1、摘要卧式水冷冷凝器的设计换热器是在具有不同温度的两种或两种以上流体之间传递热量的设备。它是化工、冶金、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。近年来，人们日益重视能源危机和环境保护，而换热器特别是高效换热器又是节能措施和环保中关键的设备。因此，无论是从上述各种工业的发展，还是从能源的有效利用和环境的保护，换热器的选型、合理设计、制造和操作都有非常重要的意义。本设计主要是围绕固定管板式换热器的设计，熟悉石油化工行业中换热装置及其工艺流程，熟悉工作原理。通过对冷凝器的工艺设计（型号的选择、总传热系数、总传热面积、冷凝器面积裕量等计算）、结构设计（筒体内径
2、、管板尺寸、接管内径等设计）、强度计算（筒体壁厚计算、管壳程开孔补强及校核等的计算）深刻了解了换热器的传热原理，提高实践环节的能力。关键词换热器，传热，结构，强度ABSTRACTHORIZONTALWATERCOOLEDOECONDENSEREDESIGNHEATEXCHANGERISATRANSFERHEATEQUIPMENTTRANSFERHEATWITHDIFFERENTTEMPERATUREBETWEENINTWOORMOREFLUIDITISAGENERALPURPOSEEQUIPMENTWIDELYUSEDINTHECHEMICAL,METALLURGICAL,OILREFININ
3、G,POWER,FOOD,LIGHTINDUSTRY,ATOMICENERGY,PHARMACY,MACHINERYANDMANYOTHERINDUSTRIALDEPARTMENTSINRECENTYEARS,PEOPLEPAYMOREATTENTIONTOTHEENERGYCRISISANDENVIRONMENTALPROTECTION,ANDHEATEXCHANGERESPECIALLYEFFECTIVEMEASURESFORENERGYCONSERVATIONANDENVIRONMENTALPROTECTIONHEATEXCHANGERISTHEKEYEQUIPMENTTHEREFORE
4、,WHETHERFROMTHEABOVEALLKINDSOFINDUSTRIALDEVELOPMENT,ORFROMEFFICIENTENERGYUSEANDENVIRONMENTALPROTECTION,HEATEXCHANGERTYPESELECTION,REASONABLEDESIGN,MANUFACTURINGANDOPERATIONHASTHEEXTREMELYVITALSIGNIFICANCETHISDESIGNISMAINLYAROUNDTHEFIXEDTUBEHEATEXCHANGERDESIGN,FAMILIARWITHHEATEXCHANGERSANDPROCESSOFTH
5、EPETROCHEMICALINDUSTRY,FAMILIARWITHTHEWORKPROCESSTHROUGHTHECONDENSERPROCESSDESIGNTYPESELECTION,THETOTALHEATTRANSFERCOEFFICIENT,TOTALHEATEXCHANGERAREA,CONDENSERAREAALLOWANCECALCULATION,ETC,STRUCTURALDESIGNTHECYLINDERBODYSIZE,TUBEPLATESIZE,TAKEOVERSUCHASTHEDIAMETEROFDESIGN,STRENGTHCALCULATIONCALCULATI
6、ONOFTUBEWALLTHICKNESS,PIPEOPENINGREINFORCEMENTSHELLCALCULATIONANDCHECKING,ETCHEATTRANSFERTHEORY,IMPROVETHEPRACTICEABILITYKEYWORDSHEATEXCHANGER,HEATTRANSFER,STRUCTURE,ANDSTRENGTH1绪论能源是当前人类面临的重要问题之一，能源开发及转换利用已成为各国的重要课题，而换热器是能源利用过程中必不可少的设备，是化工、冶金、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。无论是从上述各种工业的发展，
7、还是从能源的有效利用，换热器的选型、合理设计、制造和操作都有非常重要的意义。近年来，由于工艺要求、能源危机和环境保护等诸多因素，传热强化技术和换热器的现代研究、设计方法获得了飞速发展，设计人员已经开发了多种新型的换热器，以满足各行各业的要求。11换热器的分类及其特点在工业生产中，由于用途、工作条件和物料特性的不同，出现了各种不同形式和结构的换热设备。111按作用原理或传热方式分类按换热器传递原理或传热方式进行分类，可分为以下几种主要形式。1111直接接触式换热器这类换热器又称混合式换热器。它是利用冷流体、热流体直接接触，彼此混合进行换热的换热器。直接接触式换热器具有传热效率高、单位容积提供的传
8、热面积大、设备结构简单、价格便宜等优点，但仅适用于工艺上允许两种流体混合的场合。1112蓄热式换热器这类换热器又称回热式换热器。它是借助于固体构成的蓄热体与热流体和冷流体交替接触，把热量从热流体传递给冷流体的换热器。蓄式换热器结构紧凑、价格便宜、单位体积传热面积大，固较适合用于气气热交换的场合。1113间壁式换热器这类换热器又称表面式换热器。它是利用间壁（固体表面）将进行热交换的冷热两种流体隔开，互不接触，热量有热流体通过间壁传递给冷流体的换热器。间壁式换热器是工业生产中应用最为广泛的换热器，其形式多种多样，如常见的管壳式和板式换热器都属于间壁式换热器。11114中间载热体式换热器这类换热器是
9、把两个间壁式换热器由在其中循环的载热体连接起来的换热器。载热体在高温流体换热器和低温流体换热器之间循环，在高温流体换热器中吸收热量，在低温流体换热器中把热量释放给低温流体。112间壁式换热器1121管式换热器这类换热器都是通过管子壁面进行传热的换热器。按传热管的结构形式不同大致分为蛇管式换热器、套管式换热器、缠绕式换热器和管壳式换热器。1122板面式换热器这类换热器都是通过板面进行传热的换热器。板面式换热器按传热板面的结构形式可分为以下五种螺旋板式换热器、板式换热器、板翅式换热器、板壳式换热器和伞板式换热器。1123其他形式换热器这类换热器是指一些具有特殊结构的换热器，一般是为满足工艺特殊要求
10、而设计的，如石墨换热器、聚四氟乙烷换热器和热管换热器等。12管壳式换热器管壳式换热器具有可靠性强、适应广等优点，在个工业领域中得到最为广泛的应用。近年来，尽管受到了其他新型换热器的挑战，但反过来也促进了其自身的发展。在换热器向高参数、大型化发展的今天，管壳式换热器仍占主导地位。121基本类型根据管壳式换热器的结构特点，可分为固定管板式、浮头式、U形管式、填料函式和斧式重沸器五类。1211固定管板式换热器固定管板式换热器的典型结构是，管管束连接在管板上，管板与壳体焊接。其优点是结构简单、紧凑、能承受较高的压力，造价低，管程清洗方便，管子损坏时易于堵管或更换；缺点是当管束与壳体的壁温或材料的线膨胀
11、系数相差较大，2壳体和管束将产生较大的热应力。这种换热器适用于壳侧介质清洁且不易结垢并能进行清洗，管、壳程两侧温差不大或温差较大但壳侧压力不高的场合。1212浮头式换热器浮头式换热器的典型结构是，两端管板中只有一端与壳体固定，另一端可相对壳体自由移动，称为浮头。浮头式换热器的特点是管间和管内清洗方便，不会产生热应力；但其结构复杂，造价比固定管板式换热器，设备笨重，材料消耗量大，且浮头端小盖在操作中无法检查，制造时对密封要求较高。适用于壳体和管束之间壁温差较大或壳程介质易结垢的场合。1213U形管式换热器U形管式换热器的典型结构是，只有一块管板，管束由多根U形管组成，管的两端固定在同一块管板上，
12、管子可以自由伸缩。U形管式换热器结构简单、价格便宜，承受能力强，适用于管、壳壁温差较大或壳程易结垢的需要清洗，又不适宜采用浮头式和固定管板式的场合。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。1214填料函式换热器填料函式换热器的结构特点与浮头式换热器相类似，浮头部分露在壳体以外，在浮头与壳体的滑动接触面处采用填料函式密封结构。其结构浮头式换热器简单，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4以下的工作条件，且不适用与易挥发、易燃、易爆、有毒及贵重介质，使用温度也受填料的物性限制
13、。填料函式换热器现在已很少用。1215斧式重沸器斧式重沸器的管束可以分为浮头式、U形管式和固定管板式结构。所以它具有浮头式、U形管式换热器的特性。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汽品质所决定。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形管式换热器一样，清洗维修方便，可处理不清洁、易结垢的介质，并能承受高温、高压。122管壳式换热器结构流体流经换热器管内的通道及与其相贯通部分称为管程；流体流经换热管外3的通道及与其相贯通的部分称为壳程。1221管程结构管程主要由换热管、管板、管箱、等元件构成。其中换热管与
14、管板的连接是管程结构的关键，也是管壳式换热器设计、制造最关键的技术之一，是换热器事故率最多的部位。所以换热管与管板连接质量的好坏，直接影响换热器的使用寿命。1222壳程结构壳程主要有壳体、折流板或折流杆、支持板、纵向隔板、拉杆、防冲挡板、防短路结构等原件组成。根据工艺设计要求，或为增大壳程流体传热系数，也可将换热器壳程分为多程的结构。421基本参数管程工作温度18/34；壳程温度65/402工艺设计管程最高工作压力005MPA；壳程最高工作压力10MPA管程介质自来水；壳程介质R113冷凝器换热功率1200KW22确定设计方案221选择冷凝器的类型两流体温度变化情况热流体进口温度为65,出口温
15、度为40；冷流体进口温度为18，出口温度为34；则该冷凝器的管壁温和壳体壁温之差不大，且壳程流体有毒、无腐蚀性、有效的清洁剂，管壳程的工作压力为低压，因此初步确定选用固定管板式换热器。222流程安排由设计条件知，考虑到循环冷却水较易结垢，为便于水垢清洗，所应使冷却水走管程，R113（三氯三氟乙烷）走壳程。23确定物理数据定性温度对于一般气体和水等低粘度流体，其定性温度可取流体进出口温度的平均值。231壳程流体的定性温度固定性温度为（21）5232管程流体定性温度固定性温度为233壳程流体物理数据（22）考虑到壳程流体有气体变成液体，且冷凝段有冷凝热，要分段计算。为了简化计算，取壳程流体的定性温
16、度为冷凝后液体的温度，则R113（三氯三氟乙烷）为液体在40下的有关物理数据如下密度O1528KG/M3定压比热容CPO09556KJ/KG热导率O00825W/M粘度O0546103PAS0546MPAS234管程流体物理数据循环冷却水在26下的无理数据如下密度I9967KG/M3定压比热容CPI4174KJ/KGK热导率O0614W/MK粘度O08737103PAS08737MPAS24估算传热面积241热流量用量由于壳程介质有气体冷凝为液体，有相的变化，利用焓的变化计算（23）（24）查制冷工质物理性质表与图R113在65和40下的焓值分别是6则242冷却水用量管程流体无相转变，有则24
17、3平均传热温差）因为工程上多采用逆流操作，先按纯逆流计算244传热面积由于壳程流体的工作压力不高，固可选取较小的K的值，假设利用传热速率方程，估算传热面积5工艺结构尺寸251管径和管内流速选用192MM较高级冷拔热管（碳钢），取管内流速7（25）（26）252管程数和传热管数单程传热管数传热管数（27）（28）则按单程管程计算，传热管过长，宜采用多管程结构，根据本设计实际情况，采用非标设计，按国标（GB150）取传热管长L75M，则该冷凝器的管程数为（29）传热管总根数（210）253平均传热温差校正及壳程数平均传热温差校正系数（211）（212）按单壳程、双管程结构，查温差校正系数图得T08
18、8平均传热温差（213）由于传热温差校正系数大于08，同事壳程流体流量也相对较大，故取单壳程合适。8254传传热管排列和分程方法换热管在管板上的排列方式有正三角形，转角三角形，正方形，转角正方形排列。如下图21所示。图21换热管在管板上的排列方式正三角形排列使用最普遍，优点在于在同一管板面积上，可以排列较多的传热管管外传热系数较高，流阻相对也较大。而本设计为多管程换热器，采用组合排列法，即每程内按正三角形排列，隔板两侧采用矩形排列。取管心距T125DO，则因管心距过小，很难保证焊接质量，取T25MM本设计为多管程结构，隔板占有管板部分面积，则隔板中心到离其最近一排管中心距离为各程相邻管的管心距
19、为因为管子排列方式为正三角形错列，横过管束中心线的管束NC（214）每程各有传热管86根。其前后管箱中隔板设置如图22所示9图22管箱隔板设置形式介质流通顺序如图23所示图23介质流通顺序255壳体内径采用多管程结构，取管板利用率07，则壳体内径为式中传热管总根数，根；（215）按卷制壳体的进级档，考虑到安全系数和内部件的装配，取壳体内径256折流板采用弓形折流板，材料取16，取弓形折流板圆缺高度为壳体内径的20，则切去的圆缺高度为取折流板间距B03D,则圆整后取B200MM折流板数NB为10查有关资料，取折流板的厚度8MM,管孔D198MM因本设计为卧式冷凝器，则折流板圆缺面为垂直装配。25
20、7接管2571壳程流体进出口接管内径（216）因壳程流体有相的转变，所以进出口的接管的介质的流速是不一样的。取壳程流体接管内进口气体流速为10M/S，65下的三氯三氟乙烷处于气体状态，蒸气密度为则接管内径为（217A）查标准，取壳程流体进口接管为15X2MM。取壳程流体接管内出口液体流速为25M/S，此时流体温度为40，则三氯三氟乙烷处于液体，液体密度为则接管内径为（217B）查标准取壳程流体出口接管为80X3MM2572管程流体进出口接管内径取接管内液体流速为2M/S，则接管内径为（217C）查标准，取管程流体的进出口接管为125X4MM258其他附件2581防冲挡板为防止壳程进口出流体直接
21、冲击传热管，产生冲蚀必要时应在壳程物料进口处设置防虫挡板。而本设计为冷凝器，壳程入口流体为气体，且流体对金属无腐蚀性，则无需设置防冲挡板。假如要设置的话，根据壳体公称直径为500MM,设11置一对防冲挡板。2582拉杆拉杆数量与直径根据冷凝器的换热管的直径选取，由化工单元过程及设备课程设计第101页的表47拉杆直径、表48拉杆数量选取拉杆直径拉杆数量26换热器的核算261热流量的核算2611壳程表面传热系数本设计壳程为蒸汽冷凝，且为卧式冷凝器，即是水平管束冷凝。（218）式中（219）（220）当量管数（221）则雷诺系数为将数据代入求得2612管内表面传热系数管内流体无相变换，则有（222）
22、管程流体流通界面积（223）12管程流体流速雷诺系数为普朗特数则2613污垢热阻和管壁热阻（224）（225）（226）根据设计条件，由化工单元过程及设备课程设计第56页的表310，取管外侧污垢热阻管内侧污垢热阻查化工单元过程及设备课程设计第56页的表311，碳钢在该条件下的热导率W50W/MK则管壁热阻（227）2614传热系数（228）2615传热面积裕度传热面积（229）该冷凝器的实际传热面积A（230）因较小,L较大，A可近似为13（231）（232）为保证换热器操作的可靠性，一般应使换热器的面积裕度大于15至20，可知传热面积裕度合适，该冷凝器能够完成任务。262壁温核算因管壁很薄，
23、且管壁热阻很小，固管壁温度可按下式计算（233）由于该换热器用循环水冷却，冬季操作时，循环水的进口温度将会降低。为确保可靠，取循环冷却水进口温度为15，出口温度为34计算传热管壁温。另外，由于传热管内测污垢热阻较大，会使传热管壁温升高，降低了壳体和传热管壁温之差。但在操作初期，污垢热阻小，壳体和传热管壁温差可能较大。计算中，应按最不利的操作条件考虑，因此，取两侧污垢热阻为零计算传热管壁温。于是，按下233式有（234）式中液体的平均温度和气体的平均温度分别（235）（236）传热管平均壁温壳体壁温，可近似取为壳程流体的平均温度，即壳体壁温和传热管壁温之差为（237）14可知该温差较小，故无需设
24、温度补偿装置，由于该冷凝器的工作压力不高，因此，选用固定管板式冷凝器较为适宜。263换热器内流体的流动阻力2631管程流体阻力管程无相变换，可根据下式计算，有（238）式中因直管磨擦阻力引起的压降，PA；P1因回弯阻力引起的压降，PA；P2管程结垢校正系数，无因次，对192MM的管子可近似取；管程数；NP壳程数。NS（239）（240）由20568，传热管的相对粗糙度；查莫狄图得，而，；则所以管程流体阻力在允许范围内。2632壳程阻力由于壳程阻力发生相变，气体进入壳程后先充满冷凝器上部，经过循环；冷却水冷却，冷凝为液体，所以壳程阻力可以忽略不计。也可粗略计算。本设计选取弓形折流板缺口为20的圆
25、缺形折流板，可按下式计算（241）15式中壳体长度（可约取为管子的长度），M壳程流体为也液体时的流速，M/S又而壳程流通面积所以则壳程流体的阻力也适宜。27冷凝器主要结构尺寸和计算结果主要结构尺寸和计算结果如下表21所示表21冷凝器主要结构尺寸和计算结果（242）参数流量（KG/H）进/出口温度/压力/MPA定性温度/密度/KG/M3管程646861534/1800526996716壳程271653565/40105251528物性设备结构参数粘度/PAS热导率/W/MK普朗特数形式壳体内径/MM管径/MM管长/MM管数目/根传热面积/M20000873706145974固定管板式500192
26、75001707607台数壳程数管心距/MM管子排列折流板数折流板间距/MM000054600825112536200管程数主要计算结果流速/M/S2管程1202材质壳程碳钢表面传热系数/W/MK污垢热阻/M2K/W阻力/MPA热流量/KW传热温差/K传热系数/W/M2K裕度/539900006540011712003881819383461596000017631筒体内径确定3结构设计由工艺设计给定筒体内径为500MM，考虑原取管板利用率07，因为本设计的冷凝器的直径较小，固管板利用率合适，且实际计算值为409MM，决定取筒体内径为500MM做排管图，认定取DI500MM是合适的。同时工艺设
27、计的有关参数计算无需做修改。32固定管板兼作法兰的尺寸确定本设计为固定管板式的冷凝器，则管板应选取固定管板兼作法兰的管板，材料取16MNR。根据壳体内径、设计压力，查化工单元过程及设备课程设计第109页的表414固定管板式换热器管板尺寸,本设计的固定管板式冷凝器选取管板的尺寸如下表31所示。表31固定管板式换热器管板尺寸/MM公称直径DNDD1D2D3D4D5D6BCD螺栓孔数N重量/KG单二管管数程四管程再沸器50063059039049854350033102333换热管与管板连接2899换热管和管板的连接是管壳式换热器设计、制造最关键的技术之一，是换热器事故率最多的部位。所以换热管与管板
28、的连接质量的好坏，直接影响换热器的使用寿命。管子与管板连接结构形式主要有三种强度胀接；强度焊接；爆炸胀接；强度胀接和强度焊接混合结构。任何连接形式，都要满足以下两个条件连接处保证截止无泄露的充分气密性；承受介质压力的充分结合力。焊接目前采用18较广泛，管孔不需要开槽，管孔粗糙度要求不高，管子端部不需要退火和磨光，因此加工较方便；同时焊接结构强度高，抗拉脱力强，在高温高压下能保证连接处的紧密性和抗拉脱能力。所以在管子与管板连接时，由于管内流体存在严重的腐蚀性，所以在检修清理时，可以利用专门刀具方便划掉焊缝，减少更换管子所用时间。为了保证严密性，减小蠕变造成的胀接残余应力，本次设计选择焊接。如下图
29、31所示。图31换热管与管板的连接方式34管箱法兰设计依工艺条件、管侧压力和壳侧压力中的高值以及设计温度和公称直径（500MM）,按JB/T47012000板式平焊钢制管法兰选取，并确定各结构尺寸。表32甲型平焊法兰的结构尺寸公称直径DN,MM法兰，MMDD1D2D3D4D螺柱规格数量500630590555PN10MPA545542193423M202835管箱结构设计351管箱的选型和长度管箱的作用是把由管道来的管程流体均匀分布到个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，管箱还起到改变流体流向的作用。无论哪种管箱，其管箱的最小内侧深度应当满足这样的要求使连接双程间的流体流
30、动的横截面至少大于或等于单管程通过的截面。管箱主要结构形式有A型（平盖管箱）、B型（封头管箱）、C型N型管箱、多管程换热器的介质返回管箱、单管程换热器管箱。B型（封头管箱）用于单管程或多管程管箱，优点是结构简单，便于制造，适于高压、清洁介质，可省掉一块造价高的盲板、法兰和几十对螺栓，且椭圆型封头受力情况要比平端盖好得多。因此本设计选用B型封头管箱，材料取。冷凝器直径较小，且为二管程，其管箱最小长度可不按流通面积计算，只考虑相邻焊缝间距离计算。（31）取管箱的长度为700MM。352管箱内的分程隔板在换热器中，不论是管外还是管内的流体，要提高他们的给热系数，通常是采用设置隔板的方法来增加程数以提
31、高流体流速实现其目的。管箱内的分程隔板是用来将管内流体分程，“一个管程”意味着流体在管内走一次，根据所需分的程数的不同而有不同的组合，但无论怎样分，都应尽量是各程管子数目大致相等，隔板形式要简单，焊缝尽量少，密封长度要短，程与程之间面积之差不宜过大，温差以不超过28左右为宜。为使制造、维修和操作方便、一般采用偶数管程。隔板的最小厚度如下表33所示。分程隔板材料应与管板材料一致，材料取。20公称直径DN表33分程隔板的最小厚度隔板的最小厚度MM碳素钢及低合金钢高合金钢60060012001200810146810由上表数字，根据分程隔板的材料，隔板的厚度选为8MM。管程隔板与管板的连接形式如下图
32、32所示。图32管箱隔板与管板的连接形式36垫片的选择361管箱垫片根据管程操作条件（循环水压力005MPA,温度26），垫片选用JB/T47012000的甲型平焊法兰的石棉橡胶垫。结构尺寸如下图33展示，D554MM，D510MM。21362接管法兰垫片图33垫片结构尺寸管壳程的工作压力不一样，根据管壳程的工作压力的最高值，垫片选用钢制管法兰非金属平垫片HG206061977全平面垫片。结构尺寸如下表34所示。表34接管法兰尺寸名称管程进出接管壳程进口接管壳程出口接管公称直径DN1251580垫片内径D11412289垫片外径D225095200螺栓孔数量N84822螺栓孔直径L181418
33、螺栓孔中心圆直径K210651601537鞍座选用及安装位置确定鞍式支座分为轻型（A型）、重型B型两种。根据工作压力和筒体的内径，本设计鞍座选用JB/T4712鞍座重型（B型）鞍式支座。安装尺寸如下图34所示，其中L7500MM，LB06L4500MM，LCLC1500MM图34卧式支座位置尺寸38折流板的布置381折流板结构尺寸由工艺尺寸知折流板的厚度为8MM，则外径（32）382折流板距前后管板的最小距离3821折流板距前管板的距离壳体物料入口接管中心距管板内侧的距离（33）前端折流板距管板的距离至少为315150465（MM）结构调整为500（MM）3822折流板距后端管板的距离23由于
34、后端开了壳体排气口，所以折流板距后端管板的距离为550（MM）383折流板的布置3831折流板的数量由工艺设计可知折流板的间距为200MM,则所需取折流板32（块）。3832拉杆有关尺寸由工艺设计知拉杆直径；拉杆数量。其中长度为6950MM的2根，长度为6450MM的2根。2441筒体壁厚计算及校核411筒体壁厚计算4强度计算由工艺设计给定设计温度为525，设计压力P10MPA选用低合金结构钢板16MNR卷制。材料525时的许用应力T170MPA，取焊缝系数1，腐蚀裕度C1MM，则计算厚度（41）设计厚度（42）名义厚度（43）圆整后，取根据钢制管壳式换热器规定，且考虑制造和运输困难，取有效厚
35、度（44）412筒体校核4121水压试验水压试验压力（45）所选的材料的屈服应力25水压试验压力校核则可知压力试验满足强度要求。4122气密性试验气密试验压力可知气密性试验肯定符合要求。42管箱短节、封头厚度计算及校核421管箱短节及封头的壁厚计算4211管箱短节的壁厚计算（46）由工艺条件给定设计参数为设计温度为26，设计压力为005，选用16钢板，材料许用应力，屈服强度。取焊缝系数，腐蚀裕度则计算厚度设计厚度名以厚度圆整后，取。根据钢制管壳式换热器规定，且考虑制造和运输困难，取。有效厚度4212封头壁厚计算由于封头和管箱短节铸造在一起，因此无论是材料还是其他参数应选择一样，则封头壁厚应与管
36、箱一样。则计算厚度26设计厚度名以厚度圆整后，取。根据钢制管壳式换热器规定，且考虑制造和运输困难，取。有效厚度422管箱短节及封头的校核4221管箱短节校核42211水压试验水压试验压力所选的材料的屈服应力水压试验压力校核则可知水压力试验满足强度要求。42212气密性试验气密试验压力可知气密性试验肯定符合要求。4222封头校核42221水压试验水压试验压力所选的材料的屈服应力27水压试验压力校核则可知水压力试验满足强度要求。42222气密性试验气密试验压力可知气密性试验肯定符合要求。43管箱短节开孔补强的校核开孔后，除削弱器壁的强度外，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
37、部应力，给容器的安全操作带来隐患，因此设计压力容器必须充分考虑开孔的补强问题。开孔补强设计准则有等面积补强，极限分析补强。等面积补强准则的优点是有长期的实践经验，简单易行，当开孔较大时，只要对其开孔尺寸和形状等予以一定的配套限制，在一般压。因此本设计开孔补强采用等面积补强法，由工艺设计给定的接管尺寸为1254MM，考虑实际情况选20号热轧碳素钢管，1254，。接管计算壁厚（47）接管有效壁厚4MM开孔直径（48）接管有效补强宽度（49）28接管外侧有效补强高度需要补强面积可以作为补强的面积为在413式中该接管补强的强度足够，不需另设补强结构。44壳体接管开孔补强校核（410）（411）（412
38、）（413）（414）壳体开孔补强也采用等面积补强法，因为壳体流体发生相变，物料进出口的接管的管径不一样。441壳体物料入口接管开孔补强校核由工艺设计给定的接管尺寸为152MM，考虑实际情况选20号热轧碳素钢管，152MM，。GB150规定，当在设计压力小于或等于25的壳体上开孔，两相邻开孔中心的间距（对曲面间距一弧长计算）大于两孔直径之和的两倍，且接管公称外径小于等于89MM,只要接管最小厚度满足下41表要求，就可不另行补强。表41不另行补强的接管最小厚度MM接管公称外径最小厚度2532353845294048575065766089可知壳程接管的开孔不需要补强。442壳程物料出口接管开孔补
39、强校核由工艺设计给定的接管尺寸为803MM，考虑实际情况选20号热轧碳素钢管，803MM，。可知壳程物料出口接管的最小厚度和压力符合GB150规定，则壳程出口接管开孔也无需另行补强。45固定管板校核计算管板强度计算方法常见的有BS法、管板TEMA设计方法。本设计为固定管板式寒热器，固定管板厚度设计采用BS法。假设管板厚度总换热管数量B32MMN172一根管壁金属的横截面积为开孔强度削弱系数（双程）两管板间冷凝器有效长度（除掉两管板厚）L故取7434MM计算系数K则（415）（416）按管板简支考虑，依K值查化工单元过程及设备课程设计第130页至131页图445、图446、图447得043筒体内
40、径截面积（417）管板上管孔所占的截面积（418）30系数系数壳程压力管程压力当量压差管板最大应力管子最大应力或管板采用16锻换热管采用10号碳素钢管板、管子强度校核管板计算厚度满足强度要求。（419）（420）（421）（422）（423）（424）考虑管板双面腐蚀取，隔板槽深取,实际管板厚取为40MM见下图所示。3146冷凝器的设计值汇总名称筒体壁厚管箱短节厚管箱封头厚管箱分程隔板厚管程进出口接管壳程进口接管壳程出口接管固定管板厚图41管板结构尺寸图表42设计值汇总尺寸/MM66681334MM182MM893MM4032材料16161616202020165经济技术性分析管壳式换热器操作
41、适应性广,坚固耐用,可处理壳程压力30、管程压力以下以及温度为600的物料,采用特殊设计或材料,其操作范围还可扩大。本次设计选择固定管板式换热器，结构简单紧凑,制造成本低，清洗方便，处理量大，往往是管板兼法兰。适用于管、壳程温差不大或管、壳程温差大,但压力不高,壳程介质干净或虽结垢,但通过化学清洗能清除的场合。在同等条件下,和U形管式、浮头式相比，固定管板式换热器结构最紧凑,形管式和浮头式换热器相当。固定管板式换热器最经济,浮头式换热器较差。若工况允许,选择换热器的次序为固定管板式、形管式、浮头式。但制约管壳式换热器安全长周期使用的关键问题仍有待于进一步研究长周期运行中的腐蚀与防腐以及防腐材料
42、的研究。传热与流体力学更深层次的研究及其软件开发。强化传热技术与传热元件的研究开发,减少结垢、易于清洗、具有很高的传热流体力学性能和抗振性能是研究方向。简单可靠的高温高压密封技术研究与开发。研究更为可靠的制造方法,以有效保证换热管与管板连接的质量。336总结通过这次冷凝器设计，我从中学到了不少的东西。首先，让我更清楚得认识了换热器这种设备，无论从工作原理，还是从结构组成，理解了它的各个部件之间的装配关系，通过老师指导，了解到了它们在工厂的加工过程。其次，我们也更加懂得了理论联系实际的重要性，比如由于三氯三氟乙烷的腐蚀性很小，在换热器各元件的选材时，采用普通低合金钢16MNR，而对于需要经常更换
43、的换热管则选择20，提高耐用性的同时考虑实际经济问题；保证安全的前提下，各部件连接要根据现有条件进行焊接样式选择，许多能够使用手弧焊和气体保护焊的接头不必要设计成埋弧焊样式。在这次设计中，使我对以前的知识也有了新的认识，使我真正懂得了过程的概念，对一个生产庞大、复杂产品的组织而言，每个大过程中包括其子过程；同样对于这次毕业设计，是个小过程，但无论大、小，如果遗漏了某一过程，将会影响最终的质量保证。最后，在本次设计中，我也认识到了自身的不足，还有很多不够合理的地方，除了自己掌握的知识还不是很牢固外，还有自身的能力还有待提高，希望在工作后能够继续努力。李老师严格要求我们按照规定的进度进行设计计算，
44、提出许多宝贵建议并即时对我们的设计进行指导和纠正，我们才能按时完成毕业设计，在此向李老师表示衷心的感谢。34参考文献1董其伍张奎等主编换热器M北京化工工业出版社,19892GB1511999，管壳式换热器S北京中国标准出版社,20003GB1501999，钢制压力容器S北京中国标准出版社,20004郑津洋董其伍等主编过程设备设计M北京化学工业出版社，20055化工机械手册编辑委员会化工机械手册S天津天津大学出版社,19916周开勤主编机械零件手册M北京高等教育出版社,20017魏影编译石油化工设计数据手册S北京石油工业出版社,19898王志魁主编化工原理M第2版北京化学工业出版社,19989化
45、工设备设计全书编辑委员会化工设备设计全书M上海上海科学技术出版社,198810秦叔经,叶文邦等化工设备设计全书换热器M北京化学工业出版社,200311匡国柱,史启才化工单元过程及设备课程设计M北京化学工业出版社，200212袁文张文华关于换热器毕业设计中常见的问题J黑龙江科技信息，201013钱颂文,朱冬生,李庆领,杨丽明编著管式换热器强化传热技术M北京化学工业出版社,200314贾沛泰,海一锋,宋崧主编国内外常用金属材料手册S江苏江苏科学技术出版社,199915涂伟萍，陈佩珍，程达芳编化工过程及设备设计M北京化学工业出版社，200016潘继红田茂成管壳式换热器的分析与计算M北京科学出版社，1
46、99617制冷工程编写组制冷工程设计手册J中国建筑工业出版社，198818朱冬生钱颂文等换热器技术及进展M北京中国石化出版社，200835致谢本次设计是在李景明老师精心指导和大力支持下完成的。李老师以其严谨求实的治学态度、高度的敬业精神、兢兢业业、孜孜以求的工作作风对我产生重要影响。他渊博的知识、敏锐的思维和丰富的经验给了我深深的启迪。在此次毕业设计过程中我从他的身上对设备有了更高一层的认识，理论水平也有了很大的提高。此外，在此感谢刘晖老师的孜孜不倦的指导完他的学生外，还对我耐心指导。学到了许多了关于换热器理论方面的知识另外，我还要特别感谢周围老师（审阅老师、答辩老师）和同学对我画图和论文的指导，他们为我这次设计提供了各式各样的帮助，使我得以顺利完成毕业设计。四年磨一剑，毕业在即，这样一次设计彰显着浓浓的师生情、同学情和友情，当然更是西安石油大学和西安石油大学机械工程学院化工机械系各位老师尽力培养的结果。最后，再次对学校、学院以及关心、帮助我的老师和同学表示衷心地感谢。36
