毕业论文 U型管式换热器机械设计及三维建模、工作仿真

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1、第一章 绪论第一章 绪论在工业生产中，为了实现物料之间热量传递过程的一种设备，统称为换热器。它是化工、煤油、动力、原子能和其它许多工业部门广泛应用的一种通用工艺设备。对于迅速发展的化工、煤油等工业生产来说，换热器尤为重要。通常在化工厂的建设中，换热器约占总投资的1020%。在石油炼厂中，换热器约占全部工艺设备投资的3540%。在化工生产中，为了工艺流程的需要，往往进行着各种不同的换热过程：如加热、冷却、蒸发和冷凝。换热器就是用来进行这些热传递的设备，通过这种设备，以便使热量从温度较高的流体传递给温度较低的流体，以满足工艺的需要。总之换热器在化工生产中的应用是十分广泛的，任何化工生产工艺几乎都离

2、不开它。而在这些换热设备中，使用量最大的是管壳式换热器，它与其它形式的换热器相比较，最突出的优点是，单位体积内能够提供较大的传热面积，传热效果比较好，由于它的结构坚固，而且可以选用的材料范围较广，故适应性强，操作弹性大，因此，它广泛应于许多工业部门，尤其是化工生产中。换热过程的强化是炼厂节能工作中的重要一环。随着节能工作的深入发展，炼油厂各装置内部及装置间的换热量明显增大，而换热器冷热流之间的温度差则不断减小。为了节约投资，不过多地增加换热面积，提高换热器的总传热系数就成了一个十分紧迫的任务。本设计用螺纹管代替普通换热器的光管能有效的提高管外表面积，可以在管外给热系数不组的情况下，大大提高总传

3、热系数，强化了传热，故使用螺纹管换热器可以做为强化传热的一个方向。1.1设计条件： 1.1.1设计原始参数管程介质：汽油 壳程介质：汽油 管程设计压力：2.43Mpa 壳程设计压力：2.45Mpa管程设计温度：200 壳程设计温度：200 地震烈度：7级 场地土类别：二类 管程腐蚀余量：2mm 壳程腐蚀余量：3mm 容器类别：二类 换热面积： 170 m2 1.1.2设计要求：1、查阅相关科技资料及英文资料2、进行换热器的结构论证及材料选择论证3、进行换热器机械设计及强度校核（传热性能及传热量的计算和校核）4、在Pro /E环境下进行换热器的三维建模及工作动态仿真模拟5、编号设计说明书（不少于

4、20000字，含英文摘要）6、科技译文（不少于5000字）7、绘制换热器零部件机械图纸1.1.3设计主要内容1、绪论（1）设计内容、说明思想、设计特点（2）换热器在炼油装置中简单工艺流程及应用（3）主要设计参数的确定及说明2、材料的选择及论证3、换热器结构选择及论证（1）换热器整体结构型式及特点（2）前管箱、壳体和后端盖结构型式及特点（3）管束分程和分程隔板的布置及特点（4）管子尺寸及排列、数量、偏差和总传热面积的确定（5）折流板、拉杆、定距管等零件的结构及特点（6）管子与管板的连接说明（7）接管、法兰、管箱法兰、外头盖法兰、浮头法兰的结构及特点（8）支耳、支座、排气管、排液管的结构及作用（9

5、）换热器密封结构型式及密封点的说明4、换热器零部件强度计算与校核（1）封头、壳体厚度计算（管子厚度计算）（2）管板强度计算与校核（3）开孔补强计算（4）法兰强度计算与校核（5）鞍座强度校核5、绘制工程图纸6、对换热器零部件进行三维建模及工作动态仿真制作7、英文翻译 1.2设计思想工程设计是一项政策性很强的工作，因而，要求工程设计人员必须严格地遵守国家的有关方针和法律规定以及有关行业规范，特别是国家的工业经济法规、环境保护法规和安全法规。此外，由于设计本身是一个多目标优化问题。对于同一个问题，常会有多种解决方案，设计者常常要在互相矛盾的因素中进行判断和选择，做出科学合理的决策，因此一般应遵守如下

6、一些基本原则。一、从满足工艺条件上考虑传热量、流体的热力学参数（温度、压力、流量、相态等）与物理化学性质（密度、黏度、腐蚀性等）是工艺过程所规定的条件。规矩设计任务书上的设计参数和管壳程进出口温度进行热力学和流体力学的计算，经过反复比较，使所设计的换热器据具有尽可能小的传热面积，在单位时间内传递尽可能多的热量。二、安全角度考虑换热器是常见的压力容器，为保证该设备安全可靠地运行，在进行强度、刚度、温度差应力及疲劳寿命计算时，严格遵循GB151-1999管壳式换热器和GB150-1998钢制压力容器等有关规定和标准。三、从经济性考虑在满足强度、塑性、韧性、制造性能和介质相容性的前提下，以经济性原则

7、选择材料。使材料的固定费用（设备的购置费、安装费）与操作费（动力费、清洗费、维修费）的总合为最小。四、从结构上考虑设计结构紧凑，充分利用材料性能，根据工艺条件选用合理的结构。五、从制造、运输、安装上考虑制造简单，选用结构方面遵循GB151-1999和GB150-1998选用标准结构，从而避免采用复杂或质量难以保证的制造方法，实现机械化或全自动化生产，减少占地面积，缩短制造周期，降低制造成本。1.3设计特点一、满足设计任务书规定要求。设计任务书中所规定的工艺条件是本设计的基本依据，设计力求做到完成规定的生产任务，又能保证质量稳定，同时具有一定的操作弹性。二、经济上合理。降低操作费用的关键节能，设

8、备的阻力小，降低生产成本，使设备的折旧费与操作费用之和最低。三、在同工艺条件下，设备轻巧，结构紧凑。采用浮头式换热器，便于管间和管内的清洗，不会产生热应力。四、保证生产安全。在结构和用材上都符合安全可靠，在设备的强度上还具有一定的安全裕度。1.4换热器在炼油装置中简单工艺流程及应用使热量从热流体传递到冷流体的设备成为换热器。它是化工、炼油、动力、食品、轻工、原子能、制药、机械及其他许多工业部门广泛使用的一种通用设备。在化工厂中，换热设备的投资约占总投资的10%-20%；在炼油厂中，约占总投资的35%-40%。在工业生产中，换热设备的主要作用是使热量由温度较高的流体传递给温度较低的流体，使流体温

9、度达到工艺过程规定的指标，以满足工艺过程上的需要。此外，换热设备也是回收余热、废热特别是低位能的有效装置。例如，烟道机（约20-300度）、高炉炉气（约1500度）、需要冷却的化学反应工艺气（300-1000度）等的余热，通过余热锅炉可生产压力蒸汽，作为供热、供汽、发电和动力的辅助能源，从而提高热能的总利用率，降低燃料消耗和电耗，提高工业生产经济效益。45第二章 对重要设计参数的确定及论证第二章 对重要设计参数的确定及论证2.1 设计压力 根据GB151-1999管壳式换热器，设计压力指设定的换热器管、壳程顶部的最高压力，与相应的设计温度一起作为设计载荷条件，其值不得低于工作压力。根据茂石化工

10、艺流程手册查得本设计的换热器管程的操作压力是1.64MPa，壳程的操作压力是1.78MPa，考虑一定的安全裕度，综上所述，本设计管程的设计压力为2.45MPa，壳程的设计压力为2.45MPa。2.2设计温度根据GB151-1999管壳式换热器，设计温度指换热器在正常情况下，设定的元件的金属温度（沿元件金属横截面的温度平均值），设计温度与设计压力一起作为设计载荷条件。设计温度不得低于元件金属的这状态可能达到的最高温度。茂石化工艺流程手册查得在本设计中，管程操作温度为176，壳程操作温度为224，综上所述，本设计中管程最高工作温度不低于176，考虑到壳程的温度比较高，工艺计算时核算的壁温也比较高，

11、因而取管程的设计温度为200，壳程设计温度为200。2.3腐蚀裕量对于压力较低的容器，按强度公式计算出来的厚度很薄，往往会给制造和运输、吊装带来困难，为此对壳体元件规定了不包括腐蚀裕量的最小厚度。对于碳素钢、低合金钢制的容器，不小于3mm;对于合金钢制的容器，不小于2mm.腐蚀裕量一般可根据钢材在介质中的均匀腐蚀速率和容器的设计寿命确定。在无特殊腐蚀情况下，对于碳素钢和低合金钢，C2不小于1mm；对于不锈钢，当介质的腐蚀性质微时，可取C2=0。因此，本次设计中，壳程腐蚀裕量为3mm，管程腐蚀裕量为2mm.2.4焊缝系数根据GB1511999管壳式换热器3.16焊接接头系数、6.17无损检测和G

12、B1501998钢制压力容器10.8规定和图样要求执行。各焊接接头型式的焊缝系数如下表2-2。本设计管箱筒体与封头连接的接头属B类焊接接头，采用双面焊对接接头和相当于双面焊的全焊透对接接头，采用无损检测取0.85。表2-2 焊接接头系数焊接接头型式焊接接头系数全部无损检测局部无损检测双面焊对接接头和和相当于双面焊的全焊透对接接头=1.00=0.85单面焊对接接头（沿焊接接头根部全长有紧贴基本金属的垫板）=0.90=0.80第三章 主要构件材料的选择及论证第三章 主要构件材料的选择及论证压力容器材料费用占总成本的比例很大，一般超过30%材料性能对压力容器运行的安全性有显著的影响。选材不当，不仅会

13、增加总成本，而且有可能导致压力容器破坏事故。因此，合理选材是压力容器设计的关键之一。 压力容器用材料多种多样，有钢、有色金属、非金属、复合材料等。选择材料应考虑使用条件，焊接性能，制造工艺以及经济合理性符合相应的标准。化工设备材料选用的一般原则：材料的使用性能原则 不同的物件所要求的使用性能是不同的。有的要求高强度，有的要求耐腐蚀高温或耐低温。有的要求高硬度耐磨损。因此，选材时，首先必须准确地判断构件所需的使用性能。分析构件的工作条件。构件的受力情况，构件的工作环境。构件的特殊要求（如传热快，防振，重量轻）等。通过失效分析，确定构件的主要使用性能。从构件性能要求提出对材料使用性能的要求。材质加

14、工工艺性能原则 选材时必须考虑材料加工性能的好坏，好的加工工艺性能不仅要求工艺简单，容易加工，能源消耗少，材料利用率高，加工质量好。材料经济性能原则 在满足构件使用性能，加工性能要求的前提下，经济性能也是必须考虑的主要因素。一般的机械产品注重“成批”，化工设备强调“成套”。考虑到工艺流程的需要，化工设备设计开始前往往统一规定，在压力等级，温度，材质，防腐等方面提出同一的规定。换热管换热管属于压力管道，压力管道对材料性能有以下要求：1）足够的强度，良好的塑性和韧性；2）良好的冷加工成形性能；3）与环境条件协调，有适当的耐热性、耐腐蚀性、耐磨性等。换热管常用的材料是：10号钢，20号钢。10号钢为

15、含碳量较低的优质碳素结构钢，具有适当的强度、较好的塑性和良好的焊接性能。它的拉伸强度和屈服强度较低，强度也较低，但塑性和韧性很好，在冷态下，有很好的塑性，容易模压成形。它的切削性能优异，无回火脆性倾向，焊接性能很好，可用来弯曲、锻粗、热冲、冷冲或拉丝等方法制造各种零件。为提高表面强度可进行渗碳和氰化处理。用这种钢扎制的无缝钢管可用于压力容器和锅炉中。法兰连接用的齿形组合密封垫片和金属环垫片也常用这种钢。此外还可用来制造垫圈和心部强度要求不高的渗碳零件。 20号钢的强度较10号钢高，其塑性、韧性和焊接等工艺性能都很好，在化工设备和压力容器中应用很广泛。钢材的品种有钢板、钢管和锻件。20号钢的焊接

16、性能优良。本设计管程设计压力为2.6Mpa，换热管走原油，与壳程物料也接触，是进行热交换的媒介，由于壳程物料为减渣油，且考虑到其压力也不是太高，根据以往较成熟的经验，选用10#碳钢就可以满足要求了。该材料一般用来制造4mm的冷压深冲制件，化工上用以做搪瓷设备铁胎、管子等。它较之含碳量较高的钢耐蚀性较强，且其焊接性能很好，可以用任何方法进行焊接，焊前和焊后不必进行热处理。管板根据GB150-1998第四章材料和GB151-1999第四章材料规定，根据壳程设计压力，初步估算管板厚度大于60，应采用锻件。管板和壳程物料接触，同样要考虑到物料本身介质的腐蚀性以及冷凝时发生的露点腐蚀，16Mn锻件作为低

17、合金钢，可耐一定的腐蚀，且由于设计压力属中低压，根据以往的经验故选用16Mn锻件16Mn钢是345MPa级的低合金结构钢。它具有良好的综合机械性能。焊接性能，工艺性能及低温冲击韧性，中温（450）及低温（-45以上）机械性能均优于Q234-A，12，20等碳钢，是一种十分成熟的钢种，质量稳定。锻造工艺性能及其他性能：始锻温度1220，终锻温度800，锻后900正火在冷却，无回火脆性；焊接要求：焊接性尚属良好，锻件焊前应预热100150，焊后，电弧焊需600650回火，电渣焊焊后需900930正火，600650回火消除应力；焊条：手工焊焊条用结502，506，507；自动焊焊丝用H10Mn2,

18、H10MnSiA,焊剂431；电渣焊焊丝用H08MnMoA,焊剂431，360。使用温度：-40475。用途举例：大、中、小型锻件，如作管板、法兰，化工工业小型合成氨厂高压设备可焊接锻件，筒体、顶部、底部。筒体 常见的筒体材料有20号钢、16MnR、Q235B。16MnR是屈服强度为340Mpa级的压力容器专用钢板。它具有良好的综合力学性能和工艺性能，磷、硫含量比较低。出抗拉强度、延伸率要求比普通16Mn钢有所提高外，还要求保证冲击韧性。它是目前我国用途最广、用量最大的压力容器专用钢。根据根据GB150-1998和GB151-1999第四章4.2.1圆筒及封头的钢板应符合GB150-1998的

19、规定，估算圆筒直径DN大于400，所以圆筒不用钢管制造，选用钢板弯卷成形。本设计壳程设计压力为2.85Mpa，Q235B不能满足强度要求，16MnR具有良好的综合力学性能和工艺性能，且具有成熟的使用经验。主要性能如下：切削加工冷冲压性能良好，加工温度较宽。热冲压加热温度10001100，终压温度750850，热冲压后一般不需热处理。焊接性能良好，焊前一般不预热，只有当板厚大于38mm时需预热100150。焊接后当板厚大于32mm时电弧焊焊后600650回火，电渣焊焊后900930正火再以600650回火以消除喊残余应力。 综上所述，筒体材料选用16MnR。 法兰法兰材料的选取通常与换热器壳体材

20、料一致，有时法兰对强度的要求比较高，可以选用与壳体不一样的钢材。通常所用的钢材有Q235、Q235F、16 Mn、15MnV、20、1Cr18Ni9Ti等。因法兰是主要的受力元件之一，故需有较高的强度，故法兰材料选用低合金高强度钢16Mn。16Mn钢是345MPa级的低合金结构钢。它具有良好的综合机械性能。焊接性能，工艺性能及低温冲击韧性，中温（450）及低温（-45以上）机械性能均优于Q234-A，12，20等碳钢，是一种十分成熟的钢种，质量稳定。它有如下特点：（1）高的强度和屈强比，（2）高韧度，（3）良好的焊接性能和冷、热加工性能，（4）一定的抗腐蚀能力。锻造工艺性能及其他性能：始锻温度

21、1220，终锻温度800，锻后900正火在冷却，无回火脆性；焊接要求：焊接性尚属良好，锻件焊前应预热100150，焊后，电弧焊需600650回火，电渣焊焊后需900930正火，600650回火消除应力；焊条：手工焊焊条用结502，506，507；自动焊焊丝用H10Mn2, H10MnSiA,焊剂431；电渣焊焊丝用H08MnMoA,焊剂431，360。使用温度：-40475。用途举例：大、中、小型锻件，如作管板、法兰，化工工业小型合成氨厂高压设备可焊接锻件，筒体、顶部、底部。折流板及旁路挡板折流板及旁路挡板材料选用Q235B。Q235-B用于以下受力不大的钢结构件、焊接构件、机械零件、锻件、紧

22、固件等。在压力容器上，可制造工作压力小于1.6MPa容器上的双头螺柱、螺栓。板材可卷制设计压力不大于1.0MPa的壳体、封头、补强圈。拉杆、定距管 拉杆要求有足够的强度和良好的焊接性，选择Q235B可满足要求。定距管要求有足够的强度和良好的焊接性，选择10号钢满足要求。鞍座鞍座是换热器受载元件之一，要求有足够的强度和良好的焊接性能。故选取低合金高强度钢16MnR或碳素结构钢Q235 AF都能满足要求。第四章 换热器结构选择及论证第四章 换热器结构选择及论证4.1换热器结构型式的选择本设计采用管壳式换热器。在换热设备中应用最为广泛的是管壳式换热器。它具有选材范围广，换热表面清洗比较方便，适用性较

23、强，处理能力大，能承受高温和高压等特点。管壳式换热器的结构设计，必须考虑诸多因素，如：材料、压力、温度、壁温差、结垢情况、流体性质以及检修与清理等。管壳式换热器是一种传统的、应用最广泛的热交换设备。由于它结构坚固，且能选用多种材料制造，故适应性极强，尤其在高温、高压和大型装置中得到普遍应用。GB151、JB1154、JB1168等国家和部标准中，比较详细地规定了管壳式换热器的标准形式、基本参数,以便各行业在工程设计中广泛应用。结构型式和主要特点：管壳式换热器主要由三大组合部分构成：前端管箱，包括分隔板、接管、连接法兰等。中间壳体，包括壳体、换热装置及壳体接管、法兰等，后端管箱，（与前端管箱类似

24、）。管壳式换热器包括固定管板式、浮头式、U型管式、填料函式换热器和釜式重沸器等。U型管换热器结构特点：只有一块管板，管束由多根U型管组成，管的两端固定在同一块管板上，管子可以自由伸缩。当壳体与U型换热管有温差时，不会产生热应力。由于受弯管半径的限制，其换热管排布较少，管束最内层管间距较大，管板的利用率较低，壳程流体易形成短路，对传热不利。当管子泄漏损坏时，只有管束外围处的U型管才便于更换，内层换热管坏了不能更换，只能堵死，而坏一根U型管相当于坏两根管，报废率较高。U型管式换热器结构比较简单、价格便宜，承压能力强，适用于管、壳壁温差较大或壳程介质易结垢需要清洗，又不适宜采用浮头式和固定管板式的场

25、合。特别适用于管内走清洁而不易结垢的高温、高压、腐蚀性大的物料。图4-1 U型管换热器4.2前端管箱、壳体和后端结构型式及特点4.2.1 前端管箱 管箱结构形式及选型管箱的作用是把管道中来的流体，均匀分布到各传热管和把管内流体汇集在一起送出换热器。在多管程换热器中，管箱还起改变流体的流向在作用。管箱侧或管箱顶部有介质的出、入口接管。常见的管箱有四种结构型式，封头管箱、平盖管箱、与管板制成一体的固定管板管箱、用于可拆管束的与管板制成一体的管箱。封头管箱适用于较清洁的介质情况下，因为在检查管子及清洗时，必须将连接管道一起拆下，很不方便。平盖管箱，在管箱上装有平盖板，将盖拆除后（不需拆除连接管），就

26、可检查及清洗管子，但其缺点是用材较多。与管板制成一体的固定管板管箱型式是将管箱与管板制成一体，从结构上看，可以完全避免在管板密封处的泄漏，但管箱不能单独拆下，检修、清理不方便，所以实际使用很少采用。用于可拆管束的与管板制成一体的管箱为一种多程隔板的安置型式，管束的与管板可拆。 综上所述，根据本设计的特点，封头管箱选择用图4-2所示封头管箱这种结构。 管箱上有介质的出、入口接管，其接管安装形式见下图4-3图4-3 管箱出、入口接管形式4.2.2壳程分程的结构型式GB151-1999图7列出了如下图5-5所示的几种比较常见的壳程结构形式。图5-5（a）为E型，是最普通的一种，壳程是单程，管程可为单

27、程，也可为多程。为了增大平均温度差，提高传热效率，在壳程中装入一块平行于轴线的纵向隔板，偏成为二壳程的换热器，如图5-5（b）F型，流体按逆流方式进行热交换。图5-5（c）为G型，也属于二壳程的换热器，纵向隔板从管板的一端移开使壳程流体得以分流，壳体是的进、出口接管对称地分置两侧中央位置，壳程中流体压力降与E型的相同，但在传热面积与流量相同的情况下，具有更高的效率，G型壳体也称为对称分流壳体，壳体中的隔板起着防止轻组分的闪蒸与增强混合的作用。图5-5（d）为H型，与G型相似，同属于二壳程的换热器壳体，但进、出口接管与纵向隔板均多一倍，故又称双分流壳体。G型与H型都可用于压力降作为控制因素的换热

28、器中，具有利于降低壳程流体的压力降。尽管在工业中已经成功的制造出六壳程的列管式换热器，但考虑到制造方面上的困难，对于一般的设计，若要增加壳胜数，通常是通过多太换热器串联来解决。纵上所述，U型管只有一个封头，所以壳体的结构形式选择I型壳体。图 4-4 U型管换热器的壳程结构形式4.2.3后端管箱的结构型式根据GB151-1999，U型管换热器只有一种后端结构形式，就是U型管束。型号为U。4.3管束的分程和分程隔板的布置管束分程的作用增多管子排列可以增加换热器传热面积，但介质在管束中的流速随着加热管的增多而下降，结果反而使流体的给热系数降低，故不能仅采用增多管子排列的方法来达到提高给热系数的目的。

29、为改进这种现象，在传热要求下，需保证流体在管束中保持较大流速，则可以将管束分成若干程数，使流体依次流过各程管子，以增加流体流速，提高给热系数。分程可采用各种不同的组合方法，对于每一程中的管数应大致相等。隔板的密封长度应短而形状简单，程与程之间温度相等不宜过大，温差不超过20左右为宜。分程隔板的结构型式 在换热器中，不论是管外还是管内的流体，要提高它们的传热系数，通常是采用设置隔板的方法来增加程数以提高流体流速实现其目的。分程隔板结构分程隔板应采用与封头、管箱同等材料，除密封面外，应满焊于管箱上。在设计时要求管箱隔板的密封面与管箱法兰密封面，管板密封面与分程槽面必须处于同一基面，如图4-9所示。

30、图4-5 管程隔板形式图中结构（a）、（b）为一般常用的结构形式，（c）是用于碳钢与不锈钢设备的混合结构，（d）适用于更大直径的换热器，在不增加隔板重量的前提下增加隔板刚度。 在管板上的分程隔板槽深度一般不少于4mm,槽宽为：碳钢12mm，不锈钢11mm。 本设计管程隔板形式采用图4-12中结构（a）形式。 2、分程隔板厚度及有关尺寸 分程隔板的最小厚度不得小于表4-1的数值。表4-1 分程隔板的最小厚度/mm公称直径DN隔板最小厚度碳素钢及低合金钢高合金钢6008612001410因为分程隔板选材为16MnR, 属于低合金钢，又因为管箱直径600d1200，所以取隔板厚度为10mm。其它有关

31、尺寸如图4-5中结构（a）。分程隔板在前、后管箱的布置根据设计要求，本换热器设计为两管程和单壳程，前管箱分程隔板的布置如图5-10所示，后管箱不用设置分程隔板。 图4-6 前管箱分程隔板的布置4.4管子尺寸以及排列、数量、偏差及传热面积的确定换热器的管子构成换热器的传热面，管子的大小尺寸和形状对传热有很大的影响，当采用小直径的管子，换热器单位体积的换热面积大些，设备较紧凑，单位传热面积的金属消耗量少，传热膜系数也稍高，但制造较麻烦，且小管子容易积垢，不易机械清洗。大直径的管子用于粘性大或污浊的流体，小直径的管子用于清洁的流体。 4.4.1换热管长度及规格根据GB151-1999管壳式换热器规定

32、及JB/T472292管壳式换热器用螺纹管基本参数和技术要求选取换热管的长度：，齿距tp=2mm。换热管齿顶圆直径dof=24.8mm热管齿根圆直径dr=22mm热管内径di=18mm 翅化比=1.8换热管中心距为S=32mm。4.4.2布管（1）换热管排列形式及中心距根据管壳程流体介质的特性，需要常清洗管子外面的污垢，所以选择转角正方形排列方式排列管子。转角正方形排列，便于清洗管子外面的污垢常用于石油化工与乳品工业。当壳程流体需要用机械清洗时采用正方形排列法。正方形排列法在一定的管板面积上可排列的管子数最少。排列方式见（图四） 换热器中心距要保证管子与管板连接时，管桥（相邻两管的清空距离）有

33、足够强度和宽度，管间需要清洗时还要留有进行清洗的通道。换热管中心距一般不小于1.25倍的换热管外径，各根据GB151-1999，换热管外径为25，管子中心距为32。（2）布管限定圆查GB151-1999表13，布管限定圆直径DL=Di-2b3=800-2x4=792mm布管限定圆直径，b3见图13，其值按GB1511999表14选取，取b3=4b3固定管板换热器或U型管换热器管束最外层换热管外表面至壳体内壁的最短距离（见图8）。 根据布管限定圆直径为792，且由GB1511999表12查得分程隔板槽两侧相邻管心距Sn为44，换热管中心距S为32，根据以上数据布管，由布管图得排管数为180根。图

34、84.4.3传热面积 传热面积S 所以N=S/=170/3.140.0256=361因为换热管是U型管，根据换热管排列形式和壳体的大小，所以取换热管跟数为182跟。 校核：管板厚度为87mm,焊接长度为1.5mm,所以l=l1-l2=6-0.087-0.0015=5.9115m S=3.140.0255.9115360=167m4.5折流板、拉杆、定距管等零件的结构及特点4.5.1折流板折流板的结构设计，要根据工艺过程及要求来确定，它主要为了增加管间流速，增加湍动程度，并使壳程流体垂直冲刷管束改善传热增大壳程流体的传热系数以提高传热效果，同时减少结垢。在卧式换热器中，还可以起到支撑管束的作用。

35、常用的折流板形式有弓形和圆盘院环形两种。其中弓形折流板有单弓形、双弓形和三弓形的折流板，现根据需要初步选用单弓形，竖直缺口。如下图5-12所示：图4-9 弓形折流板对于卧式换热器，壳程为单相清洁的流体是，折流板缺口应水平上下布置，其缺口弦高h值，一般为0.200.45倍的圆筒内直径。折流板最小间距一般不小于圆筒内直径的五分之一，且不小于50，特殊情况下也可取较小的间距。 换热管采用转角正方形排列，取弓形折流板圆缺高度为壳体内径的25%，则切去圆缺高度 折流板的布置：先确定离固定管板到第一块折流板的距离初步选定为130mm，其次均匀分布12块折流板，间隔为450mm，最后一块折流板到U型管板的距

36、离为290mm，共用了11块折流板，其中包含两块内折流板和两块异形折流板。折流板厚度取6+2=8mm(根据GB151-1999表34取厚度为6mm 又因为减渣油腐蚀性较高故增加2mm)，管孔直径取25.4mm，外直径允许偏差取(根据GB151-1999表35)。4.5.2拉杆与定距管拉杆的形式选择折流板、支持板的固定一般均采用拉杆与定距管等元件与管板固定。拉杆常用形式有两种，一种为拉杆和折流板焊接形式，一般用于换热管的外径小于或等于14的管束；另一种拉杆定距管结构形式，用于换热管外径大于或等于18的管束。本设计的换热管外径为25，所以采用拉杆定距管结构形式。拉杆的一端用螺纹拧入管板，中间用定距

37、管将折流板固定，最后一块折流板（或支持板）用两螺母锁紧固定。如下图4-13所示：图4-10拉杆定距管结构则根据换热管的外径d=25，查GB151-1999表43得拉杆直径查GB151-1999表45得、。拉杆的布置 拉杆应尽量均匀布置在管束的边缘。对于大直径的换热器，在布管区内或靠近管板缺口处应布置适当数量的拉杆，任何管板应不少于3个支承点，具体布置见排管图。定距管定距管根据具体情况初步选用252.5管径的管子，各根管子的长度根据折流板布置的具体情况确定。4.6管子与管板的连接、管板与壳体的连接管子与管板的连接管子与管板的固定是管壳式换热器设计、制造中最主要的问题之一，是换热器事故率最多的部位

38、，所以换热管与管板连接质量的好坏，直接影响到换热器的使用寿命。换热管与管板的主要连接形式有：强度胀接、强度焊接与胀焊接混合结构。本设计管子与管板采用强度胀接。胀接是利用胀管器，使伸到管板孔中的管子端部直径扩大产生塑性变形，而管板只是弹性变形。胀接后管板与管子间因产生挤压力而紧贴在一起，达到密封与紧固连接的目的。胀接一般用在换热管为碳素钢，管板为碳素钢或低合金钢，设计压力不超过4MPa,设计温度在300以下，且无特殊要求的场合。管板与壳体的连接管板与壳体的连接形式，分为两类；一是不可拆式的，如固定式管板换热器，管板与壳体是用焊接连接；一的可拆式，如U形管式、浮头式及填料函式和滑动管板式的换热器，

39、一般采用管板本身不直接与壳体焊接，而通过壳体上法兰和管箱法兰夹持固定。考虑到本设计的换热器的管束要拆卸进行清洗，使用可拆式管板，选用a形连接方式。此连接在制造上较简单，装卸也比较方便，结构省材、质量轻，特别适用于卧式换热器。其形式是用管箱法兰、壳体法兰将管板夹持固定。结果形式如下图5-14示，图4-11 管板与壳体的连接形式4.7接管法兰、管箱法兰的选择4.7.1 概述对法兰连接的基本要求 法兰连接从结构功能和一般设计准则出发，应满足下列基本要求：工作条件下，法兰泄漏量，被控制在工艺允许范围内；在各种情况（装配、开车和操作）中，能经受一定的外载和内力，具有足够的强度；便于多次拆装而又不致影响其

40、密封性能；结构简单，成本低廉，适合于大批量生产；对于管法兰，由于被连接的对象是标准件（管子、管件和阀门），因此还应该特别突出互换性的要求。法兰的型式换热器常采用的法兰结构型式为：平焊法兰及对焊法兰。法兰的密封面形式：平面、凸凹面和榫槽面。4.7.2 接管法兰 接管法兰的要求 凹凸或榫槽密封面的法兰，密封面向下，一般应设计成凸面或榫面，其他朝向的，则设计成凹面或槽面，且在同一设备上成对使用。 接管法兰螺栓通孔不应和壳体主轴中心线相重合，应对称地分布在主轴中心线两侧，也就是跨中布置法兰螺栓孔。接管法兰类型的确定HG管法兰标准共规定了8种不同类型的管法兰和两种法兰盖、法兰的名称、代号及其所属标准列于

41、下表4-2。表4-2 法兰类型及类型代号、标准号法兰类型法兰类型代号标准号法兰类型法兰类型代号标准号板式平焊法兰PLHG20593螺纹法兰ThHG20598带颈平焊法兰SOHG20594对焊环松套法兰PJ/SEHG20595带颈对焊法兰WNHG20595平焊环松套法兰PJ/PRHG20600整体法兰IFHG20596法兰盖BLHG20601承插焊法兰SWHG20597衬里法兰盖BL（S）HG20602管程设计压力2.6MPa、壳程设计压力2.85MPa都大于2.5MPa和小于4MPa故管法兰去4MPa下的尺寸，管程的进、出口接管，壳程的进、出口接管、放净口接管和液位进口接管选择带颈对焊法兰。如

42、图4-15。图4-12 法兰形式 接管法兰尺寸查文献7，可得接管法兰在设计压力4.0MPa下的尺寸，如下表5-3所示：表 4-3 PN4.0MPa带颈对焊法兰尺寸公称直径 DN钢管外径 A1连接尺寸法兰颈法兰高度 H法兰厚度 C法兰外径 D螺栓孔中心圆直径 K螺栓孔直径 L螺栓孔数量螺纹颈根直径N颈部过渡圆角半径R2002193753203012M2724488834管法兰密封面型式的确定法兰的密封面型式其有5种。根据管、壳程的压力和接管公称直径，前面所选管法兰密封面型式选择突面型式。4.7.3 管箱法兰 管箱法兰的结构与类型的确定 就法兰的承载能力而言，法兰有3种类型，即甲型平焊法兰、乙型平

43、焊法兰和长颈对焊法兰。选择对焊长颈法兰，这种法兰的优点是颈的根部较厚，而且与法兰盘圆滑过渡，从而更有效地增加了法兰的整体强度和刚度，另一方面，除去了平焊法兰中短节与法兰盘的连接焊缝，从而消除了存在焊接残余应力的可能性。其结果形式如下图5-13：图4-13长颈对焊法兰管箱法兰尺寸的确定查JB/T4703-2000长颈对焊法兰，可得管箱法兰（凹密封面长颈对焊法兰）在压力4.0MPa下的尺寸（因设计压力为2.6MPa大于2.5MPa故取4.0MPa下的尺寸），如下表5-4所示：表 4-4 管箱法兰尺寸公称直径 DN mm法兰，mmDD1D2D3Hhaa112Rd9001115105510101000

44、8617042262324361533 对接筒体最小厚度、螺柱：规格：M30 数量：404.8支耳、支座、排气管、排液管的结构及作用支座及支耳支座是用来支承容器及设备重量，并使其固定在某一位置的压力容器附件。在某些场合还受到风载荷、地震载荷等动载荷的作用。压力容器支座的结构形式很多，根据容器自身的安装形式，支座可以分为两大类：立式容器支座和卧式容器支座。其中，立式容器支座包括耳式支座、支承式支座、腿式支座和群式支座等四种支座。卧式容器包括鞍座、圈座及支腿三种形式。鞍式支座是卧式容器广泛应用的一种支座。通常由数块钢板焊接制成。鞍座是由垫板（又叫加强板）、腹板、肋板和底板构成。垫板的作用是改善壳体

45、局部受力情况。通过垫板，鞍座接受容器载荷。肋板的作用是将垫板、腹板和底板连成一体，加大刚性，有效地传递压缩力和抵抗外弯矩。因此，腹板和肋板的厚度与鞍座的高度H直接决定着鞍座允许负荷的大小。鞍座包角2和宽度m，b1的大小直接影响着支座处筒壁应力值的高低。标准JB/T4712-92鞍式支座中鞍座的包角有120和150两种，鞍座宽度则随着筒体直径的增大而加大。根据底板上螺栓孔形状的不同，鞍座分成两种型式，一种为固定鞍座，鞍座底板上开圆形螺栓孔（代号为F型）。另一种为滑动鞍座，鞍座底板上开长圆形螺栓孔（代号为S型）。每台设备一般均用两个鞍座支承，并且采和一个固定鞍座和一个滑动鞍座。这是因为设备随着温度

46、的变化会产生热胀冷缩，如果不让设备有自由伸缩的可能性，则在器壁中将产生热应力。JB/T4712-92 鞍式支座，其直径范围为DN1594000。对于同一个公称直分轻、重型两种结构型式。轻型可以满足一般容器的使用要求；重型可以满足换热器、介质比重较大的设备或长径比较大的设备的使用要求。按JB/T4712-92鞍式支座，鞍座的型式中可以选该换热器的鞍座型式为固定支座F型和活动支座S型配对使用，焊接采用电弧焊，焊条牌号为J422,焊接接头的形式和尺寸按GB985规定。鞍座本体的焊接均为双面连续角焊。见图： 排气管和排液管在换热器的管程与壳程，为了回收或排除介质、空气几凝液，在管板或靠近管板的壳体上设

47、置排液口和排气口。为了高传热效率，排除或回收工作残液（气），凡不能借助其他接管排气，排液的换热器应在其壳程的最高，最低点分别设置排气、排液接管，排气、排液接管的端部必须与壳体或管箱壳体内壁平齐。排气口和排液口的大小一般不小于15mm。对于卧式换热器的壳体排液口、排气口，设置的位置分别在筒体的上部和底部。其结构形式见图纸。4.9换热器密封结构型式及密封特点的说明流体在密封口有泄漏有两条途径，一是“渗透泄漏”，即通过垫片本体毛细管的渗透泄漏，除了受介质压力、温度、粘度、分子结构等流体状态性质影响和外，主要与垫片的结构与材料性质有关，可通过对渗透性垫片材料添加某些填充剂进行改良，或与不透性材料组合成

48、型来避免；二是“界面泄漏”，即沿着垫片与压紧面之间的泄漏，泄漏量大小主要与界面间隙尺寸有关。根据获得密封比压力方法的不同，压力容器密封可分为强制式密封和自紧式密封两种。按被密封介质的压力大小，压力容器密封又可分为中低压密封和高压密封。影响密封性能的主要参数：螺栓预紧力、垫片性能、压紧面的质量、法兰刚度、操作条件。高压密封特点：一般采用金属密封元件、采用窄面或线接触密封、尽可能采用自紧或半自紧式密封。第五章 设计计算5.1、管箱及管箱端盖设计1、管箱筒体计算根据设计压力和液柱静压力确定计算压力液柱静压力 （5-1）少于设计压力的5%（5%），故液柱静压力可忽略不计，则设计厚度查表得材料的许用压力

49、，筒体计算厚度按GB1501998式5-1计算 （5-2）式中： 计算压力，； 筒体的内直径，； 设计温度下筒体材料的许用应力（按GB1501998第四章），； 焊接接头系数（按GB1501998第三章）；取=0.85； 由公式5-1得： 设计厚度 （5-3）对于管箱用材，钢板负偏差=0，考虑开孔补强及与法兰连接的结构需要，名义厚度向上圆整=14。再由公式5-1得： 设计厚度 （5-4）同理，前端封头筒体名义厚度取10mm,检查=10，没有变化，故取名义厚度为10合适。5.2、壳体设计5.2.1、壳体内径 （5-5）第五章 设计计算圆整到800。S换热管中心距，取S=32；管束中心排上一排的管

50、子数， ；换热管外径，取=25。5.2.2、壳体厚度根据GB150-1998，公式5-1： 有：因所选用材料为低合金钢16MnR，在设计温度200下的应用应力，焊接接头系数取，为计算压力为2.45MPa，则：由公式5-2得： 则由公式5-3得设计厚度： 对于管箱用材，钢板负偏差=0，名义厚度圆整后取10。又根据GB1511999管壳式换热器5.3.2表8取圆筒厚度为10。有效厚度 （5-6）设计温度下圆筒的计算压力： （5-7），所以符合要求。 式中：壳程操作压力，MPa；壳体内径,mm；设计温度下的许用应力,MPa；焊缝系数；C1材料的厚度负偏差,mm；C2钢板的腐蚀裕量,mm。5.2.3、

51、壳体总长度 壳体总长度由换热管长度确定。已知换热管长度为6000mm，考虑壳程出口接管的安装位置，取壳体长度L=5580mm。5.3、管板计算概述管板是管壳式换热器的主要部件，管板的设计是否合理对确保换热器的安全运行、节约金属材料，降低制造成本是至关重要的。管板设计的主要任务是设计管板的厚度。由于其受力复杂，影响其强度和刚度的因素多，正确地进行强度分析较为困难。目前我国的管板计算方法均对管板作一定的简化假设而求出近似公式。其理论依据如下：将管板作为承受均布载荷、放置在弹性基础上的当量圆平板，且计入管孔均匀削弱的影响。将管板作为承受均布载荷，根据弹性理论计算其最大应力，然后计入孔对管板的影响。只

52、考虑四根管子间的变化面积，根据弹性理论计算其最大弯曲应力。以上三种理论，第一种理论比较接近实际情况，计算比较精确。我国的设计主要采用此法。符号说明在布管区范围内，因设置隔板槽和拉杆结构的需要，而未能被换管支承的面积，；管板布管区面积，； 对于单管程换热器：三角形排列 正方形排列 对于多管程换热器，应取上式计算值与的和；a一根换热管管壁金属的横截面积，；C系数，按和查GB151-1999图23；固定端管板垫片压紧力作用中心圆直径，按GB151-1998第九章，mm；管板布管区当量直径，； 换热管外径，；设计温度时，管板材料的弹性模量，；设计温度时，换热管材料的弹性模量，；系数，按按和查GB151

53、-1999图24；管束模数，；管束无量纲刚度，； L换热管有效长度（两管板内侧间距），；换热管与管板胀接长度或焊脚高度，按GB151-1999第5.8.2.3或5.8.3.2规定，；n换热管管子数；无量纲压力， ；当量压力组合，；管板设计压力，；壳程设计压力，；管程设计压力，；换热管与管板拉脱力，；许用拉脱力，；S换热管中心距，；系数，管板的计算厚度，；换热管管壁厚度，；管板刚度消弱系数，一般可取值；管板强度消弱系数，一般可取=0.4值；系数，；换热管的轴向应力，；换热管稳定许用应力按GB151-19995.7.4确定，； 设计温度时间，管板材料的许用应力，；设计温度时间，换热管材料的许用应力

54、，。计算（根据GB151-1999管壳式换热器）、计算。管板布管区面积： （5-8）管板布管区当量直径： （5-9）查GB150-1998表9-1，取N=60则垫片基本密封宽度： （5-10）所以垫片有效密封宽度： （5-11） （5-12） 上式中：D垫片接触的外径，D=865。 （5-13） （5-14）布管区开孔后面积： （5-15）=381075.5-182=291781.75 （5-16）管束模数： （5-17）L换热管有效长度（两管板内侧间距），初步取L=5913查GB150-1998表F5钢材的弹性模量 200度时= 因为管板材料选16MnR，查表得设计温度200度下管束无量纲刚

55、度 （5-18）因为换热管用10号钢，查表得系数 换热管回转半径 （5-19）为换热管受压失稳当量长度，按GB151-1999图32确定：取、c中的大值，所以又，则 （5-20）因为 所以符合要求 、确定管板的设计压力本设计采用方案：管板的设计压力 、计算，并按和查GB151-1999图23、24得C、管板的材料用16MnR，假设管板的厚度为87，查GB150-1998表4-5，管板在200下的许用应力 （5-21） （5-22） （5-23）查GB151-1999图23（a）、图24（a）分别得C=0.42、=4.6、管板计算厚度管板计算厚度 （5-24） 管板计算厚度加上腐蚀富裕量和槽的宽

56、度，小于管板的假设厚度87，所以假设的管板厚度符合要求。 管板的名义厚度由计算厚度、腐蚀裕量和槽宽组成，即管板的名义厚度为90。、换热管的轴向应力一般情况下，应按下列三种工况分别计算换热管的轴向应力：只有壳程设计压力，管程设计压力=0；只有管程设计压力，壳程设计压力=0；壳程设计压力和管程设计压力同时作用。浮头式换热器：管子应力： （5-25） 式中：计算结果应满足：当时，； 当时，。下面按三种工况分别计算：=2.45，=0，则 （5-26） （5-27） 因为，所以，则此计算符合要求。=0，=2.45，则由公式6-27得由公式5-28得 ： 因为，又，所以，则此计算符合要求。=2.45，=2

57、.45则由公式5-27得： 由公式5-28得： 因为，所以则此计算符合要求。、换热管与管板的拉脱应力 （5-28）计算结果应满足，GB151-1999 表26，可查得；换热管当量外径；为换热管有效长=5913。时，由公式5-28得：所以符合要求。当时，由公式5-28得：所以满足要求。当时，由公式5-28得：所以满足要求。综上所述，浮头管板的各参数都符合强度要求。5.4、法兰强度计算与校核计算（根据GB151-1999管壳式换热器）根据设计条件，法兰材料16Mn在计算压力，设计温度下由GB1501998查得法兰的许用应力为、。对于所选的法兰是窄面法兰按下述规定计算：当时，等于垫片接触的平均直径；当时，等于垫片接触的外径减去2b。由公式5-11得：由公式5-12得：因为，所以。由GB1501998表9-2查得：m=2.00，y=11MPa。垫片压紧力 （5-29） （5-30）螺栓载荷