换热器结构设计及强度计算毕业论文说明书.doc

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1、摘要本次设计的题目为汽提塔冷凝器。汽提塔冷凝器是换热器的一种应用，这里我设计成浮头式换热器。浮头式换热器是管壳式换热器系列中的一种，它的特点是两端管板只有一端与外壳固定死，另一端可相对壳体滑移，称为浮头。浮头式换热器由于管束的膨胀不受壳体的约束，因此不会因管束之间的差胀而产生温差热应力，另外浮头式换热器的优点还在于拆卸方便，易清洗。在化工工业中应用非常广泛。本文对浮头式换热器进行了整体的设计，按照设计要求，在结构的选取上，采用了1-2型，即壳侧一程，管侧两程。首先，通过换热计算确定换热面积与管子的根数初步选定结构。然后按照设计的要求以及一系列国际标准进行结构设计，之后对各部分进行校核。本次毕业

2、设计任务是流量为3500kg/h，浮头式换热器的机械设计，工作压力管程为0.43MPa、壳程为0.042MPa，工作温度管程为61、壳程为80。通过本次毕业设计，我熟悉了浮头式换热器的工艺流程，掌握了浮头式换热器的结构及计算方法，了解了浮头式化热器的制造要求及安装过程。但是，限于经验不足和水平有限，一定存在缺点甚至错误之处，敬请老师批评指正。关键词：换热器；浮头式；管程；壳程AbstractThe topic of my study is the design of stripper condenser. stripper condenser is one of applications he

3、at exchanger.In here, my design is the floating head heat exchanger. The floating head heat exchanger is a special type of tube and shell heat exchanger. It is special for its floating head. One of its tube sheet is fixed， while another can float in the shell， so called floating head. As the tubes c

4、an expand without the restriction of the shell， it can avoid thermal stress. Another advantage is that it can be dismantled and clean easily . It is widely used in chemical industry. In this study an overall design of the floating head heat exchanger is carried out .According to the demand the type

5、1-2 is chosen to be the basic type， which has one segment in shell and two segment in tubes. First， heat transfer is calculated to determine the heat exchange surface area and the number of tubes that needed. Then， according to the request and standards， structural of system is well designed. After

6、that，the finite element analysis of the shell is completed.The graduation design task is 3500kg/h flow of the floating head heat exchanger, the mechanical design, working pressure tube 0.4 3MP, shell, work process of 0.042MP for 61 , the temperature tube for 80 shell cheng. Through the graduation de

7、sign, I am familiar with the floating head heat exchanger process, mastered the structure of floating head heat exchanger and calculation method of floating head, learned the heat exchanger is manufacturing requirements and installation process. But, due to lack of experience and limited ability, ce

8、rtain shortcomings and even mistakes, please the teacher criticism and corrections.KEY WORDS：HEAT EXCHANGER；FLOATING HEAD；TUBE-SIDE；SHELL-SIDE 目录第一章 换热器概述11.1 换热器的应用11.2 换热器的主要分类11.2.1 换热器的分类及特点11.2.2 管壳式换热器的分类及特点21.3 管壳式换热器特殊结构51.4 换热管简介5第二章 工艺计算72.1 设计条件72.2换热器传热面积与换热器规格：82.2.1 流动空间的确定82.2.2 初算换热器

9、传热面积82.2.3 传热管数及管程的确定92.2.4管心距的计算92.2.5换热器型号、参数的确定92.2.6壳体内径计算92.2.7折流板的计算102.3换热器核算102.3.1传热系数核算112.3.2换热器的流体阻力132.3.3换热器的选型14第三章 换热器的结构计算和强度计算153.1换热器的壳体设计153.2筒体材料及壁厚153.3封头的材料及壁厚163.4管箱材料的选择及壁厚的计算163.5开孔补强计算173.6水压试验及壳体强度的校核193.7 换热管203.7.1 换热管的排列方式203.7.2 布管限定圆203.7.3 排管213.7.4 换热管束的分程213.8 管板设

10、计223.8.1 管板与壳体的连接223.8.2 管板计算223.8.3 管板重量计算263.9 折流板263.9.1 折流板的型式和尺寸273.9.2 折流板排列273.9.3 折流板的布置273.10 拉杆与定距管273.10.1 拉杆的结构形式273.10.2 拉杆的直径、数量及布置283.10.3 定距管283.11法兰和垫片283.11.1固定端的壳体法兰、管箱法兰与管箱垫片283.11.2外头盖侧法兰、外头盖法兰与外头盖垫片、浮头垫片303.11.3 接管法兰型式与尺寸313.12 钩圈式浮头323.12.1 浮头盖的设计计算333.13 分程隔板383.14 鞍座383.14.1

11、 支反力计算如下383.14.2 鞍座的型号及尺寸403.15 接管的最小位置403.15.1壳程接管位置的最小尺寸403.15.2 管箱接管位置的最小尺寸41附录 外文翻译45参考文献55第一章 换热器概述过程设备在生产技术领域中的应用十分广泛，是在化工、炼油、轻工、交通、食品、制药、冶金、纺织、城建、海洋工程等传统部门所必需的关键设备，而换热设备则是广泛使用的一种通用的过程设备。在化工厂中，换热设备的投资约占总投资的10%20%；在炼油厂，约占总投资的35%40%。1.1 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

12、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。1.2 换热器的主要分类 在工业生产中，由于用途、工作条件和物料特性的不同，出现了不同形式和结构的换热器。1.2.1 换热器的分类及特点管按照传热方式的不同，换热器可分为三类： 1.直接

13、接触式换热器 又称混合式换热器，它是利用冷、热流体直接接触与混合的作用进行热量的交换。这类换热器的结构简单、价格便宜，常做成塔状，但仅适用于工艺上允许两种流体混合的场合。 2.蓄热式换热器 在这类换热器中，热量传递是通过格子砖或填料等蓄热体来完成的。首先让热流体通过，把热量积蓄在蓄热体中，然后再让冷流体通过，把热量带走。由于两种流体交变转换输入，因此不可避免地存在着一小部分流体相互掺和的现象，造成流体的“污染”。 蓄热式换热器结构紧凑、价格便宜，单位体积传热面比较大，故较适合用于气-气热交换的场合。 3.间壁式换热器 这是工业中最为广泛使用的一类换热器。冷、热流体被一固体壁面隔开，通过壁面进行

14、传热。按照传热面的形状与结构特点它又可分为：管式换热器：如套管式、螺旋管式、管壳式、热管式等；板面式换热器：如板式、螺旋板式、板壳式等；扩展表面式换热器：如板翅式、管翅式、强化的传热等。1.2.2 管壳式换热器的分类及特点 由于设计题目是浮头式换热器的设计，而浮头式又属于管壳式换热器，故特此介绍管壳式换热器的主要类型以及结构特点。 管壳式换热器是目前用得最为广泛的一种换热器，主要是由壳体、传热管束、管板、折流板和管箱等部件组成，其具体结构如下图所示。壳体多为圆筒形，内部放置了由许多管子组成的管束，管子的两端固定在管板上，管子的轴线与壳体的轴线平行。进行换热的冷热两种流体，一种在管内流动，称为管

15、程流体；另一种在管外流动，称为壳程流体。为了增加壳程流体的速度以改善传热，在壳体内安装了折流板。折流板可以提高壳程流体速度，迫使流体按规定路程多次横向通过管束，增强流体湍流程度。流体每通过管束一次称为一个管程；每通过壳体一次就称为一个壳程，而图1-2-1所示为最简单的单壳程单管程换热器。为提高管内流体速度，可在两端管箱内设置隔板，将全部管子均分为若干组。这样流体每次只通过部分管子，因而在管束中往返多次，这称为多管程；同样。为提高管外流速，也可以在壳体内安装纵向挡板，迫使流体多次通过壳体空间，称为多壳程。多管程与多壳程可以配合使用。这种换热器的结构不算复杂，造价不高，可选用多种结构材料，管内清洗

16、方便，适应性强，处理量较大，高温高压条件下也能应用，但传热效率、结构的紧凑性、单位传热面的金属消耗量等方面尚有待改善。 由于管内外流体的温度不同，因之换热器的壳体与管束的温度也不同。如果两流体温度相差较大，换热器内将产生很大的热应力，导致管子弯曲、断裂或从管板上拉脱。因此，当管束与壳体温度差超过50时，需采取适当补偿措施，以消除或减少热应力。根据所采用的补偿措施，管壳式换热器可以分为以下几种主要类型：固定管板式换热器：其结构如图1所示。换热器的管端以焊接或胀接的方法固定在两块管板上，而管板则以焊接的方法与壳体相连。与其它型式的管壳式换热器相比，结构简单，当壳体直径相同时，可安排更多的管子，也便

17、于分程，同时制造成本较低。由于不存在弯管部分，管内不易积聚污垢，即使产生污垢也便于清洗。如果管子发生泄漏或损坏，也便于进行堵管或换管，但无法在管子的外表面进行机械清洗，且难以检查，不适宜处理脏的或有腐蚀性的介质。更主要的缺点是当壳体与管子的壁温或材料的线膨胀系数相差较大时，在壳体与管中将产生较大的温差应力，因此为了减少温差应力，通常需在壳体上设置膨胀节，利用膨胀节在外力作用下产生较大变形的能力来降低管束与壳体中的温差应力。浮头式换热器：其结构如图2所示。管子一端固定在一块固定管板上，管板夹持在壳体法兰与管箱法兰之间，用螺栓连接；管子另一端固定在浮头管板上，浮头管板夹持在用螺柱连接的浮头盖与钩圈

18、之间，形成可在壳体内自由移动的浮头，故当管束与壳体受热伸长时，两者互不牵制，因而不会产生温差应力。浮头部分是由浮头管板，钩圈与浮头端盖组成的可拆联接，因此可以容易抽出管束，故管内管外都能进行清洗，也便于检修。由上述特点可知，浮头式换热器多用于温度波动和温差大的场合，尽管与固定管板式换热器相比其结构更复杂、造价更高。U型管式换热器：其结构可参见图3。一束管子被弯制成不同曲率半径的U型管，其两端固定在同一块管板上，组成管束，从而省去了一块管板与一个管箱。因为管束与壳体是分离的，在受热膨胀时，彼此间不受约束，故消除了温差应力。其结构简单，造价便宜，管束可以在壳体中抽出，管外清洗方便，但管内清洗困难，

19、故最好让不易结垢的物料从管内通过。由于弯管的外侧管壁较薄以及管束的中央部分存在较大的空隙，故U型管换热器具有承压能力差、传热能力不佳的缺点。 双重管式换热器：将一组管子插入另一组相应的管子中而构成的换热器，其结构可以参看图4。管程流体（B流体）从管箱进口管流入，通过内插管到达外套管的底部，然后返回，通过内插管和外套管之间的环形空间，最后从管箱出口管流出。其特点是内插管与外套管之间没有约束，可自由伸缩。因此，它适用于温差很大的两流体换热，但管程流体的阻力较大，设备造价较高。填料函式换热器：图5为填料函式换热器的结构。管束一端与壳体之间用填料密封，管束的另一端管板与浮头式换热器同样夹持在管箱法兰和

20、壳体法兰之间，用螺栓连接。拆下管箱、填料压盖等有关零件后，可将管束抽出壳体外，便于清洗管间。管束可自由伸缩，具有与浮头式换热器相同的优点。由于减少了壳体大盖，它的结构较浮头式换热器简单，造价也较低，但填料处容易泄漏，工作压力与温度受一定限制，直径也不宜过大。1.3 管壳式换热器特殊结构包括有双壳程结构、螺旋折流板、双管板等特殊结构，这些结构将使换热器拥有更高的工作效率。（1） 双壳程结构：在换热器管束中间设置纵向隔板，隔板与壳体内壁用密封片阻挡物流内漏，形成双壳程结构。适用场合：管程流量大壳程流量小时，采用此结构流速可提高一倍，给热系数提高11.2倍；冷热流体温度交叉时，但壳程换热器需要两台以

21、上才能实现传热，用一台双壳程换热器不仅可以实现传热，而且可以得到较大的传热温差。（2） 螺旋折流板式换热器：螺旋折流板可以防止死区和返混，压降较小。物流通过这种结构换热器时存在明显的径向变化，故不适用于有高热效率要求的场合。（3） 双管板结构：在普通结构的管板处增加一个管板，形成的双管板结构用于收集泄漏介质，防止两程介质混合。1.4 换热管简介换热管是管壳式换热器的传热元件，采用高效传热元件是改进换热器传热性能最直接有效的方法。国内已使用的新效的换热管有以下几种：螺纹管：又称低翅片管，用光管轧制而成，适用于管外热阻为管内热阻1.5倍以上的单相流及渣油、蜡油等粘度大、腐蚀易结垢物料的换热。（1）

22、 T形翅片管：用于管外沸腾时，可有效降低物料泡核点，沸腾给热系数提高1.63.3倍，是蒸发器、重沸器的理想用管。表面多孔管：该管为光管表面形成一层多孔性金属敷层，该敷层上密布的小孔能形成许多汽化中心，强化沸腾传热。（2） 螺旋槽纹管：可强化管内物流间的传热，物料在管内靠近管壁部分流体顺槽旋流，另一部分流体呈轴向涡流，前一种流动有利于减薄边界层，后一种流动分离边界层并增强流体扰动，传热系数提高1.31.7倍，但阻力降增加1.72.5倍。（3） 波纹管：为挤压成型的不锈钢薄壁波纹管，管内、管外都有强化传热的作用，但波纹管换热器承压能力不高，管心距大而排管少，壳程短而不易控制。 管壳式换热器的应用已

23、经有悠久的历史，而且管壳式换热器被当作一中传统的标准的换热设备在很多工业部门中大量使用。尤其在化工、石油、能源设备等部门所使用的换热设备中，管壳式换热器仍处于主导地位，因此本次毕业设计特针对这类换热器中的浮头式换热器的工艺设计以及结构设计进行介绍。第二章 工艺计算 在换热器设计中，首先应根据工艺要求选择适用的类型，然后计算换热所需要的传热面积。工艺设计中包括了热力设计以及流动设计，其具体运算如下所述：2.1 设计条件两流体温度变化情况：热流体进口温度82，出口温度76；冷流体（自来水）进口温度51，出口温度71。该换热器用循环冷却水冷凝，冬季操作时进口温度会降低，考虑到这一因素，估计改换热器的

24、管壁温和壳体壁温之差不大，因此初步确定选用固定管板式换热器。2.流动空间及流速的确定 因两流体中苯发生相变,水的对流传热系数一般较大且易结垢,故应使循环水走管程，苯品走壳程。选用20x2的碳钢管，管内流速取ui=1.2m/s。3.确定物性数据 定性温度：可取流体进口温度的平均值。 壳程苯的定性温度为T=(82+80)/2=81（） T=(80+76)=78（） 管程流体的定性温度为t=（51+71）/2=61（）苯在79下的有关物性数据如下：密度 =3.5kg/ m3 =879kg/ m3定压比热容 cp =1.41kj/（kg.）cp =1.29kj/（kg.）导热系数 =0.007W/（m

25、. ） =0.11W/（m. ）粘度 o=0.000312Pa.s汽化热 H=394kjkg流量 循环冷却水在61下的物性数据：密度 i =983kg/m3定压比热容 cpi =4.622kj/(kg.)导热系数 i=0.66W/(m.)粘度 i=0.000469Pa.s2.2换热器传热面积与换热器规格：2.2.1 流动空间的确定选择被冷却的苯品走壳程，冷却介质水走管程。这是因为：被冷却的流体走壳程可便于散热，而传热系数大的流体应走管程，这样可降低管壁的温差，减少热应力，同时对于浮头式换热器，一般是将易结垢流体流经管程。2.2.2 初算换热器传热面积2.2.2.1 传热计算（热负荷计算）热负荷

26、：Qc=moH+mocpto+mocpt1=350039435001.41(82-80) 35001.29(80-76)=1.407106kj/h=390.78KW 冷却水用量：2.2.2.2 有效平均温差的计算选取逆流流向，这是因为逆流比并流的传热效率高。采用平均温度差。 2.2.2.3 按经验值初选总传热系数 查表选得=300W/（）；2.2.2.4 初算出所需的传热面积；考虑到所用传热计算式的准确程度及其他未可预料的因素，应使所选用的换热器具有换热面积留有裕度10%-25%，故有，根据查选型手册，可选换热器的型式为：，且为达到所需换热面积，应采用三台同类换热器串联。所选浮头式换热器的规格

27、参数以及其工艺计算常用参数可参考表2-3与表2-4（附第二章后）。2.2.3 传热管数及管程的确定选用20x2的传热管（碳钢）l=4.5(m),取管内流速ui=0.4m/s 依据传热管内径和流速确定单程传热管数按单程管计算，所需的传热管长度为 传热管总根数N=72x4=288 (根)2.2.4管心距的计算 采用组合排列法，即每程内均按正方形排列，隔板两侧采用正方形排列。取管心距t=1.25do，则 T=1.2520=25（mm）横过管束中心线的管数 nc=1.1=18.6取19（根）2.2.5换热器型号、参数的确定将选型计算所得换热器管管子数与布管总数相比较，如果换热器管管子数大于布管总数，则

28、需更换公称直径DN,然后重新计算布管总数；如果换热管管子数小于布管总数，则可最终确定换热器型号，并将换热器的型号参数输出。换热器型号参数有：公称直径DN、公称压力PN、换热管长度LN、换热器管程NP、换热器外径d、公称换热面积A、管箱型式（A/B）、壳体型式等。 2.2.6壳体内径计算采用多管程结构，取管板利用率=0.7，则壳体内径为D=1.05T=1.125=556（mm）取600mm圆整可取D=600mm式中：T管心距 N传热管总根数 管板利用率圆缺高度计算：采用弓形折流板圆缺高度为壳体内径的25，则切去的圆缺高度为h=0.25600=150mm取折流板间距B=0.5D,则B=0.5600

29、=300mm，可取B为300mm 2.2.7折流板的计算 折流板一般都比较薄，为了尽量避免加工偏差，便于管束装配，全部折流板应叠在一起同时进行钻孔为好，待钻孔工序完成后再按对称方向根据需要的形状进行边缘加工。弓形折流板 大部分换热器采用弓形折流板，其缺口高h数值，一般为0.200.45倍的圆筒内直径。折流板的缺口一般在排管中心以下或切于两排管孔的小桥中间。折流板数 对于折流板的间距，没有严格规定一般按工艺要求而定。一般采用等距分布。折流板的最小间距，一般不小于壳体内直径的五分之一，且不小于50mm，特殊情况可取小间距。折流板的最大间距与管径及壳体直径有关。2.3换热器核算管程流体进出口接管的直

30、径：取接管内循环水流速u=1.5m/s，则接管内径为取标准管径为：65mm壳程流体进出口接管：取接管内气体苯品流速为u=15m/s，液体苯品流速为u=0.5m/s,则接管内径为 进口内径: 取200mm 出口内径：取标准管径为：100mm2.3.1传热系数核算壳程对流传热系数 对圆缺形折流板，可采用克恩公式 当量直径，由正方形排列得壳体流通截面积壳体流体流速及其雷诺系数分别为气体苯： 液体苯：普兰特准数气体苯：液体苯：粘度校正 1W/(m2. ) W/(m2. )=（104.31319223）2=325.5 W/(m2. )（2）管程对流传热系数管程流通截面积管程流体流速普兰特准数（3）总传热

31、系数K污垢热阻 Rsi=0.000144m2./W Rso=0.000072 m2./W管壁的导热系数=70W/(m.)=W/（m2）（4）传热面积S S=该换热器的实际传热面积Sp此管采用D=600mm B=420mm 管长l=4m 管程为4 管程的规格，查国标可得：传热管总管数为：288根换热器的实际传热面积Sp=3.14(4.5-0.06)0.02(288-19)=75该换热器的面积裕度为传热面积裕度合适，该换热器能够完成生产任务。232换热器的流体阻力（1）管程流动阻力Ns=1，Np=4，Ft=1.4由Re=10061，传热管相对粗糙度0.01/20=0.005，查莫狄图得=0.034

32、W/m，流速ui=0.995m/s，=994kg/m3，所以 105Pa管程流动阻力在允许的范围之内。（2）壳程阻力 Po=(P1+P2)FtNs Nsl，Ftl.15 流体流经管束的阻力 ,流体流过折流板缺口的阻力 总阻力Po2716.743.7(Pa)42 kPa壳程流动阻力也比较适宜。2.3.3换热器的选型表2-3 所选浮头式换热器规格DNmmPNMpa管长m管程数换热管规格计算传热面积规格型号管程出入口公称直径，壳程出入口公称直径，6000.434.547565155表2-4 工艺计算常用参数公称直径（mm）管程中心排管数换热管数管程平均通道面积（c）弓形折流板缺口弓高（）600419

33、288144.7150第三章 换热器的结构计算和强度计算 在确定换热器的换热面积后，应进行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3.1换热器的壳体设计采用多管程结构，取管板利用率=0.7，则壳体内径为D=1.05T=1.125=556（mm）取600mm圆整可取D=600mm式中：T管心距 N传热管总根数 管板利用率3.2筒体材料及壁厚由于换热器为内压容器，故可以

34、采用内压容器的设计方法来确定其壁厚，根据内压薄壁容器“弹性失效”设计准则，壳壁计算壁厚计算公式为：设计压力PC=（1.05 C1 1.1）Pw壳程：PC=1.10.042=0.0462MPa管程：PC=1.10.43=0.473MPa 采用双面对接焊，局部无损探伤，取焊缝系数为压力容器的用钢种类很多，主要有Q235A,Q235B,16MnR等等，这里采用的是16MnR。材料的许用应力取钢板的厚度负偏差C1 =0.8mm，腐蚀裕量C2=2mm。则C= C1+ C2=0.8+2=2.8mm6mm根据国家规定选6mm但查化工设备机械基础表16-2，对于公称直径Dg=400 700mm的合金钢圆筒的最

35、小厚壁应该为8mm，所以本设计min =8mm。综上所述，取管体的名义壁厚n =10mm3.3封头的材料及壁厚上下两封头均选用标准椭圆形封头，标准椭圆形封头的壁厚与筒体的厚度基本相同，两者可以等厚，则。根据JB/T4737-2002标准，封头为：。如图所示，材料选用20R钢。下封头常与裙座焊接，h2=50mm，材料选用16MnR钢。 3.4管箱材料的选择及壁厚的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，且其深度较半球形封头小得多，易于冲压成型。此时选用标准椭圆形封头，故，且同上，则封头计算厚度为：； 设计厚度；但查化工设备机械基础表16-2，对于公称直径Dg=400 70

36、0mm的合金钢封头的最小厚度应该为8mm，=10mm。 经检查，没有变化，故合适查JB/T47462002钢制压力容器用封头可得封头的型号参数如下：表3-1 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（）6001750.43740.035334.6 短节部分的厚度同封头处厚度，为10mm。 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700mm，这可在“浮头盖计算”部分看到。选用标准椭圆形封头，故，且同上，则计算厚度为：；设计厚度；名义厚度（为向上圆整量）；经检查，没有变化，故合适。查JB/

37、T47462002钢制压力容器用封头可得封头的型号参数如下：表3-2 DN700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（）7002000.58610.054541.3 短节部分的厚度同封头处厚度，为10mm。3.5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。 由于管程出入口公称直径均为65

38、mm，按照厚度系列，可选接管的规格为；而壳程进口公称直径均为200mm，出口公称直径均为200mm，按照厚度系列，可选接管的规格分别为，为接管的材料选为20号钢。3.5.1 壳体上开孔补强计算1. 补强及补强方法判别：1补强判别：根据GB150表8-1，允许不另行补强的最大接管外径是，壳程进口开孔外径为200mm，因此需要另行考虑其补强。其余开孔外径因不大于89mm，故不需要另行考虑其补强。开孔直径，满足等面积法开孔补强计算的适用条件，故可用等面积法进行开孔补强计算。2 开孔所需补强面积计算：强度削弱系数； 接管有效厚度；开孔所需补强面积按下式计算：3 有效补强范围有效宽度B：有效高度：（a）

39、外侧有效高度为：；（b）内侧有效高度为：；4 有效补强面积壳体多余金属面积： 壳体有效厚度：则多余的金属面积为：接管多余金属面积： 接管计算厚度：； 接管多余金属面积：接管区焊缝面积（焊脚取为6mm）：；有效补强面积：由此可知已经达到了补强要求，无需另行补强。3.6水压试验及壳体强度的校核水压试验压力：根据文献化工原理课程设计4-89有：而式中： K应力增强系数或形状系数，对椭圆形封头取K=1 内压容器的试验压力 水压试验时筒体的壁内应力 水压试验时封头（管箱）的壁内应力 根据文献化工设备机械基础表8-7，可知所选用的16MnR板材在常温下时：则有式中：16MnR在常温下时的许用应力则246M

40、Pa，246MPa可见筒体和封头在水压试验时均安全。3.7 换热管 换热管的规格为，材料选为20号钢。3.7.1 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；正方形排列：易清洗，但给热效果较差；正方形错列：可以提高给热系数。在此，选择正方形排列，主要是考虑这种排列便于进行机械清洗。查GB151-1999可知，换热管的中心距S=25mm，分程隔板槽两侧相邻管的中心距为35mm；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。3.7.2 布管限

41、定圆布管限定圆为管束最外层换热管中心圆直径，其由下式确定：查GB151-1999可知，b=5，b1=3，bn=12，故b2= bn+1.5=13.5，则。3.7.3 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，其间距小于或等于700mm。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（0.51.5）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：； 其中：各程的平均管数；各程中最小或最大的管数。 实际排管如下所示： 由上图可知，经过实际排管后发现，每个管程的布管数目分别是72，72，而各管程

42、的平均管数为72，因此可知各程管数的相对误差是：3.7.4 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。3.8 管板设计 管板是管壳式换热器最重要的零部件之一，用来排布换热管，将管程和壳程的流体分隔开来，避免冷、热流体混合，并同时受管程、壳程压力和温度的作用。由于流体只具有轻微的腐蚀性，故采用工程上常用的16MnR整体管板。3

43、.8.1 管板与壳体的连接由于浮头式换热器要求管束能够方便地从壳体中抽出进行清洗和维修，因而换热器固定端的管板采用可拆式连接方式，即把管板利用垫片夹持在壳体法兰与管箱法兰之间。3.8.2 管板计算 符号说明： 在布管区范围内，因设置隔板槽和拉杆结构的需要，而未能被换热管支承的面积，对正方形排列，；隔板槽一侧的排管根数；换热管中心距；隔板槽两侧邻管的中心距；管板布管区面积，；对多管程正方形排列换热器，；管板布管区内开孔后的面积，；一根换热管管壁金属的横截面积，；固定端管板垫片压紧力作用中心圆直径，；根据所选的垫片的尺寸，且选择其压紧面型式为GB150表9-1的1a，可知密封面宽度；则，故；管板布

44、管区当量直径，；换热管外径，；设计温度时，管板材料的弹性模量，Mpa；设计温度时，换热管材料的弹性模量，Mpa；系数，按和查GB151图24；管束模数，Mpa； 管束无量纲刚度，Mpa；换热管有效长度（两管板内侧间距），；换热管与管板胀接长度或焊脚高度，；换热管根数；无量纲压力，；当量压力组合；Mpa；管板设计压力，Mpa；壳程设计压力，Mpa；管程设计压力，Mpa；换热管与管板连接拉脱力，Mpa；许用拉脱力，查GB151，Mpa；系数，；管板计算厚度，；换热管管壁厚度，；管板刚度削弱系数，一般可取值；管板强度削弱系数，一般取；系数，；换热管轴向应力，Mpa；换热管稳定许用压应力，Mpa；设计温度时，管板材料的许用应力，Mpa；设计温度时，换热管材料的许用应力，Mpa；管板厚度计算过程如下：1管板名义厚度计算：； ； ； ； ； ； ； ； 查GB150可知，； 则 ；式中L应为换热管的有效长度，但由于管板厚度尚未计算出，暂估算管板厚度为50mm进行试算，待管板厚度算出再用有效长度核算，。；当中的的计算如下： ；