1、 本 科 毕 业 设 计 (论 文 ) 200 号油换热器设计 Design of 200 # Oil Heat Exchanger 学 院 ： 机械工程学院 专业班级 ： 过程装备与控制工程 装备 071 学生姓名 ： 学 号： 指导教师 ： 毕业设计（论文）中文摘要 200 号油换热器设计 摘 要： 本设计说明书是关于 PN1.3DN500 浮头式换热器的设计，主要是进行了换换热器的结构和强度设计。 设计的内容主要是根据已经选定的换热器型式进行设备内各零部件（如接管、折流板、定距管、钩圈、管箱等）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
2、算、开孔补强计算等。最后设计结果可通过 3 张图表现出来。 关键词： 浮头式换热器；管板；浮头盖；浮头法兰 毕业设计（论文）外文摘要 Design of 200 # oil heat exchanger Abstract: The design manual is about the PN1.3DN500 floating head heat exchanger, which included technology calculate of heat exchanger, the structure and intensity of heat exchanger. The Main desig
3、n is about the structure and intensity of the design. This part is just on the selected type of heat exchanger to design the heat exchangers components and parts ,such as vesting ,baffled plates, the distance control tube, circle hook, tube boxes. This part of design mainly include： the choice of ma
4、terials， identify specific size, identify specific location, the thickness calculation of tube sheet, the thickness calculation of floating head planting and floating head flange, the opening reinforcement calculation etc. In the end, the final design results through three maps to display. Key word:
5、 floating head heat exchanger;tube sheet; floating head planting; floating head flange 目 录 1绪论 . 错误 !未定义书签。 1.1 换热器的应用 . 错误 !未定义书签。 1.2 换热器的主要分类 . 错误 !未定义书签。 1.3 管壳式换热器特殊结构 . 错误 !未定义书签。 2换热器结构设计与强度计算 . 错误 !未定义书签。 2.1 壳体与管箱厚度的确定 . 1 2.2 接管的选取 . 2 2.3 开孔补强计算 . 3 2.4 水 压试验 . 5 2.5 换热管 . 5 2.6 管板设计 . 7
6、2.7 折流板 . 11 2.8 拉杆与定距管 . 13 2.9 防冲板 . 14 2.10 保温层 . 14 2.11 法兰与垫片 . 14 2.12 钩圈式浮头 . 16 2.13 分程隔板 . 22 2.14 鞍座 . 22 3换热器的腐蚀、制造与检验 . 24 3.1 换热管的 腐蚀 . 24 3.2 换热器的制造与检验 . 25 结 论 . 28 致 谢 . 29 参 考 文 献 . 30 淮海工学院二 一一 届本科毕业设计（论文） 第 1 页 共 34 页 2.1 壳体与管箱厚度的确定 2.1.1 壳体和管箱材料的选择 由于所设计的换热器属于常规容器，并且在工厂中多采用低碳低合金钢
7、制造，故在此综合成本、使用条件等的考虑，选择 Q345R 为壳体与管箱的材料。 Q345R 是低碳低合金钢，具有优良的综合力学性能和制造工艺性能，其强度、韧性、耐腐蚀性、低温和高温性能均优于相同含碳量的碳素钢，同时采用低合金钢可以减少容 器的厚度，减轻重量，节约钢材。 2.1.2 圆筒壳体厚度的计算 焊接方式：选为单面焊对接接头，局部无损探伤，故焊接系数 0.85 ； 根据 GB713锅炉与压力容器专用钢板， Q345R 钢板的 120.3; 2C C mm。 假设材料的许用应力 170t MPa（厚度为 6 16mm时）， 已知条件：管程：水，工作压力 1.0MPa，工作温度 25 35；壳
8、程： 200号油，工作压力 1.25MPa，工作温度 80 40。 设计条件的确定 设计压力：管程为 1.3MPa，壳程为 1.3 MPa. 设计温度：管程为 50，壳程为 90 。 Pc=1.3+Pl=1.3 MPa 0 . 7 6 9 . 8 0 . 5 3 . 7 2 4 1 . 3 5 % 0 . 0 6 5lap g h P M P a 壳体计算厚度按下式计算为： 1. 3 50 0 2. 262 17 0 0. 85 1. 32 cit cD mm ； 设计厚度 2 2 .2 6 2 4 .2 6d C m m ； 名义厚度 1 4 . 2 6 0 . 3 1 0nd C m m
9、（其中 为向上圆整量 ）； 查其最小厚度为 8mm，则此时厚度满足要求，且经检查， t 没有变化，故合适。 考虑到后面法兰选取要求壳体最小厚度为 10，因此选 10mm更合适。 2.1.3 管箱厚度计算 管箱由两部分组成：短节与封头；且由于前端管箱与后端管箱的形式不同，故此时将前端管箱和后端管箱的厚度计算分开计算。 2.1.3.1 前端管箱厚度计算 前 端管箱为椭圆形管箱，这是因为椭圆形封头的应力分布比较均匀，且其深淮海工学院二 一一 届本科毕业设计（论文） 第 2 页 共 34 页 度较半球形封头小得多，易于冲压成型。其计算压力 Pc=Pd+Pl 此时选用标 准椭圆形封头，故 1 ，且同上1
10、20.3; 2C C mm，则封头计算厚度为： 1 1 .3 5 0 0 2 .2 52 1 7 0 1 0 .5 1 .32 0 .5cih t cD mm 1 0 0 0 9 . 8 0 . 5 4 9 0 0 0 . 0 0 4 9 1 . 3 5 % 0 . 0 6 5lap g h P M P a M P a 忽略。 设计厚度： 2 2 . 2 5 2 4 . 2 5d h h C m m 名义厚度： 1 4 . 4 5 0 . 3 1 0n h d h C m m （ 为向上圆整量）； 经检查， t 没有变化，故合适 查 JB/T4746 2002钢制压力容器用封头可得封头的型号参
11、数如下： 表 2-1 DN500 标准椭圆形封头参数 DN(mm) 总深度H(mm) 内表面积 A( ) 容积 (m3) 封头质量（） 500 165 0.334 0.024 27 短节部分的厚度同封头处厚度，为 10mm。 2.1.3.2 后端管箱厚度计算 由于是浮头式换热器设计，因此其后端管箱是浮头管箱，又可称外头盖。外头盖的内直径为 600mm，这可在“浮头盖计算”部分看到。 选用标准椭圆形 封头，故 1 ，且同上 120; 2C C mm，则计算厚度为： 1 1. 3 60 0 2. 712 17 0 0. 85 0. 5 1. 32 0. 5cih t cD mm ；（ pl 忽略）
12、 设计厚度 2 2 .7 1 2 4 .7 1d h h C m m ； 名义厚度 1 4 . 7 1 0 . 3 1 0n h d h C m m （ 为向上圆整量）； 经检查， t 没有变化，故合适。 查 JB/T4746 2002钢制压力容器用封头可得封头的型号参数如下： 表 2-2 DN600 标准椭圆形封头参数 DN(mm) 总深度H(mm) 内表面积A( ) 容积(m3) 封头质量（） 600 190 0.466 0.040 38 短节部分的厚度同封头处厚度，为 10mm。 2.2 接管的选取 淮海工学院二 一一 届本科毕业设计（论文） 第 3 页 共 34 页 循 环水进口与出口
13、选用无缝钢管尺寸为 168 6，材料为 16Mn。 200 号油进口与出口选用无缝钢管尺寸为 219 6 材料为 16Mn。 排气口与排液口选用无缝钢管尺寸为 25 3 材料为 16Mn。 2.3 开孔补强计算 在该台浮头式换热器上，壳程流体的进出管口在壳体上，管程流体则从前端管箱进入，而后端管箱上则有排污口和排气口，因此不可避免地要在换热器上开孔。开孔之后，出削弱器壁的强度外，在壳体和接管的连接处，因结构的连接 性被破坏，会产生很高的局部应力，会给换热器的安全操作带来隐患。因此此时应进行开孔补强的计算。 按照 GB150 规定，当在设计压力小于或等于 2.5MPa 的壳体上开孔，两相邻开孔中
14、心的间距大于两孔直径之和的两倍，且接管公称外径小于或等于 89mm 时，只要接管最小厚度满足下表 2-3要求，就可以不另行补强。 表 2-3 接管外壁最小厚度 接管外径 25 32 38 45 48 57 65 76 89 最小厚度 3.5 4.0 5.0 6.0 按照以上规定，循环水进口与出口与 200 号油进口与出口都需进行补强计算 a.对于 受内压的圆筒或球壳， A 2 (1 )erdf b.对于受外压的圆筒和球壳， A 0 .5 2 (1 )erdf A 开孔削弱做需要的补强面积， 2mm d 开孔直径， mm 壳体开孔处的计算厚度， mm e 接管有效厚度， mm rf 强度削弱系数
15、，等于设计温度下接管材料与壳体材料许用应力之比。 2.3.1 壳体上开孔补强计算 2.3.1.1 补强及补强方法判别 ： 200 号油进口与出口补强计算 用等面积法进行开孔补强计算。 2.3.1.2 开孔所需补强面积计算 ： 强度削弱系数 170 1170tnr tf 接管有效厚度 6 0 . 3 2 3 . 7et n t C m m 开孔直径 2 1 9 2 6 2 2 . 3 2 1 1 . 6d m m 淮海工学院二 一一 届本科毕业设计（论文） 第 4 页 共 34 页 开孔所需补强面积按下式计算： 22 (1 )2 1 1 .6 2 .2 6 2 2 .2 6 6 (1 1 )4
16、7 8 .2 1 6e t rA d fmm 2.3.1.3 有效补强范围 有效宽度 B： 2 2 211 .6 423 .2m a x 423 .22 2 211 .3 2 10 2 6 243 .6n n td m mB m md m m 有效高度： （ a）外侧有效高度 1h 为： 12 1 1 . 6 6 3 5 . 6 3m i n 3 5 . 6 3200ntd m mh m mmm 实 际 外 伸 长 度（ b）内侧有效高度 2h 为： 22 1 1 . 6 6 3 5 . 6 3m i n 00ntd m mh m mmm 实 际 内 伸 长 度2.3.1.4 有效补强面积 壳
17、体多余金属面积： 壳体有效厚度： 1 0 2 .3 7 .7 ;en C m m 则多余的金属面积 1A 为： 12( ) ( ) 2 ( ) (1 )( 4 2 3 .3 2 1 1 .6) ( 7 .7 2 .2 6 ) 01 1 5 1 .6 4 8e e t e rA B d fmm ； 接管多余金属面积： 接管计算厚度： 1. 3 20 0 0. 772 17 0 1 1. 32 cit t cn d mm 接管多余金属面积 A2： 2 2 1 2 222 ( ) 2 ( )2 3 5 .6 3 (3.7 0 .7 7 ) 1 02 0 8 .7 9h e t t r e t rA
18、A h f h C fmm 接管区焊缝面积（焊脚取为 6mm）： 3 12 6 6 3 62A m m 有效补强面积： 淮海工学院二 一一 届本科毕业设计（论文） 第 5 页 共 34 页 21 2 3 1 1 5 1 . 6 4 8 2 0 8 . 7 9 3 6 1 3 9 6 . 4 3 8eA A A A m m 可知 eAA 该接管补强的强度足够，不需另外设补强结构 该设备最大接管的公称直径为 200mm，此接管不需另设补强结构，那么其他的也不需另设补强结构了。 2.4 水压试验 设试验温度为常温，根据 GB150 规定，则有 1701 . 2 5 1 . 2 5 1 . 3 1 .
19、 6 2 5170T tP P M P a 则校核水压试验时圆筒的薄膜压力 T ： () 1 .6 2 5 (50 0 5 .7 )2 2 5 .77 2 .0 8 0 .9 0 .9 0 .8 5 3 4 5 2 6 3 .9 2 5T i eTesPDM P a 满足条件。 2.5 换热管 换热管的规格为 25 2.5 ，材料选为 20钢。 2.5.1 换热管的排列方式 换热管在管板上的排列有正三角形排列、正方形排列和正方形错列三种排列方式。各种排列方式都有其各自的特点：正三角形排列：排列紧凑，管外流体湍流程度高在同样的管板面积上可排列最多的管数，应用最为普遍；正方形排列：易清洗，但给热效
20、果较差；正方形错列：可以提高给热系数。各排列如图2-1 所示 图 2-1 在此，选择正三角形排列，主要是考虑同样的管板面积上可排列最多的管数。 查 GB151-1999 可知，换热管的中心距 S=32mm，分程隔板槽两侧相邻管的中心距为 44mm；同时，由于换热管管间需要进行机械清洗，故相邻两管间的净空距离（ S-d）不宜小于 6mm。 2.5.2 布管限定圆 LD 布管限定圆 LD 为管束最外层换热管中心圆直径，浮头式换热器的其由下式淮海工学院二 一一 届本科毕业设计（论文） 第 6 页 共 34 页 确定： 122 ( )LiD D b b b 查 GB151-1999 可知，取 b=4.
21、5， b1=4， bn=32，故 b2= bn+1.5=33.5，则 5 0 0 2 ( 4 3 3 . 5 4 . 5 ) 4 1 6LD m m 。 2.5.3 排管 排管时须注意：拉杆应尽量均匀布置在管束的外边缘，在靠近折流板缺边位置处布置拉杆。拉杆中心至折流板缺边的距离应尽量控制在换热管中心距的（ 0.5 1.5） 3 范围内。 多管程换热器其各程管数应尽量相等，其相对误差应控制在 10%以内，最大不能超过 20%。 相对误差计算： m i n ( m a x ) 100%cpcpNNN N其中： cpN 各程的平均管数； min(max)N 各程中最小或最大的管数。 实际排管后发现，
22、每个管程的布管数目分别是 33， 26， 26， 33，而各管程的平均管数为 29.5，因此可知各程管数的 相对误差是： m i n ( m a x ) 2 9 . 5 2 6 3 3 2 9 . 51 0 0 % 1 0 0 % 1 0 0 % 1 1 . 9 % 2 0 %2 9 . 5 2 9 , 5cpcpNNN N 2.5.4 换热管束的分程 在这里首先要先提到管箱。管箱作用是把从管道输送来的流体均匀地分布到换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流向的作用。 由于所选择的换热器是 4 管程，故管箱选择为多程隔板的安置形式。而对于换热管束的分程，为了接管方便，采用平行分法较合适，且平行分法亦可使管箱内残液放尽。 2.5.5 换热管与管板的连接 换热管与管板的连接方式有强度焊、强度胀以及胀焊并用。 强度胀接主要适用于设计压力 4.0MPa；设计温度 300；操作中无剧烈振动、无过大的温度波动及无明显应力腐蚀等场合。 除了有较大振动及有缝隙腐蚀的场合，强度焊接只要材料可焊性好，它可用于其它任何场合。 胀焊并用主要用于密封性能要求较高；承受振动和疲劳载荷；有缝隙腐蚀；需采用复合管板等的场合。 在此，根据设计压力、设计温度及操作状况选择换热管与管板的连接方式为强度焊加贴胀 ,即胀焊并用。这是因为其焊接结构强度高，抗拉脱力强，在高温
