浮头式换热器(过程设备设计课程设计说明书)

北 方 民 族 大 学

The north university for ethnics 过程设备设计课程设计

目录

设计题目及工艺参数---------------------------------------------------1 一、换热器的分类及特点---------------------------------------------------2 二、结构设计-------------------------------------------------------------5

1、管径及管长的选择---------------------------------------------------5 2、初步确定换热管的根数n和管子排列方式-------------------------------5 3、筒体内径确定-------------------------------------------------------5 4、浮头管板及钩圈法兰结构设计-----------------------------------------6 5、管箱法兰、管箱侧壳体法兰和管法兰设计-------------------------------7 6、外头盖法兰、外头盖侧法兰设计---------------------------------------7 7、外头盖结构设计-----------------------------------------------------8 8、接管的选择--------------------------------------------------------------------------------------8 9、管箱结构设计-------------------------------------------------------8 10、管箱结构设计------------------------------------------------------8 11、垫片选择----------------------------------------------------------9 12、折流板------------------------------------------------------------------------------------------9 13、支座选取----------------------------------------------------------10 14、拉杆的选择--------------------------------------------------------13 15、接管高度（伸出长度）确定------------------------------------------13 16、防冲板------------------------------------------------------------13 17、设备总长的确定----------------------------------------------------13 18、浮头法兰---------------------------------------------------------------------------------------14 19、浮头管板及钩圈----------------------------------------------------14 三、强度计算--------------------------------------------------------------14

1、筒体壁厚的计算-----------------------------------------------------14 2、外头盖短节，封头厚度计算-------------------------------------------15 3、管箱短节、封头厚度计算 --------------------------------------------16 4、管箱短节开孔补强的核校 --------------------------------------------16 5、壳体压力试验的应力校核---------------------------------------------16 6、壳体接管开孔补强校核-----------------------------------------------17 7、固定管板计算-------------------------------------------------------18 8、无折边球封头计算 --------------------------------------------------19 9、管子拉脱力计算-----------------------------------------------------20 四、设计汇总-----------------------------------------------------21 五、设计体会--------------------------------------------------------------21

参考文献--------------------------------------------------------------22

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设计题目：浮头式换热器 工艺参数：

管口表：

符号 公称直径（mm） 管口名称 a 130 变换气进口 b 130 软水出口 c 130 变换气出口 d 130 软水进口 e 50 排尽口

设备选择原理及原因：

浮头式换热器的结构较复杂，金属材料耗量较大，浮头端出现内泄露不易检查出来，

由于管束与壳体间隙较大，影响传热效果。该换热器的管束可以从壳体中抽出，便于清洗管间和管内，管束可以在壳体内自由伸缩，不会产生热应力。浮头式换热器适用于较高的压力下工作，适用于壳体壁温于管壁温差较大或壳程流体易结垢的场合。本设计的管程壁温和壳程壁温温差较大，工作压力属于中上，且管程内物料为重油，壳程内为轻汽油。故本设计选择浮头式换热器。

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一、 换热器的分类及其特点

换热器是一种实现物料之间热量传递的节能设备，是各种工业部门最常见的通用热工设备，广泛应用于化工、能源、机械、交通、制冷、空调及航空航天等各个领域。换热器不仅是保证某些工艺流程和条件而广泛使用的设备，也是开发利用工业二次能源，实现余热回收和节能的主要设备。

工业生产中使用的换热器型式很多，而且仍在不断发展。按使用目的不同，换热器可分为加热器、冷凝器、蒸发器和再沸器等。由于使用的条件和工作的环境不同，换热器又有各种各样的型式和结构。按传热原理和实现热交换的方法，换热器可分为间壁式、混合式和蓄热式3类，其中以间壁式换热器应用最为普遍。

间壁式换热器种类很多，如夹套式换热器、套管式换热器、蛇管式换热器、板式换热器、板翅式换热器和列管式换热器，列管式换热器又叫做管壳式换热器，是目前应用最广泛的一种换热器。

管壳式换热器的应用已有十分悠久的历史。管壳式换热器是一种传统的标准换热设备，广泛应用于化工、石油、制冷、核能和动力等工业。由于世界性的能源危机，工业生产中对换热器的需求量越来越多，对换热器的质量要求也越来越高。在近代的许多化工过程中，如裂解、合成和聚合等，大都要求在高温高压下进行，有的压力高达250 MPa，温度则高达750℃，又腐蚀的情况下，实现换热更困难。而管壳式结构具有选材范围广、换热表面清洗方便、适应性强、处理能力大、能承受高温和高压等特点。一方面，伴随着现代化工厂生产规模的日益增大，换热设备也相应地向大型化方向发展，以降低动力消耗和余属消耗；另一方面，随着精细化工的迅速崛起，换热设备也有向小而精方向发展的趋势。管壳式结构的换热器能满足这样的要求。

近几十年来，随着紧凑式换热器(板式、板翅式等)、热管式换热器和直接接触式换热器等的发展，管壳式换热器面临着挑战，在某些场合，管壳式换热器已被一些新型换热器所取代，但由于管壳式换热器具有高度的可靠性和广泛的适应性，它的产量至今仍占统治地位。目前工业装置中管壳式换热器的用量占全部用量的70%。管壳式换热器结构也有较大的改进和发展，从原来传统的弓形隔板加光滑管的结构，发展为其它类型的管间支撑物加强化管的结构，由于这些结构上的改进，使得管壳式换热器的传热与流体阻力性能有了明显的改善，加上本身固有的优点，如耐高温、耐高压、结构简单和清洗方便等，使得管壳式换热器在激烈的换热器竞争中得以生存和发展。

管壳式换热器主要包括固定管板式、浮头式、U形管式、填料函式等结构。根据介质的种类、压力、温度、污垢，以及管板与壳体的连接方式、换热管的形式与传热条件、造价和维修检查情况等，结合各种结构形式的特点选择、设计和制造各种管壳式换热器。

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图1.1固定管板式换热器的典型结构

(1) 固定管板式换热器

固定管板式换热器两端管板，采用焊接方式与壳体连接固定。固定管板式换热器由管箱、壳体、管板和管子等零部件组成，如图1.1所示。其结构简单紧凑，排管比较多，在相同换热器公称直径的情况下面积比较大，制造简单，但在最后一道壳体与管板的焊缝无法进行无损检测。

其优点是：

①相同公称直径下，传热面积比浮头式换热器大20%～30%； ②旁路泄露比较小； ③锻件使用比较少； ④没有内部泄露的存在。 缺点是：

①壳体和管子壁温差一般小于等于50℃，大于50℃时应在壳体上设置膨胀节； ②管板与管头之间容易产生温差应力而损坏； ③壳程无法进行机械清洗；

④管子腐蚀后造成连同壳体也报废，壳体部件寿命取决于管子寿命，因此设备寿命相

对比较低；

⑤不适用于壳程容易结垢的场合。

(2) 浮头式换热器

浮头式换热器的一端管板与壳体固定，一端的管板可在壳体内自由浮动，壳体和管板对热膨胀是自由的，因此当两种介质温差较大时，管束与壳体之间不产生温差应力。浮头端设计成可拆结构，使管束能容易地插入或抽出壳体，这样方便清洗和检修。由于该换热器结构复杂，而且浮动端小盖在操作时无法得知其泄露情况，所以在安装时应特别注意其密封，如图1.2所示。

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图1.2浮头式换热器

(3) U形管式换热器

该换热管两端是固定在同一块管板上的，结构简单，造价低。管束可抽出，外壁便于清洗，但换热管清洗困难，所以介质必须是清洁且不结污垢的物料。由于结构不紧凑的原因，影响传热效率，换热也不均匀。一般用于高温高压的场合，壳程内一般按工艺要求设置折流板和纵向隔板，如图1.3所示。

图1.3 U形管式换热器的典型结构

(4) 填料函式换热器

填料函式换热器适用于壳程压力不高、较严重腐蚀的介质、温差较大且经常要更换管束的冷却器。它具有浮头换热器的优点，又克服了固定管板式换热器的缺点，结构简单，制造方便，易清洗检修。目前它使用在不宜直径过大，操作压力和温度不宜过高的场合，一般压力不超过2.0MPa。在壳程内为易挥发、易燃、易爆、有毒及贵重介质，不宜采用该换热器。如图1-4

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