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沈陽化工大學科亞學院
本科畢業(yè)設計
題 目： 流量為270t/h水－油浮頭式換熱器
專 業(yè)： 過程裝備與控制工程
班 級： 過控1201
學生姓名： 楊 晨
指導教師： 王昭春
論文提交日期： 2016年 6 月 2 日
論文答辯日期： 2016年 6 月 5 日
畢業(yè)設計（論文）任務書
過程裝備與控制工程 專業(yè)
過控1201 班
學生：楊晨
畢業(yè)設計（論文）題目：流量為 270t/h 水－油浮頭式換熱器
畢業(yè)設計（論文）內(nèi)容：有關(guān)換熱器綜述一篇；
設計說明書一份；
繪制 A1 四張以上。
畢業(yè)設計（論文）專題部分： 浮頭式換熱器
起止時間：2016年3月16日—2016年6月8日
指導教師:____王昭春 2016年3月1日
摘要
隨著經(jīng)濟的發(fā)展，各種不同型式和種類的換熱器發(fā)展很快。浮頭式換熱器是作為一種廣泛應用于石油、化工、食品、動力和原子能等工業(yè)部門的換熱設備，尤其是在化工機械領域有著重要的意義。在工業(yè)生產(chǎn)中，常常用作把低溫流體加熱或者把高溫流體冷卻，把液體汽化成蒸汽或者把蒸汽冷凝成液體。換熱器既可是一種單元設備，如加熱器、冷卻器和凝汽器等；換熱設備的主要作用是使熱量相互傳送，使溫度達到工藝過程規(guī)定的標準，以滿足工藝過程的需要。換熱器中的管殼式換熱器是目前應用最為廣泛的一種換熱設備，已作為一種標準換熱設備。本次的設計為浮頭式換熱器，浮頭式換熱器主要是由管箱、管板、殼體、折流板、換熱管、拉桿、鉤圈、定距管、浮頭蓋等組成。浮頭換熱器的一端是管板與殼體固定，另一端為浮動的管板。因此其優(yōu)點為熱應力比較小，于檢查，清洗。缺點為結(jié)構(gòu)比較復雜。
本次換熱器設計的殼程介質(zhì)為水，管程介質(zhì)為油。流量為270t/h，殼程的工作溫度為180℃，管程的工作溫度為100℃。本次設計主要分為兩個部分，第一部分傳熱工藝的計算，第二部分強度的計算。在傳熱計算工藝中，包括有傳熱面積的計算，傳熱量、傳熱系數(shù)的確定和換熱器內(nèi)徑以及換熱管型號的選擇，以及傳熱系數(shù)、壓降及壁溫的驗算等等問題。在強度計算中主要討論的有筒體、管箱、封頭、管板厚度計算及折流板、法蘭、墊片和接管、支座、分隔板等零部件的設計，安裝，組合，還要進行一些強度校核。本設計是按照 GB151《管殼式換熱器》和 GB150《鋼制壓力容器》設計的。換熱器在工、農(nóng)業(yè)的各個領域應用十分廣泛，在日常生活中傳熱設備也隨處可見，是不可能缺少的工藝設備之一。隨著研究的深入，工業(yè)上的應用也取得了驚人的成果。
隨著社會的進步與科技的發(fā)展，換熱器的設計技術(shù)也在不斷的更新，現(xiàn)有的科研成果以后的前景必將更加美好，給生活帶來了很大的方便。換熱器作為傳熱設備隨處可見，在工業(yè)中應用尤為普遍，特別是耗能用量非常大的領域，隨著節(jié)能技術(shù)的快速發(fā)展，換熱器的種類開發(fā)也越來越多。換熱器是在化學、石油化學及石油煉制工業(yè)以及其他一些行業(yè)中普遍使用的熱量交換設備，它不僅可以單獨作為加熱器、冷卻器使用，而且是一些化工單元操作的重要附屬設備，因此在化工生產(chǎn)中也占有非常重要的地位。
關(guān)鍵詞: 浮頭式換熱器; 換熱管; 加熱器
Abstract
This 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 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 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 head cover and so on. One tube sheet of the exchanger is connected with shell, and the other tube sheet is floating tube sheet. So it’s 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 shell 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. Nozzle 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 transmission 、 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, industrial 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 can 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 industries 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;
heater; cooler
目 錄
第一章?lián)Q熱器的工藝計算 1
1.1 原始數(shù)據(jù)(設計已知條件) 1
1.2 定性溫度及確定物性參數(shù) 1
1.3 傳熱量與物料的計算 2
1.4 有效平均溫差的計算 2
1.5 管程結(jié)構(gòu)初步設計 3
1.6 殼程換熱系數(shù)的計算 3
1.7 傳熱系數(shù)的計算 4
1.8 管壁溫度的計算 4
1.9 管程壓降的計算 5
1.10 殼程壓降的計算 5
第二章結(jié)構(gòu)設計 7
2.1 換熱管材料及規(guī)格的選擇和根數(shù)的確定 7
2.2 布管方式的選擇 7
2.3 筒體內(nèi)徑的確定 7
2.4 筒體壁厚的確定 8
2.5 筒體水壓試驗 10
2.6 管箱側(cè)封頭厚度的確定 10
2.7 浮頭側(cè)封頭厚度的確定 11
2.8 設備法蘭的選擇 12
2.9 管箱側(cè)法蘭的選擇 12
2.10 浮頭側(cè)法蘭的選擇 13
2.11 接管法蘭的選擇 13
2.12 浮頭換熱器管板的設計計算 14
2.13 浮頭設計計算 16
2.13.1 管程壓力（內(nèi)壓）作用下浮頭蓋的計算 16
2.13.2 殼程壓力（外壓）作用下浮頭蓋的計算 17
2.13.3 管程壓力作用下浮頭法蘭的計算 17
2.13.4 殼程壓力作用下浮頭法蘭的計算 20
2.14 鉤圈的選擇 22
2.15 浮動管板的選擇 22
2.16 折流板的選擇 23
2.17 管箱短節(jié)壁厚計算 23
2.18管程與殼程短節(jié)的計算 23
2.19 防沖板的選擇 24
2.20 接管及開孔補強 24
2.21 支座的選擇 25
2.21.1 軸向應力校核 26
2.21.2 切向切應力校核 27
2.21.3 周向應力校核 27
2.21.4 鞍座腹板應力 27
參考文獻 28
致謝 29
緒論
浮頭式換熱器是管殼式換熱器系列中的一種，它的特點是兩端管板只有一端與外殼固定死，另一端可相對殼體滑移，稱為浮頭。浮頭式換熱器由于管束的膨脹不受殼體的約束，因此不會因管束之間的差脹而產(chǎn)生溫差熱應力，另外浮頭式換熱器的優(yōu)點還在于拆卸方便，易清洗，在化工工業(yè)中應用非常廣泛。本文對浮頭式換熱器進行了整體的設計，按照設計要求，在結(jié)構(gòu)的選取上，即殼側(cè)兩程，管側(cè)四程。首先，通過換熱計算確定換熱面積與管子的根數(shù)初步選定結(jié)構(gòu),然后按照設計的要求以及一系列國際標準進行結(jié)構(gòu)設計，設計的前半部分是工藝計算部分，主要設根據(jù)設計傳熱系數(shù)、壓強校核、殼程壓降、管程壓降的計算；設計的后半部分則是關(guān)于結(jié)構(gòu)和強度的設計。主要是根據(jù)已經(jīng)選定的換熱器型式進行設備內(nèi)各零部件（如殼體、折流板、管箱固定管板、分程隔板、拉桿、進出口管、浮頭箱、浮頭、支座、法蘭、補強圈）的設計。?
換熱器是國民經(jīng)濟和工業(yè)生產(chǎn)領域中應用十分廣泛的熱量交換設備。隨著現(xiàn)代新工藝、新技術(shù)、新材料的不斷開發(fā)和能源問題的日趨嚴重，世界各國已普遍把石油化工深度加工和能源綜合利用擺到十分重要的位置。換熱器因而面臨著新的挑戰(zhàn)。換熱器的性能對產(chǎn)品質(zhì)量、能量利用率以及系統(tǒng)運行的經(jīng)濟性和可靠性起著重要的作用，有時甚至是決定性的作用。目前在發(fā)達的工業(yè)國家熱回收率已達96％。換熱設備在現(xiàn)代裝置中約占設備總重30％左右，其中管殼式換熱器仍然占絕對的優(yōu)勢，約70％。其余30％為各類高效緊湊式換熱器、新型熱管熱泵和蓄熱器等設備。其中板式、螺旋板式、板翅式以及各類高效傳熱元件的發(fā)展十分迅速。在繼續(xù)提高設備熱效率的同時，促進換熱設備的結(jié)構(gòu)緊湊性，產(chǎn)品系列化、標準化和專業(yè)化，并朝大型化的方向發(fā)展。浮頭式換熱器是管殼式換熱器系列中的一種。換熱管束包括換熱管、管板、折流板、支持板、拉桿、定距管等。換熱管可為普通光管，也可為帶翅片的翅片管，翅片管有單金屬整體軋制翅片管、雙金屬軋制翅片管、繞片式翅片管、疊片式翅片管等，材料有碳鋼、低合金鋼、不銹鋼、銅材、鋁材、鈦材等。殼體一般為圓筒形，也可為方形。管箱有橢圓封頭管箱、球形封頭管箱和平蓋管箱等。隨著我國工業(yè)化和城鎮(zhèn)化進程的加快，以及全球發(fā)展中國家經(jīng)濟的增長，國內(nèi)市場和出口市場對換熱器的需求量將會保持增長，客觀上為我國換熱器產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展提供了廣闊的市場空間。從市場需求來看，在國家大力投資的刺激下，我國國民經(jīng)濟仍將保持較快發(fā)展。石油化工、能源電力、環(huán)境保護等行業(yè)仍然保持穩(wěn)定增長，大型乙烯項目、大規(guī)模的核電站建設大型風力發(fā)電場的建設、太陽能光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)中多晶硅產(chǎn)量的迅速增長、大型環(huán)境保護工程的開工建設、海水淡化工程的日益成熟，都將對換熱器產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生巨大的拉動。?
未來散熱器將會朝著更加節(jié)能環(huán)保和美觀實用的角度不斷創(chuàng)新與發(fā)展，短時期鋼制柱式散熱器和銅鋁復合散熱器任將會是市場主流產(chǎn)品與選擇。?
換熱器在工業(yè)生產(chǎn)和生活的各個領域都得到了廣泛的應用，而且其功作性能的優(yōu)劣直接影響著整個裝置和系統(tǒng)綜合性能的好壞，因此換熱器的合理設計極其重要，所以一個合理的換熱器應滿足一下的幾點要求：?
（1） 在給定的工作條件（流體流量、進口溫度等）下，達到要求的傳熱量和流體出口溫度；?
（2） 流體壓降要小，以減小運行的能量消耗；?
（3） 滿足外形尺寸和重量要求；?
（4） 安全可靠，滿足最高工作壓力，工作溫度以及防腐、防漏、工作壽命等方面要求；?
（5） 制造工藝切實可行，選材合理且來源有保證，以減少初投資；?
（6） 安裝、運輸以及維修方便等。按照設計要求，在結(jié)構(gòu)的選取上，為了增大壓差校正系數(shù)，采用了殼側(cè)兩程管側(cè)四程。?
通過換熱計算確定換熱面積與管子的根數(shù)初步選定結(jié)構(gòu)，然后按照設計的要求以及一系列國際標準進行結(jié)構(gòu)設計。在結(jié)構(gòu)設計時，要考慮許多因素，例如傳熱條件、材料、介質(zhì)壓力、溫度、流體性質(zhì)以及拆卸等等。之后對有些部件進行強度校核并進行對其優(yōu)化設計。?
1.1 換熱設備的應用?
浮頭式換熱器由于管束的膨脹不受殼體的約束，因此不會因管束之間的差脹而產(chǎn)生溫差熱應力，另外浮頭式換熱器的優(yōu)點還在于拆卸方便，易清洗，在化工工業(yè)中應用非常廣泛。在工業(yè)生產(chǎn)中，換熱設備的主要作用是使熱量又溫度較高的流體傳遞給溫度較低的流體，使流體溫度達到工藝過程規(guī)定的指標，以滿足工藝過程上的需要。此外，換熱設備也是回收余熱和廢熱，特別是低位熱能的有效裝置。
1.2 換熱器設備的分類
按作用原理分類:
（1） 直接接觸式換熱器?
（2） 蓄熱式換熱器?
（3） 間壁式換熱器?
（4） 中間載流體式換熱器
按作用方式分類:
（5） 管式換熱器
（6） 板面式換熱器
沈陽化工大學科亞學院學士學位論文 第一章 換熱器傳熱工藝計算
第一章 換熱器的工藝計算
1.1 原始數(shù)據(jù)（設計已知條件）
已知：機油（管程）進口溫度:180℃；出口溫度:100℃冷水（殼程）進口溫度:20℃ 出口溫度:80℃工作壓力:管程:P=1.8MPa ；殼程:P=1.2MPa換熱管材料:Q235-B
殼體規(guī)格Φ700；管箱規(guī)格Φ800；傳熱面積:85M2
1.2 定性溫度及確定物性參數(shù)
查《工程常用物質(zhì)的熱物理性質(zhì)手冊》機油和液態(tài)水
表1-1 工程常用物質(zhì)的物理性表
進口溫度℃
出口溫度℃
平均溫度℃
密度ρ㎏/m3
定壓比熱容CP KJ/Kg℃
導熱數(shù)W/（m﹒℃）
黏度ｕPa·s
普朗特數(shù)
管程
180
100
140
0.736
0.552
240
814x10-7
116
殼程
20℃
80℃
50℃
971.8
40178
0.647
0.000555
3.55
1.3 傳熱量與物料的計算
第一次選擇傳熱面積為
換熱器選252.5的無縫鋼管
管子外徑
管子內(nèi)徑
初選換熱管長度
所需換熱管數(shù) (1-1)
則取換熱管根數(shù)根
流通面積（管程）： (1-2)
流速（管程）： (1-3)
雷諾準數(shù)（管程）: (1-4)
1.4 有效平均溫差的計算
逆流的平均溫度差：=43.3℃
參數(shù)S：
參數(shù)R：
換熱器按單殼程兩管程設計，查《化工工藝設計手冊》[5]圖7-21得
溫差修正系數(shù)為：FT=0.89
有效平均溫差：℃ (1-5)
1.5 管程結(jié)構(gòu)的初步設計
一般按等邊三角形排列時，流體流動方向和三角形的一條邊垂直，最內(nèi)側(cè)六邊形邊長等于S ，在管板周邊與六邊形的邊之間有六個弓形部分內(nèi)部排列管子，但當層數(shù)a>6時，則在這些弓形部分也應當排列管子，這時最外層管子的中心不能超出最大六邊形的外接圓周。
管束中心排管數(shù)：
取
故殼體內(nèi)徑為：
取
長徑比 （設計合理）
弓形折流板弓高：
折流板間距： (1-6)
折流板數(shù)量: (1-7)
1.6 殼程換熱系數(shù)的計算
殼程當量直徑
殼程流通面積 (1-8)
殼程流速 (1-9)
殼程雷諾準數(shù) (1-10)
殼程質(zhì)量流速
殼程傳熱因子
管外壁溫度假定值
(1-11)
1.7 傳熱系數(shù)的計算
查GB151-1999[1]第138頁可知，
管程機油垢熱阻=0.000176㎡.℃/w,
殼程機油污垢熱阻=0.000176㎡.℃/w, （管壁熱阻忽略）
故
合理
1.8 管壁溫度的計算
管壁外壁熱流密度計算：
誤差校核：15℃-19.3℃=-4.3℃ 誤差不大，合適。
1.9 管程壓降的計算
壁溫下水的黏度
管內(nèi)壁溫度97.2℃ (1-12)
黏度修正系數(shù)
查得管程摩擦系數(shù) ；管程數(shù)
管內(nèi)沿程壓降
取進出口處質(zhì)量流速
回彎壓降
進出口管處壓降
鋼管可取
管程壓降 (1-13)
管程允許壓降=50000Pa （符合要求）
1.10 殼程壓降的計算
殼程當量直徑為 m (1-14)
殼程摩擦系數(shù)
管束壓降
取進出口質(zhì)量流速
殼程雷諾數(shù) (1-15)
進出口管壓
取導流板阻力系數(shù) ，
殼程結(jié)構(gòu)修正系數(shù)
殼程壓降
殼程允許壓降=50000Pa；殼程壓降符合要求
29
沈陽化工大學科亞學院學士學位論文 第二章 結(jié)構(gòu)設計
第2章 結(jié)構(gòu)設計
2.1換熱管材料及規(guī)格的選擇和根數(shù)的確定
序號
項目
符號
單位
數(shù)據(jù)來源及計算公式
數(shù)值
（1）
換熱管材料
Q235-B
（2）
換熱管規(guī)格
Φ25×2.5×3000
（3）
傳熱面積
A
85
（4）
換熱管根數(shù)
N
根
361
（5）
拉桿直徑
《管殼式換熱器》表
16
（6）
拉桿數(shù)量
根
《管殼式換熱器》表
6
表2-1換熱管的選擇及根數(shù)統(tǒng)計
2.2 布管方式的選擇
表2-2布管方式的選擇
序號
項目
符號
單位
數(shù)據(jù)來源和數(shù)據(jù)計算
數(shù)值
（1）
正三角形
GB151-1999圖11
（2）
換熱管中心距
S
GB151-1999表12
50
（3）
隔板槽兩側(cè)相鄰管中心距
GB151-1999表12
44
2.3筒體內(nèi)徑的確定
表2-3 筒體內(nèi)徑尺寸
序號
項目
符號
單位
數(shù)據(jù)來源和計算公式
數(shù)值
（1）
換熱管中心距
S
GB151-1999表12
50
（2）
換熱管根數(shù)
根
361
（3）
管束中心排管根數(shù)
根
20
（4）
換熱管外徑
25
（5）
筒體內(nèi)徑
708
（6）
實取筒體公稱直徑
JB/T4737-1995
700
2.4筒體壁厚的確定
表2-4筒體壁厚尺寸表
序號
項目
符號
單位
數(shù)據(jù)來源和計算公式
數(shù)值
（1）
計算壓力
1.32
（2）
筒體內(nèi)徑
見三-8
700
（3）
筒體材料
Q235-B
（4）
設計溫度下筒體材料的許用應力
GB150-1998
113
（5）
焊接接頭系數(shù)
0.85
（6）
筒體計算厚度
4.84
（7）
腐蝕裕量
1
（8）
負偏差
0.6
（9）
設計厚度
5.84
（10）
名義厚度
取8
（11）
有效厚度
6.4
（12）
設計厚度下圓筒
MPa
72.85
（13）
校核
合格
（14）
設計溫度下圓筒的最大許用工作壓力
MPa
1.74
2.5筒體水壓試驗
表2-5壓力的測試與校核
序號
項目
符號
單位
根據(jù)來源及計算公式
數(shù)值
（1）
實驗壓力
PT
MPa
1.65
（2）
圓筒薄膜應力
σθ
MPa
91.06
（3）
校核
> 合格
2.6 管箱側(cè)封頭厚度的確定
表2-6封頭定性系數(shù)表
序號
項目
符號
單位
數(shù)據(jù)來源和計算公式
數(shù)值
（1）
封頭內(nèi)徑
700
（2）
計算壓力
Pc=1.1P1=1.98
1.98
（3）
焊接接頭系數(shù)
0.85
（4）
封頭材料
16MnR
（5）
設計溫度下許用壓力
GB151-1999項目5.3.2
170
（6）
標準橢圓封頭計算厚度
4.8
（7）
腐蝕裕量
1
（8）
負偏差
0.6
（9）
設計厚度
5.8
（10）
名義厚度
GB151-1999項目5.3.2
8
（11）
設計壓力下筒體的計算應力
109.27
（12）
校核
合格
▲管箱側(cè)封頭尺寸：公稱直徑700mm；曲面高度175mm；內(nèi)表面積1.1625；
質(zhì)量109.1kg；直邊高度40mm。
2.7 浮頭側(cè)封頭厚度的確定
表2-7 浮頭定性系數(shù)表
序號
項目
符號
單位
數(shù)據(jù)來源和計算公式
數(shù)值
（1）
封頭內(nèi)徑
mm
800
（2）
計算壓力
Pc=1.1P2=1.32
1.32
（3）
焊接接頭系數(shù)
0.85
（4）
封頭材料
16MnR
（5）
設計溫度下許用壓力
GB151-1999項目5.3.2
113
（6）
標準橢圓封頭計算厚度
mm
5.95
（7）
腐蝕裕量
mm
1
（8）
負偏差
mm
0.6
（9）
設計厚度
mm
6.5
（10）
名義厚度
mm
GB151-1999項目5.3.2
8
（11）
有效厚度
mm
6.4
（12）
設計壓力下筒體的計算應力
（13）
校核
>
合格
（14）
設計溫度下筒體的最大許用工作壓力
校核合格
▲浮頭側(cè)封頭尺寸：公稱直徑800mm；總深度175mm；直邊高度40mm；質(zhì)量130.9kg；內(nèi)表面積1.398。
2.8 設備法蘭的選擇
選用JB/T 4700-4707-2000《壓力容器法蘭》[9]中的法蘭可免除GB150-1998中的有關(guān)計算。
2.9 管箱側(cè)法蘭的選擇
按尺寸條件DN=700mm，設計壓力1.98Mpa，質(zhì)量94.2kg，由《壓力容器法蘭》選擇長頸對焊法蘭，相關(guān)參數(shù)見表：單位（mm）
D
D1
D3
D4
H
h
R
d
螺柱規(guī)格
螺柱數(shù)量
860
815
776
763
50
120
35
16
32
12
27
M24
28
由《壓力容器法蘭》[9]選擇相關(guān)墊片：選用非金屬軟墊片
其相關(guān)尺寸為：D=765mm，d=715mm，=3mm。
2.10 浮頭側(cè)法蘭的選擇
按尺寸條件DN=Di+100=800mm，設計壓力1.32Mpa，設計溫度180℃， 重量＝115.7kg由《壓力容器法蘭》[9]選擇長頸對焊法蘭，相關(guān)參數(shù)見表：單位（mm）
D
D1
D2
D3
H
a
d
at
規(guī)格
數(shù)量
800
915
876
866
48
115
16
21
27
18
M24
24
由《壓力容器法蘭》[9]選擇相關(guān)墊片：選用非金屬軟墊片
其相關(guān)尺寸為：D=865mm，；d=815mm；=3mm。
2.11 接管法蘭的選擇
接管a、b選擇相同型號法蘭，設液體流速u1=1.6m/s，
(2-1)
取d=200mm，設計壓力2.5Mpa，選用板式平焊鋼制法蘭，尺寸參數(shù)見表：單位（mm）
DN
A1
D
K
L
n
Th
C
B1
b
法蘭理論重量（Kg）
200
219
360
310
26
17
M24
32
222
8
8.98
接管d，h選擇相同型號法蘭，設計壓力1.6Mpa，d=200，選用板式平焊鋼制法蘭，尺寸參數(shù)見表：單位（mm）
DN
A1
D
K
L
n
Th
C
B1
b
法蘭理論重量（Kg）
200
219
340
295
22
12
M20
26
222
8
8.98
接管e，f，m選擇相同型號法蘭，取d=20mm，設計壓力1.32Mpa，選用板式平焊法蘭，尺寸參數(shù)見表：單位（mm）
DN
A1
D
K
L
n
Th
C
B1
法蘭理論重量（Kg）
20
25
90
65
11
4
M10
14
26
0.6
接管g，c取d=50mm，設計壓力1.32Mpa，選用板式平焊法蘭，尺寸參數(shù)見表：單位（mm）
DN
A1
D
K
L
n
Th
C
B1
法蘭理論重量（Kg）
50
57
165
125
18
4
M16
20
59
2.77
2.12 浮頭換熱器管板的設計計算
根據(jù)換熱管外徑查管《殼式換熱器原理與設計》[16 ]知管板最小厚度。
（1） 未被換熱管支撐的面積：
，其中隔板槽一側(cè)的排管數(shù)，
（2-1）
（2） 管板布管區(qū)面積：
（2-2）
（3） 管板開孔后的面積：
（2-3）
（4） 單根換熱管橫截面積： （2-4）
（5）管板布管區(qū)當量直徑： （2-5）
（6）系數(shù)： （2-6）
查GB150-1998[3] ，設計溫度下?lián)Q熱管材料的彈性模量；設計溫度下管板材料的彈性模量； 設計溫度下管板材料的許用應力=163MPa，查表，設計溫度下?lián)Q熱管材料的許用應力=108.8Mpa；換熱管有效長度=2900。
（7） 管板模數(shù)： （2-7）
（8） 管束無量綱剛度：，其中-管板剛度削弱系數(shù)，=0.4，故
（2-8）
（9） 系數(shù)，其中-設計壓力下?lián)Q熱管材料屈服點，=235MPa故
（2-9）
（10） 換熱管的回轉(zhuǎn)半徑：
（2-10）
根據(jù)GB151-1999圖32，換熱管失穩(wěn)當量長度，
故 滿足要求 （2-11）
（11） 對于浮頭式換熱器：，無量綱壓力：
（2-12）
（12） 系數(shù)
，，根據(jù)此系數(shù)查《管殼式換熱器原理與設計》[16]圖5-19（a），5-20（a）得c=0.40，Gwe=5.8
（13） 管板計算厚度：，取名義厚度。
（14） 換熱管軸向應力：
（2-13）
強度滿足要求。
換熱管與管板拉脫力： （2-14）
因此固定端管板滿足強度要求。
2.13 浮頭設計的計算
根據(jù)GB151-1999《管殼式換熱器》[1]選用鉤圈式浮頭，浮頭端蓋選用球冠形封頭，球面封頭內(nèi)半徑，結(jié)構(gòu)形式參見GB150-1999《鋼制壓力容器》[2]圖2-8。所需參數(shù)見表.
表2-8 直徑參數(shù)表
序號
項目
單位
數(shù)值
序號
項目
單位
數(shù)值
（1）
b
mm
5
5
布管限定圓直徑DL
mm
674
（2）
b1
mm
3
6
墊片壓緊力作用中心圓直徑DG
mm
677
（3）
bn
mm
13
7
球面封頭內(nèi)半徑Ri
mm
600
（4）
b2
mm
14.5
8
螺栓中心圓直徑Db
mm
737
浮頭法蘭和鉤圈的內(nèi)直徑：
浮頭法蘭和鉤圈的外直徑：
外頭蓋內(nèi)直徑：
浮動管板外直徑：
2.13.1管程壓力（內(nèi)壓）作用下浮頭蓋的計算
取設計壓力，材料根據(jù)GB150-1998《鋼制壓力容器》[1]選用Q235-C,材料許用應力為；焊接接頭系數(shù)。
封頭計算厚度： （2-15）
（1） 設計厚度：
（2） 名義厚度：
根據(jù)GB150-1998《鋼制壓力容器》，名義厚度圓整為
（3） 有效厚度：
2.13.2 殼程壓力（外壓）作用下浮頭蓋的計算
計算壓力選用Q235-C,材料許用應力為；焊接接頭系數(shù)。
（1） 封頭計算厚度： （2-16）
（2） 設計厚度：
（3） 名義厚度：
實取名義厚度圓整為
（4） 有效厚度：
系數(shù)，由A查《GB-150》得系數(shù)B=137。
因此接近
比較殼程壓力作用和管程壓力作用下球冠的厚度取大者即球冠封頭的名義厚度，有效厚度。
（5） 校核：設計厚度下封頭的計算應力：
，滿足強度要求
設計溫度下封頭的最大需用工作壓力：
（2-17）
2.13.3 管程壓力作用下浮頭法蘭的計算
取設計壓力，選用Q235-C,材料
（1） 操作狀態(tài)下所需最小墊片壓緊力：
（2） 流體壓力引起的總軸向力：
（3） 預緊狀態(tài)下所需的最小螺栓載荷：
螺栓材料根據(jù)HG20592-20635-97表2-7選用35CrMoA，查GB150-1998《鋼制壓力容器》[3]得常溫下螺栓許用應力，設計溫度下螺栓許用應力；螺栓直徑，螺栓數(shù)量n=36。
（4） 需要的螺栓總截面積：
（5）實際使用的螺栓總截面積：
（6）封頭邊緣處球殼面切線與法蘭環(huán)的夾角：
（7）螺栓設計載荷： （2-18）
（8） ① 作用于法蘭內(nèi)徑截面上的流體壓力引起的軸向力：
螺栓中心至FD作用位置處徑向距離：
（2-19）
力矩：
② 法蘭墊片壓力：
螺栓中心至FG作用位置處徑向距離：
力矩： （2-20）
③
螺栓中心至FT作用位置處徑向距離：
力矩： （2-21）
④ 作用在法蘭環(huán)側(cè)封頭壓力載荷引起的徑向分力：
Fr對法蘭環(huán)截面形心得力臂：
（2-22）
力矩：
總力矩：
（2-23）
法蘭預緊力矩：，其中FG=W.
（9） 法蘭的設計力矩：
查GB150-1998《鋼制壓力容器》表4-1，常溫下法蘭的許用應力 ， 設計溫度下法蘭的許用應力。
（2-24）
（10）法蘭厚度：
（2-25）
操作狀態(tài)下 （2-26）
預緊狀態(tài)下 （2-27）
操作狀態(tài)下法蘭厚度： （2-28）
預緊狀態(tài)下法蘭厚度： （2-29）
因此法蘭厚度： （2-30）
2.13.4 殼程壓力作用下浮頭法蘭的計算
取設計壓力，選用Q235-B,材料
（1） 操作狀態(tài)下所需最小墊片壓緊力：
（2） 流體壓力引起的總軸向力：
（3） 預緊狀態(tài)下所需的最小螺栓載荷：
（2-31）
螺栓材料根據(jù)HG20592-20635-97表6.0.3-2選用35CrMoA，查GB150-199《鋼制壓力容器》表4-7得常溫下螺栓許用應力，設計溫度下螺栓許用應力；螺栓直徑，螺栓數(shù)量n=24。
（4） 需要的螺栓總截面積：
（2-32）
（2-33）
（2-34）
（5） 實際使用的螺栓總截面積：
（2-35）
（6） 封頭邊緣處球殼面切線與法蘭環(huán)的夾角：
（2-36）
（7） 螺栓設計載荷：
（2-37）
（8） ① 作用于法蘭內(nèi)徑截面上的流體壓力引起的軸向力：
（2-38）
螺栓中心至FD作用位置處徑向距：
力矩：
②法蘭墊片壓力： （2-39）
螺栓中心至FG作用位置處徑向距離：
力矩：
③ （2-40）
螺栓中心至FT作用位置處徑向距離：
力矩：
④ 作用在法蘭環(huán)側(cè)封頭壓力載荷引起的徑向分力：
（2-41）
Fr對法蘭環(huán)截面形心得力臂：
（2-42）
力矩：
總力矩：
（2-43）
（9） 法蘭預緊力矩：，其中FG=W.
（10） 法蘭的設計力矩：
（2-44）
（11） 法蘭厚度：
（2-45）
操作狀態(tài)下 （2-46）
預緊狀態(tài)下 （2-47）
操作狀態(tài)下法蘭厚度： （2-48）
預緊狀態(tài)下法蘭厚度： （2-49）
因此法蘭厚度： （2-50）
2.14 鉤圈的選擇
根據(jù)GB101-1999《管殼式換熱器》[1] 選擇B型鉤圈。鉤圈設計厚度，其中-浮動管板厚度。則實取鉤圈名義厚度
2.15 浮動管板的選擇
浮頭法蘭墊片外徑：
浮頭法蘭墊片內(nèi)徑：
墊片接觸密度：
墊片基本密封寬度b0=N/2=5.5mm,墊片有效密封寬度mm
（1） 系數(shù)
（2） ，，根據(jù)此系數(shù)查《管殼式換熱器原理與設計》
（a），5-20（a）得，，。
（3） 換熱管軸向應力：
，強度滿足要求。
（4） 換熱管與管板拉脫力：
因此浮頭端管板滿足強度要求。
2.16 折流板的選擇
（1） 根據(jù)GB151-1999《管殼式換熱器》圖37選擇單弓形折流板，。
（2） 折流板尺寸; 缺口弦高h值，一般取0.2~0.45倍圓筒內(nèi)直徑，取h=0.2di=0.14m。由GB151-1999《管殼式換熱器》表42知，當換熱管外徑為25mm的鋼管時，換熱 管的最大無支撐跨距為l=1850mm。
（3） 折流板厚度：由GB151-1999《管殼式換熱器》表34，當Di=700mm，l=1850mm時，取折流板厚度。
（4） 折流板管孔：由GB151-1999《管殼式換熱器》[1]查得管孔直徑為25.8mm，允許偏差
（5） 折流板直徑：由GB151-1999《管殼式換熱器》[1]查得折流板名義外直徑為695.5mm，允許偏差
2.17 管箱短節(jié)壁厚計算
注：符號意義及取值同筒體壁厚計算的符號及意義，短節(jié)材料選用Q235-B
2.18 管程短節(jié)與殼程短節(jié)的計算
已知：管程
（1） 設計壓力：
（2） 計算厚度：
（3） 設計厚度：
（4） 名義厚度：，有效名義厚度8mm;有效厚度5.7mm。
已知：殼程
（5） 設計壓力：
（6） 計算厚度：
（7） 設計厚度：
（8） 名義厚度：，有效名義厚度8mm;有效厚度8.7mm。
2.19 防沖板的選擇
因殼程介質(zhì)流速較大，應在殼程設置防沖板。
（1） 由GB151-1999《管殼式換熱器》查得防沖板外表面到圓筒內(nèi)壁的距離，應不小于接管外徑的1/4，該設計中該距離定為105mm。
（2） 防沖板的直徑或邊長應大于接管外徑50mm，故該設計中為269mm。
（3） 防沖板的最小厚度為4.5mm。
2.20 接管及開孔補強
注：該計算僅適用于容器殼體開孔及其補強。
（1） 接管計算厚度：
接管名義厚度：，有效厚度：。
（2） 殼體開孔處的計算厚度：
（2-51）
殼體開孔處的有效厚度：
（3） 開孔直徑：，系數(shù)
（4） 開孔所需補強面積：
（2-52）
（5）有效寬度：
（6） 外側(cè)有效高度：
（7） 內(nèi)側(cè)有效高度：
（8） 封頭多余金屬面積：
（2-53）
=1321.2mm2
（9） 接管多余金屬面積：
（2-54）
（10） 焊縫面積：
（11） 故 ，因此殼體開孔不需另加補強。
2.21 支座的選擇
根據(jù)JB/T 4712-92鞍式支座[12]選擇重型型焊制式鞍式支座。
當DN=800mm時所選鞍式支座的相關(guān)尺寸
表2-9 鞍式支座相關(guān)尺寸表
序號
項目
符號
單位
數(shù)值
（1）
公稱直徑
DN
mm
800
（2）
允許載荷
Q
KN
220
（3）
鞍座高度
h
mm
200
（4）
底板
mm
720
mm
150
mm
10
（5）
腹板
mm
10
（6）
筋板
mm
400
mm
120
mm
10
（7）
墊板
弧長
mm
940
mm
200
mm
6
e
mm
36
（8）
螺栓間距
mm
400
（9）
帶墊板鞍座質(zhì)量
M
Kg
35
（10）
鞍座包角
120
鞍座校核
筒體長L=3855mm，設備總重量2601.996Kg，鞍座中心線離封頭切線的距離H=1013mm，筒體內(nèi)徑Di=700mm。
相關(guān)系數(shù)計算如下：
（2-55）
（2-56）
（2-57）
支座反力：
2.21.1 軸向應力校核
筒體在支座跨中截面處的彎矩：
（2-58）
筒體在支座截面處的彎矩：
（2-59）
最高點(壓縮應力)： （2-60）
最低點(拉伸應力)： （2-61）
系數(shù)A=0.0001 系數(shù)B=137
軸向許用壓縮應力為137MPa 比較驗算合格.
2.21.2 切向切應力校核
查《過程設備設計》表5-2得K3=1.171
，驗算合格
2.21.3 周向應力校核
查《過程設備設計》[7]得K5=0.760,K6=0.0528
支座截面上圓筒最低處：
支座截面上帶鞍座邊角處：
，驗算合格。
2.21.4 鞍座腹板應力
系數(shù)K’=0.204
鞍座承受水平分力：Fs=R’F=9204.3N
鞍座計算高度：Hs’=200mm
鞍座有效斷面平均應力：=5.353MPa
比較 驗算合格
沈陽化工大學科亞學院學士學位論文 參考文獻
參考文獻
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