流量为220t每小时-水水浮头式换热器的设计.doc

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1、摘要 换热器是进行热交换操作的通用工艺设备，被广泛应用于各个工业部门。特别是在石油和化学工业生产中，常常需要把低温流体加热或者把高温流体冷却，把液体汽化成蒸汽或者把蒸汽冷凝成液体。 本次的设计是一种卧式浮头式换热器，其适用于管束与程壳之间壁差大或壳程的介质容易结垢的地方，并且在各种工业领域中有着相对宽的应用。浮头式换热器主要由管箱，管板，壳体，折流板，传热管，拉杆，钩圈，定距管，浮头盖等组成。浮头换热器的端部被固定的情况下，另一端是浮管板。这样做的好处是热应力小，容易检查，清洗。 浮头式换热器壳程具有单壳和双壳二种，一般为单壳式冷凝器。管程数有二管程，四管程等，本设计采用单壳程，双管程。为了适

2、应这些新的形势，所以有必要对换热器的设计有一定的了解。文章首先是对换热器的知识进行了概述，对换热器的自身改进进行了讨论；其次主要是对换热器进行总体设计，确定设计类型、结构形式及流程，然后进行换热器的计算，包括初选结构、传热计算和压降计算，工艺计算所得的传热面积是下一步结构设计的前提；再次主要是对换热器进行结构设计与强度计算，结构设计的任务是根据工艺计算所决定的初步结构数据，进一步设计全部结构尺寸，选定材料并进行强度校核，最后绘成图纸。关键词: 浮头； 换热器; 浮动管板； 传热计算； 强度校核AbstractHeat is the general process equipment for e

3、xchanging heat, and is used to many kinds of the industrial department. Especially, in petroleum and chemical industry production, we usually needs to heat the hypothermia fluid or cool the hyperthermia fluid, and the fluid vaporize into fume or the fume condensed into fluid. The design is a horizon

4、tal floating head heat exchanger adapted to drive the shell wall between the tubes and the difference is large or medium shell fouling place easily, and has a relatively broad application in various industrial fields. Floating head heat exchanger consists of tube box, tube sheet, shell, baffles, hea

5、t transfer tube, rod, hook and loop, fixed pitch pipe, floating head cover and other components. By the end of the floating head heat exchanger is fixed, the other end of the floating tube sheet. This has the advantage that the thermal stress is small, easy inspection, cleaning. The disadvantage is

6、that more complex structures.Floating head heat exchanger shell has a single hull and double hull two kinds, usually single-hull condenser. Number of tube has two drive four Cheng et al., The design uses a single shell, double tube.For adapting the new phase, we must understand the design of heat ex

7、changer. The oneself improvement that article is which make the heat exchanger of the knowledge to proceeds the summarize first, make the heat exchanger proceeded discussion; The next in order and primarily make the heat exchanger the total design, certain design of proceeding the type, construction

8、 the form and process, then proceeds craft calculation, and include the primary election construction, transmit heat the calculation with press to decline calculation, craft calculation transmit heating of income area is next move construction premise that design; Again and primarily is which make t

9、he heat exchanger to proceeding structural design and compute with the strength, and the structural design to compute the first step construction for decision the data, size of all constructions of further design according to the craft calculation, and make selection the material and proceed strengt

10、h collate, finally draw diagram paper.Keywords: heat exchanger; floating tube sheet; heat transfer calculation; intensity verification 目 录 前言 1 第一章 换热器传热工艺计算 3 1.1 原始数据 3 1.2 定性温度及确定其物性参数 3 1.2.1 管程 3 1.2.2 壳程 3 1.3 传热量与水蒸汽流量计算 4 1.4 有效平均温度 4 1.5管程换热系数计算 4 1.6管程结构初步设计 5 1.7壳程换热系数计算 6 1.8总传热系数计算 6 1.

11、9管壁温度计算 7 1.10管程压力降计算 7 第二章 强度计算 8 2.1 换热管材料及规格的选择和根数确定 8 2.2确定筒体内径 8 2.3确定筒体壁厚 9 2.3.1筒体液压试验 9 2.4管箱封头厚度计算 10 2.5浮头侧封头厚度计算 10 2.6设备法兰的选择 11 2.6.1容器法兰的选择 12 2.6.2接管法兰的选择 12 2.7管板的设计 13 2.8钩圈式浮头 17 2.8.1管程压力作用下浮头盖得计算 17 2.8.2壳程压力作用下浮头盖得计算 18 2.8.4管程压力作用下浮头法兰的计算 19 2.9浮动管板 22 2.10钩圈的选择 232.11折流板的选择 23

12、2.12拉杆和定距管的确定 232.13管箱短节壁厚的计算 24 第三章 校核计算 24 3.1 水压试验 24 3.2接管及开孔补强 25 3.3择及应力校核 26 3.3.1支座的选择 26 3.3.2鞍座的应力校核 27 结束语31 参考文献32 致谢33前言 换热设备是化工，炼油，动力，食品，轻工，原子能，制药，机械，及其他许多工业部门广泛使用的一种通用设备。在化工厂中，换热设备的投资约占总投资的10%-20%；在炼油厂中，约占总投资的35%-40%。在工业生产中，换热设备的主要作用是使热量又温度较高的流体传递给温度较低的流体，使流体温度达到工艺过程规定的指标，以满足工艺过程上的需要。

13、此外，换热设备也是回收余热，废热特别是低位热能的有效装置。新型浮头式换热器浮头端结构，它包括圆筒、外头盖侧法兰、浮头管板、钩圈、浮头盖、外头盖及丝孔、钢圈等组成，其特征是:在外头盖侧法兰内侧面设凹型或梯型密封面，并在靠近密封面外侧钻孔并套丝或焊设多个螺杆均布，浮头处取消钩圈及相关零部件，浮头管板密封槽为原凹型槽并另在同一端面开一个以该管板中心为圆心，半径稍大于管束外径的梯型凹槽，且管板分程凹槽只与梯型凹槽相连通，而不与凹型槽相连通。 新型浮头式换热器在凹型和梯型凹槽之间钻孔并套丝或焊设多个螺杆均布，设浮头法兰为凸型和梯型凸台双密封，分程隔板与梯型凸台相通并位于同一端面的宽面法兰，且凸型和梯型凸

14、台及分程隔板分别与浮头管板凹型和梯型凹槽及分程凹槽相对应匹配，该浮头法兰与无折边球面封头组配焊接为浮头盖，其法兰螺孔与浮头管板的丝孔或螺杆相组配，用螺栓或螺帽紧固压紧浮头管板凹型和梯型凹槽及分程凹槽及其垫片，该结构必要时可适当加大浮头管板的厚度和直径及圆筒的内径，同时相应变更加大相关零部件的尺寸;另配置一无外力辅助钢圈，其圈体内径大于浮头管板外径，钢圈一端设法兰与外头盖侧法兰内侧面凹型或梯型密封面连接并密封，另一端设法兰或其他结构与浮头管板原凹型槽及其垫片或外圆密封。随着经济的发展，各种不同型式和种类的换热器发展很快，新结构、新材料的换热器不断涌现。为了适应发展的需要，中国对某些种类的换热器已

15、经建立了标准，形成了系列。完善的换热器在设计或选型时应满足以下基本要求:(1) 合理地实现所规定的工艺条件;(2) 结构安全可靠;(3) 便于制造、安装、操作和维修;(4) 经济上合理。浮头式换热器的一端管板与壳体固定，而另一端的管板可在壳体内自由浮动，壳体和管束对膨胀是自由的，故当两张介质的温差较大时，管束和壳体之间不产生温差应力。浮头端设计成可拆结构，使管束能容易的插入或抽出壳体。(也可设计成不可拆的)。这样为检修、清洗提供了方便。但该换热器结构较复杂，而且浮动端小盖在操作时无法知道泄露情况。因此在安装时要特别注意其密封。 浮头换热器的浮头部分结构，按不同的要求可设计成各种形式，除必须考虑

16、管束能在设备内自由移动外，还必须考虑到浮头部分的检修、安装和清洗的方便。在设计时必须考虑浮头管板的外径Do。该外径应小于壳体内径Di，一般推荐浮头管板与壳体内壁的间隙b1=35mm。这样，当浮头出的钩圈拆除后，即可将管束从壳体内抽出。以便于进行检修、清洗。浮头盖在管束装入后才能进行装配，所以在设计中应考虑保证浮头盖在装配时的必要空间。钩圈对保证浮头端的密封、防止介质间的串漏起着重要作用。随着浮头式换热器的设计、制造技术的发展，以及长期以来使用经验的积累，钩圈的结构形式也得到了不段的改进和完善。 钩圈一般都为对开式结构，要求密封可靠，结构简单、紧凑、便于制造和拆装方便。浮头式换热器以其高度的可靠

17、性和广泛的适应性，在长期使用过程中积累了丰富的经验，不断促进了自身的发展。故迄今为止在各种换热器中仍占主导地位。第一章 换热器传热工艺计算1.1 原始数据 管程冷水的入口温度t1=20 管程冷水的出口温度t1=90 管程冷水的工作压力 P1 =2.1MPa 管程水的流量 G1=220000 Kg/h 壳程热水的进口温度t2=140 壳程热水的出口温度 t2= 85 壳程热水的工作压力 P2 =0.85 MPa1.2 定性温度及确定其物性参数1.2.1 管程 管程水定性温度 t1=（t1+ t1）/2=(20+60)/2=40 管程水密度查物性表得1=992.25 /m3 管程水比热查物性表得C

18、p1=4.178KJ/（KgK） 管程水导热系数查物性表得1=63.12W/（m） 管程水粘度1=6.56010-4 Pas 管程水普朗特数查物性表得 Pr1=4.311.2.2 壳程 壳程热水定性温度：t2= (t2+ t2)/2=72.5 壳管程热水密度查物性表得： 壳程热水比热查物性表得： 壳程热水导热系数查物性表得： 壳程热水黏度: 壳程热水普朗特数查物性表得： 1.3 传热量与水蒸汽流量计算 取定换热效率 =0.98 则设计传热量 : Q0= W1Cp1(t1- t1)1000/3600=2200004.178(140-85) 1000/3600=w 则冷却水流量: G2= Q0/

19、Cp2(ti - t2)=*3600/4.187*(90-20)*103=535787Kg/h1.4 有效平均温度 逆流平均温差：= 参数：P= 参数：R= 换热器按照单壳程双管程设计，则查书图a知：温度校正系数： 有效平均温差：1.5 管程换热系数计算 参考化工原理 初选换热系数： 则初选换热面积为：= 选用 的无缝钢作为换热管材料选为Q345。 则管子外径为0.019m 管子内径为0.015m 管子长度为6m 则所需换热管的总根数为：= 可取换热管根数为 790根 则管程流通面积为：= 管程流速为：= 管程雷诺数为：= 管程传热系数为：1.6 管程结构初步设计 查GB1511999知 管间

20、距按1.25d取, 管间距为：s=0.025m,分程隔板槽两侧相邻管中心距Sn=0.038m 管束中心排管数为：31根 则壳体内径为：= 故 内径=0.9m 则 长径比为： 选择单弓形折流板。 则折流板的弓高位： 折流板间距为： 折流板数量为：1.7 壳程换热系数计算 壳程流通面积为： 壳程流速为： 壳程质量流速为： 壳程当量直径为： 壳程雷诺数为： 壳程传热系数为：1.8 总传热系数计算 参考于化工原理 管程水选用自来水侧污垢热阻为：/w 壳程水蒸气侧污垢热阻为：/w 管壁热阻可忽略不计。 则总传热系数为： =则传热系数比为： 所以假定合理。1.9管壁温度计算 外壁热流密度计算为：= 外壁温

21、度为：= 误差校核：=90-82=8 所以误差不大，合理。1.10管程压力降计算 沿程压降:P1=112L di/(2di)=650Pa 管程数:nt=2 回弯压降: =P2= 112ntn/2=186 Pa 管程总压降: P=P1+P2=836Pa Pi=(P1+P2)FtNP=2508Pa第二章 强度计算2.1 换热管材料及规格的选择和根数确定项目符号单位数据来源及计算过程数值1换热管外径d0mmGB1511999192管长 LmmGB151199960003传热面积sm2F=F0+F02914换热管根数Nt个Nt=F/(d0L)7905换热管材料GB1511999表4-3Q3456排管方

22、式 GB1511999正三角形2.2 确定筒体内径序号项目符号单位数据来源及计算公式数值1换热管中心距SmmGB151-1999 表 12 252分程隔板槽两侧相邻管中心距SnmmGB151-1999 表 12 383分程隔板厚度mmGB151-1999 表 6104筒体直径Dimms（Nc-1）+4 d09oo5b,b1,b2mmGB151-1999 表 14，表15b1=5，b2=13，b=46布管限定圆直径DLmmDL=Di-2（b+b1+b2）8827管板直径DmmD=Di-2b18942.3 确定筒体壁厚序号项目符号单位数据来源及计算公式 数值1工作压力PMPa给定0.852材料GB

23、150-1998 第四章Q235-B3材料许用应力tMPaGB150-1998 表 4-1 1134焊接接头系数过程设备设计 表4-30.855壳程设计压力PcMPaPc=1.1P0.9356筒体计算厚度mm=PcDi/(2t-Pc)4.17筒体设计厚度dmmd=+C26.18筒体名义厚度nmmn=+C2+C1+7.19实取名义厚度nmmGB151-1999 表 8 1010厚度负偏差C1mm过程设备设计0.811腐蚀余量C2mm过程设备设计212筒体有效厚度emme=n-C1-C27.213设计厚度下圆筒的需用应力tMPat=Pc(Di+e)/2e66.6314校核 tt =96.05故合格

24、15设计温度下圆筒的最大许用应力PwMPaPw=2et /(Di+e)1.416材料的屈服应力sMPaGB150-1998 表 4-1 2352.3.1 筒体液压试验序号项目符号单位数据来源及计算公式数值1试验压力PTMPaPT=1.25Pc/ t1.242圆筒薄膜应力MPa= PT (Di+e)/（2e）83.43校核0.9 sMPa 合格2.4 管箱封头厚度计算序号项目符号单位数据来源及计算公式数值1工作压力PMPa给定2.12材料GB150-1998 第四章Q3453材料许用应力tMPaGB150-1998 表 4-11534焊接接头系数f过程设备设计表 4-30.855壳程设计压力Pc

25、MPaPc=1.1P2.316封头计算厚度mm=PcDi/(2t -0.5Pc)97封头设计厚度dmmd=+C2118封头名义厚度nmmn=+C1+C2+13.59实取名义厚度nmmGB151-1999 表 81410厚度负偏差C1mm过程设备设计0.511腐蚀余量C2mm过程设备设计212封头有效厚度emme=n-C1-C27.513设计厚度下封头的需用应力tmmt=Pc(Di+e)/(2e)15614校核tt 故合格15设计温度下封头的最大许用应力PwMPaPw=2t e/(KDi+0.5e)2.3716校核PcPw 故合格17所选封头尺寸:公称直径 900 mm ,曲面高度 200 mm

26、 ,直边高度 40 mm2.5 浮头侧封头厚度计算序号项目符号单位 数据来源及计算公式 数值1工作压力PMPa给定 0.852材料GB150-1998 第四章Q235-B3材料许用应力tMPaGB150-1998 表 4-1 1134焊接接头系数过程设备设计 表4-30.85 5壳程设计压力PcMPaPc=1.1P0.9356封头计算厚度mm=PcDi/(2t -0.5Pc)7.87封头设计厚度dmmd=+C29.88封头名义厚度nmmn=+C1+C2+10.59实取名义厚度nmmGB151-1999 表 81110厚度负偏差C1mm过程设备设计0.811腐蚀余量C2mm过程设备设计212封头

27、有效厚度emme=n-C1-C27.213设计厚度下封头的需用应力tmmt=Pc(Di+e)/(2e)10014校核tt =111.35 故合格15设计温度下封头的最大许用应力PwMPaPw=2t e/(KDi+0.5e)1.6516校核PcPw 故合格17所选封头尺寸:公称直径 1000 mm ,曲面高度 225 mm ,直边高度 25 mm2.6 设备法兰的选择2.6.1 容器法兰的选择（1） .管箱侧法兰的选择 按其条件DN=900设计温度100 设计压力2.31Mpa，由压力容器法兰选择长颈平焊法兰，相关参数如下：单位（mm)DD1D2D3D4Haatd1060101597696696

28、34820016211827螺柱规格螺柱数量M2424由压力容器法兰选择相关垫片：非金属软垫片1000-2.50JB/T4702-2000,其相关尺寸为：D=965mm,d=915mm, =3mm (2).浮头侧法兰的选择 其公称直径DN=1000mm,设计压力P=1.54Mpa,设计及温度t=100,由压力容器法兰选择长颈平焊法兰，相关参数如下：单位（mm）DD1D2D3D4Hta atd116011151076106610635622516211827螺柱规格螺柱数量M24 24由压力容器法兰选择相关垫片：非金属软垫片1100-1.0JB/T4702-2000,其相关尺寸为：D=1065,

29、d=1015, =32.6.2 接管法兰的选择 由钢制管法兰，垫片，紧固件 接管a、b选择相同型号，由于液体流速为2m/s即=2，故d=195mm, 取d=200mm,设计压力PN=2.5Mpa,选带颈平焊法兰。尺寸如下：Dn A1DKLnThCNbRH法兰理论重量（kg）2002193753203012M27342601085619.5接管d h选择相同型号，由于气体流速为2m/s即=2，得d=150mm,设计压力PN=2.5Mpa,选带颈法兰，尺寸如下：DnA1DKLnThCNbRH法兰理论重量（kg）150159300250268M242817068529.34其他接管选择相同型号，设计

30、压力PN=1.0Mpa, 选带颈平焊法兰.尺寸如下：DnA1DKLnThCNRH法兰理论重量（kg）20259065114M1014504243.662.7 管板的设计序号项目符号单位数据来源及计算公式数值1未被换热管支撑的面积114452管板布管区面积3849073管板布管区内开孔后的面积1893724一根换热管横截面积a106.765筒体法兰垫片外径Dgomm压力容器法兰9656筒体法兰垫片内径Dgimm压力容器法兰9157垫片接触宽度Nmm258垫片密封基本宽度mm12.59垫片有效密封宽度bmm910固定端管板垫片压紧力作用中心圆直径mm84711管板布管区当量直径mm700.212换

31、热管外径dmm1913设计温度时管板材料弹性模量MpaGB150-1998表F5-附录F2.0514设计温度时换热管材料弹性模量MpaGB150-1998表F5-附录F2.0415管束模数Mpa357716管束无量纲刚度0.4417换热管有效长度Lmm590018换热管与管板焊接长度或焊脚高度lmmGB151-1999管壳式换热器表32，L=l1+l33.519管板设计压力Mpa2.3120管板强度削弱系数0.421设计温度下管板材料的许用应力MpaGB150表4-115322无量纲压力PaMpa0.01923当量组合压力PcMpa-1.45524壳程设计压力PsMpa1.5425管程设计压力

32、PtMpa2.3126换热管与管板连接的许用拉脱力qMpaGB151-1999管壳式换热器表26 76.527系数0.38928换热管壁厚mm229管板刚度削弱系数一般可取值0.430系数0.8331设计温度下换热管材料的许用应力MpaGB150 表4-315332系数Cr112.1233换热管回转半径imm6.0534换热管受压失稳当量长度mmGB151-1999图3232035设计压力下换热管材料的屈服点MpaGB150-表4-323536比较37换热管稳定许用应力Mpa2.3138系数0.13839系数0.3540系数2.5441系数1.2342系数CGB151图-230.4743系数G

33、B151图-244.8544管板计算厚度mm51.845实取名义厚度mm6046换热管轴向应力Mpa-17.3647换热管稳定许用压应力Mpa87.848比较合格49换热管与管板拉脱力qMpa13.2950比较满足换热管轴向应力（1） 只有壳程设计压力Ps ,管程设计压力Pt=0 t=(1/)Pc-(Ps-Pt)Gwe= 0 Mpa其中Pc=Ps-Pt(1+)= 1.54 Mpa , |t |cr 故合格（2） 只有管程设计压力Pt，壳程设计压力Ps=0t=(1/)Pc-(Ps-Pt) Gwe= -26.71 Mpa其中Pc=Ps-Pt(1+)= -3.71 Mpa , |t |cr 故合格（

34、3）管程设计压力 Pt= 2.42 MPa , 壳程设计压力Ps= 1.54 MPat=(1/)Pc-(Ps-Pt) Gwe= -26.71 Mpa2.8 钩圈式浮头序号项目符号单位根据来源及计算公式数值1bmmGB151-1999表1442mmGB151-1999表1553mmGB151-1999表15134mm14.55浮头法兰和钩圈的内直径mm8646浮头法兰和钩圈的外直径mm9807螺栓中心圆直径mm9358布管限定圆直径mm8609外头盖内直径mm100010浮动管板外直径mm89011垫片压紧力作用中心圆直径mm同管板DG的算法87712球面封头内直径mmGB151-1999表46

35、8002.8.1 管程压力作用下浮头盖得计算13设计压力Mpa2.414材料GB150-1998钢制压力容器Q34515材料许用应力MpaGB150-1998钢制压力容器15316焊接接头系数过程装备设计1.017计算压力Mpa2.418封头计算厚度mm7.419设计厚度mm9.420名义厚度mm10.221实取名义厚度mmGB151-1999管壳式换热器1222有效厚度mm9.22.8.2 壳程压力作用下浮头盖得计算序号项目符号单位根据来源及技术公式数值23设计压力Mpa1.524材料GB150-1998钢制压力容器16MnR25材料许用应力MpaGB150-1998钢制压力容器15326焊

36、接接头系数过程装备设计1.027计算应力Mpa1.528封头计算厚度mm4.229设计厚度mm6.230名义厚度mm731实取名义厚度mmGB151-1999管壳式换热器832有效厚度mm5.233假定名义厚度mm1034mm61035105.236AA=0.001237系数BMpa查GB150图6-4915038Pcp= 1.43Mpa 接近比较壳程压力作用和管程压力作用下球冠形封头的厚度去大者即球冠形封头的名义厚度。39设计厚度下封头的计算压力Mpa38.340校核合格41设计温度下封头的最大许用工作压力Mpa442 PPw 合格43封头边缘处球壳中面切线与法兰的夹角。39.382.8.4

37、 管程压力作用下浮头法兰的计算44计算压力Mpa1.0*1.12.445设计温度t10046垫片的接触宽度mm(790-764)/21347垫片比压力yMpaGB150-1998表9-21.448垫片的基本密封宽度bmm9.148垫片系数mGB150-1998表9-21149法兰材料16MnR50常温下法兰的许用应力MpaGB150-1998表4-115351设计温度下的许用应力MpaGB150-1998表4-115352最小垫片压紧力N21490953流体压力引起的总轴向力FN82879954假设法兰的有效厚度mm假设6055假设焊角高度lmm假设1056最小螺栓载荷N33949557操作最小螺栓载荷N104338958螺栓直径mm2459螺栓数量n3260 螺栓材料HG 表6.0.140MnVB61常温下螺栓许用应力MpaGB150-1998表4-722862设计温度