浮头式换热器机械设计及三维造型毕业设计论文.doc

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1、目录第一章 绪论11.1何为换热器11.2换热器的应用11.3换热器分类11.3.1 按材料分类21.3.2 按传热种类分类21.3.3按结构分类21.3.4按强化传热元件分类21.3.5按传热原理分类21.4换热器的结构和使用特点21.4.1浮头式换热器31.4.2固定管板式换热器41.4.3U形管换热器51.4.4填料函式换热器61.4.5釜式重沸器71.5设计的思想71.5.1首先设计必须满足生产需要71.5.2设计必须安全可靠81.5.3设计必须经济合理81.6设计的特点8第二章 主要设计参数的确定82.1设计压力92.2设计温度92.3焊接接头系数92.4腐蚀余量10第三章 主要构件

2、材质的选择113.1 材料选用的一般原则113.1.1 材料的使用性能原则113.1.2 材料的加工工艺性能原则113.1.3 材料的经济性原则113.2壳体、管箱、封头123.3法兰123.4换热管123.5管板133.6接管133.7支持板133.8拉杆、定距管133.9鞍座13第四章 换热器各部分零件结构型式的选择144.1换热器结构型式的选择144.2前端管箱、壳体和后端管箱结构型式的确定154.2.1前端管箱154.2.2壳体154.2.3后端管箱164.3管束分程和分程隔板的布置164.3.1管束分程164.3.2分程隔板的布置164.4换热管164.4.1换热管的长度164.4.

3、2规格及尺寸偏差174.5布管174.5.1换热管中心距174.5.2最大排管圆的确定184.5.3在管板上排管并确定换热管数量184.6管子与管板的连接184.7管板与壳体的连接194.8折流板、支持板的选择204.9拉杆、定距管、防冲板、挡板的选择214.9.1拉杆的选择214.9.2定距管的选择214.9.3防冲板的选择214.9.4挡板的选择224.10法兰的选择224.10.1接管法兰的选择224.10.2管箱法兰的选择234.10.3外头盖法兰的选择234.10.4外头盖侧法兰的选择244.10.5浮头法兰的选择244.11排液口和排气口的选择244.12支座的选择25第五章 设计

4、计算275.1换热面积的校核275.2强度计算275.2.1管箱设计275.2.2壳体设计285.2.3外头盖设计285.2.4浮头盖设计295.2.5管板计算295.2.6钩圈设计325.2.7法兰强度校核（管箱法兰）335.2.8接管开孔补强选择与校核365.2.9支座强度校核39第六章 制造、检验和验收436.1总则436.2浮头式换热器的制造436.2.1封头和管箱436.2.2折流板436.2.3管束的组装446.2.4换热器的组装446.3浮头式换热器的检验与验收44第七章 三维造型设计及装配仿真467.1换热器主要构件的三维造型467.1.1管箱的三维造型467.1.2筒体的三维

5、造型487.1.3外头盖的三维造型517.1.4浮头盖的三维造型537.1.5管板的三维造型547.1.6钩圈的三维造型567.1.7管束和拉杆的三维造型567.1.8支持板的三维造型567.1.9防冲板、滑板的三维造型577.2换热器的装配仿真57结 论61参考文献62 第一章 绪论1.1何为换热器换热器是实现化工生产过程中热量交换和传递不可缺少的设备。在热量交换中常有一些腐蚀性、氧化性很强的物料，因此，要求制造换热器的材料具有抗强腐蚀性能。换热器的分类比较广泛：反应釜压力容器冷凝器反应锅螺旋板式换热器波纹管换热器列管换热器板式换热器螺旋板换热器管壳式换热器容积式换热器浮头式换热器管式换热器

6、热管换热器汽水换热器换热机组石墨换热器空气换热器钛换热器换热设备，要求制造换热器的材料具有抗强腐蚀性能。它可以用石墨、陶瓷、玻璃等非金属材料以及不锈钢、钛、钽、锆等金属材料制成。但是用石墨、陶瓷、玻璃等材料制成的有易碎、体积大、导热差等缺点，用钛、钽、锆等稀有金属制成的换热器价格过于昂贵，不锈钢则难耐许多腐蚀性介质，并产生晶间腐蚀。1.2换热器的应用换热器在工、农业的各领域应用十分广泛，在日常生活中传热设备也随处可见，是不可缺少的工艺设备之一。因此换热设备的研究备受世界各国政府及研究机构的高度重视，在全世界第一次能源危机爆发以来,各国都在下大力量寻找新的能源及在节约能源上研究新途径。据统计，在

7、现代石油化工生产中，换热器的投资约占总投资的3O40，正因如此设计投资省，能耗低，传热系数高，维修方便的换热器是大势所趋，在研究投人大、人力资源配备足的情况下,一批具有代表性的高效换热器和强化传热元件诞生，如板翅式换热器、大型板壳式换热器和强化沸腾的表面多孔管、T形翅片管、强化冷凝的螺纹管、锯齿管等都得到了国际传热界专家的首肯，社会效益非常显著，大大缓解了能源的紧张状况。其中管壳式换热器是目前应用最为广泛的一种换热设备，已作为一种标准换热设备。这种换热器的特点是易于制造，生产成本较低，选用的材料范围广，换热表面的清洗比较方便，适应性强，处理能力大，高温和高压下亦能应用。与各种换热器相比，主要优

8、点是单位体积所具有的传热面积较大以及传热效果较好；此外，结构简单，操作弹性也较大等，因此在高温、高压和大型装置上多采用管壳式换热器。1.3换热器分类换热器作为传热设备随处可见，在工业中应用非常普遍，特别是耗能用量十分大的领域，随着节能技术的飞速发展，换热器的种类开发越来越多。适用于不同介质、不同工况、不同温度、不同压力的换热器，结构和型式亦不同，以下列举其中的几种分类1.3.1 按材料分类主要为金属和非金属两大类。金属又可分为低合金钢、高合金钢、低温钢、稀有金属等。1.3.2 按传热种类分类(1)无相变传热 一般分为加热器和冷却器。(2)有相变传热 一般分为冷凝器和重沸器。重沸器又分为釜式重沸

9、器、虹吸式重沸器、再沸器、蒸发器、蒸汽发生器、废热锅炉。1.3.3按结构分类分为浮头式换热器、固定管板式换热器、填料函换热器、U形管式换热器、蛇管式换热器、双壳程换热器、单套管换热器、多套管换热器、外导流筒换热器、折流杆式换热器、热管式换热器、插管式换热器、滑动管板式换热器。1.3.4按强化传热元件分类分为螺纹管换热器、波纹管换热器、异型管换热器、表面多孔管换热器、螺旋扁管换热器、螺旋槽管换热器、环槽管换热器、纵槽管换热器、翅管换热螺旋绕管式换热器、T形翅片管换热器、新结构器、内插物换热器、锯齿管换热器。1.3.5按传热原理分类1）直接接触式换热器 这类换热器的主要工作原理是两种介质经接触而相

10、互传递热量，实现传热，接触面积直接影响到传热量。这类换热器的介质通常是一种是气体，另一种为液体，主要是以塔设备为主体的传热设备，但通常又涉及传质，故很难区分与塔器的关系，通常归为塔式设备，电厂用凉水塔为最典型的直接接触式换热器。2）蓄能式换热器（简称蓄能器）这类换热器用量极少，原理是通过一种固体物质，热介质先通过加热固体物质达到一定温度后，冷介质再通过固体物质被加热，使之达到传递热量的目的。 3）板、管式换热器 这类换热器用量非常大，占总量的99%以上，原理是热介质通过金属或非金属将热量传递给冷介质的传热设备，这类换热器是我们通常称为管壳式、板式、板翅式或板壳式换热器。换热器的种类繁多，每种换

11、热器各自适用于某一种工况。为此，应根据介质、温度、压力的不同选择不同种类的换热器，扬长避短，使之带来更大的经济效益。1.4换热器的结构和使用特点换热器作为节能设备之一，在国民经济中起到非常重要的作用。换热器的结构决定了换热器的性能，一种性能能否发挥作用取决于设计者如何选择合理结构，任何一个场合都有适应于这个场合特点的换热结构。在换热设备中应用最为广泛的是管壳式换热器。它具有选材范围广，换热表面清洗比较方便，适用性较强，处理能力大，能承受高温和高压等特点。管壳式换热器的结构设计，必须考虑诸多因素，如：材料、压力、温度、壁温差、结垢情况、流体性质以及检修与清理等。管壳式换热器虽然在换热效率、设备的

12、体积和金属材料的消耗量等方面不如其它新型的换热设备，但它具有结构坚固、操作弹性大、可靠程度高、使用范围广等优点，所以在各工程中仍得到普遍使用。管壳式换热器在炼油、石油化工、医药、化工以及其它工业中使用广泛，它适用于冷却、冷凝、加热、蒸发和废热回收等各个方面。管壳式换热器的结构设计，必须考虑很多因素，如材料、压力、温度、壁温差、结垢情况、流体性质以及检修与清理等，通过各种因素的综合考虑及比较来选择某一种适合的结构形式。对同一种形式的换热器，由于各种条件不同，往往采用的结构亦不相同。在工程设计中，按工艺特定的条件进行设计，以满足工艺上的需要。管壳式换热器把换热管与管板连接，再用壳体固定。它的形式大

13、致分为固定管板式换热器、浮头式换热器、U形管壳式换热器、外填料函式换热器、填料函滑动管板式换热器、釜式重沸器等几种。根据介质的种类、压力、温度、污垢和其它条件，管板与壳体的连接方式，换热管的形式与传热条件，造价，维修检查方便等情况，根据各种结构形式的特点来选择设计制造各种管壳式换热器。为了要使传热效率提高、能耗下降，就必须了解管壳式换热器的结构特点。下面着重介绍典型的管壳式换热器的结构及使用特点。1.4.1浮头式换热器浮头式换热器（见图1.1）是由管箱、壳体、管束、浮头盖、外头盖等零部件组成。它的最大的特点是管板一端的管束可以自由浮动，在使用过程中由温差膨胀而不受壳体约束，不会产生温差应力，即

14、其不受温差应力的困扰，但其结构复杂，内浮头密封困难，锻件多，造价高。维修时可只更换管束，适用于管、壳程温差大但工作压力不超过10MPa的工况。它在相同的壳体直径下，布管数越多，换热面积越大。其优点是： 管束可以抽出，以方便清洗管、壳程； 介质间温差不受限制； 可在高温、高压下工作，一般温度 450，压力 6.4 MPa； 可用于结垢比较严重的场合； 可用于管程易腐蚀场合。缺点： 小浮头易发生内漏； 金属材料耗量大，成本高20%； 结构复杂。 防冲板 挡板 浮头管板 钩圈支耳图1.1 浮头式换热器1.4.2固定管板式换热器固定管板式换热器（见图1.2）是由管箱、壳体、管板、管子等零部件组成。其结

15、构较紧凑，排管较多，在相同直径情况下面积较大，制造较简单，但最后一道壳体与管板的焊缝无法用无损检测。其两端管板，采用焊接方式与壳体连接固定，管程可分成多程，壳程也可分成双程，规格范围广，故在工程中广泛应用。它适用于管、壳程温差不大或管、壳程温差大，但压力不高，壳程介质干净或虽结垢但通过化学清洗能清除的场合。在热膨胀之差较大时，可在壳体上设置膨胀节，以减少因管、壳程温差而产生的热应力。其优点是： 传热面积比浮头式换热器大20%-30%； 旁路漏流较小； 锻件使用较少，成本低20以上； 没有内漏。缺点： 壳体和管子壁温差一般易小于等于50，大于50时应在壳体上设置膨胀节； 管板与管头之间易产生温差

16、应力而损坏； 壳程无法机械清洗； 管子腐蚀后造成连同壳体报废，壳体部件寿命决定于管子寿命，故设备寿命相对较低； 不适用于壳程易结垢场合。防冲板 拉杆 弓形折流板 分流割板 旁路挡板 带法兰管板换热管 壳体图1.2 固定管板式换热器1.4.3U形管换热器U形管换热器（见图1.3）是由管箱、壳体、管束等零部件组成。它是将换热管弯成U形，并将换热管两端固定在同一块管板上，因此密封面较少。由于壳体与换热管分开，管束可自由伸缩，可以不考虑热膨胀。因U形管式换热器仅有一块管板，且无浮头，所以结构简单，造价比其它换热器低。管束可以从壳体内抽出，换热管外壁便于清洗。但换热管内清洗困难，所以换热管内的介质必须是

17、清洁且不易结垢的物料。由于换热管的结构形式关系，换热管的更换除外侧一层外，内部换热管大部分不可能更换。管束中心部分存在空隙，所以流体易短路，影响传热效率。而且管板上排列的换热管较少，结构不紧凑。U形管的弯管部分曲率不同，换热管长度不一致，因而物料分布不如固定管板式换热器均匀。换热管因渗漏而堵死后，将造成传热面积的损失。U形管式换热器一般用于高温高压的情况下。壳程里需要清洗的管束，则要求采用正方形排列，管程为偶数程。壳程内一般可按工艺要求设置折流板和纵向隔板等。折流板用于提高换热器的传热效率。纵向隔板是安装在平行于换热管方向的矩形平板上，以增加壳侧介质流速。其优点是： 管束可抽出来机械清洗； 壳

18、体与管壁不受温差限制； 可在高温、高压下工作，一般适用于温度，压力（10MPa）； 可用于壳程结垢比较严重的场合； 可用于管程易腐蚀场合。缺点： 在管子的U形处易冲蚀，应控制管内流速； 管程不适用结垢较重的场合； 单管程换热器不适用； 不适用于内导流筒，故死区较大。中间挡板 U型换热管内导流筒图1.3 U形管换热器1.4.4填料函式换热器填料函式换热器（见图1.4）的管束可自由伸缩，壳程和管程都可以拆开清洗，结构简单，适用管、壳程温差大的工况。耐压、耐温及密封能力差，工作压力不超过40MPa，不宜处理易挥发、易燃、易爆、有毒及贵重介质。图1.4 填料函式换热器1.4.5釜式重沸器釜式重沸器（见

19、图1.5）的壳体上部作为蒸汽空间，相当于 1块理论塔盘，热源由浮头或形管束提供，适用场合为管壳程温差大，压力不受限制，塔底空间较小，汽化率 30%80%，重沸器工艺介质的液相作为产品或用于分离，但要求高，安装空间受限制。用作蒸汽发生器时，对蒸汽品质要求不高。图1.5 釜式重沸器（形）1.5设计的思想设计是为生产服务，要设计出一台能够满足生产需要的换热器，必须做到设计要满足生产需要，满足换热器安全可靠运行，满足经济合理等基本要求。1.5.1首先设计必须满足生产需要所设计的产品能够进行稳定可靠得操作，从而满足正常的生产需要，此外，还能够适应生产负荷以及操作参数在一定范围内的波动，所以产品的可操作性

20、和可控制性是设计中应该考虑的重要问题。另外，设备与部件应便于运输与装拆，确保检修和更换零件的便利。1.5.2设计必须安全可靠一般来讲,换热器的失事,不仅仅使容器和设备本身遭到破坏,而往往会破坏周围的其他设备及建筑,甚至造成人身伤亡事故,而由于内部介质向外扩散带来的化学爆炸、着火燃烧或恶性中毒等连锁反应更会造成不可估量的灾难性破坏。因此，根据压力容器可能的失效形式，设计上应满足强度、刚度、稳定性、密封性和耐蚀性等基本要求。1.5.3设计必须经济合理在竞争激烈的当代社会中，“经济合理”的消费理念已成为了生产者的共识，一般情况下，生产者都追求所设计的设备总是以较少的投资获取最大的经济利润，要求其经济

21、技术指标具有竞争性，因此，在各种方案的分析对比过程中，其经济技术指标评价往往是最重要的决策因素之一。要想设计一台既满足要求又经济合理的换热器，不仅仅是必须严格按照有关标准和制造条件进行简单的常规设计，同时还必须要综合考虑生产条件、安全要求和技术经济上的合理等因素，这样才能选择一个最佳设计。1.6设计的特点结构坚固、可靠性高、适应性广、易于制造、处理能力大、生产成本较低、选用的材料范围广、换热表面的清洗比较方便；设备的体积和金属材料的消耗量少；机械加工和制造安装合理方便；检修容易；设备的使用寿命长；有足够的机械强度；操作费用低。第二章 主要设计参数的确定2.1设计压力设计压力是容器顶部的最高压力

22、，与相应的设计温度一起作为设计载荷条件，其值不低于正常工作情况下容器顶部可能达到的最高压力。除此之外，还需要考虑液柱静压、重量、风载荷、地震、温差及附件重量等载荷。根据设计任务书可知，该设计是浮头式换热器，用于软化水和汽油之间的换热，其中管程和壳程的设计压力分别为0.25MPa和0.5 MPa。2.2设计温度设计温度指容器在正常工作情况下，设定元件可能达到的最高或最低温度，它是指容器在正常情况下，设定元件的金属温度（沿元件金属截面的温度平均值）。当元件金属温度不低于0时，设计温度不得低于元件金属可能达到的最高温度；当元件金属温度低于0时，其值不得高于元件金属可能达到的最低温度。根据设计任务书，

23、管程的设计温度为50，壳程的设计温度为150。2.3焊接接头系数通过焊接制成的容器，其焊缝中由于可能存在夹渣、未熔透、裂纹、气孔等焊接缺陷，且在焊缝的热影响区很容易形成粗大晶粒而使用材强度或塑性有所降低，因此焊缝往往成为容器强度比较薄弱的环节。为弥补焊缝对容器整体强度的削弱，在强度计算中需引入焊接接头系数焊接接头系数应根据受压元件的焊接接头形式及无损检测长度比例来确定，其取值可按如下表2-1选规定选取：表2-1 钢制压力容器的焊接接头系数值焊接接头形式无损检测比例值焊接接头形式无损检测比例值双面焊对接接头和相当于双面焊的全熔透对接接头100%1.00单面焊对接接头100%0.90局部0.85局

24、部0.80本设计换热器的焊接接头形式为相当于双面焊的全熔透对接接头，局部无损检测，故值为0.85。2.4厚度附加量C容器厚度附加量主要考虑介质的腐蚀裕量C2和钢板的厚度负偏差C1。即：C=C1+C2。（1）腐蚀裕度腐蚀裕度主要是防止容器受压元件由于均匀腐蚀、机械磨损而导致厚度削弱减薄。对于碳素钢和低合金钢，C2不小于1mm，由设计任务取腐蚀裕量C2=3mm。（2）钢板厚度负偏差由于GB6654压力容器用钢板和GB3531低温压力容器用低合金钢钢板规定压力容器专用钢板的厚度负偏差不大于0.25mm，因此使用该标准中钢板厚度超过5mm时（如20R、16MnR和16MnDR等），可取C1=0。由于本

25、设计材料为16MnR且厚度大于5mm。故钢板厚度负偏差取C1=0。综上厚度附加量C= C1+ C2=0+3=3mm。第三章 主要构件材质的选择压力容器材料费用占总成本的比例很大，一般超过30%材料性能对压力容器运行的安全性有显著的影响。选材不当，不仅会增加总成本，而且有可能造成压力容器破坏的事故。因此，合理选材是压力容器设计的关键之一。在进行换热器设计时，对换热器各种零、部件的材料，应根据设备的操作压力、操作温度、流体的腐蚀性能以及对材料的制造工艺性能等的要求来选取。当然，最后还要考虑材料的经济合理性。一般为了满足设备的操作温度，即从设备的强度或刚度的角度来考虑，是比较容易达到的，但对于材料的

26、耐腐蚀性能，有时往往成为一个复杂的问题。如在这方面考虑不周，选材不妥，不仅会影响换热器的使用寿命，而且也大大提高设备的成本。至于材料的制造工艺性能，是与换热器的具体结构有着密切关系。换热器的主要构件有壳体、管箱、封头、法兰、换热管、管板、接管、支持板、拉杆、定距管、鞍座等。3.1 材料选用的一般原则3.1.1 材料的使用性能原则材料的使用性能是指材料在化工设备及其构件（零件）工作过程中所应具备的性能，包括材料的力学性能、化学性能和物理性能是不同的，有的要求高强度，有的要求耐腐蚀，有的要求耐高温或耐低温，有的要求高硬度耐磨损，有的要求高弹性等。即使同一构件，不同的零件要求的性能也不同，有时同一个

27、部件的不同部位所要求的性能也不同。因此在选材时，首先必须准确地判断构件所要求的使用性能，然后再确定所选材料的主要性能指标以及具体数值并进行选材。有如下具体方法： （1）分析构件的工作条件，确定构件应具有的使用性能。 （2）通过失效分析，确定构件的主要使用性能。 （3）从构件使用性能要求提出对材料使用性能的要求。3.1.2 材料的加工工艺性能原则材料的加工工艺性能是指保证构件质量的前提下，对材料加工的难易程度。选材时也必须考虑材料的加工工艺性能的好坏，好的加工工艺性能不仅要求工艺简单，容易加工，能源消耗少，材料利用率高、加工质量好、（变形小、尺寸精度高、表面光洁、组织均匀致密等），而且包括加工后

28、的构件在使用时有好的使用性能。3.1.3 材料的经济性原则在满足构件使用性能、加工工艺性能要求的前提下，经济性也是必须考虑的主要因素。选材的经济性不只是选用材料的价格，还要考虑构件生产的总成本，把材料费用同构件加工制造、安装、操作、检验、维修、更换以及装备寿命结合起来综合考虑，进行总费用的成本核算，提高性能价比。另外，选材时还应同时考虑材料来源容易和符合国家的资源政策，这也是很重要的。3.2壳体、管箱、封头壳体、管箱、封头的材料和一般容器相同，材料要有一定的可塑性和可焊性。常见的材料有碳钢、低合金钢。碳钢有一定的强度、良好的塑性、韧性和加工工艺性，特别是焊接性能良好，但强度较低，不如低合金钢。

29、低合金钢是在优质碳素钢的基础上加入少量的一种或多种合金元素，以提高钢的屈服强度和改善综合性能。用低合金高强度钢代替普通碳素钢，能减轻设备自重，节省钢材，且用低合金钢比用不锈钢经济。其中低合金钢中的16MnR，具有良好的综合力学性能和工艺性能，磷、硫含量略低于16Mn钢，除抗拉强度和延伸率要求比普通16Mn钢有所提高外，还保证有强的冲击韧性，再加上切削加工冷冲压性能良好，加工温度较宽，使其成为我国目前用途最广，用量最大的压力容器专用钢板。故壳体、封头和管箱的材料选16MnR。3.3法兰法兰材料的选取通常与换热器壳体材料一致。通常所用的钢材有Q235、Q235F、16Mn、15MnV、20等。因法

30、兰是主要的受力元件之一，故需有较高的强度，故选择低合金钢16Mn锻件，它有如下特点：高的强度和屈强比，高韧度，良好的焊接性能和冷、热加工性能，一定的抗腐蚀能力。3.4换热管换热管属于压力管道，压力管道对材料性能有以下要求：足够的强度，良好的塑性和韧性。良好的冷热加工成形性能。与环境条件协调，有适应的耐热性、耐腐蚀性、耐磨性等。一般对于无腐蚀性或腐蚀性不大的流体可采用10号钢或20号钢无缝钢管；对于有腐蚀性的流体可采用不锈钢、钢、铝等无缝钢管。其中，10号钢的强度和硬度较低，有良好的塑性和韧性，易模压或挤压成形，而20号钢的强度较10号钢高，其塑性、韧性和焊接等工艺性能都很好，在化工设备和压力容

31、器中应用很广泛。由设计任务书可知，管层走软化水，属于无腐蚀性介质，可从10号和20号钢中选取，而设计压力是0.25MPa，考虑到20号钢的强度和硬度都比10号钢高，故换热管选取20号钢管。3.5管板管板锻件的常用材料是25号钢、16Mn等。由于管板和壳程物料接触，同样要考虑到物料本身介质的腐蚀性，作为低合金钢，16Mn锻件可耐一定的腐蚀，而且其具有良好的综合机械性能、焊接性能、工艺性能，故选用16Mn锻件。3.6接管20号钢的焊接性能好，强度高，选用20号钢就可满足要求。3.7支持板 支持板要求有足够的力学性能和良好的焊接性能，又因壳程介质腐蚀性不大，故选取Q235A满足要求。3.8拉杆、定距

32、管拉杆要求有足够的强度和良好的焊接性，选择Q235A可满足要求。定距管要求有足够的强度和良好的焊接性，选择20号钢满足要求。3.9鞍座鞍座是换热器受载元件之一，要求有足够的强度和良好的焊接性能。故选取低合金钢16MnR或碳素结构钢Q235B都能满足要求。第四章 换热器各部分零件结构型式的选择4.1换热器结构型式的选择换热器有多种多样的形式，每种结构形式都有其本身的结构特点和工作特性，有些结构形式，在某种情况下使用是好的，但是，在另外的情况下，却不太合适，或根本不能使用。在选型时只有仔细分析所有的要求和条件，并根据生产工艺的具体情况，才能确定最佳的换热器型式。在换热器选型时，考虑的因素是很多的，

33、如材料、压力、温度差、压力降、结垢的情况、流体的状态、应用方式、检修和清理等。由于本设计管层走汽油，壳程走软化水，温差很大，而且难免产生污垢，这就要求管程和壳程可以抽出来清洗，故选取浮头式换热器，而且其管束和壳体可以自由膨胀，适用于管、壳壁温差较大的场合。4.2前端管箱、壳体和后端管箱结构型式的确定4.2.1前端管箱管箱结构有A型和B型，结构形式如图4.1所示：（1）A型（平盖管箱）这种管箱如图4.1前端管箱形式中A，装有管箱平盖（或称盲板），清洗管程时只要拆开盲板即可，而不必拆卸整个管箱和与管箱相连的管路，缺点是盲板结构用材多，且尺寸较大时得用锻件，耗费大量机加工工时，提高制造成本，增加一道

34、密封的泄漏可能。一般多用于DN900mm的浮头式换热器中。（2）B型封头管箱型。见图4.1中B的形式，用于单程或多程管箱，优点是结构简单，便于制造，适于高压，清洁介质，可省掉一块造价高的盲板、法兰和几十对螺栓，且椭圆封头受力情况要比平端盖好得多，缺点是检查管子和清洗管程时必须拆下连接管道和管箱。但这种形式用的最多。本设计在考虑了操作的方便，且考虑B型管箱的优点后，选取B型封头管箱型为前端管箱。图4.1 管箱形式4.2.2壳体 一般换热器上使用单程壳体，因此可以选取单程壳体，代号为。4.2.3后端管箱 由于所设计是浮头式换热器，一般都会采用带钩圈的浮头结构，所以此处选用代号为S的钩圈式浮头管箱。

35、4.3管束分程和分程隔板的布置4.3.1管束分程在设计中，如采用多管程，则需要在管箱中安装分程隔板。分程时，应使各程管子数目大致相等，隔板形式要简单，密封长度要短。为使制造、维修和操作方便，一般采用偶数管程。但程数不宜太多，否则隔板本身将占去相当大的布管用的面积，而且在壳程中形成许多旁路，影响传热。随着程数的增加，换热器的传热效率下降且与错流传热接近。其中管束分程方法常采用平行和T形方式。4.3.2分程隔板的布置在换热器中，不论是管外还是管内的流体，要提高它们的传热系数，通常是采用设置隔板的方法来增加程数以提高流体流速实现其目的。在设计时要求管箱隔板的密封面与管箱法兰密封面，管板密封面与分程槽

36、面必须处于同一基面，如图4.2所示图4.2 管程隔板形式本设计管程隔板形式采用上图中最常用的结构形式（a）。4.4换热管4.4.1换热管的长度根据钢制管壳式换热器GB151-1999规定，换热管的长度推荐采用：1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、4.5、6.0、7.5、9.0、12.0m。本设计中选取换热管长度为4.5m。4.4.2规格及尺寸偏差本设计换热管采用20号碳钢，根据钢制管壳式换热器GB151-1999规定，可选取其规格为，外径偏差为 0.20mm，壁厚偏差为+12%、-10% mm。4.5布管传热管在管板上的排列有四种形式，如图4.3所示。图4.3 换热管的排列方式三角形排列最

37、为普遍，其在同一直径管板面积上可排最多的换热管数。其用于壳程介质较清洁，换热管外不需清洗。当需对换热管外清洗时，则需采用正方形排列，其最小清洗通道应不小于6毫米。正三角形排列和转角正方形排列时，流体在垂直流向折流板缺口时正对换热管，冲刷换热管外表面，提高换热效果。同时此二种排列方式较转角三角形排列和正方形排列的流体流道截面较小，有利于提高流速，有利提高换热效率。本设计是两管程换热器，基于多方面的考虑，故采用正三角形排列4.5.1换热管中心距管板上两传热管中心距离称为管心距。管心距的大小主要与传热管和管板的连接方式有关，具体选用可见下表常用的管心距。表4.1 常用管心距管外径/mm管心距/mm各

38、程相邻管的管心距/mm192538253244324052384860 由于本设计选取了管的外径为25mm，所以根据上表选取管心距为32mm。4.5.2最大排管圆的确定 浮头式换热器管板的最大布管圆直径按右式计算根据钢制管壳式换热器GB151-1999规定，选=5，=14.5，=4，则=800-2 x（5+14.5+4）=753mm 4.5.3在管板上排管并确定换热管数量 排管图如下所示图4.4 排管图根据排管图，实际选取换热管数为498根。4.6管子与管板的连接换热管与管板连接是管壳式换热器设计、制造最关键的技术之一，是换热器事故率最多的部位。所以换热管与管板连接质量的好坏，直接影响换热器的

39、使用寿命。换热管与管板的连接方法主要有强度胀接、强度焊、胀焊并用。而其连接结构如下图所示:图4.5 换热管与管板的连接结构强度胀接是为了保证换热管与管板连接的密封性能及抗拉脱强度的胀接。胀接结构制造简单，管子的更换和修补容易，所以应用较广。一般使用的管板为碳素钢，低合金钢，管子为碳钢，设计压力不超过4.0MPa。管子和管板的强度焊目前采用广泛，由于管孔不需开槽，而且管孔的粗糙度要求不高，管子端不需要退火和磨光，因此制造加工较方便。也不需要像胀接那样一定得使管子端部和管板有硬度差，在高压、高温条件下可考虑选用强度高的低合金管等。强度焊的结构强度高，抗拉脱力强，在高温高压下能保证连接处的紧密性和抗

40、拉脱能力。随着高温、高压换热器的出现，使接头在操作过程中，受到反复变形，热冲击，热腐蚀及介质压力作用，工作环境极其苛刻，发生破坏的可能性很大，尽管内孔焊较理想的解决了这些问题，但因焊接工具复杂，管板加工困难，因此工程上多数情况下还是采用胀焊结合的形式来解决上述问题。在本设计中考虑到焊接与胀接的各自的优缺点，所以采用胀焊并用中的强度焊贴胀的方法来作为换热管与管板的连接方式，此方法主要的优点是既保证换热管与管板连接的密封形，又保证了换热管与管孔之间缝隙的拉脱力。总的来说此方法保证了较高的密封性能、能承振动和疲劳载荷。4.7管板与壳体的连接管板与壳体的连接形式，分为两类：一是不可拆式的，如固定式管板

41、换热器，管板与壳体是用焊接连接；一是可拆式的，如U形管式、浮头式及填料函式和滑动管板式的换热器，一般采用管板本身不直接与壳体焊接，而通过壳体上法兰和管箱法兰夹持固定，如下图示： 图4.6 管板与壳体的连接形式考虑到本设计为浮头式换热器，管束要拆卸进行清洗，使用可拆式管板，如上图示，选用a形连接方式。此连接在制造上较其它5种形式要简单，装卸也比较方便，结构省材，质量轻。4.8折流板选择 在本设计中换热管长4.5m，采用直径为25mm的换热管，据表中查得其最大无支撑跨距为1.85m，故应设置支持板，来支撑换热管，以防止换热管发生较大的挠度。同时支持板的形状和尺寸与折流板一致，所以可根据折流板的种类

42、选取。 常用的折流板和支持板的形式有弓形和圆盘-圆环形两种，弓形折流板有单弓形、双弓形和三弓形三种。大部分换热器采用弓形折流板，其中单弓形折流板用的最多，而双弓形和三弓形多用于大直径和大流量场合，根据本设计的需要只需选用单弓形就满足要求，故选取单弓形的折流板。折流板的布置：先确定离固定管板的第一块支持板的距离，初步选定为450mm，其次均匀分布7块折流板，间隔为600mm。管孔直径取25.25mm。4.9拉杆、定距管、防冲板、挡板的选择4.9.1拉杆的选择因换热管外径为25mm，壳体公称直径为800mm，查钢制管壳式换热器GB151-1999中的表43和表44可知，拉杆直径为16mm，使用6根

43、拉杆。其各参数如下图和下表所示：图4.7 拉杆表4.2 拉杆尺寸拉杆直径d拉杆螺纹公称直径b101013401.5121215502.0161620602.0 根据拉杆直径16mm，可选mm4.9.2定距管的选择当换热管外径大于等于19mm时，定距管外经与换热管相同，所以其尺寸选择254.9.3防冲板的选择当管程介质从进口管以轴向流入时，或者换热管中的介质流速超过3m/s时，应设置防冲板，以使介质能均匀分布的流入管束以及防止其对换热管端的冲刷。防冲板的形式一般有工字形、矩形和圆形。一般防冲板的边长应大于接管外径50mm。防冲板最小厚度，碳钢为4.5mm，不锈钢为3mm。本设计选用的是工字形防冲

44、板，其规格为。4.9.4挡板的选择旁路挡板：公称直径在DN500mm范围内的，应设置一块旁路档板4.10法兰的选择4.10.1接管法兰的选择接管法兰类型的确定：HG管法兰标准共规定了8种不同类型的管法兰，法兰的名称代号及其结构见图4.8图4.8 法兰类型根据设计任务书给出的管、壳程的压力，选取带颈对焊法兰（WN100-1.6），如图4.9。图4.9 带颈对焊法兰由钢制管法兰、垫片、紧固件HG20592-97中表4-2带颈对焊钢制法兰可查得 D=343mm,K=298mm,L=30mm,n=8,C=29mm,H=102mm,N=219mm,12mm。4.10.2管箱法兰的选择就法兰的承载能力而言，法兰有3种类型，即甲型平焊