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)
摘要
本文主要是根据给定的参数和工艺要求来设计相应的管壳式换热器。本文首先根据工艺条件进行计算，选定换热器型式，本设计选定固定管板式列管换热器，确定换热器参数。然后进行结构设计和强度计算，进行四种工况校核，其结果都满足要求。最后进行接管补强，水压试验，结果都满足要求。根据标准选取接管、法兰、鞍式支座、垫片等。
本设计通过对壳体内外的研究，对换热器有了初步的认识，并根据相关知识，进行了一系列设计计算，并最终完成柴油冷却器总体的结构设计，绘制设备总图及零部件图。其中包括换热器总图，管束图，折流板零件图，管箱零件图等。
关键词 管壳式换热器, 工艺计算, 强度计算
燕山大学里仁学院毕业设计（论文）
Abstract
This article mainly according to the given parameters and technical requirements to design the corresponding tube selected fixed tube plate shell and tube carries on the structure design and strength calculation, four kinds of working condition checking, the result is meet the requirements. Finally take over reinforcement, of takeover, flange, saddle support, gaskets, etc.
This design through the study of shell inside and outside, calculation, and finally complete the overall structure design of diesel oil cooler, drawing equipment assembly drawing and parts drawing. General layout, including the .
Keywords
calculation;
shell and tube , strength
目 录
摘要 ....................................................................................................................... I ................................................................................................................ II 第1章 绪论 ........................................................................................................ 1
1.1 课题背景 .............................................................................................. 1
1.2 发展现状及趋势 .................................................................................. 1
1.3 存在的问题 .......................................................................................... 2
1.4 课题的研究目的和意义 ...................................................................... 2 第2章 换热器的工艺计算 ................................................................................ 3
2.1 设计任务和操作条件 .......................................................................... 3
2.2确定设计方案 ....................................................................................... 3
2.3确定物性数据 ....................................................................................... 3
2.4估算传热面积 ....................................................................................... 3
2.5工艺结构尺寸 ....................................................................................... 4
2.6核算换热器 ........................................................................................... 6
2.7本章小结 ............................................................................................... 9 第3章 浮头式换热器的强度计算 ................................................................... 11
3.1壳体计算 .............................................................................................. 11
3.2.前端管箱筒体计算 ............................................................................ 12
3.3管箱封头的设计 ................................................................................. 13
3.4浮头设计计算 ..................................................................................... 13
3.5壳程外压作用下浮头盖的计算 ......................................................... 15
3.6管板的设计计算 ................................................................................. 15
3.7接管及开孔补强计算 ......................................................................... 20
3.8.浮头法兰计算 .................................................................................... 21
3.9.钩圈 .................................................................................................... 25
3.10 分程隔板 .......................................................................................... 25
3.11其他结构的选择 ............................................................................... 25
第四章 管壳式换热器检修、安装、使用和维修 .......................................... 29
4.1概述 ..................................................................................................... 29
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4.2检测 ...................................................................................................... 29
4.3安装、使用、维修 .............................................................................. 29
4.4本章小结 .............................................................................................. 30 结论 ..................................................................................................................... 31 主要参考文献 ..................................................................................................... 32 致谢 ..................................................................................................................... 33
附录1 .................................................................................................................. 34
附录2 .................................................................................................................. 39
附录3 外文翻译 ................................................................................................ 44
附录4 外文 ........................................................................................................ 59
第1章 绪论
第1章 绪论
1.1 课题背景
在石油、化工、冶金、电力、轻工、能源等部门所使用的换热设备中,管壳式换热器处于主导地位。它适用于冷却、冷凝、加热 、蒸发及废热回收方面，是理论研究水平最高、设计技术最完善、标准化、规范化、历史久远及计算机软件开发最早的换热设备。它的工艺设计一般是指传热设计和压降（或流动）设计，传热尤为复杂。近年来随着节能技术的发展,换热器的应用领域不断扩大,带来了显著的经济效益，给管壳式换热器增添了新的生命力。因此对其进行研究就具有很大的意义。这种换热器结构坚固，处理能力大、选材范围广，适应性强，易于制造，生产成本较低，清洗较方便，在高温高压下也能适用。为了提高和强化管壳式换热器的传热效率，近年来 各国开展许多了研究工作，除了对管壳式换热器的设计方法作改进外，主要是对该换热器的传热管件及结构做改动，从而实现强化传热 。新近由瑞士Allares公司技术，后经Brown Fintube Ltd改进的高效传热元件-偏置折边翅边管和螺旋扁管。Hamon-Lummus公司又新推出一种SRC翅片管，用于冷凝传热。管壳式换热器是换热器的基本类型之一，19世纪80年代开始就已应用在工业上。这种换热器结构坚固，处理能力大、选材范围广，适应性强，易于制造，生产成本较低，清洗较方便，在高温高压下也能适用。为了提高和强化管壳式换热器的传热效率，近年来 各国开展了许多研究工作，除了对管壳式换热器的设计方法作改进外，主要是对该换热器的传热管件及结构做改动，从而实现强化传热。
1.2 发展现状及趋势 随着社会经济的发展，为了适应节约资源和能源的时代要求，对换热器的要求也越来越高。综合考虑各方面因素，要制造出低成本，高能效的换热器，在推动生产发展因素的同时，也会获得较高的经济效益。故其的提升空间很大，有待改进的方面还很多。
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1.3 存在的问题
我国换热器技术通过几十年的发展，已经跻身世界先进行列，但在某些方面仍存在着一些不足，具体表现在：科研、产业之间还不能紧密的结合在一起，不能及时地实现科技成果的产业化；基础研究相对薄弱，管束腐蚀和磨蚀失效，管子与管板的连接失效，管束振动失效，管束泄漏，介质腐蚀，物性参数计算问题，传热性能问题，计算方法等。与国外公司相比，在经营管理方面还有待完善。
1.4 课题的研究目的和意义 近年来世界能源危机，有力的促进了传热强化技术的发展。为了节能降耗，提高工业生产效益，要求开发适用于不同工业过程要求的高效能换热设备。这是因为，随着能源的短缺，可利用热源的温度越来越低，换热允许温差将变得越来越小，故对换热技术的发展和换热性能的要求也就更高。所以，这些年来，换热器的开发与研究日益成为人们关注的话题。 在技术进步与经济效益催动下，国外推出了多种新型换热器，例如，ABB公司的螺旋折流板换热器（Helixchanger）、Hamon-Lummus公司SRCk空冷式冷凝器、Packinox换热器、NTIW列管式换热器、日本的Hybrid混合式换热器等。这些国外针对新型换热器的研究有的着重于强化管内传热，有的着着眼于壳程强化传热，有的改进了管箱设计，有的在于防腐防垢等。换热器的开发与研究日益成为人们关注的话题。TM
第3章 浮头式换热器的强度计算
第2章 换热器的工艺计算
2.1 设计任务和操作条件
两流体的温度变化情况：热流体急冷水进口温度85℃，出口温度65℃，工作压力为1.2Mpa，流量为,82835Kg=29
Ad=n'S(Sn-S)=29⨯25(38-25)=9425mm2
C）管板布管区当量直径Dt
换热管正方形排列的浮头式换热器，
管板布管区的面积为:
At=nS2+A
d=560⨯252+9425=359425mm2
Dt
Pt=Dt/DG=676.66/874.4=0.789
D）面积
管板布管区内开孔后的面积为：
πd2π⨯192
A1=At-n=359425-560=200653.59mm2 44
一根换热管管壁金属横截面积从GB151附录J查得a=106.81mm2
560根换热管管壁金属横截面积
Na=560×106.81=59813.6mm2
E）系数
naβ==59813.6÷200653.59=0.298 A1
管束模数为 EKt=tna LDt
Et-设计温度下换热管材料的弹性模量；
D- t管板布管区当量直径，mm。
换热管的有效长度为：L
L=L0-2⨯δn-2l
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式中Lt-换热管长，mm。
δn-管板的名义厚度，mm；
l2-换热管与管板胀接长度或焊脚高度，mm。
根据换热管外径d0=19mm查《管壳式热交换器设计手册GB151》知管
板最小厚度δmin≥0.75d0=0.75⨯19=14.52mm，在这里取δn=40mm。 在这里换热管和管板的连接方式选择焊接，参考《管壳式热交换器设计手册GB151》表33取l2=2mm。l1=1.5mm
L=L0-2⨯δn-2l=5500-2⨯40-2⨯1.5=5417mm E191000⨯59813.6=3087 所以Kt=tna=LDt5417⨯683.2η-管板刚度削弱系数，一般可取η=0.4
~K3087Kt=t==0.0404 ηEP0.4⨯191000
F）计算Pa查系数C
~PdPa=t1.5μα []
管板强度削弱系数一般为0.4
~Pd1.32Pa===0.0116 t1.5μ[α]1.5⨯0.4⨯189
K/P=0.038/0.016=3.122
1/Pt=1.24
查GB151图23得C=0.475
G）换热管稳定许用应力系数
换热管回转半径查 GB151附录J得
i=6.05
Lcr Lcr/i=78.308
因 Cτ〉Lcr/i故
σs100⎛Lcr/c⎫181⎛78.308⎫[α]cr= 1-⎪= 1-⎪=55.762MPa 2⎝2Cτ⎭2⎝2⨯102⎭
13t12a1313Cτ=π
第3章 浮头式换热器的强度计算
3.6.3管板厚度计算
管侧 结构开槽5mm，C2 =2mm
壳侧 结构开槽0mm，C2 =0mm δ=CD=0.475⨯683.2=34.95mm δn计算厚度加结构尺寸及腐蚀裕量
取值为44mm
原厚为40mm，计算值为44mm
应重假设厚度
L=5500-2⨯4=5491mm Et191000⨯59813.6Kt=na==3087 LDt5417⨯683.2
~1Kτ=0.03779 0.4⨯203000δn=δ+5+2=41.95mm
K/P=0.038/0.016=3.122
重查GB151图23得C=0.475
故名义厚度为44mm合适。 13t12a1313
3.6.4换热管轴向应力校核
A）只有管程设计压力壳程为0 Pt=1.32MPa Ps=0PMa
Pd=Pt=1.32MPa
Pc=PS-P)=0.94MPa τ(1+β)=0-1.32(1+0.2879
Pa=
1
3t~Pd1.5μ[σ]r12at=1.32=0.0116 1.5⨯0.4⨯1891313K/P=0.038/0.016=3.122
1
按A与ρ查GB151图24得Gwe =5.6
⎤At1⎡1⎡359425⎤P-P-PG=-0.94-0-1.32⨯5.6=12.79MPa()()Stwe⎥⎢c⎢⎥β⎣A1207723.4⎦⎦0.2879⎣
12.79MPa＜112MPa，校核通过。 σt=
B）只有壳程设计压力 管程为0 Pt=0MPa Ps=1.32PMa
Pd=Pt=1.32MPa
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cS τPH=~Pd
1.5μ[σ]rt=1.32=0.0116 1.5⨯0.4⨯189
1
按A与ρ查GB151图24得Gwe =5.6
⎤At1⎡1⎡359425⎤P-P-PG=0.0321-1.32-0⨯5.6=-43.346MPa()()cStwe⎥⎢⎥β⎢A0.2879207723.4⎣⎦⎣1⎦
因为： στ=43.346MPa〈[σcr]55.76MPa σt=
故校核通过。
3.6.5热管与管板连接的拉脱力校核
利用换热管与管板强度焊接结构尺寸
σaq=H
πdl
l-换热管与连接的焊缝尺寸，mm l=1.5+2=3.5mm
[q]=0.5[σ]τ
q=100=0.5⨯112=56MPa〉9MPa 43.346⨯106.81=22.16MPa 3.14⨯19⨯3.5
校核通过
3.7接管及开孔补强计算
3.7.1外壳接管开孔补强计算
(1)设计条件
计算压力：Pc=1.32MPa
计算温度：100℃
接管实际外伸长度：200mm
接管实际内伸长度：0mm
接管焊接接头系数：0.85
接管腐蚀裕量：2mm
接管厚度负偏差：C1=0mm
接管材料许用应力：189MPa
（2）开孔补强计算
第3章 浮头式换热器的强度计算
δ——壳体计算厚度为8mm； δt——接管计算厚度mm；
St=
pc2[σ]-pc
t
D=
1.32⨯186
=0.798mm
2⨯189⨯0.85-1.32
接管直径d=di+2C2=182+2×2=186mm
（3）削弱金属面积A fr=1
A=dδ+2δ(1-fr)=186⨯3.507+2⨯3.507(1-1)=652mm2 （4）壳体多余金属面积A1 接管计算壁厚
A1=(B-d)(δn-C-δ)=186⨯(6-3.507)=463.698mm2〉A 外侧有效厚度
2
()()A=B-d(δ-C-δ)=186⨯(6-3.507)=463.698mm1n
接管多余的截面积A2
A2=2⨯h[δnt-C-fr]=180⨯(8-2-0.771)=941.22mm2〉A
A+A〉A
1
h=dδnt=⨯6=33.4mm
故不需补强
2
3.7.2管箱接管开孔补强计算
(1)设计条件
计算压力：Pc=1.32MPa 计算温度：100℃
接管实际外伸长度：200mm 接管实际内伸长度：0mm 接管焊接接头系数：0.85 接管腐蚀裕量：2mm 接管厚度负偏差：C1=0mm 接管材料许用应力：189MPa
（2）开孔补强计算
δ——壳体计算厚度为8mm；
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St=
c2[σ]-pc
t
D=
=0.771mm
2⨯189⨯0.85-1.32
接管直径d=di+2C2=176+2×2=180mm （3）削弱金属面积A fr=1
A=dδ+2δ(1-fr)=180⨯3.507=613.26mm2 （4）壳体多余金属面积A1 接管计算壁厚
⨯(-61=(B-d)(δn-C-δ)=186 A故不需补强
0.)7=71
2
941.〉2A2 mm
3.8.浮头法兰计算
3.8.1 机构尺寸设计
1、浮头法兰和钩圈的外直Df0=DN+80=800+80=880mm
浮头法兰和钩圈的内直径按GB151中5.14结构尺寸选取，
Dft=DN-2(b1+bn)=1000-2(5+15)=960mm
按照螺柱直径及经验估算，本设计取螺柱中心圆直径1030mm。 螺柱M24 个数n=32，螺柱材料35CrMoA
垫片选用 包垫F53-1000-1.0-6B，JB4718 尺寸φ992/φ960mm 厚度δ=3mm
D0为浮头管板外直径，Do=DN-2b1=1000-2⨯5=990mm
N16
则N=(992-960)/2=16mm，b0===8mm
22
垫片有效密封宽度b=2.o=7.16mm
管板垫片压紧力作用中心圆直径DG=1000-2-2⨯7.16≈976mm 查GB150表9-2，垫片系数m=3.75，垫片比压力y=62.1MPa 螺柱按300℃设计，可取[σ]b=180MPa 设法兰厚度δf=90mm
2、按GB151-99表47内压计算（Pt=0MPa，Ps=1.32MPa），结果见表3-4：
表3-4 浮头法兰内压计算
300
第3章 浮头式换热器的强度计算
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操作情况下法兰总力矩： W=W+W+W-W=3.469⨯107
N⋅mm
(3)外压计算Pt=0MPa，Ps=1.32MPa。见表3-5
表3-5 浮头法兰外压计算表
第3章 浮头式换热器的强度计算
操作情况下法兰总力矩： W=W+W+W-W=4274194N⋅mm
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(4)综合内压及外压的计算结果取大值，确定δf。
根据内外压工况计算结果，故取δf=78mm
此时考虑双面腐蚀，有δfn=81+2⨯2+0.3+∆=86mm
3.9.钩圈
查GB151选B型钩圈，δ=δ1+16
δ为钩圈设计厚度，mm；δ1为浮动管板厚度，mm； 则δ=δ1+16=56+16=72mm
3.10 分程隔板
由于是多管程换热器，故此处需要用到分程隔板。查GB151可知：分程隔板槽槽深≥4mm，取为5mm,槽宽为12mm，取分程隔板的最小厚度为
12mm。
3.11其他结构的选择
3.11.1支座选择
鞍式支座如图2-9所示。鞍式支座在换热器上的布置，因L>3000mm，取LB=(0.5~0.7)L。
采用双支座时，一个鞍座为固定支座，地脚螺栓为圆孔；另一个鞍座为活动支座，地脚螺栓为长圆孔，配合两个螺母，第一个螺母拧紧后，倒退一圈，然后再用第二个螺母锁紧。这样，可以使设备在温度变化是自由伸缩。如图示：
第3章 浮头式换热器的强度计算
型
Ⅱ型
图3-1 鞍式支座
JBT4712.1-2007,鞍座BI 600-S 材料Q345R
置于对称分布的鞍座上卧式容器所受的外力包括载荷和支座反力。容器受重力作用时，双鞍座卧式容器可近似看成支承在两个铰支点上受均布载荷的外伸简支梁
支座的安放位置也有一定的标准，一般支座与壳体端面的距离A
垫板或不带垫板鞍式支座结构。
3.11.2法兰选择
3.11.2.1壳体的接管法兰的选择
压力容器法兰是压力容器的常用部件，是连接压力容器部件的基本元件。法兰应该是个组件，包括法兰垫片和连接螺栓或螺柱以及螺母。其作用是使不同的受压元件组合在一起，同时保证连接部位不产生泄露。
本次设计的换热器公称直径为800mm，设计压力为1.32MPa,参考设计标准应当选择对焊法兰。
壳体法兰
我国压力容器行业，压力容器法兰分类主要按结构形式进行划分。本设计采用对焊法兰。
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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。 3.11.2.2管箱接管法兰选择
管箱接管采用平颈对焊法兰，如图示：
图4-2 接管法兰
设计尺寸按化工机械标准设计
3.11.3.拉杆的选取
常用的拉杆结构有两种，拉杆定距管结构和拉杆折流板点焊结构。这里选用拉杆定距管结构，适用于换热管外径大于或者等于19mm的管束。如图所示：
图4-3拉杆定距管结构简图
拉杆的直径和数量
拉杆的直径和数量可以按GB151《管壳式热交换器设计手册》 表43和表44选用
因为换热管的外径为d=19mm
第3章 浮头式换热器的强度计算
由表得拉杆直径选择为dn=12mm 进一步选择拉杆的数目8 Lb=60mm La=15mm d=12mm
在保证大于或者等于所给定的拉杆中截面积的前提下，拉杆的直径和数量可以变动，但其直径不得小于10mm，数量不得小于4根。
拉杆的长度按需要确定。 拉杆的布置
拉杆应尽量均匀布置在管束的外边缘。对于大直径的换热器，在布管区内或者靠近折流板的缺口处应布置适当数量的拉杆，任何折流板应不少于3个支撑点。
3.11.4防冲与导流
管程设置防冲板的条件
当管程采用轴向入口接管或换热管内流体流速超过3m/s时，应设置防冲板，以减少流体不均匀分布和对换热管端的冲蚀。因为本设计管内水流速为0.95ms，所以不需要设计防冲挡板。
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第四章 管壳式换热器检修、安装、使用和维修
4.1概述
设计确定后，制造质量是换热器最终建造质量的重要组成部分。因此，换热器制造单位必须按照《压力容器安全技术监察规程》（1999版）的规定具备健全的质量保证体系，并持有国家主管部门颁发的批准书和许可证。在全国制造过程中接受安全监察机构（或其授权的检验机构）的全面监督。如果建造主要制造监理时（监理内容在合同中商定）制造单位还应配合业主做好监理。
制造完成后，制造单位必须向业主提供完整的制造出厂资料，资料应符合国家标准的规定，并附有安全监察机构的监督检验报告。还应向业主提供监督检验机构打好钢印的产品铭牌。
4.2检测
接接头先经形状尺寸及外观检查合格后，再进行无损检测，所有A、B类焊缝应进行20%的射线或局部超声检测，检测长度不小于250mm。纵焊缝和环焊缝相交叉部位必须进行无损检测，对焊缝交叉部位及开孔区将被其它元件覆盖的焊缝部位必须全部检测；对经过局部超声或射线检测的焊接接
头，如果在检测部位发现超标缺陷时，则应进行不少于该焊缝接头长度10%的补充局部检测，且不少于250mm，如仍不合格，则应对该焊接接头全部检测，另外，对于公称直径大于或等于250mm的接管对接接头的无损检测比例及合格级别应与壳体主体焊缝焊缝要求相同；对于公称直径小于250mm，其壁厚小于28mm时仅做表面无损检测，合格级别为Ⅰ级。
4.3安装、使用、维修
安装换热器得基础必须足以使换热器不发生下沉，安装时采用混泥土基础，换热器通过鞍式支座由地脚螺栓将其与基础牢固的连接起来。在装
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摘要
本文主要是根据给定的参数和工艺要求来设计相应的管壳式换热器。本文首先根据工艺条件进行计算，选定换热器型式，本设计选定固定管板式列管换热器，确定换热器参数。然后进行结构设计和强度计算，进行四种工况校核，其结果都满足要求。最后进行接管补强，水压试验，结果都满足要求。根据标准选取接管、法兰、鞍式支座、垫片等。
本设计通过对壳体内外的研究，对换热器有了初步的认识，并根据相关知识，进行了一系列设计计算，并最终完成柴油冷却器总体的结构设计，绘制设备总图及零部件图。其中包括换热器总图，管束图，折流板零件图，管箱零件图等。
关键词 管壳式换热器, 工艺计算, 强度计算
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Abstract
This article mainly according to the given parameters and technical requirements to design the corresponding tube selected fixed tube plate shell and tube carries on the structure design and strength calculation, four kinds of working condition checking, the result is meet the requirements. Finally take over reinforcement, of takeover, flange, saddle support, gaskets, etc.
This design through the study of shell inside and outside, calculation, and finally complete the overall structure design of diesel oil cooler, drawing equipment assembly drawing and parts drawing. General layout, including the .
Keywords
calculation;
shell and tube , strength
目 录
摘要 ....................................................................................................................... I ................................................................................................................ II 第1章 绪论 ........................................................................................................ 1
1.1 课题背景 .............................................................................................. 1
1.2 发展现状及趋势 .................................................................................. 1
1.3 存在的问题 .......................................................................................... 2
1.4 课题的研究目的和意义 ...................................................................... 2 第2章 换热器的工艺计算 ................................................................................ 3
2.1 设计任务和操作条件 .......................................................................... 3
2.2确定设计方案 ....................................................................................... 3
2.3确定物性数据 ....................................................................................... 3
2.4估算传热面积 ....................................................................................... 3
2.5工艺结构尺寸 ....................................................................................... 4
2.6核算换热器 ........................................................................................... 6
2.7本章小结 ............................................................................................... 9 第3章 浮头式换热器的强度计算 ................................................................... 11
3.1壳体计算 .............................................................................................. 11
3.2.前端管箱筒体计算 ............................................................................ 12
3.3管箱封头的设计 ................................................................................. 13
3.4浮头设计计算 ..................................................................................... 13
3.5壳程外压作用下浮头盖的计算 ......................................................... 15
3.6管板的设计计算 ................................................................................. 15
3.7接管及开孔补强计算 ......................................................................... 20
3.8.浮头法兰计算 .................................................................................... 21
3.9.钩圈 .................................................................................................... 25
3.10 分程隔板 .......................................................................................... 25
3.11其他结构的选择 ............................................................................... 25
第四章 管壳式换热器检修、安装、使用和维修 .......................................... 29
4.1概述 ..................................................................................................... 29
燕山大学里仁学院毕业设计（论文）
4.2检测 ...................................................................................................... 29
4.3安装、使用、维修 .............................................................................. 29
4.4本章小结 .............................................................................................. 30 结论 ..................................................................................................................... 31 主要参考文献 ..................................................................................................... 32 致谢 ..................................................................................................................... 33
附录1 .................................................................................................................. 34
附录2 .................................................................................................................. 39
附录3 外文翻译 ................................................................................................ 44
附录4 外文 ........................................................................................................ 59
第1章 绪论
第1章 绪论
1.1 课题背景
在石油、化工、冶金、电力、轻工、能源等部门所使用的换热设备中,管壳式换热器处于主导地位。它适用于冷却、冷凝、加热 、蒸发及废热回收方面，是理论研究水平最高、设计技术最完善、标准化、规范化、历史久远及计算机软件开发最早的换热设备。它的工艺设计一般是指传热设计和压降（或流动）设计，传热尤为复杂。近年来随着节能技术的发展,换热器的应用领域不断扩大,带来了显著的经济效益，给管壳式换热器增添了新的生命力。因此对其进行研究就具有很大的意义。这种换热器结构坚固，处理能力大、选材范围广，适应性强，易于制造，生产成本较低，清洗较方便，在高温高压下也能适用。为了提高和强化管壳式换热器的传热效率，近年来 各国开展许多了研究工作，除了对管壳式换热器的设计方法作改进外，主要是对该换热器的传热管件及结构做改动，从而实现强化传热 。新近由瑞士Allares公司技术，后经Brown Fintube Ltd改进的高效传热元件-偏置折边翅边管和螺旋扁管。Hamon-Lummus公司又新推出一种SRC翅片管，用于冷凝传热。管壳式换热器是换热器的基本类型之一，19世纪80年代开始就已应用在工业上。这种换热器结构坚固，处理能力大、选材范围广，适应性强，易于制造，生产成本较低，清洗较方便，在高温高压下也能适用。为了提高和强化管壳式换热器的传热效率，近年来 各国开展了许多研究工作，除了对管壳式换热器的设计方法作改进外，主要是对该换热器的传热管件及结构做改动，从而实现强化传热。
1.2 发展现状及趋势 随着社会经济的发展，为了适应节约资源和能源的时代要求，对换热器的要求也越来越高。综合考虑各方面因素，要制造出低成本，高能效的换热器，在推动生产发展因素的同时，也会获得较高的经济效益。故其的提升空间很大，有待改进的方面还很多。
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1.3 存在的问题
我国换热器技术通过几十年的发展，已经跻身世界先进行列，但在某些方面仍存在着一些不足，具体表现在：科研、产业之间还不能紧密的结合在一起，不能及时地实现科技成果的产业化；基础研究相对薄弱，管束腐蚀和磨蚀失效，管子与管板的连接失效，管束振动失效，管束泄漏，介质腐蚀，物性参数计算问题，传热性能问题，计算方法等。与国外公司相比，在经营管理方面还有待完善。
1.4 课题的研究目的和意义 近年来世界能源危机，有力的促进了传热强化技术的发展。为了节能降耗，提高工业生产效益，要求开发适用于不同工业过程要求的高效能换热设备。这是因为，随着能源的短缺，可利用热源的温度越来越低，换热允许温差将变得越来越小，故对换热技术的发展和换热性能的要求也就更高。所以，这些年来，换热器的开发与研究日益成为人们关注的话题。 在技术进步与经济效益催动下，国外推出了多种新型换热器，例如，ABB公司的螺旋折流板换热器（Helixchanger）、Hamon-Lummus公司SRCk空冷式冷凝器、Packinox换热器、NTIW列管式换热器、日本的Hybrid混合式换热器等。这些国外针对新型换热器的研究有的着重于强化管内传热，有的着着眼于壳程强化传热，有的改进了管箱设计，有的在于防腐防垢等。换热器的开发与研究日益成为人们关注的话题。TM
第3章 浮头式换热器的强度计算
第2章 换热器的工艺计算
2.1 设计任务和操作条件
两流体的温度变化情况：热流体急冷水进口温度85℃，出口温度65℃，工作压力为1.2Mpa，流量为,82835Kg=29
Ad=n'S(Sn-S)=29⨯25(38-25)=9425mm2
C）管板布管区当量直径Dt
换热管正方形排列的浮头式换热器，
管板布管区的面积为:
At=nS2+A
d=560⨯252+9425=359425mm2
Dt
Pt=Dt/DG=676.66/874.4=0.789
D）面积
管板布管区内开孔后的面积为：
πd2π⨯192
A1=At-n=359425-560=200653.59mm2 44
一根换热管管壁金属横截面积从GB151附录J查得a=106.81mm2
560根换热管管壁金属横截面积
Na=560×106.81=59813.6mm2
E）系数
naβ==59813.6÷200653.59=0.298 A1
管束模数为 EKt=tna LDt
Et-设计温度下换热管材料的弹性模量；
D- t管板布管区当量直径，mm。
换热管的有效长度为：L
L=L0-2⨯δn-2l
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式中Lt-换热管长，mm。
δn-管板的名义厚度，mm；
l2-换热管与管板胀接长度或焊脚高度，mm。
根据换热管外径d0=19mm查《管壳式热交换器设计手册GB151》知管
板最小厚度δmin≥0.75d0=0.75⨯19=14.52mm，在这里取δn=40mm。 在这里换热管和管板的连接方式选择焊接，参考《管壳式热交换器设计手册GB151》表33取l2=2mm。l1=1.5mm
L=L0-2⨯δn-2l=5500-2⨯40-2⨯1.5=5417mm E191000⨯59813.6=3087 所以Kt=tna=LDt5417⨯683.2η-管板刚度削弱系数，一般可取η=0.4
~K3087Kt=t==0.0404 ηEP0.4⨯191000
F）计算Pa查系数C
~PdPa=t1.5μα []
管板强度削弱系数一般为0.4
~Pd1.32Pa===0.0116 t1.5μ[α]1.5⨯0.4⨯189
K/P=0.038/0.016=3.122
1/Pt=1.24
查GB151图23得C=0.475
G）换热管稳定许用应力系数
换热管回转半径查 GB151附录J得
i=6.05
Lcr Lcr/i=78.308
因 Cτ〉Lcr/i故
σs100⎛Lcr/c⎫181⎛78.308⎫[α]cr= 1-⎪= 1-⎪=55.762MPa 2⎝2Cτ⎭2⎝2⨯102⎭
13t12a1313Cτ=π
第3章 浮头式换热器的强度计算
3.6.3管板厚度计算
管侧 结构开槽5mm，C2 =2mm
壳侧 结构开槽0mm，C2 =0mm δ=CD=0.475⨯683.2=34.95mm δn计算厚度加结构尺寸及腐蚀裕量
取值为44mm
原厚为40mm，计算值为44mm
应重假设厚度
L=5500-2⨯4=5491mm Et191000⨯59813.6Kt=na==3087 LDt5417⨯683.2
~1Kτ=0.03779 0.4⨯203000δn=δ+5+2=41.95mm
K/P=0.038/0.016=3.122
重查GB151图23得C=0.475
故名义厚度为44mm合适。 13t12a1313
3.6.4换热管轴向应力校核
A）只有管程设计压力壳程为0 Pt=1.32MPa Ps=0PMa
Pd=Pt=1.32MPa
Pc=PS-P)=0.94MPa τ(1+β)=0-1.32(1+0.2879
Pa=
1
3t~Pd1.5μ[σ]r12at=1.32=0.0116 1.5⨯0.4⨯1891313K/P=0.038/0.016=3.122
1
按A与ρ查GB151图24得Gwe =5.6
⎤At1⎡1⎡359425⎤P-P-PG=-0.94-0-1.32⨯5.6=12.79MPa()()Stwe⎥⎢c⎢⎥β⎣A1207723.4⎦⎦0.2879⎣
12.79MPa＜112MPa，校核通过。 σt=
B）只有壳程设计压力 管程为0 Pt=0MPa Ps=1.32PMa
Pd=Pt=1.32MPa
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cS τPH=~Pd
1.5μ[σ]rt=1.32=0.0116 1.5⨯0.4⨯189
1
按A与ρ查GB151图24得Gwe =5.6
⎤At1⎡1⎡359425⎤P-P-PG=0.0321-1.32-0⨯5.6=-43.346MPa()()cStwe⎥⎢⎥β⎢A0.2879207723.4⎣⎦⎣1⎦
因为： στ=43.346MPa〈[σcr]55.76MPa σt=
故校核通过。
3.6.5热管与管板连接的拉脱力校核
利用换热管与管板强度焊接结构尺寸
σaq=H
πdl
l-换热管与连接的焊缝尺寸，mm l=1.5+2=3.5mm
[q]=0.5[σ]τ
q=100=0.5⨯112=56MPa〉9MPa 43.346⨯106.81=22.16MPa 3.14⨯19⨯3.5
校核通过
3.7接管及开孔补强计算
3.7.1外壳接管开孔补强计算
(1)设计条件
计算压力：Pc=1.32MPa
计算温度：100℃
接管实际外伸长度：200mm
接管实际内伸长度：0mm
接管焊接接头系数：0.85
接管腐蚀裕量：2mm
接管厚度负偏差：C1=0mm
接管材料许用应力：189MPa
（2）开孔补强计算
第3章 浮头式换热器的强度计算
δ——壳体计算厚度为8mm； δt——接管计算厚度mm；
St=
pc2[σ]-pc
t
D=
1.32⨯186
=0.798mm
2⨯189⨯0.85-1.32
接管直径d=di+2C2=182+2×2=186mm
（3）削弱金属面积A fr=1
A=dδ+2δ(1-fr)=186⨯3.507+2⨯3.507(1-1)=652mm2 （4）壳体多余金属面积A1 接管计算壁厚
A1=(B-d)(δn-C-δ)=186⨯(6-3.507)=463.698mm2〉A 外侧有效厚度
2
()()A=B-d(δ-C-δ)=186⨯(6-3.507)=463.698mm1n
接管多余的截面积A2
A2=2⨯h[δnt-C-fr]=180⨯(8-2-0.771)=941.22mm2〉A
A+A〉A
1
h=dδnt=⨯6=33.4mm
故不需补强
2
3.7.2管箱接管开孔补强计算
(1)设计条件
计算压力：Pc=1.32MPa 计算温度：100℃
接管实际外伸长度：200mm 接管实际内伸长度：0mm 接管焊接接头系数：0.85 接管腐蚀裕量：2mm 接管厚度负偏差：C1=0mm 接管材料许用应力：189MPa
（2）开孔补强计算
δ——壳体计算厚度为8mm；
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St=
c2[σ]-pc
t
D=
=0.771mm
2⨯189⨯0.85-1.32
接管直径d=di+2C2=176+2×2=180mm （3）削弱金属面积A fr=1
A=dδ+2δ(1-fr)=180⨯3.507=613.26mm2 （4）壳体多余金属面积A1 接管计算壁厚
⨯(-61=(B-d)(δn-C-δ)=186 A故不需补强
0.)7=71
2
941.〉2A2 mm
3.8.浮头法兰计算
3.8.1 机构尺寸设计
1、浮头法兰和钩圈的外直Df0=DN+80=800+80=880mm
浮头法兰和钩圈的内直径按GB151中5.14结构尺寸选取，
Dft=DN-2(b1+bn)=1000-2(5+15)=960mm
按照螺柱直径及经验估算，本设计取螺柱中心圆直径1030mm。 螺柱M24 个数n=32，螺柱材料35CrMoA
垫片选用 包垫F53-1000-1.0-6B，JB4718 尺寸φ992/φ960mm 厚度δ=3mm
D0为浮头管板外直径，Do=DN-2b1=1000-2⨯5=990mm
N16
则N=(992-960)/2=16mm，b0===8mm
22
垫片有效密封宽度b=2.o=7.16mm
管板垫片压紧力作用中心圆直径DG=1000-2-2⨯7.16≈976mm 查GB150表9-2，垫片系数m=3.75，垫片比压力y=62.1MPa 螺柱按300℃设计，可取[σ]b=180MPa 设法兰厚度δf=90mm
2、按GB151-99表47内压计算（Pt=0MPa，Ps=1.32MPa），结果见表3-4：
表3-4 浮头法兰内压计算
300
第3章 浮头式换热器的强度计算
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操作情况下法兰总力矩： W=W+W+W-W=3.469⨯107
N⋅mm
(3)外压计算Pt=0MPa，Ps=1.32MPa。见表3-5
表3-5 浮头法兰外压计算表
第3章 浮头式换热器的强度计算
操作情况下法兰总力矩： W=W+W+W-W=4274194N⋅mm
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(4)综合内压及外压的计算结果取大值，确定δf。
根据内外压工况计算结果，故取δf=78mm
此时考虑双面腐蚀，有δfn=81+2⨯2+0.3+∆=86mm
3.9.钩圈
查GB151选B型钩圈，δ=δ1+16
δ为钩圈设计厚度，mm；δ1为浮动管板厚度，mm； 则δ=δ1+16=56+16=72mm
3.10 分程隔板
由于是多管程换热器，故此处需要用到分程隔板。查GB151可知：分程隔板槽槽深≥4mm，取为5mm,槽宽为12mm，取分程隔板的最小厚度为
12mm。
3.11其他结构的选择
3.11.1支座选择
鞍式支座如图2-9所示。鞍式支座在换热器上的布置，因L>3000mm，取LB=(0.5~0.7)L。
采用双支座时，一个鞍座为固定支座，地脚螺栓为圆孔；另一个鞍座为活动支座，地脚螺栓为长圆孔，配合两个螺母，第一个螺母拧紧后，倒退一圈，然后再用第二个螺母锁紧。这样，可以使设备在温度变化是自由伸缩。如图示：
第3章 浮头式换热器的强度计算
型
Ⅱ型
图3-1 鞍式支座
JBT4712.1-2007,鞍座BI 600-S 材料Q345R
置于对称分布的鞍座上卧式容器所受的外力包括载荷和支座反力。容器受重力作用时，双鞍座卧式容器可近似看成支承在两个铰支点上受均布载荷的外伸简支梁
支座的安放位置也有一定的标准，一般支座与壳体端面的距离A
垫板或不带垫板鞍式支座结构。
3.11.2法兰选择
3.11.2.1壳体的接管法兰的选择
压力容器法兰是压力容器的常用部件，是连接压力容器部件的基本元件。法兰应该是个组件，包括法兰垫片和连接螺栓或螺柱以及螺母。其作用是使不同的受压元件组合在一起，同时保证连接部位不产生泄露。
本次设计的换热器公称直径为800mm，设计压力为1.32MPa,参考设计标准应当选择对焊法兰。
壳体法兰
我国压力容器行业，压力容器法兰分类主要按结构形式进行划分。本设计采用对焊法兰。
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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。 3.11.2.2管箱接管法兰选择
管箱接管采用平颈对焊法兰，如图示：
图4-2 接管法兰
设计尺寸按化工机械标准设计
3.11.3.拉杆的选取
常用的拉杆结构有两种，拉杆定距管结构和拉杆折流板点焊结构。这里选用拉杆定距管结构，适用于换热管外径大于或者等于19mm的管束。如图所示：
图4-3拉杆定距管结构简图
拉杆的直径和数量
拉杆的直径和数量可以按GB151《管壳式热交换器设计手册》 表43和表44选用
因为换热管的外径为d=19mm
第3章 浮头式换热器的强度计算
由表得拉杆直径选择为dn=12mm 进一步选择拉杆的数目8 Lb=60mm La=15mm d=12mm
在保证大于或者等于所给定的拉杆中截面积的前提下，拉杆的直径和数量可以变动，但其直径不得小于10mm，数量不得小于4根。
拉杆的长度按需要确定。 拉杆的布置
拉杆应尽量均匀布置在管束的外边缘。对于大直径的换热器，在布管区内或者靠近折流板的缺口处应布置适当数量的拉杆，任何折流板应不少于3个支撑点。
3.11.4防冲与导流
管程设置防冲板的条件
当管程采用轴向入口接管或换热管内流体流速超过3m/s时，应设置防冲板，以减少流体不均匀分布和对换热管端的冲蚀。因为本设计管内水流速为0.95ms，所以不需要设计防冲挡板。
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第四章 管壳式换热器检修、安装、使用和维修
4.1概述
设计确定后，制造质量是换热器最终建造质量的重要组成部分。因此，换热器制造单位必须按照《压力容器安全技术监察规程》（1999版）的规定具备健全的质量保证体系，并持有国家主管部门颁发的批准书和许可证。在全国制造过程中接受安全监察机构（或其授权的检验机构）的全面监督。如果建造主要制造监理时（监理内容在合同中商定）制造单位还应配合业主做好监理。
制造完成后，制造单位必须向业主提供完整的制造出厂资料，资料应符合国家标准的规定，并附有安全监察机构的监督检验报告。还应向业主提供监督检验机构打好钢印的产品铭牌。
4.2检测
接接头先经形状尺寸及外观检查合格后，再进行无损检测，所有A、B类焊缝应进行20%的射线或局部超声检测，检测长度不小于250mm。纵焊缝和环焊缝相交叉部位必须进行无损检测，对焊缝交叉部位及开孔区将被其它元件覆盖的焊缝部位必须全部检测；对经过局部超声或射线检测的焊接接
头，如果在检测部位发现超标缺陷时，则应进行不少于该焊缝接头长度10%的补充局部检测，且不少于250mm，如仍不合格，则应对该焊接接头全部检测，另外，对于公称直径大于或等于250mm的接管对接接头的无损检测比例及合格级别应与壳体主体焊缝焊缝要求相同；对于公称直径小于250mm，其壁厚小于28mm时仅做表面无损检测，合格级别为Ⅰ级。
4.3安装、使用、维修
安装换热器得基础必须足以使换热器不发生下沉，安装时采用混泥土基础，换热器通过鞍式支座由地脚螺栓将其与基础牢固的连接起来。在装