毕业设计-浮头式换热器设计Word下载.doc

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能够应用基础理论与专业知识，独立分析和解决实际问题。

毕业设计（论文）所得结论具有应用或参考价值。

基本具备独立从事本专业工作的能力。

3

论文质量

论文条理清晰，结构严谨；

文笔流畅，语言通顺。

方法科学、论证充分；

专业名词术语使用准确。

设计类计算正确，工艺可行，设计图纸质量高，标准使用规范。

4

工作量

论文正文字数达到8000及以上。

不足8000字的，每少500字扣2分。

8

5

论文格式

论文正文字体字号使用正确，图表标注规范。

论文排版、打印、装订符合《西安石油大学继续教育学院毕业设计（论文）撰写规范》的要求。

6

创新

工作中有创新意识；

对前人工作有改进、突破，或有独特见解。

是否同意参加评阅（填写同意或者不同意）:

总分

30

说明

有下列情况之一的毕业设计（论文）不得参加评阅：

1、毕业设计（论文）选题或内容与所学专业不相符的；

2、毕业设计（论文）因1/2以上内容与他人论文或文献资料相同，被认定为雷同的；

3、正文字数不足6000字的。

评语：

指导教师：

年月日

成人高等教育专科毕业设计（论文）评阅意见表

满分

选题

毕业设计（论文）选题难易程度适中，具有实际或理论意义。

毕业设计（论文）能反映学生对所学的基础理论与专业知识进行综合运用的能力。

条理清晰，结构严谨；

方法科学，论证充分；

专业名词术语准确。

完成任务书规定的内容。

不足8000字的，每少500字扣5分。

20

规范化

10

15

对前人工作有改进、突破，或有独特见解

70

有下列情况之一的毕业设计（论文）按“0”分记：

1、毕业设计（论文）审查成绩单中的审查成绩栏内为“取消”字样的；

2、毕业设计（论文）选题或内容与所学专业不符的；

3、毕业设计（论文）因1/2以上内容与他人论文或文献资料相同，被认定为雷同的；

4、正文字数不足6000字的。

评阅人：

年月日

浮头式换热器的设计

摘要

本次设计的题目为浮头式换热器。

浮头式换热器是管壳式换热器系列中的一种，它的特点是两端管板只有一端与外壳固定死，另一端可相对壳体滑移，称为浮头。

浮头式换热器由于管束的膨胀不受壳体的约束，因此不会因管束之间的差胀而产生温差热应力，另外浮头式换热器的优点还在于拆卸方便，易清洗。

在化工工业中应用非常广泛。

本文对浮头式换热器进行了整体的设计，按照设计要求，在结构的选取上，采用了2-4型，即壳侧两程，管侧四程。

首先，通过换热计算确定换热面积与管子的根数初步选定结构。

然后按照设计的要求以及一系列国际标准进行结构设计，设计的前半部分是工艺计算部分，主要设根据设计传热系数.压强校核.壳程压降.管程压降的计算。

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式进行设备内各零部件（如壳体.折流板.管箱固定管板.分程隔板.拉杆.进出口管.浮头箱.浮头.支座.法兰.补强圈）的设计，

[关键词]换热器；

浮头；

管壳

工况：

一种浮头式换热器，它由壳体、换热管束、管板、浮头、外接管、法兰螺栓连接件、膨胀件等组成，其特点是壳体与换热管束之间可连接一个膨胀节，以消除热膨胀差，浮头直接与外接管相接，以减小流阻。

膨胀节与法兰连接件全部在壳体外，安装和检修方便，该种浮头换热器结构简单、紧凑，流阻小，热效率高，便于检修，适用于换热介质之间温差大的工况，尤为适用石油、化工等高温高压的换热装置中。

目录

前言

热力计算

原始数据

定性温度和物性参数计算

初选结构

管程换热计算及流量计算

壳程换热计算

传热系数

管程压降

压强校核

壳程压降

结构设计

换热流程设计

管子和传热面积

管子排列方式

壳体

管箱

固定管板

分程隔板

折流板

拉杆

进出口管

浮头箱

支座

补强圈

法兰

浮头

安装与拆卸

致谢

换热器是国民经济和工业生产领域中应用十分广泛的热量交换设备。

随着现代新工艺、新技术、新材料的不断开发和能源问题的日趋严重，世界各国已普遍把石油化工深度加工和能源综合利用摆到十分重要的位置。

换热器因而面临着新的挑战。

换热器的性能对产品质量、能量利用率以及系统运行的经济性和可靠性起着重要的作用，有时甚至是决定性的作用。

目前在发达的工业国家热回收率已达96%。

换热设备在现代装置中约占设备总重的30%左右，其中管壳式换热器仍然占绝对的优势，约70%。

其余30%为各类高效紧凑式换热器、新型热管热泵和蓄热器等设备，其中板式、螺旋板式、板翅式以及各类高效传热元件的发展十分迅速。

在继续提高设备热效率的同时，促进换热设备的结构紧凑性，产品系列化、标准化和专业化，并朝大型化的方向发展。

浮头式换热器是管壳式换热器系列中的一种，换热管束包括换热管、管板、折流板、支持板、拉杆、定距管等。

换热管可为普通光管，也可为带翅片的翅片管，翅片管有单金属整体轧制翅片管、双金属轧制翅片管、绕片式翅片管、叠片式翅片管等，材料有碳钢、低合金钢、不锈钢、铜材、铝材、钛材等。

壳体一般为圆筒形，也可为方形。

管箱有椭圆封头管箱、球形封头管箱和平盖管箱等。

分程隔板可将管程及壳程介质分成多程，以满足工艺需要。

管壳式换热器主要有固定管板式，U型管式和浮头式换热器。

针对固定管板式与U型管式的缺陷，浮头式作了结构上的改进，两端管板只有一端与外壳固定死，另一端可相对壳体滑移，称为浮头。

浮头式换热器由于管束的膨胀不受壳体的约束，因此不会因管束之间的差胀而产生温差热应力。

浮头式换热器的优点还在于方便拆卸，清洗方便，对于管子和壳体间温差大、壳程介质腐蚀性强、易结垢的情况很能适应。

其缺点在于结构复杂、填塞式滑动面处在高压时易泄露，这使其应用受到限制，适用压力为：

1.0Mpa～6.4Mpa。

换热器（热交换器）是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，换热器按传热方式的不同可分为混合式（混合式换热器是通过冷、热流体的直接接触、混合进行热量交换的换热器，又称接触式换热器）、蓄热式（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）和间壁式（随间壁式换热器的冷、热流体被固体间壁隔开，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）三类。

在我国换热器的制造技术远落后于外国，由于制造工艺和科学水平的限制，早期的换热器只能采用简单的结构，而且传热面积小、体积大和笨重，如蛇管式换热器等。

随着制造工艺的发展，逐步形成一种管壳式换热器，它不仅单位体积具有较大的传热面积，而且传热效果也较好，长期以来在工业生产中成为一种典型的换热器。

在我国随着经济快速发展的同时，各种不同型式和种类的换热器发展很快，新结构、新材料的换热器不断涌现。

为了适应发展的需要，我国对某些种类的换热器已经建立了标准，形成了系列。

完善的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。

所谓提高换热器性能，就是提高其传热性能。

狭义的强化传热系数指提高流体和传热之间的传热系数。

其主要方法归结为下述两个原理：

温度边界层减勃和调换传热面附近的流体。

因此最近十几年来，强化传热技术受到了工业界的广泛重视，得到了十分迅速的发展，凝结是工业中普遍遇到的另一种相变换热过程，凝结换热系数很高，但经过强化措施还可以进一步提升换热效率。

1.管外凝结换热的强化

（1）冷却表面的特殊处理

（2）冷却表面的粗糙化

（3）采用扩展表面

2.管内凝结换热的强化

（1）扩展表面法

（2）采用流体旋转法

（3）改变传热面形状

按照设计要求，在结构的选取上，为了增大温差校正系数，采用了2-4型，即壳侧两程管侧四程。

然后按照设计的要求以及一系列国际标准进行结构设计，在结构设计时，要考虑许多因素，例如传热条件、材料、介质压力、温度、流体性质以及便于拆卸等等。

之后对有些部件用ANSYS进行了强度校核并进行对其优化设计。

由于时间和资料有限，本人的认识也不够全面，在设计过程中可能还存在许多问题，望老师们给予批评和指正。

1热力计算

1.1原始数据

水进口温度：

=144℃

水出口温度：

=163℃

水工作压力：

P2=2MPa

油进口温度：

=175℃

油出口温度：

=155℃

油工作压力：

P1=1.6MPa

壳体内径：

DS=700mm

管箱内径：

DN=750mm

换热管规格：

Φ19×

3L=8m

1.2定性温度和物性参数计算

水的定性温度：

（1）

水的密度：

ρ2=913kg/m3

水的比热：

Cp2=4.32kJ/kg℃

水的导热系数：

k2=0.686W/m℃

水的粘度：

μ2=168.8×

10-6

水的柏朗特数：

Pr2=1.08

油（柴油）的定性温度：

（2）

油的密度：

ρ1=715kg/m3

油的比热：

Cp1=2.48kJ/kg℃

油的导热系数：

k1=0.133W/m℃

油的粘度：

μ1=6.4×

10-4

油的柏朗特数：

（3）

1.3初选结构

管排列方式：

分程隔板两侧正方形，其余三角形

管子外径：

d0=0.019m

管子内径：

di=d0-（2×

3/1000）=0.013m （4）

管长：

L=8m

管间距：

s=1.5d0=1.5×

0.19=0.0285m （5）

Ds=0.7m

管束中心排管数：

由公式

（6）

得Nc=22

总管子数：

由

（7）

得Nt=400

选型：

采用2-4型即双壳程四管程。

1.4管程换热计算及流量计算

试选传热系数：

k0=240W/m2℃（查表）

传热面积：

（8）

得F0=190.91m2

逆流平均温差：

（9）

参数：

（10）

（11）

温差校正系数：

按2壳程4管程查表得

有效平均温差：

（12）

设计传热量：

（13）

换热效率：

取η=0.98

油流量：

（14）

水流量：

（15）

管程流通截面（按4管程）：

（16）

管程流速：

（17）

管程雷诺数：

（18）

管程换热系数：

（19）

1.5壳程换热计算

折流板的设计：

纵向折流板中间分程，横向安置弓形折流板

弓形折流板弓高：

（20）

折流板间距：

（21）

壳程流通截面：

（22）

壳程流速：

（23）

壳程量流速

（24）

壳程当量直径：

（25）

壳程雷诺数：

（26）

切去弓形面积所占比例：

查图得

（27）

壳程传热因子：

管外壁温度：

假定后再复核，设=160℃

壁温下的粘度：

（28）

粘度修正系数：

（29）

壳程换热系数：

（30）

1.6传热系数

水侧污垢热阻：

m2℃/W

油侧污垢热阻：

m2℃/W

管壁热阻：

r忽略

总传热热阻：

（31）

传热系数：

（32）

传热系数的比值：

（33）

合适

管外壁热流密度：

=4118W/m2℃ （34）

=167.2℃ （35）

误差校核：

=167.2-160=7.2℃ （36）

误差不太大，不再重算。

1.7管程压降

壁温：

=161.3℃ （37）

壁温下水的粘度：

管程摩擦系数：

查表得

管子沿程压降：

（38）

回弯压降：

（39）

进出口管处质量流速：

（40）

进出管口处压降：

（41）

管程结垢校正系数：

根据r2及Φ193得

管程压降：

（42）

1.8壳程压降

当量直径：

（43）

雷诺数：

（44）

壳程摩擦系数：

查表得

管束压降：

（45）

管嘴处质量流量：

（46）

进出口管压降：

（47）

导流板阻力系数：

取

导流板压降：

（48）

壳程结垢修正系数：

查表取

壳程压降：

（49）

1.9压强校核

管程工作压力，查表得

壳程工作压力，查表得

压强校核：

符合要求

2结构设计

2.1换热流程设计

采用2壳程4管程的2-4型换热器。

由于换热器尺寸不大，可以用一台，未考虑采用多台组合使用。

管程分程隔板采用丁字型结构，其主要优点是布管紧密。

壳体分程采用纵向隔板。

管程的分程隔板采用丁字型结构如图1所示，其主要优点是布管紧密。

图1丁字形隔板

2.2管子和传热面积

换热管除要求具有足够的强度外，当采用胀管法固定时，还要求管子有良好的塑性，避免因胀接而产生裂缝。

焊接固定时，要求管子可焊性好，一般采用优质碳钢，以保证管子质量，一般对于无腐蚀性或腐蚀性不大的流体可采用10号钢和20号钢管，在强腐蚀性流体的情况下，可采用不锈钢（189）、钢、铝等无缝管，在强腐蚀性流体的情况下，可采用石墨管、聚四氟乙烯管等。

由于水、油腐蚀性不大，故可采用碳钢，现选择20号钢的无缝钢管。

根据设计要求采用的无缝钢管

管子总数为400根。

其传热面积为：

2.3管子排列方式

管子在管板上的排列方式，应力求均布、紧凑并考虑清扫和整体结构的要求。

基本的排列方式有五种：

等边三角形。

其一边与流向垂直，是最常用的形式。

与正方形排列相比传热系数高，可节省15%的管板面积。

适用于不生污垢或可用化学清洗污垢以及允许压降较高的工况；

转角三角形。

三角形的一边与流向平行，其特点介于等边三角行和正方形两种排列之间，不宜用于卧式冷凝器，因下方管子形成的厚度越来越厚的凝膜会使传热削弱；

正方形排列最不紧凑，但便于机械清扫，常用于壳程介质易生污的浮头式换热器；

同心圆排列。

用于小壳径换热器时比正三角形排列还紧凑，靠近壳体的地方布管均匀。

对于多管程换热器常采用组合排列法，每程均属正三角形排列，而各层面间呈正方形排列，以便于安排分程隔板。

综合比较以上几种布管方式，可采用组合排列形式，中间正方形，其余三角形。

布管位置如图2示。

十字形的走廊是为了装设分程隔板，故有壳程流体的泄漏和旁流的问题，共有406个管孔，其中6个孔为安装拉杆用。

图2管子排列

2.4壳体

壳体材料除要满足一定的强度外，由于制造过程中经过卷板、冲压和焊接，故要求材料有一定的塑性和可焊性，一般采用含碳量较低的、等，现选用钢。

壳体内径Ds=700mm

壳体壁厚：

（50）

为壳体工作温度下的许用应力，已知壳程设计温度为220℃，则tw<

220℃。

根据碳钢板许用应力，表查得=167

为焊缝系数，取=0.85

，p1为工作压力，等于1.6MPa

c=2mm

则

实取，之后要用有限元分析软件ANSYS进行强度校核。

2.5管箱

2.5.1.封头

根据压力容器设计规范采用材质为16MnR的标准椭圆封头，在满足强度要求的情况下，其壁厚可用以下公式计算：

（51）

已知管程设计温度为200℃，则tw<

200℃。

根据碳钢板许用应力，表查得=170MP

p=1.2p1=1.2×

1.6

实取，之后用ANSYS进行强度校核。

曲面高度：

（52）

D——封头的平均直径

直边高度

2.5.2.箱壳

壁厚：

实取，之后要用ANSYS进行强度校核。

内径：

长度：

2.6固定管板

外径：

板厚：

管板上开孔数与孔间距与管的排列一致。

管板材料选用A3钢。

管子与管板的连接必须牢固、不泄漏，不产生大的应力变形，最常见的连接方法为胀接，胀接只能用于工作压力低与4MPa和温度低于300℃的场合；

对于高温、高压、易燃、易爆的运行条件多采用焊接，但采用焊接容易产生热应力且间隙中流体不流动很容易造成间隙腐蚀，采用胀焊并用的方法可以避免。

由于工作压力和温度都不是特别高，而且管子的间距比较大，管板和管子的连接采用胀接。

换热管在管板内的胀接长度L=38mm。

2.7分程隔板

2.7.1管程分程隔板

管箱的分程在固定端管箱与浮头端管箱内都要安装分程隔板，隔板的布置见图1，由于两端管箱不是很长，卸下清洗时不用拆下来，因此可以将隔板直接焊接在箱体上。

管程隔板要考虑密封问题，它们的密封是通过在固定管板和浮动管板插隔板的槽内安放密封填料。

为了保证填料能起到密封作用，隔板的长度要按安装的尺寸进行计算。

具体尺寸见三维实体图。

2.7.2壳程分程隔板

安装壳体的分程隔板一方面要考虑到密封问题，另一方面要便于拆卸，因此采用图3所示的装置来安装隔板，当转动偏心杆手柄，偏心杆的凸轮推动与其相接的端头包有密封填料的板可使两端夹紧也可使其松开，便于拆卸。

对于浮头式管束要能够拆卸必须要隔板可以拆卸。

因此，此装置是必须要用的。

图3壳体分程隔板

2.8折流板

采用弓形折流板，材料A3F钢板，由于壳内分程，每程均采用半弓形如图4示，布置方式采用垂直切口流动方向。

图4折流板

按一个壳程计算（计算过程见热力学计算）得：

拱高：

板间距：

板数：

由于考虑到实际安装时由于第一块折流板的位置壳体接管位置的影响，在一个壳程内折流板的实际个数应为32个，总的折流板数为64。

2.9拉杆

材质为A3F钢。

直径φ12，共6根。

拉杆是用来安装折流板的，由于折流板是半弓形的，在布置拉杆时要考虑到定位的问题。

每个折流板最好由三个拉杆来定位。

其布置位置见图纸。

2.10进出口管

2.10.1.管程进出管

按取则

进出口流通截面积为：

进出口管内径为：

（53）

取用的热扎钢管

2.10.2.壳程进出口管

（54）

（55）

2.11浮头箱

外头盖内直径：

（56）

外头盖同样采用材质为16MnR的标准椭圆形封头，δ=12mm

（57）

2.12浮头

如图示为浮头端的装配图，包括碟形盖，钩圈法兰和浮动管板，由于浮动管板要与管子胀接后从壳体一端伸到另一端，因此管板的外直径应小于壳体内径，其主要尺寸如下：

图5浮头结构

浮动管板外直径：

浮动管板厚：

浮头法兰外径：

（58）

浮头法兰内直径：

mm （59）

碟形盖内半径：

（60）

厚度：

取15mm

2.13补强圈

在实际设计和制义厚度大于12mm时，接管Dg>

80mm就必须加开孔补强，当壳体名义厚度小于或等于12mm时，接管Dg>

50mm就必须加开孔补强，。

因此，对于Dg100的管箱接管和Dg150的壳体接管都必须进行开孔补强。

在补强圈标准中规定了补强圈的尺寸，按标准尺寸Dg100的接管补强圈外直径D0=210mm，Dg150的接管补强圈外直径D0=300mm。

补强圈的厚度可通过等面积补强法进行计算。

这里不作具体计算，设定补强圈的厚度均为15mm。

2.14法兰

2.14.1法兰密封面的型式

压力容器和管道法兰联接中，常用的密封面型式有以下三种。

1.平面型密封面

密封表面是一个突出的光滑平面（又称突平面）。

这种密封面结构简单，加工方便，便于进行防腐衬里。

但螺栓上紧后，垫圈材料容易往两侧伸展，不易压紧，用于所需压紧力不高且介质无毒的场合。

2.凹凸型密封面

它是由一个凸面和一个凹面所组成，在凹面上放置垫圈，压紧时，由于凹面的外侧有挡台，垫圈不会挤出来。

3.榫槽型密封面

密封面是由一个榫和一个槽所组成，在垫圈放在槽内。

这种密封面规定不用非金属软垫圈，可采用缠绕式金属包垫圈，易获得良好的密封效果。

它适用于密封易燃、易爆、有毒介质。

密封面的凸面部分容易破坏，运输与装拆时都应注意。

在选取密封面时综合考虑介质因素和装拆的因素，壳体法兰均采用凹凸面型密封面，管箱接管法兰采用平面型密封面，壳体接管法兰采用凹凸型密封面。

2.14.2壳体法兰

壳体接管采用平颈对焊法兰，由于管箱、壳体、浮头箱直径都不一样，因此在选用法兰时，不能只按标准选取。

如图6为壳体与浮头箱的对接法兰，DN=800mm的是按标准选取的，而DN=700的法兰是按DN800法兰螺栓孔的位置来设计其尺寸的，

图6凹凸面密封法兰

大致尺寸如