毕业设计（论文）-二甲胺固定管板式换热器设计【全套图纸】.doc

齐齐哈尔大学毕业设计（论文）摘 要换热器是进行热交换操作的通用工艺设备。广泛应用于化工、石油、石油化工、电力、轻工、冶金、原子能、造船、航空、供热等工业部门中。特别是石油炼制和化学加工装置中，占有极其重要的地位。固定管板式换热器的结构简单、制造方便、能承受较高的压力、造价低；但是材料的利用率不高。该设计主要是根据GB150和GB151采用常规设计法设计的.对固定管板式换热器的进行工艺计算和结构设计;在工艺计算中,确定换热器总传热系数K,进行传热能力核算，再对传热管和壳体壁温的核算，最后进行换热器内流体阻力的计算;在结构设计中,分别对筒体、固定管板、管箱、封头和折流板等部件的设计和选取;在强度校核中,根据GB151中的方法对管板法兰和管板法兰及换热管连接处的强度计算,分别计算连接处各种应力单独作用时对管板或壳壁或换热器的影响，然后计算各个应力的强度削弱系数、刚度削弱系数，并分别对各个应力进行校核;对换热器进行优化设计,解决换热器设计中多目标之间相互矛盾的问题，提高材料的利用率，增强换热效果,使该换热器具有较强的适应性，更具有广阔的发展前景。关键词：固定管板式换热器、工艺计算、结构设计、强度校核、固定管板、换热管、折流板；全套图纸，加153893706AbstractHeat exchanger for heat exchange operation is a common process equipment. Widely used in chemical, petroleum, petrochemical, power, light industry, metallurgy, nuclear energy, shipbuilding, aviation, heating and other industrial sectors. Especially in the petroleum refining and chemical processing equipment, an extremely important position. Fixed-plate heat exchanger tube, its simple structure, convenience, can withstand high pressure, low-cost; but the utilization rate of materials is not high.The design is based mainly GB150 and GB151 design using conventional design. For fixed tube plate heat exchanger to the process of calculation and structural design; In the calculation process to determine the heat exchanger total heat transfer coefficient K, accounting for heat transfer capacity , and then on the tube and shell heat transfer wall temperature of the accounts; the finally, heat exchanger to the cal- culation of the fluid resistance; In structural design of the cylinder, respectively, fixed tube sheet, pipe boxes, head and baffle components, such as design and selection; in strength checking, according to the method GB151 tube plate and tube plate flange flange and the intensity of heat exchange tube junction, the junction were calculated separately the role of various stress on the tube plate or shell wall or the impact of heat exchanger, and then calculate the strength of the various stress factors weaken, undermine the coefficient of stiffness and stress, respectively, for each check; To optimize the design of heat exchangers, heat exchanger design to solve multi-objective contradictions between the problems, improve the utilization of materials to enhance heat transfer effects, so that the heat exchanger has a widely adaptability, there are broad prospects for development.Key words: Fixed-plate heat exchanger tube、process calculation、 structural design、 strength calculation、Fixed tube sheet; Tube; Baffle board;目录摘 要IAbstractII第1章 绪论11.1 选题背景和意义11.2 国内外研究现状1第2章 设计方案论证32.1 选择换热器的类型32.2 流程安排32.3 换热器设计温度和允许压力降的确定32.3.1 换热器设计温度的的确定32.3.2换热器允许压力降的确定42.4 设计任务书4第3章 工艺计算53.1 确定物料的物性数据53.1.1 二甲胺和冷却水的物性数据53.2估算传热面积53.2.1 换热器的热负荷53.2.2换热器的冷却剂用量53.2.3 换热器的平均传热温差63.2.4 换热器的传热面积63.3 换热器的工艺结构尺寸63.3.1 管径和管内流速63.3.2 选取管长、确定管程数和总管数73.3.3 平均传热温差校正及壳程数73.3.4 传热管排列和分程方法83.3.5 壳体内径93.3.6折流板的选取93.3.7拉杆直径和数量103.3.8防冲挡板103.3.9 接管113.4 换热器核算113.4.1 传热能力的核算113.4.2 壁温核算143.4.3 换热器内流体的流动阻力143.5 换热器主要结构尺寸和计算结果表17第4章 强度计算184.1 主要受压元件材料及物性数据184.2 换热器壳体设计及校核184.2.1 设计参数的确定184.2.2 强度计算194.2.3 壳体的水压试验194.3 换热器管箱设计及强度校核204.3.1 设计参数的确定204.3.2 强度计算204.3.3 管箱的水压试验214.4 换热器封头设计及校核224.4.1 选择封头种类224.4.2 确定焊缝系数224.4.3 初步选择材料224.4.4 强度计算224.4.5 封头的直边高度234.5 开口补强计算234.5.1 物料进出口管补强计算234.5.2 排气、排污管补强254.6 管板计算254.6.1 换热管许用应力254.6.2 面积计算264.6.3 力矩计算274.7 各种可能情况下的应力校核324.7.1 只有壳程设计压力Ps而管程设计压力Pt=0324.7.2 只有管程设计压力Pt而管程设计压力Ps=035第5章 换热器的结构设计385.1 接管的设计385.1.1 接管外伸长度385.1.2 接管的位置385.1.3 接管与筒体、管箱壳体连接的结构型式395.2 管板与换热管395.2.1 管板395.2.2 换热管405.3 其它各部件的结构405.3.1 折流板405.3.2 防冲板405.3.3 拉杆与定距管415.3.4 防短路结构41第6章 密封元件及鞍座的选取436.1 接管法兰的选取436.2 鞍座的选择43第7章 换热管制造的技术要求46结 论47参考文献48致 谢4951第1章 绪论1.1 选题背景和意义换热器是进行热交换操作的通用工艺设备。广泛应用于化工、石油、石油化工、电力、轻工、冶金、原子能、造船、航空、供热等工业部门中。特别是在石油炼制和化学加工装置中，占有极其重要的地位。据统计,在现代化学工业中所用的换热器的投资约占设备总投资的30,在炼油厂中换热器占全部总投资的40左右,海水淡化工艺装置则几乎全部是由换热器组成。换热设备的研究备受世界各国政府及研究机构的高度重视，在全世界第一次能源危机爆发以来，各国都在下大力量寻求在节约能源上研究新途径，有效提高了能源利用率。使企业成本降低，效益提高，取得非常显著的经济效益和社会效益，大大缓解了能源的紧张状况。固定管板式换热器的管束连接在管板上，管板与壳体焊接。其结构简单、制造方便、能承受较高的压力、造价低；但材料的利用率不高，特别是靠近管板端的流体换热基本上处于停滞状态另外对于管壳程温差较大的工况,其壳程筒体、换热管及管板等受压元件上会产生较大的温差应力，常常使换热器强度设计时应力校核不合格,而不得不增设膨胀节或改用其它形式的换热器,这样不但增加了制造的难度,同时也提高了设备的造价。本设计严格按照GB151-1999标准的要求，结合石油、化工、制药、食品等行业实际而进行优化设计的，解决了换热器设计中多目标之间相互矛盾的问题，以及提高了材料的利用率，增强了换热效果，节省了材料。本换热器适用性强，用途广泛，具有广阔的发展前景。1.2 国内外研究现状在现在的研究方向主要有：物性模拟研究；分析设计的研究；大型化及能耗研究；强化传热技术研究；新材料研究；控制结垢及腐蚀的研究等。国内各研究机构和高等院校研究成果不段推陈出新。在强化传热元件方面华南哩工大学相继开发出表面多孔管、螺旋槽管、波纹管、纵横管等；天津大学在流路分析法、振动等方面研究成果显著；清华大学在板片传热方面有深入研究；重庆建工学院开发出翅管换热器；在强度软件方面化工设备设计技术中心站开发出SW6；在液压胀管方面江苏化工学院开发出液压胀管器；一换热器起家的兰州石油机械研究所率先开发出板式换热器、板式冷凝器、板式蒸发器等等一批实用价值的系列高效换热器，近年来有在强度软件上开发出Lansys PV,在CAD软件上开发出浮头式换热器Lansys HF,等等。这些技术成果为国民经济的快速发展，为中国炼油、化工工业的发展起到决定作用。美国传热研究公司（HTRI）取得了大量的研究成果，积累了换热器设计的丰富经验，在传热机理、两相流、振动、污垢、模拟及测试技术方面作出了巨大贡献。近年来，该公司在计算机应用软件开发上发展很快，所开发的网络优化软件、各种换热器工艺设计软件计算精度准确，不仅节省了人力，提高了效率，而且提高了技术经济性能。英国传热及流体服务中心（HTFS）长期从事传热与流体课题的研究，所积累的经验和研究成果不仅广泛用于原子能工业，而且用于一般工业。它最大的特点是与各大学和企业合作，进行专门的课题研究，研究成果显著。在传热与流体计算上更精确，开发的HTFS、TASC各类换热器微机计算软件备受欢迎。第2章 设计方案论证2.1 选择换热器的类型二甲胺、无色易燃气体或液体，高浓度的带有氨味，低浓度的有烂鱼味，有腐蚀性，熔点92.2oC，沸点6.9 oC，相对密度（水=1）为0.68；相对密度（空气=1）为1.55；蒸汽压202.65 KPa /10 oC；闪点17.8 oC；易溶于水；溶于乙醇、乙醚；稳定；有毒；两流体的温度变化情况：热流体进口温度：49.96 oC；出口温度：49.96 oC；冷流体进口温度： 33 oC； 出口温度：43 oC；根据二甲胺的性质，选用适合温差不大，结构简单，造价低而且每根管子内侧都能进行清洗，壳程结垢不严重或能用化学清洗的换热器，该换热器用循环冷却水冷却，即使冬季操作时，其进口温度有所降低，但换热器的管壁温度和壳壁温度之差也不是很大，因此选择固定管板式换热器。2.2 流程安排在换热器中，两流体以相反方向流动，成为逆流；若以相同的方向流动，成为并流；若两流体均为变温传热时，且两流体进、出口温度各自相同的条件下，逆流时的平均温差最大，并流时的平均温差最小，其他流向的平均温差介于逆流和并流两者之间，因此就传热推动力而言，逆流优于并流和其他流动形式，当换热器的传热量Q及总传热系数k一定时，采用逆流操作，所需的换热器传热面积较小。逆流的另一个优点是可节省加热介质或冷却水介质的用量。由于循环冷却水相对二甲胺较易结垢，若其流速太低将会加快污垢增长速度，使换热器的传热速率下降，所以从总体考虑应使循环水走管程，二甲胺走壳程。2.3 换热器设计温度和允许压力降的确定2.3.1 换热器设计温度的的确定按换热器的设计温度应高于最大使用温度，一般高出20 oC。但在检修过程中壳程空间需要蒸汽置换，因材换热器的最大使用温度要老驴到壳体置换时的蒸汽温度。由于一般置换时使用水蒸气作为介质，因此本文换热器壳体的设计温度为120 oC。管程介质为水，最大使用温度为43 oC，故本文选取管程的设计温度为7 0oC 。2.3.2换热器允许压力降的确定流体流经换热器，其阻力应在允许的数值范围内。如果流动阻力过大，则应进行修正设计。一般情况下，流体流经换热器的阻力为104105Pa。允许的流体阻力与换热器的操作压力有关，操作压力大，允许流动阻力可相应大一些。查表可知：本设计的管程和壳程的设计压力分别为0.6MPa和0.9MPa，则允许压力降为0.05MPa。管程和壳程的压力降必须小于允许的压力降。2.4 设计任务书经换热设备后，热流介质二甲胺温度由49.96 oC、0.9MPa的气态，变化到出口时的液态，由于入口温度即为二甲胺的沸点，交换的热量为介质的汽化潜热，二甲胺出口温度为49.96 oC。冷流体介质为水，水的入口温度为33 oC，吸收热量后出口温度为43 oC。因此本文的冷热流体介质的温度为：二甲胺入口：49.96 oC，汽相；二甲胺出口：49.96 oC，液相；冷却水入口：33 oC；冷却水出口：43 oC；第3章 工艺计算3.1 确定物料的物性数据3.1.1 二甲胺和冷却水的物性数据二甲胺温度由49.96 oC、0.9MPa冷凝，冷却水温度由33 oC升高至43 oC、压力为0.6MPa。其余参数如下表表3-1 二甲胺及水的物理参数参数二甲胺水进口出口进口出口比热C/kJ/(kg. oC)1.7853.6654.174密度/kg/m39.517620.11000998粘度/mPaS0.00970.1410.653汽化潜热/kJ/kg78844.2导热系数/W/m oC0.01870.2080.6340.6343.2估算传热面积3.2.1 换热器的热负荷对于有相变的纯饱和蒸汽冷凝过程则依冷凝量和冷凝蒸汽和汽化潜热确定：式中 ： 蒸汽冷凝量，kg/h； 饱和蒸汽的汽化潜热，kJ/kg； 热负荷，kJ/h；3.2.2换热器的冷却剂用量在实际的设计中，为可靠起见，常可忽略热损失，以下式计算冷却剂的用量：式中： 冷却剂用量，kg/h； 冷却剂热容，kJ/kg.oC； 冷却剂进出口温度的变化，oC；3.2.3 换热器的平均传热温差对于逆流，平均传热温差为 ：3.2.4 换热器的传热面积由于壳程流体压力不高，故可取较大的K值。假设K=650w/m2 oC则估算的传热面积为：3.3 换热器的工艺结构尺寸3.3.1 管径和管内流速我国目前试用的管壳式换热器系列标准中仅有25mm2.5mm，及19mm2mm两种规格的管子，采用小管径可使单位体积的传热面积增大，结构紧凑，金属消耗量减少，传热系数提高，而且二甲胺的粘度小，不易结垢，所以换热器选取19mm2mm的管子（材料是不锈钢）。取管内流速为3.3.2 选取管长、确定管程数和总管数可根据传热管内径和流速确定单程传热管数：式中：n单程管子数目； V管程流体的体积流量，m2/s； di传热管内径，m； u管内流体流速，m/s；按单程换热管计算所得的管子长度如下：L按单程计算的管子长度，m；按单管程设计，传热管过长，宜采用多管程结构，采用GB15189推荐使用的标准，取管长为，所以该换热器的管程数：传热管总根数：3.3.3 平均传热温差校正及壳程数根据文献15得平均传热温差校正系数：式中： 热流体进、出口温度，； 冷流体进、出口温度，；按单壳程、双管程查文献2中图得：平均传热温差：3.3.4 传热管排列和分程方法对于多管程换热器，常采用组合排列方法，每一程内都采用正三角形排列，而在各程之间为了便于安装隔板，采用正方形排列。因为所需管子数很多，所以采用组合排列方法，如图3-1所示，换热管中心距由表查得：表3-2 换热管中心距换热管外径d01214192532384557换热管中心距1619253240485772由表中可取换热管的中心距t=25mm；隔板中心到离其最近一排管中心距离：各程相邻管的管心距为：图31 换热管组合排列管程的分程方法采用平行方式，其前后管箱中隔板形式和介质流通顺序见图3-2所示：流动顺序 管箱隔板 介质返回侧隔板图3-2 隔板及流通顺序图3.3.5 壳体内径换热器壳体内径取决于传热管数、管心距和传热管的排列方式。多管程换热器壳体的内径还和管程数有关，根据文献15可用下式近似估算：式中：管板利用率，取 ；按文献1查得卷制壳体的进级挡，可取D=1400mm；3.3.6折流板的选取采用弓形折流板，取弓形折流板圆缺高度为壳体内径的25%，则切去的圆缺高度为：故可取h=350mm；折流板间距B为：取折流板间距B=0.3D，则 故可取B=450mm；折流板数 ：折流板圆缺面水平装配。3.3.7拉杆直径和数量拉杆的直径和数量与换热器壳体直径有关可查表：表3-3 拉杆直径与拉杆数壳体直径mm拉杆直径mm最少拉杆数200500104273,400,500,600124800,1000126120012812501210本换热器壳体内径为1400mm，故查表可得拉杆直径为12mm，拉杆数量不得少于10个。 3.3.8防冲挡板壳体入口处应设防冲挡板，其结构如图 图33 防冲挡板3.3.9 接管1、壳程流体进出口接管取接管内流体流速：u1=15m/s,则接管内径D1为：2、管程流体进出口接管取接管内流体流速：u2=2m/s,则接管内径D2为：圆整后，取壳程流体进、出口接管规格为2968mm，取管程流体进、出口接管规格为2968mm。3.4 换热器核算3.4.1 传热能力的核算1.管程流体传热膜系数管程为流体无相变传热，根据文献2得管程流体流通截面积：管程流体流速：雷诺数：此流动为湍流。普兰特数：管程流体传热膜系数： 2.壳程流体传热膜系数壳程为饱和蒸汽冷凝时，水平管束冷凝的冷凝传热膜系数如下：式中：为无量纲冷凝表面传热系数； 为冷凝表面传热系数，w/(m2.k)； 上面两公式仅仅适用于液膜沿管壁呈层流流动，即要求上式中：m为冷凝液的质量流量，kg/s； l为传热管的长度，m； ns为当量管数；当量管数ns与传热管布管方式及总管数有关，可用下式求得：因为Re2000，故可以用上述两个公式计算水平管束冷凝表面的传热系数：即：3、污垢热阻和管壁热阻查文献2得：传热管外侧污垢热阻 R0=0.000172m2.0C/w；传热管内侧污垢热阻 Ri=0.0006m2.0C/w；查文献2得：不锈钢在该条件下的导热系数约为16w/m. 0C；则管壁热阻取决于传热管壁厚和材料，其值为：4、总传热系数5、传热面积裕度实际所需要的传热面积An为：该换热器的实际传热面积：换热器的面积裕度H为：为保证换热器操作的可靠性，换热器的面积裕度为15%20%，由结果可知，本文设计的二甲胺换热器满足热流量的要求。3.4.2 壁温核算计算温差应力、检验所选换热器的形式是否需要加设温度补偿装置等均需要校核壁温。考虑到污垢热阻的影响，根据传热方程有：（按两侧污垢热阻力为零计算）得：壳体壁温，可近似取为壳程流体的平均温度即T=49.96oC壳程壁温和传热管壁温之差为t=49.96-42.95=7.01 oC该温差非常小，因此不需要设置温度补偿装置。3.4.3 换热器内流体的流动阻力1.管程流动阻力式中：由前面可知，Ns=1；Np=4；Fs可近似取为1.5；其中直管部分的阻力和局部阻力可分别计算如下：并由Re=300924000（为湍流），换热管相对粗糙度：查文献9管程摩莫狄图得：式中：由前面可知，管壳压力降小于许可压力降，故管程流体阻力在允许范围之内。2、 壳程流动阻力埃索法的计算阻力公式为：式中：取垢层校正系数为Fs=1.00, Ns=1；其中：其中：NT为每一壳程的管子总数； NB为折流板数目； B为折流板间距； D为换热器壳体内径； u0为壳程流体横过管束的最小流速； F为管子排列方式对阻力的影响，取F=0.5； f0 为壳程流体的摩擦因子；代入数据计算壳程流动面积：壳程气体流速uo及Re0:因为Re0500，故可以用下面的公式计算壳程流动摩擦系数；壳程为冷凝传热，可设置NB=13个折流板，防止管束振动，取折挡流板间距B=420mm；壳程压降为：壳程压力降小于许可压力降，因此壳程阻力满足要求；3.5 换热器主要结构尺寸和计算结果表表3-4 换热器主要尺寸和计算结果表参数管程壳程流量kg/h4.251052250温度 进/出33/4349.96/49.96压力 MPa0.60.9比热容 kJ/(kg)进/出4.1741.785/3.665粘度/mPaS 进/出0.6530.0097/0.141普兰特数4.3导热系数 W/(m2)进/出0.634/0.6340.0187/0.208流 速 m/s1.30.41传热膜系数 W/(m2)66585646污垢热阻 (m2)/ W0.00060.000172阻力损失 MPa0.0380.000227表3-5 设备结构参数型式 固定管板式 台数 1壳体内径 mm 1400 壳程数 1管径 mm 192 管心距 mm 25管长 mm 6000 管子排列 正三角形管数目（根） 2056 折流板数（个） 13传热面积 m2 735 折流板距 mm 450管程数 4 材质 不锈钢热负荷 kW 4917传热温差 11.24传热系数 W/(m2) 714面积裕度 % 19.9%第4章 强度计算4.1 主要受压元件材料及物性数据换热器、壳体、管板、钢管材料：不锈钢(0Cr18Ni9)查文献1,1200C设计温度下的许用应力为137MPa；屈服极限s=164.6MPa；换热管的弹性模量为Et=1.937105MPa；壳体的弹性模量为Et=2.049105MPa；管板的弹性模量Et=1.894105MPa；封头、管箱材料：16MnR设计温度为700C的条件下的许用应力为170MPa；在常温下的许用应力为170MPa；屈服极限为s=345MPa；管箱的弹性模量为Eh=2.041105MPa；螺柱材料：35CrMoA+Zn螺栓常温下的需用应力为210MPa；螺栓材料在设计温度下的许用应力为188MPa；规格M2440（数量）螺母材料：30CrMo+Zn垫片厚度：3mm垫片系数：m=2.5比压力：y=69MPa4.2 换热器壳体设计及校核4.2.1 设计参数的确定1、 计算压力Pc的确定由于不考虑液柱静压，所以计算压力近似等于设计压力，即Pc=P=0.9MPa；2、 确定焊缝系数由于考虑了换热器的压力与容积大小，同时又考虑介质的危害程度，因此确定该换热器为一类压力容器，故焊接接头形式采用双面焊对接接头的局部无损检测，故取=0.85；3、 初步选择材料根据应用条件及场合初选不锈钢；4.2.2 强度计算查文献知不锈钢在设计温度为120oC的条件下的许用应力为137MPa，屈服极限为164.6MPa。则壳体的计算厚度为：设计厚度为：取厚度负偏差为C1=0.6mm未圆整名义厚度：根据介质特性及应用条件，将钢板名义厚度向上圆整的：则壳体的有效厚度为：壳体直径由上面可得为1400mm，则壳体的结构如图所示：图4-1 壳体结构4.2.3 壳体的水压试验采用水压试验，水压试验压力为：圆筒的环向应力：因为：故符合强度要求。4.3 换热器管箱设计及强度校核4.3.1 设计参数的确定1、 计算压力Pc的确定由于不考虑液柱静压，所以计算压力近似等于设计压力，即Pc=P=0.6MPa；2、 确定焊缝系数由于考虑了换热器的压力与容积大小，同时又考虑介质的危害程度，因此确定该换热器为一类压力容器，故焊接接头形式采用双面焊对接接头的局部无损检测，故取=0.85；3、 初步选择材料由于管程走水，除管板外，管箱不需要选用防腐蚀的不锈钢材料，因此，选择16MnR；根据选用的材料的性能及介质特性，选腐蚀裕量C2=1.5mm；4.3.2 强度计算查文献知16MnR在设计温度为70oC的条件下的许用应力为170MPa，在常温下的许用应力为170MPa，屈服极限为345MPa。则管箱的计算厚度为：设计厚度为：取厚度负偏差为C1=0.6mm未圆整名义厚度：根据介质特性及应用条件，将管箱名义厚度向上圆整为：则管箱的有效厚度为：则管箱的结构如图所示：图4-2 管箱结构4.3.3 管箱的水压试验采用水压试验，水压试验压力为：得校核试验时管箱的薄膜应力因为：故符合强度要求。4.4 换热器封头设计及校核4.4.1 选择封头种类初步选择制作较简单，成本适中的标准椭圆形封头，可知形状系数k=1；4.4.2 确定焊缝系数由于考虑了换热器的压力与容积大小，同时又考虑介质的危害程度，因此确定该换热器为一类压力容器，故焊接接头形式采用双面焊对接接头的100%无损检测，故取=1.0；4.4.3 初步选择材料根据应用条件及场合不用考虑腐蚀材料，因此初选材料为16MnR；根据选用的材料的性能及介质特性，选腐蚀裕量C2=1.5mm；4.4.4 强度计算查文献知16MnR在设计温度为70oC的条件下的许用应力为170MPa，在常温下的许用应力为170MPa，屈服极限为345MPa。则封头的计算厚度为：设计厚度为：取厚度负偏差为C1=0.6mm未圆整名义厚度：根据介质特性及应用条件，为了便于封头与管箱短圆筒焊接，取钢板名义厚度与管箱短圆筒相同：则封头的有效厚度为：4.4.5 封头的直边高度查标准椭圆形封头知：h=25mm，则封头的形式如图所示：图4-3 封头结构4.5 开口补强计算4.5.1 物料进出口管补强计算1、 补强判别根据文献1，允许不另行补强的最大接管外径为89mm，本开孔的外径为296mm，所以需要计算另行补强。2、 选择补强方法筒体的开孔直径d为：筒体的开孔直径：满足等面积补强方法开孔补强计算适用条件，可用等面积法进行开孔补强计算。3、 开孔所需要的补强面积（1） 封头管箱的计算厚度由前面计算可知封头管箱的计算厚度为2.47mm；（2）开孔所需的补强面积先计算强度削弱系数：接管有效厚度：开孔所需补强面积按式： （3）有效补强面积有效厚度B： 所以有效高度h：外侧有效高度：内侧有效高度：（4）有效补强面积筒体多余金属面积筒体有效厚度为：筒体的多余金属面积A1接管多余金属面积接管计算厚度：接管多余金属面积：接管区焊缝面积（焊脚取6.0mm）有效补强面积因为AeA,所以可以不另行补强。4.5.2 排气、排污管补强由文献1中规定不可另行补强的条件，排气、排污接管均满足不另行补强条件的要求，所以不另行补强。4.6 管板计算4.6.1 换热管许用应力查文献2得换热管的回转半径为i=6.052mm，因为换热管折流板间距450mm查文献2确定换热管受压失稳当量长度lcr=600mm；根据文献2得系数：所以4.6.2 面积计算壳体圆筒内直径横截面积：本节计算公式均来自文献2壳体圆筒内直径横截面积：沿隔板槽一侧的排管根数n=50；管心距s=25mm；隔板槽两侧的相邻管的中心距是38mm；在布管区范围内，因为设置隔板槽和拉杆结构的要求，为能被换热器支撑的面积：管板开孔后的面积为：系数：圆筒壳壁金属横截面积：管板布管区面积：一根换热管管壁金属的横截面积，查文献得2得a=106.81mm2,则换热管管壁金属横截面积：系数：4.6.3 力矩计算管板布管区的当量直径：管板布管区的当量直径与空程圆筒内径之比：管板延长部分形成的凸缘宽度：1、 垫片压紧力作用于中心圆直径DG当b06.4mm时，2、 螺栓载荷预紧状态下需要的最小螺栓载荷：操作状态下需要的最小螺栓载荷：3、 螺栓面积预紧状态下需要的最小螺栓面积操作状态下需要的最小螺栓面积：需要螺柱面积：4、 管程压力操作工况下的法兰力矩Mp螺栓中心至FD作用位置处的径向距离：螺柱中心至FG作用位置处的径向距离：螺柱中心至FT作用位置处的径向距离：作用于法兰内径截面上的流体静压轴向力：法兰垫片压紧力：流体静压总轴向力与作用于法兰内径截面上的流体静压轴向力之差：基本法兰力矩：法兰操作力矩：因为管板的最小厚度hdo； 取h=20mm；查图得2得：管箱圆筒与法兰旋转刚度系数：壳体不带波形膨胀节时，换热管与壳程圆筒的热膨胀变形差=0，传热管束与圆筒刚度比：系数：查文献1得管板的刚度削弱系数=0.4；管板强度削弱系数=0.4；假设管板厚度为64mm；管程腐蚀裕量为1.5mm，壳程腐蚀裕量为0mm；取管板壳程侧焊接结构槽深3mm；取管板管程侧分隔板槽深4mm；管板的有效厚度：管板延长部分兼做法兰的厚度：换热管的有效长度：换热管加强系数：管板周边布管区无量纲宽度：K0时，按K和m由文献2得：得：GliGle系数取：故取Gli=0.48管板布管区周边剪切应力系数：管板径向应力系数：管板布管区周边处径向应力系数：壳体法兰力矩系数：管板径向应力：合格。管板布管区周边径向应力：合格。管板布管区周边剪切应力：合格。壳体法兰应力： 合格。壳程圆筒轴向应力：换热管轴向应力（位于管束周边处换热管轴向应力）合格。换热换与管板的焊脚高度文献2中规定，l=3.0mm；换热管与管板连接的拉脱力：合格。4.7.2 只有管程设计压力Pt而管程设计压力Ps=01、不计入膨胀变形 这时 管程设计压力Pt=0.6MPa；Ps=0MPa当量压力组合：有效压力组合：管程压力操作工况下的法兰力矩系数：管板边缘力矩系数：管板边缘剪切系数：管板总弯矩系数：系数Gl 当m1.3时：得：G1=G1i=0.64管板布管区周边剪切应力系数：管板径向应力系数：管板布管区周边处径向应力系数：壳体法兰力矩系数：管板径向应力：合格。管板布管区周边径向应力： 合格。管板布管区周边剪切应力：合格。壳体法兰应力： 合格。壳程圆筒轴向应力： 合格。换热管轴向应力（位于管束周边处换热管轴向应力） 合格。换热换与管板的焊脚高度文献2中规定，l=3.0mm；换热管与管板连接的拉脱力：合格。第5章 换热器的结构设计5.1 接管的设计在壳体底部放置252.5mm的排液管。在前端管箱顶部设有2968mm的冷却水进口管，在前端壳体顶部设有252.5mm的排气管，在前端管箱底部设有2968mm的冷却水出口管，在壳体的顶部、底部分别设有2968mm的二甲胺的进、出口管，接管材料为不锈钢。5.1.1 接管外伸长度由文献换热器手册可知：二甲胺进出口接管外伸长度L=200mm,冷却水进出口接管的外伸长度L=200mm；排液管和排气管的外伸长度L=150mm；5.1.2 接管的位置为了使换热器的传热面积得到充分利用，壳程物料进出口接管应尽量靠近两端管板，而管箱进出接管尽量靠近管箱法兰，这样可以缩短管箱壳体长度，减轻设备的重量，但是为了保证设备制造，安装，管口距法兰管板和法兰的距离也不能太小。1、 壳程接管的位置根据文献2带补强圈时接管的位置：无补强圈时接管的位置：在本设计中取L1=360mm。2、 管箱接管的位置根据文献2带补强圈时接管的位置：无补强圈时接管的位置：在本设计中取L2=360mm。5.1.3 接管与筒体、管箱壳体连接的结构型式接管与壳体和管箱壳体（包括封头）连接的结构型式均采用插入式焊接结构。接管不得凸出于壳体的内表面。如图5-1所示。图5-1 焊接结构5.2 管板与换热管5.2.1 管板管板结构选择兼作法兰的管板，管板与法兰连接的密封面为凸面，分程隔板拐角处，倒角10450C，具体结构如图52所示：图5-2 管板结构5.2.2 换热管换热管的规格为192mm，由文献1得，其外径偏差为2.0，壁厚偏为，考虑到二甲胺不易结垢，则采用组合排列法，即每程均按三角形排，隔板两侧采用正方形排列，其换热管的管心距为25mm，分程板槽两侧相邻管中Sn=38mm，结构如图5-3所示：图5-3 换热管管心距5.3 其它各部件的结构5.3.1 折流板为了增加换热器的壳程流体的流速，提高壳程的传热膜系数，从而达到提高总传热系数的目的同时为缓解换热管的受力状况和防止流体流动诱发振动，该换热器设置7块竖直弓形折流板。折流板的缺口高度是350mm，厚度为12mm，折流板的管孔直径是，折流板外直径是1400，靠近管板的折流板与管板间距是492mm，折流板间距是420mm。5.3.2 防冲板为防止壳程物料进口处流体直接冲刷换热管表面，在换热器的壳程物料进口管处设置防冲板，其外表面到圆筒内壁距离H为50mm，板长为194mm，其型式如图5-4所示。图5-4 防冲挡板结构图5.3.3 拉杆与定距管该设计采用拉杆定距结构，其尺寸为：拉杆直径为12mm，拉杆螺纹公称直径为12mm，拉杆数量为10根均匀布置于管束的外边缘。如图5-5所示。图5-5 拉杆定距结构图5.3.4 防短路结构在壳程里，由于管束边缘和分程部位都不能排满换热管，会在这些部位会形成旁路。根据文献2:为防止壳程物料从旁路大量短路，从而降低换热效率，所以在管束边缘的适当位置安装旁路挡板。如图5-6所示。图5-6旁路挡板安装图第6章 密封元件及鞍座的选取6.1 接管法兰的选取接管法兰的确定：接管的法兰标准选用HG20615-97 带颈平焊法兰。选用密封类型：凸面。6.2 鞍座的选择1、壳体质量和壳体容积1）壳体质量壳体材料体积为：壳体质量为：2）壳体容积2、封头质量查文献知标准椭圆形封头的数据如下表6-1 封头参数表公称直径mm总深度mm内表面积m2容积m3封头质量kg14003753.26620.3977137.73、管箱质量1）管箱筒体的质量管箱筒体金属体积：管箱筒体质量为：2）管箱容积根据文献5公式计算：4、换热管质量换热管金属体积： 换热管质量为：5、接管质量1）排气、排污接管质量根据文献5中公式计算得，排气、排污接管金属体积为： 排气、排污接管质量：2）物料进出口接管质量物料进出口接管金属体积为： 物料进出口接管质量为：6、 换热器装满水的质量换热器的体积为：装满水的质量为：7、定距管、螺母螺栓等其他小部件的质量估算拉杆、定距管及螺母螺栓的质量为100kg；8、换热器的最大载荷1）设备装满水的总质量为： 2）总载荷为：9、鞍座的选择根据换热器的最大载荷、选择鞍座型号为JB/T4712-92 A-1000-F；第7章 换热管制造的技术要求该换热器按GB150-98、GB151-99、进行制造、检验、验收。该换热器外圆筒体采用埋弧自动焊，焊丝H08C，焊剂431，其余部分采用电弧焊，焊条E4315。该换热器所有焊缝中的B、D类应