1、北 方 民 族 大 学 The north university for ethnics 过程设备设计课程设计目录设计题目及工艺参数-1一、 换热器的分类及特点-2二、结构设计-51、管径及管长的选择-52、初步确定换热管的根数n和管子排列方式-53、筒体内径确定-54、浮头管板及钩圈法兰结构设计-65、管箱法兰、管箱侧壳体法兰和管法兰设计-76、外头盖法兰、外头盖侧法兰设计-77、外头盖结构设计-88、接管的选择-89、管箱结构设计-810、管箱结构设计-811、垫片选择-912、折流板-913、支座选取-1014、拉杆的选择-1315、接管高度（伸出长度）确定-1316、防冲板-1317、
2、设备总长的确定-1318、浮头法兰-1419、浮头管板及钩圈-14三、强度计算-141、筒体壁厚的计算-142、外头盖短节，封头厚度计算-153、管箱短节、封头厚度计算 -164、管箱短节开孔补强的核校 -165、壳体压力试验的应力校核-166、壳体接管开孔补强校核-177、固定管板计算-188、无折边球封头计算 -199、管子拉脱力计算-20四、设计汇总-21五、设计体会-21参考文献-22 设计题目：浮头式换热器工艺参数：管口表：符号 公称直径（mm）管口名称a130变换气进口b 130软水出口c 130变换气出口d 130软水进口e 50排尽口 设备选择原理及原因： 浮头式换热器的结构较
3、复杂，金属材料耗量较大，浮头端出现内泄露不易检查出来，由于管束与壳体间隙较大，影响传热效果。该换热器的管束可以从壳体中抽出，便于清洗管间和管内，管束可以在壳体内自由伸缩，不会产生热应力。浮头式换热器适用于较高的压力下工作，适用于壳体壁温于管壁温差较大或壳程流体易结垢的场合。本设计的管程壁温和壳程壁温温差较大，工作压力属于中上，且管程内物料为重油，壳程内为轻汽油。故本设计选择浮头式换热器。一、 换热器的分类及其特点换热器是一种实现物料之间热量传递的节能设备，是各种工业部门最常见的通用热工设备，广泛应用于化工、能源、机械、交通、制冷、空调及航空航天等各个领域。换热器不仅是保证某些工艺流程和条件而广
4、泛使用的设备，也是开发利用工业二次能源，实现余热回收和节能的主要设备。工业生产中使用的换热器型式很多，而且仍在不断发展。按使用目的不同，换热器可分为加热器、冷凝器、蒸发器和再沸器等。由于使用的条件和工作的环境不同，换热器又有各种各样的型式和结构。按传热原理和实现热交换的方法，换热器可分为间壁式、混合式和蓄热式3类，其中以间壁式换热器应用最为普遍。间壁式换热器种类很多，如夹套式换热器、套管式换热器、蛇管式换热器、板式换热器、板翅式换热器和列管式换热器，列管式换热器又叫做管壳式换热器，是目前应用最广泛的一种换热器。管壳式换热器的应用已有十分悠久的历史。管壳式换热器是一种传统的标准换热设备，广泛应用
5、于化工、石油、制冷、核能和动力等工业。由于世界性的能源危机，工业生产中对换热器的需求量越来越多，对换热器的质量要求也越来越高。在近代的许多化工过程中，如裂解、合成和聚合等，大都要求在高温高压下进行，有的压力高达250 ，温度则高达750，又腐蚀的情况下，实现换热更困难。而管壳式结构具有选材范围广、换热表面清洗方便、适应性强、处理能力大、能承受高温和高压等特点。一方面，伴随着现代化工厂生产规模的日益增大，换热设备也相应地向大型化方向发展，以降低动力消耗和余属消耗；另一方面，随着精细化工的迅速崛起，换热设备也有向小而精方向发展的趋势。管壳式结构的换热器能满足这样的要求。近几十年来，随着紧凑式换热器
6、(板式、板翅式等)、热管式换热器和直接接触式换热器等的发展，管壳式换热器面临着挑战，在某些场合，管壳式换热器已被一些新型换热器所取代，但由于管壳式换热器具有高度的可靠性和广泛的适应性，它的产量至今仍占统治地位。目前工业装置中管壳式换热器的用量占全部用量的70%。管壳式换热器结构也有较大的改进和发展，从原来传统的弓形隔板加光滑管的结构，发展为其它类型的管间支撑物加强化管的结构，由于这些结构上的改进，使得管壳式换热器的传热与流体阻力性能有了明显的改善，加上本身固有的优点，如耐高温、耐高压、结构简单和清洗方便等，使得管壳式换热器在激烈的换热器竞争中得以生存和发展。管壳式换热器主要包括固定管板式、浮头
7、式、U形管式、填料函式等结构。根据介质的种类、压力、温度、污垢，以及管板与壳体的连接方式、换热管的形式与传热条件、造价和维修检查情况等，结合各种结构形式的特点选择、设计和制造各种管壳式换热器。 图1.1固定管板式换热器的典型结构(1) 固定管板式换热器固定管板式换热器两端管板，采用焊接方式与壳体连接固定。固定管板式换热器由管箱、壳体、管板和管子等零部件组成，如图1.1所示。其结构简单紧凑，排管比较多，在相同换热器公称直径的情况下面积比较大，制造简单，但在最后一道壳体与管板的焊缝无法进行无损检测。其优点是： 相同公称直径下，传热面积比浮头式换热器大20%30%； 旁路泄露比较小； 锻件使用比较少
8、； 没有内部泄露的存在。 缺点是： 壳体和管子壁温差一般小于等于50，大于50时应在壳体上设置膨胀节； 管板与管头之间容易产生温差应力而损坏； 壳程无法进行机械清洗； 管子腐蚀后造成连同壳体也报废，壳体部件寿命取决于管子寿命，因此设备寿命相对比较低； 不适用于壳程容易结垢的场合。(2) 浮头式换热器浮头式换热器的一端管板与壳体固定，一端的管板可在壳体内自由浮动，壳体和管板对热膨胀是自由的，因此当两种介质温差较大时，管束与壳体之间不产生温差应力。浮头端设计成可拆结构，使管束能容易地插入或抽出壳体，这样方便清洗和检修。由于该换热器结构复杂，而且浮动端小盖在操作时无法得知其泄露情况，所以在安装时应特
9、别注意其密封，如图1.2所示。 图1.2浮头式换热器(3) U形管式换热器该换热管两端是固定在同一块管板上的，结构简单，造价低。管束可抽出，外壁便于清洗，但换热管清洗困难，所以介质必须是清洁且不结污垢的物料。由于结构不紧凑的原因，影响传热效率，换热也不均匀。一般用于高温高压的场合，壳程内一般按工艺要求设置折流板和纵向隔板，如图1.3所示。图1.3 U形管式换热器的典型结构(4) 填料函式换热器填料函式换热器适用于壳程压力不高、较严重腐蚀的介质、温差较大且经常要更换管束的冷却器。它具有浮头换热器的优点，又克服了固定管板式换热器的缺点，结构简单，制造方便，易清洗检修。目前它使用在不宜直径过大，操作
10、压力和温度不宜过高的场合，一般压力不超过2.0MPa。在壳程内为易挥发、易燃、易爆、有毒及贵重介质，不宜采用该换热器。如图1-4 图1.4 填料函式换热器的典型结构二、结构设计1、管径及管长的选择选用GB816319x2、管长度L为6米、管程数为2的较高级冷拔传热管（碳钢）。2、初步确定换热管的根数n和管子排列方式a、确定换热管根数n（根据公式3-121） =803根b、管子排列方式 管间距确定（查表5-12） 换热管中心距 t为25mm，分程隔板槽两侧相邻管中心距t0为38mm，采用正三角形排列，传热管排列是一个正六边形。 取拉杆数为10。查表3-61 管子总数为823根 管子实际总数还需根
11、据作图排列后确定，暂按823根计算。3、筒体内径确定根据公式（3-201） i=正三角形排列，管程为2时，=0.70.85，取=0.75即 Di=1.05圆整，取筒体内径为Di =900mm。如图2-1，实际排列的换热管数为2x（16+17+32）=816 图 2-1 固定管板换热管排列图4、浮头管板及钩圈法兰结构设计由于换热器内径已经确定，采用标准内径决定浮头管板外径及各结构尺寸（参照文献4及GB151）。结构尺寸为：浮头管板外径， D0=Di-2b1b1-浮头管板外径与壳体内径间隙，取即 D0=垫片宽度， 按表4-161 取浮头管板密封面宽度，浮头法兰和钩圈的内直径，900-2 (5+13
12、) =864（）；浮头法兰和钩圈的外直径，900+80=980（）；外头盖内径，900+100 =1000（）；螺栓中心圆直径，（）；5、管箱法兰、管箱侧壳体法兰和管法兰设计a、管箱法兰，管箱侧壳体法兰依工艺条件：管侧压力和壳侧压力中的高值，以及设计温度和公称直径，管箱法兰和管箱侧壳体法兰按/T4703-2000表1长颈对焊法兰标准选取。PN=1.10MPa。法兰尺寸见表2-1（查文献5） 表2-1 公称直径DN/mm管箱法兰和管箱侧壳体法兰螺栓DD1D2D3D4Hhaa1Rd规格数量900106010159769669635211535211816261227M2428对接圆筒最小厚度0为1
13、2mmb、管法兰 （查文献1） 表2-2（单位/mm）公称直径DN钢管外径连接尺寸法兰厚度C法兰颈AB外径DKLnTh法兰内径B1坡口宽度RAB150168.3159285240228M2024170.5161665060.357165125184M162061.559566、外头盖法兰、外头盖侧法兰设计依工艺条件，壳侧压力、温度及公称直径900，按4703-2000长径对焊法兰标准选取，并确定各部分尺寸，并画出结构草图。（查文献2 5） 表2-2公称直径DN/mm外头盖法兰，外头盖侧法兰螺栓DD1D2D3D4Hhaa1Rd规格数量1000116011151076106610635612035
14、211816261227M24 32900116011151076106610636014054-16341227M2432 图 2-2 外头盖法兰，侧法兰7、外头盖结构设计轴向尺寸由浮动管板，钩圈法兰及钩圈强度计算确定厚度后决定。8、接管的选择 由工艺参数给定的接管公称直径为130mm、50mm。查表 附录七1选取外直径1596，574的20号扎碳素无缝钢管。9、管箱结构设计选用型封头管箱，因换热器直径较大，其管箱最小长度可不按流通面积计算，只考虑相邻焊缝间距离计算。 管箱法兰H=115mm，封头曲面高h1=225mm，直边高h2=40mm、 C=80mmm、接管外直径d0159mm、封头厚
15、度为=12mm故管箱长为Lg=115+80+225+40+80+159+12=711mm圆整 管箱长Lg=720mm管箱内分程隔板由文献1采用与封头，管箱短节同等材料，取厚度为10mm，在处于水平位置的分程隔板上开设直径为6mm的排尽液孔（槽深6mm）。10、管箱结构设计依据所选的管箱法兰，管箱侧法兰的结构尺寸，确定固定端管板最大外径为965。结构如图2-3 图 2-3 固定管板11、垫片选择根据管程、壳程操作条件，管箱垫片选择石棉橡胶垫片，外头盖垫片选缠绕式垫片，斧头垫片选金属包石垫片。（文献2） 图 2-4 2管程浮头垫片及头盖垫片 2管程箱垫片 垫片名称浮头垫片管箱垫片头盖垫片管箱侧垫片
16、外头盖垫片PN(Mpa)1.0 1.6 2.5 4.0 6.4 1.6DNDdd1WAWBDdd1Ddd1900892864860215226965925921106510251021 12、折流板a、折流板初步计算采用弓形折流板，取弓形折流板圆缺高度为壳体内径的20%，则切去的圆缺高度为 折流板间距B=(0.21)Di 取B=mm折流板NB=-1=b、折流板布置： 折流板结构尺寸：外径，厚度取12 ，圆缺尺寸在排管上取。 图 2-5 管箱接管安装位置壳体接管中心距管板内侧的距离1L2d0+hf+C=159+115+80=345mm,取L2=360mm前端折流板距固定管板距离至少为360+80
17、=440，结构调整为460。后端折流板距浮动管板的距离至少为 540。折流板间距按B=270mm计算，则需要折流板数量=（换热管长-两管板厚度-前后端折流板离管板距离）/270 =（6000-70-66-960）/27018块所以实际所需折流板数为18块。13、支座选取（1）鞍式支座的选取及安装5支座的选取按JB/T 4712.1-2007鞍式支座规定，选用BI重型（DN500-900）1200包角、焊制，四筋，带垫板鞍式支座，近固定管板处选F型，远管板处选S型。对于JB/T4712鞍式支座，由设备重量，考虑到接管，法兰，加强圈等附件的质量以及风载荷和地震载荷等因素，其具体形式如图4-1，尺寸
18、见表4-1因接管较长，鞍座高度取h=300。 表4-1鞍座尺寸DN/mm允许载荷Q/MPah/mm底板/mm腹板/mm筋板/mm900225200810150101045012010垫板/mm螺栓间距弧长e1060200636590垫板的鞍座，其具体形式如图2-5：图2-6(2)卧式支座在换热器上的位置尺寸，如图2-7：安装位置条件：a、 查文献1知：当，,取 =0.7L=0.76000=4200mm，且b、 必须满足壳程接管焊缝与支座地脚螺栓孔中心线至支座点半边远距离要求，即 LcL1+d/2+ba+C （ba=b1 /2）式中，C=80mm，ba为地脚螺栓孔中心线至支座垫板边缘的距离,d为
19、接管直径 L1=275mm, 则 Lc510mm圆整，取=900mm 图 2-7 浮头式换热器14、拉杆的选择a 、拉杆的形式拉杆常用形式有两种：一种为拉杆和折流板焊接形式，一般用于换热管外径小于或等于14的管束;另一种为拉杆定居管结构形式，用于换热管外径大于或等于19的管束。所以选择拉杆定居管结构形式。b 、拉杆尺寸拉杆数量为10根，dn=12mm，La=15mm，Lb50mm，管板上拉杆孔深Ld=18mm，c 、拉杆布置拉杆应尽量均匀布置在管束的外边缘，对于大直径的换热器，再布管区内或靠近折流板缺口处应布置适当数量的拉杆。15、接管高度（伸出长度）确定接管伸出壳体（或管箱壳体）外壁的长度，
20、主要考虑法兰形式，焊接拆装，有无保温及保温厚度等因素决定。查表4-121，当PN4.0Mpa时，DN=150时接管伸出长度为200mm， DN=50时接管伸出长度为150mm。16、防冲板选用矩形防冲板，防冲板焊于壳体上，接管管径确定后，防冲板与壳体内壁的高度H1就确定，H1=（1/41/3）接管外径。取H1=1/3159=53mm，防冲板的直径或边长应大于接管外径50mm，防冲板的最小厚度：当壳程进口接管直径小于300mm时，取=4.5mm17、设备总长的确定首先考虑换热管长为L1=6000mm，取外头盖短节为180mm，外头盖封头为椭圆封头，曲边高h1为250mm，直边高h2为40mm，封
21、头壁厚为12mm管箱长Lg=720mm，外头盖长L2=180+250+40+12=602mm，圆整为610mm设备总长 L=Lg+ L1+ L2=720+6000+610=7330mm18、浮头法兰 按GB15189相应规定。因此法兰处于受压状态，取法兰厚度64。19、浮头管板及钩圈浮头式换热器浮头管板的厚度不是有强度决定的，按结构取40，勾圈采用B型，材料与浮头管板相同，设计厚度按浮头管板厚加16mm，定为56mm。三、强度计算1、 筒体壁厚的计算此次设计中，根据壳体所用材料为，当厚度在时，壳程设计压力为P=1.10Mpa，焊缝采用双面对焊局部无损探伤，焊接接头系数为=。3取钢板厚度负偏差C
22、1=0.8mm，腐蚀裕量= 。C= C1+=2.8mm由轻油走壳程，此换热器壳内产生的静压力为： 其中，轻油密度小于水的密度，取水的密度计算， 显然P小于设计压力的5%，故 根据以下厚度计算式： 式中， 计算厚度，； 计算压力，； 焊接接头系数； 壳体直径，； 材料许用应力，；计算壁厚： 设计壁厚： 取名义厚度，有效厚度圆整，故取名义厚度=12mm为筒体壁厚。2、外头盖短节，封头厚度计算外头盖内径=1000mm，外头盖材料为16MnR，屈服强度 =345 MPa，其余条件参数同筒体，短节计算壁厚 短节设计壁厚 短节名义壁厚取 有效厚度 压力试验应力校核 A=489.5该接管补强的强度足够，不需
23、另设补强结构。5、壳体压力试验的应力校核压力试验类型：液压试验试验压力值，由（GB150-98，式3-3）计算： 压力试验允许通过的应力水平由（GB150-98，）计算：，所选材料的屈服应力=325水压试验应力校核 A=518.75该接管补强的强度足够，不需另设补强结构。排净口接管根据工艺设计给定的接管公称直径50，选用574无缝钢管，考虑实际情况选20号热轧碳素钢管 =130 ，C2 =1mm。接管计算壁厚 接管有效壁厚 开孔直径 接管有效补强宽度 B=2d= 接管外侧有效补强高度度 由于S=3.44mm,需要补强面积 可以作为补强的面积为=214.45(2.4-0.282)130/170
24、=46.81（）+=298.37+46.81=345.18 A=179.57该接管补强的强度足够，不需另设补强结构。7、固定管板计算固定管板厚度设计采用BS法。假设管板厚度 b=70总换热管数量 n=823一根管壁金属的截面积为a=开孔强度削弱系数（双程） 两管板间换热管有效长度（除掉两管板厚）L取6000计算系数K K=3.32按管板简支考虑，依K值查文献1图4-45、图4-46、图4-47得 G1=2.5， G2=-0.57， G3=2.3管板最大应力 筒体内径截面积 管板上管孔所占的总截面积， 系数 系数 壳程压力 Ps=1.1 管程压力 Pt=1.12 当量差 Pa=Ps-Pt(1+)
25、=1.1-1.12（1+0.22）=-0.2664 管子最大应力 管板采用Q235A =130 换热管采用20号碳素钢 130 管板，管子强度校核=-0.661.5r=1.5130=195=-1.22ps=1.1MPa，计算值可用。9、管子拉脱力计算 =11.2、 Mpa、管子尺寸 管间距 25mm管壳壁温差 胀接长度 =41mm 在操作压力下，每平方米胀接周边所产生的力式中 而温差应力导致的每平方米胀接周边上的脱力，式中，p由于管子核管板的连接采用胀焊组合，管子的许用拉脱力远小于材料许用应力p因此，拉脱力在许用应力范围内。四、设计汇总表3-4设计汇总表：名称尺寸/ mm材料名称尺寸/ 材料筒
26、体壁厚1216MnR管程接管20外盖头短节厚1216MnR固定管板厚7820外盖头封头厚1216MnR浮头管板厚4016MnR管箱短节厚1220钩圈总厚6016MnR管箱封头厚1220无折边球封头厚1816MnR管箱分隔板厚1020浮头法兰厚6416MnR壳程接管20五、设计体会方案设计初期，只考虑了设计的可行性，忽略了加工制造的难度，导致设计的一些零部件无法加工，不得不重新设计，浪费了大量的时间和精力。设计中过分考虑安全因素，某些结构参数设置过大，导致材料用量增加，这样虽然保证了刚度、强度，却增加了制造成本，使综合的性价比有所下降。在指导老师的指导和帮助下，经过两个星期的不懈努力，我顺利的完
27、成了本次课程设计。在此，我要感谢我的指导老师，姜国平老师，感谢您在我设计过程遇到疑问时的耐心细致的讲解。姜老师以高度的责任心、渊博的知识、严谨的治学态度和对学生学业的奉献精神，为我们营造了浓厚的学术气氛，他的谆谆教导让我们受益匪浅。在本课题的完成过程中，姜老师既积极参与，对我们不懂的问题认真解答，又充分发挥了我们的想象力和动手能力，锻炼了我们的创造能力，培养了我们一丝不苟的工作作风。最后，我还要感谢所有帮助过我的同学。在此，祝愿所有一直关心和帮助我的老师同学在今后的工作、学习和生活中事事如意！参考文献【1】化工单元过程及设备课程设计 匡国柱、史启才主编，化工工业出版社【2】过程设备机械设计 潘红良主编，华东理工大学出版社【3】过程设备设计 郑津洋主编，化工工业出版社【4】化工设备设计全书 秦叔经主编，化工工业出版社【5】过程装备成套技术设计指南黄振仁主编，化工工业出版社【6】化工设备设计基础谭蔚主编，天津大学出版社22
