【《浮头式换热器的结构计算设计》6900字】

PAGE浮头式换热器的结构计算设计目录TOC\o"1-3"\h\u17096摘要 2674第一章绪论 4169831.1选题背景及研究意义 4161591.2换热器的国内外发展现状 510240第二章工艺设备选型 6222432.1设计所需的数据 6143552.2重要的参数计算 629862.2.1定性温度的确定 6105922.2.2介质的相关数据 6197082.2.3热量的相关计算 6228812.3换热的面积 7179712.4换热器中较为主要的结构的确定 788732.4.1与换热管相关参数的选取和计算 7229642.4.2温差的核对校正 8286032.4.3与管束有关的数据整理 8232622.4.4计算壳体内侧的直径数值 9137572.4.5折流板的最优选型 993392.4.6接管的详细计算 1075852.5热量的核点计算 10224592.5.1壳程的热核算数据 1060752.5.2管程的热核算数据 11122862.5.3传热相关参数 12135342.5.4管壁温度的核点计算 12312242.6流体阻力的核点计算 13147002.6.1管程相关核算 13289202.6.2壳程相关核算 1416908第三章对结构的设计分析及对强度的具体计算 1769973.1壳体各项参数的选取确定 17201903.2对管箱垫片的设计过程 17182513.3对管箱法兰的选择过程 18290183.4对管板数值的确定流程 1950793.5对两种接管的选择设计 20313103.5.1壳程的管子数据 2034073.5.2管程的管子数据 21124293.6对管箱以及相接构件的设计 21255373.7校核壳程管子的补强 2277553.8校核管程管子的补强 23126503.9确定浮头各项参数数据 24128693.9.1作用在管程压力下的取值 25147843.9.2作用在壳程压力下的取值 2569373.9.3管程作用于浮头法兰 2635533.9.4壳程压力作用下浮头法兰的计算 29139543.10选取拉杆及其定距管 33105983.11对接管位置的确定 34315723.12排气管和排液管 36294213.13保温层 37154623.14支座 3896893.15应力计算 39214613.15.1热交换器所受的应力 3959063.15.2温差应力 403173.15.3拉脱力 4153253.15.4许用拉脱力 4123258第四章换热器主要结构尺寸和计算结果汇总 42250044.1工艺参数汇总 42288584.2物性参数汇总 4235034.3结构计算参数汇总 4231328参考文献 43摘要浮头式换热器的工作质量，是否能够安全、连续、有效地运行使用,直接影响了本减压装置及其他相关后续配套设备的正常使用生产与社会经济效益。本次设计是换热面积为123.4m2，双管程、单壳程的浮头式换热器。我们需要进行工艺方面的计算，包括传热面积的估算、主体构件工艺尺寸的确定、热量核算、流体阻力核算等；第二部分是换热器的结构确定与强度计算，包括浮头、壳体、管箱垫片和法兰、管板、接管、管箱、拉杆、保温层、支座等的确定和相关校核以及应力计算。最后进行了结果的汇总，使用AutoCAD完成了装配图和零件图的绘制。随着社会的进步和科技的发展，换热器也在不断地改进与更新，浮头式换热器也会用有更好的发展前景。尤其是在大型炼油化工企业中,换热器更多的应用是其相关的龙头配套设备。该装置常是本减压设备装置的重要工作关键设备之一。关键词：浮头式换热器；换热管；加热器；第一章绪论1.1选题背景及研究意义换热器系统是一种在大型石油化工、化学药品制造业、能源工业等重要的工业生产工程技术领域中广泛应用的一种热量自动互换控制设备。尤其是在大型炼油化工企业中,换热器更多的应用是其相关的龙头配套设备。该装置常是本减压设备装置的重要工作关键设备之一,它的工作质量，是否能够安全、连续、有效地运行使用,直接影响了本减压装置及其他相关后续配套设备的正常使用生产与社会经济效益[1]。主动地采取措施,有计划地组织实施设备的升级或者更新、改造再使用,是为了保障设备装置的安全和生产、增强企业的竞争力,行之有效。而且伴随着我国现代科学与工业的高速进步，出现了一系列的问题，诸如能源的短缺、能源上的浪费，以及环境被受污染等问题。为了解决相关的问题，世界各国的学者科学家在不断探索新的能源来替代。对可再生能源深度应用的同时，许多的研究学者科学家也投身到了对换热器的研究上，可见换热器的优秀利用价值，例如好的换热器可以提高我们的资金能源利用率也可以提高产品的整体质量，也是企业研制和设计开发各种综合利用石油二次能源的主要热工设备[2]。目前,在空气换热器的使用设备中,使用量最高的就是小型管壳式空气换热器,约占室内换气散热器使用设备数量总数的70%。管式燃气换热器系统作为其中一种属于比较传统的管式换热控制装置,在许多供热行业和相关部门都已得到严格保障。其主要特点是对环境变化适应能力强、清洁方便、制造成本低等。由于这种采用浮头式换热器的管束能够被吸收和排气,因此清洁方便,管束在实际使用时由于温差大大地膨胀且又不受到壳体的约束,不会对其产生任何温差和应力等优势,它的实际应用领域比较宽[3]。浮头式工业换热器广泛地大量应用于我国石油、石化以及制药、食品等各种工业,由于使用换热器的管程内外高温介质对换热压力的巨大差异、介质内壁受到热的腐蚀、冲刷、温度、焊缝等的缺陷以及对换热密封件等原材料造成损坏,使得工业换热器的安全故障不断,影响着工业换热管程设备及其生产管理装置的正常生产使用和运行，影响了企业的社会经济效益,造成了原物料和热资源的严重过度浪费和对生态环境的严重过度污染,已逐渐发展成为工业换热管程设备在工业生产经营过程中的一个不可忽视的安全问题。近年来,随着换热产品更新换代的步伐日益加快,企业已经对燃气换热器相关产品的整体设计生产方法结构提出了一个新的技术要求，即换热产品的整体结构设计形式丰富多元,设计生产周期短。由于现代换热器的产品设计本身必须具有一定技术特点,在产品设计的工作过程中由于工作量较大,传统的换热人工辅助设计和电脑绘图已经无法完全适应它的快速发展,而公司采取了以电脑绘图为设计主体的现代换热器人工辅助设计绘图技术,这种设计方法不但不仅可大量适度地有效节省公司人力、物力,提高效率,还同时可以大大改善公司产品设计的技术质量、可靠性与产品标准化管理水平[4]。1.2换热器的国内外发展现状自建国以来，我们国家关于换热器相关研究的技术进展还比较晚。近年来,我国对于新型复合金属材料、合金材料、非金属材料等相关技术上的发展已经取得了较大程度的技术突破，提高了系统传热器的效率。实施节能低碳减排,提升能源综合利用率,这就是制定我国新一轮能源开发战略的主要目标。近年来,我国换热器行业在实现节能増效、提高传热质量、减轻传热范围、降低温度和压降等方面发展明显。在实现了大型化产品的同时,也增强了其产品的换热效率,更加充分地体现了节能、降耗[5]，这是我们新时代发展现代工业的一个重要宗旨。美国公司发明创造的螺旋折流换热系统的设计基本原理主要是:将圆形横截面上的特殊型高压换热板直接冲压安装在“拟螺旋折流系统”中,保温壳程系统中的各个流体可以作为一个螺旋转动,可以尽量减少保温换热塑料管板和保温壳体之间容易受热产生固体结垢的工作死角。新式的加热器大约每年可以大幅减少30%-40%的气体传热温度范围,节约20%-30%的换热材料。由于近些年我国经济社会发展不断进步而且速度比较快,所以对于空气换热器发电装置的生产需要量也就随之增加了许多。第二章工艺设备选型2.1设计所需的数据2.2重要的参数计算2.2.1定性温度的确定热流体的定性温度：tm1=T1+T冷流体的定性温度：tm2=2.2.2介质的相关数据(1)(2)2.2.3热量的相关计算热损失系数：传热量为:Q=M1c综合各种相关的有效因素考虑，决定使冷流体走管程，而热流体选择走壳程。2.3换热的面积流体间温差∆t∆t平均温差△t1mc参考查阅《化工单元过程及设备课程设计》[6]的数据和相关规定，初步判断来选取K=350W╱(m2•℃)。传热面积为F'=Q考虑到面积裕度F'=ηF'=1.15×107.36在上述式子中我们取到η为1.152.4换热器中较为主要的结构的确定2.4.1与换热管相关参数的选取和计算综合各种相关因素考虑，管子选用φ25×2.5mm10号钢最为适合。根据设计要求和计算管程介质的流速应该选取ui=0.99m/s。管程所需流通截面积为：At每程管数为（取整）：n=4每根换热管长度为L=F'如果选择按照单管程的方式设计的话，那么我们考虑到传热管的长度应该会过长，综上所述选取多管程进行排列显然会比较适宜，结合以上理论知识再参考本次设计的具体实际情况，最优的方案确定为每根换热管的长度为6m,这样设计最为适宜。则管程数为Np换热管总根数为：nt2.4.2温差的核对校正P=tR=T按单壳程、双管程结构，我们可以参考查阅与之相关的图表，由此得到了φ=0.96这个数值显然是大于0.8的，所以以上的设计是可行的。则△tm2.4.3与管束有关的数据整理管子的陈设方法有很多种，综合各种方法的优缺点以及本次设计的计算以及实际工作情况，我们择优选取正三角形的陈设方法，每程内和隔板两侧均采用该种摆放的方法。接着我们要认真查阅GB151-2014[7]表6-2《换热管中心距》中的规定，最后确定这两个重要参数的取值分别为S=32mm和Sn=44mm。2.4.4计算壳体内侧的直径数值根据上述内容，管子的陈设的布局选择了正三角形,管程数我们选取了2,由计算和实际要求确定η=0.75。壳体内径的计算值为：Ds取壳体内径标准值：Ds=0.7m2.4.5折流板的最优选型全面分析各种折流板的特点，本次设计计算中弓形折流板最为适宜被采用，因为相对而言它在介质的流动过程中所生成的死角更为微小，而且它的结构不算复杂清理起来也会耗费较少的时间和人力成本，采取上下缺口的陈列方式，通过计算分析我们把折流板距离管板的位置确定为0.41m。折流板的圆心角：折流板缺口高度为：h=0.25则折流板的数目为：2.4.6接管的详细计算(1)壳程取接管内流体流速为uD1取壳程接管直径标准值为DN=(2)管程取接管内流体流速为D2可取管程接管直径标准值DN=200mm2.5热量的核点计算2.5.1壳程的热核算数据QUOTE传热管当量直径传热管当量直径de=4×32壳程流通截面积：As壳程流体最小流速：uoReoPro黏度校正项：壳侧换热系数为：αo2.5.2管程的热核算数据传热管当量直径de管程流通截面积：Ai管程流体最小流速：uiReiPri黏度校正项：管侧表面换热系数：αi2.5.3传热相关参数冷流体水的污垢热阻：热流体煤油的污垢热阻：管壁侧的热阻的计算如下所示Rw管子的平均直径为：dm总传热系数为：K=12.5.4管壁温度的核点计算根据本设计的具体实际情况而言，应该选取污垢热阻等于零来进行相关的计算。则传热管的平均壁温为：tw1冷介质均温计算t热介质均温计算T根据计算，这个壳体的内侧壁的温度我们算得为86℃。所以我们可以得到∆t=温度是比较合适的。2.6流体阻力的核点计算2.6.1管程相关核算管程总阻力公式为：△Pt式中：∆∆∆NNF直管阻力为：△Pi回弯阻力为：△Pr式子中的ξ我们称之为局部阻力系数，一般选取它的数值为3。进出口连接管阻力为：△PN管程总阻力为：△Pt由上式中，我们可以轻松获得管程流体的阻力的数值，与我们标准数值的大小相符合。2.6.2壳程相关核算△Ps式中：∆∆NF流体流过管束的阻力为：△Pbk式中ffknt流体流过折流板缺口的阻力△Pwk壳程总阻力：△Ps第三章对结构的设计分析及对强度的具体计算3.1壳体各项参数的选取确定根据设计要求我们可以得知在壳体内流动的液体是煤油，所以要求材料需要具备以下特点例如强度较高硬度较高，还需要具备一定的耐腐蚀性等等，结合以上因素综合考量，我们要选取不锈钢S31603来充当筒体的材料最为适合。在上一部分的选型计算中，我们已经阐述了壳体内侧直径的数值等于700mm。接下来是衡量筒体薄厚的尺寸参数设计压力0.125MPa,设计温度为筒体厚度计算为：δ=P式中：Di——δ——φ——设计厚度：δd名义厚度：δn有效厚度：δe根据以上详尽的计算过程，我们最终将厚度确定为6mm3.2对管箱垫片的设计过程垫片：查阅相关的规定综合考虑，我们选取图示结构来作为本次设计的垫片。图3-1非金属软垫片3.3对管箱法兰的选择过程根据设计的各项参数及实际需求，选用下图图示结构来作为本次设计的法兰。图3-2凹凸密封面-法兰由设计过程可得，公称直径的数值我们在上述过程中算得为700mm,在所述的这种条件下，我们可以查到如下图所示的数据表：3.4对管板数值的确定流程图3-3整体管板首先我们要设法知道管板的尺寸，根据我们在上述计算过程中对和壳体、法兰、螺栓等结构各项尺寸规格的设计、选取与确定，再根据相关手册中的明确规定得到下列表格：到这一步，我们需要选择一个合适的元器件，在我们知道了上述管子的数据之后，这时候我们顺理成章地想到了Ⅱ级管束，选取它最为适宜，查阅相关的资料，再结合设计过程和设计数据，我们将直径选取为标准的25.3mm,相应地设置允许偏差（+0.10，-0.10）。对于换热的管子和管板之间的的相接方式，在综合对比之后我们确定为强度焊这一方法，与之相对应的焊接的粗糙度Ra我们应该保证它是小于等于35μm的。接下来我们要确定一种结构来将管板与法兰接应起来，经过全面的比较和分析，采用如下图所示的连接方法最为适宜。图3-4管箱-e型3.5对两种接管的选择设计3.5.1壳程的管子数据我们可以通过《换热器设计手册》中的规定来确定壳程的管子向外伸出的高度，也就是说当DN的数值我们取为等于125时，我们应该将δ的取值设置到0和50之间，将l4的具体数据确定为最为适宜的200。3.5.2管程的管子数据同上，我们通过相关的规定来确定管程的管子向外伸出的高度，也就是说当DN的数值我们取为等于200时，我们应该将δ的取值设置到0和50之间，将l4的具体数据确定为最为适宜的200。3.6对管箱以及相接构件的设计首先我们要选择一种合适的钢作为管箱的材料，我们查阅并研究与管箱及其封头相关的国标中的数据选取规定，最后将其材料定为不锈钢S31603。接下来我们要通过计算来完成管箱的尺寸的设计，根据上文中提到的设计要求温度我们还是定为50℃,对于计算压力Pc这个参数我们将它的取值定为等于0.13MPa，另外几个重要取值焊缝系数选取它的计算数值为1，腐蚀裕度规定它的取值为2，同上负差值规定为选取数值1。计算厚度：δ=P设计厚度：δd名义厚度：δn考虑壳体厚度，圆整后名义厚度为有效厚度：δe接下来是对封头这一结构的选取以及具体尺寸大小的确定，同上文管箱的设计计算过程，我们首先要认真查阅并研究与本次设计情况相关的国标规定，我们择优选取它的材料为不锈钢S31603，对各种形式的特点比较分析综合考量后确定为如下图所示的椭圆形。图3-5椭圆形封头EHA分程隔板选取的各项具体数据经我们查阅总结后确定为如下图所示管箱短节长度为：QUOTE管箱短节长度为：Lg3.7校核壳程管子的补强根据上述的设计过程我们选取了壳程中的接管为139.7×7mm这一规格，经过比较分析最终确定了它的材料为碳钢NO.20,在该种材料相关数据的要求下，我们确定许用应力的数值取到140MPa。

取CC1接管计算壁厚：δt接管有效壁厚：δet开孔直径：d=D+接管有效补强高度：B=2d=2×接管外侧有效补强高度：h1=d需要补强面积：A=dδ=141.7×强度削弱系数：接下来计算能够作为补充加强的面积为：A1A2A=A13.8校核管程管子的补强C1接管计算壁厚：δt=P接管有效壁厚：δet开孔直径：d=D+接管有效补强高度：B=2d=2×接管外侧有效补强高度：h1=d需要补强面积：A=d×经过查阅将强度的削弱系数这一参数的数值确定为0.778可以作为补强的面积：A1A2A=A13.9确定浮头各项参数数据将本次设计的实际要求计算过程与国标数据相结合，我们综合考虑选取了它的形式为钩圈式，它的端盖的外形我们最终确定为球冠，择优选择了以上两种形式后我们来确定与之相关数据，，一些具体的数值展示在下列表格中。浮头法兰和钩圈的内直径：浮头法兰和钩圈的外直径：外头盖内直径：浮动管板外直径：3.9.1作用在管程压力下的取值封头的计算厚度：设计厚度：名义厚度：，圆整为有效厚度：3.9.2作用在壳程压力下的取值封头计算厚度：设计厚度：名义厚度：，

实取名义厚度圆整为有效厚度：系数的计算，经过相关查阅后我们确定参数B的取值是等于137的。所以说也是相近的，根据上述两个小节的设计数据，作用于壳程P和管程P时我们应该将两种情况作比较选取较大的厚度数值最为安全适宜。综上所述我们确定名义厚度的最终取值是12，同理有效的厚度是。设计温度下封头的最大需用工作压力：3.9.3管程作用于浮头法兰操作状态下所需最小垫片压紧力：流体压力引起的总轴向力：预紧状态下所需的最小螺栓载荷：根据规定和设计的具体实际情况，我们确定螺栓选取35CrMoA这一材料最为适宜，在上述条件都确定后，我们可以确定以下的数据取值为，；，螺栓的个数应该取为36。需要的螺栓总截面积：实际使用的螺栓总截面积：封头边缘处球壳面切线与法兰环的夹角：螺栓设计载荷：作用于法兰内径截面上的流体压力引起的轴向力：螺栓中心至F法兰垫片压力：螺栓中心至F螺栓中心至作用在法兰环侧封头压力载荷引起的径向分力：F总力矩：法兰预紧力矩：，FG=W.法兰的设计力矩：法兰厚度：操作状态下预紧状态下操作状态下法兰厚度：预紧状态下法兰厚度：因此法兰厚度：3.9.4壳程压力作用下浮头法兰的计算所需最小垫片压紧力流体压力引起的总轴向力预紧状态下所需的最小螺栓载荷：螺栓材料这个数据的获取需要我们通过上网去图书馆的查找，找到相干的工艺标准，此标准必须要规范可行，在此情况下，我们才可以放心使用表中的数据，例如，，，，螺栓的个数取为24个。需要的螺栓总截面积：实际使用的螺栓总截面积：

封头边缘处球壳面切线与法兰环的夹角：螺栓设计载荷：作用于法兰内径截面上的流体压力引起的轴向力：螺栓中心至法兰垫片压力：螺栓中心至螺栓中心至作用在法兰环侧封头压力载荷引起的径向分力：F力矩矢量和法兰预紧力矩：，其中FG=W法兰的设计力矩法兰厚度：操作状态下预紧状态下操作状态下法兰厚度：预紧状态下法兰厚度：因此法兰厚度：3.10选取拉杆及其定距管当当当根据以上设计过程中的数据我们可以得知换热管的直径是选择了等于25mm的,根据取值范围显然选取直径为16mm，数量确定为6根.此结构一般会只有两种不同的选择，其两者有着一定的利害关系，在此，经过一定的优劣对比，用螺纹连接：图3-6拉杆定距管结构经过对比分析选择采用Q235RA作为它的材料显然最为适宜，数量我们确定为6根，具体的规格展示在下图中。图3-7拉杆的连接尺寸寻找材料数据的时候，我们千万要小心谨慎，通过我们的学习和积累，以及同学老师的交流学习，材料采用Q235RA是最为适宜的，定距管的直径尺寸应该做到与换热的管子一致Φ25mm，它的长度确定为410mm，个数选择12;在两个折流板之间的长度确定为300mm3.11对接管位置的确定壳程接管位置的最小尺寸L1式中图3-8壳程接管位置管程接管位置的最小尺寸L2式中管程的接管陈设方式如下图所示图3-9管程接管位置3.12排气管和排液管在此我们会采用的方法有较多的选择，为了更好的完成我们的任务的目标要求，我们在交流学之后，用下图的结构，分别在壳体、管箱壳体的上部和底部。选用φ40×4.15，材料20号钢无缝钢管，外伸高度h=150mm。图3-10排气管法兰3.13保温层此装备的选择，是我们设计过程中的重要一环，一个合适的材料对我们的设计至关重要，我们在经过悉心的学习了解搭配到了选用脲甲醛泡沫塑料，如下：DoLnδ=式中：

δ——A2fλ——t——T——TPS——i——n——DDDs——保温层内径，mm；S=iDoLn保温层外径δ=Do-D3.14支座选择鞍式支座，材料为Q235A。图3-11鞍式支座示意图在上述的图片中我们可以清楚的观察到这个相应的结构，通过观察发现，我们是需要均匀的安装2个支座，QUOTE鞍座之间的距离LB=（0.5～0.7）3.15应力计算3.15.1热交换器所受的应力F1壳侧截面积：fs管侧截面积：ft壳体的弹性模数：Es=186000MPa 管子的弹性模数：Et=210000MPa 壳体应力：σs管子应力：σt3.15.2温差应力管的外壁温度：tto管的内壁温度：tti管子的平均温度：tw=壳侧热流量：Qs热流密度：q=Q壳侧内壁温：ts所以：管侧的轴向力：σts壳侧温差产生的轴向力：σt管子的自由伸长量：δt式中：Δ——为基础环外径与筒体直径的差值。壳体的自由伸长量：δt式中：Δ——为基础环外径与筒体直径的差值。由于壳体膨胀量大于管子的膨胀量，故：壳体的轴向合成力：σs=σsp-管子的轴向合成力：σt=σtp+σtt=0.67-17.9=-3.15.3拉脱力q=3.15.4许用拉脱力q=q=显然这是不符合要求的，所以要在合适的位置设置膨胀节。第四章换热器主要结构尺寸和计算结果汇总4.1工艺参数汇总表4-1工