289239359 3.12垫片 PAGEREF _Toc289239359 h - 30 - HYPERLINK l _Toc289239359 3.13螺柱（螺栓） PAGEREF _Toc289239359 h - 30 - HYPERLINK l _Toc289239359 3.14鞍座选用及安装位置确定 PAGEREF _Toc289239359 h - 31 - HYPERLINK l _Toc289239359 3.14.1鞍座

15、选用 PAGEREF _Toc289239359 h - 31 - HYPERLINK l _Toc289239359 3.14.2鞍座的安装位置 PAGEREF _Toc289239359 h - 32 - HYPERLINK l _Toc289239359 第四章 强度校核 PAGEREF _Toc289239359 h - 34 - HYPERLINK l _Toc289239360 4.1筒体壁厚计算 PAGEREF _Toc289239360 h - 34 - HYPERLINK l _Toc289239360 4.2前端管箱短节和封头厚度的计算 PAGEREF _Toc289239

16、360 h - 34 - HYPERLINK l _Toc289239360 4.3后端管箱短节和封头厚度的计算 PAGEREF _Toc289239360 h - 35 - HYPERLINK l _Toc289239360 4.4管箱短节开孔补强校核 PAGEREF _Toc289239360 h - 37 - HYPERLINK l _Toc289239360 4.5壳体接管开孔补强校核 PAGEREF _Toc289239360 h - 37 - HYPERLINK l _Toc289239360 4.6固定管板强度计算 PAGEREF _Toc289239360 h - 38 - H

17、YPERLINK l _Toc289239360 4.7计算值汇总 PAGEREF _Toc289239360 h - 40 - HYPERLINK l _Toc289239359 第五章 制造安装与维修 PAGEREF _Toc289239359 h - 41 - HYPERLINK l _Toc289239360 5.1换热器的制造 PAGEREF _Toc289239360 h - 41 - HYPERLINK l _Toc289239360 5.2换热器的安装 PAGEREF _Toc289239360 h - 42 - HYPERLINK l _Toc289239360 5.3换热器

18、的焊接 PAGEREF _Toc289239360 h - 43 - HYPERLINK l _Toc289239360 5.4维护 PAGEREF _Toc289239360 h - 44 - HYPERLINK l _Toc289239360 总结 PAGEREF _Toc289239360 h - 45 - HYPERLINK l _Toc289239360 谢词 PAGEREF _Toc289239360 h - 46 - HYPERLINK l _Toc289239360 参考文献 PAGEREF _Toc289239360 h - 47 - 前言 在化工、石油、动力、制冷、食品等行

19、业中广泛使用各换热器，且它们是这些行业的通用设备，并占有十分重要的地位。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、结构改进及传热机理的研究十分活跃，一些新型高效换热器相继问世。 随着换热器在工业生产中的地位和作用不同，换热器的类型也多种多样，不同类型的换热器各有优缺点，性能各异。在换热器设计中，首先应根据工艺要求选择适用的类型，然后计算换热所需传热面积，并确定换热器大的机构尺寸。 列管式换热器的应用已有很悠久的历史。在化工、石油、能源设备等部门，列管式换热器仍是主要的换热设备。列管换热器的设计资料已较为完善，已有系列化标准。

20、目前我国列管换热器的设计、制造、检验、验收按“钢制管壳式（即列管式）换热器”（GB151）标准执行。设计任务书一、已知条件内容 壳程 管程物料处理量（kg/h） 2500物料名称 煤油 水工作压力（MPa） 0.1 0.1工作温度（） 100/35 25/40程数 1程 2程使用寿命 10年管子排列方式 正三角形换热器样式 固定管板式二、要求 本设计过程主要是对换热器进行工艺设计和结构设计，要求查找有关资料，给出合理的结构和工艺设计过程，画出装配图，并书写设计说明书三、论文格式按照职业技术学院要求第1章 概论1.1.换热器概述 换热器是化工、炼油工业中普遍应用的典型的工艺设备。在化工厂，换热器

21、的费用约占总费用的10%20%。换热器在其他部门如动力、原子能、冶金、食品、交通、环保等也有着广泛的应用。因此，设计得到使用、高效的换热器对降低设备的造价和操作费用具有十分重要的作用。在不同温度的流体间传递热能的装置称为热交换器，即简称换热器，是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备。 1.2.换热器的分类换热器的类型按传热方式的不同可分为：混合式、蓄热式和间壁式。其中间壁式换热器应用最广泛，其中管壳式换热的分类如下间壁式换热器又叫做管壳式换热器管壳式换热器分为（列管式、套管式、螺旋管式） 列管式又分为（固定管板式、浮头式、U形管式、填料函式、釜试、双套管式）固定管板式（刚性结构）其特点，用于管

22、壳温差较小的情况（一般50），管间不能清洗固定管板式（带膨胀节)其特点，有一定的温度补偿能力，壳程只能承受低压力浮头式其特点，管内外均能承受高压，可用于高温高压场合U型管式其特点，管内外均能承受高压，管内清洗及检修困难釜式壳其特点，体上部有个蒸发空间用于再沸、蒸煮双套管式其特点，结构比较复杂，主要用于高温高压场合和固定床反应器中套管式其特点，能逆流操作，用于传热面积较小的冷却器、冷凝器或预热器螺旋管式（沉浸式）其特点，用于管内流体的冷却、冷凝或管外流体的加热螺旋管式(喷淋式)其特点，只用于管内流体的冷却或冷凝填料函式(外填料函)其特点，管间容易泄露，不宜处理易挥发、易爆炸及压力较高的介质填料函

23、式（内填料函）其特点，密封性能差，只能用于压差较小的场合1.3固定管板式换热器的特点因设计需要选择固定管板式换热器，故单独介绍一下固定管板式换热器。固定管板式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。两端管板和壳体连结成一体，因此它具有结构简单造价低廉的优点。但是由于壳程不易检修和清洗，因此壳方流体应是较为洁净且不易结垢的物料。当两流体的温度差较大时，应考虑热补偿。有具有补偿圈（或称膨胀节）的固定板式换热器，即在外壳的适当部位焊上一个补偿圈，当外壳和管

24、束的热膨胀程度不同时，补偿圈发生弹性变形（拉伸或压缩），以适应外壳和管束的不同的热膨胀程度。这种热补偿方法简单，但不宜用于两流体温度差太大（不大于70）和壳侧流体压强过高（一般不高于600kPa）的场合；固定管板式换热器的结构见图1-1所示 图1-1固定管板式换热器的示意图1.4设计要求完善的换热器在设计和选型时应满足以下各项基本要求：（1）合理地实现所规定的工艺条件：可以从：增大传热系数提高平均温差妥善布置传热面等三个方面具体着手。（2）在进行强度、刚度、温差应力以及疲劳寿命计算时，应遵循我国钢制石油化工压力容器设计规定和钢制管壳式换热器设计规定等有关规定与标准。根据需要可添置气液排放口，检

25、查孔与敷设保温层。（3）经济合理评价换热器的最终指标是：在一定时间内（通常1年内的）固定费用（设备的购置费、安装费等）与操作费（动力费、清洗费、维修费）等的总和为最小。在设计或选型时，如果有几种换热器都能完成生产任务的需要，这一标准就尤为重要了。1.5设计的目的和意义通过设计把在“过程设备”及其它相关课程(机械制图、金属材料、化工原理等)中所学的理论知识在具体工作中综合地加以应用，达到了理论知识和实践密切结合的目的。其次，本专业的学生应具有较高的工程素质和较强的工程实践动手能力。在设计环节中，我们受到必备的基本工程技能系统训练，比如能够熟练地应用计算图表、手册、规范，能熟悉有关国家标准和部颁标

26、准(如GB、HG等)等。1.6设计的方法和步骤本次设计主要是进行换热器的工艺计算，结构设计和强度校核，主要步骤有：（1）工艺计算；（2）估算传热面积；（3）工艺结构尺寸；（4）换热器热量核算；（5）结构设计；（6）确定筒体内径；（7）确定管箱结构；（8）确定管板结构；（9）选择鞍座结构；（10）强度校核；（11）给出制造安装的原则和要求。1.7.1设计要求本设计过程主要是对换热器进行工艺设计和结构设计，要求查找有关资料，给出合理的结构和工艺设计过程，画出装配图，并书写设计说明书。1.7.2设计内容本设计要求一台煤油冷却器，具体的工艺参数如下：内容： 壳程 管程物料处理量（kg/h） 25000

27、 物料名称 煤油 水工作压力（MPa） 0.1 0.1工作温度（） 100/35 25/40程数 1程 2程使用寿命 10年管子排列方式 正三角形换热器样式 固定管板式 第二章 工艺计算、2.1设计任务和设计条件该生产过程的流程如图所示，反应器的煤油经与进料物流换热后，用循环冷却水将其从100进一步冷却至35之后，进入吸收塔吸收其中的可溶组分。已知煤油的流量为25000/h，压力为0.1MPa,循环冷却水的压力为0.1MPa，循环水的入口温度为25，出口温度为40，试设计一台列管式煤油冷却器，完成该生产任务2.2确定设计方案2.2.1选择换热器的类型两流体温的变化情况：热流体进口温度100,出

28、口温度35；冷流体进口温度25，出口温度为40，该换热器用循环冷却水冷却，冬季操作时，其进口温度会降低，考虑到这一因素，估计该换热器的管壁温度和壳体温度之差较大，因此初步确定选用固定管板式换热器。2.2.2流程安排由于循环冷却水较易结垢，若其流速太低，将会加快污垢增长速度，使换热器的热流量下降，并且粘度大的流体应走壳程，因为壳程内的流体在折流挡板的作用下，流通截面和方向都不断变化，在较低的雷诺数下就可达湍流状态。所以从总体考虑，应使循环水走管程，煤油走壳程。2.3确定物性数据定性温度：对于一般油类和水等低黏度流体，其定性温度可取流体进出口温度的平均值。故壳程煤油的定性温度为：管程流体的定性温度

29、为：根据定性温度，分别查取壳程和管程流体的有关物性数据。煤油在67.5下的有关物性数据如下（来自生产中的实测值） 密度 定压比热容 热导率 粘度 循环水在35下的物性数据 密度 定压比热容 热导率 粘度 2.4估算传热面积2.4.1热流量（2-1）2.4.2平均传热温差先按照纯逆流计算，得2.4.3传热面积假设K=350W/(k)则估算的传热面积为 （2-2）2.4.4冷却水用量 （2-3）2.5工艺结构尺寸2.5.1管径和管内流速换热器的管束构成换热器的传热面，管束中的管子尺寸和形状都会对换热器的传热效果有很大的影响。管子直径小时，换热器中单位体积的传热面积可大些，设备较紧凑，单位传热面积的

30、金属材料耗量少，传热系数也稍高，适用于介质清洁及压力较高的场合，但制造麻烦，不易清洗。管子直径大时，可用于介质粘性大或较污浊的情况，以便于减小流体阻力和清洗。选用162较高级冷拔传热管（碳钢），取管内流速2.5.2管程数和传热管数可依据传热管内径和流速确定单程传热管数 根 （2-4）按单程管计算，所需的传热管长度为 （2-5）按单程管设计，传热管过长，宜采用多管程结构。根据本设计实际情况，采用国标设计，现取传热管长L=9m，则该换热器的管程数为 (管程）传热管总根数 Nt=1402=280根。2.5.3平均传热温差校正及壳程数平均温差校正系数按单壳程，二管程结构，查得：平均传热温差；由于平均传

31、热温差校正系数大于0.8，同时壳程流体流量较大，故取单壳程合适。2.5.4传热管排列和分程方法管壳式换热器的管子在管板上的排列不单考虑设备的紧凑性，还需要考虑流体的性质、结构设计以及加工制造方面的情况。管子在管板上的标准排列形式有四种，即：正三角形、转角正三角形、正方形和转角正方形排列。具体排列方式见图2-1 图2-1 管子的基本排列方式本设计采用转角正方形排列，这样使得布管比较紧凑，传热系数较高，传热效果好。便于管板划线及钻孔。即每程内均按转角正方形排列。焊接形式，取管心距t=1.25d0，则t=1.2516=23.75=20隔板中心到离其最.近一排管中心距离：S=t/2+6=20/2+6=

32、16各程相邻管的管心距为32。管数的分成方法，每程各有传热管140根。2.5.5壳体内径采用多管程结构，取管板利用率=0.8，则壳体内径为按卷制壳体的进级档，可取D=400mm2.5.6折流板在管壳式换热器中，对流传热是其主要传热方式之一。为了提高换热器壳程内流体的流速，加强流体的湍流程度，延长流体流通的路径，往往在壳体内安装折流板，以增加壳程流体对流传热系数，改善传热效果。另外，折流板在本设备中主要具有支撑管束的作用，因此也可以叫做支撑板本设计采用弓形折流板，取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=0.25400=100mm，故可取h=100mm；取折流板间距B=0.

33、5D，则B=0.5400=200mm，可取B为200mm。折流板数目2.5.7接管壳程流体进出口接管：取接管内煤油流速为=1.27m/s，则接管内径为mm （2-7）圆整后可取管内径为95mm。管程流体进出口接管：取接管内液体流速=1.3m/s，则接管内径为取整后去管内径为125mm。2.6换热器核算2.6.1热流量核算壳程表面传热系数当量直径 （2-9）壳程流通截面积 （2-10)壳程流体流速及其雷诺数分别为普朗特数;粘度校正管内表面传热系数 (2-11)管程流体流通截面积管程流体流速普朗特数污垢热阻和管壁热阻：管内侧污垢热阻：管外侧污垢热阻：管壁热阻按式.(b为管壁厚）计算碳钢在该条件下的

34、热导率为50w/(mK)。所以传热系数 = = （2-12）传热面积裕度 （2-13）该换热器的实际传热面积为 （2-14）该换热器的面积裕度为% （2-15）传热面积裕度合适，该换热器能够完成生产任务。2.6.2壁温计算由于该换热器用循环水冷却，冬季操作时，循环水的进口温度将会降低。为确保可靠，取循环冷却水进口温度为15，出口温度为40计算传热管壁温。另外，由于传热管内侧污垢热阻较大，会使传热管壁温升高，降低了壳体和传热管壁温之差。但在操作初期，污垢热阻较小，壳体和传热管间壁温差可能较大。计算中，应该按最不利的操作条件考虑，因此，取两侧污垢热阻为零计算传热管壁温。于是 （2-16）式中液体的

35、平均温度和气体的平均温度分别计算为传热管的平均壁温壳体壁温，可近似取为壳程流体的平均温度，即T=61。壳体壁温和传热管壁温之差为：。该温差不大，故不需要设温度补偿装置。由于换热器壳程压力不大，因此，选用固定管板式换热器较为适宜。2.6.3换热器内流体的流动阻力管程流体阻力 (2-17) (2-18)由Re=14379.76，传热管绝对粗糙度0.1，查莫狄图得，流速u=1.0m/s; 所以壳程阻力按式计算； （2-19） ， 流体流经管束的阻力 （2-20）F=0.5 流体流过折流板缺口的阻力 ；B=0.2m , D=0.4m （2-21）总阻力为。故管程和壳程的流体阻力损失都满足要求。2.7换

36、热器主要结构尺寸和计算结果 各主要结构和尺寸的计算结果见表2-1参数管程壳程流率56812.6425000进/出口温度/25/40100/35压力/MPa0.10.1物性定性温度/32.567.5密度/994.6783.3定压比热容/4.1762.19粘度/（Pas）热导率（W/mk）0.620.129普朗特数5.1221.83设备结构参数形式固定管板式壳程数1壳体内径/400台数1管径/162管心距/mm24管长/mm9500管子排列管数目/根280折流板数/个46传热面积/133.64折流板间距/mm200管程数2材质碳钢主要计算结果管程壳程流速/（m/s）1.00.55表面传热系数/50

37、939.321118.47污垢热阻/（k/W）0.00060.00106阻力/MPa0.0490.057热流量/KW 988.54传热温差/K 23.72传热系数/W/（K） 353.86裕度/% 15% 表2-1结构和尺寸的计算结果表 第三章 结构设计 3.1筒体内径确定由工艺设计给定筒体内径为400mm，考虑原取管板利用率=0.8，对小直径换热器偏大，且实际计算值为392.87mm，比较决定按筒体内径为400mm作排管图，认定取=400mm是合适的。3.2管箱法兰的设计压力容器法兰从整体看有三种形式：甲型平焊法兰；乙型平焊法兰；长颈对焊法兰。甲型平焊法兰就是一个截面基本为矩形的圆环，它直接

38、与容器的筒体或封头焊接。这种法兰在上紧和工作时，均会作用给容器壁厚一定的附加弯矩，法兰自身的刚度也很小，所以适用于压力等级较低和筒体直径较小的范围内。乙型平焊法兰与甲型平焊法兰相比，增加了一个厚度大于筒体壁厚的短节。有了这个短节，既可增加整个法兰的刚度，又可使容器器壁避免承受附加弯矩。因此这种法兰适用于较大直径和较高压力的条件。长颈对焊法兰是用根部增厚的颈取代了乙型平焊法兰中的短节，从而有效的增大了法兰的整体刚度，由于去掉了焊缝，所以也消除了可能发生的焊接变形及可能存在的焊接残余应力。而且这种法兰克以轧制成专门供弯制法兰用的型钢，从而有利于降低法兰的成本。因此这种法兰适用范围最广。依工艺条件：

39、按管侧压力和壳侧压力中的较大值，设计温度和公称直径400mm，按JB/T47002000标准选取甲型平焊凹凸面法兰；并确定各结构尺寸见表3-1，结构见图3-1。 表3-1 甲型平焊凹凸面法兰尺寸名称公称直径DNDd螺栓数良法兰质量/kg容器法兰4005154804504404373018M1620凹面凸面18.8419.66 图3-1甲型平焊法兰（凹凸密封面）3.3管箱结构设计管箱的作用是把管道中来的流体均匀分布到各传热管中和把管内流体汇集在一起送出换热器。在多程换热器中，管箱还起着改变流体流向的作用。管箱侧或管箱顶部有介质流体的出、入口接管。管箱也有许多种结构形式，此设计采用的结构见图3-2

40、。 图3-2管箱结构简图3.3.1前端管箱选用B型封头管箱（见图3-3），因换热器直径较小，且为二管程，管箱的最小长度：（1）按流通面积计算： = （3-1）按相邻焊缝间距离计算： （3-2） 图3-3管箱尺寸管箱最小长度取两者中的较大值，取管箱内分程隔板厚度取10mm3.3.2后端管箱（1）按流通面积计算为 （3-3）（2）按相邻焊缝间距离计算： （3-4）取管箱最小长度取两者中的较大值，取3.4管板结构设计依据所选用的管箱法兰，管箱侧法兰的结构尺寸，确定固定端管板最大外径为D=515mm，固定管板最大布管圆直径：管孔直径为：；管板采用16Mn锻，MPar150，管板结构尺寸见表3-2，结构

41、简图见图3-4。 表3-2管板尺寸DNDC螺柱b质量/kg规格数量40051548045039743740012.518M1620283842 图3-4 管板结构简图3.5折流板结构设计常用折流板形式有弓形和圆盘-圆环两种，由于本次设计壳体直径较大，宜采用多弓形折流板，缺口高度一般取0.20.45倍的壳体内直径，本次设计取常用值0.25倍。对于卧式换热器，折流板缺口应水平放置，在缺口朝上的折流板最低处开设通液口。折流板尺寸结构：外径D=DN-3.5=400-3.5=396.5mm,厚度取10mm，圆缺尺寸在排管图上取。折流板与管板间距的最小尺寸（见图3-5）： （3-5）前端折流板距管板的距离

42、至少为272mm；结构调整为300mm,。后端折流板距管板的距离至少为300mm。实际折流板间距200mm，计算折流板数目为44块。 图3-5折流板与管板间距3.6换热管换热管选用162，材料采用10号碳素钢 .选择正三角形排列，主要是考虑这种排列布管比较紧凑，传热系数较高，传热效果好，便于管板划线及钻孔。换热管的中心距S=16mm，分程隔板槽两侧相邻管的中心距为32mm；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。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。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

43、接处的密封性能和抗拉脱能力。换热管布置图见图3-6。3.7分程隔板由于是多管程换热器，故此处需要用到分程隔板。查GB151-1999可知：分程隔板槽槽深4mm，取4mm，槽宽为12mm，且分程隔板的最小厚度为8mm，取厚度为10mm。 图3-6拉杆与定距管结构图3.8拉杆和定距管设计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。拉杆直径取12，数量取4根。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。拉杆的尺寸见表3-3，结构简图见图3-6。 表3-3拉杆尺寸拉杆直径d

44、mm拉杆螺纹公称直径/mm管板上拉杆孔深mm 12 12 1550 183.9接管设计3.9.1壳程接管位置壳程接管位置见图3-7，其最小尺寸为： (3-6)取3.9.2管箱接管位置管箱接管位置见图3-8，其最小尺寸为： （3-7）取一般取倍的壳体壁厚且不小于mm，取C=60mm。3.9.3接管最小高度按下式计算： （3-8）按接管常见高度取为250mm。 图3-7壳程接管位置 图3-8管箱接管位置3.10防冲板设计防冲板选矩形防冲板，其与壳体内壁的高度为接管外径，取；防冲板边长L大于接管外径50mm，取为152mm；厚度取B=4.5mm；其结构见图3-9。 图3-9防冲板安装形式3.11接管

45、法兰选取查HG/T20592-1999和HG/T20592-200911中表PN0.6MPa，选取接管法兰为带颈平焊钢制管法兰，选取各管口公称直径，查得各法兰的尺寸。根据标准中规定，法兰的密封面均采用MFM（凹凸面密封）。 将查得的各参数整理见表3-4。 名称 管程进口 管程出口 壳程进口 壳程出口公称直径DN/mm 125 125 100 100钢管外径法兰焊端外径/mm 133 133 108 108法兰外径D/mm 240 240 210 210螺栓孔中心圆直径K/mm 200 200 170 170螺栓孔直径L/mm 18 18 18 18螺栓孔数量n（个） 8 8 8 8螺栓 M16

46、 M16 M16 M16法兰厚度C/mm 18 18 18 18法兰内径 135 135 110 110法兰劲颈部过渡圆角半径R/mm 6 6 6 6颈根直径N/mm 160 160 130 130法兰高度/mm 44 44 40 40法兰质量/kg 5.26 5.26 4.06 4.063.12垫片查和，根据设计压力，选取的法兰结构和尺寸，选择各管口的密封垫片，各垫片的尺寸见表3-5。 表3-5接管垫片尺寸表 管口名称 公称直径/mm 内径 外径 管程进料口 125 141 175 管程出料口 125 141 175 壳程进料口 100 115 149 壳程出料口 100 115 149 容

47、器法兰垫片 400 426 473注：1：法兰垫片标准为GB3985，代号为XB350。 2：填充材料为石棉橡胶板。 3：垫片厚度均为1.5mm。3.13螺柱（螺栓）查，得螺柱的长度和平垫圈尺寸见表3-6。 表3-6螺栓及垫片尺寸表名称公称直径/mm螺柱长/mm质量/kg数量螺纹紧固件用平垫圈/mm 管程进口法兰 125 75 140 8 M16 17 30管程出口法兰 125 75 140 8 M16 17 30壳程进口法兰 100 75 140 8 M16 17 30壳程出口法兰 100 75 140 8 M16 17 30容器法兰螺柱 400 75 8 M16 m=1.895 3.14鞍

48、座选用及安装位置确定设备上的支座是支撑设备质量和固定设备位置用的一种不可缺少的部件，支座的结构形式和尺寸往往决定于设备的形式、载荷情况及构造材料。由于本次设计的换热器为卧式设备，所以本次设计选用鞍式支座。目前常用的鞍式支座标准为。鞍式支座材料一般为Q235B，加强垫板的材料则应与筒体一致。3.14.1鞍座选用按照标准，选择鞍座的型号为：DN400、120包角BI重型带垫板鞍式支座；鞍座尺寸见表3-7。 表3-7鞍座尺寸表公称直径mmDN 400腹板mm 8垫板mm 160 6e 28 底板mm 380筋板mm 96螺栓间距mm 260 1208鞍座质量Kg 13 8垫板mm 弧长 480每增加

49、100mm高度增加的质量Kg 33.14.2鞍座的安装位置鞍座的安装结构见图3-10和3-11；由于换热管束长度L3000mm，所以选取：; 并且。需满足壳程接管焊缝与支座焊缝间的距离要求，即： （3-11）取式中：取，且。B为补强圈的外径，S为筒体壁厚。 图3-10鞍座安装位置图 图3-11鞍式支座结构图 第四章 强度校核4.1筒体壁厚计算由工艺设计给定设计温度115,设计压力0.11MPa,选低合金结构钢板Q345卷制，材料115时，616mm时的许用应力为，取焊缝系数=1，腐蚀裕度，则计算厚 （4-1）设计厚度 (4-2)取名义厚度。由于最小厚度的限制，取有效厚度 （4-3）水压试验压力

50、 （4-4）所选材料的屈服应力水压试验应力校核（4-5）由于 （4-6)故水压强度满足要求。4.2前端管箱短节和封头厚度的计算由工艺设计给定设计参数为：设计温度47.5，设计压力0.11MPa,选用Q345钢板，材料许用应力,屈服强度，取焊缝系数，腐蚀裕度。计算厚度 （4-7）设计厚度 （4-8）名义厚度结合考虑开孔补强及结构需要取有效厚度 （4-9）压力试验在这种情况下一定满足。管箱封头厚度与短节相同，取，封头尺寸见表4-1，结构见图4-1。 表4-1封头尺寸表公称直径曲面高度直边高度碳钢厚度内表面积A（）容积V（）质量m（kg） 400 100 25 80.20490.0115 13.1

51、图4-1标准椭圆形封头结构简图4.3后端管箱短节和封头厚度的计算后端管箱内径为，其余条件、参数同筒体。短节计算壁厚 （4-10）短节设计壁厚 （4-11）短节名义壁厚取有效厚度 （4-12）压力试验压力校核 （4-13），故水压强度满足要求。管箱封头也选用标准椭圆封头；封头计算壁厚 （4-14）封头名义壁厚取名义壁厚与短节等，封头尺寸见表4-2，封头结构见图4-2 表4-2封头尺寸表公称直径曲面高度直边高度碳钢厚度内表面积A（）容积V（）质量m（kg） 400 100 25 60.20490.0115 9.7 图4-2标准椭圆形封头结构简图4.4管箱短节开孔补强校核开孔补强采用等面积补强法，由

52、工艺设计给定的接管尺寸为，考虑实际情况选20号热轧碳素钢管 。接管计算壁厚 （4-15）接管有效壁厚 （4-16）开孔直径 （4-17）接管有效补强宽度 （4-18）接管外侧有效补强高度 （4-19）需要补强面积 （4-20）可以作为补强的面积为（4-21）（4-22） （4-23）该接管补强的强度足够，不需要另设补强结构。4.5壳体接管开孔补强校核开孔补强采用等面积补强法，由工艺设计给定的接管尺寸为，在保证原接管流通面积不变的情况下选取20号热轧碳素钢管，钢管许用应力接管计算壁厚 （4-24）接管有效壁厚 （4-25)开孔直径 （4-26）接管有效补强厚度 （4-27）接管外侧有效补强厚度

53、(4-28)需要补强面积 （4-29）可以作为补强的面积为 （4-30）（4-31） （4-32）故该开孔补强的强度足够，不需另行补强。4.6固定管板强度计算固定管板厚度设计采用BS法。假定管板厚度b=100mm 总换热管数量n=280一根管壁金属的横截面积为； （4-33)开孔强度削弱系数（双程） (4-34）两管板间换热管有效长度（除掉两管板厚）L取9300mm；计算系数K； （4-35）故K=1.1：按管板简支考虑，依K值查图得G1=0.8，G2=0.86，G3=1.0筒体内径截面积 （4-36）管板上管孔所占的总截面积：（4-37)系数 (4-38)系数 (4-39)系数 (4-40)

54、系数 （4-41)筒体壳壁的横截面积: (4-42)壳程压力，管程压力当量压差 （4-43）最大压差 = (4-44）管板最大应力： （4-45)管子最大应力： (4-46)或者 （4-47）管板和管子的强度校核管板计算厚度满足强度要求。考虑管板双面腐蚀取，隔板槽深取4mm，实际管板厚为108mm。4.7计算值汇总各计算结果见表4-1。 表4-1计算结果 名称尺寸（mm） 材料 名称尺寸（mm）材料筒体壁厚后端短节厚后端封头厚管箱短节厚管箱封头厚管箱分程隔板厚 6 6 6 8 8 10Q345Q345Q345Q345Q345Q345 管程接管 壳程接管 固定管板厚 108 20 20 16Mn

55、锻 第五章 制造安装与维修5.1 换热器的制造5.1.1 筒体换热器筒体的圆度要求较高，必须保证壳体与折流板之间有合适的间隙。如太大就要影响换热效果，太小就要增加装配的难度。切割好的钢板应根据钢板厚度、操作压力高低选定破口形式进行边缘加工。用钢板卷制时，内直径允许偏差可通过外圆周长加以控制，其外周长允许上偏差10mm；下偏差为0。5.1.2 封头和管箱封头和管箱的厚度一般不小于壳体的厚度。分程隔板两侧全长均应焊接，并应具有全焊透的焊缝。由于焊接应力较大，故管箱和封头法兰等焊接后，须进行消除应力的热处理，最后进行机械加工。5.1.3 换热管直管一律采用整根管子而不允许有接缝。管子应该进行校直，管

56、子两端须用磨管机清除氧化皮、铁锈、及污垢等杂质直至露出金属光泽。除锈长度不小于两倍管板厚度。当管子与管板的连接采用胀接工艺时，管端硬度应低于管板硬度。同一根换热管的对接焊缝，直管不得超过一条；U型管不得超过二条；最短管长不应小于300mm；包括至少50mm直管段范围内不得有拼接焊缝。管端破口应采用机械方法加工，焊前应清洗干净。换热管组装要求两管板相互平行，允许误差不得大于1mm，两管板间长度误差为2mm；管子与管板应垂直；拉感应牢靠固定；定距管两端面要整齐；穿管时管子头不能用铁器直接敲打。5.1.4 折流板由于折流板很薄，钻孔时钻头的推力使管板中心变形，故可将下料或圆整的折流板去掉毛刺并校平，

57、重叠、压紧后沿周边点焊、然后一起钻孔。为了保证顺利穿管，必须是折流板的管孔与管板中心在同一直线上，可以将管板当作钻模放在折流板上，压紧后进行引孔，即以管板危机出现在折流板上钻出和管板孔距一致的定位孔，然后取下管板，将折流板压紧，并换上合适的钻头。5.1.5 管板管板由低合金钢锻件Q345制成，加工前表面不平度不得大于2mm，如超过此值，应先进行校平，然后进行加工。拼接管板的对接接头应进行100%射线或超声检测，按JB4730-94进行表面检测，检测结果不低于级，或超声检测中的级为合格。换热管与管板的连接：二者采用焊接的形式连接，连接部位的换热管和管板孔表面，应清理干净，不得有毛刺、铁屑、锈斑、

58、油污等。焊渣及凸出于换热器内壁的焊瘤均应清除。管板与换热管焊接时，管孔表面粗糙度Ra值25m。5.2 换热器的安装5.2.1安装位置根据该换热器的结构形式，在换热器的两端留有足够的空间来满足拆装、维修的。5.2.2 地脚螺栓和垫铁（1）活动支座的地脚螺栓应装有两个紧锁的螺母，螺母与底板间应留有13mm的间隙。（2）地脚螺栓两侧均有垫铁，但不得与下面的平垫铁或滑板焊死。（3）垫铁的安装不应妨碍换热器的热膨胀。5.3 换热器的焊接5.3.壳体焊接工艺焊接壳体时，应先焊筒节纵缝，焊好后校圆，再组装焊接环缝。要注意的是必须先焊纵缝后焊环缝，因为若先将环缝焊好再焊纵缝时筒体的膨胀和收缩都要受到环缝的限制，其结果会引起过大