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摘 要换热器的主要功能是保证工艺过程中介质所要求的特定温度，同时也是提高能源利用率的主要设备之一。管壳式换热器是当前应用最广, 理论研究和设计技术完善,运用可靠性良好的一类换热器。它在各工业领域中得到最为广泛地应用。近年来，尽管受到了其他新型换热器的挑战，但反过来也促进了其自身的发展。从空间技术发展起来的热管技术受到极大重视，各式热管换热器已进入工业使用阶段。在换热器设计中采用了电子计算机上，不仅可以缩短计算时间，减少人为的差错，而且有可能进行最佳设计。在换热器制造工艺上获得了改进，新材料及复合材料逐渐被使用。随着工业的高速发展，换热器技术必将迅速地发展。本课题是浮头式换热器的设计，针对设计题目主要进行了如下工作：查阅了中外文资料，简要做了有关换热器的文献综述；计算分为两部分：第一部分是传热工艺计算，主要进行了热负荷，冷却水用量，有效平均温度，换热面积，结构的初步设计，管程和壳程及总传热系数，管程和壳程压降的计算，此外也做了工艺接管的选择。第二分部是强度计算，主要进行了换热管的选择，壳体和管箱及封头的壁厚的计算，同时进行了应力校核和耐压试验的计算，开孔补强，管法兰的选择，管板厚度计算和校核，此外还有折流板、拉杆、防冲板及支座的选择。关键词：换热器；浮头；工艺计算；强度计算目 录第 1章 引 言11.1 设计题目介绍11.2选题的目的及意义11.3国内外发展趋势21.4主要工作3第2章 工艺设计42.1流体定性温度及物性参数的计算42.1.1 循环水42.1.2净化水52.2传热量及水流量的计算62.3有效平均温差62.4管程换热系数62.5壳程换热系数82.6换热器的压降计算102.6.1管程压降计算102.6.2壳程压降计算12第3 章 结构设计143.1管子设计143.2 换热流程设计153.3 管板设计163.4 折流板设计163.5 拉杆设计183.6导流筒设计183.7 进出口管的设计193.8 支座设计20第 4 章 换热器的强度计算224.1筒体计算224.1.1筒体厚度的计算224.1.2换热器管板的设计244.2 前端管箱的计算284.2.1前端管箱筒体的计算284.2.2 前端管箱封头计算304.3 后端管箱计算314.3.1 后端管箱筒体计算314.3.2 后端管箱封头计算结果324.3.3 后端筒体法兰计算334.4 带法兰无折边球形封头及法兰364.5 设备计算尺寸39第5章 水压试验405.1 试验压力的确定405.1.1 壳程405.1.2 管程405.2 水压试验的注意事项405.3 水压试验的过程与步骤415.3.1 壳程水压试验415.3.2 管程水压试验415.3.3 装上右管箱后的壳程水压试验415.4 压力表要求42 结 论43致 谢44参考文献45 IIIIII 第1章 引 言1.1 设计题目介绍本设计题目是浮头式换热器设计。本设计是由以下几个部分组成的，分别为：浮头式换热器的工艺设计、结构设计、强度设计以及应用AutoCAD绘图软件绘制装配图、零件图和部件图。换热器是实施把热量从一种介质传给另一种介质的设备。换热器是一种用于实现物料之间热量传递的节能的通用过程设备，主要用于物料的加热、冷却、蒸汽、冷凝，它是化工过程中应用最广泛的一种工艺设备。换热器在石油、化工、炼油、动力、冶金、原子能、造船、电力、轻工、食品、制冷、电子、航空等工业部门中得到广泛应用，是生产与生活中不可缺少的重要换热工艺设备。特别是在石油化工厂中，它占总投资的20%，在全厂总设备中约占40%。换热器在化工生产中的应用十分广泛的，占有十分重要的地位。换热器作为工艺过程不可缺少的单元设备广泛地应用于石油化工等许多领域，换热器是合理利用与节约现有能源，开发新能源的关键设备。当今世界，现有能源主要为煤，石油，天然气等资源。有限的储量难以满足工业及人们日益增长的需要，因此，合理的利用现有能源开发新能源已成为世界性的研究课题。在生产中大部分燃料释放的能量是通过换热设备传递的，换热设备的合理设计，性能改善将直接关系着现有能源的合理利用。1.2 选题的目的及意义换热器的选型很多，每种类型都有其优缺点,在设计中究竟适用那种型寸，应是具体情况而定.如换热介质,压力、温度、温差、压力降、流体，污垢情况、堵塞情况，维护检修及制造,供应情况等。在选型时，即不要单纯追求某种换热器的传热效率而不顾清洗和维护检修的消耗，也不应过于保守而习惯地只采用某一种换热器，一般来说，管式换热器不受压力和温度的限制，制造及维护检修也较为方便,但传热效率低,换热面积小，板式换热器虽具有较大换热面积和传热效率高的特点。但其操作温度和压力都有一定限制，且制造及清洗和维护均不如管式换热器方便，设计时必须全方面的拆,正确使用。本设计中的浮头式换热器也是应用了间壁式换热器的传热原理。浮头式换热器属于列管换热器的一种，与列管换热器中的固定管板式换热器和U型管换热器相比，浮头式换热器的特点在于其一端的管板不与外壳固定连接，称为浮头。当管子受热（或者受冷）时，管束连同浮头可以自由伸缩，而与外壳的膨胀无关。浮头式换热器不但可以补偿热膨胀，而且由于固定端的管板是以法兰与壳体相连接的，因此管束可以从壳体中抽出，便于清洗和检修。故浮头式换热器应用较为普遍。但该种换热器的结构较复杂，金属消耗量较多，造价也较高。在生产中存在的热交换条件千变万化，所需要的换热器必须各式各样，为了符合使用要求，国内、外对换热器技术的开发从传热机理的研究、设备的结构的创新，设计计算的方法改进以及制造工艺水平的提高等方面都进行了长期而大量的工作。直至目前，换热器的基本状况是管壳式换热器，就其数据量或使用场所与管式结构竞争，从空间技术发展起来的热管技术受到极大重视，各式热管换热器已进入工业实用阶段。在换热器设计中采用了电子计算机，不仅可以缩短计算时间，减少人为的差错，而且有可能进行最佳设计。在换热器制造工艺上获得了改进。新材料及复合材料逐渐被使用。1.3 国内外发展趋势随着石油、化工、农药、冶金等过程工业的发展，对广泛应用的传热装置的结构形式，传热效果成本费用，使用维护方面提出了越来越高的要求。换热器技术也不断发展，其主要成果表现三个方面：一是逐步形成典型换热器的标准化生产，降低了生产成本，适应了大批量，专业化生产需求。方便了使用和日常维护检修，二是创新传热理论，奠定传热技术发展的基础，三是换热器的结构改进与更新提高了传热效果。在生产中存在的热交换条件千变万化，所需要的换热器必然各式各样，为了符合使用要求，国内外对换热器技术的开发从热机理的研究，设备结构的创新，设计的方法的改进以及制造工艺水平的提高等方面都进行了长期而大量的工作。直至目前，换热器的基本状况是管式换热器，就其数量或使用场所来看仍居主要地位。从空间技术发展起来的热管技术受到极大重视，各式热管换热器已进入工业使用阶段。在换热器设计中采用了电子计算机上，不仅可以缩短计算时间，减少人为的差错，而且有可能进行最佳设计。在换热器制造工艺上获得了改进，新材料及复合材料逐渐被使用。随着工业的高速发展，换热器技术必将迅速地发展。就目前的情况分析，换热器的基本发展趋势是：提高传热效率，提高紧凑性，降低材料消耗，增强承受高温，高压，超低温及耐腐蚀能力，保证互换性及扩大容量的灵活性，通过减少污塞和便于除垢以减少操作事故，从选用材料，结构设计以及运行操作等各方面增长使用寿命并在广泛的范围内向大型化发展。换热器制造中，专业化生产的趋势仍将继续，加工中向“多轴化”及“数字控制化”发展。采用新技术，新工艺，新材料，提高机械化，自动化水平，提高劳动生产率，降低制造成本仍将是基本发展目标。1.4 主要工作第1部分：准备工作查阅相关文献资料了解换热器在化工生产中的地位和作用、换热器的现状和发展趋势、设计的理论基础、技术路线及其意义。第2部分：工艺计算换热器的结构 、热量衡算、物料衡算、传热膜系数的确定、传热面积的确定、压力降计算。第3部分：强度计算换热器壳体、管箱短节、封头厚度确定、容器法兰、螺栓、垫片的校核计算、管板厚度的计算,开孔补强计算。第4部分：计算机绘图及说明书的编写利用Auto CAD 软件绘制出换热器的装配图及各个零件图，并编写说明书。 第2章 工艺设计2.1 流体定性温度及物性参数的计算表2-1 原始工艺设计参数进口温度出口温度工作压力MPa质量流量净化水循环水2.1.1 循环水 （1） 循环水的定性温度 （2-1） （2） 循环水的密度1 （3） 循环水的比热 （4） 循环水的导热系数 （5） 循环水粘度 （6） 循环水的柏朗特系数 表2-2 数据表循环水的定性温度34 循环水的密度993.6kg/m3 循环水的比热 4.174J/kg.K 循环水的导热系数0.624W/m 循环水的粘度 0.7428MPas 循环水的普朗特数4.972.1.2 净化水 由于被冷却前后的温差较大，因此不能简单地取其进口温度作为定性温度，目前常采用卡路里温度。 净化水的定性温度 （2-2） 其中，由高温流体补水冷却时可取 净化水的密度1 净化水的比热1 净化水的导热系数 净化水的粘度 净化水的柏朗特系数 （2-3）表2-3 数据表净化水的定性温度55 净化水的密度965.3kg/m3 净化水的比热 4.176J/kg.K 净化水的导热系数 0.6535W/m 净化水的粘度0.51MPas 净化水的普朗特数3.262.2 传热量及水流量的计算 换热器效率 2 设计传热量：w （2-4） kg/h2.3 有效平均温差 逆流平均温差： （2-5） 温差较正系数： 由于 （2-6） (2-7) 有效平均传热温差 2.4 管程换热系数 （1） 试选传热系数 3（2） 估算传热面积 (2-8)（3） 管子管子选择，管子外形有光管，翅片管或螺旋管几类常见形式，本设备采用光管，以求经济安装，检修，清洗方便。管子外径：采用标准尺寸，取无缝钢管，m。管子内径：m管子长度：取换热管标准长度m（4） 总管子数根 4 （5） 管程流通截面；根据需要本设备采用两管程 （2-9）（6） 管壳流速：m/s （2-10）（7） 管壳雷诺数： （2-11）（8） 管程换热数系数：w/m2 （2-12）初选结构：（1） 换热管排列方式：管子在管板上的排列方式，应力要求均布、紧凑、便于清扫。管子排列方式有多种。但对于浮头式换热器常用转角正方形排列。尽管排列最不紧凑，但便于机械清扫4。管子的紧凑度与相对管距有关。此处s为管间距。故管间距宜小，以使流速高，壳径小，节约材料，但应考虑管子与管板的工艺要求。换热管中心距离宜不小于倍的换热管外径，故m圆整取S=32mm（2） 管束中心处排管数 4取=13根3 （3） 管束外沿与壳体间距ee=m （2-13）（4） 壳体内径m （2-14）圆整取m。其中管间距。（5） 长径比 l/l/=6/=12 （2-15）故此换热器采用卧式。（6） 弓形折流板弓高h 折流板圆缺高度应使缺口处流通截面与两折流板间的流通截面接近，以免流通截面变化的压降，一般无相变时，h=20-25%，无相变时切去面积通常为25%6，故取m（7） 折流板间距B经验表明最佳的板间距为/3m （8） 折流板数块2.5 壳程换热系数壳程流通截面面积=B（1-= （2-16）壳程流速 （2-17）式中 壳程流通截面面积，； 冷却水流量，；壳程当量流速壳程当量直径m （2-18）壳程雷诺数：式中 壳程介质粘度，； 壳程雷诺数切去弓形面积所占比例=0.17 5壳程传热因子查得=823 管外壁温度：先选定=45 （先假定再复核）壁温下汽油粘度查得=5粘度修正系数壳程换热系数= （2-19）循环水侧污垢热阻：/w净化水侧污垢热阻/w管壁热阻 /w (2-20)管壁热阻r 很小，可以忽略不计。总传热传热阻其中壳程换热系数,;管程换热系数,;= =热系数热系数比值：所以原假定合格。管壁温度：管外壁热流密度：其中 管外壁热流密度,;换热管数,根;管外壁温度= (2-21)误差核算=所以不需要重设假定温度2.6 换热器的压降计算2.6.1 管程压降计算 （1） 壁温下水的粘度：粗估 =3 = （2） 管程粘度修正系数（3） 管程摩擦系数=0.032 5（4） 管子沿程压降5其中 管子沿程压降,;管程质量流速,;管程流体在定性温度下的质量密度,;管程数;管程摩擦系数;=Pa（5） 回弯压降Pa（6） 管程出进口管处质量流速3m/s所以=（7） 进出口管处压降5其中 进出口管处压降,Pa;管程进出口管处质量流速, =Pa（8） 管程结垢校正系数：5（9） 管程压降其中 管程压降,Pa; 管程结垢校正系数;回转压降,Pa;管子沿程压降,Pa; Pa52.6.2 壳程压降计算(1)当量直径m5 (2-22)(2) 雷诺数 (2-23)(3) 壳程摩擦系数 (4) 管束压降 (5) 管咀处质量流速 3 （2-24） kg/(6) 导流板阻力系数导流板阻力系数由实测决定，因缺乏实测数据，暂取故取用(7) 导流板压降 Pa6(8) 进出口管压降 Pa6(9) 壳程结构修正系数6(10) 壳程压降其中 管束压降,Pa; 导流板压降,Pa; 进出口管压降,Pa; Pa(11) 壳程允许压降，管程允许压降操作压力 barPa 6（12） 压降校核Pa壳程压降符合要求。Pa管程压降符合要求。 第3章 结构设计3.1 管子设计传热管的形状、尺寸和布置对换热器性能和经济影响很大，管子设计内容包括管形、管径、管束排列方式及管材的决定。(1)管子选择管子外形有光管,翅片管或螺纹管常见形式。(2)管径与壁厚mm指管子外径与壁厚,标准的管子有:、的无缝钢管和的耐管不锈钢管。(3)管长L(m)标准管长有:m(4)管子排列方式图3-1 管子排列方式浮头式以正方形转排列居多716。采用管径在结构和经济上均有好处,应尽量采用管径小,单位体积传热面积大,结构紧凑,金属耗料少,传热系数也高.据估算将同壳径换热器的管子由改为,传热面积可增加%左右,节约金属20%以上,据报导化工装置中以下的管子已有采用,但小管径流阻大,不便清洗,易结垢阻塞。故粘性大或污浊的流体采用45-76mm外径的管子7。综合考虑本设计采用光管，其经济易得和安装、检验、清洗方便。采用的无缝钢管，管径小，单位体积传热面积大，结构紧凑，金属耗量小，传热系数高。材料选用10号钢长6m，管长和管径都是换热器的标准管子尺寸，管子总数为124根。管子排列方式为转角正方形，尽管排列最不紧凑，但便于机械清洗，常用于浮头式换热器。图3-2 布管3.2 换热流程设计管程分层：当需要的传热面很大，管子太长，用许多管子又会使流体流速很低时，为了提高换热系数，可采用多管程换热器，在管箱中增置苦干与管子中心线平行的隔板，将管束分为顺次串联的若干个组，这样可在同样流量和传热面积下减小管程流通面积，提高了流速和对流换热强度。管程多达16层，一般限于8-10层，奇数3层，5层结构较少，因为所需隔板较多；偶数的2层，4层结构用得较多78。多管程的缺点：结构复杂，流速穿过隔板垫片短路机会增多，隔板所占去的位置在壳程会形成没有管子占据的走廊，也会造成壳程流体短路旁通而不利于传热7。本设备采用壳方单程，管方双程的12型换热器。由于换热器尺寸不太大，可以用一台，未考虑采用多台组合使用，管程分程隔板采取2管程结构7。图3-3 管程结构3.3 管板设计管板的作用是固定作为传热面的管束，并作为换热器两端的间壁将管程和壳程流体分隔开来。管板直径与壳体直径一致。管板厚度与材料强度、介质压力、温度和压差、温差以及管子外壳的固定方式和受力状况因素有关。管板与壳体的连接有可拆和不可拆两种，固定管板式常用不可拆连接，两端管板直接在外壳上并伸出壳体圆周之外兼作法兰。浮头式，U形管式等壳程清洗方便，常将管板夹在壳体法兰和顶盖法兰之间构成可拆连接结构。可拆式管板，因管束经常需要清洗、维修，所以管板与壳体法兰之间不采用焊接连接，而做成可拆形式，固定在壳体法兰与管箱法兰之间，其夹持形式如图3-4： 3-4 管板与法兰夹持形式3.4 折流板设计壳程空间的截面积比壳程的流通截面积大，为了增大壳程流体的流速设置折流板，同时由于壳程流体的流动方向垂直于管束中心线方向，也可增大壳程流体的传热系数。本设备选用了弓形折流板。弓形折流板的圆缺口大小和间距是影响传热效果和压降的两个重要因素，弓形折流板的安装固定是通过拉杆和定距管来实现的。折流板的圆缺高度应使缺口处流通截面与两折流板间的流通截面接近，以避免流通截面变化的压降，一般无相变时推荐-25%，大于，效果降低，小于，则阻塞流通；无相变时，切去面积通常为25%，冷却时切去50%，蒸发时切去45%7。本设计弓形折流板的弓形缺口高度为25%。卧式换热器设置弓形折流板时，其圆缺的切口方向应考虑为：(1)水平切口：宜用于单相流体，液体中有少量气或汽时，应在上。折流板上方考虑为：开小孔或缺口；气中带有少量液体时，则应在下折流板的下方开小孔或缺口。上述开口排气或泄液措施会造成流体旁通泄漏，应尽量避免采用。(2)垂直切口：宜用于两相流体及带固体的液体，最低处应留孔。(3)倾斜切口：对正方直列的管束，加与水平面成的倾斜口折流板可使流体横过正方形错列管束流动，有利于传热，但不适于脏污流体7。 本设备采用水平方向布置。这样可以造成液体剧烈扰动，增大传热系数。折流板的管孔大小对传热性能，机械性能和加工制造影响很大。因此管孔的确定很重要。若管孔过大，壳程流体从间隙走短路，影响传热效果。而且间隙过大，管孔对管子的约束作用小，容易引起管束的震动损坏。但间隙太小，又会给穿管带来困难，因而根据GB1511999对于的管子，管孔直径为25.8mm，允许差为+0.40mm220。折流板的厚度：横向折流板的厚度与壳体直径和折流板间距有关，且对换热器的震动也有影响。取mm14。折流板间距：弓形折流板的间距一般不应小于壳体内径的五分之一。既700/5=140mm，且不小于50mm。折流板的最大间距不大于1900mm。而前面工艺设计已初定出折流板间距为160mm6。由于弓形折流板第一块和最后一块应在壳程两接管之间。但这样壳程两头死区太大。因而在两接管处增设导流筒。并在两侧增加三块环形折流板，其中靠近浮动管板的环形折流板主要起支承作用，关于环形折流板的计算在后面导流筒处计算。折流板的材料选用Q235。图3-5 折流板3.5 拉杆设计（1）拉杆的数量和规格对于的换热管拉杆直径为16mm7。拉杆数为66，但在保证大于或等于拉杆总截面积的前提下，拉杆直径和数量可以改变。为了对称布置拉杆数选为8根。（2） 拉杆的结构形式拉杆的结构形式有两种：a.拉杆定距结构 b.拉杆与折流图3-6 拉杆定距管结构其中拉杆定距管结构适用于换热管外径大于或等于19mm的管束。故本设备拉杆采用拉杆定距管结构7。（3） 拉杆的布置拉杆的布置应尽量均匀分布在管束的外边缘。3.6 导流筒设计由于管程进出口外管板的距离都比较大，造成一定的死区，使得靠近两端管板的传热面积利用率很低，为了克服这一缺点，可采取导流筒结构，导流筒除有把壳程流体引导管板方向，以消灭死区的作用外，还起缓冲挡板作用。保护管束免受冲击。图3-7 内导流筒结构h一般应大于d/3，既50mm导流筒端部至管板的距离以内感满足使该处的环形流通面积不小于导流筒外侧的流通截面积7。为此选导流筒内径640mm，导流筒厚度为3mm，mm 即 mm,mm但考虑到导流筒外侧流通面积以须小于环形折流板的圆环面积。而环形折流板的内孔有不能开的过大。mm综合考虑取mm, mm而出口端的mm，此处r为环形折流板的内孔半径。3.7 进出口管的设计（1） 管程进出口的设计进出口管的位置对换热器性能有重要的影响，实践表明水平布置的进出口不利于管程流体的均匀分布。使部分传热管不能很好发挥作用。甚至因流速太低而被堵塞，进出口管分布在换热器底部和顶部使流体向上流动比布置在两侧水平流动为佳。进出口管的管径应考虑在压降允许的条件下，按所采用的流速来确定。 其中：冷却水密度进出口管水的流速取=1800得进出口流通面积为： （3-1）故进出口管内径m （3-2）根据标准取管程进出口管外径为159mm（2） 壳程进出口管的设计壳程接管设计的优劣对管束寿命影响较大。壳程流体入口横向冲刷管束，对管束产生磨损和振动，当流速高特别是含固体颗粒时尤为严重。本设备在进出口管处加装导流筒可起缓冲作用，保护管束不受冲击。同时能引导流体垂直地流过管子端部，使传热改善。3m/s （3-3）故壳程进出口最小流通截面积：因此壳程进出口管内径：m （3-4）根据标准取壳程进出口管外径为159mm。3.8 支座设计由于本浮头式换热器为卧式容器，故选用鞍式支座。筒节总长mm，两支座间的距离，且支座距筒节两端距离。最好。综上取mm。但。在接管处补强从而避免了扁塌现象。mm两个鞍式支座一个为固定鞍式支座，一个为活动鞍式支座且活动鞍式支座安装在靠浮头那一侧。为了防止热膨胀对设备造成的附加应力，支座采用组合式的双鞍式支座，即使活动支座的地脚螺栓孔开成长圆孔，为保证活动支座可以在基准面上自由滑动，螺母拧紧后倒转一周，然后用另一个螺母拧紧。选用120包角重型带垫板鞍式支座。鞍式支座材料为Q2356。 第4章 换热器的强度计算4.1 筒体计算4.1.1 筒体厚度的计算（1）计算条件：计算压力：=1.60MPa内径:=500.00mm材料：16MNR(热轧)（板材）试验温度许用应力：=170.00MPa设计温度许用应力：=170.00MPa试验温度下的屈服点：=170.00MPa钢板负偏差:=0.00mm腐蚀余量：根据所选取用的钢板材料以及流体性质在此选用腐蚀余量：2.00mm焊接接头系数：此处焊接接头采用相当于双面焊的全熔透焊接接头，局部无损检测，即取=0.85 （2）厚度及重量计算 计算厚度:= （4-1）在此壁厚条件下换热器可取的最小厚度为8.0mm9,所以取有效厚度： （4-2）重量：563.85kg（3）压力实验时的应力校核 压力实验类型：液压试验试验压力值： MPa （4-4）- 压力试验允许通过的应力水平：试验压力下圆筒的应力： （4-5）校核条件：校验结果：合格（4）压力及应力计算最大允许的工作压力： （4-6）设计温度下的计算压力：校核条件结论：合格（5）筒体开孔补强计算筒体补强设计条件：设计压力设计温度 筒 体 名义厚度 开孔的接管厚度附加量筒体，接管C均取2mm 接管外伸高度mm筒体； 补强及补强方法判别：补强判别：允许不另行补强的最大接管外径为9，本设计开孔外径等于159，故需考虑其另行补强。补强计算方法判别：开孔直径：本设计开孔直径满足等面积法开孔补强计算的适用条件，故可用等面积法进行开孔补强计算。开孔补强所需面积筒体厚度计算： （4-7）开孔所需补强面积计算：有效宽度B的确定：B=2d=2 取其大者 即B=308有效高度：外侧有效高度的确定： = （4-8） mm（实际外伸高度）取小值，故 内侧有效高度的确定： （实际外伸高度）取小值，故。筒体有效厚度筒体多余金属面积为 （4-9）接管计算厚度： （4-10）接管多余金属面积计算 （4-11）补强区焊缝面积（焊角取10） 有效补强面积所需补强面积 (4-12)为负值表示该开孔无需另行补强不过考虑到本开孔直径较大，工程设计中往往也可以考滤设计补强圈，补强圈厚度可取壳体的厚度。4.1.2 换热器管板的设计（1）设计条件壳程设计压力：MPa管程设计压力：MPa壳程设计温度:管程设计温度:换热管公称直径:mm壳程腐蚀余量:mm管程腐蚀余量:mm换热器使用场合：一般场合换热器与管板连接方式（胀接或焊接）采用焊接（2） 初始数据管板（名称及类型）：16Mn（锻件）输入管板名义厚度：mm管板强度削热系数：隔板槽面积：mm2换热器与管板胀接长度或焊接高度mm设计温度下管板材料弹性模量MPa设计温度下管板材料的许用应力MPa许用脱拉力：MPa壳程侧结构槽深：mm管程侧结构槽深：mm换热管：材料名称：109（热轧）换热管外径：mm换热管壁厚：mm换热管根数:根换热管中心距:mm换热管长mm换热管受压失稳当量长度mm设计温度下换热管材料弹性模量：MPa设计温度下换热管材料屈服点：MPa设计温度下换热管材料许用应力：MPa垫片：垫片外径：mm垫片内径：mm 垫片厚度：mm-垫片压紧力作用中心圆直径：mm垫片材料：金属包垫片压紧面形式：或（3） 系数计算管板布管区面积：单管程正方形排列mm2管板开孔补强后面积：mm2一根换热管管壁金属横截面积：mm2管板布管当量直径mm换热管有效长度：mm管束模数： (4-13)管束无量纲刚度： (4-14)无量纲压力： (4-15)系数： 系数C：按和查图得：系数按和查图得：=系数： =系数： 换热管回转半径：mm换热管稳定许用应力：MPa（4）最小管板厚度计算确定管板设计压力：MPa管板最小厚度：计算厚度：mm设计厚度：mm管板厚度校核：合格（5） 换热管轴向应力计算及校核壳程设计压力，管程设计压力MPa且所以计算合格管程设计压力壳程设计压力MPa，且所以计算合格。（6）换热管与管板连接拉脱力计算及校核拉脱胎力MPa重量：kg校核：合格4.2 前端管箱的计算4.2.1 前端管箱筒体的计算（1）计算条件计算压力：Pc=1.6MPa设计温度： 内径：Di=500.00mm材料16MnR(热轧)（板材）实验温度许用应力：设计温度下许用应力：设计温度下屈服点：MPa钢板负偏差:mm腐蚀余负量：mm焊接接头系数： （2） 厚度及重量计算计算厚度：mm (4-16)有效厚度：mm （4-17）名义厚度：mm重量：kg （3）压力试验时应力校核压力试验类型：液压试验（水）试验压力值：MPa压力试验允许通过的压力水平：MPa （4-18）试验压力下圆筒的应力：MPa校核条件：校核结果：合格（4）压力及应力计算最大允许工作压力:MPa （4-19)设计温度下计算应力:MPa （4-20）MPa校核条件校核结果：合格（5）开孔补强计算筒体补强设计条件：设计压力MPa, 设计温度，筒体mm，名义厚度mm,开孔补强的接管厚度附加量。筒体，接管均取mm。接管外伸高度mm材料：筒体：MnR MPa接管：20（GB 8163）管材：MPa补强圈：MnR 补强圈及补强方法判别。补强判别：允许不另行补强的最大接管外径为mm10，故考虑其另行补强。补强计算方法判别：开孔直径mm本开孔直径mm6.4mm所以mm垫片压紧力作用中心圆直径mm垫片压紧力：预紧状态需要的最小垫片压紧力计算：N操作状态需要的最小垫片压紧力计算：N垫片宽度校核：mm (4-27)其中mm2mm6.66mm满足要求。（3）螺栓设计螺栓材料及许用应力：螺栓采用CoMoA，MPa，MPa11螺栓载荷：预紧状态需要的最小螺栓载荷计算：N (4-28)操作状态需要的最小螺栓载荷计算：N (4-29)螺栓面积：MPa预紧状态下需要的最小螺栓面积计算：mm2 (4-30)操作状态需要的最小螺栓面积计算：mm2 需要的螺栓面积：mm2螺栓配置：螺栓规格：（长颈对焊兰）与后端箱体配合10，取的螺栓，数量个，其螺纹最小截面积234.9mm2，所以螺栓总截面积 mm2螺栓间距：取mm,法兰锥径大端厚度取至，在此设mm实际间距：mm最小间距：mm最大间距：mm17螺栓设计载荷：预紧状态螺栓设计载荷计算：N (4-31)操作状态螺栓设计载荷计算：N（4）法兰设计法兰材料：法兰材料选用16Mn，MPa，MPa10法兰力矩：载荷：NNN力臂：mm式中 mmmmmm力距： 法兰设计力矩：法兰设计力矩取以下二者之大者Nmm所以取形状参数：mm (4-32)其中mm8 11，11 法兰厚度计算：假设：mm 法兰应力：MPaMPa应力校核： MPaMPaMPaMPaMPaMPa所以校核合格法兰刚度厚度：取mm满足要求4.4 带法兰无折边球形封头及法兰（1）设计条件计算压力：MPa设计温度：封头名义厚度：mm封头腐蚀裕量：mm封头材料：16MnR（热轧）法兰厚度：mm材料名称：Mn许用应力：MPaMPa螺栓材料名称：许用应力：MPaMPa公称直径： mm数量20个垫片：选用金属包垫片10。压紧面形状： 凹凸面垫片： MPa mm mm mm 垫片内径+垫片外径/2mm 垫片外径-2所以 mm结构尺寸：mm mm mm mmmm（2）封头厚度计算MPa MPa许用内压或外压：MPa结论：封头计算合格（3）螺栓受力计算预紧力状态下需要的最小螺栓载荷：N (4-33)操作状态下需要的最螺栓载荷：N所需螺栓总截面积： (4-34) (4-35)取其中最大者实际使用螺栓总截面积：N (4-36)式中 mm（4）操作情况下法兰受力受力NNNN力臂：mmmmmmmm力矩：所以操作情况下总力矩：预紧情况下法兰受力：N力矩：MPa（5）计算结果mm (4-37)预紧状态下：mm2操作状态下：mm2 (4-38)和两倍封头，名义厚度中大者mm经校核均合格（6）钩圈计算材料：16Mn 类型：B型设计温度下的许用应力；135MPamm 4.5 设备计算尺寸壳程设计压力：MPa管程设计压力：MPa壳程设计温度：管程设计温度：筒体： 筒体公称直径：mm浮头式换热器筒体最小厚度：mm筒体名义厚度：mm校核：合格筒体法兰厚度：mm校核：合格前端管箱：前端管箱筒体名义厚度：mm校核：合格前端管箱封头名义厚度：mm 校核：合格前端管箱法兰厚度：mm 校核：合格带法兰凸形封头名义厚度：mm校核：合格法兰： 法兰设计厚度：mm钩圈： 钩圈设计厚度：mm校核：合格管板： 管板名义厚度：校核：合格。 第5章 水压试验5.1 试验压力的确定容器制造完成后，须进行压力试验，一般为液压试验，试验液体一般采用水，需要时也可采用不会导致发生危险的其他液体试验时液体的温度应低于其闪点或沸点。检查容器在超工作压力情况下的宏观强度。包括检查材料的缺陷，容器各部分的变形，焊缝强度及法兰密封等11。本试验所用介质为水。 5.1.1 壳程根据水压试验压力公式：式中 水压试验压力设计压力 1.6MPa200以下，16MnR的=170MPa=1=1.251.6=2MPa5.1.2 管程由第三章强度计算可知，m=2的标准椭圆形封头的许用压力MPa，对于壳程的试验压力，所以进行壳程水压试验时，管程不需打压，无折边球形封头在MPa的压力下不会失稳。管程试验压力MPa。但为检验标准椭圆形封头与换热管的焊缝性能，本试验选择壳程试验压力=2MPa。5.2 水压试验的注意事项试验温度液压试验时液体温度不得低于15，如果由于板厚等因素造成材料无延性转变温度升高，则需相应提高试验液体温度。试验时，水压应缓慢上升，至规定试验压力的10%，且不超过0.05MPa时，保压5分钟，然后对焊缝和连接，部位进行初次泄露检查，如发现泄露应立即放水修补，修补后重复上述过程。初次泄露检查合格后，再缓慢升压至规定试验压力的50%，然后按每级为规定试验压力的10%的级差逐级增至规定的试验压力，保压30分钟后降压至规定试验压力的80%，并保持足够长时间，再进行泄露检查，如发现泄露立即放水修补，修补后重复上述过程，直到合格为止。5.3 水压试验的过程与步骤5.3.1 壳程水压试验本试验主要检查管子和管板连接的可靠性及筒体的质量。步骤：（1）拆掉左管箱、钩圈以及浮头盖。（2）将右箱换以特殊部件试压环与筒体法兰相配合，并用密封垫圈加以密封。（3）将左管箱换以夹具法兰。（4）密封壳程出口管，并在其密封盖上加装压力表。（5）从壳程进口通入试验水，按上述方法进行操作。（6）水压试验进行过程中，筒体和管板外表面均应保持干燥。5.3.2 管程水压试验本试验主要检查管箱、浮头连接处的密封和强度的可靠性。步骤：(1)拆下试验1所用的夹具法兰、长颈法兰、压盖、法兰圈，然后装上左管箱、钩圈、浮头盖。用盲板盖住管程出口管，并安装压力表。(2)从管程进水管通入试验水，按上述方法进行操
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