1、武汉工程大学邮电与信息工程学院 毕业设计 武汉工程大学邮电 与信息工程学院 毕业设计（ 论 文）说明书 论文题目 BES-900-1.0-165-4.5/25-2浮头式换热器设计 学 号 1002050314 学生姓名 刘成 专业班级 10 过程装备与控制工程 03 班 指导教师 刘丽芳 总评成绩 2014 年 6 月 1 日 武汉工程大学邮电与信息工程学院 毕业设计 1 目录 摘要 . 2 Abstract . 3 绪论 . 4 一 换热器的简单介绍 . 4 二 换热器的应用 . 4 三 管壳式换热器的分类及其特点 . 4 四 换热器在化学工业中的应用 . 5 五 换热器的选型 . 7 第一
2、章 结构及强度计算 . 8 1.1 筒体的计算 . 8 1.2 管箱的结构设计 . 9 1.3 浮头盖的设计 . 14 1.4 管板的计算 . 27 1.5 外头盖的计算 . 32 1.6 开孔补强计算 . 33 1.7 其他零部件设计 . 36 第二章 浮头式换热器的制造工艺 . 41 2.1 总体制造工艺 . 41 2.2 管箱、壳体、头盖的制造工艺 . 41 2.3 换热管的制造工艺 . 41 2.4 管板与折流板的制造工艺 . 41 第三章 浮头式换热器的检验、安装、使用和维修 . 43 3.1 换热管的水压试验 . 43 3.2 安装 . 43 3.3 使用 . 44 3.4 维护
3、. 44 设计总结 . 45 致谢 . 46 参考文献 . 47 附录 . 48 武汉工程大学邮电与信息工程学院 毕业设计 2 摘要 换热器是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，又称热交换器。 换热器的应用广泛，它的主要功能是保证工艺过程对介质所要求的特定温度，同时也是提高能源利用率的主要设备之一。换热器既可是一种单独的设备，如加热器、冷却器和凝汽器等；也可是某一工艺设备的组成部分，如氨合成塔内的热交换器。 本设计说明书是关于浮头式换热器的设计，主要是进行了换热器的结构和强度设计。这部分主要是根据设计课题和课题给定条件进行设备内各零部件（如管箱、浮头钩圈、管板、接管、折流板、隔板、定距管等）
4、的设计，包括：材 料的选择、具体尺寸确定、确定具体位置、管板厚度的计算、浮头盖和浮头法兰厚度的计算、开孔补强计算等。 材料选用方面：对于主要承压元件选用 Q345R 为材料。由于介质是空气和水，所以选用 20 钢为换热管的材料。材料的选用和制造成本紧密相连，所以应该在保证设计要求的前提下尽量降低成本。 关于浮头式换热器设计的各个环节，设计说明书中都有详细的说明。 关键词 ： 换热器；管板；折流板；浮头法兰 武汉工程大学邮电与信息工程学院 毕业设计 3 Abstract Heat exchanger is part of the thermal fluid heat transfer to co
5、ld fluid equipment, also called heat exchanger. Heat exchanger is used widely, its main function is to ensure that required by the specific process of medium temperature, and is also one of the main equipment of energy efficiency.Heat exchanger is but a single device, such as heater, cooler and stea
6、m condenser, etc.;But also a part of the process equipment, such as ammonia synthetic towers heat exchanger. This design manual is about the design of floating head heat exchanger, mainly on the structure and intensity of the heat exchanger design.This part mainly according to the design task and ta
7、sk within the given conditions of equipment parts, such as pipe boxes, floating head hook ring, tube plate, takeover, baffle, baffle plate and spacer pipe, etc.) design, including: the choice of materials, the determination of the specific size, determine the specific location, the thickness of the
8、tube sheet calculation, calculation of floating head cover and floating head flange thickness, opening reinforcement calculation, etc. Aspects: material selection for the selection of main pressure elements Q345R for material.Since the medium is water and air, so choose material of 20 steel for heat
9、 exchange tube.The selection of materials and manufacturing cost is closely linked, so should as far as possible on the premise of guarantee the design requirements to reduce costs. Each link of floating head heat exchanger design, design specification has a detailed description. Key words: heat exc
10、hanger;Tube plate;Baffle plate;Floating head flange 武汉工程大学邮电与信息工程学院 毕业设计 4 绪论 一 .换热器概述 换热器是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，以实现不同温度流体间的热能传递，又称热交换器。换热器是实现化工生产过程中热量交换和传递不可缺少的设备。 在换热器中，至少有两种温度不同的流体，一种流体温度较高，放出热量；另一种流体则温度较低，吸收热量。在工程实践中有时也会存在两种以上的流体参加换热，但它的基本原理与前一种情形 并无本质上的区别。 在石油、化工、轻工、制药、能源等工业生产中，常常用作把低温流体加热或者把高温流体冷
11、却，把液体汽化成蒸汽或者把蒸汽冷凝成液体。换热器既可是一种单元设备，如加热器、冷却器和凝汽器等；也可是某一工艺设备的组成部分，如氨合成塔内的换热器。换热器是化工生产中重要的单元设备，根据统计，热交换器的吨位约占整个工艺设备的 20%有的甚至高达 30%，其重要性可想而知。 二 .换热器的应用 在工业生产中，换热器的主要作用是将能量由温度较高的流体传递给温度较低的流体，是流体温度达到工艺流程规定的指标，以满足工 艺流程上的需要。此外，换热器也是回收余热、废热特别是低位热能的有效装置。例如，高炉炉气（约 1500）的余热，通过余热锅炉可生产压力蒸汽，作为供汽、供热等的辅助能源，从而提高热能的总利用
12、率，降低燃料消耗，提高工业生产经济效益。 随着我国工业的不断发展，对能源利用、开发和节约的要求不断提高，因而对换热器的要求也日益加强。换热器的设计、制造、结构改进及传热极力的研究十分活跃，一些新型高效换热器相继面世 。 三 .管壳式换热器的分类及其特点 根据管壳式换热器的结构特点，可以将管壳式换热器分为固定管板是换热 器、 U 型管式换热器、浮头式换热器、填料函式换热器、釜式重沸器五类。 特点： 1.固定管板式换热器：它的特点是结构简单，没有壳侧密封连接，相同的壳体内径排管最多，造价最低，因而得到广泛应用。这种换热器的缺点是：壳程清洗困难，有温武汉工程大学邮电与信息工程学院 毕业设计 5 差应
13、力存在，热膨胀会引起管子拉弯。 2.U 形管式换热器：结构简单，只有一个管板，密封面少，运行可靠，造价低；管束可抽出，管间（壳程）清洗方便。质量轻，适用于高温和高压的场合。缺点是管程清洗困难，管程流体必须是洁净和不易结垢的物料，由于管子需要一定的弯曲半径，故管板利用率低。 3.浮头式换热器：其浮 头不与外壳相连。优点是这种换热器壳体和管束的热膨胀是自由的，管束可以抽出，便于清洗管间和管内。其缺点是结构复杂，造价高（比固定管板高 20%），在运行中浮头处发生泄漏，不易检查处理。浮头式换热器适用于壳体和管束温差较大或壳程介质易结垢的条件。 4.填料函式换热器：由于采用填料函式密封结构，使得管束在壳
14、体轴向可以自由伸缩，不会产生壳壁与管壁热变形差而引起的热应力。其结构较浮头式换热器简单，加工制造方便，节省材料，造价比较低廉，且管束从壳体内可以抽出，管内、管间都能进行清洗，维修方便。因填料处易产生泄漏，填料函式换热 器一般适用于 4MPa 以下的工作条件，且不适用于易挥发、易燃、易爆、有毒及贵重介质，使用温度也受填料的物性限制。填料函式换热器现在已很少采用。 5.釜式重沸器：它具有浮头式、 U 形管换热器的特点。在结构上与其他换热器不同之处在于壳体上部设置一个蒸发空间，蒸发空间的大小由产气量和所要求的蒸气品质所决定。产气量大、蒸气品质要求高者蒸发空间大，否则可以小些。此种换热器与浮头式、 U
15、 形管式换热器一样，清洗维修方便，可处理不清洁、易结构的介质，并能承受高温、高压。 四 .换热器在化学工业中的应用 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、炼油、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、炼油等工业生产来说，换热器尤为重要。通常在化工生产的建设中，换热器约占总投资的 10 20%。 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、蒸发和冷凝等。换热器就是用来进行这些传递过程的设备，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，以满足工艺上的需要。换热器随着使
16、用目的的不同，可以把它分成为：热交换器、加热器 、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等。由于使用的条件不同，换热设备又有各样的形式和结构。另外，在化工生产中有时换热器作为一个单独的化工设备，有时则把它作为某一工艺设备中的组成部分，如氨合成塔中的下部热交换器、精馏塔底部的再沸器和顶部的回流冷凝器或分凝器等。其它如回收排放出去的高温气体中的废热所用的废热锅炉，有时在生产中也是不可缺少的。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不开它。 武汉工程大学邮电与信息工程学院 毕业设计 6 在换热设备中，应用最广泛的是管壳式换热器。目前这种换热器被当作为一种传统的标准换热器，在许 多
17、工业部门中被大量地使用。尤其在化工生产中，无论是国内还是国外，它在所有的换热设备中，仍占主导地位。同时在近代的许多化工生产中，如裂解、合成及聚合等，大都要求在高温和高压下进行。如高压聚乙烯要求操作压力高达 250MPa 左右，新“德士古”制氢法要求操作温度在 750 1500 范围。这些条件下，要进行热交换是很不容易的，尤其在有腐蚀存在的情况下，实现热交换更是困难。而管壳式结构，它具有选材范围广，换热表面清洗较方便，适应性强，处理能力大，能承受高温和高压等特点。因此，能不断扩大它的使用范围。由于现代化工厂的生产规 模日益增大，换热设备也相应向大型化方向发展，以降低动力消耗，减少占地面积和金属消
18、耗。管壳式结构的换热器也能满足这一要求。 近十余年来，另一种高效、紧凑式的新型换热设备之一，即板式换热器，已发展成为一种重要的化工设备。虽然目前它还处于发展阶段，但它在化工和石油化工生产中已推广应用。它适用的介质相当广泛，从水到高粘度的非牛顿型液体，从含有小直径固体颗粒的物料到含有纤维的物料，均可处理。从生产工艺上说，它可以用作液体的加热、冷却、冷凝或蒸发，单体的气提，溶液的浓缩、聚合、脱气、混合和乳胶的干燥等。 近年来，由于铝及铝合金钎焊技术的发展和不断完善，促使另一种高效、紧凑式的新型换热器，即板翅式换热器得到广泛的应用。虽然首先采用这种形式的换热器是为了满足飞机上中间冷却器的要求，但由于
19、它具有体积小，质量轻，效率高和适应的温度范围广等突出的优点，从而在化工、石油化工和其它许多工业部门中，也得到了迅速地推广应用。现在，板翅式换热器又成功地应用于天然气加工过程中，如进料气冷却器、部分冷凝器、底部蒸发器和压缩机的中间冷却器等。其它在航空、车辆和船舶等方面亦已开始推广应用。 目前螺旋板换热器在化工生产中的应用也 日趋广泛。在磷酸生产流程中，由于使用了这种形式的换热器，在清洗时可不停车，每次清洗只需切换磷酸和水的通道即可。螺旋板换热器在国内首先较普遍地用在小化肥生产中半水煤气的预热器和氨合成塔下部的换热器，目前已逐步推广应用的到其它化工生产工艺中，在很多焦化厂中已经开始普及用螺旋板式换
20、热器来作为贫富油换热器了。 在化工生产过程中，除了遇到高温、高压、高真空和深冷等一些操作条妥善地解决这个问题，而提出和使用了一些新型材料的换热器。如玻璃、石墨和聚四氟乙烯等非金属材料以及钛、钽和锆等稀有金属材料制作的换热器，以达到耐热 ，耐压和防腐的效果。玻璃换热器应用于生产中，目前还刚刚开始，并已推广应用到制药工业中。石墨换热器已在许多国家中得到广泛地应用，如用来处理盐酸、硫酸等腐蚀性介质。此外，还可用于化肥、有机合成和农药等多种工业中。 在其它新型换热器的应用中，值得提出的为热管。它是一种新型的传热元件，在六十年代中才开始应用于宇宙航行，但目前它的发展已日趋完善，且逐步推广应用于其它工业部
21、门。它能利用小的表面积传递大的热量，因此它能充分体现换热器的一种武汉工程大学邮电与信息工程学院 毕业设计 7 优良的设计。 五 .换热器的选型 换热设备有多种多样的形式，每种结构形式的换热设备都有其 本身的结构特点和工作特性。有些结构形式，在某种情况下使用最好，但是另外的情况下，却不要太合适，或是根本不能使用。只有熟悉和掌握这些特点，并根据生产工艺的具体情况，才能进行合理的选型和正确的设计。 换热器选型时需要考虑的因素很多，主要包括流体的介质、压力、温度、压降及其可允许范围；对清洗、维修的要求；材料价格及制造成本；动力消耗费；现场安装和检修的方便程度；壁面工作温度；使用寿命和可靠性等。 要使一
22、台呼热气完全满足上述全部条件是不可能的。一般情况下，在满足生产工艺条件的前提下，仅考虑一个或几个相对重要的影响因 素就可以进行选型了。其基本的选择标准为： 1.所选换热器必须满足工艺过程要求，流体经过换热器换热以后必须能够以要求的参数进入下个工艺流程； 2.换热器本身必须能够在所要求的工程实际环境下正常工作，换热器需要能够抗工程环境和介质的腐蚀，并且具有合理的抗结垢性能； 3.换热器应容易维护，这就要求换热器容易清理，对于容易腐蚀、振动等破坏的元件应易于更换，换热器应满足工程实际场地的要求； 4.换热器应尽可能的经济。选用时应综合考虑换热器的安装费用、维护费用等，应使换热器尽可能地经济； 5.
23、选用换热器时要根据场地的限制考虑换热器的直径、 长度、重量和换热管的结构等。 流体的种类、热导率、黏度等物理性质，以及腐蚀性、热敏性等化学性质，对换热器选型有很大的影响。例如冷却湿氯气时，湿氯气的强腐蚀性决定了设备必须选用聚四氟乙烯等耐腐蚀材料，限制了可能采用的结构范围。对于处理热敏性流体的换热器，要求能有效地控制加热过程中的温度和停留时间。对于一结构的流体，应选用易清洗的换热器。 换热介质的压力、温度等参数对选型也有影响。如在高温和高压条件下操作的大型换热器，需要承受高温、高压，可选用管壳式换热器。若操作温度和压力都不高，处理的量又不大，处理的物料具有 腐蚀性、可选用板面式换热器。因为板面式
24、换热器具有传热效率高，结构紧凑和金属材料消耗低等优点。 在换热器选型时，还应考虑材料的价格、制造技术、动力消耗费和使用寿命等因素，力求使换热器在整个使用寿命内最经济地运行。 武汉工程大学邮电与信息工程学院 毕业设计 8 第一章 结构及强度计算 换热器主体结构以及零部件的设计和强度计算，主要包括壳体和封头的厚度计算、材料的选择、管板厚度的计算、浮头盖和浮头法兰厚度的计算、开孔补强计算，还有主要构件的设计（如管箱、壳体、折流板、拉杆等）和主要连接（包括管板与管箱的连接、管子与管板的连接、壳体与管板的连接 等），具体计算如下。 1.1 筒体的计算 1.1.1 筒体结构的计算 设计课题为 BES900
25、 1 165 4.5/25 2浮头式换热器 (1) 设计压力的确定 由设计课题给定的设计压力 P 为 1MPa，暂取计算压力 MPaPc 0.1 。 (2)设计温度的确定 由设计课题给定的设计温度为 80t 。 1.1.2 筒体的厚度计算 (1)筒体材料的确定 介质空气与水，筒体材 料选用 Q345R,由 GB150-2011 压力容器第二部分材料查表 2如下： 表 1-1 筒体材料许用应力 钢号 钢板标准 使用状态 厚度 mm 常温强度指标 设计温度下许用应力 t MPa b MPa s MPa Q345R GB713 热轧 316 510 345 189 （ 2） 筒体厚度的计算 焊接方式
26、：选为双面焊对接接头， 100%无损探伤，故焊接系数 1 。 筒体厚度计算式为 mmPDP Ct ic 39.2111 8 92 9 0 012 武汉工程大学邮电与信息工程学院 毕业设计 9 cP -设计压力 . MPa iD -壳体内径 .mm -计算厚度 .mm -焊接接头系数 . t -材料在设计温度的许用应力 . MPa 根据 GB6654压力容器用钢板规定：对于 Q345R 钢板可取厚度负偏差 01C ,在无特殊腐蚀情况下，对于碳素钢和低合金钢，腐蚀裕量 2C 不小于 mm1 ，取腐蚀裕量mmC 22 。 设计厚度 d的确定 ,根据 GB151-1999 的规定 , mmCCd 39
27、.42039.221 向上圆整且满足于 GB151-1999 中浮头式换热器对于材料为低碳钢和低合金钢的最小厚度不小于 10mm 的规定，取其名义厚度为 mm12 其有效厚度为 mmCCne 10201221 设计温度下圆筒的计算应力 M P aM P aDP teeict 1895.45102 1090012 满足要求 设计温度下圆筒的最大允许工作压力 PW= )( 2 eiteD = M P a15.4109 0 0 11 8 9102 筒体水压试验校核 筒体水压试验压力 Pt=1.25Pct M P a29.21 8 93 4 5125.1 t 取各元件许用应力比的最小值， 为单向拉伸应力，其值等于材料的屈服应力s ，即 MPas 345 校核试验时圆筒的薄膜应力： M P aM P aDp seeiTT 5.3 1 09.019.1 0 4102 109 0 029.22 故满足水压试验的强度要求。 1.2 管箱的结构设计 1.2.2管箱封头的材料及形式选择 管箱封头的材料择用 20MnMo，封头选用标准椭圆形封头，这是因为椭圆形封头的应力分布比较均匀，且其深度较半球形封头小得多，易于冲压成型。标准椭圆形封头是由半个椭球面和短圆筒组成，断面形状选以内径为基准的类型代号 EHA，其型式参数
