四管程浮頭換熱器畢業(yè)設(shè)計

1、畢業(yè)設(shè)計（論文）畢業(yè)設(shè)計（論文） 題目：四管程浮頭式換熱器 學 院： 助學單位： 專 業(yè)： 過程裝備與控制工程 辦學形式： 姓 名： 指導(dǎo)教師： 年 月 四管程浮頭換熱器 摘要摘要 本設(shè)計說明書是關(guān)于浮頭式換熱器的設(shè)計，主要是進行了換熱器的工藝計算、換熱器 結(jié) 構(gòu)和強度設(shè)計。 換熱器是化工、煉油、動力、食品、輕工、原子能、制藥、機械及其它許多工業(yè)部門廣泛 使用的一種通用設(shè)備。在目前大型化工及石油化工裝置中，采用各種換熱的組合，就 能充分合理地利用各種等級的能量，使產(chǎn)品的單位能耗降低，從而降低產(chǎn)品的成 本已獲得好的經(jīng)濟效益。因而，在大型化工及石油化工生產(chǎn)過程中，換熱器得到 越來越廣泛的應(yīng)用。在化

2、工廠中，換熱器所占比例也有了明顯提高，成為最重要 的單元設(shè)備之一。近二三十年來，化工、石油、輕工等過程工業(yè)得到了迅猛發(fā)展。因此， 要求提供尺寸小，重量輕、換熱能力大的換熱設(shè)備。在設(shè)計過程中，我盡量采用較新的國家標 準，做到既滿足設(shè)計要求，又使結(jié)構(gòu)優(yōu)化，降低成本，以提高經(jīng)濟效益為主，力爭使產(chǎn)品符合 生產(chǎn)實際需要，適合市場激烈的競爭。同時為了使本次設(shè)計能夠進行順利，我在設(shè)計前參閱了 許多有關(guān)書籍和英文文獻，并做了一定量的外文翻譯工作。 設(shè)計的前半部分主要是對換熱器的原理、結(jié)構(gòu)進行的詳細的描述，從而進行換熱器的選型， 結(jié)構(gòu)設(shè)計分析。設(shè)計的后半部分則是關(guān)于結(jié)構(gòu)和強度的設(shè)計，主要是根據(jù)已經(jīng)選定的換熱器型

3、 式進行設(shè)備內(nèi)各零部件的設(shè)計，如管板、折流板、定距管、鉤圈、管箱等。 關(guān)鍵詞：關(guān)鍵詞：管殼式換熱器 、浮頭式換熱器 、管板 浮頭蓋 、浮頭法蘭。 Floating Head Heat Exchanger Design Abstract This design manual is about the floating head heat exchanger design, mainly for the heat exchanger process calculation, heat exchanger design of the structure and strength. Heat exch

4、anger is the chemical, oil refining, power, food, light industry, atomic energy, pharmaceutical, machinery, and other widely used in many industrial sectors as a general- purpose device. The past 23 years, chemical, petroleum, light industry and other process industries have been developing rapidly.

5、 In the design process, I try to use a relatively new national standard, so not only meet the design requirements, but also to structural optimization, cost reduction, mainly to improve economic efficiency, and strive to make the products meet the actual needs of production for the market competitio

6、n. Meanwhile, in order to make this design smoothly carried out, I read a lot before in the design of the books and English literature, and to do a certain amount of foreign language translation work The first part of the design is mainly the principle of heat exchanger, a detailed description of th

7、e structure, which for heat exchanger selection, structure design. The latter part is about the design of the structure and strength of the special heat exchanger, which is mainly to design the parts, such as tube-sheet, baffle plate, distance control, floating cover, tube boxes and so on , based on

8、 the heat exchanger types selected. The paper include: design and calculation, material selection, determining the specific dimensions , determining the exact location, pipe thickness calculation, the floating head cover and floating head flange thickness calculation, the opening reinforcement calcu

9、lation. Finally I draw an assembly map, three parts diagram. Key words: Floating Head Heat Exchanger; Design; Check; 目錄 1 說明部分.1 1.1 換熱器的概述 .1 1.2 換熱器的發(fā)展歷史.1 1.3 換熱器的分類.2 1.3.1 直接接觸式換熱器.2 1.3.2 蓄熱式換熱器.2 1.3.3 間壁式換熱器.3 1.3.4 中間載熱體式換熱器.3 1.4 浮頭式（或固定管板式或 U 形管式）換熱器的介紹.4 1.5 換熱器的設(shè)計要求.6 1.6 設(shè)備制造工藝過程.7 1.7

10、 換熱器的選型.8 1.7.1 板型選擇 .8 1.7.2 流程和流道的選擇 .8 1.7.3 壓降校核 .9 1.8 管程結(jié)構(gòu)部件.9 1.9 殼程結(jié)構(gòu)部件.12 2 計算部分 .17 2.1 浮頭式換熱器筒體的計算 .17 2.1.1 計算條件.17 2.1.2 前端管箱筒體壁厚計算.17 2.1.3 后端管箱筒體壁厚計算.18 2.1.4 殼程筒體壁厚計算 .19 2.2 前后端封頭的計算.20 2.2.1 計算條件 .20 2.2.2 前端封頭的厚度計算.20 2.2.3 后端封頭的厚度計算.21 2.3 管板的計算 .21 2.3.1 符號說明.21 2.3.2 墊片的選擇和計算.2

11、2 2.3.3 管板結(jié)構(gòu)參數(shù)及系數(shù)的確定 .22 2.3.4 換熱器的應(yīng)力校核.24 2.3.5 換熱管與管板連接的拉脫力校核 .25 2.4 螺栓的選擇及強度校核.25 2.4.1 螺栓的選擇 .25 2.4.2 螺栓的強度校核 .26 2.5 法蘭的選擇.26 2.5.1 法蘭的力矩計算.27 2.5.2 法蘭的應(yīng)力校核 .27 2.6 浮頭部分的計算.28 2.6.1 球冠形封頭計算.28 2.7 開孔補強計算.29 2.7.1 符號說明 .29 2.7.2 補強的判斷方法 .30 謝辭 .33 參考文獻 .34 1 說明部分 1.1 換熱器的概述 換熱器是將熱流體的部分熱量傳遞給冷流體

12、，使流體溫度達到工藝流程規(guī) 定的指標的熱量交換設(shè)備，又稱熱交換器 1.2 換熱器的發(fā)展歷史 二十世紀 20 年代出現(xiàn)板式換熱器，并應(yīng)用于食品工業(yè)。以板代管制成的換熱 器，結(jié)構(gòu)緊湊，傳熱效果好，因此陸續(xù)發(fā)展為多種形式。 30 年代初，瑞典首次制成螺旋板換熱器。接著英國用釬焊法制造出一種由銅 及其合金材料制成的板翅式換熱器，用于飛機發(fā)動機的散熱。30 年代末，瑞典又 制造出第一臺板殼式換熱器，用于紙漿工廠。在此期間，為了解決強腐蝕性介質(zhì) 的換熱問題，人們對新型材料制成的換熱器開始注意。 60 年代左右，由于空間技術(shù)和尖端科學的迅速發(fā)展，迫切需要各種高效能緊 湊型的換熱器，再加上沖壓、釬焊和密封等技

13、術(shù)的發(fā)展，換熱器制造工藝得到進 一步完善，從而推動了緊湊型板面式換熱器的蓬勃發(fā)展和廣泛應(yīng)用。 此外，自 60 年代開始，為了適應(yīng)高溫和高壓條件下的換熱和節(jié)能的需要，典 型的管殼式換熱器也得到了進一步的發(fā)展。 近二三十年來，化工、石油、輕工等過程工業(yè)得到了迅猛發(fā)展。能源緊缺已 成為世界性重大問題之一，各工業(yè)部分都在大力發(fā)展大容量、高性能設(shè)備，以減 少設(shè)備的投資和運轉(zhuǎn)費用。因此，要求提供尺寸小，重量輕、換熱能力大的換熱 設(shè)備。特別是 20 世紀 70 年代的世界能源危機，加速了當代先進換熱技術(shù)和節(jié)能 技術(shù)的發(fā)展。世界各國十分重視傳熱強化和熱能回收利用的研究和開發(fā)工作，開 發(fā)適用于不同工業(yè)過程要求的

14、高效能換熱設(shè)備來提高工業(yè)生產(chǎn)經(jīng)濟效益，并取得 了豐碩成果。到目前為止，已研究和開發(fā)出多種新的強化傳熱技術(shù)和高效傳熱元 件。為了強化傳在研究和發(fā)展熱管的基礎(chǔ)上又創(chuàng)制出熱管式換熱器。 1.3 換熱器的分類 在工業(yè)生產(chǎn)中，由于用途、工作條件和物料特性的不同，出現(xiàn)了各種不同 形式和結(jié)構(gòu)的換熱設(shè)備。 按作用原理或傳熱方式分類： 按換熱設(shè)備熱傳遞原理或傳熱方式進行分類，可分為以下幾種主要形式。 1.3.1 直接接觸式換熱器 這類換熱器又稱混合式換熱器，它是通過冷、熱流體的直接接觸、混合進行 熱量交換的換熱器。如冷卻塔、冷卻冷凝器等。為增加兩流體的接觸面積，以達 到充分換熱，在設(shè)備中常放置填料和柵板，通常采

15、用塔狀結(jié)構(gòu)。直接接觸式換熱 器具有傳熱效率高、單位容積提供的傳熱面積大、設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜等優(yōu) 點，但僅適用于工藝上允許兩種流體混合的場所。由于兩流體混合換熱后必須及 時分離，這類換熱器適合于氣、液兩流體之間的換熱。例如，化工廠和發(fā)電廠所 用的涼水塔中，熱水由上往下噴淋，而冷空氣自下而上吸入，在填充物的水膜表 面或飛沫及水滴表面，熱水和冷空氣相互接觸進行換熱，熱水被冷卻，冷空氣被 加熱，然后依靠兩流體本身的密度差得以及時分離。 1.3.2 蓄熱式換熱器 這類換熱器又稱回熱式換熱器。它是借助于由固體(如固體調(diào)料或多孔性格子 磚等)構(gòu)成的蓄熱體與熱流體和冷流體交替接觸，把熱量從熱流體傳遞給冷流

16、體的 換熱器。在換熱器內(nèi)首先由熱流體通過，把熱量積蓄在蓄熱體中，然后由冷流體 通過，由蓄熱體把熱量釋放給冷流體。由于兩種流體交替與蓄熱體接觸，因此不 可避免地會使兩種流體少量混合。若兩種流體不允許混合，則不能采用蓄熱式換 熱器。蓄熱式換熱器結(jié)構(gòu)緊湊、價格便宜、單體體積傳熱面積大，故較適合用于 氣-氣熱交換的場合。如煉焦爐下方預(yù)熱空氣的蓄熱室。這類換熱器主要用于回收 和利用高溫廢氣的熱量。以回收冷量為目的的同類設(shè)備稱蓄冷器，多用于空氣分 離裝置中。 1.3.3 間壁式換熱器 這種換熱器又稱表面式換熱器。它是利用間壁（固體壁面）將進行熱交換的 冷、熱兩種流體隔開，互不接觸，熱量由熱流體通過間壁傳遞

17、給冷流體的換熱器。 間壁式換熱器是工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用最為廣泛的換熱器，其形式多種多樣。 1.3.4 中間載熱體式換熱器 這類換熱器是把兩個間壁式換熱器由在其中循環(huán)的載熱體連接起來的換熱器。 載熱體在高溫流體換熱器和低溫流體換熱器之間循環(huán)，在高溫流體換熱器中吸收 熱量，在低溫流體換熱器中把熱量釋放給低溫流體，如熱管式換熱器。 1 間壁式換熱器分類： 間壁式換熱器根據(jù)傳熱面的結(jié)構(gòu)不同可分為管式、板面式和其他型式。 (1)管式換熱器 這類換熱器都是通過管子壁面進行傳熱的換熱器。按傳熱管的結(jié)構(gòu)形式不同 大致可以分為蛇管式換熱器、套管式換熱器、管殼式換熱器和纏繞管式換熱器等。 (2)板面式換熱器 此類換熱器

18、都是以板面作為傳熱面，按傳熱板面的結(jié)構(gòu)形式可分分為以下五 種：螺旋板式換熱器、板式換熱器、板翅式換熱器、板殼式換熱器和傘板換熱器。 板面式換熱器的傳熱性能要比管式換熱器優(yōu)越，由于其結(jié)構(gòu)上的特點，使流 體能在較低的速度下就達到湍流狀態(tài)，從而強化了傳熱。板面式換熱器采用板材 制造，在大規(guī)模組織成產(chǎn)時，可降低設(shè)備成本，但其耐壓性能比管式換熱器差。 (3)其他型式換熱器 這類換熱器是指一些具有特殊結(jié)構(gòu)的換熱器，一般是為滿足某些工藝特殊要求 而設(shè)計的，如石墨換熱器、聚四氟乙烯換熱器和熱管換熱器等 換熱器按傳熱方式的不同可分為混合式、蓄熱式和間壁式三類。 混合式換熱器是通過冷、熱流體的直接接觸、混合進行熱

19、量交換的換熱器， 又稱接觸式換熱器。由于兩流體混合換熱后必須及時分離，這類換熱器適合于 氣、液兩流體之間的換熱。例如，化工廠和發(fā)電廠所用的涼水塔中，熱水由 上往下噴淋，而冷空氣自下而上吸入，在填充物的水膜表面或飛沫及水滴表面， 熱水和冷空氣相互接觸進行換熱，熱水被冷卻，冷空氣被加熱，然后依靠兩流 體本身的密度差得以及時分離。 蓄熱式換熱器是利用冷、熱流體交替流經(jīng)蓄熱室中的蓄熱體(填料)表面， 從而進行熱量交換的換熱器，如煉焦爐下方預(yù)熱空氣的蓄熱室。這類換熱器主 要用于回收和利用高溫廢氣的熱量。以回收冷量為目的的同類設(shè)備稱蓄冷器， 多用于空氣分離裝置中。 間壁式換熱器的冷、熱流體被固體間壁隔開，

20、并通過間壁進行熱量交換的 換熱器，因此又稱 表面式換熱器 ，這類換熱器應(yīng)用最廣。 間壁式換熱器根據(jù)傳熱面的結(jié)構(gòu)不同可分為管式、板面式和其他型式。 管式換熱器以管子表面作為傳熱面，包括蛇管式換熱器、套管式換熱器和管殼 式換熱器等；板面式換熱器以板面作為傳熱面，包括板式換熱器、螺旋板換熱 器、板翅式換熱器、板殼式換熱器和 傘板換熱器等；其他型式換熱器是為滿足 某些特殊要求而設(shè)計的換熱器，如刮面式換熱器、轉(zhuǎn)盤式換熱器和空氣冷卻 器等。 1.4 浮頭式（或固定管板式或 U 形管式）換熱器的介紹 浮頭式換熱器 的一端管板與殼體固定，而另一端的管板可在殼體內(nèi)自由 浮動，殼體和管束對膨脹是自由的，故當兩張介

21、質(zhì)的溫差較大時，管束和殼體 之間不產(chǎn)生溫差應(yīng)力。浮頭端設(shè)計成可拆結(jié)構(gòu)，使管束能容易的插入或抽出殼 體。（也可設(shè)計成不可拆的）。這樣為檢修、清洗提供了方便。但該換熱器結(jié) 構(gòu)較復(fù)雜，而且浮動端小蓋在操作時無法知道泄露情況。因此在安裝時要特別 注意其密封。 浮頭換熱器的浮頭部分結(jié)構(gòu)，按不同的要求可設(shè)計成各種形式，除必須考 慮管束能在設(shè)備內(nèi)自由移動外，還必須考慮到浮頭部分的檢修、安裝和清洗的 方便。 在設(shè)計時必須考慮浮頭管板的外徑Do。該外徑應(yīng)小于殼體內(nèi)徑 Di，一般 推薦浮頭管板與殼體內(nèi)壁的間隙 b1=35mm。這樣，當浮頭出的鉤圈拆除后， 即可將管束從殼體內(nèi)抽出。以便于進行檢修、清洗。浮頭蓋在管束

22、裝入后才能 進行裝配，所以在設(shè)計中應(yīng)考慮保證浮頭蓋在裝配時的必要空間。 鉤圈對保證浮頭端的密封、防止介質(zhì)間的串漏起著重要作用。隨著幞頭式 換熱器的設(shè)計、制造技術(shù)的發(fā)展，以及長期以來使用經(jīng)驗的積累，鉤圈的結(jié)構(gòu) 形式也得到了不段的改進和完善。 鉤圈一般都為對開式結(jié)構(gòu)，要求密封可靠，結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、便于制造和 拆裝方便。 浮頭式換熱器以其高度的可靠性和廣泛的適應(yīng)性，在長期使用過程中積累 了豐富的經(jīng)驗。盡管近年來受到不斷涌現(xiàn)的新型換熱器的挑戰(zhàn)，但反過來也不 斷促進了自身的發(fā)展。故迄今為止在各種換熱器中扔占主導(dǎo)地位。 管子構(gòu)成換熱器的傳熱面，管子尺寸和形狀對傳熱有很大影響。采用小直 徑的管子時，換熱器單

23、位體積的換熱面積大一些，設(shè)備比較緊湊，單位傳熱面 積的金屬消耗量少，傳熱系數(shù)也較高。但制造麻煩，管子易結(jié)垢，不易清洗。 大直徑管子用于粘性大或者污濁的流體，小直徑的管子用于較清潔的流體。 管子材料的選擇應(yīng)根據(jù)介質(zhì)的壓力、溫度及腐蝕性來確定。 換熱器的管子在管板上的排列不單考慮設(shè)備的緊湊性，還要考慮到流體的 性質(zhì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計以及加工制造方面的情況。管子在管板上的標準排列形式有四 種：正三角形和轉(zhuǎn)角正三角形排列，適用與殼程介質(zhì)清潔，且不需要進行機械 清洗的場合。正方形和轉(zhuǎn)角正方形排列，能夠使管間的小橋形成一條直線通道， 便于用機械進行清洗，一般用于管束可抽出管間清洗的場合。 另外對于多管程換熱器，常

24、采用組合排列方法，其每一程中一般都采用三 角形排列，而各程之間則常常采用正方形排列，這樣便于安排隔板位置。 當換熱器直徑較大，管子較多時，都必須在管束周圍的弓形空間內(nèi)盡量配 置換熱管。這不但可以有效地增大傳熱面積，也可以防止在殼程流體在弓形區(qū) 域內(nèi)短路而給傳熱帶來不利影響。 管板上換熱管中心距的選擇既要考慮結(jié)構(gòu)的緊湊性，傳熱效果，又要考慮 管板的強度和清洗管子外表面所需的空間。除此之外，還要考慮管子在管板上 的固定方法。若間距太小，當采用焊接連接時，相鄰兩根管的焊縫太近，焊縫 質(zhì)量受熱影響不易得到保證；若采用脹接，擠壓力可能造成管板發(fā)生過大的變 形，失去管子和管板間的結(jié)合力。一般采用的換熱管的

25、中心距不小于管子外徑 的 1.25 倍。 當換熱器多需的換熱面積較大，而管子又不能做的太長時，就得增大殼體 直徑，以排列較多的管子。此時為了提高管程流速，增加傳熱效果，須將管束 分程，使流體依次流過各程管束。 為了把換熱器做成多管程，可在一端或兩端的管箱中分別安置一定數(shù)量的 隔板。 1.5 換熱器的設(shè)計要求 換熱器在設(shè)計或選型時應(yīng)滿足以下基本要求： （1） 合理地實現(xiàn)所規(guī)定的工藝條件； （2） 結(jié)構(gòu)安全可靠； （3） 便于制造、安裝、操作和維修； （4） 經(jīng)濟上合理。 1.6 設(shè)備制造工藝過程 選取換熱設(shè)備的制造材料及牌號，進行材料的化學成分檢驗，機械性能合格 后，對鋼板進行矯形，方法包括手工

26、矯形，機械矯形及火焰矯形。 備料劃線切割邊緣加工（探傷）成型組對焊接 焊接質(zhì)量檢驗組裝焊接壓力試驗 質(zhì)量檢驗 化工設(shè)備不僅在制造之前對原材料進行檢驗，而且在制造過程中要隨時 進行檢查。 質(zhì)檢內(nèi)容 設(shè)備制造過程中的檢驗，包括原材料的檢驗、工序間的檢驗及壓力試驗， 具體內(nèi)容如下： （1）原材料和設(shè)備零件尺寸和幾何形狀的檢驗； （2）原材料和焊縫的化學成分分析、力學性能分析試驗、金相組織檢 驗，總稱為破壞試驗； （3）原材料和焊縫內(nèi)部缺陷的檢驗，其檢驗方法是無損檢測，它包括： 射線檢測、超聲波檢測、磁粉檢測、滲透檢測等； （4）設(shè)備試壓，包括：水壓試驗、介質(zhì)試驗、氣密試驗等。 耐壓試驗和氣密性試驗：

27、 制造完工的換熱器應(yīng)對換熱器管板的連接接頭，管程和殼程進行耐壓試 驗或增加氣密性試驗，耐壓試驗包括水壓試驗和氣壓試驗。換熱器一般進行水壓 試驗，但由于結(jié)構(gòu)或支撐原因，不能充灌液體或運行條件不允許殘留試驗液體時， 可采用氣壓試驗。 如果介質(zhì)毒性為極度，高度危害或管、殼程之間不允許有微量泄漏時， 必須增加氣密性試驗。 質(zhì)檢方法 換熱器壓力試驗的順序如下： 固定管板換熱器先進行殼程試壓，同時檢查換熱管與管板連接接頭， 然后進行管程試壓； U 形管式換熱器、釜式重沸器（U 形管束）及填料函式換熱器先用試 驗壓環(huán)進行殼程試壓，同時檢查接頭，然后進行管程試壓； 浮頭式換熱器、釜式重沸器（浮頭式管束）先用試

28、驗壓環(huán)和浮頭專用 工具進行管頭試壓，對于釜式重沸器尚應(yīng)配備管頭試壓專用殼體，然后進行管程 試壓，最后進行殼程試壓； 重疊換熱器接頭試壓可單臺進行，當各臺換熱器程間連通時，管程和 殼程試壓應(yīng)在重疊組裝后進行。 1.7 換熱器的選型 1.7.1 板型選擇 板片型式或波紋式應(yīng)根據(jù)換熱器場合的實際需要而定。對流量大允許壓降小的情 況，應(yīng)選用阻力小的板型，反之選用阻力大的板型。根據(jù)流體壓力和溫度的情況， 確定選擇可拆卸式，還是釬焊式。確定板型時不宜選擇單板面積太小的板片，以 免板片數(shù)量過多，板間流速偏小，傳熱系數(shù)過低，對較大的換熱器更應(yīng)注意這個 問題。 1.7.2 流程和流道的選擇 流程指板式換熱器內(nèi)一

29、種介質(zhì)同一流動方向的一組并聯(lián)流道，而流道指板式換熱 器內(nèi)，相鄰兩板片組成的介質(zhì)流動通道。一般情況下，將若干個流道按并聯(lián)或串 聯(lián)的費那個是連接起來，以形成冷、熱介質(zhì)通道的不同組合。流程組合形式應(yīng)根 據(jù)換熱和流體阻力計算，在滿足工藝條件要求下確定。盡量使冷、熱水流道內(nèi)的 對流換熱系數(shù)相等或接近，從而得到最佳的傳熱效果。因為在傳熱表面兩側(cè)對流 換熱系數(shù)相等或接近時傳熱系數(shù)獲得較大值。雖然板式換熱器各板間流速不等， 但在換熱和流體阻力計算時，仍以平均流速進行計算。由于“U”形單流程的接管 都固定在壓緊板上，拆裝方便。 1.7.3 壓降校核 在板式換熱器的設(shè)計選型使，一般對壓降有一定的要求，所以應(yīng)對其進

30、行校核。 如果校核壓降超過允許壓降，需重新進行設(shè)計選型計算，直到滿足工藝要求為止。 1.8 管程結(jié)構(gòu)部件 (1).換熱管 換熱管型式 光管、翅片管、螺旋槽管、螺紋管等。 當管內(nèi)外兩側(cè)給熱系數(shù)相差較大時，翅片管的翅片應(yīng)布置在給熱系數(shù)低的一 側(cè)。 換熱管尺寸（常用） 無縫鋼管：192 252.5 382.5 不銹鋼管： 252 382.5 標準管長為：10、 1.5、 2.0、 2.5、 3.0、 4.5、 6.0、 7.5、 9.0、 12.0m 等。 外徑范圍： 10 57 換熱管材料 黑金屬：碳素鋼、低合金鋼、不銹鋼等。 有色金屬：銅、銅鎳合金、鋁合金、鈦合金等。 非金屬：石墨、陶瓷、聚四氟

31、乙烯等。 換熱管排列形式及中心距 換熱管在管板上的排列形式：正三角形、正方形、轉(zhuǎn)角正三角形、轉(zhuǎn)角正方 形。如圖 1.1 所示， 在同樣的管板面積上正三角形排列的管數(shù)最多，故用得最為普遍，但管外不 易清洗。為便于管外清洗，可以采用正方形或轉(zhuǎn)角正方形排列的管束。 45906030 (a)正三角形(b)轉(zhuǎn)角正三角形(c)正方形(d)轉(zhuǎn)角正方形 圖 1.1 換熱管排列型式 換熱管中心距一般不小于 1.25 倍的換熱管外徑。 常用的換熱管中心距見表 1-1。 表 1-1 常用換熱管中心距 mm 換熱管外 徑 do 1214192532384557 換熱管中 心距 1619253240485772 (2)

32、 管板 作用：a. 用來排布換熱管 b. 分隔管程和殼程的流體，避免冷、熱流體混合。 c. 同時受管程、殼程壓力和溫度的作用。 管板材料 選擇管板材料，除力學性能外，還應(yīng)考慮管程和殼程流體的腐蝕性，以及管 板和換熱管之間的電位差對腐蝕的影響。 工程上常用材料：a. 碳素鋼 b. 低合金鋼 鋼板、鍛件 c. 不銹鋼 d. 不銹鋼鋼 e. 鈦鋼 復(fù)合板 f. 銅鋼 g. 堆焊襯里。 管板結(jié)構(gòu) 在滿足強度的前提下，應(yīng)盡量減少管板厚度。 薄管板一般為：820mm。 形狀主要有：平面形、橢圓形、碟形、球形、撓性薄管板等。 最為常用的是平面形薄管板。 (a)(b)(c)(d) 圖 1.1 薄管板結(jié)構(gòu)形式

33、1 23 4 1空隙；2殼程管板；3短節(jié)；4管程管板 圖 1.3 橢圓形管板 圖 1.4 雙管板結(jié)構(gòu) 圖 1.2 所示為用于固定管板式換熱器中的薄管板四種結(jié)構(gòu)形式。 圖 1.3 所示為橢圓形管板。 圖 1.4 所示為雙管板結(jié)構(gòu) (3)管箱 管箱位于管殼式換熱器的兩端。 作用：把從管道輸送來的流體均勻地分布到各換熱管和把管內(nèi)流體匯集在一起 送出換熱器。在多管程換熱器中，管箱還起改變流體流向的作用。 圖 1.5 管箱結(jié)構(gòu)形式 管箱的結(jié)構(gòu)形式主要以換熱器是否需要清洗或管束是否需要分程等因素來決定。 圖 1.5 為管箱的幾種結(jié)構(gòu)形式。圖 1.5（a）的管箱結(jié)構(gòu)適用于較清潔的介質(zhì)情 況。因為在檢查及清洗

34、管子時，必須將連接管道一起拆下，很不方便。圖 1.5（b）為在管箱上裝箱蓋，將蓋拆除后（不需拆除連接管） ，就可檢查及清洗管 子，但其缺點是用材較多。圖 1.5（c）形式是將管箱與管板焊成一體，從結(jié)構(gòu)上 看，可以完全避免在管板密封處的泄漏，但管箱不能單獨拆下，檢修、清理不方 便，所以在實際使用中很少采用。圖 1.5（d）為一種多程隔板的安置形式。 1.9 殼程結(jié)構(gòu)部件 殼程主要由殼體、折流板或折流桿、支承板、縱向隔板、拉桿、防沖擋板、防 短路結(jié)構(gòu)等元件組成。 1、殼體 殼體一般是一個圓筒，在殼壁上焊有防沖擋板，見圖 1.6。當殼體法蘭采用高頸 法蘭或殼程進出口接管直徑較大或采用活動管板時，殼程

35、進出口接管距管板較遠， 流體停滯區(qū)過大；靠近兩端管板的傳熱面積利用率很低。為克服這一缺點，可采 用導(dǎo)流筒結(jié)構(gòu)，見圖 1.7。導(dǎo)流筒除可減小流體停滯區(qū)，改善兩端流體的分布，增 加換熱管的有效換熱長度，提高傳熱效率外，還起防沖擋板的作用，保護管束免 受沖擊。 防沖擋板或?qū)Я魍驳脑O(shè)置條件： 若進口管流體 2 值為下列值時設(shè)防沖擋板或?qū)Я魍?a.非腐蝕、非磨蝕的單相流體 22230kg/ms2； b.其他液體、包括沸點下的液體 2740kg/ms2； 有腐蝕、磨蝕的介質(zhì)設(shè)防沖擋板； 接管距管板較遠設(shè)導(dǎo)流筒，減小流體停滯區(qū)，增加換熱管的有效 換熱長度。 密度 流速 導(dǎo)流筒：減小流體停滯區(qū)，改善兩端流體的

36、分布，增加換熱管的有效換熱長度， 提高換熱率，并起防沖擋板的作用。 有接管，供殼程流體進入和排出之用。 為防止進口流體直接沖擊管束而造成管子的侵蝕和振動，在殼程進口接管處常 裝 圖 1.6 防沖擋板 圖 1.7 導(dǎo)流筒結(jié)構(gòu) 2、折流板 設(shè)置折流板的目的：是為了提高殼程流體的流速，增加湍動程度，并使殼程流 體垂直沖刷管束，以改善傳熱，增大殼程流體的傳熱系數(shù)，同時減少結(jié)垢。在臥 式換熱器中，折流板還起支撐管束的作用。 常用的折流板形式有弓形和圓盤-圓環(huán)形兩種。其中弓形折流板有單弓形、雙弓 形和三弓形三種。各種形式的折流板見圖 1.8 所示。根據(jù)需要也可采用其他形式 的折流板。 弓形折流板缺口高度應(yīng)

37、使流體通過缺口時與橫向流過管束時的流速相近。缺口 大小用切去的弓形弦高占殼體內(nèi)直徑的百分比來表示。如單弓形折流板，缺口弦 高一般取 O.200.45 倍的殼體內(nèi)直徑，最常用的是 0.25 倍殼體內(nèi)直徑。 對于臥式換熱器，殼程為單相清潔液體時，折流板缺口應(yīng)水平上下 布置。若氣體中含有少量液體時，則在缺口朝上的折流板最低處開設(shè)通液口， 見圖 1.9（a） ；若液體中含有少量氣體，則應(yīng)在缺口朝下的折流 圖 1.8 折流板形式 圖 1.9 折流板缺口布置 板最高處開通氣口，如圖 1.9（b） 。臥式換熱器的殼程介質(zhì)為氣液相共存或液 體中含有固體顆粒時，折流板缺口應(yīng)垂直左右布置，并在折流板最低處開通液口

38、， 如圖 1.9（c） 。 折流板一般應(yīng)按等間距布置，管束兩端的折流板應(yīng)盡量靠近殼程進、出口接 管。折流板的最小間距應(yīng)不小于殼體內(nèi)直徑的 15，且不小于 50mm；最大間距應(yīng) 不大于殼體內(nèi)直徑。折流板上管孔與換熱管之間的間隙以及折流板與殼體內(nèi)壁之 間的間隙應(yīng)合乎要求，間隙過大，泄漏嚴重，對傳熱不利，還易引起振動；間隙 過小，安裝困難。 從傳熱角度考慮，有些換熱器（如冷凝器）是不需要設(shè)置折流板的。但是為 了增加換熱管的剛度，防止產(chǎn)生過大的撓度或引起管子振動，當換熱器無支撐跨 距超過了標準中的規(guī)定值時，必須設(shè)置一定數(shù)量的支持板，其形狀與尺寸均按折 流板規(guī)定來處理。 圖 1.10 拉桿結(jié)構(gòu) 90 9

39、0 90 15-20 15-20 15-20 (a)(b)(c) 折流板與支持板一般用拉桿和定距管連接在一起，如圖 1.10（a）所示。拉桿 數(shù)不少于 4 根，每個折流板不少于 3 個支點。當換熱管外徑小于或等于 14mm 時， 采用折流板與拉桿點焊在一起而不用定距管，如圖 1.10（b）所示。 在大直徑的換熱器中，如折流板的間距較大，流體繞到折流板背后接近殼體 處，會有一部分流體停滯起來，形成了對傳熱不利的“死區(qū)” 。為了消除這個弊病， 宜采用多弓形折流板。如雙弓形折流板，因流體分為兩股流動，在折流板之間的 流速相同時，其間距只有單弓形的一半。不僅減少了傳熱死區(qū)，而且提高了傳熱 效率。 3、

40、折流桿 1支撐桿；2折流桿；3滑軌 2 3 1 圖 1.11 折流桿結(jié)構(gòu) 目的：裝有折流板的管殼式換熱器存在著影響傳熱的死區(qū)，流體阻力大，且 易發(fā)生換熱管振動與破壞。為了解決傳統(tǒng)折流板換熱器中換熱管與折流板的切割 破壞和流體誘導(dǎo)振動，并且強化傳熱提高傳熱效率，近年來開發(fā)了一種新型的管 束支撐結(jié)構(gòu)折流桿支撐結(jié)構(gòu)。 結(jié)構(gòu)：由折流圈和焊在折流圈上的支撐桿（桿可以水平、垂直或其他角度） 所組成。折流圈可由棒材或板材加工而成，支撐桿可由圓鋼或扁鋼制成。一般 4 塊折流圈為一組，如圖 1.11 所示，也可采用 2 塊折流圈為一組。支撐桿的直徑等 于或小于管子之間的間隙。因而能牢固地將換熱管支撐住，提高管束

41、的剛性。 2 計算部分 2.1 浮頭式換熱器筒體的計算 2.1.1 計算條件 1、設(shè)計條件 設(shè)計壓力： 管程：2.0Mpa，殼程：2.0Mpa 設(shè)計溫度 管程：60， 殼程：120 2、操作介質(zhì) 管程：水 殼程：丙烷 3、程數(shù) 管程：4， 殼程：1 4、換熱面積 53.7 m2 5、安裝地點 撫順 6、設(shè)計溫度下屈服點 焊接系數(shù) MPa s 34585 . 0 2.1.2 前端管箱筒體壁厚計算 （1）厚度計算 計算厚度： 設(shè)計厚度： d mm d 90 . 5 2 根據(jù)管殼式換熱器對于低合金鋼板的最小厚度要求，當 時，最 小厚度為 8mm，又考慮此處有兩個大開孔，利用多余的壁厚進行開孔補強，所

42、以： 名義厚度： n d21 16.0 n CCmm圓整 有效厚度： e 14mm 12 CC ne （2）壓力試驗應(yīng)力校核 mm48 . 3 0 . 285 . 0 1702 5000 . 2 2 C t iC P DP mmDi500 壓力試驗類型：水壓試驗 允許最大操作壓力： w P 水壓試驗校核： 0.9MPa S 925.26334585 . 0 9 . 0 滿足要求 st 9 . 0 2.1.3 后端管箱筒體壁厚計算 （1）計算厚度 根據(jù)管殼式換熱器對于低合金鋼板的最小厚度要求，當 時，最mmDi800 小厚度為 10mm, 名義厚度： n min2 12.0 n Cmm 有效厚度

43、： e 10mm 12 CC ne （2） 壓力及應(yīng)力計算及水壓試驗校核 水壓試驗校核： 壓力試驗允許通過的應(yīng)力水平： MPa D P ei t e w 56 . 9 14500 85 . 0 1701422 MPaPP tT 5 . 2 170 170 0 . 225. 125. 1 MPa DP e eiT t 7 . 36 0 . 142 0 . 145002 2 MPa P PD c t ci 18 . 4 0 . 285 . 0 1702 6000 . 2 2 MPa D P ei t e w 73 . 4 10600 85. 01701022 MPaPP tT 5 . 2 170

44、170 0 . 225 . 1 25. 1 mmDi600 0.9MPa S 5 . 3103459 . 0 試驗壓力下圓筒的應(yīng)力： s .90 T 合格。 2.1.4 殼程筒體壁厚計算 =2.0 設(shè)計溫度 t=120 內(nèi)徑 材料名稱 16MnR C PMPa 計算厚度 : 名義厚度：根據(jù)管殼式換熱器對于低合金鋼板的最小厚度要求，當 n 時，最小厚度為 8mm,mmDi700 min2 10.0 n Cmm 有效厚度： e 8mm 12 CC ne w PP T 合格 =0.9 s .90 T 345=310.5mpa MPa76.71 85 . 0 102 )10600(2 2 )( e e

45、iT T DP MPa D P ei t e w 55. 4 8500 85. 0170822 MPaPP tT 2 170 170 6 . 125 . 1 25 . 1 aMP DP e eiT T 71.74 85 . 0 82 )8500(2 2 )( MPa P PD c t ci 71 . 3 0 . 285 . 0 1702 5000 . 2 2 mmDi500 合格。 2.2 前后端封頭的計算 2.2.1 計算條件 計算壓力： =2.0 C PMPa 內(nèi)徑： 前 ；后 設(shè)計溫度： 120； 材料名稱： 16MnR； 腐蝕裕量： ；mmC2 2 負偏差： ； 1 0C 焊接系數(shù)：

46、；0.85 設(shè)計溫度許用應(yīng)力： 170 t MPa 本設(shè)計當中均采用標準橢圓型封頭。 2.2.2 前端封頭的厚度計算 （1）厚度計算： ； ； 根據(jù)化工設(shè)備設(shè)計手冊查表得到橢圓封頭形狀系數(shù)：；1K 計算厚度： 名義厚度： n mmC dn 10 1 有效厚度： e mmCC ne 82010 21 最大允許工作應(yīng)力： 2 2 i i D h mm P DKP C t iC 76 . 3 0 . 25 . 085 . 0 1702 5000 . 2 5 . 02 MPa K P t e w 3.83 85 . 0600 85 . 0 17082 .50D 2 ei w PP T mmDi500

47、mmDi500mmDi600 該厚度的前端封頭滿足使用要求。 2.2.3 后端封頭的厚度計算 （1）厚度計算： ； ； 根據(jù)化工設(shè)備設(shè)計手冊查表得到橢圓封頭形狀系數(shù)：；1K 計算厚度： 設(shè)計厚度： d mmC d 44 . 6 244 . 4 2 名義厚度： n mmC dn 0 . 12 1 有效厚度： e mmCC ne 102012 21 （2）壓力試驗應(yīng)力校核 壓力試驗類型：水壓試驗 最大允許壓力： w P 水壓試驗校核： a2 170 170 0 . 225 . 1 25 . 1 MPPP tcT 由于，所以該厚度的后端封頭滿足使用要求。 T P w P 2.3 管板的計算 2 2

48、i i D h mm P DKP C t iC 51 . 4 0 . 25 . 085 . 0 1702 6000 . 2 5 . 02 MPa DK P ei t e w 78 . 4 105 . 0600 85 . 0 170102 5 . 0 2 mmDi600 2.3.1 符號說明 D-法蘭外直徑，mm； Db-螺栓中心圓直徑，mm； Di-法蘭內(nèi)直徑，mm； FD-作用在法蘭環(huán)內(nèi)側(cè)風頭壓力載荷引起的軸向分力，N； FD=0.785PC 2 i D Fr-作用在法蘭環(huán)內(nèi)側(cè)封頭壓力載荷引起的徑向分力，N； M0-總力矩，Nmm； Pc-計算壓力，MPa； Ri-封頭球面部分內(nèi)直徑，mm；

49、 LD-螺栓中心至法蘭環(huán)內(nèi)直側(cè)的徑向距離，mm Lr- Fr對法蘭環(huán)截面形心的力臂，mm； 1-封頭邊緣處球殼中面切線與法蘭環(huán)直徑的夾角（） ； -封頭計算厚度，mm； f-法蘭計算厚度，mm； 2.3.2 墊片的選擇和計算 選纏繞墊片 材料 填料 石墨 壓緊形式 1a189 r OCNi 尺寸 mmd765 0 mmdi725 mm dd N i 20 2 725765 2 0 當 時4 . 610 2 0 N bmm81053 . 2 mmbdDG749827652 0 2.3.3 管板結(jié)構(gòu)參數(shù)及系數(shù)的確定 .管子選中252.5 10 號鋼 管長 L=2840mm nLdA out 254

50、 6025 . 0 14 . 3 120 n 實際管子數(shù) n=256 根，采用轉(zhuǎn)正方形排列，查表 S=32mm Sn=40mm . 隔板面積：對于 a 型連接形式，轉(zhuǎn)正方形 2222 d 4 1 ) 2 (25 . 3 2 25 . 675. 2 2 25 . 54S S S S SS S SA nnn =4（4978.032816+5883.133328+400256） =19444.64mm 222 t 64.28158864.1944432256mmAdnsA mmD 9 . 598 14 . 3 64.2815884 t 222 01 64.15598825256785 . 0 64.

51、281588 4 mmdnAtA 251 . 1 9 . 598 7491 t G t D D na=2563.14（25-2.5）2.5=45216mm 29 . 0 64.155988 45216 1 A na 設(shè)管板的 mm n 50mmL58775 . 1225026000 查表 Et=1861000Mpa Ep=196Mpa 43.2389 9 . 5895877 4521610186 3 aL Etna Kt 0305 . 0 101964 . 0 43.2389 3 DEp kt tK 確定管板的設(shè)計壓力 0189 . 0 1444 . 05 . 1 6 . 1 5 . 1 r t Pd aP Mpa pd ps Pd6 . 1max 根據(jù) 48 . 0 C0.0189 27 . 2 / 2 1 3 1 查由 aPaPtK mm52.390189 . 0