1、 本 科 毕 业 设 计 (论 文 ) 半煤水中间热交换器设计 Half coal water heat exchanger design 学 院 ： 机械工程学院 专业班级 ： 过程装备与控制工程 学生姓名 ： 学 号： 指导教师 ： 2015 年 6 月 毕业设计（论文）中文摘要 半煤水中间热交换器设计 摘 要： 换热器是在化工、食品、能源、制药等许多工业部门广泛使用的一种设备。不同的行业中的企业对换热器投资所占的比重不尽相同。比如在化工厂中，换热设备占到总投资的 10%20%左右，而在炼油厂中能够占到将近 35%40%。我们国家现在追求可持续发展，换热器可以将工厂生产的余热、低级热收集起
2、来，这样能够起到节约能源的作用。 换热器按照不同的传热方式或传热原理可以分为以下几类：直接接触式换热器、蓄热式换热器、间壁式换热器和中间载热 体式换热器等。其中间壁式换热器是运用最广泛的换热器。间壁式换热器主要有管式换热器和板面式换热器几类。我们研究的课题属于管式换热器中的浮头式换热器。浮头式换热器与其他类型的换热器相比，它的浮头端相对于壳体可以自由移动，这样不产生热应力。另外，浮头式换热器的管间和管内清洗比较方便。因此浮头式换热器适用于温差较大或壳程介质易结垢的场合。 关键词： 换热器；化工；浮头式换热器；换热器分类 毕业设计（论文）外文摘要 Half coal water heat exc
3、hanger design Abstract: heat exchanger is used in chemical, food, energy, pharmaceutical and many other industries widely used a device. Different industries, the proportion of people to invest in heat exchanger are not the same. Such as in chemical plant, the heat exchange equipment accounted for a
4、 total investment of 10% 10%, and in the refinery can be accounted for nearly 35% 40%. Our country now the pursuit of sustainable development, the heat exchanger can be collected factory production of waste heat, low heat; it can have the effect of saving energy. Heat exchanger according to the diff
5、erent way of heat transfer or heat transfer principle can be divided into the following categories: direct contact heat exchanger, regenerative heat exchanger, recuperative heat exchanger and heat transfer between heat exchanger in style, etc. The recuperative heat exchanger is the most widely used
6、heat exchanger. Recuperative heat exchanger mainly includes tube heat exchanger and plate heat exchanger categories. Our research topic belongs to the floating head heat exchanger tube heat exchanger. Compared with other types of heat exchanger floating head heat exchanger, hypoxia at its for shell
7、can move freely, so do not produce thermal stress. In addition, between tube and tube of floating head heat exchanger cleaning more convenient. So of floating head heat exchanger is suitable for the shell side of the temperature difference is bigger or medium easy to scale. Keywords: heat exchanger;
8、 Chemical industry; Floating head heat exchanger; Heat exchanger classification 目 录 1 绪论 . 1 2 换热器结构设计与强度计算 . 2 2.1 设计条件 . 2 2.2 初选结构 . 3 2.3 壳体内径计算 . 3 2.4 壳体与管箱厚度的确定 . 4 2.5 开孔补强计算 . 5 2.6 水压试验 . 12 2.7 换热管 . 13 2.8 管板设计 . 15 2.9 折流板 . 22 2.10 拉杆与定距管 . 25 2.11 法兰与垫片 . 26 2.12 钩圈式浮头 . 28 2.13 接管的最小
9、位置 . 33 2.14 上管箱与管程流体出口接管的密封 . 34 2.15 接管法兰 . 35 2.16 裙座 . 35 结论 . 51 致谢 . 52 参 考 文 献 . 53 淮海工学院二一五年本科毕业设计（论文） 第 1 页 共 53 页 1 绪论 目前国内外的关于换热器的研究多集中在强化传热研究和优化壳程压降研究上。根据传热公式可以得到，强化传热可以通过增加传热面积、加大冷热流体的温差和增加总传热系数来实现。而冷热流体的温差主要受工艺的限定，我们不好改变太多。因此强化传热的研究就集中于强化管程传热和强化壳程传热这两个方面。管程强化传热有螺旋槽纹管、 横纹管、缩放管、内插物管等方式。加
10、强流体的湍流程度、提高流体的纵向流动、减少流动死区等方法能够强化壳程传热。优化壳程压降、降低能耗也是另外一个主流的研究方向。但是通过研究表明，在提高传热效果的时候必然会增加壳程压降、增加能耗；反之当优化壳程压降时，传热效果会降低。目前我们可以提出一种在降低压降的基础上强化传热的思路，当两者达到一定关系时，能够得到最佳的换热效果。 淮海工学院二一五年本科毕业设计（论文） 第 2 页 共 53 页 2 换热器结构设计与强度计算 换热器结构的设计和强度计算主要有换热器筒体、封头、浮头的材料选择、筒体的厚度计算，在确定各个开孔位置后进行开孔补强 的计算，还有浮头法兰的相关计算。除换热器的主要结构设计计
11、算外，还包括换热器中的主要构件：管箱、拉杆、折流板、定距管的设计计算。以及各连接处的设计计算，以及各部分需要应力校核的应力校核计算以及水压试验。 2.1 设计条件 表 2-1 给定设计条件 给定参数 管程 壳程 设计压力 MPa 0.86 0.86 工作压力 MPa 0.86 0.86 设计温度 380 420 工作温度 300 380 306 420 物料名称 半水煤气 变换气 腐蚀裕度 mm 2 焊缝系数 0.80 换热面积 2m 178 容器类别 淮海工学院二一五年本科毕业设计（论文） 第 3 页 共 53 页 2.2 初选结构 表 2-2 初步选定换热器结构表 管排列方式 转角三角形
12、管子外径 0d m 0.025 管子内径 id m 0.025 019.0003.0-025.02- 管长 L m 2.5 管间中心距 s m 1.50d =0.032 传热面积 S 2m 178 单根换热管传热面积 单S 2m 0.1885 换热管总数 tN 945 2.3 壳体内径计算 壳体内径计算按下式计算： SD = ( b - 1 S + 2 b -，） （ 21 ）其中 : sD 为壳体内径 S管束之间中心距 ，b 为管束中心线上的最外面一层管子中心到壳体内壁的距离， m。 ，b =（ 1 1.5） 0d =1.5 0.025=0.0375 （ 2-2） b值在管排列方式为转角正三
13、角形时： b=1.10 5.0tN =1.10 945 （ 2-3） 淮海工学院二一五年本科毕业设计（论文） 第 4 页 共 53 页 sD =1.093m，向上圆整到 1.20m=1200mm。 sD =1200mm 2.4 壳体与管箱厚度的确定 按设计条件给出：设计压力为 0.86MPa，工作温度最高为 420，则选择设计温度为 450。 2.4.1 壳体和管箱材料的选择 考虑到本台换热器属于低压常规压力容器，而根据经验实际生产中多采用低碳和低合金钢 生产制造此类压力容器，所以此次设计综合考虑到经济性、使用条件等条件，故选择壳体和箱体的材料为 Q245 钢。 Q245 属于低碳钢，其有良好
14、的综合力学性能以及良好的制造工艺性能，其低温和高温下的强度、韧性以及耐腐蚀性能都比较好。选择低碳钢有利于减少容器的厚度，减轻容器的重量，也能节约钢材降低制造成本。 2.4.2 圆筒壳体壁厚计算 焊接方式：考虑到此台换热器压力较低低，因此选择单面焊，局部无损探伤，所以焊接系数为 8.0 。 查相关标准取 mm3.01 C , mm22 C 。 假设壳体厚度为 6 16mm，此时 Q245 的许用应力 t 61 aMP ，壳体壁厚计算厚度计算公式为： mm03.1086.0-8.0662 120086.0-2 ct ic PDP ； （ 2-4） 名义厚度 n = + 2C + 1C + =10.
15、3+2+0.3+ =14mm； （ 2-5） 其中 为向上圆整量； n =14mm； 查得此材料 Q245 最小厚度是 6mm，则此时厚度满足要求。 2.4.3 管箱厚度计算 因为上端管箱为浮头盖也称外头盖管箱，下端管箱为固定管板端管箱，所以上下端管箱的形式不相同，所以管箱壁厚计算时将上端管箱和下端管箱分开计算厚度。 2.4.3.1 下端管箱壁厚计算 下端管箱选为椭圆形封头管箱，椭圆形封头管箱的应力分布较均匀，并且由于制造中的冲压工艺，椭 圆形的深度比球形小得多利于冲压，所以选择为椭圆形淮海工学院二一五年本科毕业设计（论文） 第 5 页 共 53 页 封头管箱。材料选择与筒体相同，焊接系数为
16、0.8。 由于选用标准椭圆形封头，所以 1K ，且同上 mm3.01 C , mm22 C ，则封头计算厚度计算公式为： mm03.1086.0-8.0662 120086.0-2 ct ic PDP ； （ 2-6） 名义厚度 n = + 2C + 1C + =10.3+2+0.3+ =14mm（ 为向上圆整量）； 查压力容器与化工设备使用手册上册 2.2 可得封头的各项参数如下表： 表 2-3 下端管箱封头参数 DN(mm) 总深度 H(mm) 内表面积 A( ) 容积 (m3) 封头质量（） 1200 340 1.712 0.271 192 管箱筒节的厚度取与管箱封头一样，为 14mm。
17、 2.4.3.2 上端管箱厚度计算 本台换热器是浮头式换热器，故其上端管箱是浮头管箱，也成为称外头盖。外头盖的内直径为 1300mm，这可在“钩圈式浮头计算”部分得到。 选用与下封头相同形式的标准椭圆形封头，故 1 ，且取 120; 2C C mm与下管箱相同，则管箱计算厚度为： mm08.1086.0-8.0662 1 3 0 086.01-2 ct ic PDKP （ 2-7） 名义厚度 n = + 2C + 1C + =10.8+2+0.3+ =14mm（ 为向上圆整量）； 查压力容器与化工设备使用手册上册 2.2 可得封头的各项参数如下表： 表 2-4 外头盖封头参数 DN(mm) 总
18、深度 H(mm) 内表面积 A( ) 容积 (m3) 封头质量（） 1300 365 2.0 0.341 224 短节部分的厚度同封头处厚度，为 14mm。 2.5 开孔补强计算 本台浮头式换热器的壳程流体的进出口开孔在壳体上；管程流体进口在下端管箱筒节上，管程流体出口开孔在上端管箱即外头盖上。下端管箱上有排污口开孔，所以换热器上 必然会有开孔。开孔之后，除了削弱换热器壁的强度外，在壳体与接管的连接处，因结构的连续性被破坏，故而产生很高的局部应力，给换热淮海工学院二一五年本科毕业设计（论文） 第 6 页 共 53 页 器的使用和操作带来安全隐患。所以必须进行开孔补强的计算。 接管材料选择选用
19、20 号钢。 排污口直径取 57 89，不做补强计算。 符号说明： tn 接管所用材料在设计温度下的许用应力 t 壳体所用材料在设计温度下的许用应力 n 壳体开孔处的名义厚度， mm； nt 接管名义厚度， mm; e 壳体开孔处有效厚度， mm； e n C, 壳体开孔处计算厚度， mm； et 接管有效厚度， et nt C mm； 2.5.1 壳体上开孔补强计算 2.5.1.1 补强判别及补强方法的判别 （ 1）补强判别：查 GB150，得知允许不另行补强的开孔最大直径为 89mm ，本壳体上开孔外径为 377mm，所以需要对开孔作开孔补强计算，另行考虑其补强。 （ 2）补强方法判别：开孔直径 iio 1200d d 2 d 3 7 7 m m 2 822D （ ）满足用等面积法开孔补强的补强方法适用条件，所以补强计算可用等面积补强法作计算。 2.5.1.2 开孔所需补强面积计算： 强度削弱系数 16161f ttnr ； （ 2-9） 接管有效厚度 mm72-9-ntet C接管有效厚度 ； （ 2-10） 开孔所需补强面积按下式计算： mm37700-03.10377f-12d ret ）（A（ 2-11）2.5.1.3 有效补强范围 （ 1）有效宽度 B：
