1、目錄第一章 緒論11.1何為換熱器11.2換熱器的應用11.3換熱器分類11.3.1 按材料分類21.3.2 按傳熱種類分類21.3.3按結構分類21.3.4按強化傳熱元件分類21.3.5按傳熱原理分類21.4換熱器的結構和使用特點21.4.1浮頭式換熱器31.4.2固定管板式換熱器41.4.3U形管換熱器51.4.4填料函式換熱器61.4.5釜式重沸器71.5設計的思想71.5.1首先設計必須滿足生產需要71.5.2設計必須安全可靠81.5.3設計必須經濟合理81.6設計的特點8第二章 主要設計參數的確定82.1設計壓力92.2設計溫度92.3焊接接頭系數92.4腐蝕余量10第三章 主要構件

2、材質的選擇113.1 材料選用的一般原則113.1.1 材料的使用性能原則113.1.2 材料的加工工藝性能原則113.1.3 材料的經濟性原則113.2殼體、管箱、封頭123.3法蘭123.4換熱管123.5管板133.6接管133.7支持板133.8拉桿、定距管133.9鞍座13第四章 換熱器各部分零件結構型式的選擇144.1換熱器結構型式的選擇144.2前端管箱、殼體和后端管箱結構型式的確定154.2.1前端管箱154.2.2殼體154.2.3后端管箱164.3管束分程和分程隔板的布置164.3.1管束分程164.3.2分程隔板的布置164.4換熱管164.4.1換熱管的長度164.4.

3、2規格及尺寸偏差174.5布管174.5.1換熱管中心距174.5.2最大排管圓的確定184.5.3在管板上排管并確定換熱管數量184.6管子與管板的連接184.7管板與殼體的連接194.8折流板、支持板的選擇204.9拉桿、定距管、防沖板、擋板的選擇214.9.1拉桿的選擇214.9.2定距管的選擇214.9.3防沖板的選擇214.9.4擋板的選擇224.10法蘭的選擇224.10.1接管法蘭的選擇224.10.2管箱法蘭的選擇234.10.3外頭蓋法蘭的選擇234.10.4外頭蓋側法蘭的選擇244.10.5浮頭法蘭的選擇244.11排液口和排氣口的選擇244.12支座的選擇25第五章 設計

4、計算275.1換熱面積的校核275.2強度計算275.2.1管箱設計275.2.2殼體設計285.2.3外頭蓋設計285.2.4浮頭蓋設計295.2.5管板計算295.2.6鉤圈設計325.2.7法蘭強度校核（管箱法蘭）335.2.8接管開孔補強選擇與校核365.2.9支座強度校核39第六章 制造、檢驗和驗收436.1總則436.2浮頭式換熱器的制造436.2.1封頭和管箱436.2.2折流板436.2.3管束的組裝446.2.4換熱器的組裝446.3浮頭式換熱器的檢驗與驗收44第七章 三維造型設計及裝配仿真467.1換熱器主要構件的三維造型467.1.1管箱的三維造型467.1.2筒體的三維

5、造型487.1.3外頭蓋的三維造型517.1.4浮頭蓋的三維造型537.1.5管板的三維造型547.1.6鉤圈的三維造型567.1.7管束和拉桿的三維造型567.1.8支持板的三維造型567.1.9防沖板、滑板的三維造型577.2換熱器的裝配仿真57結 論61參考文獻62 參考文獻第一章 緒論1.1何為換熱器換熱器是實現化工生產過程中熱量交換和傳遞不可缺少的設備。在熱量交換中常有一些腐蝕性、氧化性很強的物料，因此，要求制造換熱器的材料具有抗強腐蝕性能。換熱器的分類比較廣泛：反應釜壓力容器冷凝器反應鍋螺旋板式換熱器波紋管換熱器列管換熱器板式換熱器螺旋板換熱器管殼式換熱器容積式換熱器浮頭式換熱器管

6、式換熱器熱管換熱器汽水換熱器換熱機組石墨換熱器空氣換熱器鈦換熱器換熱設備，要求制造換熱器的材料具有抗強腐蝕性能。它可以用石墨、陶瓷、玻璃等非金屬材料以及不銹鋼、鈦、鉭、鋯等金屬材料制成。但是用石墨、陶瓷、玻璃等材料制成的有易碎、體積大、導熱差等缺點，用鈦、鉭、鋯等稀有金屬制成的換熱器價格過于昂貴，不銹鋼則難耐許多腐蝕性介質，并產生晶間腐蝕。1.2換熱器的應用換熱器在工、農業的各領域應用十分廣泛，在日常生活中傳熱設備也隨處可見，是不可缺少的工藝設備之一。因此換熱設備的研究備受世界各國政府及研究機構的高度重視，在全世界第一次能源危機爆發以來,各國都在下大力量尋找新的能源及在節約能源上研究新途徑。據

7、統計，在現代石油化工生產中，換熱器的投資約占總投資的3O40，正因如此設計投資省，能耗低，傳熱系數高，維修方便的換熱器是大勢所趨，在研究投人大、人力資源配備足的情況下,一批具有代表性的高效換熱器和強化傳熱元件誕生，如板翅式換熱器、大型板殼式換熱器和強化沸騰的表面多孔管、T形翅片管、強化冷凝的螺紋管、鋸齒管等都得到了國際傳熱界專家的首肯，社會效益非常顯著，大大緩解了能源的緊張狀況。其中管殼式換熱器是目前應用最為廣泛的一種換熱設備，已作為一種標準換熱設備。這種換熱器的特點是易于制造，生產成本較低，選用的材料范圍廣，換熱表面的清洗比較方便，適應性強，處理能力大，高溫和高壓下亦能應用。與各種換熱器相比

8、，主要優點是單位體積所具有的傳熱面積較大以及傳熱效果較好；此外，結構簡單，操作彈性也較大等，因此在高溫、高壓和大型裝置上多采用管殼式換熱器。1.3換熱器分類換熱器作為傳熱設備隨處可見，在工業中應用非常普遍，特別是耗能用量十分大的領域，隨著節能技術的飛速發展，換熱器的種類開發越來越多。適用于不同介質、不同工況、不同溫度、不同壓力的換熱器，結構和型式亦不同，以下列舉其中的幾種分類1.3.1 按材料分類主要為金屬和非金屬兩大類。金屬又可分為低合金鋼、高合金鋼、低溫鋼、稀有金屬等。1.3.2 按傳熱種類分類(1)無相變傳熱 一般分為加熱器和冷卻器。(2)有相變傳熱 一般分為冷凝器和重沸器。重沸器又分為

9、釜式重沸器、虹吸式重沸器、再沸器、蒸發器、蒸汽發生器、廢熱鍋爐。1.3.3按結構分類分為浮頭式換熱器、固定管板式換熱器、填料函換熱器、U形管式換熱器、蛇管式換熱器、雙殼程換熱器、單套管換熱器、多套管換熱器、外導流筒換熱器、折流桿式換熱器、熱管式換熱器、插管式換熱器、滑動管板式換熱器。1.3.4按強化傳熱元件分類分為螺紋管換熱器、波紋管換熱器、異型管換熱器、表面多孔管換熱器、螺旋扁管換熱器、螺旋槽管換熱器、環槽管換熱器、縱槽管換熱器、翅管換熱螺旋繞管式換熱器、T形翅片管換熱器、新結構器、內插物換熱器、鋸齒管換熱器。1.3.5按傳熱原理分類1）直接接觸式換熱器 這類換熱器的主要工作原理是兩種介質經

10、接觸而相互傳遞熱量，實現傳熱，接觸面積直接影響到傳熱量。這類換熱器的介質通常是一種是氣體，另一種為液體，主要是以塔設備為主體的傳熱設備，但通常又涉及傳質，故很難區分與塔器的關系，通常歸為塔式設備，電廠用涼水塔為最典型的直接接觸式換熱器。2）蓄能式換熱器（簡稱蓄能器）這類換熱器用量極少，原理是通過一種固體物質，熱介質先通過加熱固體物質達到一定溫度后，冷介質再通過固體物質被加熱，使之達到傳遞熱量的目的。 3）板、管式換熱器 這類換熱器用量非常大，占總量的99%以上，原理是熱介質通過金屬或非金屬將熱量傳遞給冷介質的傳熱設備，這類換熱器是我們通常稱為管殼式、板式、板翅式或板殼式換熱器。換熱器的種類繁多

11、，每種換熱器各自適用于某一種工況。為此，應根據介質、溫度、壓力的不同選擇不同種類的換熱器，揚長避短，使之帶來更大的經濟效益。1.4換熱器的結構和使用特點換熱器作為節能設備之一，在國民經濟中起到非常重要的作用。換熱器的結構決定了換熱器的性能，一種性能能否發揮作用取決于設計者如何選擇合理結構，任何一個場合都有適應于這個場合特點的換熱結構。在換熱設備中應用最為廣泛的是管殼式換熱器。它具有選材范圍廣，換熱表面清洗比較方便，適用性較強，處理能力大，能承受高溫和高壓等特點。管殼式換熱器的結構設計，必須考慮諸多因素，如：材料、壓力、溫度、壁溫差、結垢情況、流體性質以及檢修與清理等。管殼式換熱器雖然在換熱效率

12、、設備的體積和金屬材料的消耗量等方面不如其它新型的換熱設備，但它具有結構堅固、操作彈性大、可靠程度高、使用范圍廣等優點，所以在各工程中仍得到普遍使用。管殼式換熱器在煉油、石油化工、醫藥、化工以及其它工業中使用廣泛，它適用于冷卻、冷凝、加熱、蒸發和廢熱回收等各個方面。管殼式換熱器的結構設計，必須考慮很多因素，如材料、壓力、溫度、壁溫差、結垢情況、流體性質以及檢修與清理等，通過各種因素的綜合考慮及比較來選擇某一種適合的結構形式。對同一種形式的換熱器，由于各種條件不同，往往采用的結構亦不相同。在工程設計中，按工藝特定的條件進行設計，以滿足工藝上的需要。管殼式換熱器把換熱管與管板連接，再用殼體固定。它

13、的形式大致分為固定管板式換熱器、浮頭式換熱器、U形管殼式換熱器、外填料函式換熱器、填料函滑動管板式換熱器、釜式重沸器等幾種。根據介質的種類、壓力、溫度、污垢和其它條件，管板與殼體的連接方式，換熱管的形式與傳熱條件，造價，維修檢查方便等情況，根據各種結構形式的特點來選擇設計制造各種管殼式換熱器。為了要使傳熱效率提高、能耗下降，就必須了解管殼式換熱器的結構特點。下面著重介紹典型的管殼式換熱器的結構及使用特點。1.4.1浮頭式換熱器浮頭式換熱器（見圖1.1）是由管箱、殼體、管束、浮頭蓋、外頭蓋等零部件組成。它的最大的特點是管板一端的管束可以自由浮動，在使用過程中由溫差膨脹而不受殼體約束，不會產生溫差

14、應力，即其不受溫差應力的困擾，但其結構復雜，內浮頭密封困難，鍛件多，造價高。維修時可只更換管束，適用于管、殼程溫差大但工作壓力不超過10MPa的工況。它在相同的殼體直徑下，布管數越多，換熱面積越大。其優點是： 管束可以抽出，以方便清洗管、殼程； 介質間溫差不受限制； 可在高溫、高壓下工作，一般溫度 450，壓力 6.4 MPa； 可用于結垢比較嚴重的場合； 可用于管程易腐蝕場合。缺點： 小浮頭易發生內漏； 金屬材料耗量大，成本高20%； 結構復雜。 防沖板 擋板 浮頭管板 鉤圈支耳圖1.1 浮頭式換熱器1.4.2固定管板式換熱器固定管板式換熱器（見圖1.2）是由管箱、殼體、管板、管子等零部件組

15、成。其結構較緊湊，排管較多，在相同直徑情況下面積較大，制造較簡單，但最后一道殼體與管板的焊縫無法用無損檢測。其兩端管板，采用焊接方式與殼體連接固定，管程可分成多程，殼程也可分成雙程，規格范圍廣，故在工程中廣泛應用。它適用于管、殼程溫差不大或管、殼程溫差大，但壓力不高，殼程介質干凈或雖結垢但通過化學清洗能清除的場合。在熱膨脹之差較大時，可在殼體上設置膨脹節，以減少因管、殼程溫差而產生的熱應力。其優點是： 傳熱面積比浮頭式換熱器大20%-30%； 旁路漏流較小； 鍛件使用較少，成本低20以上； 沒有內漏。缺點： 殼體和管子壁溫差一般易小于等于50，大于50時應在殼體上設置膨脹節； 管板與管頭之間易

16、產生溫差應力而損壞； 殼程無法機械清洗； 管子腐蝕后造成連同殼體報廢，殼體部件壽命決定于管子壽命，故設備壽命相對較低； 不適用于殼程易結垢場合。防沖板 拉桿 弓形折流板 分流割板 旁路擋板 帶法蘭管板換熱管 殼體圖1.2 固定管板式換熱器1.4.3U形管換熱器U形管換熱器（見圖1.3）是由管箱、殼體、管束等零部件組成。它是將換熱管彎成U形，并將換熱管兩端固定在同一塊管板上，因此密封面較少。由于殼體與換熱管分開，管束可自由伸縮，可以不考慮熱膨脹。因U形管式換熱器僅有一塊管板，且無浮頭，所以結構簡單，造價比其它換熱器低。管束可以從殼體內抽出，換熱管外壁便于清洗。但換熱管內清洗困難，所以換熱管內的介

17、質必須是清潔且不易結垢的物料。由于換熱管的結構形式關系，換熱管的更換除外側一層外，內部換熱管大部分不可能更換。管束中心部分存在空隙，所以流體易短路，影響傳熱效率。而且管板上排列的換熱管較少，結構不緊湊。U形管的彎管部分曲率不同，換熱管長度不一致，因而物料分布不如固定管板式換熱器均勻。換熱管因滲漏而堵死后，將造成傳熱面積的損失。U形管式換熱器一般用于高溫高壓的情況下。殼程里需要清洗的管束，則要求采用正方形排列，管程為偶數程。殼程內一般可按工藝要求設置折流板和縱向隔板等。折流板用于提高換熱器的傳熱效率。縱向隔板是安裝在平行于換熱管方向的矩形平板上，以增加殼側介質流速。其優點是： 管束可抽出來機械清

18、洗； 殼體與管壁不受溫差限制； 可在高溫、高壓下工作，一般適用于溫度，壓力（10MPa）； 可用于殼程結垢比較嚴重的場合； 可用于管程易腐蝕場合。缺點： 在管子的U形處易沖蝕，應控制管內流速； 管程不適用結垢較重的場合； 單管程換熱器不適用； 不適用于內導流筒，故死區較大。中間擋板 U型換熱管內導流筒圖1.3 U形管換熱器1.4.4填料函式換熱器填料函式換熱器（見圖1.4）的管束可自由伸縮，殼程和管程都可以拆開清洗，結構簡單，適用管、殼程溫差大的工況。耐壓、耐溫及密封能力差，工作壓力不超過40MPa，不宜處理易揮發、易燃、易爆、有毒及貴重介質。圖1.4 填料函式換熱器1.4.5釜式重沸器釜式重

19、沸器（見圖1.5）的殼體上部作為蒸汽空間，相當于 1塊理論塔盤，熱源由浮頭或形管束提供，適用場合為管殼程溫差大，壓力不受限制，塔底空間較小，汽化率 30%80%，重沸器工藝介質的液相作為產品或用于分離，但要求高，安裝空間受限制。用作蒸汽發生器時，對蒸汽品質要求不高。圖1.5 釜式重沸器（形）1.5設計的思想設計是為生產服務，要設計出一臺能夠滿足生產需要的換熱器，必須做到設計要滿足生產需要，滿足換熱器安全可靠運行，滿足經濟合理等基本要求。1.5.1首先設計必須滿足生產需要所設計的產品能夠進行穩定可靠得操作，從而滿足正常的生產需要，此外，還能夠適應生產負荷以及操作參數在一定范圍內的波動，所以產品的

20、可操作性和可控制性是設計中應該考慮的重要問題。另外，設備與部件應便于運輸與裝拆，確保檢修和更換零件的便利。1.5.2設計必須安全可靠一般來講,換熱器的失事,不僅僅使容器和設備本身遭到破壞,而往往會破壞周圍的其他設備及建筑,甚至造成人身傷亡事故,而由于內部介質向外擴散帶來的化學爆炸、著火燃燒或惡性中毒等連鎖反應更會造成不可估量的災難性破壞。因此，根據壓力容器可能的失效形式，設計上應滿足強度、剛度、穩定性、密封性和耐蝕性等基本要求。1.5.3設計必須經濟合理在競爭激烈的當代社會中，“經濟合理”的消費理念已成為了生產者的共識，一般情況下，生產者都追求所設計的設備總是以較少的投資獲取最大的經濟利潤，要

21、求其經濟技術指標具有競爭性，因此，在各種方案的分析對比過程中，其經濟技術指標評價往往是最重要的決策因素之一。要想設計一臺既滿足要求又經濟合理的換熱器，不僅僅是必須嚴格按照有關標準和制造條件進行簡單的常規設計，同時還必須要綜合考慮生產條件、安全要求和技術經濟上的合理等因素，這樣才能選擇一個最佳設計。1.6設計的特點結構堅固、可靠性高、適應性廣、易于制造、處理能力大、生產成本較低、選用的材料范圍廣、換熱表面的清洗比較方便；設備的體積和金屬材料的消耗量少；機械加工和制造安裝合理方便；檢修容易；設備的使用壽命長；有足夠的機械強度；操作費用低。第二章 主要設計參數的確定2.1設計壓力設計壓力是容器頂部的

22、最高壓力，與相應的設計溫度一起作為設計載荷條件，其值不低于正常工作情況下容器頂部可能達到的最高壓力。除此之外，還需要考慮液柱靜壓、重量、風載荷、地震、溫差及附件重量等載荷。根據設計任務書可知，該設計是浮頭式換熱器，用于軟化水和汽油之間的換熱，其中管程和殼程的設計壓力分別為0.25MPa和0.5 MPa。2.2設計溫度設計溫度指容器在正常工作情況下，設定元件可能達到的最高或最低溫度，它是指容器在正常情況下，設定元件的金屬溫度（沿元件金屬截面的溫度平均值）。當元件金屬溫度不低于0時，設計溫度不得低于元件金屬可能達到的最高溫度；當元件金屬溫度低于0時，其值不得高于元件金屬可能達到的最低溫度。根據設計

23、任務書，管程的設計溫度為50，殼程的設計溫度為150。2.3焊接接頭系數通過焊接制成的容器，其焊縫中由于可能存在夾渣、未熔透、裂紋、氣孔等焊接缺陷，且在焊縫的熱影響區很容易形成粗大晶粒而使用材強度或塑性有所降低，因此焊縫往往成為容器強度比較薄弱的環節。為彌補焊縫對容器整體強度的削弱，在強度計算中需引入焊接接頭系數焊接接頭系數應根據受壓元件的焊接接頭形式及無損檢測長度比例來確定，其取值可按如下表2-1選規定選取：表2-1 鋼制壓力容器的焊接接頭系數值焊接接頭形式無損檢測比例值焊接接頭形式無損檢測比例值雙面焊對接接頭和相當于雙面焊的全熔透對接接頭100%1.00單面焊對接接頭100%0.90局部0

24、.85局部0.80本設計換熱器的焊接接頭形式為相當于雙面焊的全熔透對接接頭，局部無損檢測，故值為0.85。2.4厚度附加量C容器厚度附加量主要考慮介質的腐蝕裕量C2和鋼板的厚度負偏差C1。即：C=C1+C2。（1）腐蝕裕度腐蝕裕度主要是防止容器受壓元件由于均勻腐蝕、機械磨損而導致厚度削弱減薄。對于碳素鋼和低合金鋼，C2不小于1mm，由設計任務取腐蝕裕量C2=3mm。（2）鋼板厚度負偏差由于GB6654壓力容器用鋼板和GB3531低溫壓力容器用低合金鋼鋼板規定壓力容器專用鋼板的厚度負偏差不大于0.25mm，因此使用該標準中鋼板厚度超過5mm時（如20R、16MnR和16MnDR等），可取C1=0

25、。由于本設計材料為16MnR且厚度大于5mm。故鋼板厚度負偏差取C1=0。綜上厚度附加量C= C1+ C2=0+3=3mm。第三章 主要構件材質的選擇壓力容器材料費用占總成本的比例很大，一般超過30%材料性能對壓力容器運行的安全性有顯著的影響。選材不當，不僅會增加總成本，而且有可能造成壓力容器破壞的事故。因此，合理選材是壓力容器設計的關鍵之一。在進行換熱器設計時，對換熱器各種零、部件的材料，應根據設備的操作壓力、操作溫度、流體的腐蝕性能以及對材料的制造工藝性能等的要求來選取。當然，最后還要考慮材料的經濟合理性。一般為了滿足設備的操作溫度，即從設備的強度或剛度的角度來考慮，是比較容易達到的，但對

26、于材料的耐腐蝕性能，有時往往成為一個復雜的問題。如在這方面考慮不周，選材不妥，不僅會影響換熱器的使用壽命，而且也大大提高設備的成本。至于材料的制造工藝性能，是與換熱器的具體結構有著密切關系。換熱器的主要構件有殼體、管箱、封頭、法蘭、換熱管、管板、接管、支持板、拉桿、定距管、鞍座等。3.1 材料選用的一般原則3.1.1 材料的使用性能原則材料的使用性能是指材料在化工設備及其構件（零件）工作過程中所應具備的性能，包括材料的力學性能、化學性能和物理性能是不同的，有的要求高強度，有的要求耐腐蝕，有的要求耐高溫或耐低溫，有的要求高硬度耐磨損，有的要求高彈性等。即使同一構件，不同的零件要求的性能也不同，有

27、時同一個部件的不同部位所要求的性能也不同。因此在選材時，首先必須準確地判斷構件所要求的使用性能，然后再確定所選材料的主要性能指標以及具體數值并進行選材。有如下具體方法： （1）分析構件的工作條件，確定構件應具有的使用性能。 （2）通過失效分析，確定構件的主要使用性能。 （3）從構件使用性能要求提出對材料使用性能的要求。3.1.2 材料的加工工藝性能原則材料的加工工藝性能是指保證構件質量的前提下，對材料加工的難易程度。選材時也必須考慮材料的加工工藝性能的好壞，好的加工工藝性能不僅要求工藝簡單，容易加工，能源消耗少，材料利用率高、加工質量好、（變形小、尺寸精度高、表面光潔、組織均勻致密等），而且包

28、括加工后的構件在使用時有好的使用性能。3.1.3 材料的經濟性原則在滿足構件使用性能、加工工藝性能要求的前提下，經濟性也是必須考慮的主要因素。選材的經濟性不只是選用材料的價格，還要考慮構件生產的總成本，把材料費用同構件加工制造、安裝、操作、檢驗、維修、更換以及裝備壽命結合起來綜合考慮，進行總費用的成本核算，提高性能價比。另外，選材時還應同時考慮材料來源容易和符合國家的資源政策，這也是很重要的。3.2殼體、管箱、封頭殼體、管箱、封頭的材料和一般容器相同，材料要有一定的可塑性和可焊性。常見的材料有碳鋼、低合金鋼。碳鋼有一定的強度、良好的塑性、韌性和加工工藝性，特別是焊接性能良好，但強度較低，不如低

29、合金鋼。低合金鋼是在優質碳素鋼的基礎上加入少量的一種或多種合金元素，以提高鋼的屈服強度和改善綜合性能。用低合金高強度鋼代替普通碳素鋼，能減輕設備自重，節省鋼材，且用低合金鋼比用不銹鋼經濟。其中低合金鋼中的16MnR，具有良好的綜合力學性能和工藝性能，磷、硫含量略低于16Mn鋼，除抗拉強度和延伸率要求比普通16Mn鋼有所提高外，還保證有強的沖擊韌性，再加上切削加工冷沖壓性能良好，加工溫度較寬，使其成為我國目前用途最廣，用量最大的壓力容器專用鋼板。故殼體、封頭和管箱的材料選16MnR。3.3法蘭法蘭材料的選取通常與換熱器殼體材料一致。通常所用的鋼材有Q235、Q235F、16Mn、15MnV、20

30、等。因法蘭是主要的受力元件之一，故需有較高的強度，故選擇低合金鋼16Mn鍛件，它有如下特點：高的強度和屈強比，高韌度，良好的焊接性能和冷、熱加工性能，一定的抗腐蝕能力。3.4換熱管換熱管屬于壓力管道，壓力管道對材料性能有以下要求：足夠的強度，良好的塑性和韌性。良好的冷熱加工成形性能。與環境條件協調，有適應的耐熱性、耐腐蝕性、耐磨性等。一般對于無腐蝕性或腐蝕性不大的流體可采用10號鋼或20號鋼無縫鋼管；對于有腐蝕性的流體可采用不銹鋼、鋼、鋁等無縫鋼管。其中，10號鋼的強度和硬度較低，有良好的塑性和韌性，易模壓或擠壓成形，而20號鋼的強度較10號鋼高，其塑性、韌性和焊接等工藝性能都很好，在化工設備

31、和壓力容器中應用很廣泛。由設計任務書可知，管層走軟化水，屬于無腐蝕性介質，可從10號和20號鋼中選取，而設計壓力是0.25MPa，考慮到20號鋼的強度和硬度都比10號鋼高，故換熱管選取20號鋼管。3.5管板管板鍛件的常用材料是25號鋼、16Mn等。由于管板和殼程物料接觸，同樣要考慮到物料本身介質的腐蝕性，作為低合金鋼，16Mn鍛件可耐一定的腐蝕，而且其具有良好的綜合機械性能、焊接性能、工藝性能，故選用16Mn鍛件。3.6接管20號鋼的焊接性能好，強度高，選用20號鋼就可滿足要求。3.7支持板 支持板要求有足夠的力學性能和良好的焊接性能，又因殼程介質腐蝕性不大，故選取Q235A滿足要求。3.8拉

32、桿、定距管拉桿要求有足夠的強度和良好的焊接性，選擇Q235A可滿足要求。定距管要求有足夠的強度和良好的焊接性，選擇20號鋼滿足要求。3.9鞍座鞍座是換熱器受載元件之一，要求有足夠的強度和良好的焊接性能。故選取低合金鋼16MnR或碳素結構鋼Q235B都能滿足要求。第四章 換熱器各部分零件結構型式的選擇4.1換熱器結構型式的選擇換熱器有多種多樣的形式，每種結構形式都有其本身的結構特點和工作特性，有些結構形式，在某種情況下使用是好的，但是，在另外的情況下，卻不太合適，或根本不能使用。在選型時只有仔細分析所有的要求和條件，并根據生產工藝的具體情況，才能確定最佳的換熱器型式。在換熱器選型時，考慮的因素是

33、很多的，如材料、壓力、溫度差、壓力降、結垢的情況、流體的狀態、應用方式、檢修和清理等。由于本設計管層走汽油，殼程走軟化水，溫差很大，而且難免產生污垢，這就要求管程和殼程可以抽出來清洗，故選取浮頭式換熱器，而且其管束和殼體可以自由膨脹，適用于管、殼壁溫差較大的場合。4.2前端管箱、殼體和后端管箱結構型式的確定4.2.1前端管箱管箱結構有A型和B型，結構形式如圖4.1所示：（1）A型（平蓋管箱）這種管箱如圖4.1前端管箱形式中A，裝有管箱平蓋（或稱盲板），清洗管程時只要拆開盲板即可，而不必拆卸整個管箱和與管箱相連的管路，缺點是盲板結構用材多，且尺寸較大時得用鍛件，耗費大量機加工工時，提高制造成本，

34、增加一道密封的泄漏可能。一般多用于DN<900mm的浮頭式換熱器中。（2）B型封頭管箱型。見圖4.1中B的形式，用于單程或多程管箱，優點是結構簡單，便于制造，適于高壓，清潔介質，可省掉一塊造價高的盲板、法蘭和幾十對螺栓，且橢圓封頭受力情況要比平端蓋好得多，缺點是檢查管子和清洗管程時必須拆下連接管道和管箱。但這種形式用的最多。本設計在考慮了操作的方便，且考慮B型管箱的優點后，選取B型封頭管箱型為前端管箱。圖4.1 管箱形式4.2.2殼體 一般換熱器上使用單程殼體，因此可以選取單程殼體，代號為。4.2.3后端管箱 由于所設計是浮頭式換熱器，一般都會采用帶鉤圈的浮頭結構，所以此處選用代號為S的

35、鉤圈式浮頭管箱。4.3管束分程和分程隔板的布置4.3.1管束分程在設計中，如采用多管程，則需要在管箱中安裝分程隔板。分程時，應使各程管子數目大致相等，隔板形式要簡單，密封長度要短。為使制造、維修和操作方便，一般采用偶數管程。但程數不宜太多，否則隔板本身將占去相當大的布管用的面積，而且在殼程中形成許多旁路，影響傳熱。隨著程數的增加，換熱器的傳熱效率下降且與錯流傳熱接近。其中管束分程方法常采用平行和T形方式。4.3.2分程隔板的布置在換熱器中，不論是管外還是管內的流體，要提高它們的傳熱系數，通常是采用設置隔板的方法來增加程數以提高流體流速實現其目的。在設計時要求管箱隔板的密封面與管箱法蘭密封面，管

36、板密封面與分程槽面必須處于同一基面，如圖4.2所示圖4.2 管程隔板形式本設計管程隔板形式采用上圖中最常用的結構形式（a）。4.4換熱管4.4.1換熱管的長度根據鋼制管殼式換熱器GB151-1999規定，換熱管的長度推薦采用：1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、4.5、6.0、7.5、9.0、12.0m。本設計中選取換熱管長度為4.5m。4.4.2規格及尺寸偏差本設計換熱管采用20號碳鋼，根據鋼制管殼式換熱器GB151-1999規定，可選取其規格為，外徑偏差為 ±0.20mm，壁厚偏差為+12%、-10% mm。4.5布管傳熱管在管板上的排列有四種形式，如圖4.3所示。圖4.3

37、換熱管的排列方式三角形排列最為普遍，其在同一直徑管板面積上可排最多的換熱管數。其用于殼程介質較清潔，換熱管外不需清洗。當需對換熱管外清洗時，則需采用正方形排列，其最小清洗通道應不小于6毫米。正三角形排列和轉角正方形排列時，流體在垂直流向折流板缺口時正對換熱管，沖刷換熱管外表面，提高換熱效果。同時此二種排列方式較轉角三角形排列和正方形排列的流體流道截面較小，有利于提高流速，有利提高換熱效率。本設計是兩管程換熱器，基于多方面的考慮，故采用正三角形排列4.5.1換熱管中心距管板上兩傳熱管中心距離稱為管心距。管心距的大小主要與傳熱管和管板的連接方式有關，具體選用可見下表常用的管心距。表4.1 常用管心

38、距管外徑/mm管心距/mm各程相鄰管的管心距/mm192538253244324052384860 由于本設計選取了管的外徑為25mm，所以根據上表選取管心距為32mm。4.5.2最大排管圓的確定 浮頭式換熱器管板的最大布管圓直徑按右式計算DL=Di-2b+b2+b根據鋼制管殼式換熱器GB151-1999規定，選b=5，b2=14.5，b=4，則DL=Di-2b+b2+b=800-2 x（5+14.5+4）=753mm 4.5.3在管板上排管并確定換熱管數量 排管圖如下所示圖4.4 排管圖根據排管圖，實際選取換熱管數為498根。4.6管子與管板的連接換熱管與管板連接是管殼式換熱器設計、制造最關

39、鍵的技術之一，是換熱器事故率最多的部位。所以換熱管與管板連接質量的好壞，直接影響換熱器的使用壽命。換熱管與管板的連接方法主要有強度脹接、強度焊、脹焊并用。而其連接結構如下圖所示:圖4.5 換熱管與管板的連接結構強度脹接是為了保證換熱管與管板連接的密封性能及抗拉脫強度的脹接。脹接結構制造簡單，管子的更換和修補容易，所以應用較廣。一般使用的管板為碳素鋼，低合金鋼，管子為碳鋼，設計壓力不超過4.0MPa。管子和管板的強度焊目前采用廣泛，由于管孔不需開槽，而且管孔的粗糙度要求不高，管子端不需要退火和磨光，因此制造加工較方便。也不需要像脹接那樣一定得使管子端部和管板有硬度差，在高壓、高溫條件下可考慮選用

40、強度高的低合金管等。強度焊的結構強度高，抗拉脫力強，在高溫高壓下能保證連接處的緊密性和抗拉脫能力。隨著高溫、高壓換熱器的出現，使接頭在操作過程中，受到反復變形，熱沖擊，熱腐蝕及介質壓力作用，工作環境極其苛刻，發生破壞的可能性很大，盡管內孔焊較理想的解決了這些問題，但因焊接工具復雜，管板加工困難，因此工程上多數情況下還是采用脹焊結合的形式來解決上述問題。在本設計中考慮到焊接與脹接的各自的優缺點，所以采用脹焊并用中的強度焊貼脹的方法來作為換熱管與管板的連接方式，此方法主要的優點是既保證換熱管與管板連接的密封形，又保證了換熱管與管孔之間縫隙的拉脫力。總的來說此方法保證了較高的密封性能、能承振動和疲勞

41、載荷。4.7管板與殼體的連接管板與殼體的連接形式，分為兩類：一是不可拆式的，如固定式管板換熱器，管板與殼體是用焊接連接；一是可拆式的，如U形管式、浮頭式及填料函式和滑動管板式的換熱器，一般采用管板本身不直接與殼體焊接，而通過殼體上法蘭和管箱法蘭夾持固定，如下圖示： 圖4.6 管板與殼體的連接形式考慮到本設計為浮頭式換熱器，管束要拆卸進行清洗，使用可拆式管板，如上圖示，選用a形連接方式。此連接在制造上較其它5種形式要簡單，裝卸也比較方便，結構省材，質量輕。4.8折流板選擇 在本設計中換熱管長4.5m，采用直徑為25mm的換熱管，據表中查得其最大無支撐跨距為1.85m，故應設置支持板，來支撐換熱管

42、，以防止換熱管發生較大的撓度。同時支持板的形狀和尺寸與折流板一致，所以可根據折流板的種類選取。 常用的折流板和支持板的形式有弓形和圓盤-圓環形兩種，弓形折流板有單弓形、雙弓形和三弓形三種。大部分換熱器采用弓形折流板，其中單弓形折流板用的最多，而雙弓形和三弓形多用于大直徑和大流量場合，根據本設計的需要只需選用單弓形就滿足要求，故選取單弓形的折流板。折流板的布置：先確定離固定管板的第一塊支持板的距離，初步選定為450mm，其次均勻分布7塊折流板，間隔為600mm。管孔直徑取25.25mm。4.9拉桿、定距管、防沖板、擋板的選擇4.9.1拉桿的選擇因換熱管外徑為25mm，殼體公稱直徑為800mm，查

43、鋼制管殼式換熱器GB151-1999中的表43和表44可知，拉桿直徑為16mm，使用6根拉桿。其各參數如下圖和下表所示：圖4.7 拉桿表4.2 拉桿尺寸拉桿直徑d拉桿螺紋公稱直徑b101013401.5121215502.0161620602.0 根據拉桿直徑16mm，可選mm4.9.2定距管的選擇當換熱管外徑大于等于19mm時，定距管外經與換熱管相同，所以其尺寸選擇254.9.3防沖板的選擇當管程介質從進口管以軸向流入時，或者換熱管中的介質流速超過3m/s時，應設置防沖板，以使介質能均勻分布的流入管束以及防止其對換熱管端的沖刷。防沖板的形式一般有工字形、矩形和圓形。一般防沖板的邊長應大于接管

44、外徑50mm。防沖板最小厚度，碳鋼為4.5mm，不銹鋼為3mm。本設計選用的是工字形防沖板，其規格為。4.9.4擋板的選擇旁路擋板：公稱直徑在DN500mm范圍內的，應設置一塊旁路檔板4.10法蘭的選擇4.10.1接管法蘭的選擇接管法蘭類型的確定：HG管法蘭標準共規定了8種不同類型的管法蘭，法蘭的名稱代號及其結構見圖4.8圖4.8 法蘭類型根據設計任務書給出的管、殼程的壓力，選取帶頸對焊法蘭（WN100-1.6），如圖4.9。圖4.9 帶頸對焊法蘭由鋼制管法蘭、墊片、緊固件HG20592-97中表4-2帶頸對焊鋼制法蘭可查得 D=343mm,K=298mm,L=30mm,n=8,C=29mm,

45、H=102mm,N=219mm,12mm。4.10.2管箱法蘭的選擇就法蘭的承載能力而言，法蘭有3種類型，即甲型平焊法蘭、乙型平焊法蘭和長頸對焊法蘭。如下表所示。表4.3 法蘭種類類型平焊法蘭對焊法蘭甲型乙型長頸簡圖在本設計中選擇長頸對焊法蘭（FM500-1.6），見下圖，其優點是頸的根部較厚，而且與法蘭盤圓滑過渡，從而更有效地增加了法蘭的整體強度和剛度，另一方面，除去了平焊法蘭中短節與法蘭盤的連接焊縫，從而消除了存在焊接殘余應力的可能性。圖4.10 長頸對焊法蘭由壓力容器法蘭JB/T 4700-4703-2000中表查得長頸對焊法蘭（FM800-1.0）的參數： 4.10.3外頭蓋法蘭的選擇

46、外頭蓋法蘭與管箱法蘭的選型一樣，同為長頸對焊法蘭，故選取長頸對焊法蘭（FM900-1.0），查閱壓力容器法蘭JB4700-4703-2000其參數：4.10.4外頭蓋側法蘭的選擇外頭蓋側法蘭選擇與長頸對焊法蘭的型式一樣，其代號為側法蘭（T500-1.6），查閱JB4700-4721-92得其參數：4.10.5浮頭法蘭的選擇下圖為浮頭法蘭結構圖 4.11 浮頭法蘭根據鋼制管殼式換熱器GB151-1999的法蘭設計，選取法蘭外直徑為法蘭內直徑為4.11排液口和排氣口的選擇為了提高傳熱效率，排除或回收工作殘液（氣），凡不能借助其他接管排氣，排液的換熱器應在其殼程的最高，最低點分別設置排氣、排液接管，

47、排氣、排液接管的端部必須與殼體或管箱殼體內壁平齊。排氣口和排液口的大小一般不小于mm。臥式換熱器排氣、排液口多采用圖4.12的形式，設置的位置分別在筒體的上部和底部。 本設計為臥式放置，故采用圖4.12的形式。圖4.12 排氣與排液口4.12支座的選擇鞍式支座是臥式容器廣泛應用的一種支座。通常由數塊鋼板焊接制成，如下圖示。圖4.13 鞍座鞍座是由墊片、腹板、肋板和底板構成。墊板的作用是改善殼體局部受力情況。肋板的作用是將墊板、腹板和底板連成一體，加大剛性，一同有效地傳遞壓縮力和抵抗外彎矩。根據底板上螺栓孔形狀的不同，鞍座分成兩種型式，一種為固定鞍座，鞍座底板上開長圓形螺孔。另外一種為滑動鞍座，

48、鞍座底板上開長圓形螺孔。每臺設備一般均用兩個鞍座支承，并且采用一個固定鞍座和一個滑動鞍座。這是因為設備隨溫度的變化會產生熱脹冷縮，如果不讓設備有自由伸縮的可能性，則在器壁中將產生熱應力。根據JB/T 4712鞍式支座，其直徑范圍為DN1594000。對于同一個公稱直徑分輕、重型兩種結構型式，由于輕、重型支座的幾何尺寸和肋的個數有區別，因而就有不同的承載能力。輕型可以滿足一般容器的使用要求；重型可以滿足換熱器，介質比重較大的設備或長徑比較大的設備的使用要求。綜上所述，本設計采用120º包角重型帶墊板的BI型鞍式支座，其公稱直徑為800mm。固定和滑動鞍座各一個，其結構見下圖4.14。

49、根據JB/T 4712查得其主要參數為：鞍座高度；底板；腹板；筋板； 墊板弧長 螺栓間距圖4.14 BI型鞍式支座第五章 設計計算5.1換熱面積的校核本設計換熱管規格為，管長l=4.5m，由排管圖區實際換熱管數N=498根。管板厚度=50mm。則實際傳熱面積： (5-1)而任務書給出的傳熱面積S=160 m2則傳熱面積裕度： (5-2)傳熱面積裕度合適。5.2強度計算5.2.1管箱設計管箱選用16MnR鋼板，設計壓力P=0.5MPa， 設計溫度150，材料許用應力=170MPa，屈服強度=345MPa，取焊縫系數=0.85，腐蝕裕度=3mm。此時（Pc=P=0.5MPa）計算厚度 (5-3)設

50、計厚度 (5-4)名義厚度 ， (5-5)結合考慮開孔補強及結構需要取 有效厚度 (5-6)管箱在試驗溫度下的許用應力 (5-7)水壓試驗壓力： (5-8)水壓試驗校核： (5-9)因為 (5-10)水壓強度滿足要求。管箱端蓋選用標準橢圓形封頭，其參數跟管箱一致。 封頭計算厚度： (5-11)封頭名義厚度：=1.39+3=4.39圓整取：有效厚度：水壓試驗壓力與校核與管箱一致，同樣滿足強度要求5.2.2殼體設計殼體選用16MnR鋼板，設計壓力P=0.25MPa，設計溫度50，材料許用應力=170MPa，屈服強度=345MPa，取焊縫系數=0.85，腐蝕裕度=3mm，此時，=0.25計算厚度 設計厚度 名義厚度 ，結合考慮開孔補強及結構需要取有效厚度 管箱在試驗溫度下的許用應力水壓試