浮头式换热器计算说明书

1、课程设计 题 目： 浮头式换热器 院 系： 机械工程学院 专 业： 过程装备与控制工程 班 级： 1003班 学生姓名： 尹以龙 指导教师： 包世毅 目录第一部分任务书1第二部分 计算说明书21.传热工艺计算21.1.原始数据21.2.定性温度及物性参数31.3.传热量和冷水流量31.4.有效平均温度31.5.管程传热面积计算41.6.结构初步设计41.7.壳程换热系数计算51.8.总传热系数计算61.9.结构初步设计71.10.壳程换热系数计算71.11.总传热系数计算81.12.核算管程压强降81.13.核算壳程压强降92.强度计算112.1.换热管材料及规格的选择和根数的确定112.2.

2、确定筒体内径112.3.确定筒体壁厚122.3.1.筒体液压试验132.4.管箱封头厚度计算132.5.浮头侧封头厚度计算142.6.设备法兰的选择152.6.1.管箱侧法兰的选择152.6.2.浮头侧法兰的选择172.6.3.壳体上与浮头侧连接的法兰172.6.4.接管法兰的选择182.7.管板的设计192.8.钩圈式浮头232.8.1浮头法兰的计算252.8.2管程压力作用下浮头盖的设计292.9.浮动管板302.10.钩圈的选择312.11.折流板的选择322.12.拉杆和定距管的确定332.13.防冲板332.14.管箱短节壁厚的计算332.15.筒体、管箱的耐压试验的校核计算342.

3、16.接管及开孔补强352.16.1 a,b孔的补强352.16.2 d,h孔的补强362.17. 支座择及应力校核382.17.1 支座的选择382.17.2 支座的应力校核392.18. 整体尺寸布局41第一部分任务书一、设计题目设计题目：用水冷却煤油产品的浮头式换热器的设计二、设计条件(1) 使煤油从180冷却到40，压力1.0MPa；(2) 冷却剂为水，水压力为0.5MPa。(3) 处理量为10t/h。三、设计任务(1) 合理的参数选择和结构设计a) 传热面积；b) 管程设计包括：总管数、程数、管程总体阻力校核；壳体直径；c) 结构设计包括流体壁厚；主要进出口管径的确定包括：冷热流体的

4、进出口管(2) 传热计算和压降计算(3) 从JB/T47144720标准系列中选择一种浮头式换热器规格，再进行复算(4) 对所选出的浮头式换热器，进行详细的设计、强度计算和校核计算四、设计完成工作量(1) 设计说明书一份（每位同学均要独立完成）(2) 设计图纸包括：换热器的设备总装图（每位同学均要独立完成）、零件图（整小组须完成所有的零件图，且每位同学至少要独立完成1件零件图，具体由小组内部协会调）各一张五、设计进度设计时间3周。1 设计准备（1天） 2 热力计算和强度校核（5天）3 换热器设计（6天）4 编写设计计算说明书（2天）5 答辩（1天）参考书目：1 史美中, 王中铮. 热交换器原理

5、与设计 (第4版). 南京: 东南大学出版社, 2009.62 钱颂文. 换热器设计手册. 北京: 化学工业出版社, 2002.83 贺匡国. 化工容器及设备简明设计手册. 北京: 化学工业出版社, 2002.84 时钧, 汪家鼎等. 化学工程手册. 北京: 化学工业出版社, 1996.5 卢焕章等. 石油化工基础数据手册. 北京: 化学工业出版社, 1984 6 陈敏恒, 丛德兹等. 化工原理(上、下册)(第二版). 北京：化学工业出版社，2006.57 贾绍义, 柴诚敬. 化工原理课程设计. 天津: 天津科学技术出版社, 2002.8设计说明书包括的主要内容一、 设计任务书 二、热力学计算

6、 1 原始数据 /2 物性参数 /3 传热量 /4 冷却水物性参数 /5 平均温差/6 估算传热面积及传热面结构 /7 管程计算/8 壳程结构及壳程计算/9 需用传热面积 /10 阻力计算 /11.选型，复算。三、 强度校核按GB151进行1壳体、封头强度计算2温差应力校核 （1）温差应力 （2）热交换器所受应力 （3）拉脱力3管板强度计算四、 细部结构的设计 1 接管/2 折流板 /3 法兰 /4 管法兰 /5 管箱 /6 壳体与管板的连接结构/7 拉杆与管板、拉杆与折流板的连接结构/8 换热管与管板的连接结构 /9 管箱与管板的密封结构 /10 支座 /11膨胀节 /2设计图纸包括：换热器

7、的设备总装图、零件图各一张。五 结束语 六 参考文献第二部分 计算说明书1.传热工艺计算1.1.原始数据 (1）煤油的进口温度（2）煤油的出口温度（3）冷水的进口温度 （4）冷水的出口温度（5）煤油的工作压力（6）冷水的工作压力（7）煤油的流量 1.2.定性温度及物性参数（1）煤油的定性温度煤油的密度，查物性表煤油的比热容，查物性表煤油的导热系数，查物性表煤油的粘度，查物性表（2）冷水的定性温度，冷水的密度，查物性表冷水的比热容，查物性表冷水的导热系数，查物性表冷水的粘度，查物性表1.3.传热量和冷水流量 则冷却水流量1.4.有效平均温度逆流平均温差参数，由于设计换热器为单壳程双管程，插图2-

8、6（a）得温度校正系数，1.5.管程传热面积计算参考表2-7管壳式换热器原理与设计，初选传热系数： 则初选传热面积为：=考虑到15%的面积裕度取面积A=68选用的无缝钢管，材料选。则管子外径，管子内径，管子长度则所需换热管根数：=可取换热管根数为150根则管程流通面积为:=管程流速为:=管程雷诺数为:=冷水的普朗特系数为：管程传热系数为： =1.6.结构初步设计布管方式为转角正方形形布管，查GB151-1999知管间距为，即管间距,隔板中心到离其最近一排管中心距离：Z=t/2+6=22mm，分程隔板槽两侧相邻管中心距管束中心排管数为:则壳体内径为：采用多管程结构，进行壳体内径估算。则壳体直径为

9、：实取则长径比为 合理 选择单弓形折流板,则弓形折流板的弓高为：折流板间距查表5取：折流板数量为： 取19块1.7.壳程换热系数计算壳程流通面积为：壳程流速为：壳程当量直径为：=壳程里雷诺数为：=壳程转热因子：js=350壁温下冷凝水的黏度为：则黏度修正系数：冷水的普朗特系数为：壳程传热系数：1.8.总传热系数计算查GB-1999第138页可知：管程污垢热阻为：壳程污垢热阻为：管壁热阻忽略总传热系数为：则传热系数比为：（不合理）第二次假设参考表2-7管壳式换热器原理与设计，初选传热系数： 则初选传热面积为：=考虑到15%的面积裕度取面积A=35选用的无缝钢管，材料选。则管子外径，管子内径，管子

10、长度则所需换热管根数：=可取换热管根数为100根采用双管程每程50根则管程流通面积为:=管程流速为:=管程雷诺数为:=冷水的普朗特系数为：管程传热系数为： =1.9.结构初步设计布管方式为转角正方形形布管，查GB151-1999知管间距为，即管间距,隔板中心到离其最近一排管中心距离：Z=t/2+6=22mm，分程隔板槽两侧相邻管中心距管束中心排管数为:则壳体内径为：采用多管程结构，进行壳体内径估算。则壳体直径为：实取则长径比为 在410之间合理 选择单弓形折流板,则弓形折流板的弓高为：折流板间距查表5取：折流板数量为： 取14块1.10.壳程换热系数计算壳程流通面积为：壳程流速为：壳程当量直径

11、为：=壳程里雷诺数为：=壳程转热因子：js=350壁温下冷凝水的黏度为：则黏度修正系数：冷水的普朗特系数为：壳程传热系数：1.11.总传热系数计算查GB-1999第138页可知：管程污垢热阻为：壳程污垢热阻为：管壁热阻忽略总传热系数为：则传热系数比为： 介于1至1.3之间，合理。1.12.核算管程压强降管程压力降有三部分组成，可按下式进行计算：其中：流体流过直管因摩擦阻力引起的压力降，Pa； 流体流经回弯管中因摩擦阻力引起的压力降，Pa； 流体流经管箱进出口的压力降，Pa； 结构校正因数，无因次，对的管子，取为1.4 管程数； 串联的壳程数。其中，、的计算式如下：；式中：管内流速，0.65；管

12、内径，0.20；管长，4.5；摩擦系数，无量纲，可由下式求取；管内流体密度，995.7。由于，在范围内，故可采用下面公式求取： 所以=0.0015 Mpa=0.000631 Mpa Mpa=0.037Mpa经查，可知每台换热器合理的压力降为Pa，由此可知上述压力降符合要求1.13.核算壳程压强降当壳程装上折流板后，流体在管外流动为平行流和错流的耦合。尽管管束为直管，但流动却变得复杂化。由于制造安装公差不可避免地存在间隙，因而会产生泄漏和旁流，而流体横向冲刷换热管引起的旋涡，也使流动变得更加复杂。由于流动的复杂性，要准确地分析影响这种复杂流动的各种因素，精确地计算压力降是相当的困难。 下面通过埃

13、索法来计算： 式中：流体横过管束的压力降，Pa； 流体通过折流板缺口的压力降，Pa； 壳程压力降的结垢修正系数，无因次，对液体可取1.15； 串联的壳程数为1；其中：；式中：管子排列方法对压力降的修正系数，对转置正方形排列； 壳程流体摩擦系数，当时，=0.72； 横过管束中心线的管子数，对正方形排列； 按壳程流通截面计算的流速，0.175； 折流板的数量14。则则可知此时的压力降在合理范围之类。到此换热器的工艺计算告一段落，其中工艺计算的主要目的是计算出其换热面积，选出相应的换热器型式，因此，接下来应该是进行换热器的结构设计以及强度计算。表2-3与表2-4附于下面：表2-3 所选浮头式换热器规

14、格DNPN管长管程数换热管规格计算传热面积管程出入口公称直径，壳程出入口公称直径，mmMpam4001.04.5168300300表2-4 工艺计算常用参数公称直径（mm）管程中心排管数换热管数弓形折流板缺口弓高（）400112100802.强度计算2.1.换热管材料及规格的选择和根数的确定序号项目符号单位数据来源及计算公式数值1换热管外径mmGB151-1999252换热管长mmGB151-199945003传热面积m229.34换热管数1005换热管材料GB151-1999表4-316Mn6排管方式GB151-1999转角正方形形2.2.确定筒体内径序号项目符号单位数据来源及计算公式数值1

15、换热管中心距GB151-1999表12322分隔板槽两侧相邻管中心距GB151-1999表12443筒体直径4004b,b1,b2GB151-1999表14，表15b1=5，b2=15，b=55实取筒体内径考虑防冲板向上取4002.3.确定筒体壁厚序号项目符号单位数据来源及计算公式数值1工作压力给定12材料GB150-1998第四章Q235-B3材料许用应力GB150-1998表4-11134焊接接头系数过程设备设计表4-30.855壳程设计压力=1.1P1.16筒体计算厚度2.97筒体设计厚度4.98筒体名义厚度109实取名义厚度GB151-1999表81010厚度负偏差过程设备设计0.81

16、1腐蚀余量过程设备设计212筒体有效厚度7.213设计厚度下圆筒的许用应力92.714校核=96.1 故合格15设计温度下圆筒的最大许用应力2.316材料的屈服应力GB150-1998表4-12352.3.1.筒体液压试验序号项目符号单位数据来源及计算公式数值1试验压力1.382圆筒薄膜应力58.23校核=169.2Mpa 合格2.4.管箱封头厚度计算序号项目符号单位数据来源及计算公式数值1工作压力给定1.02材料GB150-1998第四章Q235-B3材料许用应力GB150-1998表4-11134焊接接头系数过程设备设计表4-30.855壳程设计压力1.16筒体计算厚度3.77筒体设计厚度

17、5.78筒体名义厚度109实取名义厚度GB151-1999表81010厚度负偏差过程设备设计0.811腐蚀余量过程设备设计212筒体有效厚度7.213设计厚度下圆筒的需用应力92.714校核=96.1 故合格15设计温度下圆筒的最大许用应力2.2916校核 故合格15曲面高度hmm15016所选封头尺寸:公称直径600,面高度150,边高度302.5.浮头侧封头厚度计算序号项目符号单位数据来源及计算公式数值1工作压力给定1.02材料GB150-1998第四章Q235-B3材料许用应力GB150-1998表4-11134焊接接头系数过程设备设计表4-30.855壳程设计压力1.16筒体计算厚度3

18、.47筒体设计厚度5.48筒体名义厚度109实取名义厚度GB151-1999表81012筒体有效厚度7.213设计厚度下圆筒的需用应力46.414校核=96.1 故合格15曲面高度hmm18016所选封头尺寸:公称直径500,面高度100,边高度202.6.设备法兰的选择2.6.1.管箱侧法兰的选择按其条件，设计压力,由压力容器法兰表1选择长颈对焊法兰，相关参数如下：单位（）4005405004654554523495螺柱规格螺柱数量251714412221223M2020由压力容器法兰选择相关垫片：非金属软垫片1500-2.50JB/T4704-2000，其相关尺寸为：2.6.2.浮头侧法兰

19、的选择其公称直径,设计压力，由压力容器法兰选择长颈对焊法兰，相关参数如下：单位()50064060056555555268100螺柱规格螺柱数量251714612221223M2020由压力容器法兰选择相关垫片：非金属软垫片1600-2.50JB/T4704-2000 ，其相关尺寸为:2.6.3.壳体上与浮头侧连接的法兰其公称直径,设计压力，由压力容器法兰选择长颈对焊法兰，相关参数如下：单位()50064060056555555238100螺柱规格螺柱数量251714612221223M2020由压力容器法兰选择相关垫片：非金属软垫片1600-2.50JB/T4704-2000 ，其相关尺寸为

20、:2.6.4.接管法兰的选择a,b接管a为冷水进口，b为冷水出口，选择相同型号，设计压力为1.1MPa,由于流体流速为0.65m/s，则，取d=300 ,选乙型板式平焊法兰PL300-2.5RF，尺寸如下：公称直径DN管子外径A1法兰外径D300325440400365355352351801217螺栓规格螺栓数量1423M2016C，d接管c为煤油进口，d为煤油出口，选择相同型号，设计压力为1.1MPa,由于流体流速为0.175m/s，则，取d=250 ,选乙型板式平焊法兰PL300-2.5RF，尺寸如下：公称直径DN管子外径A1法兰外径D25027539035031530530235160

21、1217螺栓规格螺栓数量1423M20162.7.管板的设计管板材料为锻件16Mn序号项目符号单位数据来源及计算公式数值1未被换热管支撑的面积88602管板布管区面积1862173管板开孔后的面积880924总换热管横截面积353425筒体法兰垫片外径压力容器法兰6546筒体法兰垫片内径压力容器法兰6107垫片接触宽度448垫片密封基本宽度229垫片有效密封宽度11.910固定端管板垫片压紧力作用中心圆直径DG=Dg0-2b63011管板布管区当量直径48712系数 0.7713设计温度时管板材料弹性摸量GB150-1998表F5-附录F2.0x 10514设计温度时换热管材料弹性摸量GB15

22、0-1998表F5-附录F2.0x 10515管束模数 322316管束无量纲刚度0.0417换热管有效长度450018换热管与管板焊接长度或焊脚高度GB151-1999管壳式换热器表33（注1）2.519管板设计压力1.120管板强度削弱系数GB151-1999管壳式换热器0.421设计温度下管板材料的许用应力GB150-1998 表4-115022无量纲压力0.01223换热管与管板连接的许用拉脱力0.0124系数0.4325换热管壁厚2.526管板刚度削弱系数一般可取值0.427设计温度下换热管材料的许用应力GB150-1998 表4-316328系数Cr=111.829换热管回转半径i

23、=8.030换热管受压失稳当量长度GB151-1999 图3260031设计压力下换热管材料的屈服点GB151-1998 表4-332032比较33换热管稳定许用应力合格34系数3.1235系数1.2936系数GB151-1999 图-230.5137系数GB151-1999 图-245.838管板计算厚度33.539实取名义厚度 60换热管轴向应力 =Ps=1.0 pt=0.5 At=186217 Al=88092（1） 只有壳程设计压力,管程设计压力=其中,故合格（2） 只有管程设计压力，壳程设计压力=-6.1其中,故合格（3） 管程设计压力, 壳程设计压力=-6.1其中,故合格2.8.钩

24、圈式浮头根据GB151-1998选用钩圈式浮头序号项目符号单位数据来源及计算公式数值1GB151-1999 表1462GB151-1999 表1533GB151-1999 表1512.54145浮头法兰和钩圈的内直径5706浮头法兰和钩圈的外直径6807螺栓中心圆直径6408布管限定圆直径5549外头盖内直径70010浮动管板外直径59411垫片压紧力作用中心圆直径同管板的算法58012球面封头内直径GB151-1999 表46500浮头法兰的计算法兰受力图序号项目符号单位根据来源及计算公式数值1设计压力1.12设计温度取煤油定性温度1103法兰选材GB150-1998表4-5锻件16Mn4常

25、温下的许用应力GB150-1998表4-51505设计温度下的许用应力GB150-1998表4-51506焊接接头系数过程装备设计表4-30.857垫片选材石棉橡胶板 规格6548垫片的接触宽度229垫片比压力GB150-1998表9-21110垫片的基本密封宽度1011垫片的有效密封宽度8.012垫片的系数GB150-1998表9-2213假设法兰的有效厚度查表16014假设焊角高度 查表215螺栓直径经验M2016螺栓数量经验2817螺栓材料GB 307740Cr垫片压紧力作用中心圆直径63218最小垫片压紧力6985419流体压力引起的总轴向力34490220最小螺栓载荷5561621操

26、作最小螺栓载荷=41475622常温下螺栓许用应力GB150-1998表4-768523设计温度下螺栓许用应力GB150-1998表4-717124预紧状态下最小螺栓总载面积242525操作状态下最小螺栓总载面积 8126需要的最小螺栓总载面积242527实际使用螺栓总载荷879628比较 合格29封头边缘处球壳中面切线与法兰环夹角°3430预紧状态下螺栓设计载荷384319231操作状态下螺栓设计载荷=41475632作用于法兰内侧封头压力载荷引起轴向应力28055133作用在法兰内侧封头压力载荷引起的径向分力41593434窄面法兰垫片压紧力6985435流体压力引起的总轴向力与

27、作用法兰内径截面流的轴向力之差6435136螺栓中心距作用处的径向距离3537螺栓中心距作用处的径向距离3038螺栓中心距作用处的径向距离32.539螺栓中心距作用处的径向距离3740螺栓中心至处的力矩981928541螺栓中心至处的力矩209562042螺栓中心至处的力矩209140843螺栓中心至处的力矩1538955844预紧螺栓时法兰的受力384319245预紧时螺栓中心距处的径向距离446预紧时螺栓中心距处的力矩1537276847力臂3.948操作状态下1527249预紧状态下1707950操作情况下法兰总力矩22537617251操作状态下法兰厚度129.252预紧状态下法兰厚度

28、130.753法兰厚度 ，且不小于球冠形封头名义厚度的两倍。管程压力作用下浮头盖的设计序号项目符号单位根据来源及计算公式数值1设计压力1.12材料GB150-1998钢制压力容器Q235-C3材料许用应力GB150-1998钢制压力容器1254焊接接头系数过程装备设计表4-30.855封头计算厚度4.36设计厚度6.37名义厚度128腐蚀裕度过程装备设计0.89厚度负偏差过程装备设计210实取名义厚度 GB151-1999管壳式换热器1211有效厚度9.22.9.浮动管板序号项目符号单位数据来源及计算公式数值1浮头法兰垫片外径5942浮头法兰垫片内径5703垫片接触宽度124垫片基本密封宽度6

29、5垫片有效密封宽度6.26浮动管板垫片压紧力作用中心圆直径581注：其他符号的意义及取值与固定端管板相同。7系数3.128系数1/1/1.298系数GB151-1999图230.5110系数GB151-1999图245.811管板计算厚度33.512实取管板名义厚度向上圆整6013换热器轴向应力11.914换热管稳定许用压应力88.415比较 合理2.10.钩圈的选择根据GB151-1999管壳式换热器图52，选择B型钩圈。钩圈设计厚度=,为浮动管板厚度，则钩圈实际厚=100其图示如下：而其设计厚度可按下式计算： 其中：钩圈设计厚度，mm； 浮动管板厚度，mm；则。取序号项目符号单位数据来源及

30、计算公式数值1GB151-1999 表1462GB151-1999 表1533GB151-1999 表1512.54145浮头法兰和钩圈的内直径5696浮头法兰和钩圈的外直径6807螺栓中心圆直径6408布管限定圆直径5549外头盖内直径70010浮动管板外直径59411垫片压紧力作用中心圆直径同管板的算法58012球面封头内直径GB151-1999 表465002.11.折流板的选择序号项目符号单位数据来源及计算公式数值1折流板厚度GB151-1999表3482折流板的直径GB151-1999表415953折流板直径的允许偏差GB151-1999表414折流板的材料GB151-1999表4-

31、1Q235-A5折流板缺口高度GB151-1999图39206折流板弦高1207折流板间距B=0.27Di3008折流板数量149换热管支撑跨距GB151-1999表42185010折流板管孔直径及偏差GB151-1999表36折流板排列该台换热器折流板排列示意图如下所示：2.12.拉杆和定距管的确定序号项目符号单位数据来源及计算公式数值1栏杆直径GB151-1999表43162栏杆数量GB151-1999表4443定距管规格GB151-19994拉杆在管板端螺纹长度GB151-1999表45605拉杆在折流板端螺纹长度GB151-1999表45206栏杆上倒角高°GB151-199

32、9表4522.13.防冲板 由于壳程流体的，管程换热管流体的流速，因此在本台换热器的壳程与管程都不需要设置防冲板。2.14.管箱短节壁厚的计算序号项目符号单位数据来源及计算公式数值1设计压力1.12计算厚度2.93设计厚度4.94名义厚度105有效厚度7.26选材GB150-1998第四章Q235-C2.15.筒体、管箱的耐压试验的校核计算1筒体的应力校核计算：见筒体壁厚的确定2管箱耐压试验的应力校核：见管箱短节厚度计算3水压试验序号项目符号单位数据来源及计算公式数值1管程液压试验压力3.02管程液压试验应力126.5<0.93壳程液压试验压力1.44壳程液压试验应力59<0.95

33、设计温度下圆筒允许最大工作压力1.7>P6封头液压试验压力37封头液压试验应力122<0.92.16.接管及开孔补强2.16.1 a,b孔的补强其公称直径,设计压力为,接管材料为Q235-B序号项目符号单位数据来源及计算公式数值1接管内径HG20592-973002接管外径HG20592-973253接管厚度12.54开孔直径3026壳体开孔处的有效厚度7.27壳体开孔处的名义厚度108接管的名义厚度69接管的有效厚度510设计温度下接管材料许用应力GB150-1998表411311设计温度下壳体材料许用应力GB150-1998表411312强度削弱系数113圆通开孔所需补强面积3

34、77514补强有效宽度60415壳体外侧有效补强高度，接管实际外伸高42.616接管内侧有效补强高度接管实际外伸高,42.617壳体有效厚度减去计算厚度之外多余的面积57418接管有效厚度减去计算厚度之外的多余面积398.719接管计算厚度3.3220焊缝金属截面积GB150-19983621补强面积1009因为,所以a，b孔需要补强，采用补强圈根据公称直径,选取补强圈参考JB/TT4736，去补强圈外径,选择图1中A型补强圈，内径,补强圈在有效范围内，补强圈厚度,考虑钢板负偏差并圆整取补强圈厚度为10，为制造方便，名义厚度为102.16.2 d,h孔的补强其公称直径,设计压力为1.21Mpa,接管材料为20#序号项目符号单位数据来源及计算公式数值1接管内径HG20592-973002接管外径HG20592-973253