四管程浮头换热器毕业设计

1、毕业设计（论文）毕业设计（论文） 题目：四管程浮头式换热器 学 院： 助学单位： 专 业： 过程装备与控制工程 办学形式： 姓 名： 指导教师： 年 月 四管程浮头换热器 摘要摘要 本设计说明书是关于浮头式换热器的设计，主要是进行了换热器的工艺计算、换热器 结 构和强度设计。 换热器是化工、炼油、动力、食品、轻工、原子能、制药、机械及其它许多工业部门广泛 使用的一种通用设备。在目前大型化工及石油化工装置中，采用各种换热的组合，就 能充分合理地利用各种等级的能量，使产品的单位能耗降低，从而降低产品的成 本已获得好的经济效益。因而，在大型化工及石油化工生产过程中，换热器得到 越来越广泛的应用。在化

2、工厂中，换热器所占比例也有了明显提高，成为最重要 的单元设备之一。近二三十年来，化工、石油、轻工等过程工业得到了迅猛发展。因此， 要求提供尺寸小，重量轻、换热能力大的换热设备。在设计过程中，我尽量采用较新的国家标 准，做到既满足设计要求，又使结构优化，降低成本，以提高经济效益为主，力争使产品符合 生产实际需要，适合市场激烈的竞争。同时为了使本次设计能够进行顺利，我在设计前参阅了 许多有关书籍和英文文献，并做了一定量的外文翻译工作。 设计的前半部分主要是对换热器的原理、结构进行的详细的描述，从而进行换热器的选型， 结构设计分析。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

3、 式进行设备内各零部件的设计，如管板、折流板、定距管、钩圈、管箱等。 关键词：关键词：管壳式换热器 、浮头式换热器 、管板 浮头盖 、浮头法兰。 Floating Head Heat Exchanger Design Abstract This design manual is about the floating head heat exchanger design, mainly for the heat exchanger process calculation, heat exchanger design of the structure and strength. Heat exch

4、anger is the chemical, oil refining, power, food, light industry, atomic energy, pharmaceutical, machinery, and other widely used in many industrial sectors as a general- purpose device. The past 23 years, chemical, petroleum, light industry and other process industries have been developing rapidly.

5、 In the design process, I try to use a relatively new national standard, so not only meet the design requirements, but also to structural optimization, cost reduction, mainly to improve economic efficiency, and strive to make the products meet the actual needs of production for the market competitio

6、n. Meanwhile, in order to make this design smoothly carried out, I read a lot before in the design of the books and English literature, and to do a certain amount of foreign language translation work The first part of the design is mainly the principle of heat exchanger, a detailed description of th

7、e structure, which for heat exchanger selection, structure design. The latter part is about the design of the structure and strength of the special heat exchanger, which is mainly to design the parts, such as tube-sheet, baffle plate, distance control, floating cover, tube boxes and so on , based on

8、 the heat exchanger types selected. The paper include: design and calculation, material selection, determining the specific dimensions , determining the exact location, pipe thickness calculation, the floating head cover and floating head flange thickness calculation, the opening reinforcement calcu

9、lation. Finally I draw an assembly map, three parts diagram. Key words: Floating Head Heat Exchanger; Design; Check; 目录 1 说明部分.1 1.1 换热器的概述 .1 1.2 换热器的发展历史.1 1.3 换热器的分类.2 1.3.1 直接接触式换热器.2 1.3.2 蓄热式换热器.2 1.3.3 间壁式换热器.3 1.3.4 中间载热体式换热器.3 1.4 浮头式（或固定管板式或 U 形管式）换热器的介绍.4 1.5 换热器的设计要求.6 1.6 设备制造工艺过程.7 1.7

10、 换热器的选型.8 1.7.1 板型选择 .8 1.7.2 流程和流道的选择 .8 1.7.3 压降校核 .9 1.8 管程结构部件.9 1.9 壳程结构部件.12 2 计算部分 .17 2.1 浮头式换热器筒体的计算 .17 2.1.1 计算条件.17 2.1.2 前端管箱筒体壁厚计算.17 2.1.3 后端管箱筒体壁厚计算.18 2.1.4 壳程筒体壁厚计算 .19 2.2 前后端封头的计算.20 2.2.1 计算条件 .20 2.2.2 前端封头的厚度计算.20 2.2.3 后端封头的厚度计算.21 2.3 管板的计算 .21 2.3.1 符号说明.21 2.3.2 垫片的选择和计算.2

11、2 2.3.3 管板结构参数及系数的确定 .22 2.3.4 换热器的应力校核.24 2.3.5 换热管与管板连接的拉脱力校核 .25 2.4 螺栓的选择及强度校核.25 2.4.1 螺栓的选择 .25 2.4.2 螺栓的强度校核 .26 2.5 法兰的选择.26 2.5.1 法兰的力矩计算.27 2.5.2 法兰的应力校核 .27 2.6 浮头部分的计算.28 2.6.1 球冠形封头计算.28 2.7 开孔补强计算.29 2.7.1 符号说明 .29 2.7.2 补强的判断方法 .30 谢辞 .33 参考文献 .34 1 说明部分 1.1 换热器的概述 换热器是将热流体的部分热量传递给冷流体

12、，使流体温度达到工艺流程规 定的指标的热量交换设备，又称热交换器 1.2 换热器的发展历史 二十世纪 20 年代出现板式换热器，并应用于食品工业。以板代管制成的换热 器，结构紧凑，传热效果好，因此陆续发展为多种形式。 30 年代初，瑞典首次制成螺旋板换热器。接着英国用钎焊法制造出一种由铜 及其合金材料制成的板翅式换热器，用于飞机发动机的散热。30 年代末，瑞典又 制造出第一台板壳式换热器，用于纸浆工厂。在此期间，为了解决强腐蚀性介质 的换热问题，人们对新型材料制成的换热器开始注意。 60 年代左右，由于空间技术和尖端科学的迅速发展，迫切需要各种高效能紧 凑型的换热器，再加上冲压、钎焊和密封等技

13、术的发展，换热器制造工艺得到进 一步完善，从而推动了紧凑型板面式换热器的蓬勃发展和广泛应用。 此外，自 60 年代开始，为了适应高温和高压条件下的换热和节能的需要，典 型的管壳式换热器也得到了进一步的发展。 近二三十年来，化工、石油、轻工等过程工业得到了迅猛发展。能源紧缺已 成为世界性重大问题之一，各工业部分都在大力发展大容量、高性能设备，以减 少设备的投资和运转费用。因此，要求提供尺寸小，重量轻、换热能力大的换热 设备。特别是 20 世纪 70 年代的世界能源危机，加速了当代先进换热技术和节能 技术的发展。世界各国十分重视传热强化和热能回收利用的研究和开发工作，开 发适用于不同工业过程要求的

14、高效能换热设备来提高工业生产经济效益，并取得 了丰硕成果。到目前为止，已研究和开发出多种新的强化传热技术和高效传热元 件。为了强化传在研究和发展热管的基础上又创制出热管式换热器。 1.3 换热器的分类 在工业生产中，由于用途、工作条件和物料特性的不同，出现了各种不同 形式和结构的换热设备。 按作用原理或传热方式分类： 按换热设备热传递原理或传热方式进行分类，可分为以下几种主要形式。 1.3.1 直接接触式换热器 这类换热器又称混合式换热器，它是通过冷、热流体的直接接触、混合进行 热量交换的换热器。如冷却塔、冷却冷凝器等。为增加两流体的接触面积，以达 到充分换热，在设备中常放置填料和栅板，通常采

15、用塔状结构。直接接触式换热 器具有传热效率高、单位容积提供的传热面积大、设备结构简单、价格便宜等优 点，但仅适用于工艺上允许两种流体混合的场所。由于两流体混合换热后必须及 时分离，这类换热器适合于气、液两流体之间的换热。例如，化工厂和发电厂所 用的凉水塔中，热水由上往下喷淋，而冷空气自下而上吸入，在填充物的水膜表 面或飞沫及水滴表面，热水和冷空气相互接触进行换热，热水被冷却，冷空气被 加热，然后依靠两流体本身的密度差得以及时分离。 1.3.2 蓄热式换热器 这类换热器又称回热式换热器。它是借助于由固体(如固体调料或多孔性格子 砖等)构成的蓄热体与热流体和冷流体交替接触，把热量从热流体传递给冷流

16、体的 换热器。在换热器内首先由热流体通过，把热量积蓄在蓄热体中，然后由冷流体 通过，由蓄热体把热量释放给冷流体。由于两种流体交替与蓄热体接触，因此不 可避免地会使两种流体少量混合。若两种流体不允许混合，则不能采用蓄热式换 热器。蓄热式换热器结构紧凑、价格便宜、单体体积传热面积大，故较适合用于 气-气热交换的场合。如炼焦炉下方预热空气的蓄热室。这类换热器主要用于回收 和利用高温废气的热量。以回收冷量为目的的同类设备称蓄冷器，多用于空气分 离装置中。 1.3.3 间壁式换热器 这种换热器又称表面式换热器。它是利用间壁（固体壁面）将进行热交换的 冷、热两种流体隔开，互不接触，热量由热流体通过间壁传递

17、给冷流体的换热器。 间壁式换热器是工业生产中应用最为广泛的换热器，其形式多种多样。 1.3.4 中间载热体式换热器 这类换热器是把两个间壁式换热器由在其中循环的载热体连接起来的换热器。 载热体在高温流体换热器和低温流体换热器之间循环，在高温流体换热器中吸收 热量，在低温流体换热器中把热量释放给低温流体，如热管式换热器。 1 间壁式换热器分类： 间壁式换热器根据传热面的结构不同可分为管式、板面式和其他型式。 (1)管式换热器 这类换热器都是通过管子壁面进行传热的换热器。按传热管的结构形式不同 大致可以分为蛇管式换热器、套管式换热器、管壳式换热器和缠绕管式换热器等。 (2)板面式换热器 此类换热器

18、都是以板面作为传热面，按传热板面的结构形式可分分为以下五 种：螺旋板式换热器、板式换热器、板翅式换热器、板壳式换热器和伞板换热器。 板面式换热器的传热性能要比管式换热器优越，由于其结构上的特点，使流 体能在较低的速度下就达到湍流状态，从而强化了传热。板面式换热器采用板材 制造，在大规模组织成产时，可降低设备成本，但其耐压性能比管式换热器差。 (3)其他型式换热器 这类换热器是指一些具有特殊结构的换热器，一般是为满足某些工艺特殊要求 而设计的，如石墨换热器、聚四氟乙烯换热器和热管换热器等 换热器按传热方式的不同可分为混合式、蓄热式和间壁式三类。 混合式换热器是通过冷、热流体的直接接触、混合进行热

19、量交换的换热器， 又称接触式换热器。由于两流体混合换热后必须及时分离，这类换热器适合于 气、液两流体之间的换热。例如，化工厂和发电厂所用的凉水塔中，热水由 上往下喷淋，而冷空气自下而上吸入，在填充物的水膜表面或飞沫及水滴表面， 热水和冷空气相互接触进行换热，热水被冷却，冷空气被加热，然后依靠两流 体本身的密度差得以及时分离。 蓄热式换热器是利用冷、热流体交替流经蓄热室中的蓄热体(填料)表面， 从而进行热量交换的换热器，如炼焦炉下方预热空气的蓄热室。这类换热器主 要用于回收和利用高温废气的热量。以回收冷量为目的的同类设备称蓄冷器， 多用于空气分离装置中。 间壁式换热器的冷、热流体被固体间壁隔开，

20、并通过间壁进行热量交换的 换热器，因此又称 表面式换热器 ，这类换热器应用最广。 间壁式换热器根据传热面的结构不同可分为管式、板面式和其他型式。 管式换热器以管子表面作为传热面，包括蛇管式换热器、套管式换热器和管壳 式换热器等；板面式换热器以板面作为传热面，包括板式换热器、螺旋板换热 器、板翅式换热器、板壳式换热器和 伞板换热器等；其他型式换热器是为满足 某些特殊要求而设计的换热器，如刮面式换热器、转盘式换热器和空气冷却 器等。 1.4 浮头式（或固定管板式或 U 形管式）换热器的介绍 浮头式换热器 的一端管板与壳体固定，而另一端的管板可在壳体内自由 浮动，壳体和管束对膨胀是自由的，故当两张介

21、质的温差较大时，管束和壳体 之间不产生温差应力。浮头端设计成可拆结构，使管束能容易的插入或抽出壳 体。（也可设计成不可拆的）。这样为检修、清洗提供了方便。但该换热器结 构较复杂，而且浮动端小盖在操作时无法知道泄露情况。因此在安装时要特别 注意其密封。 浮头换热器的浮头部分结构，按不同的要求可设计成各种形式，除必须考 虑管束能在设备内自由移动外，还必须考虑到浮头部分的检修、安装和清洗的 方便。 在设计时必须考虑浮头管板的外径Do。该外径应小于壳体内径 Di，一般 推荐浮头管板与壳体内壁的间隙 b1=35mm。这样，当浮头出的钩圈拆除后， 即可将管束从壳体内抽出。以便于进行检修、清洗。浮头盖在管束

22、装入后才能 进行装配，所以在设计中应考虑保证浮头盖在装配时的必要空间。 钩圈对保证浮头端的密封、防止介质间的串漏起着重要作用。随着幞头式 换热器的设计、制造技术的发展，以及长期以来使用经验的积累，钩圈的结构 形式也得到了不段的改进和完善。 钩圈一般都为对开式结构，要求密封可靠，结构简单、紧凑、便于制造和 拆装方便。 浮头式换热器以其高度的可靠性和广泛的适应性，在长期使用过程中积累 了丰富的经验。尽管近年来受到不断涌现的新型换热器的挑战，但反过来也不 断促进了自身的发展。故迄今为止在各种换热器中扔占主导地位。 管子构成换热器的传热面，管子尺寸和形状对传热有很大影响。采用小直 径的管子时，换热器单

23、位体积的换热面积大一些，设备比较紧凑，单位传热面 积的金属消耗量少，传热系数也较高。但制造麻烦，管子易结垢，不易清洗。 大直径管子用于粘性大或者污浊的流体，小直径的管子用于较清洁的流体。 管子材料的选择应根据介质的压力、温度及腐蚀性来确定。 换热器的管子在管板上的排列不单考虑设备的紧凑性，还要考虑到流体的 性质、结构设计以及加工制造方面的情况。管子在管板上的标准排列形式有四 种：正三角形和转角正三角形排列，适用与壳程介质清洁，且不需要进行机械 清洗的场合。正方形和转角正方形排列，能够使管间的小桥形成一条直线通道， 便于用机械进行清洗，一般用于管束可抽出管间清洗的场合。 另外对于多管程换热器，常

24、采用组合排列方法，其每一程中一般都采用三 角形排列，而各程之间则常常采用正方形排列，这样便于安排隔板位置。 当换热器直径较大，管子较多时，都必须在管束周围的弓形空间内尽量配 置换热管。这不但可以有效地增大传热面积，也可以防止在壳程流体在弓形区 域内短路而给传热带来不利影响。 管板上换热管中心距的选择既要考虑结构的紧凑性，传热效果，又要考虑 管板的强度和清洗管子外表面所需的空间。除此之外，还要考虑管子在管板上 的固定方法。若间距太小，当采用焊接连接时，相邻两根管的焊缝太近，焊缝 质量受热影响不易得到保证；若采用胀接，挤压力可能造成管板发生过大的变 形，失去管子和管板间的结合力。一般采用的换热管的

25、中心距不小于管子外径 的 1.25 倍。 当换热器多需的换热面积较大，而管子又不能做的太长时，就得增大壳体 直径，以排列较多的管子。此时为了提高管程流速，增加传热效果，须将管束 分程，使流体依次流过各程管束。 为了把换热器做成多管程，可在一端或两端的管箱中分别安置一定数量的 隔板。 1.5 换热器的设计要求 换热器在设计或选型时应满足以下基本要求： （1） 合理地实现所规定的工艺条件； （2） 结构安全可靠； （3） 便于制造、安装、操作和维修； （4） 经济上合理。 1.6 设备制造工艺过程 选取换热设备的制造材料及牌号，进行材料的化学成分检验，机械性能合格 后，对钢板进行矫形，方法包括手工

26、矫形，机械矫形及火焰矫形。 备料划线切割边缘加工（探伤）成型组对焊接 焊接质量检验组装焊接压力试验 质量检验 化工设备不仅在制造之前对原材料进行检验，而且在制造过程中要随时 进行检查。 质检内容 设备制造过程中的检验，包括原材料的检验、工序间的检验及压力试验， 具体内容如下： （1）原材料和设备零件尺寸和几何形状的检验； （2）原材料和焊缝的化学成分分析、力学性能分析试验、金相组织检 验，总称为破坏试验； （3）原材料和焊缝内部缺陷的检验，其检验方法是无损检测，它包括： 射线检测、超声波检测、磁粉检测、渗透检测等； （4）设备试压，包括：水压试验、介质试验、气密试验等。 耐压试验和气密性试验：

27、 制造完工的换热器应对换热器管板的连接接头，管程和壳程进行耐压试 验或增加气密性试验，耐压试验包括水压试验和气压试验。换热器一般进行水压 试验，但由于结构或支撑原因，不能充灌液体或运行条件不允许残留试验液体时， 可采用气压试验。 如果介质毒性为极度，高度危害或管、壳程之间不允许有微量泄漏时， 必须增加气密性试验。 质检方法 换热器压力试验的顺序如下： 固定管板换热器先进行壳程试压，同时检查换热管与管板连接接头， 然后进行管程试压； U 形管式换热器、釜式重沸器（U 形管束）及填料函式换热器先用试 验压环进行壳程试压，同时检查接头，然后进行管程试压； 浮头式换热器、釜式重沸器（浮头式管束）先用试

28、验压环和浮头专用 工具进行管头试压，对于釜式重沸器尚应配备管头试压专用壳体，然后进行管程 试压，最后进行壳程试压； 重叠换热器接头试压可单台进行，当各台换热器程间连通时，管程和 壳程试压应在重叠组装后进行。 1.7 换热器的选型 1.7.1 板型选择 板片型式或波纹式应根据换热器场合的实际需要而定。对流量大允许压降小的情 况，应选用阻力小的板型，反之选用阻力大的板型。根据流体压力和温度的情况， 确定选择可拆卸式，还是钎焊式。确定板型时不宜选择单板面积太小的板片，以 免板片数量过多，板间流速偏小，传热系数过低，对较大的换热器更应注意这个 问题。 1.7.2 流程和流道的选择 流程指板式换热器内一

29、种介质同一流动方向的一组并联流道，而流道指板式换热 器内，相邻两板片组成的介质流动通道。一般情况下，将若干个流道按并联或串 联的费那个是连接起来，以形成冷、热介质通道的不同组合。流程组合形式应根 据换热和流体阻力计算，在满足工艺条件要求下确定。尽量使冷、热水流道内的 对流换热系数相等或接近，从而得到最佳的传热效果。因为在传热表面两侧对流 换热系数相等或接近时传热系数获得较大值。虽然板式换热器各板间流速不等， 但在换热和流体阻力计算时，仍以平均流速进行计算。由于“U”形单流程的接管 都固定在压紧板上，拆装方便。 1.7.3 压降校核 在板式换热器的设计选型使，一般对压降有一定的要求，所以应对其进

30、行校核。 如果校核压降超过允许压降，需重新进行设计选型计算，直到满足工艺要求为止。 1.8 管程结构部件 (1).换热管 换热管型式 光管、翅片管、螺旋槽管、螺纹管等。 当管内外两侧给热系数相差较大时，翅片管的翅片应布置在给热系数低的一 侧。 换热管尺寸（常用） 无缝钢管：192 252.5 382.5 不锈钢管： 252 382.5 标准管长为：10、 1.5、 2.0、 2.5、 3.0、 4.5、 6.0、 7.5、 9.0、 12.0m 等。 外径范围： 10 57 换热管材料 黑金属：碳素钢、低合金钢、不锈钢等。 有色金属：铜、铜镍合金、铝合金、钛合金等。 非金属：石墨、陶瓷、聚四氟

31、乙烯等。 换热管排列形式及中心距 换热管在管板上的排列形式：正三角形、正方形、转角正三角形、转角正方 形。如图 1.1 所示， 在同样的管板面积上正三角形排列的管数最多，故用得最为普遍，但管外不 易清洗。为便于管外清洗，可以采用正方形或转角正方形排列的管束。 45906030 (a)正三角形(b)转角正三角形(c)正方形(d)转角正方形 图 1.1 换热管排列型式 换热管中心距一般不小于 1.25 倍的换热管外径。 常用的换热管中心距见表 1-1。 表 1-1 常用换热管中心距 mm 换热管外 径 do 1214192532384557 换热管中 心距 1619253240485772 (2)

32、 管板 作用：a. 用来排布换热管 b. 分隔管程和壳程的流体，避免冷、热流体混合。 c. 同时受管程、壳程压力和温度的作用。 管板材料 选择管板材料，除力学性能外，还应考虑管程和壳程流体的腐蚀性，以及管 板和换热管之间的电位差对腐蚀的影响。 工程上常用材料：a. 碳素钢 b. 低合金钢 钢板、锻件 c. 不锈钢 d. 不锈钢钢 e. 钛钢 复合板 f. 铜钢 g. 堆焊衬里。 管板结构 在满足强度的前提下，应尽量减少管板厚度。 薄管板一般为：820mm。 形状主要有：平面形、椭圆形、碟形、球形、挠性薄管板等。 最为常用的是平面形薄管板。 (a)(b)(c)(d) 图 1.1 薄管板结构形式

33、1 23 4 1空隙；2壳程管板；3短节；4管程管板 图 1.3 椭圆形管板 图 1.4 双管板结构 图 1.2 所示为用于固定管板式换热器中的薄管板四种结构形式。 图 1.3 所示为椭圆形管板。 图 1.4 所示为双管板结构 (3)管箱 管箱位于管壳式换热器的两端。 作用：把从管道输送来的流体均匀地分布到各换热管和把管内流体汇集在一起 送出换热器。在多管程换热器中，管箱还起改变流体流向的作用。 图 1.5 管箱结构形式 管箱的结构形式主要以换热器是否需要清洗或管束是否需要分程等因素来决定。 图 1.5 为管箱的几种结构形式。图 1.5（a）的管箱结构适用于较清洁的介质情 况。因为在检查及清洗

34、管子时，必须将连接管道一起拆下，很不方便。图 1.5（b）为在管箱上装箱盖，将盖拆除后（不需拆除连接管） ，就可检查及清洗管 子，但其缺点是用材较多。图 1.5（c）形式是将管箱与管板焊成一体，从结构上 看，可以完全避免在管板密封处的泄漏，但管箱不能单独拆下，检修、清理不方 便，所以在实际使用中很少采用。图 1.5（d）为一种多程隔板的安置形式。 1.9 壳程结构部件 壳程主要由壳体、折流板或折流杆、支承板、纵向隔板、拉杆、防冲挡板、防 短路结构等元件组成。 1、壳体 壳体一般是一个圆筒，在壳壁上焊有防冲挡板，见图 1.6。当壳体法兰采用高颈 法兰或壳程进出口接管直径较大或采用活动管板时，壳程

35、进出口接管距管板较远， 流体停滞区过大；靠近两端管板的传热面积利用率很低。为克服这一缺点，可采 用导流筒结构，见图 1.7。导流筒除可减小流体停滞区，改善两端流体的分布，增 加换热管的有效换热长度，提高传热效率外，还起防冲挡板的作用，保护管束免 受冲击。 防冲挡板或导流筒的设置条件： 若进口管流体 2 值为下列值时设防冲挡板或导流筒 a.非腐蚀、非磨蚀的单相流体 22230kg/ms2； b.其他液体、包括沸点下的液体 2740kg/ms2； 有腐蚀、磨蚀的介质设防冲挡板； 接管距管板较远设导流筒，减小流体停滞区，增加换热管的有效 换热长度。 密度 流速 导流筒：减小流体停滞区，改善两端流体的

36、分布，增加换热管的有效换热长度， 提高换热率，并起防冲挡板的作用。 有接管，供壳程流体进入和排出之用。 为防止进口流体直接冲击管束而造成管子的侵蚀和振动，在壳程进口接管处常 装 图 1.6 防冲挡板 图 1.7 导流筒结构 2、折流板 设置折流板的目的：是为了提高壳程流体的流速，增加湍动程度，并使壳程流 体垂直冲刷管束，以改善传热，增大壳程流体的传热系数，同时减少结垢。在卧 式换热器中，折流板还起支撑管束的作用。 常用的折流板形式有弓形和圆盘-圆环形两种。其中弓形折流板有单弓形、双弓 形和三弓形三种。各种形式的折流板见图 1.8 所示。根据需要也可采用其他形式 的折流板。 弓形折流板缺口高度应

37、使流体通过缺口时与横向流过管束时的流速相近。缺口 大小用切去的弓形弦高占壳体内直径的百分比来表示。如单弓形折流板，缺口弦 高一般取 O.200.45 倍的壳体内直径，最常用的是 0.25 倍壳体内直径。 对于卧式换热器，壳程为单相清洁液体时，折流板缺口应水平上下 布置。若气体中含有少量液体时，则在缺口朝上的折流板最低处开设通液口， 见图 1.9（a） ；若液体中含有少量气体，则应在缺口朝下的折流 图 1.8 折流板形式 图 1.9 折流板缺口布置 板最高处开通气口，如图 1.9（b） 。卧式换热器的壳程介质为气液相共存或液 体中含有固体颗粒时，折流板缺口应垂直左右布置，并在折流板最低处开通液口

38、， 如图 1.9（c） 。 折流板一般应按等间距布置，管束两端的折流板应尽量靠近壳程进、出口接 管。折流板的最小间距应不小于壳体内直径的 15，且不小于 50mm；最大间距应 不大于壳体内直径。折流板上管孔与换热管之间的间隙以及折流板与壳体内壁之 间的间隙应合乎要求，间隙过大，泄漏严重，对传热不利，还易引起振动；间隙 过小，安装困难。 从传热角度考虑，有些换热器（如冷凝器）是不需要设置折流板的。但是为 了增加换热管的刚度，防止产生过大的挠度或引起管子振动，当换热器无支撑跨 距超过了标准中的规定值时，必须设置一定数量的支持板，其形状与尺寸均按折 流板规定来处理。 图 1.10 拉杆结构 90 9

39、0 90 15-20 15-20 15-20 (a)(b)(c) 折流板与支持板一般用拉杆和定距管连接在一起，如图 1.10（a）所示。拉杆 数不少于 4 根，每个折流板不少于 3 个支点。当换热管外径小于或等于 14mm 时， 采用折流板与拉杆点焊在一起而不用定距管，如图 1.10（b）所示。 在大直径的换热器中，如折流板的间距较大，流体绕到折流板背后接近壳体 处，会有一部分流体停滞起来，形成了对传热不利的“死区” 。为了消除这个弊病， 宜采用多弓形折流板。如双弓形折流板，因流体分为两股流动，在折流板之间的 流速相同时，其间距只有单弓形的一半。不仅减少了传热死区，而且提高了传热 效率。 3、

40、折流杆 1支撑杆；2折流杆；3滑轨 2 3 1 图 1.11 折流杆结构 目的：装有折流板的管壳式换热器存在着影响传热的死区，流体阻力大，且 易发生换热管振动与破坏。为了解决传统折流板换热器中换热管与折流板的切割 破坏和流体诱导振动，并且强化传热提高传热效率，近年来开发了一种新型的管 束支撑结构折流杆支撑结构。 结构：由折流圈和焊在折流圈上的支撑杆（杆可以水平、垂直或其他角度） 所组成。折流圈可由棒材或板材加工而成，支撑杆可由圆钢或扁钢制成。一般 4 块折流圈为一组，如图 1.11 所示，也可采用 2 块折流圈为一组。支撑杆的直径等 于或小于管子之间的间隙。因而能牢固地将换热管支撑住，提高管束

41、的刚性。 2 计算部分 2.1 浮头式换热器筒体的计算 2.1.1 计算条件 1、设计条件 设计压力： 管程：2.0Mpa，壳程：2.0Mpa 设计温度 管程：60， 壳程：120 2、操作介质 管程：水 壳程：丙烷 3、程数 管程：4， 壳程：1 4、换热面积 53.7 m2 5、安装地点 抚顺 6、设计温度下屈服点 焊接系数 MPa s 34585 . 0 2.1.2 前端管箱筒体壁厚计算 （1）厚度计算 计算厚度： 设计厚度： d mm d 90 . 5 2 根据管壳式换热器对于低合金钢板的最小厚度要求，当 时，最 小厚度为 8mm，又考虑此处有两个大开孔，利用多余的壁厚进行开孔补强，所

42、以： 名义厚度： n d21 16.0 n CCmm圆整 有效厚度： e 14mm 12 CC ne （2）压力试验应力校核 mm48 . 3 0 . 285 . 0 1702 5000 . 2 2 C t iC P DP mmDi500 压力试验类型：水压试验 允许最大操作压力： w P 水压试验校核： 0.9MPa S 925.26334585 . 0 9 . 0 满足要求 st 9 . 0 2.1.3 后端管箱筒体壁厚计算 （1）计算厚度 根据管壳式换热器对于低合金钢板的最小厚度要求，当 时，最mmDi800 小厚度为 10mm, 名义厚度： n min2 12.0 n Cmm 有效厚度

43、： e 10mm 12 CC ne （2） 压力及应力计算及水压试验校核 水压试验校核： 压力试验允许通过的应力水平： MPa D P ei t e w 56 . 9 14500 85 . 0 1701422 MPaPP tT 5 . 2 170 170 0 . 225. 125. 1 MPa DP e eiT t 7 . 36 0 . 142 0 . 145002 2 MPa P PD c t ci 18 . 4 0 . 285 . 0 1702 6000 . 2 2 MPa D P ei t e w 73 . 4 10600 85. 01701022 MPaPP tT 5 . 2 170

44、170 0 . 225 . 1 25. 1 mmDi600 0.9MPa S 5 . 3103459 . 0 试验压力下圆筒的应力： s .90 T 合格。 2.1.4 壳程筒体壁厚计算 =2.0 设计温度 t=120 内径 材料名称 16MnR C PMPa 计算厚度 : 名义厚度：根据管壳式换热器对于低合金钢板的最小厚度要求，当 n 时，最小厚度为 8mm,mmDi700 min2 10.0 n Cmm 有效厚度： e 8mm 12 CC ne w PP T 合格 =0.9 s .90 T 345=310.5mpa MPa76.71 85 . 0 102 )10600(2 2 )( e e

45、iT T DP MPa D P ei t e w 55. 4 8500 85. 0170822 MPaPP tT 2 170 170 6 . 125 . 1 25 . 1 aMP DP e eiT T 71.74 85 . 0 82 )8500(2 2 )( MPa P PD c t ci 71 . 3 0 . 285 . 0 1702 5000 . 2 2 mmDi500 合格。 2.2 前后端封头的计算 2.2.1 计算条件 计算压力： =2.0 C PMPa 内径： 前 ；后 设计温度： 120； 材料名称： 16MnR； 腐蚀裕量： ；mmC2 2 负偏差： ； 1 0C 焊接系数：

46、；0.85 设计温度许用应力： 170 t MPa 本设计当中均采用标准椭圆型封头。 2.2.2 前端封头的厚度计算 （1）厚度计算： ； ； 根据化工设备设计手册查表得到椭圆封头形状系数：；1K 计算厚度： 名义厚度： n mmC dn 10 1 有效厚度： e mmCC ne 82010 21 最大允许工作应力： 2 2 i i D h mm P DKP C t iC 76 . 3 0 . 25 . 085 . 0 1702 5000 . 2 5 . 02 MPa K P t e w 3.83 85 . 0600 85 . 0 17082 .50D 2 ei w PP T mmDi500

47、mmDi500mmDi600 该厚度的前端封头满足使用要求。 2.2.3 后端封头的厚度计算 （1）厚度计算： ； ； 根据化工设备设计手册查表得到椭圆封头形状系数：；1K 计算厚度： 设计厚度： d mmC d 44 . 6 244 . 4 2 名义厚度： n mmC dn 0 . 12 1 有效厚度： e mmCC ne 102012 21 （2）压力试验应力校核 压力试验类型：水压试验 最大允许压力： w P 水压试验校核： a2 170 170 0 . 225 . 1 25 . 1 MPPP tcT 由于，所以该厚度的后端封头满足使用要求。 T P w P 2.3 管板的计算 2 2

48、i i D h mm P DKP C t iC 51 . 4 0 . 25 . 085 . 0 1702 6000 . 2 5 . 02 MPa DK P ei t e w 78 . 4 105 . 0600 85 . 0 170102 5 . 0 2 mmDi600 2.3.1 符号说明 D-法兰外直径，mm； Db-螺栓中心圆直径，mm； Di-法兰内直径，mm； FD-作用在法兰环内侧风头压力载荷引起的轴向分力，N； FD=0.785PC 2 i D Fr-作用在法兰环内侧封头压力载荷引起的径向分力，N； M0-总力矩，Nmm； Pc-计算压力，MPa； Ri-封头球面部分内直径，mm；

49、 LD-螺栓中心至法兰环内直侧的径向距离，mm Lr- Fr对法兰环截面形心的力臂，mm； 1-封头边缘处球壳中面切线与法兰环直径的夹角（） ； -封头计算厚度，mm； f-法兰计算厚度，mm； 2.3.2 垫片的选择和计算 选缠绕垫片 材料 填料 石墨 压紧形式 1a189 r OCNi 尺寸 mmd765 0 mmdi725 mm dd N i 20 2 725765 2 0 当 时4 . 610 2 0 N bmm81053 . 2 mmbdDG749827652 0 2.3.3 管板结构参数及系数的确定 .管子选中252.5 10 号钢 管长 L=2840mm nLdA out 254

50、 6025 . 0 14 . 3 120 n 实际管子数 n=256 根，采用转正方形排列，查表 S=32mm Sn=40mm . 隔板面积：对于 a 型连接形式，转正方形 2222 d 4 1 ) 2 (25 . 3 2 25 . 675. 2 2 25 . 54S S S S SS S SA nnn =4（4978.032816+5883.133328+400256） =19444.64mm 222 t 64.28158864.1944432256mmAdnsA mmD 9 . 598 14 . 3 64.2815884 t 222 01 64.15598825256785 . 0 64.

51、281588 4 mmdnAtA 251 . 1 9 . 598 7491 t G t D D na=2563.14（25-2.5）2.5=45216mm 29 . 0 64.155988 45216 1 A na 设管板的 mm n 50mmL58775 . 1225026000 查表 Et=1861000Mpa Ep=196Mpa 43.2389 9 . 5895877 4521610186 3 aL Etna Kt 0305 . 0 101964 . 0 43.2389 3 DEp kt tK 确定管板的设计压力 0189 . 0 1444 . 05 . 1 6 . 1 5 . 1 r t Pd aP Mpa pd ps Pd6 . 1max 根据 48 . 0 C0.0189 27 . 2 / 2 1 3 1 查由 aPaPtK mm52.390189 . 0