浮头式换热器设计说明书

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

论文题目学 号学生姓名专业班级指导教师总评成绩Ⅱ浮头式换热器设计 刘成 过程装备与控制工程03班 刘丽芳

2014年 6 月 1 日

BES-900-1.0-165-4.5/25-2 1002050314 10

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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 ................................................................. 44 设计总结 ................................................................. 45 致谢 ..................................................................... 46 参考文献 ................................................................. 47 附录 ..................................................................... 48

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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）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

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Abstract

Heat exchanger is part of the thermal fluid heat transfer to cold 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 steam condenser, etc.;But also a part of the process equipment, such as ammonia synthetic tower's 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 task 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 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 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 exchanger;Tube plate;Baffle plate;Floating head flange

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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

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差应力存在，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。

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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

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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.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。

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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—1—165—4.5/25—2Ⅱ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 Pc?1.0MPa。 (2)设计温度的确定

由设计课题给定的设计温度为t?80℃。

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

厚度 mm 3~16 常温强度指标 设计温度下许用应力[?]t MPa 189 钢号 钢板标准 使用状态 ?bMPa 510 ?sMPa 345 Q345R GB713 热轧 （2）筒体厚度的计算

焊接方式：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

??PcDi1?900??2.39mm

2[?]t??PC2?189?1?18

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Pc----设计压力. MPa Di----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C1?0,在无特殊腐蚀情况下，对于碳素钢和低合金钢，腐蚀裕量C2不小于1mm，取腐蚀裕量

C2?2mm。

设计厚度δd的确定,根据GB151-1999的规定, ?d???C1?C2?2.39?0?2?4.39mm

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12mm 其有效厚度为 ?e??n?C1?C2?12?0?2?10mm 设计温度下圆筒的计算应力 ?t?Pc?Di??e?1??900?10?t??45.5MPa?????189MPa 满足要求

2?e2?10设计温度下圆筒的最大允许工作压力

2?e[?]t?2?10?189?1?4.15MPa [PW]= =

900?10(Di??e)筒体水压试验校核

筒体水压试验压力Pt=1.25Pc

345[?]?1.25?1??2.29MPat189[?]

[?]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t[?]??s?，即??????s??345MPa

校核试验时圆筒的薄膜应力：

?T?pT?Di??e?2.29??900?10???104.19MPa?0.9??s?310.5MPa 2?e2?10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

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关系为

Di?2，DN?Di。如图1-1所示：

（2H?h）

图1-1 椭圆形封头断面形状

1.2.2管箱的计算

a.管箱圆筒短节的计算：

管箱材料选用Q345R，其厚度计算式为：

PcDi1?900??2.39mm t2[?]??PC2?189?1?1?1?同样，考虑腐蚀裕和最小厚度要求，取厚度负偏差C1?0，腐蚀裕量C2?2mm，名义厚度?n1??1?C1?C2?4.39mm，圆整后取?n1?12mm。 b.管箱封头的选取

选用标准椭圆形封头，其材料与筒体材料相同为Q345R，则封头厚度： ???KPcDi1?1?900??2.38mm

2[?]t??0.5PC2?189?1?0.5?1公式中：应力增强系数K=1（采用标准椭圆形封头） 取其名义厚度?n?也为12mm。

查JB/T4746—2002《钢制压力容器用封头》附录B可得封头的型号参数如下：

表1-2 标准椭圆形封头参数

公称直径DN（mm） 900 总深度H （mm） 250 内表面积A （㎡） 0.9487 容积V （m3） 0.1113 封头质量M （kg） 89.3 由型式参数关系计算可得：h1?225mm，h2?25mm。 标记：EHA900?12?Q345RJB/T4746?2002 c.管箱法兰的选择

查JB4700-2000压力容器法兰可选固定端的壳体法兰和管箱法兰为长颈对焊法

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兰，凹凸密封面，法兰材料为锻件20MnMo。

根据HG20583-1998《钢制化工容器结构设计规定》，法兰结构采用凹凸密封面连接，其型式为FM。其具体尺寸如图1-2所示：

图1-2管箱法兰结构

查JB/T4703-2000表1，由DN?900mm,PN?1MPa，可查得如下参数：

表1-3 管箱法兰数据（单位：mm）

D 1040 D1 1000 D2 965 D3 955 D4 952 ? 54 H 110 h 25

a 17 a1 14 ?1 12 ?2 22 R 12 d 23 对应的螺柱规格M20，数量36，对接筒体最小厚度?0?10mm。 由JB/T4700-2000,表2，法兰选用Q345R，质量为96.6Kg。 标记：法兰-FM 900-1.0/54-110 JB/T4703-2000 d.管箱短节长度的确定

管箱短节长度既要保证换热器组装尺寸的要求，又要保证使开孔不受影响，根据组装尺寸和法兰厚度。取管箱短节长度为L1= 300 mm。

1.2.3管箱垫片选用[8]

查JB/T4705-2000，选用缠绕垫片，种类为特制石棉填充带，代号1； 查JB/T4705-2000，选用金属带为0Cr13，代号为5；

查JB/T4706-2000，当DN=900，PN=1.0，查得D=954，d=922； 查JB/T4706-2000，图1，P70，垫片的厚度为4.5mm，见下图：

查GB150-1998，表9-2，选用不锈钢垫片材料，垫片系数m=3.50，比压力

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y=44.8MPa。

图1-3 管箱缠绕垫片 表1-4 管箱垫片尺寸

PN（MPa) 1 DN（mm） 900 外径D（mm） 954 内径d（mm） 922 垫片厚度 4.5 标记： 垫片 B 51—900—1.0 JB/T4705-2000

1.2.4管箱螺柱与螺母选用

螺柱选用等长双头螺柱, 查JB/T4700-2000，表2, 螺柱材料选用40Cr，螺母材料选用45钢。查JB/T4707-2000，表1，选用B型螺柱M20, d=20, d2=20，L0=50, C=2.5,

r=6，见下图：

图1-5 等长双头螺柱

1.2.5管箱法兰计算

设计条件：设计压力P=1.0MPa，设计温度t=80℃ (1)垫片计算(参见GB150-1998, P94) A. 垫片有效密封宽度： 由GB150-1998,表9-1, 得： 垫片接触宽度

N?垫片基本密封宽度

D?d654?622??16mm 22

b0?N16??8mm?6.4mm22 12

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则有效密封宽度

b?2.53b0?2.53?8?7.16mm B. 垫片压紧力作用中心圆直径 因b0>6.4mm，则

DG?D?2b?954?2?7.16?939.68mm

C. 垫片压紧力

a) 预紧状态下需要的垫片压紧力

FG?Fa?3.14DGby?3.14?939.68?7.16?44.8?9.46?105N

b) 操作状态下需要的最小垫片压紧力

5FG?Fp?6.28DGbmP?6.28?939.68?3.5?7.16?1?1.48?10N c (2) 螺栓计算

A. 螺栓载荷

(a)预紧状态下需要的最小螺栓载荷 (b) 操作状态下需要的最小螺栓载荷

25 Wp?F?Fp?0.785DGPc?6.28DGbmPc?8.41?10NWa?Fa?3.14DGby?9.46?105N

（3.3）

B. 螺栓面积

(a) 预紧状态下需要的最小螺栓面积

查GB150-1998表4-7，螺栓材料选用40MnVB，钢材标准为GB3077，使用状态为调质 ，查的[?]b=210MPa；[?]b——常温下螺栓材料的许用应力。

设计温度80℃下螺栓材料的许用应力[?]tb=200MPa，则预紧状态下需要的最小螺栓面积

Aa????bWpWa9.46?1052 ??4506.9mm6210?10

（b) 操作状态下需要的最小螺栓面积

Ap?（c) 需要的螺栓面积

???tb8.41?1052 ??4205.2mm6200?10

Am?max?Aa,Ap??4506.9mm2

（d) 实际螺栓面积

Ab?2?d2n4??4?202?36?11304mm2＞Am 满足设计要求。

C. 螺栓设计载荷

（a) 预紧状态下螺栓设计载荷

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W?FG?Am?Ab???b?4506.9?11304?210?1660144.5N22

（b) 操作状态下螺栓设计载荷

W?Wp?8.41?105N

（3） 受内压管箱法兰计算及校核 ① 法兰力矩

(a) 预紧状态下的法兰力矩

力臂 LG?0.5(Db?DG)?0.5?(1000?939.68)?30.16mm

其中，Db——螺栓中心圆直径 = D1 =1000mm

则 Ma?FGLG?Am?Ab???bLG?1660144.5?30.16?10?3?50069.96N.m 2

(b) 操作状态下的法兰力矩 Mp?FDLD?FTLT?FGLG 由GB150-1998,表9-4, P96,得

（3.4）

LD?LA?0.5?1 ;

1LT?(LA??1?LG)2

其中，LA——螺栓中心主法兰颈部与法兰背面交点的径向距离,即

LA?Db?Di??1?1000?900?12?88mm 则 LD?LA?0.5?1?88?0.5?12?94mm

LT?0.5?(LA??1?LG)?0.5?(88?12?30.16)?65.08mm

那么作用于法兰内径截面上的流体压力引起的轴向力

2 FD?0.785Di2PN i?0.785?900?1?635850流体压力引起的总轴向力与作用法兰内径截面上的流体压力引起的轴向力之差

则 Mp?FDLD?FGLG?FTLT?92030.59N.m

法兰设计力矩

2FT?F?FD?0.785DGPDi2P.682?9002)?57303.82N c?0.785c?0.785?(939?????tf??M0?max?Ma,Mp??max?50069.96,92030.59??92030.59N.m ?????f?? 1.3 浮头盖的计算

1.3.1钩圈式浮头的结构尺寸计算

浮头钩圈采用B型钩圈式浮头，浮头盖采用球冠行封头。

钩圈式浮头的结构尺寸 参看[2]GB151-1999 ，其结构尺寸图如下：

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图1-6 B型钩圈式浮头 图1-7 a----据管束和壳体的伸缩量来确定

b,b1,b2,bn----按GB151-1998 5.6.3.3的规定，其结构尺寸如图1-7

查P23表14取b?4mm；（当Di?1000时b＞3，当Di?1000?2600时b＞4） 查表15，取垫片宽度bn?16mm；b1?5mm；（当Di＜700时bn?10，b1?3mm，，当Di＞700时bn?13，b1?5mm）

则 b2?bn?1.5?16?1.5?17.5mm

c----安装及拧紧浮头螺母所需空间尺寸，应考虑在各种情况热膨胀量， 宜不小于60mm，取c=80mm；

Dfi----浮头法兰和内直径 Dfi?Di?2?b1?bn??900?2??5?16??858mm Df0----浮头法兰和钩圈外直径, Dfi?Di?80?900?80?980mm Di----换热器圆筒内直径, Di?900mm

DL----布管限定圆直径,查GB151-1999 5.6.3.3表13，对于浮头式有：

DL?Di?2?b1?b2?b3??900?2??5?17.5?4??847mm D----外头盖内直径，D?Di?100?900?100?1000mm

D0----浮动管板外直径,D0?Di?2b?900?2?5?890mm

1.3.2浮头垫片及螺栓计算 1.3.2.1浮头垫片的选用及计算

查JB/T4700-2000表2，结合HG20580~20585-1998 附录A，浮头垫片选用缠绕垫片；

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查JB/T4705-2002，浮头选用材料0Cr13钢带+特制石棉，凸密封面应带内加强环；

查JB/T4705-2002，表4，，当DN=900，PN=1.0，查得如下结构尺寸(单位：mm)：

表1—5 浮头垫片尺寸

D d d1 892 864 860 查JB/T4705-2000，图1，垫片的金属板材厚度为4.5mm，结构如下：

图1-8 缠绕垫片（带内加强环）

查GB150-1998，表7-2，对于内填石棉缠绕式金属，垫片系数m=3，比压力y=69MPa.

标记： 垫片 F 5 1—900—1.0 JB/T4705-2000

垫片有效密封宽度：

垫片外径/内径/厚度为?892/?864/4.5， 按GB150-1998 P91表9-1 压紧面型式1a 则

b0?N892?864??7mm＞6.4mm，那么有效密封宽度b?2.53b0?2.53?7?6.7mm 22 垫片压紧力作用中心圆直径 因b0＞6.4mm，则C 垫片压紧力

(a) 预紧状态下需要的垫片压紧力

DG等于垫片接触的外径减去

2b，即

DG?D?2b?892?2?6.7?878.6mm

FG?Fa?3.14DGby?3.14?878.6?6.7?69?1.27?106N (b) 操作状态下需要的最小垫片压紧力

FG?Fp?6.28DGbmP.6?6.7?3?1?1.1?105Nc?6.28?878

1.3.2.2螺栓计算

螺栓选用等长双头螺栓，查JB/T4700-2000 表2 选用螺栓材料为40Cr，螺母材料为45；

<1>螺栓载荷

(a) 预紧状态下需要的最小螺栓载荷

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Wa?Fa?3.14DGby?1.27?106N (b) 操作状态下需要的最小螺栓载荷

Wp?F?Fp?0.785DGPc?6.28DGbmP.62?1?6.28?878.6?6.7?3?1?7.17?105Nc?0.785?878

<2>螺栓面积

(a) 预紧状态下需要的最小螺栓面积

查GB150-1998表4-7，对于螺栓材料40Cr，其常温下的螺栓材料的许用应力

[?]b=196MPa；

2设计温度80℃下螺栓材料的许用应力[?]tb=180MPa， 则预紧状态下需要的最小螺栓面积

1.27?106Aa???6479.59mm2??b?196

Wa(b) 操作状态下需要的最小螺栓面积

Ap?Wp??B?t7.17?105??3983.33mm2180

(c) 需要的螺栓面积

Am?max?Aa，Ap??6479.59mm2 (d) 实际螺栓面积

44<3>螺栓设计载荷 Ab??d22n???202?36?11304mm2?Am满足设计要求。

(a) 预紧状态下螺栓设计载荷 A?Ab???b?6479.59?11304?196?1742791.82N W?FG?m22

(b) 操作状态下螺栓设计载荷

W?Wp?7.17?105N

1.3.3浮头法兰的设计计算

浮头法兰计算中所用的符号意义及计算： Df0----法兰外直径, Db----螺栓中心圆直径.

DG---- 垫片压紧力作用中心圆直径. B----垫片有效密封宽度. Dfi----法兰内直径.

FD----作用在法兰环侧封头压力载荷引起的轴向分力. Fr----作用在法兰环内侧封头载荷引起的径向分力.

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Pc----计算压力.MPa 分别取管程压力Pt(内压)和壳程压力Ps(外压) Ri----球形封头内半径.

LD----螺栓中心至法兰环内侧的径向距. Lr---- Fr对法兰环截面形心的力臂.

?1----封头边缘处球壳中面切线与法兰环的夹角. ?2----球冠形封头计算厚度. ?f----浮头法兰有效厚度.

[?]t----封头材料在设计温度下的许用应力. ?----焊接接头系数. dB----螺栓直径. N----垫片宽度. y----垫片密封比压力. m----垫片系数.

[?]f----常温下法兰材料的许用应力. [?]tf----设计温度下法兰材料的许用应力.

Fp----操作状态下,需要的最小垫片压紧力. F----流体压力引起的总轴向力.

Wa----预紧状态下,需要的最小螺栓载荷(预紧状态下,需要的最小垫片压紧力). [?]b----常温下螺栓材料的许用应力. [?]tb----设计温度下螺栓材料的许用应力. Am----需要的螺栓总截面积,取Aa与Ap之大者.

Aa----预紧状态下,需要的最小螺栓总截面积,以螺纹小径或无螺纹部分的最小 直径计算.

Ap----操作状态下,需要的螺栓总面积,以螺纹小径或无螺纹部分最小直径计算. Wp----操作状态下,需要的最小螺栓载荷.

Ab----实际使用的螺栓总截面积,以螺纹小径或无螺纹部分的最小直算,Ab 应不小于需要的螺栓面积Am. W----螺栓设计载荷.

FG----窄面法兰垫片压紧力,包括Fa,FP,W三种情况.

FT----流体压力引起的总轴向力与作用于法兰内径截面上的流体引起的轴向力之

差.

LG----螺栓中心至FG作用位置的径向距离. LT----螺栓中心至FT作用位置处的径向距离.

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Ma----法兰预紧力矩. MP----操作情况下法兰力矩.

查JB/T4700-2000 表1 浮头法兰选用长颈对焊法兰，其密封面型式为凸面。 查JB/T4700-2000 表7 法兰材料选用Q345R时，其在1.0MPa 80 0C时 的 最大允许工作压力为1.0MPa；其它设计条件：

计算压力Pc=1.0MPa ；设计温度t=800C； 选用法兰材料为锻件16Mn 查GB150-1998表4-7法兰材料Q345R在常温下的许用应力???f?178MPa 设计温度下法兰材料的许用应力[?]ft?178MPa

螺栓材料为40Cr，常温下螺栓材料的许用应力???b?196MPa 设计温度下螺栓材料的许用应力 ???b?180MPa

t 1.3.4管程压力Pt作用下（内压）浮头盖的计算

1.3.4.1球冠形封头的计算

参看GB151-1999查JB/T4746-2002钢制压力容器用封头，选择要100%射线探伤，取??1.0。

球冠行封头在内压作用下的厚度计算式为：

?2?5PtRi5?1?700??3.09mm （取Pt?Pc） t6?189?16????根据GB6654《压力容器用钢板》规定：对于Q345R的钢板取厚度负偏差

C1?0mm；在无特殊腐蚀情况下，对于碳素钢和低合金钢，腐蚀裕量C2不小于1mm,

取腐蚀裕量C2 = 2mm；厚度附加量。

设计厚度 ?d2??2?C?3.09?2?5.09mm； 名义厚度圆整后可取 ?n2?10mm

筒体的有效厚度 C?C1?C2?0?2?2mm

?e2??n2?C?10?2?8mm

1.3.4.2受外压浮头法兰厚度计算

? 法兰力矩

（a）预紧状态下的法兰力矩

D?DG935?878.6??28.2mm 力臂 LG?b 22A?Ab???bLG?1.74?106?28.2?10?3?49146.73N.m 则 Ma?FGLG?m2 （b）操作状态下的法兰力矩 Mp?FDLD?FTLT?FGLG?FrLr LD?Db?Dfi2?935?858?38.5mm 219

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设计总结

经过几个月的查找资料、计算、电子排版以及CAD制图，浮头式换热器的设计终于完成了。此次我的毕业设计的课题是BES900-1.0-165-4.5/25-2II浮头式换热器。一开始拿到开题报告的时候，还不清楚自己设计的方向、步骤，期间去了学校图书馆查阅了换热器的相关设计，也看了些相关的课题模板，才渐渐地开始了计算。其实在计算过程中我也遇到了许多问题，比如说选合适的材料，以及相关数据的查找，再此期间我请教小组的其他成员，通过交流沟通才把结构和强度部分计算完。在CAD的绘图过程中，一开始还完全不会CAD操作，通过观看网上操作演示，以及大一CAD教材温习，再加上同学的热心帮助，也终于自行完成了5张图纸的绘制。

这次毕业设计对培养我的实际工程能力具有重要意义。通过毕业设计，让我对过程设备这个专业有了更深刻的了解，也使得大三专业课所学习的知识得到巩固和发展，并使理论知识和生产实践密切地结合起来。这次设计，初步培养了我对压力容器设计的工作能力；树立正确的设计的思想；掌握一些容器设计有基本方法和步骤，为以后进行设计工作打下了良好的基础。另外还使我能熟练地应用有关参考资料、计算图表、手册和有关的国家标准，这对我将来走进职场有了更为深远的意义。

通过这次设计，使我的各方面的能力得到提高和增强，不仅在英语和计算机能力得到提高，还有增强了我的独立思考和创新能力。但是由于自身水平的有限，在设计过程中一定存在许多疏漏和不够合理的地方，最后恳请各位答辩指导老师的批评与指正。

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致谢

此次是我们大学期间最后一次的课题设计，在刘丽芳老师的悉心指导下终于完成了，此次毕业设计让我对换热器有了更深刻的感受和认识，对化工行业也有了具体的了解。过程中我们遇到的问题刘老师都能帮我们耐心解答，让我们受益匪浅，感谢刘老师对我们的关心和工作上的高度负责，祝福你在未来的工作中幸福快乐、身体健康！

同时也感谢同学们的细心帮助，因为你们的指导、及时的纠正错误才使得这次的毕业设计能以顺利圆满的完成！毕业离开之际，祝福你们未来一帆风顺、马到成功！ 最后，感谢我的母校——武汉工程大学邮电与信息工程学院，大学四年的时光是充实的，也是令人难忘的，在母校的点点滴滴将是我人生中的一笔宝贵财富。祝愿母校的明天更美好！

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参考文献

[1]GB151-1999,管壳式换热器[S]． [2]GB150-1998,钢制压力容器[S]． [3]JB/T4737-95,椭圆形封头[S]．

[4]钱颂文主编.换热器设计手册[M].北京：化学工业出版社,2002. [5]郑津洋主编.过程设备设计[M].北京：化学工业出版社,2011. [6]王志魁主编.化工原理[M].北京：化学工业出版社,2010.

[7]韩会敏.高温浮头换热器的设计[J].安徽化工，2013，39（1)：72-73. [8]刘玉成.换热器工艺设计[J].广州化工，2013,41（1）：134-135.

[9]王为亮.浮头式换热器的设计[J].化工设备与管道，2012,49（2）：28-30. [13]B．P．Xu .Study on control limits of secondary stress strength in pressure vessels[J]．International Journal of Pressure Vessels and Piping ,1999,76(2)：711-714.

[14]Hoon-ki.Thermal performance analysis of borehole size effect on geothermal heat exchanger[J]．Journal of Central South University of Technology，2012,19（12）：3524-3529. [15]K.S.Performance

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R410a

Filled

Loop

Heat

Pipe

Heat

Exchanger[J]． Journal of Enerhy and Power Engineering,2011,5(1)：1-9

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附录

换热器

1.板式换热器性能实验台的研制与性能分析

【摘 要】:为探究板式换热器的换热性能，根据工程热力学、传热学、热3--测试技术等基本测试原理和方法，结合现行的国家标准与规范要求，研制了板式换热器性能实验台。此实验台安装有高精度的传感器，并研发了基于STM32为主芯片的高精度数据采集板和上位机软件。上位机软件利VisualStudio2008的开发环境，用C#编程语言编写完成，并结合了动态Flash、SQI．Sever数据库、虚拟仪器等相关技术。根据实测数据，计算出板式换热器的性能参数和传热关联式。实验结果表明，该实验台具有自动化程度高、控制精度高、可操作性强等特点，为理论研究提供了可靠的实验依据和数据支撑。，[著者文摘]

【作者简介】：王东杰，研究生，主要研究方向为检测技术与自动化装置。 【文献出处】：《实验室研究与探索》2013年32卷11期。

2.无管换热器的稳态换热特性

【摘要】：对无管换热器中颗粒帘换热单元的稳态换热特性进行了研究，为目前空气预热器的研究提供新的指导方向．通过传热数学模型构建、详细数学计算和定量分析，研究了颗粒质量流量对换热单元以及无管换热器出口温度的影响．研究结果发现，在颗粒帘换热单元中，当颗粒质量流量足够时，冷流体加热后的出口平均温度可无限接近热流体初始温度，冷热流体之间实现深度换热，换热效果明显；在满足颗粒帘空隙率大于0．98的条件下，颗粒质量流量越小，气固颗粒在换热通道中越容易达到换热平衡；由于换热单元中间冷热源一气固颗粒之间的温差小，换热单元的换热效率低，使得由换热单元组成的无管换热器冷热气体之间的整体换热效率较低．[著者文摘]

【作者简介】：陈东林，长沙理工大学教授，主要从事高效洁净技术与污染物排放控制方面的研究。

【文献出处】：《 长沙理工大学学报：自然科学版 》2013年10卷3期。

3.管式换热器中的单相流体强化传热技术

【摘要】：随着工业迅速发展，由于增大设备容量可以减少投资和运行费用，各种工业均大力发展大容量设备，从而使配备在工业中如何应用科学创新方法减小已成为工业发展的关键技术。此外，在发展新能源、海水淡化，以及余热利用和节能设备中，由于冷热温差低、换热器尺寸大，也急需研制尺寸小、效能高的新型换热器。发展和应用强化传热技术，亦即采用可以增加单位传热面积传热量的技术就可有效地解决这一问题。论述了强化传热技术对发展国民经济和新能源等的重要意义，以及其发展途径

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和效益评价方法。此外，还论述了在单相流体管式换热器中的强化传热技术。[著者文摘]

【作者】：林宗虎，中国工程院院士， 【文献出处】：《自然杂志》2013年35卷5期。

4.高压作用下换热器管箱球面隔膜密封结构设计分析

【摘要】：通过换热器管箱球面隔膜密封结构几何尺寸关系和功能分析,研究球面隔膜变形的相关结构尺寸,推导了高压换热器管箱球面隔膜密封端口半径的条件式,求得了膜拱高、开口半径与补偿量关系并进行了讨论,公式简明易懂,应用方便。在此基础上,概括了关于球面隔膜结构功能的完整设计技术路线。分析表明,完善的球面隔膜密封设计应进一步考虑球面隔膜与其他因素的相互作用关系。指出管箱端口的密封依靠金属平垫和密封焊作为保证,并通过已运行多年的案例的主要计算过程进行了说明。[著者文摘]

【作者】：陈孙艺，教授级高级工程师，主要从事承压设备设计开发、制造工艺、失效分析级技术管理工作。

【文献出处】：《压力容器》2013年30卷5期。

5.封头结构对板翅式换热器流体分配性能的影响

【摘要】：研究了板翅式换热器封头高度与流体分配之间的关系,实验结果说明板翅式换热器的流体分配与封头高度有很大关系,封头高度越高流体分配就越均匀。引入不均匀参数,以便可以对流体在出口截面的分配特性进行研究,并进一步研究封头结构型式不同对于流体分配的影响,研究表明：换热器内部流体的流速的最大值与最小值的比值由3—4减少到1.1—1.2,其不均匀度也从原来的0.331减少到0.046。[著者文摘] 【作者】：田晶晶，实验师。

【文献出处】：《低温工程》2013年4期。

折流板

1.折流板开孔对管壳式换热器性能的影响

【摘要】：传统的弓形折流板换热器因其结构简单、安全可靠及适应性强等优点应用非常广泛，但是传统的弓形折流板换热器换热效率较低，壳程压力损失较大，容易结垢。因此，通过对弓形折流板结构进行改进以改善管壳式换热器的壳程流动传热状况，减小其能耗损失具有十分重大的工程意义。采用数值模拟的方法，对缺口高度为0．2D的折流板进行开孔优化研究，对不同壳程进口流速下的普通弓形折流板换热器和折流板开孔换热器的壳程流场及温度场分别进行了数值模拟。在壳程进口流速相等的条件下，折流板开孔的换热器比普通弓形折流板换热器的换热效果好；壳程进口速度较低时，效果最明显。[著者文摘]

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