《DN500柴油浮头式换热器的结构设计及计算》9200字（论文）

DN500柴油浮头式换热器的结构设计及计算目录TOC\o"1-3"\h\u10735绪论 3103601DN500冷却器结构设计和选材 6305981.1设计条件 6262331.2换热管设计 6113221.2.1管径设计 6282531.2.2管子排列方式 6195081.2.3换热管中心距 6272901.3折流板设计 7147411.3.1折流板缺口高度 762231.3.2最小厚度 8313781.4定距管设计 10297281.5拉杆设计 1049621.6法兰设计 1128221.6.1法兰类型 11307961.6.2法兰密封面形式 11303591.6.3法兰选型与尺寸见图1-8，1-9，1-10 1285261.6.4法兰材料 1421921.7封头设计 14215091.7.1前端管箱封头结构确定 1419581.7.2外头盖封头结构确定 1576041.8分程隔板设计 15122651.9浮头盖结构设计 1616921.10管板设计 1743582强度计算 1768592.1换热器筒体壳层厚度计算 17270542.1.1壳体计算条件 1841272.1.2壳体厚度计算 1872782.2换热器箱体壳层厚度计算 1935272.2.1管箱设计条件 19305562.2.2圆筒短节厚度计算 20164952.2.3封头厚度计算及强度校核 21224532.3外头盖设计 22283092.3.1圆筒短节计算 22141582.3.2圆筒短节厚度计算 2227592.3.3封头厚度计算及强度校核 23180192.4浮头盖设计 25298652.4.1参数标定 25319912.5换热器管板计算 26182692.5.1管板设计参数 26102802.5.2管板设计 27184382.6管N1开孔补强计算（φ159X5） 27233232.6.1计算开孔所需补强面积 27239292.6.2有效补强面积计算 28103622.7管N3开孔补强计算(φ159X5) 295992.7.1计算开孔所需补强面积 29288152.7.2有效补强面积计算 30279463经济估算 3217980附录 3329249材料明细 3316697参考文献 35摘要换热器又称热交换器，顾名思义，换热器的作用就是进行热量交换。在化工生产中，许多工艺过程都会有加热、冷却和冷凝的过程，这个过程就需要进行热量交换。换热器可以使流体达到加热或冷却的目的，或者也可以把液体汽化成为蒸汽、把蒸汽冷凝为液体。所以，在化工生产中换热器设备占据着非常重要的地位。换热器根据功能、材料、结构等可以划分多种类型，有加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器等等。其中浮头式换热器是比较常见的一种换热器，它的两端管板中有一端相对壳体是固定不动的，而另一端的管板相对壳体可以自由的移动。与其他换热器相比浮头式换热器最大的特点是浮头端是可以拆卸的，而且管束可从壳体中抽出，所以方便清洗、检修。它可以在高温、高压下工作。但是换热器金属材料消耗量比较大，结构复杂而且对密封要求比较高。本设计是有关浮头式换热器的设计，根据已经确定的换热器规格然后对换热器内部的零件进行设计，比如对定距板、折流板、浮头盖、管板的设计。关键词：冷却器；浮头式换热器；换热器设计绪论课题研究的目的与意义换热器的功能就是将温度较高的流体的部分热量传递给温度较低的流体。在换热器中温度较高的流体放出一部分热量；然后温度较低的流体吸收那部分热量，然后就可以实现热量的转化。由于在化工生产、石油、冶金等行业都有换热过程，所以换热器在这些行业中必不可少。换热器做为加热器，冷却器和凝汽器时，可以单独使用。也可以是某一工艺过程的一个组成部分，比如石化、化工生产中的余热回收装置等。随着节能技术的不断发展，人们也越来越重视换热器的强化传热技术的发展。许多新型的换热器也在不断出现。换热器分类在工业生产中由于换热器的作用不同，所以换热器的种类也不同。按换热器的用途分类1）加热器、冷却器这类换热器可以把流体加热或者冷却到所需要的温度，但是流体不会发生相的变化。比如高低压加热器、冷油器。2）预加热器预加热器的作用是预先加热流体，工艺装置的效率就可以提高。比如空预器。3）过热器过热器的可以把流体加热到过热状态。比如锅炉过热器。4）蒸发器蒸发器的作用是加热液体，使液体蒸发汽化。按传热原理分类1）间壁式换热器间壁式换热器有管壳式、套管式等类型，应用比较广泛。2）蓄热式换热器蓄热式换热器是通过多孔填料或基质的短暂能量储存来实现热量的传递，主要应用在流量较大的气-气热交换场合3）流体连接间接式换热器此类换热器的特点是必须有热载体，或者称之为冷却液，例如汽车发动机冷却系统、柴油发电机冷却系统，广义上讲常用的空调制冷系统工作原理也属于此类范畴，只是空调里的热载体是可以蒸发和冷凝的氟利昂等冷媒。4）直接接触式换热器直接接触式换热器是两种流体直接接触，然后两种流体混合进行换热的设备。5)复式换热器复式换热器不仅可以进行间接换热也可以直接混流换热。2.3按结构分类按结构可分为:1）板式换热器2）管壳式换热器3)沉浸式蛇管换热器4)喷淋式换热器5)套管式换热器6)夹套式换热器按所用材料分类按照所用材料的不同，换热器可以分为金属换热器和非金属材料换热器。换热器种类多种多样，所以我们在选用换热器时，需要根据要求选择适合换热器。浮头式换热器简介浮头式换热器包括管箱、管束、壳体、浮头盖、外头盖等零部件。浮头式换热器的管束可以抽出来，管束在使用过程中由于温差膨胀而所以不受壳体约束，也不会产生温差应力，这样的益处就是它的管束可以抽出，所以清洗维修就比较方便，在工艺工程中如果结垢比较严重或者管程比较容易腐蚀的话，我们可以选取浮头式换热器。但是浮头式换热器的结构比较复杂，制造需要大量的金属材料，所以成本相对其他形式的换热器来说比较高而且浮头式换热器容易发生泄漏。1-壳盖2-固定管板3-隔板4-浮头钩圈法兰5-浮动管板6-浮头盖图1浮头式换热器1DN500冷却器结构设计和选材1.1设计条件壳体公称直径：500mm壳程中的介质：柴油设计压力：2.0MPa设计温度：200℃管程中的介质：水设计压力：1.0MPa设计温度：200℃焊接接头系数：0.81.2换热管设计1.2.1管径设计根据GB/T151-2014，选用材料为10号钢、φ25×2.5螺纹换热管。1.2.2管子排列方式管子的排列方式有四种：正三角形排列、正方形直列排列、转角正三角型排列、正方形错列。本设计要求设备传热效果好且易于清洗所以选用正方形错列排列方式，将正方形直列排列旋转45°[7]见图1-1。图1-1正方形错列1.2.3换热管中心距 换热管中心距应大于等于于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换热管中心距换热管外径d12141619202225303235换热管中心距s16192225262832384044分程隔板槽两侧相邻管中心距Sn30323538404244505246由表1-1可得，当换热管外径为25mm时，换热管中心距Sn=32mm。采用正方形错列时，管中心距应为32mmx32mm正方形的对角线，即Sn=322=45.2mm，如图1-图1-2正方形错列隔板槽宽度Sn浮头式换热器中计算布管限定圆直径如公式（1-1）:DL=Di−2b1Di=D-2δ=500-2x10=480mm查表取b=5mm，b1=3mm,b2=21.5mm,bn=20mmD其中，DL—布管限定圆直径，D1.3折流板设计换热器壳体中安装了折流板可以加长流程，提高工作效率；还可以支撑管束、有定位的功能。其中，弓形折流板是最常用的。弓形折流板分为单弓性、双弓型和三弓型三种类型。1.3.1折流板缺口高度弓形折流板的缺口如图1-3所示[8]。图1-3折流板缺口高度1.3.2最小厚度最小厚度如表1-2所示表1-2折流板最小厚度公称直径DN换热管无支撑跨距l，，，= ≤300>300～600>600～900>900～1200>1200～1500>1500折流板或支持板最小厚度≤40034581010400～≤700456101012>700～≤900568101216>900～≤15006810121616>1500～≤2000-1012162020>2000～≤2600-12141820221.3.3折流板型式图1-4折流板形式本设计选用单弓形折流板，并根据实际需要设计异形折流板。1.4定距管设计一般而言，定距管外径与换热管是一样的，所以定距管设计材料为10号钢、φ25x2.5mm。1.5拉杆设计拉杆是换热器中的一个组成部分，折流板之间的距离可以用拉杆固定，同时也可以提高设备的稳定性。本设计选用拉杆定距管结构。拉杆材料选用Q235-A。如图1-5图1-5常用拉杆形式由表1-3和表1-4确定拉杆直径为16mm，拉杆数量为4。表1-3拉杆直径换热管外径d10≤d≤1414≤d≤2525≤d≤57拉杆直径dn101216表1-4拉杆数量公称直径DN,mm拉杆直径dn,mm<400≥400～<700≥700～<900≥900～<1300≥1300～<1500≥1500～<1800104610121618124481012141644668101.6法兰设计1.6.1法兰类型根据HG/T20592-2009《钢制管法兰》[9]，法兰类型包括：带颈对焊法兰、板式平焊法兰、带颈平焊法兰等。如图1-6所示。图1-6法兰形式及其代号1.6.2法兰密封面形式(1)平面型密封面平面法兰密封面就是一个突出的且光滑平面。(2)凹凸型密封面凹凸面法兰密封面是由一个凹和一个凸面组成。当把垫圈放置在凹面上然后压紧时垫圈不会被挤出来。所以它的密封性能比平面密封好。(3)凖槽型密封面榫槽面法兰密封面是由一个榫面和一个槽面组成的。密封效果比较好。(4)凸台型密封面凸台型密封面的应用最广，它经常与对焊和承插焊型式配合使用。图2-7法兰密封面形式1.6.3法兰选型与尺寸见图1-8，1-9，1-10图1-8管箱法兰与管箱侧法兰尺寸图图1-9外头盖侧法兰尺寸图图1-10外头盖法兰尺寸图1.6.4法兰材料法兰材料选用16MnⅡ，查阅GB/T150-2011，拉伸试验σb=450~600MPa,σs≥275MPa。冲击试验：试验温度0℃，Akv,J≥31，硬度试验HB1.7封头设计1.7.1前端管箱封头结构确定在本设计中，前端管箱封头采用椭圆封头。如图1-11所示。查GB/T25198-2010[11],EHA椭圆封头形式参数得ℎ1图1-11椭圆形封头1.7.2外头盖封头结构确定外头盖封头：椭圆形封头后端管箱内径：600mm材料：Q345R设计压力：2.0MPa设计温度：200℃。查GB/T25198-2010[10],EHA椭圆封头形式参数得ℎ1.8分程隔板设计如图1-12所示，隔板厚度δ=10mm，分程隔板材料选Q345R，槽宽为11mm，槽深不宜小于4mm，所以取槽深为5mm图1-12分程隔板与管板连接图公称直径DN隔板最小厚度碳素钢及低合金钢高合金钢≤60086>600～≤1200108>1200～≤20001410>2000～≤26001410表1-5隔板最小厚度分程隔板形式的选择：由工艺计算可知，本设计采用四0020管程，根据GB/T151-2014《热交换器》，分程隔板形式与介质流动方向如图1-13所示。图1-13四管程分程隔板排布示意图1.9浮头盖结构设计钩圈选择B型钩圈式，浮头盖选择球冠型封头，如图1-14所示。图1-14浮头盖示意图1.10管板设计图1-15固定管板2强度计算2.1换热器筒体壳层厚度计算2.1.1壳体计算条件设计课题为DN500冷却器的设计设计压力由图纸给定壳程设计压力为2.0MPa，取计算压力Pc=2.0MPa设计温度壳程中设计温度为t=200℃2.1.2壳体厚度计算材料的确定介质为柴油，筒体材料选择Q345R，有GB150-2011压力容器第二部分材料查表2-1得表2-1筒体材料许用应力钢号钢板标准使用状态厚度常温强度指标该温度下的许用应力

[σ[σ]σσQ345RGB713热轧，控轧，正火3~16mm185MPa500MPa325MPa183MPa焊接接头系数φ=0.85强度校核计算由公式（2-1）可以计算内压圆筒壁厚厚度δ，δ=PcDi2φ[σ]t−PcPc–计算压力,MPaφ–焊接接头系数Di–筒体内径,mm[σ]t–设计温度下的许用应力MPaC–壁厚附加量C=C1+C2C1-钢板负偏差C2–腐蚀裕度由式（2-2）可以计算出设计厚度，δd=δ+C2=3.24+2=5.24mm名由式（2-3）可以计算出名义厚度，δn=δ+C1+C2把名义厚度向上圆整到10mm,则其有效厚度由（2-4）计算得，δe=δn−C1设计温度下筒体的计算应力由式（2-5）计算，σt=Pc(满足要求。由式（2-6）计算得在设计温度下筒体的最大允许工作压力，Pw=2δe筒体水压试验校核由式（2-7）计算出水压试验压力，Pt=1.25Pc[σ][σ]其中，σ=185MPa(σ为水压试验时圆筒的应力按式（2-8）计算得，σ（2-8）满足水压试验要求。综上所述，筒体名义厚度为δn2.2换热器箱体壳层厚度计算2.2.1管箱设计条件1）设计压力由图纸给定管程设计压力为1.0MPa，取计算压力Pc=1.0MPa2）设计温度管程中设计温度为t=200℃材料的确定（包括筒体和封头）介质为循环水，管箱材料选择Q345R，材料性能如表3-2所示表2-2筒体材料许用应力钢号钢板标准使用状态厚度常温强度指标该温度下的许用应力

[σ[σ]σσQ345RGB713热轧，控轧，正火3~16mm185MPa500MPa325MPa183MPa焊接接头系数φ=0.852.2.2圆筒短节厚度计算1）强度校核计算由公式（2-1）计算内压圆筒壁厚计算厚度δ，δ=PcDi2φ[σ腐蚀裕量C2=2把名义厚度向上圆整到10mm,则其有效厚度由（2-4）计算得，δe=设计温度下筒体的计算应力由式（2-5）计算，σt满足要求。由式（2-6）计算得在设计温度下筒体最大允许工作压力，Pw=2）筒体水压试验校核由式（2-7）计算水压试验压力，Pt=1.25P其中，σ=185MPa(σ为Q345R水压试验时圆筒的应力按式（2-8）计算得，σ满足水压试验要求。综上所述，前端管箱筒体短节名义厚度为δn2.2.3封头厚度计算及强度校核1）封头厚度计算封头计算厚度δℎ由式（2-9δℎ=KPcDi2φ[σ]t−0.5Pc其中，δℎ-封头计算厚度，Pc–计算压力MPa，管程计算压力为1.0MPaφ–焊接接头系数Di–筒体内径，mm[σ]t–设计温度下的许用应力MPaK–应力增强系数，K=在标准椭圆封头中，K=1.0考虑到腐蚀余量与厚度负偏差，C1=0.3mm，C2=2由式（2-10）计算椭圆形封头的最大允许工作压力：Pw=2δeℎ[σ]设计温度下封头的计算应力由式（2-11）计算σt=Pc(Di满足要求。2）水压试验校核水压试验压力由（2-12）计算，Pt=1.25Pc[σ]试验时产生的应力由式（2-13）计算：σ（2-13）满足水压试验要求。综上所述，封头采用Q345R冲压而成，其厚度为10mm。2.3外头盖设计2.3.1圆筒短节计算1）设计压力由图纸给定壳程设计压力为2.0MPa，取计算压力Pc=2.0MPa2）设计温度壳程中设计温度为t=200℃3）材料选取介质：脱氧水筒体材料：Q345R，查GB150-2011压力容器第二部分材料可得，材料属性如表2-3所示表2-3材料许用应力钢号钢板标准使用状态厚度常温强度指标该温度下的许用应力

[σ[σ]σσQ345RGB713热轧，控轧，正火3~16mm185MPa500MPa325MPa183MPa焊接接头系数φ=1.02.3.2圆筒短节厚度计算1）强度校核计算由公式（2-1）可以计算内压圆筒壁厚厚度δ，δ=PcDi2φ[σPc–计算压力MPaφ–焊接接头系数Di–筒体内径（mm），后端管箱内径为600mm[σ]t–设计温度下的许用应力MPa取腐蚀裕量C2根据GB150-2011压力容器规定，将名义厚度向上圆整至32mm,则其有效厚度由（2-4）计算得，δe=设计温度下筒体的计算应力由式（3-6）计算，σt满足要求。在设计温度下由式（2-6）计算得筒体最大允许工作压力，Pw2）筒体水压试验校核由式（2-7）计算水压试验压力，Pt=1.25其中，σ=185MPa(σ为Q345R水压试验时圆筒的应力按式（2-8）计算得，σ满足水压试验要求。综上所述，筒体名义厚度为δn2.3.3封头厚度计算及强度校核1）封头厚度计算封头计算厚度δℎ由式（2-9δ其中，δℎ-封头计算厚度，Pc–计算压力MPa，计算压力为4.64MPaφ–焊接接头系数Di–筒体内径，mm[σ]t–设计温度下的许用应力MPaK–应力增强系数，K=在标准椭圆封头中，K=1.0取其名义厚度δnℎ=10mm椭圆形封头的最大允许工作压力由式（2-10）计算：P设计温度下封头的计算应力（2-11）计算σ满足要求。2）水压试验校核水压试验压力由式（2-12）计算P试验时产生的应力由式（2-13）计算：σ满足水压试验要求。综上所述，封头采用Q345R冲压而成，其厚度为10mm。2.4浮头盖设计2.4.1参数标定符号说明：Di−换热器圆筒内直径，500Dfi−浮头法兰与钩圈的内直径，由公式（Dfi=Di−2Dfo−由公式（Dfo=Di+82=582D−外头盖内直径，由公式（2-16）计算D=DiDo−浮头管板外直径，由公式（Do=Di−2bDb−螺栓中心圆直径，由公式（Db=Do+钩圈为B型钩圈，如图3-1所示，图2-1B型钩圈B型钩圈的设计厚度按式（2-19）计算，δ=δ1+16=48+16=64mmδ—钩圈设计厚度,mmδ12.5换热器管板计算管板是管壳式换热器的一个零部件，作用是排布换热管，它可以把管程与壳程流体分隔开，冷热流体就不会混合。材料选用工程上常用的16MnⅡ。2.5.1管板设计参数根据GB/T151-2014表17,Ⅱ级管束，换热管外径为25mm，则管孔直径为25.4mm，允许偏差为01）如表2-4所示为管板设计条件表2-4设计条件壳程设计压力Ps2.0MPa管程设计压力Pt1.0MPa壳程设计温度ts200C管程设计温度tt200C换热器公称直径Di500.00mm壳程腐蚀裕量Cs2.00mm管程腐蚀裕量Ct2.00mm换热管使用场合一般场合换热管与管板连接方式(胀接或焊接)强度焊加胀接（计算主要根据强度焊）2）结构尺寸参数管板强度削弱系数μ=0.4管板钢板削弱系数，取μ值，=管束数n=116，管程为4设计温度下管板的材料弹性模量E设计温度下管板材料的许用应力[σ]许用拉脱力q=管板设计图2-2固定管板2.6管N1开孔补强计算（φ159X5）2.6.1计算开孔所需补强面积补强方法可以用等面积补强法，该管的外径为159mm，公称压力为6.3MPa。根据GB150-2011中6.1.3的表6-1，取管壁厚为5mm进行补强计算。接管材料可以选择20号钢，安放式接管，接管内径为149mm。根据GB150-2011，开孔直径dop取接管内直径加2倍厚度附加量，如式（2dop=149+2C=199+2×2.8=154.6mm（其中，C：接管厚度附加量C1：接管厚度负偏差C2：接管腐蚀余量取C1当内径小于1500mm时，开孔直径dop=154.6mm<Di2强度削弱系数：f[σ]t[σ]t——设计温度下壳体材料的许用应力，壳程设计温度为200℃对应许用应力为183开孔所需补强面积为：A其中，δet——接管有效厚度,mm，δ——壳体开孔处计算厚度,mm,由下式计算δ=K1——椭圆形长短轴的比值确定的系数，由于是标准型封头，所以K2.6.2有效补强面积计算壳体开孔处的名义厚度δn=10mm，接管处名义厚度接管计算厚度由式（2-15）计算，得δt=PcDi2φ[σ]t−Pc=按式（2-16）计算有效宽度B，取二者中的较大值：B=2dopdop所以，B=309.2mm。按式（2-17）计算有效高度，分别取式中较小值：外伸接管有效补强高度：ℎ1=dopδnt接管实际外伸高度内伸接管有效补强高度按式（2-18）计算：ℎ2=dopδnt接管实际内伸高度=在有效补强范围内，按式（2-19）计算作为补强的截面积：Ae=A1+A2式中：Ae——补强面积，mm2A1——壳体有效厚度减去计算厚度之外的剩余面积，按式（2-20）计算，mm2;A1=B−dopδeA2——接管有效厚度减去计算厚度之外的剩余面积,按（2-21）计算，mm2A（2-21）A3——焊缝金属截面积。取焊脚10mm，则A由式（2-19）得，A所以，不需要进行补强2.7管N3开孔补强计算(φ159X5)2.7.1计算开孔所需补强面积采用等面积补强法，管的外径为159mm，公称压力为6.3MPa。根据GB150-2011中6.1.3的表6-1，取管壁厚为5mm进行补强计算。接管材料选择20号钢，安放式接管，接管内径为149mm。根据GB150-2011[11]，开孔直径dop计算得dop=149+2C=199+2×2.8=154.6mm（其中，C：接管厚度附加量C1：接管厚度负偏差C2：接管腐蚀余量取C1对于内径小于1500mm的容器，开孔直径dop=154.6mm<Di强度削弱系数：f[σ]t[σ]t——设计温度下壳体材料的许用应力，壳程设计温度为200℃对应许用应力为183开孔所需补强面积为：A（2-23）其中，δet——接管有效厚度,mm，δ——壳体开孔处计算厚度,mm,由下式计算δ=PcK1Di2φ[σK1——椭圆形长短轴比值确定的系数，由于是标准型封头，所以K2.7.2有效补强面积计算有效补强范围及补强面积按图4-1中所示。其中壳体开孔处的名义厚度δn=10mm，接管处名义厚度接管计算厚度由式（2-1）计算，得δt=PcDi2φ[σ]按式（2-16）计算有效宽度B，然后取最大值：B=2dopdop所以，B=309.2mm按式（2-17）计算有效高度，分别取式中较小值：外伸接管有效补强高度：ℎ1=dopδnt接管实际外伸高度内伸接管有效补强高度按式（2-18）计算：ℎ2=dopδnt接管实际内伸高度=在有效补强范围内，按式（2-19）计算作为补强的截面积：Ae=A1+A式中：Ae——补强面积，mm2A1——壳体有效厚度减去计算厚度之外的剩余面积，按式（2-20）计算，mm2;A1=B−dopδeA2——接管有效厚度减去计算厚度之外的剩余面积,按（2-21）计算，mm2;A（2-28）A3——焊缝金属截面积。取焊脚10mm，则A由式（2-26）得，A所以，不需要进行补强。3经济估算通过查阅网上资料，了解到主要材料报价如下表所示：表3-1材料价位表材料价格质量总价/元Q345R4000元/吨1082.4KG432916MnⅡ10元/KG624.6KG624620Ⅱ15元/KG215KG3225Q235-B3200元/吨37.2KG119103元/KG8178KG2992Q235-A3700元/吨101.62KG376总计17287总体材料价格约为17287元。

附录材料明细所有零部件的材料如下所示，名称材料数量总重/kg前端管箱封头Q345R124.7前端管箱筒体Q345R150前端管箱法兰16MnⅡ154前端管箱管法兰20250.8隔板Q235-B337.2吊耳Q345R34.2壳体Q345R1909.6管箱侧法兰16MnⅡ154壳体管法兰20Ⅱ250.8内折流板Q235-A14.1换热管10116967定距管104830.12拉杆Q235-A434.4固定管板16MnⅡ185浮动管板16MnⅡ156折流板Q235-A943.2异形折流板Q235-A211外头盖侧法兰20Ⅱ1113.4固定支座Q345R123移动支座Q345R123外头盖筒体Q345R113.3外头盖法兰16MnⅡ166.3外头盖封头Q345R134.6螺母M24Q235-A887.92防松支耳Q235-A21等长双头螺柱35CrMoA2411.52浮头法兰16MnⅡ152.3