浮头式换热器课程设计说明书

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1.方案确定

选择换热器的类型

浮头式换热器：主要特点是可以从壳体中抽出便于清洗管间和管内。管束可以在管内自由伸缩不会产生热应力。

1.1 换热面积的确定

根据《化工设备设计手册》选择传热面积为 400m 2

1.2 换热管数N 的确定

我国管壳式换热器常用碳素钢、低合金钢钢管，其规格为φ19× 2、φ25× 2.5、φ32× 3、φ38 × 3、φ57 × 3.5 等，不锈钢钢管规格为φ19 × 2、φ25 × 2、φ32 × 2、φ38 × 2.5、φ57 × 2.5。

换热管长度规格为1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、4.5、6.0、7.5、9.0m 等。换热器换热管长度与公称直径之比，一般在 4～25 之间，常用的为 6～10。管子的材料选择应根 据介质的压力、温度及腐蚀性来确定。

选用32×3mm 的无缝钢管，材质为 0Cr18Ni9，管长为 6000mm

n=A/πd 0L 3-5

式 3-5：n —换热管数 A —换热面积m 2

d0—换热管外径mm L —换热管长度mm

故 -3-3

400

n=

=6133.1432600010

??10??根

表1.1 拉杆直径 /mm

表1.2 拉杆数量

换热器公称直径DN/mm

400＜d400≤d＜700700≤d＜900900≤d＜2600 44810

拉杆需 10根。

1.3 换热管的排布与连接方式的确定

换热管排列形式如图 3.1 所示。换热管在管板上的排列形式主要有正三角形、正方形和转正三角形、转三角形。正三角形排列形式可以在同样的管板面积上排列最多的管数，故用的最为广泛，但管外不易清洗。为便于管外便于清洗可以采用正方形或转正方形的管束。

换热管中心距要保证管子与管板连接时，管桥有足够的强度和宽度。管间需要清洗时还要留有进行清洗的通道。换热管中心距宜不小于 1.25 倍的换热管的外径。换热管排列形式如图 1.1 所示：

正三角形转角三角形

正方形转角正方形

图 1.1 换热管排列形式

图 1.2 管子成三角形排列

本换热器采用正三角形排列,由表 1.3,取管间距 a=40mm。

表1.3换热管中心距 (mm)

换热管外径 d14192532384557

换热管中心距 S19253240485772

换热器的主要设计参数如下：

表1.4设计参数表

工作压力（MPa） 1.0 1.6

设计压力（MPa） 1.1 1.76

腐蚀裕度（mm） 1.0 1.0

材质Q235-B Q235-B

2. 换热器壳体壁厚的设计计算

压力容器选材：

本设备为冷凝器，由于设计压力在低范围内，工作温度不高，介质为乙烯，所以选用

Q235-B 材料，且满足其使用要求。一般来说，换热器的壳体和管箱公称直径大于等于 400mm 时，其筒体使用板材卷制。当换热器的公称直径小于 400mm 时，其筒体使用管材制。由于本次设计的换热器直径为 1200mm，所以我选用板材卷制的筒体。

2.1 壳程壁厚的设计计算

1. 名义壁厚计算

p

=

2[]

c i

t

c

D

p

σφ

δ

-

4-1查表得[σ]t=170MPa

取设计压力p =1.1×1.6=1.76 MPa

故

1.7600

=

=7.3521700.85 1.76

mm σ?12??-

n 12=+C C δδ+

故 n 12=+7.350.819.15C C mm δδ+=++=

按照GB151-89对固定管板式换热器最小壁厚的规定，取12mm 。 2.有效壁厚计算e δ 12=120.8110.2e n C C mm δδ--=--= 3.最小壁厚计算,min n δ

对于合金钢容器，规定最小壁厚不能小于2mm 。

,min min 2=+C 224mm n δδ=+=

min ,min >n δδ

所以壳程的名义厚度取12mm 合格。 2.2 管箱壁厚设计计算

换热器的管箱封头一般为椭圆形或平盖形。平盖容易拆卸，维修关程时不必拆卸管道。 一般大直径压力高，检修情况允许时，倾向于使用平盖。在压力不高的情况下，换热器直 径小于等于900mm 时，用椭圆形封头；换热器直径大于900mm ，通常使用平盖。因为本换热器直径为 1200mm,所以选用椭圆形封头。 1. 名义壁厚计算

管箱选材为Q235-A ，有参考文献[4]公式4-2

=

2[]c i

t c

p D p δσφ- 4-2

式4-4：δ—管箱计算壁厚，mm

i D —圆筒内径，mm

查得[σ]t =170MPa

φ—焊缝系数，焊缝采用双面焊，局部无损探伤，取φ= 0.85 取设计压力 p=1.76MPa

故 1.761200

=

7.3521700.85 1.76

mm δ?=??-

n 12=+C C δδ+

查得：10.8mm C = 21mm C =

故 12=+C 7.350.81=9.15n C mm δδ+=++ 按照GB151-89对固定管板式换热器最小壁厚的规定，n δ取12mm 。 2. 有效壁厚计算e δ 12=120.8110.2e n C C mm δδ--=--= 3.最小壁厚计算,min n δ

对于碳素钢容器，规定最小壁厚≤3mm。

,min min 2325n C mm

δδ=+=+=

min ,min n δδ>

所以管箱的名义厚度取12mm 合格。 4.管箱水压试验较核:

由参考文献[4]知,内压容器水压试验公式：

i (+)2T e T e

P D δσδ=

对于内压容器 []

1.25p []T T c

t

p σσ= 式 4-6： c p —取壳程与管箱中计算压力较大者，即c p =1.76MPa

[]t σ

—设计温度下材料的许用应力，MPa 。由于壳程与管箱采用相同的材料，所以

[σ]t =[σT ]

故 =1.25 1.76=2.2T p MPa ? 所以 2.2(120010.2)

130.5a 210.2

T MP σ?+=

=?

0.9=0.92350.85=179.8s MPa σφ??

因为<0.9T s σσφ

所以该换热器壳体水压试验合格。 2.3封头的选择及计算

容器封头又称端盖,按其形状可分为三类：凸形封头、锥形封头、平板形封头。其中 凸形封头包括半球形封头、椭圆形封头、碟形封头（或称带折边的球形封头）和球冠封头 （或称无折边球形封头）四种。 1.球形封头

从受力分析来看，球形封头是最理想的结构形式。但缺点是深度大，当直径较小时，整体冲压困难，大直径采用分瓣冲压其拼焊工作量也大。半球形封头常用在高压容器。如下

图所示：

2.椭圆形封头

椭圆形封头是由椭圆面和短圆筒组成，直边段的作用是避免封头和圆筒的连接焊缝处出现经向曲径半径突变，以改善焊缝的受力状况。由于封头的椭圆部分经线曲率变化平滑连续，所以应力分布比较均匀，且椭圆形封头深度较半球形深度封头小得多，易于冲压成型，是目前中、低压容器中应用最为普遍的封头之一。如下图所示：

3.平盖

在理论分析时平板的周边支承被认为固支或简支，但实际上平盖与圆筒连

接时，真实的支承既不是固支也不是简支，而是介于固支和简支之间。平盖的集合形状包 括圆形、椭圆形、长圆形、矩形及正方形等几种，平盖的最大应力既可能出现在中心部位， 也可能在圆筒与平盖的连接部位。

比较以上几种封头形式，选用标准椭圆形封头，为了便于焊接封头及经济性要求，

Q235-B 。容器设计压力 P≤1.6MPa；使用温度在0 ~350℃ ；壳体厚度小于16mm 。不得用于 盛装液化石油气介质以及毒性程度为高度或极度危害介质。采用材料为 Q235-B 。 1.封头名义壁厚计算 由参考文献[4]得

=

2[]0.5c i

t c p D p δσφ-

上式中

[σ]t —设计温度下材料的许用应力，MPa

查得[σ]t =170MPa

φ—焊缝系数，焊缝采用双面焊，局部无损探伤，取φ= 0.85

取设计压力 p=p w =1.76MPa

故 1.761200

=

7.3321700.850.5 1.76

mm δ?=??-?

n 12=+C C δδ+

n 12=+=7.33+0.8+1=9.1C C mm δδ+ 按照GB151-89对固定管板式换热器最小壁厚的规定，δn 取12mm 。 2.有效壁厚计算δe

e 12=120.8110.2n C C mm δδ--=--=

3.最小壁厚计算δn , min

对于碳素钢容器，规定最小壁厚不能小于3mm 。

δn,min =δmin =3+2=5mm

δmin >δn,min

所以封头的名义厚度取12mm 合格。 4.封头的选择

查参考文献[5]，封头DN1200×12mm，曲面高度 h 1 =100mm ，直边高度 h 2 =25mm 。结构尺寸如下表所示：

表2.2封头尺寸 （mm ）

公称直径DN

曲面高度h1

直边高度h2

厚度δ 1200

125

25

12

2.4壳体水压试验校核

由参考文献[4]知,内压容器水压试验公式：

()

=

2T i e T e

p D δσδ+

对于内压容器 []

=1.25[]

T T c

t

p p σσ [σ]t —设计温度下材料的许用应力，MPa 。由于壳程与管箱采用相同的材料，

所以[σ ]t =[σ]

故 p T =1.25×1.76=2.2MPa

所以

故 0.9σs φ=0.9×235×0.85=179.115MPa

因为 σT <0.9σsφ

所以该换热器壳体水压试验合格。

3.密封装置设计及选型

3.1 法兰的选型与设计

法兰联接是作为容器的筒体与封头、筒体与筒体、管道间、管道与阀门管件等的可拆性联接。它是由一对法兰、数个螺栓、螺母和一个垫片组成。由于强的密封性能和较好的强度，

2.2(1200+10.2)

=

=130.5210.2

T MPa

σ??

故应用广泛。缺点是不能快速拆卸，制造成本较高。

常见的整体法兰形式有两种即平焊法兰和对焊法兰。平焊法兰结构能保证壳体与法兰同时受力，使法兰厚度可适量减薄，但会在壳体上产生较大应力，适用于（PN≤4.0MPa）的低压容器。甲型平焊法兰与乙型平焊法兰的区别在于乙型平焊法兰有一个壁厚不小于16mm 的圆筒形短节，因而乙型平焊法兰的刚性比甲型平焊法兰好，甲型法兰在（PN≤0.6MPa）时，适用的容器直径范围为（DN=300~1200），乙型法兰性能更优。由于本次设计的换热器压力低，属于一类容器DN=1200mm，所以选用甲型平焊法兰。

3.2.法兰压紧面的选择

凹凸面（如图 5-2）安装时易于对中，还能有效地防止垫片被挤出压紧面，适用于 pN ≤6.4MPa 的容器法兰和管法兰。

综上所述，选用凹凸面压紧面。如图 3.1：

图 3.1 法兰

（1）法兰材料选用Q235-A，许用应力为:[σ]

= 170MPa，[σ]t=170MPa。

f

其中：

—常温下法兰的许用应力，MPa；

[σ]

f

[σ]t —设计温度下法兰的许用应力，MPa。

（2）法兰力矩

由前面法兰尺寸可知: