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1、【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流流量为270t每小时 水-油浮头式换热器的设计.精品文档.摘要随着经济的发展，各种不同型式和种类的换热器发展很快。浮头式换热器是作为一种广泛应用于石油、化工、食品、动力和原子能等工业部门的换热设备，尤其是在化工机械领域有着重要的意义。在工业生产中，常常用作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。换热器既可是一种单元设备，如加热器、冷却器和凝汽器等；换热设备的主要作用是使热量相互传送，使温度达到工艺过程规定的标准，以满足工艺过程的需要。换热器中的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
2、。本次的设计为浮头式换热器，浮头式换热器主要是由管箱、管板、壳体、折流板、换热管、拉杆、钩圈、定距管、浮头盖等组成。浮头换热器的一端是管板与壳体固定，另一端为浮动的管板。因此其优点为热应力比较小，于检查，清洗。缺点为结构比较复杂。 本次换热器设计的壳程介质为水，管程介质为油。流量为270t/h，壳程的工作温度为180，管程的工作温度为100。本次设计主要分为两个部分，第一部分传热工艺的计算，第二部分强度的计算。在传热计算工艺中，包括有传热面积的计算，传热量、传热系数的确定和换热器内径以及换热管型号的选择，以及传热系数、压降及壁温的验算等等问题。在强度计算中主要讨论的有筒体、管箱、封头、管板厚度
3、计算及折流板、法兰、垫片和接管、支座、分隔板等零部件的设计，安装，组合，还要进行一些强度校核。本设计是按照 GB151管壳式换热器和 GB150钢制压力容器设计的。换热器在工、农业的各个领域应用十分广泛，在日常生活中传热设备也随处可见，是不可能缺少的工艺设备之一。随着研究的深入，工业上的应用也取得了惊人的成果。随着社会的进步与科技的发展，换热器的设计技术也在不断的更新，现有的科研成果以后的前景必将更加美好，给生活带来了很大的方便。换热器作为传热设备随处可见，在工业中应用尤为普遍，特别是耗能用量非常大的领域，随着节能技术的快速发展，换热器的种类开发也越来越多。换热器是在化学、石油化学及石油炼制工
4、业以及其他一些行业中普遍使用的热量交换设备，它不仅可以单独作为加热器、冷却器使用，而且是一些化工单元操作的重要附属设备，因此在化工生产中也占有非常重要的地位。关键词: 浮头式换热器; 换热管; 加热器AbstractThis design mainly discussed heat principles , and heat calculation and heat parameters ,the heat characteristic and heat calculation and heat parameters ,the structure and the size under the
5、given conditions. In industrial production, the main effect of heat exchange equipment is made by high temperature heat fluid is passed to the lower temperature of fluid, the fluid temperature can reach the indexes of the process regulation, in order to meet the needs of the process on . In the heat
6、 exchanger tube and shell heat exchanger is the most widely used, a heat exchange equipment has as a standard heat exchange equipment. This design is floating head heat exchanger, it is made up of tube box 、tube sheet、shell、heat exchange tube、baffle plate、draw bar、spacer pipe、hook circle、floating he
7、ad cover and so on. One tube sheet of the exchanger is connected with shell, and the other tube sheet is floating tube sheet. So its easy to check and clean. On the other hand the structure of it complex. The shell side of heat exchanger design medium for water, in the medium passes for oil. The she
8、ll side of the flow rate of 270 t/h, the working temperature is 180, monitor the working temperature is 100. In eight pieces of baffle are installed on the structure, to increase the turbulence velocity of the fluid. The diameter of the baffle plate is usually 0.2-1.0 times the diameter of shell. No
9、zzle flange all choose plate flat welding flange, choose saddle support, this design mainly is divided into two parts, one part is heat transfer process calculation, the other part is the strength calculation.In the process of heat transfer calculation, include area computation 、capacity of heat tra
10、nsmission 、 the determine of heat transfer coefficient and the choice of the heat exchange tube. About strength calculation, it involve the calculating of shell、tube box、sealing head and so on. Heat exchanger is one of the indispensable process equipment. With the deepening of the research, industri
11、al application made remarkable achievements.With the social progress and technological development.Heat exchanger design techniques are constantly updated.The exsting scientific reseach for my life is a big convenience.The prospects for the future will be more beautiful.As heat exchanger equipment c
12、an be seen everywhere, the most widely used in industry, especially in energy consumption is very large areas, with the rapid development of energy-saving technology, heat exchanger type development more and more. Heat exchanger is a chemical, petrochemical and oil refining industry and other indust
13、ries widely used in heat exchange equipment, it not only can be used as a heater, cooler separately, and some important auxiliary equipment of chemical unit operations, thus occupies very important position in the chemical production.Key words: Floating head type heat exchange; Heat exchange tube; h
14、eater; cooler 目 录 第一章换热器的工艺计算 1 1.1 原始数据(设计已知条件) 1 1.2 定性温度及确定物性参数 1 1.3 传热量与物料的计算 2 1.4 有效平均温差的计算 2 1.5 管程结构初步设计 3 1.6 壳程换热系数的计算 3 1.7 传热系数的计算 4 1.8 管壁温度的计算 4 1.9 管程压降的计算 5 1.10 壳程压降的计算 5 第二章结构设计 7 2.1 换热管材料及规格的选择和根数的确定 7 2.2 布管方式的选择 7 2.3 筒体内径的确定 7 2.4 筒体壁厚的确定 8 2.5 筒体水压试验 10 2.6 管箱侧封头厚度的确定 10 2.7
15、 浮头侧封头厚度的确定 11 2.8 设备法兰的选择 12 2.9 管箱侧法兰的选择 12 2.10 浮头侧法兰的选择 13 2.11 接管法兰的选择 13 2.12 浮头换热器管板的设计计算 14 2.13 浮头设计计算 16 2.13.1 管程压力（内压）作用下浮头盖的计算 162.13.2 壳程压力（外压）作用下浮头盖的计算 172.13.3 管程压力作用下浮头法兰的计算 172.13.4 壳程压力作用下浮头法兰的计算 20 2.14 钩圈的选择 22 2.15 浮动管板的选择 22 2.16 折流板的选择 23 2.17 管箱短节壁厚计算 23 2.18管程与壳程短节的计算 23 2.
16、19 防冲板的选择 24 2.20 接管及开孔补强 24 2.21 支座的选择 25 2.21.1 轴向应力校核 262.21.2 切向切应力校核 272.21.3 周向应力校核 272.21.4 鞍座腹板应力 27 参考文献28致谢29绪论浮头式换热器是管壳式换热器系列中的一种，它的特点是两端管板只有一端与外壳固定死，另一端可相对壳体滑移，称为浮头。浮头式换热器由于管束的膨胀不受壳体的约束，因此不会因管束之间的差胀而产生温差热应力，另外浮头式换热器的优点还在于拆卸方便，易清洗，在化工工业中应用非常广泛。本文对浮头式换热器进行了整体的设计，按照设计要求，在结构的选取上，即壳侧两程，管侧四程。首
17、先，通过换热计算确定换热面积与管子的根数初步选定结构,然后按照设计的要求以及一系列国际标准进行结构设计，设计的前半部分是工艺计算部分，主要设根据设计传热系数、压强校核、壳程压降、管程压降的计算；设计的后半部分则是关于结构和强度的设计。主要是根据已经选定的换热器型式进行设备内各零部件（如壳体、折流板、管箱固定管板、分程隔板、拉杆、进出口管、浮头箱、浮头、支座、法兰、补强圈）的设计。换热器是国民经济和工业生产领域中应用十分广泛的热量交换设备。随着现代新工艺、新技术、新材料的不断开发和能源问题的日趋严重，世界各国已普遍把石油化工深度加工和能源综合利用摆到十分重要的位置。换热器因而面临着新的挑战。换热
18、器的性能对产品质量、能量利用率以及系统运行的经济性和可靠性起着重要的作用，有时甚至是决定性的作用。目前在发达的工业国家热回收率已达96。换热设备在现代装置中约占设备总重30左右，其中管壳式换热器仍然占绝对的优势，约70。其余30为各类高效紧凑式换热器、新型热管热泵和蓄热器等设备。其中板式、螺旋板式、板翅式以及各类高效传热元件的发展十分迅速。在继续提高设备热效率的同时，促进换热设备的结构紧凑性，产品系列化、标准化和专业化，并朝大型化的方向发展。浮头式换热器是管壳式换热器系列中的一种。换热管束包括换热管、管板、折流板、支持板、拉杆、定距管等。换热管可为普通光管，也可为带翅片的翅片管，翅片管有单金属
19、整体轧制翅片管、双金属轧制翅片管、绕片式翅片管、叠片式翅片管等，材料有碳钢、低合金钢、不锈钢、铜材、铝材、钛材等。壳体一般为圆筒形，也可为方形。管箱有椭圆封头管箱、球形封头管箱和平盖管箱等。随着我国工业化和城镇化进程的加快，以及全球发展中国家经济的增长，国内市场和出口市场对换热器的需求量将会保持增长，客观上为我国换热器产业的快速发展提供了广阔的市场空间。从市场需求来看，在国家大力投资的刺激下，我国国民经济仍将保持较快发展。石油化工、能源电力、环境保护等行业仍然保持稳定增长，大型乙烯项目、大规模的核电站建设大型风力发电场的建设、太阳能光伏发电产业中多晶硅产量的迅速增长、大型环境保护工程的开工建设
20、、海水淡化工程的日益成熟，都将对换热器产业产生巨大的拉动。未来散热器将会朝着更加节能环保和美观实用的角度不断创新与发展，短时期钢制柱式散热器和铜铝复合散热器任将会是市场主流产品与选择。换热器在工业生产和生活的各个领域都得到了广泛的应用，而且其功作性能的优劣直接影响着整个装置和系统综合性能的好坏，因此换热器的合理设计极其重要，所以一个合理的换热器应满足一下的几点要求： （1） 在给定的工作条件（流体流量、进口温度等）下，达到要求的传热量和流体出口温度； （2） 流体压降要小，以减小运行的能量消耗； （3） 满足外形尺寸和重量要求； （4） 安全可靠，满足最高工作压力，工作温度以及防腐、防漏、工作
21、寿命等方面要求； （5） 制造工艺切实可行，选材合理且来源有保证，以减少初投资； （6） 安装、运输以及维修方便等。按照设计要求，在结构的选取上，为了增大压差校正系数，采用了壳侧两程管侧四程。通过换热计算确定换热面积与管子的根数初步选定结构，然后按照设计的要求以及一系列国际标准进行结构设计。在结构设计时，要考虑许多因素，例如传热条件、材料、介质压力、温度、流体性质以及拆卸等等。之后对有些部件进行强度校核并进行对其优化设计。1.1 换热设备的应用浮头式换热器由于管束的膨胀不受壳体的约束，因此不会因管束之间的差胀而产生温差热应力，另外浮头式换热器的优点还在于拆卸方便，易清洗，在化工工业中应用非常广
22、泛。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。此外，换热设备也是回收余热和废热，特别是低位热能的有效装置。1.2 换热器设备的分类按作用原理分类: （1） 直接接触式换热器 （2） 蓄热式换热器 （3） 间壁式换热器（4） 中间载流体式换热器按作用方式分类:（5） 管式换热器（6） 板面式换热器第一章 换热器的工艺计算1.1 原始数据（设计已知条件） 已知：机油（管程）进口温度:180；出口温度:100冷水（壳程）进口温度:20 出口温度:80工作压力:管程:P=1.8MPa ；壳程:P=1.2MPa
23、换热管材料:Q235-B壳体规格700；管箱规格800；传热面积:85M21.2 定性温度及确定物性参数查工程常用物质的热物理性质手册机油和液态水表1-1 工程常用物质的物理性表进口温度出口温度平均温度密度/m3定压比热容CP KJ/Kg导热数W/（m）黏度Pas普朗特数管程1801001400.7360.552240814x10-7116壳程208050971.8401780.6470.0005553.551.3 传热量与物料的计算第一次选择传热面积为换热器选252.5的无缝钢管管子外径管子内径初选换热管长度所需换热管数 (1-1) 则取换热管根数根流通面积（管程）： (1-2)流速（管程）
24、： (1-3)雷诺准数（管程）: (1-4)1.4 有效平均温差的计算 逆流的平均温度差：=43.3 参数S： 参数R： 换热器按单壳程两管程设计，查化工工艺设计手册5图7-21得温差修正系数为：FT=0.89有效平均温差： (1-5)1.5 管程结构的初步设计一般按等边三角形排列时，流体流动方向和三角形的一条边垂直，最内侧六边形边长等于S ，在管板周边与六边形的边之间有六个弓形部分内部排列管子，但当层数a6时，则在这些弓形部分也应当排列管子，这时最外层管子的中心不能超出最大六边形的外接圆周。管束中心排管数：取故壳体内径为： 取长径比 （设计合理）弓形折流板弓高： 折流板间距： (1-6)折流
25、板数量: (1-7)1.6 壳程换热系数的计算壳程当量直径 壳程流通面积 (1-8)壳程流速 (1-9)壳程雷诺准数 (1-10)壳程质量流速壳程传热因子管外壁温度假定值 (1-11)1.7 传热系数的计算查GB151-19991第138页可知，管程机油垢热阻=0.000176./w,壳程机油污垢热阻=0.000176./w, （管壁热阻忽略）故 合理1.8 管壁温度的计算 管壁外壁热流密度计算： 误差校核：15-19.3=-4.3 误差不大，合适。1.9 管程压降的计算 壁温下水的黏度管内壁温度97.2 (1-12)黏度修正系数查得管程摩擦系数 ；管程数管内沿程压降取进出口处质量流速回弯压降
26、进出口管处压降 钢管可取管程压降 (1-13)管程允许压降=50000Pa （符合要求）1.10 壳程压降的计算 壳程当量直径为 m (1-14) 壳程摩擦系数 管束压降 取进出口质量流速 壳程雷诺数 (1-15)进出口管压 取导流板阻力系数 ，壳程结构修正系数 壳程压降 壳程允许压降=50000Pa；壳程压降符合要求第二章 结构设计2.1换热管材料及规格的选择和根数的确定序号项目符号单位数据来源及计算公式数值（1）换热管材料Q235-B（2）换热管规格252.53000（3）传热面积A85（4）换热管根数N根361（5）拉杆直径管壳式换热器表16（6）拉杆数量根管壳式换热器表6表2-1换热管
27、的选择及根数统计2.2 布管方式的选择 表2-2布管方式的选择序号项目符号单位数据来源和数据计算数值（1）正三角形GB151-1999图11（2）换热管中心距SGB151-1999表1250（3）隔板槽两侧相邻管中心距GB151-1999表12442.3筒体内径的确定 表2-3 筒体内径尺寸序号项目符号单位数据来源和计算公式数值（1）换热管中心距SGB151-1999表1250（2）换热管根数根361（3）管束中心排管根数根20（4）换热管外径25（5）筒体内径708（6）实取筒体公称直径JB/T4737-19957002.4筒体壁厚的确定 表2-4筒体壁厚尺寸表序号项目符号单位数据来源和计算
28、公式数值（1）计算压力1.32（2）筒体内径见三-8700（3）筒体材料Q235-B（4）设计温度下筒体材料的许用应力GB150-1998113（5）焊接接头系数0.85（6）筒体计算厚度4.84（7）腐蚀裕量1（8）负偏差0.6（9）设计厚度5.84（10）名义厚度取8（11）有效厚度6.4（12）设计厚度下圆筒MPa72.85（13）校核 合格（14）设计温度下圆筒的最大许用工作压力MPa1.742.5筒体水压试验 表2-5压力的测试与校核序号项目符号单位根据来源及计算公式数值（1）实验压力PTMPa1.65（2）圆筒薄膜应力MPa91.06（3）校核 合格2.6 管箱侧封头厚度的确定 表
29、2-6封头定性系数表序号项目符号单位数据来源和计算公式数值（1）封头内径700（2）计算压力Pc=1.1P1=1.981.98（3）焊接接头系数0.85（4）封头材料16MnR（5）设计温度下许用压力GB151-1999项目5.3.2170（6）标准椭圆封头计算厚度4.8（7）腐蚀裕量1（8）负偏差0.6（9）设计厚度5.8（10）名义厚度GB151-1999项目5.3.28（11）设计压力下筒体的计算应力109.27（12）校核合格管箱侧封头尺寸：公称直径700mm；曲面高度175mm；内表面积1.1625；质量109.1kg；直边高度40mm。2.7 浮头侧封头厚度的确定 表2-7 浮头定
30、性系数表序号项目符号单位数据来源和计算公式数值（1）封头内径mm800（2）计算压力Pc=1.1P2=1.321.32（3）焊接接头系数0.85（4）封头材料16MnR（5）设计温度下许用压力GB151-1999项目5.3.2113（6）标准椭圆封头计算厚度mm5.95（7）腐蚀裕量mm1（8）负偏差mm0.6（9）设计厚度mm6.5（10）名义厚度mmGB151-1999项目5.3.28（11）有效厚度mm6.4（12）设计压力下筒体的计算应力（13）校核 合格（14）设计温度下筒体的最大许用工作压力校核合格浮头侧封头尺寸：公称直径800mm；总深度175mm；直边高度40mm；质量130.
31、9kg；内表面积1.398。2.8 设备法兰的选择选用JB/T 4700-4707-2000压力容器法兰9中的法兰可免除GB150-1998中的有关计算。2.9 管箱侧法兰的选择按尺寸条件DN=700mm，设计压力1.98Mpa，质量94.2kg，由压力容器法兰选择长颈对焊法兰，相关参数见表：单位（mm）DD1D3D4HhRd螺柱规格螺柱数量860815776763501203516321227M2428由压力容器法兰9选择相关垫片：选用非金属软垫片其相关尺寸为：D=765mm，d=715mm，=3mm。2.10 浮头侧法兰的选择按尺寸条件DN=Di+100=800mm，设计压力1.32Mpa
32、，设计温度180， 重量115.7kg由压力容器法兰9选择长颈对焊法兰，相关参数见表：单位（mm）DD1D2D3Hadat规格数量8009158768664811516212718M2424由压力容器法兰9选择相关垫片：选用非金属软垫片其相关尺寸为：D=865mm，；d=815mm；=3mm。2.11 接管法兰的选择接管a、b选择相同型号法兰，设液体流速u1=1.6m/s， (2-1)取d=200mm，设计压力2.5Mpa，选用板式平焊钢制法兰，尺寸参数见表：单位（mm）DNA1DKLnThCB1b法兰理论重量（Kg）2002193603102617M243222288.98接管d，h选择相同
33、型号法兰，设计压力1.6Mpa，d=200，选用板式平焊钢制法兰，尺寸参数见表：单位（mm）DNA1DKLnThCB1b法兰理论重量（Kg）2002193402952212M202622288.98接管e，f，m选择相同型号法兰，取d=20mm，设计压力1.32Mpa，选用板式平焊法兰，尺寸参数见表：单位（mm）DNA1DKLnThCB1法兰理论重量（Kg）20259065114M1014260.6接管g，c取d=50mm，设计压力1.32Mpa，选用板式平焊法兰，尺寸参数见表：单位（mm）DNA1DKLnThCB1法兰理论重量（Kg）5057165125184M1620592.772.12
34、浮头换热器管板的设计计算 根据换热管外径查管壳式换热器原理与设计16 知管板最小厚度。 （1） 未被换热管支撑的面积：，其中隔板槽一侧的排管数， （2-1）（2） 管板布管区面积： （2-2）（3） 管板开孔后的面积： （2-3）（4） 单根换热管横截面积： （2-4）（5）管板布管区当量直径： （2-5） （6）系数： （2-6）查GB150-19983 ，设计温度下换热管材料的弹性模量；设计温度下管板材料的弹性模量； 设计温度下管板材料的许用应力=163MPa，查表，设计温度下换热管材料的许用应力=108.8Mpa；换热管有效长度=2900。 （7） 管板模数： （2-7）（8） 管束无量
35、纲刚度：，其中-管板刚度削弱系数，=0.4，故 （2-8）（9） 系数，其中-设计压力下换热管材料屈服点，=235MPa故 （2-9）（10） 换热管的回转半径： （2-10）根据GB151-1999图32，换热管失稳当量长度， 故 满足要求 （2-11）（11） 对于浮头式换热器：，无量纲压力： （2-12） （12） 系数 ，根据此系数查管壳式换热器原理与设计16图5-19（a），5-20（a）得c=0.40，Gwe=5.8（13） 管板计算厚度：，取名义厚度。（14） 换热管轴向应力： （2-13）强度满足要求。 换热管与管板拉脱力： （2-14）因此固定端管板满足强度要求。2.13 浮
36、头设计的计算根据GB151-1999管壳式换热器1选用钩圈式浮头，浮头端盖选用球冠形封头，球面封头内半径，结构形式参见GB150-1999钢制压力容器2图2-8。所需参数见表.表2-8 直径参数表序号项目单位数值序号项目单位数值（1）bmm55布管限定圆直径DLmm674（2）b1mm36垫片压紧力作用中心圆直径DGmm677（3）bnmm137球面封头内半径Rimm600（4）b2mm14.58螺栓中心圆直径Dbmm737 浮头法兰和钩圈的内直径：浮头法兰和钩圈的外直径：外头盖内直径：浮动管板外直径：2.13.1管程压力（内压）作用下浮头盖的计算取设计压力，材料根据GB150-1998钢制压
37、力容器1选用Q235-C,材料许用应力为；焊接接头系数。封头计算厚度： （2-15） （1） 设计厚度： （2） 名义厚度：根据GB150-1998钢制压力容器，名义厚度圆整为（3） 有效厚度：2.13.2 壳程压力（外压）作用下浮头盖的计算 计算压力选用Q235-C,材料许用应力为；焊接接头系数。 （1） 封头计算厚度： （2-16）（2） 设计厚度：（3） 名义厚度： 实取名义厚度圆整为 （4） 有效厚度： 系数，由A查GB-150得系数B=137。因此接近 比较壳程压力作用和管程压力作用下球冠的厚度取大者即球冠封头的名义厚度，有效厚度。 （5） 校核：设计厚度下封头的计算应力：，满足强度
38、要求设计温度下封头的最大需用工作压力： （2-17）2.13.3 管程压力作用下浮头法兰的计算取设计压力，选用Q235-C,材料（1） 操作状态下所需最小垫片压紧力：（2） 流体压力引起的总轴向力：（3） 预紧状态下所需的最小螺栓载荷：螺栓材料根据HG20592-20635-97表2-7选用35CrMoA，查GB150-1998钢制压力容器3得常温下螺栓许用应力，设计温度下螺栓许用应力；螺栓直径，螺栓数量n=36。（4） 需要的螺栓总截面积：（5）实际使用的螺栓总截面积：（6）封头边缘处球壳面切线与法兰环的夹角：（7）螺栓设计载荷： （2-18）（8） 作用于法兰内径截面上的流体压力引起的轴向
39、力：螺栓中心至FD作用位置处径向距离： （2-19）力矩： 法兰垫片压力： 螺栓中心至FG作用位置处径向距离： 力矩： （2-20）螺栓中心至FT作用位置处径向距离：力矩： （2-21） 作用在法兰环侧封头压力载荷引起的径向分力：Fr对法兰环截面形心得力臂： （2-22）力矩：总力矩： （2-23）法兰预紧力矩：，其中FG=W. （9） 法兰的设计力矩： 查GB150-1998钢制压力容器表4-1，常温下法兰的许用应力 ， 设计温度下法兰的许用应力。 （2-24） （10）法兰厚度： （2-25） 操作状态下 （2-26） 预紧状态下 （2-27） 操作状态下法兰厚度： （2-28）预紧状态下法兰厚度： （2-29）因此法兰厚度： （2-30）2.13.4 壳程压力作用下浮头法兰的计算取设计压力，选用Q235-B,材料