畢業(yè)論文（設(shè)計）：管殼式浮頭式換熱器設(shè)計

1、管殼式換熱器摘要換熱器是在工廠生產(chǎn)中最常見的過程設(shè)備之一，是用于物料之間進(jìn)行熱量傳遞的過程設(shè)備，使熱量從熱流體傳遞到冷流體的設(shè)備。通過這種設(shè)備使物料能達(dá)到指定的溫度以滿足工藝的要求。浮頭式換熱器是針對固定管板式換熱器在熱補償方面的缺陷進(jìn)行了改進(jìn)的換熱設(shè)備。 本設(shè)計說明書是關(guān)于浮頭式換熱器的設(shè)計，主要分為說明和計算兩部分。說明部分主要敘述了換熱器的特點和分類、換熱器的發(fā)展現(xiàn)狀、國內(nèi)發(fā)展趨勢和研究熱點，以及浮頭式換熱器主要零部件結(jié)構(gòu)的設(shè)計及壓力容器常用材料等。計算部分主要對浮頭換熱器的筒體、封頭和法蘭進(jìn)行了詳細(xì)地計算，并對其進(jìn)行了水壓試驗的校核；其中，換熱管、管板、折流板、鞍座和鉤圈等各個受壓元件

2、按照GB1501998鋼制壓力容器和GB1511999管殼式換熱器的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行簡單的結(jié)構(gòu)設(shè)計，使其屈服應(yīng)力在許用應(yīng)力范圍之內(nèi)。除此之外，還參閱相關(guān)的設(shè)計手冊及大量的文獻(xiàn)，完成了各個零件圖的繪制，還對一篇外文進(jìn)行了翻譯等工作。關(guān)鍵詞：浮頭式換熱器；厚度計算；強度校核；水壓試驗Shell and tube heat exchangerAbstract Heat exchanger is used in the materials to carry on the thermal transmission the process. Through this kind of equipment，mater

3、ials achieve assignment the temperature to satisfy the craft the request. Floating head heat exchanger tube against a fixed plate heat exchanger in the thermal compensation of the defects and improved heat transfer equipment.The design manual is about floating headheat exchanger, which included expl

4、anation part and calculation part.And the explanation partdescribed the characteristics and classification of heat exchanger, the development of the status quo, development trend of domestic and research hot spots,also the floating heat exchangers design of the structure of the main components and p

5、ressure vessels commonly used materials. The main part of the calculation of the cylinder, head and flange of the calculation in detail, and its verification of hydraulic test; also heat exchanger, tube sheet，baffle，circle hooks，such as saddles and all by pressure components in accordance with the G

6、B150-1998 "Steel Pressure vessel" and GB151-1999 "Tubular heat exchangers" standard for strength calculation, checking water pressure test intensity to yield stress in the range of allowable stress. In addition, see the related design manuals and a lot of literature, completed th

7、e mapping of various parts,but also a translation of a foreign languages and so on.Keywords: floating head heat exchanger; thickness calculation; strength check; pressure test目 錄1 換熱器概述11.1 換熱器的特點11.2 換熱器的分類及其優(yōu)缺點21.3 浮頭式換熱器的簡介21.4 換熱器的研究熱點42 浮頭式換熱器的設(shè)計62.1 設(shè)計參數(shù)的確定62.1.1 設(shè)計壓力62.1.2 設(shè)計溫度62.1.3 厚度及厚度附加量

8、72.1.4 焊接接頭系數(shù)72.1.5 許用應(yīng)力72.2 設(shè)備材料選擇82.3 結(jié)構(gòu)的選擇與論證92.3.1 換熱管92.3.2 管板102.3.3 封頭112.3.4 折流板122.3.5 開孔和開孔補強設(shè)計122.3.6 法蘭143 計算部分153.1 殼體圓筒計算153.1.1 計算條件153.1.2 厚度計算153.1.3 壓力試驗時應(yīng)力校核163.1.4 壓力及應(yīng)力計算163.2 前端管箱筒體的厚度計算（管箱短節(jié)的計算）173.2.1 計算條件173.2.2 厚度計算173.2.3 壓力試驗時應(yīng)力校核183.2.4 壓力及應(yīng)力計算183.3 前端管箱封頭計算193.3.1 計算條件1

9、93.3.2 厚度計算193.3.3 應(yīng)力試驗時應(yīng)力校核203.3.4 壓力計算203.4 后端管箱筒體計算203.4.1 計算條件203.4.2 厚度計算213.4.3 壓力試驗時應(yīng)力校核213.4.4 應(yīng)力及應(yīng)力計算223.5 外頭蓋封頭的計算223.5.1 計算條件223.5.2 厚度計算233.5.3 壓力試驗時應(yīng)力校核233.5.4 壓力計算243.6 管板設(shè)計243.6.1 符號說明：243.6.2 管板厚度計算263.6.3 換熱管的軸向應(yīng)力校核283.6.4 換熱管與管板連接的拉脫力校核303.7 浮頭蓋的設(shè)計計算303.7.1 球冠形封頭厚度計算303.7.2 浮頭法蘭厚度計

10、算323.8 開孔補強394 結(jié)論42參考文獻(xiàn)43謝辭441換熱器概述換熱器是一種實現(xiàn)物料之間熱量傳遞的節(jié)能設(shè)備，又稱熱交換器。換熱器應(yīng)用廣泛，日常生活中取暖用的暖氣散熱片、汽輪機裝置中的凝汽器和航天火箭上的油冷卻器等，都是換熱器。它還廣泛應(yīng)用于化工、石油、動力和原子能等工業(yè)部門。它的主要功能是保證工藝過程對介質(zhì)所要求的特定溫度，同時也是提高能源利用率的主要設(shè)備之一。換熱器既可是一種單獨的設(shè)備，如加熱器、冷卻器和凝汽器等；也可是某一工藝設(shè)備的組成部分，如氨合成塔內(nèi)的熱交換器?，F(xiàn)在，石油化工裝置不斷向大型化發(fā)展，要求換熱器也相應(yīng)大型化，而新產(chǎn)品的開發(fā)、原料的深度加工和精細(xì)化工的發(fā)展等則要求換熱器

11、型式多樣化。另外，又對換熱器提出了新的節(jié)能要求，如煉油工業(yè)中,為了提高換熱系統(tǒng)有效能的利用，要求降低換熱器的平均溫差，這就需要開發(fā)新型換熱器。近年來隨著節(jié)能技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴大，利用換熱器進(jìn)行高溫和低溫?zé)崮芑厥諑砹孙@著的經(jīng)濟效益。1.1換熱器的特點一般換熱器都用金屬材料制成，其中碳素鋼和低合金鋼大多用于制造中、低壓換熱器；不銹鋼除主要用于不同的耐腐蝕條件外，奧氏體不銹鋼還可作為耐高、低溫的材料；銅、鋁及其合金多用于制造低溫?fù)Q熱器；鎳合金則用于高溫條件下；非金屬材料除制作墊片零件外，有些已開始用于制作非金屬材料的耐蝕換熱器，如石墨換熱器、氟塑料換熱器和玻璃換熱器等。由于制造工藝和科學(xué)水

12、平的限制，早期的換熱器只能采用簡單的結(jié)構(gòu)，而且傳熱面積小、體積大和笨重，如蛇管式換熱器等。隨著制造工藝的發(fā)展，逐步形成一種管殼式換熱器，它不僅單位體積具有較大的傳熱面積，而且傳熱效果也較好，長期以來在工業(yè)生產(chǎn)中成為一種典型的換熱器。1.2換熱器的分類及其優(yōu)缺點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(jìn)行熱量交換的換熱器，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)電廠所用的冷水塔中，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

13、互接觸進(jìn)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(jìn)行熱量交換的換熱器，如煉焦?fàn)t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)備稱為蓄冷器，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，并通過間壁進(jìn)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，

14、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。1.3浮頭式換熱器的簡介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(jìn)了自身的發(fā)展。故迄今為止在各種換熱器中仍占主導(dǎo)地位。浮頭式換熱器兩端的管板，一端不與殼體相連，該端稱浮頭。管子受熱時，管束連同浮頭可以沿軸向自由伸縮，完全消除了溫差應(yīng)力。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。

15、管子在管板上的標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)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(jìn)行清洗，一般用于管束可抽出管間清洗的場合。浮頭式換熱器優(yōu)點是：浮頭式換熱器的管束連同浮頭可以自由伸縮，與外殼的膨脹無關(guān)，因而不產(chǎn)生溫差應(yīng)力；而且管束可以抽出，便于清洗管程和殼程；結(jié)構(gòu)堅固；可靠性高；適應(yīng)性廣；處理能力大；能承受較高的工作壓力。這些優(yōu)點表明對于管子和殼體間溫差大、殼程介質(zhì)腐蝕性強、易結(jié)垢的情況，浮頭式換熱器很能適應(yīng)。浮頭式換熱器缺點是：由于其結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，尤其是單管程，鍛件多，造價高，造價比固定管板式約

16、高20%，而且浮頭蓋操作時無法檢查，所以在安裝和制造時應(yīng)特別注意其密封，以免發(fā)生內(nèi)漏。浮頭式換熱器適用范圍：浮頭式換熱器適用于壓力溫度范圍較大，特別是殼體和換熱管壁溫相差較大或介質(zhì)易結(jié)垢的場合。一般易結(jié)垢介質(zhì)走管程，兩種介質(zhì)都易結(jié)垢時，高壓介質(zhì)走管程，可以降低造價；腐蝕性介質(zhì)宜走管程，可以減少耐腐蝕材料的用量；制造也比較方便。浮頭式換熱器簡圖1.4換熱器的研究熱點在工業(yè)制冷裝置換熱器的選擇方面需要根據(jù)工礦企業(yè)自身的自然條件、現(xiàn)場條件、運行經(jīng)驗等因素進(jìn)行綜合考慮，并且堅持高效率、低能耗、運行安全穩(wěn)定、便于檢修維護(hù)的原則，進(jìn)而取得滿意的經(jīng)濟效益。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步及計算機模擬換熱數(shù)學(xué)模型的推廣普及

17、，相信會出現(xiàn)更多、更高效的新型換熱器，而對于制造廠商來說， 材料節(jié)省，成本降低，技術(shù)含量提升，經(jīng)濟效益也會明顯提高。各種新型、高效換熱器逐步取代現(xiàn)有常規(guī)產(chǎn)品。電場動力效應(yīng)強化傳熱技術(shù)、添加物強化沸騰傳熱技術(shù)、通入惰性氣體強化傳熱技術(shù)、滴狀冷凝技術(shù)、微生物傳熱技術(shù)、磁場動力傳熱技術(shù)將會在新的世紀(jì)得到研究和發(fā)展。同心管換熱器、高溫噴流式換熱器、印刷線路板換熱器、穿孔板換熱器、微尺度換熱器、微通道換熱器、流化床換熱器、新能源換熱器將在工業(yè)領(lǐng)域及其它領(lǐng)域得到研究和應(yīng)用。在這里主要對管殼式換熱器的傳熱強化技術(shù)進(jìn)行簡單的介紹。強化傳熱研究的主要任務(wù)是改善熱傳遞速率，以達(dá)到用最經(jīng)濟的設(shè)備來傳遞規(guī)定的熱量，用

18、最經(jīng)濟的冷卻方式保護(hù)高溫元件的安全，即用最佳的熱效率實現(xiàn)能源的合理利用。因此，強化傳熱因其在工業(yè)生產(chǎn)與能源利用中的特殊作用而得到不斷完善。傳熱強化技術(shù)是一項能顯著改善傳熱性能的節(jié)能新技術(shù)。其主要內(nèi)容是采用強化傳熱元件，改善換熱器的結(jié)構(gòu)，提高傳熱效率，從而使設(shè)備投資與運行費用最低，以達(dá)到生產(chǎn)的最優(yōu)化。增大傳熱系數(shù)、妥善布置傳熱面、增大平均溫度差是強化傳熱的三種途徑，其中提高傳熱系數(shù)是當(dāng)今強化傳熱的重點。換熱設(shè)備傳熱過程的強化就是使換熱設(shè)備能在單位時間內(nèi)、單位面積上傳遞的熱量達(dá)到最大化。管殼式換熱器強化傳遞通常是對光管進(jìn)行加工得到各種結(jié)構(gòu)的異型管，如波紋管、螺紋管、螺旋槽紋管、橫槽紋管、翅片管、針

19、翅管、多孔表面管等，通過這些異型管進(jìn)行強化傳熱，提高工作效率，達(dá)到節(jié)能減排效果。強化傳熱一般分為主動強化傳熱（有源強化）與被動強化傳熱（無源強化）兩種。主動強化傳熱以消耗外部能量為代價的，如采用電場、光照射、攪拌、流體振動、機械表面振動等手段，由于受到外加能量限制，因而工程主要采用被動強化傳熱技術(shù)，即通過增加單位體積內(nèi)的傳熱面積或者提高傳熱系數(shù)增加產(chǎn)熱量。目前，管殼式換熱器的傳熱強化技術(shù)主要包括管程和殼程的傳熱強化研究。2浮頭式換熱器的設(shè)計2.1 設(shè)計參數(shù)的確定壓力容器設(shè)計參數(shù)主要有設(shè)計壓力，設(shè)計溫度，厚度，厚度附加量，焊接接頭系數(shù)和許用應(yīng)力等。2.1.1設(shè)計壓力為壓力容器的設(shè)計載荷之一，其值

20、不低于最高工作壓力。最高工作壓力系指容器頂部在正常工作過程中可能產(chǎn)生的最高表壓。設(shè)計壓力應(yīng)視內(nèi)壓和外壓容器分別取值。當(dāng)內(nèi)壓容器上裝有安全泄放裝置時，其設(shè)計壓力應(yīng)根據(jù)不同形式的安全泄放裝置確定。裝設(shè)安全閥的容器，考慮到安全閥開啟的滯后，容器不能及時泄壓，設(shè)計壓力不應(yīng)低于安全閥的開啟壓力，通?？扇∽罡吖ぷ鲏毫Φ?.05-1.10倍；裝設(shè)爆破片時，設(shè)計壓力不得低于爆破片的爆破壓力。對于盛裝液化氣體的容器，由于容器內(nèi)介質(zhì)壓力為液化氣體的飽和蒸汽壓，在規(guī)定的裝量系數(shù)范圍內(nèi)，與體積無關(guān)，僅取絕于溫度的變化，故設(shè)計壓力與周圍的大氣環(huán)境溫度密切相關(guān)。此外還要考慮容器外壁有無保冷設(shè)施，可靠的保冷設(shè)施能有效地保證

21、容器內(nèi)溫度不受大氣環(huán)境溫度的影響，即設(shè)計壓力應(yīng)根據(jù)工作條件下可能達(dá)到的最高金屬溫度確定。設(shè)計溫度設(shè)計溫度也為壓力容器的設(shè)計載荷條件之一，它是指容器在正常情況下，設(shè)定元件的金屬溫度。當(dāng)元件金屬溫度不低于0時，設(shè)計溫度不得低于元件金屬可能達(dá)到的最高溫度；當(dāng)元件金屬溫度低于0時，其值不得高于元件金屬可能達(dá)到的最低溫度。GB150規(guī)定設(shè)計溫度等于或低于-20的容器屬于低溫容器。元件的金屬溫度可以通過傳熱計算或?qū)崪y得到，也可按內(nèi)部介質(zhì)的最高溫度確定，或在基準(zhǔn)上增加（或減少）一定數(shù)值。設(shè)計溫度與設(shè)計壓力存在對應(yīng)關(guān)系。當(dāng)壓力容器具有不同的操作工況時，應(yīng)按最苛刻的壓力與溫度的組合設(shè)定容器的設(shè)計條件，而不能按其

22、在不同工況下各自的最苛刻條件確定設(shè)計溫度和設(shè)計壓力。厚度及厚度附加量設(shè)計時要考慮厚度附加量C由鋼材的厚度負(fù)偏差C1和腐蝕裕量C2組成，C=C1+C2 ,不包括加工減薄量C3。計算厚度（）是按有關(guān)公式采用計算壓力得到的厚度。設(shè)計厚度（）是計算厚度與腐蝕裕量之和。名義厚度（）指設(shè)計厚度加上鋼材厚度負(fù)偏差后向上圓整至鋼材標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的厚度，即標(biāo)注在圖樣上的厚度。有效厚度（）為名義厚度減去腐蝕裕量和鋼材負(fù)偏差。腐蝕裕量主要是防止容器受壓元件由于均勻腐蝕，機械磨損而導(dǎo)致厚度的消弱減薄。與腐蝕介質(zhì)直接接觸的筒體，封頭，接管，等受壓元件，均應(yīng)考慮材料的腐蝕裕量。腐蝕裕量一般可根據(jù)鋼材在介質(zhì)中的均勻腐蝕速率和容器

23、的設(shè)計壽命確定。在無特殊腐蝕情況下，對于碳素鋼和低合金鋼，C2 不小于1mm；對于不銹鋼，當(dāng)介質(zhì)的腐蝕性極微時，可取C2=0。2.1.4焊接接頭系數(shù)通過焊接制成的容器，焊縫中可能存在夾渣，未熔透，裂紋，氣孔等焊接缺陷，且在焊縫的熱影響區(qū)很容易形成粗大晶粒而使母材強度或塑性有所降低，因此焊縫往往成為容器強度比較薄弱的環(huán)節(jié)。為彌補焊縫對容器整體的強度削弱，在強度計算中需引入焊接接頭系數(shù)。焊接接頭系數(shù)表示焊縫金屬與母材強度的比值，反映容器強度受削弱的程度。 許用應(yīng)力許用應(yīng)力是容器殼體，封頭等受壓元件的材料許用強度，取材料強度失效判據(jù)的極限值與相應(yīng)的材料設(shè)計系數(shù)之比，設(shè)計時必須合理的選擇材料的許用應(yīng)力

24、，采用過小的許用應(yīng)力，會使設(shè)計的部分過分笨重而浪費的材料，反之則使部件過于單薄而容易破損。材料強度失效判據(jù)的極限值可以用各種不同的方式表示，如屈服點，抗拉強度，持久強度，蠕變極限等。應(yīng)根據(jù)失效類型來確定極限值。在蠕變溫度以下通常取材料常溫下最低抗拉強度，常溫或設(shè)計溫度下的屈服點或三者除以各自的材料設(shè)計系數(shù)后所得到的最小值，作為壓力容器受壓元件設(shè)計時的許用應(yīng)力，即按下式取值 =min，也即是說設(shè)計受壓元件時，以抗拉強度和屈服點同時來控制許用應(yīng)力。因為對韌性材料制作的容器，按彈性失效設(shè)計準(zhǔn)則，容器總體部位的最大應(yīng)力強度應(yīng)低于材料的屈服點，故許用應(yīng)力應(yīng)以屈服點為基準(zhǔn)。目前在壓力容器設(shè)計中，不少規(guī)范同

25、時用抗拉強度作為計算許用應(yīng)力的基準(zhǔn)，其目的是為能在一定程度上防止斷裂失效。當(dāng)碳素鋼和低合金鋼的設(shè)計溫度超過420，鉻鉬合金鋼的設(shè)計溫度高于450，奧氏體不銹鋼設(shè)計溫度高于550時，有可能產(chǎn)生蠕變，因而必須同時考慮基于高溫蠕變極限或持久強度的許用應(yīng)力。GB150鋼制壓力容器給出了鋼板，鋼管，鍛件以及螺栓材料在設(shè)計溫度下的許用應(yīng)力同時也列出了確定鋼材許用應(yīng)力的依據(jù)。螺栓的許用應(yīng)力應(yīng)根據(jù)材料的不同狀態(tài)和直徑大小而定。為保證螺栓法蘭連接結(jié)構(gòu)的密封性，必須嚴(yán)格控制螺栓的彈性變形。一般情況下，螺栓材料的許用應(yīng)力取值比其他受壓元件材料低；同時為防止小直徑螺栓在安裝時斷裂，小直徑螺栓的許用應(yīng)力也比大直徑的低。

26、2.2設(shè)備材料選擇材料是壓力容器的物質(zhì)基礎(chǔ)，正確選用壓力容器材料是保證容器長期安全使用的一個基本條件，壓力容器所用材料必須要有良好的焊接性能和冷熱加工性能，壓力容器材料的物理性能也是選材要考慮的。要進(jìn)行換熱的容器要用導(dǎo)熱系數(shù)較高的材料達(dá)到節(jié)省材料的目的。壓力容器常用的鋼材主要有板、管、棒、絲、鍛件、鑄件等形狀。壓力容器的本體主要采用板材、管材和鍛件，其緊固件采用棒材。壓力容器用剛可分為碳素鋼、低合金鋼和高合金鋼。16MnR是一種低合金鋼，它是在碳素鋼的基礎(chǔ)上加入一種或數(shù)種合金元素（不超過5%）以提高鋼材的強度，耐高溫、耐低溫、耐腐蝕等性能，各種合金元素在低合金鋼中起著不同的作用，錳能有效的提高

27、強度，降低冷脆性能。作為聯(lián)接的螺栓，是法蘭密封結(jié)構(gòu)中主要受力元件。要求螺栓材料具有高的強度，好的韌性。為避免螺栓與螺母咬死或膠合，通常選用不同強度級別的材料或選用不同的熱處理規(guī)范。使用有不同的硬度。螺栓硬度一般應(yīng)比螺母高30HB以上，考慮到螺母的更換比螺栓容易，螺栓材料強度通常比螺母高。因此，螺栓材料選用A3鋼16。墊片材料的選擇應(yīng)根據(jù)工作系統(tǒng)的溫度、壓力以及介質(zhì)種類、化學(xué)性能（如腐蝕性、氧化性是否有毒或污染大氣）物理性能（如比重、粘度比）考慮一般要求墊片材料不污染工作介質(zhì)，耐腐蝕，具有良好的變形性和回彈能力。墊片的耐用溫度應(yīng)大于操作溫度，要有一定的機械強度和適當(dāng)?shù)娜彳浶浴Ｔ诠ぷ鳒囟?00下，

28、不易變質(zhì)硬化或軟化；同時，在考慮介質(zhì)的放射性，應(yīng)力以及外力對法蘭變形的附加影響因素。檢修更換墊片是否容易。墊片現(xiàn)場加工是否可能，經(jīng)濟性以及材料來源等。2.3結(jié)構(gòu)的選擇與論證 換熱管除光管外，換熱管還可采用各種各樣的強化換熱管，如翅片管，螺旋槽管，螺紋管等。當(dāng)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)。換熱管尺寸換熱管尺寸主要為19mm×2mm,25mm×2.5mm,38mm×2.5mm,無縫鋼管以及25mm×2mm,38mm×2.5mm的不銹鋼管。標(biāo)準(zhǔn)管長有1.5，2.0,3.0,4.5,6.0,9.0m等。采用小管徑，

29、可使單位體積的傳熱面積增大，結(jié)構(gòu)緊湊，金屬耗量減少，傳熱系數(shù)提高。據(jù)估算，將同直徑換熱器的換熱管有25mm改為19mm，其傳熱面積可增加40%左右，節(jié)約金屬20%以上。但小管徑流體大，不便清洗，易結(jié)垢堵塞。一般大直徑管子用于粘性大或污濁的流體，小直徑管子用于較清潔的流體。常用材料有碳素鋼，低合金鋼，不銹鋼，銅銅鎳合金，鋁合金，鈦等。此外還有一些非金屬材料，如石墨，陶瓷，聚四氟乙烯等。設(shè)計時應(yīng)根據(jù)工作壓力，溫度和介質(zhì)腐蝕性等選用合適材料。換熱管在管板上的排列形式主要有正三角形，正方形和轉(zhuǎn)角三角形，轉(zhuǎn)角正方形。正三角形排列形式可以在同樣的管板面積上排列最多的管數(shù)，故用的最為普遍，但管外不一清洗。為

30、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。管板管板是管殼式換熱器最重要的零件之一，用來排布換熱管，將管程和殼程的流體分隔開來，避免冷熱流體混合，并同時受管程，殼程壓力和溫度的作用。在選擇管板材料時除力學(xué)性能外，還應(yīng)考慮管程和殼程的流體的腐蝕性，以及管板和換熱管之間的電位差對腐蝕的影響。當(dāng)流體物腐蝕性或有輕微腐蝕時，管板一般采用壓力容器用碳素鋼或低合金鋼板或鍛件制造。 當(dāng)流體腐蝕性較強時，管板應(yīng)采用不銹鋼，銅，鋁，鈦等耐腐蝕材料。但對于較厚的管板，若整體采用價格昂貴的耐腐蝕性，造價很高。例如，高溫，高壓換熱器中，管板厚度達(dá)300mm以上，有的甚至達(dá)到50mm。為節(jié)約耐腐蝕材料，工程上常

31、采用不銹鋼和鋼，鈦和鋼，銅和鋼等符合板，或堆焊襯里。當(dāng)換熱器承受高溫，高壓時，高溫和高壓對管板的要求的矛盾的。增大管板厚度，可以提高承受能力，但當(dāng)管板兩側(cè)流體溫差很大時，管板內(nèi)部沿厚度方向的熱應(yīng)力。當(dāng)迅速停車或進(jìn)氣溫度突然變化時，熱應(yīng)力往往會導(dǎo)致管板和換熱管在連接處發(fā)生破壞。因此，在滿足強度的前提下，應(yīng)盡量減少管板厚度。薄管板顧名思義是指相對于采用標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)范計算所得的管板厚度要薄很多的管板，一般厚度為8-20mm。 當(dāng)要求嚴(yán)格禁止管程和殼程中的介質(zhì)互相混合時，可采用雙管板結(jié)構(gòu)。在雙管板結(jié)構(gòu)中管子分別固定在兩塊管板上，兩塊管板保持一定距離，如果管子與管板連接處有少量流體漏出，可讓其從連管板之間的

32、空隙泄放之外界，也可利用一薄壁圓筒將此空隙封閉起來，充入惰性氣體，使其壓力高于管程和殼程的壓力，達(dá)到避免兩種介質(zhì)混合的目的。2.3.3封頭壓力容器的封頭種類較多，分為凸形封頭、錐殼、變徑段、平蓋及緊縮口等。其中凸形封頭包括半球形封頭、橢圓形封頭、碟形封頭和球冠形封頭。采用什么樣的封頭要根據(jù)工藝條件的要求、制造的難易程度和材料的消耗等情況來決定。在這個設(shè)計中封頭的設(shè)計為標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭。受均勻內(nèi)壓作用封頭強度計算，由于封頭和圓筒相連接。所以不僅需要考慮封頭本身因內(nèi)壓引起的薄膜應(yīng)力，還有考慮與圓筒連接處的不連續(xù)應(yīng)力。連接處總應(yīng)力的大小與封頭的幾何形狀尺寸，封頭與圓筒厚度的比值大小有關(guān)，但在導(dǎo)出分頭厚

33、度計算公式時，主要利用內(nèi)薄膜應(yīng)力作為依據(jù)，而將因不連續(xù)效應(yīng)產(chǎn)生的應(yīng)力增強影響以應(yīng)力增強的系數(shù)形式引入厚度計算式中。在本設(shè)計中使用標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭和短圓筒組成，有內(nèi)段的作用是避免封頭和圓筒的連接焊縫處出現(xiàn)經(jīng)向曲率半徑突變，以改善焊縫的受力情況。由于封頭的橢圓部分經(jīng)線曲率變化平滑連續(xù)，故應(yīng)力分布比較均勻，采用橢圓形封頭還易于制造。2.3.4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)構(gòu)。在臥式換熱器中，折流板還起支撐管束的作用。當(dāng)工藝上無需折流板要求，而換熱管有比較細(xì)長時，以及浮頭式換熱器的浮頭端重量較重時或U

34、形管換熱器的管束較長，則應(yīng)考慮設(shè)置支持板，以起到防止換熱管變形的目的。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，根據(jù)需要也可采用其他形式的折流板與支持板，如堰形折流板。弓形折流板缺口高度應(yīng)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?xì)んw內(nèi)直徑的百分比來確定。如單弓形折流板，缺口弦高宜取0.20-0.45倍的殼體內(nèi)直徑，最常用的是0.25倍殼體內(nèi)直徑。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(jìn)出口接管。折流板最小間距宜不下于內(nèi)直徑的1/5，且不小于50mm；最大間距應(yīng)不大于恰提內(nèi)直徑。折流板上管孔與換熱管之間的

35、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(yán)重，對傳熱不利，還易引起振動；間隙過小，安裝困難。折流板與支持板一般用拉桿和定距管連接在一起，在大直徑的換熱器中，如折流板的間距較大，流體繞道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去。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。不僅減少了傳熱死去，而且提高了傳熱效率。2.3.5開孔和開孔補強設(shè)計由于各種工藝和結(jié)構(gòu)要求，不可避免地要在容器上開孔并安裝接管，開孔后，除削弱器壁的強度處，在殼體和接管的連接處，因結(jié)構(gòu)的連續(xù)性被破壞，會

36、產(chǎn)生很高的局部應(yīng)力，給容器的安全操作帶來隱患。因此，壓力容器的設(shè)計必須充分考慮開孔的補強設(shè)計。開孔應(yīng)力集中的程度與孔的形狀有關(guān)，圓孔應(yīng)力集中程度最低。因此，我們所設(shè)計的固定管板式換熱器選擇圓形開孔。為了降低峰值應(yīng)力需要在開孔邊緣補強，即用在開孔邊緣附近增加截面的方法，來提高應(yīng)力。壓力容器接管補強結(jié)構(gòu)通常采用局部補強結(jié)構(gòu)主要有補強圈補強，厚壁接管補強和整鍛件補強三種形式。（1） 補強圈補強這是中低壓容器應(yīng)用最多的補強結(jié)構(gòu)，補強圈補強貼焊在殼體與接管連接處。它結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，使用經(jīng)驗豐富，但補強圈與殼體金屬之間不能完全貼合，傳熱結(jié)果差，在中溫以上使用時，二者存在較大的熱膨脹差，因而使補強局部區(qū)

37、域產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力；另外，補強圈去殼體采用搭接連接，難以與殼體形成整體，所以抗疲勞性能差。這種補強結(jié)構(gòu)一般使用在靜載，常溫，中低壓，材料的標(biāo)準(zhǔn)抗拉強度低于540MPa，補強圈厚度小于等于1.5，殼體名義厚度不大于38mm的場合。（2） 厚壁接管補強即在開孔處焊上一段厚壁接管。由于接管的加厚部分正處于最大應(yīng)力區(qū)域內(nèi)，故比補強圈更能有效地降低應(yīng)力集中系數(shù)。接管補強結(jié)構(gòu)簡單，焊縫少，焊接質(zhì)量容易檢查，因此補強效果較好。高強度低合金鋼制壓力容器由于材料缺口敏感性較高，一般都采用該結(jié)構(gòu)，但必須保證焊縫全熔透。（3）整鍛件補強該補強結(jié)構(gòu)是將接管和部分殼體連同補強部分金屬集中開孔應(yīng)力最大部位，能有效地降低應(yīng)

38、力集中系數(shù)；可采用對焊焊縫，并使焊縫極其熱影響區(qū)離開最大應(yīng)力點，抗疲勞性能好，疲勞壽命只降低10%-15%。缺點是鍛件供應(yīng)困難，制造成本較高，所以只在重要壓力容器中應(yīng)用，如核容器，材料屈服點在500MPa,以上的開孔及受低溫，高溫，疲勞載荷容器的大直徑開孔等。2.3.6法蘭由于法蘭間表面總是粗糙不平，若在其間放一軟軟的墊片，用螺栓擰緊，使墊片受壓而產(chǎn)生變形（局部表面為塑性變形，整體是彈性變形）填滿兩密封面的凹凸不平的間隙，就可以阻止介質(zhì)漏出，達(dá)到密封的目的。換熱器介質(zhì)交換需要在密封的條件下進(jìn)行，所以需要選擇一定型式的法蘭進(jìn)行密封。煉廠常用的法蘭形式有平焊法蘭、對焊法蘭及螺紋法蘭。綜合各自的優(yōu)缺

39、點，考慮到平焊法蘭鋼性較差，在溫度和壓力較高時易發(fā)泄露，螺紋法蘭又不與介質(zhì)接觸。相比之下，對焊法蘭由于其鋼度較大，在較大壓力下，溫度波動是也能保證密封。因此，我們選擇對焊法蘭。對焊法蘭密封選擇是否合理，對密封有很大影響。在選用時應(yīng)全面了解介質(zhì)的性質(zhì)，操作條件根據(jù)這些性質(zhì)和條件特點選用合適的靜密封結(jié)構(gòu)、材質(zhì)和規(guī)定。3計算部分3.1殼體圓筒計算3.1.1計算條件計算壓力：設(shè)計溫度：材料名稱：(熱軋)(板材)內(nèi)徑：設(shè)計溫度許用應(yīng)力：試驗溫度許用應(yīng)力：試驗溫度下屈服點：鋼板負(fù)偏差：腐蝕裕量：焊接接頭系數(shù)：3.1.2厚度計算計算厚度:（31）設(shè)計厚度：（32）名義厚度: （33）按GB151表8中規(guī)定，

40、取有效厚度：（34）3.1.3壓力試驗時應(yīng)力校核壓力試驗類型: 液壓試驗試驗壓力值:（35）壓力試驗允許通過的應(yīng)力水平:（36）試驗壓力下圓筒的應(yīng)力:（37）校核條件:校核結(jié)果: 合格3.1.4壓力及應(yīng)力計算最大允許工作壓力:（38）設(shè)計溫度下的計算應(yīng)力: （39）又（310）校核條件: 校核結(jié)果：合格3.2前端管箱筒體的厚度計算（管箱短節(jié)的計算）計算條件計算壓力：設(shè)計溫度：材料名稱：(熱軋)(板材)內(nèi)徑：設(shè)計溫度許用應(yīng)力：試驗溫度許用應(yīng)力：試驗溫度下屈服點：鋼板負(fù)偏差：腐蝕裕量：焊接接頭系數(shù)：3.2.2厚度計算計算厚度: （311）設(shè)計厚度：（312）名義厚度: （313）按GB151管殼式

41、換熱器表8中規(guī)定，取有效厚度：（314）3.2.3壓力試驗時應(yīng)力校核壓力試驗類型：液壓試驗試驗壓力值：（315）壓力試驗允許通過的應(yīng)力：（316）試驗壓力下圓筒的應(yīng)力：（317）校核條件：校核結(jié)果：合格 3.2.4壓力及應(yīng)力計算設(shè)計溫度下圓筒的最大允許工作壓力：（318）設(shè)計溫度下圓筒的計算應(yīng)力：（319）又（320）校核條件：校核結(jié)果：合格3.3前端管箱封頭計算3.3.1計算條件計算壓力：設(shè)計溫度：。材料名稱：(熱軋)(板材)內(nèi)徑：設(shè)計溫度許用應(yīng)力：試驗溫度許用應(yīng)力：試驗溫度下屈服點：鋼板負(fù)偏差：腐蝕裕量：焊接接頭系數(shù)：封頭形狀：標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭，3.3.2厚度計算形狀系數(shù):（321）計算厚度

42、:（322）設(shè)計厚度：（323）名義厚度: （324）按GB151管殼式換熱器規(guī)定，取有效厚度：（325）3.3.3應(yīng)力試驗時應(yīng)力校核壓力試驗類型：液壓試驗試驗壓力值:（326）壓力試驗允許通過的應(yīng)力：（327）試驗壓力下圓筒的應(yīng)力:（328）校核條件：校核結(jié)果：合格3.3.4壓力計算設(shè)計溫度下圓筒的最大允許工作壓力：（329）結(jié)論：合格3.4后端管箱筒體計算3.4.1計算條件計算壓力：設(shè)計溫度：。材料名稱：(熱軋)(板材)內(nèi)徑：設(shè)計溫度許用應(yīng)力：試驗溫度許用應(yīng)力：試驗溫度下屈服點：鋼板負(fù)偏差：腐蝕裕量：焊接接頭系數(shù)：3.4.2厚度計算計算厚度:（330）設(shè)計厚度：（331）名義厚度: （33

43、2）按GB151管殼式換熱器表8中規(guī)定，取有效厚度：(333)壓力試驗時應(yīng)力校核壓力試驗類型：液壓試驗試驗壓力值:(334)壓力試驗允許通過的應(yīng)力：(335)試驗壓力下圓筒的應(yīng)力： （336）校核條件：校核結(jié)果：合格3.4.4應(yīng)力及應(yīng)力計算設(shè)計溫度下圓筒的最大允許工作壓力：（337）設(shè)計溫度下圓筒的計算應(yīng)力：（338）又（339）校核條件：st校核結(jié)果：合格3.5外頭蓋封頭的計算3.5.1計算條件計算壓力：設(shè)計溫度：材料名稱：(熱軋)(板材)內(nèi)徑：設(shè)計溫度許用應(yīng)力：試驗溫度許用應(yīng)力：試驗溫度下屈服點：鋼板負(fù)偏差：腐蝕裕量：焊接接頭系數(shù)：封頭形狀：標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭，3.5.2厚度計算形狀系數(shù):（3

44、40）計算厚度: （341）設(shè)計厚度：（342）名義厚度: （343）有效厚度：（344）3.5.3壓力試驗時應(yīng)力校核壓力試驗類型：液壓試驗試驗壓力值:（345）壓力試驗允許通過的應(yīng)力：（346）試驗壓力下圓筒的應(yīng)力:（347）校核條件：校核結(jié)果：合格3.5.4壓力計算設(shè)計溫度下圓筒的最大允許工作壓力：（348）結(jié)論：合格3.6管板設(shè)計符號說明：Ad 未能被換熱管支撐的面積，mm2；A1 管板布管區(qū)內(nèi)開孔后的面積，2 ； At 管板布管區(qū)面積，2 ； a 一根換熱管管壁金屬的橫截面積，2 ；C 系數(shù)，按和查圖23；DG固定端管板墊片壓緊力作用中心圓直徑，；Dt 布管區(qū)當(dāng)量直徑， ；d 換熱管外

45、徑， ；Ep 設(shè)計溫度時，管板材料的彈性模量，MPa；Et設(shè)計溫度時，換熱管材料的彈性模量，MPa；Gwe系數(shù)，按和查圖24；Kt管束模數(shù)，MPa；管束無量綱度；L 換熱管有效長度（兩管板內(nèi)側(cè)間距），；換熱管與管板脹接長度或焊腳高度，；n 換熱管跟數(shù)；無量綱壓力，；Pc 當(dāng)量壓力組合，MPa ；Pd管板設(shè)計壓力，MPa ；Ps殼程設(shè)計壓力，MPa ；Pt管程設(shè)計壓力，MPa ；q 換熱管與管板連接拉脫力，MPa ；q許用拉脫力，MPa ；S 換熱管中心距， ；系數(shù)，= ；d管板計算厚度， ；dt換熱管管壁厚度， ；管板剛度削弱系數(shù)，一般可取值 ；管板強度削弱系數(shù)，一般可取=0.4 ；系數(shù)，；換

46、熱管軸向應(yīng)力，MPa ；換熱管穩(wěn)定許用壓力，MPa ；設(shè)計溫度時，管板材料的許用應(yīng)力，MPa ；設(shè)計溫度時，換熱管材料的許用應(yīng)力，MPa 。3.6.2管板厚度計算換熱管材料：10換熱管外徑壁厚換熱管根數(shù)沿隔板槽一側(cè)的排管根數(shù)n=20換熱管總長度換熱管中心距排列方式：轉(zhuǎn)角正方形隔板槽兩側(cè)相鄰管中心距（349）（350）（351）墊片外徑1177 墊片內(nèi)徑1137（查JB4719-92）管板外圓直徑取1175（按JB4703-92，A1000-2.5中D4選取）（352）密封基本寬度:（353）墊片密封有效寬度：(354)(355)(356)(357)(358)(359)設(shè)管板名義厚度設(shè)計溫度時，

47、換熱管材料的彈性模量(360)(361)(362)設(shè)計溫度時，管板材料的彈性模量(363)設(shè)計溫度時，換熱管材料的屈服應(yīng)力(364)換熱管的回轉(zhuǎn)半徑：(365)換熱管受壓失穩(wěn)當(dāng)量長度(366)(367)取中較大值所以，(368)(369)(370)查GB151管殼式換熱器圖23得到查GB151管殼式換熱器圖24得到管板計算厚度(371)管板規(guī)定的最小厚度:(372)殼程腐蝕裕量3或結(jié)構(gòu)開槽深度0，所以取管程腐蝕裕量3或分程隔板槽深度5，所以取(373)所以假設(shè)符合要求，取管板名義厚度3.6.3換熱管的軸向應(yīng)力校核一般按下列三種情況校核(a)只有管程設(shè)計壓力，殼程設(shè)計壓力為零此時，(374)(3

48、75)當(dāng)時， ，符合要求(b)只有殼程設(shè)計壓力，管程設(shè)計壓力為零此時，(376)(377)當(dāng)時， ，符合要求(c)管、殼程同時作用的工況此時，(378)(379)(380)(381)當(dāng)0時， ，符合要求3.6.4換熱管與管板連接的拉脫力校核設(shè)計溫度時，換熱管材料的許用應(yīng)力(382)取中換熱管軸向應(yīng)力三種工況的絕對值最大值故取換熱管與管板連接的焊縫尺寸，一般取與換熱管軸向應(yīng)力平行處換熱管與焊縫交匯點的長度，(383)校核條件：校核結(jié)果：合格所以，在上述散種情況下，換熱管與連接的拉脫力均滿足要求。3.7浮頭蓋的設(shè)計計算3.7.1球冠形封頭厚度計算(a)按內(nèi)壓設(shè)計設(shè)計溫度球冠形封頭半徑（根據(jù)GB15

49、1管殼式換熱器表46選取）球冠形封頭取雙面腐蝕裕量鋼板負(fù)偏差封頭材料：16MnR設(shè)計溫度下的許用應(yīng)力焊接接頭系數(shù)計算厚度:(384)設(shè)計厚度：(385)名義厚度: (386)有效厚度：(387)球冠形封頭壓力試驗時應(yīng)力校核壓力試驗類型：液壓試驗試驗壓力值:(388)試驗壓力下圓筒的應(yīng)力:(389)(390)校核條件：校核結(jié)果：合格(b)按外壓設(shè)計假設(shè)厚度，取內(nèi)壓計算值(391)(392)查GB150-1998鋼制壓力容器6-5得，此時，許用外壓力:(393)，滿足要求。3.7.2浮頭法蘭厚度計算(a)按內(nèi)壓設(shè)計計算壓力：設(shè)計溫度：法蘭外直徑:(394)法蘭內(nèi)直徑:(395)按GB151管殼式換

50、熱器取螺栓中心圓直徑螺柱: M27 n=52 材料：40Cr 直徑法蘭材料：16Mn（鍛件）墊片選用鐵皮包石棉墊片，按JB/T4718-92選用型號F33-1000-2.5-2 墊片外徑，墊片內(nèi)徑，墊片厚度(396)(397)所以，(398)(399)查GB150鋼制壓力容器表9-2得：墊片系數(shù)，比壓力(3100)(3101)(3102)(3103)設(shè)計溫度下螺柱材料的許用應(yīng)力試驗溫度下螺柱材料的許用應(yīng)力(3104)(3105)或，取兩者中較大值，則(3106)(3107)封頭邊緣處球殼中面切線與法蘭環(huán)的夾角(3108)操作情況下法蘭的受力：(3109)(3110)(3111)(3112)力臂

51、：(3113)(3114)(3115)設(shè)法蘭厚度(3116)力矩：(3117)(3118)(3119)(3120)操作情況下法蘭總力矩：(3121)預(yù)緊螺栓時法蘭的受力：(3122)力臂：(3123)力矩：(3124)設(shè)計溫度下法蘭材料許用應(yīng)力試驗溫度下法蘭材料許用應(yīng)力(3125)操作狀態(tài)：(3126)預(yù)緊狀態(tài)：(3127)操作狀態(tài)：(3128)預(yù)緊狀態(tài)：(3129)法蘭厚度取與之中較大者，所以取。(b)按外壓設(shè)計計算壓力：設(shè)計溫度：法蘭外直徑:(3130)法蘭內(nèi)直徑:(3131)按GB151管殼式換熱器取螺栓中心圓直徑螺柱: M27 n=52 材料：40Cr直徑法蘭材料：16Mn（鍛件）墊片選用鐵皮包石棉墊片，按JB/T4718-92選用型號F33-1000-2.5-2 墊片外徑，墊片內(nèi)徑，墊片厚度(3132)(3133)所以，(3134)(3135)查GB150鋼制壓力容器表9-2得：墊片系數(shù)，比壓力(3136)(3137)(3138)(3139)設(shè)計溫度下螺柱材料的許用應(yīng)力試驗溫度下螺柱材料的許用應(yīng)力(3140)(3141)或，取兩者中較大值，則(3142)(31