【導讀】本次設計的題目為汽提塔冷凝器。我設計成浮頭式換熱器。浮頭式換熱器是管殼式換熱器系列中的一種，它的特點。是兩端管板只有一端與外殼固定死，另一端可相對殼體滑移，稱為浮頭。熱應力，另外浮頭式換熱器的優(yōu)點還在于拆卸方便，易清洗。在化工工業(yè)中應用。本文對浮頭式換熱器進行了整體的設計，按照設計要求，在結構的選。取上，采用了1-2型，即殼側一程，管側兩程。首先，通過換熱計算確定換熱面。積與管子的根數(shù)初步選定結構。構設計，之后對各部分進行校核。管程為、殼程為，工作溫度管程為61℃、殼程為80℃。器的結構及計算方法，了解了浮頭式化熱器的制造要求及安裝過程。經驗不足和水平有限，一定存在缺點甚至錯誤之處，敬請老師批評指正。KEYWORDS：HEATEXCHANGER；FLOATINGHEAD；TUBE-SIDE；SHELL-SIDE

　　

【正文】 700 200 短節(jié)部分的厚度同封頭處厚度，為 10mm。 開孔補強計算 在該臺浮頭式換熱器上，殼程流體的進出管口在殼體上，管程流體則從前端管箱進入，而后端管箱上則有排污口和排氣口，因此不可避免地要在換熱器上開孔。開孔之后，出削弱器壁的強度外，在殼體和接管的連接處，因結構的連接性被破壞，會產生很高的局部應力，會給換熱器的安全操作帶來隱患。因此 此時應進行開孔補強的計算。 由于管程出入口公稱直徑均為 65mm，按照厚度 系列 ，可選接管的規(guī)格為576?? ；而殼程進口 公稱直徑均為 200mm，出口 公稱直徑均為 200mm， 按照厚度系列 ，可選接管的規(guī)格 分別為 8219?? ， 為接管的材料選為 20號鋼。 本科生畢業(yè)設計（論文） 18 殼體上開孔補強計算 1. 補強及補強方法判別： 1 補強判別：根據(jù) GB150 表 81，允許不另行補強的最大接管外徑是89mm? ， 殼程 進口 開孔外徑為 200mm，因此需要另行考慮其補強。 其余開孔外徑因不大于 89mm，故不需要另行考慮其補強。 ②開孔直徑 2 2 0 1 2 2 2 0 5 3 0 02 ii Dd d C m m m m? ? ? ? ? ? ? ?， 滿足等面積法開孔補強計算的適用條件，故可用等面積法進行開孔補強計算。 2 開孔所需補強面積計算： 強度削弱系數(shù) ? ?? ? 137 170tnr tf m m??? ? ?； 接管有效厚度 9 2 7e t nt C m m??? ? ? ? ?； 開孔所需補強面積按下式計算： 22 (1 )205 2 7 (1 )394 .7 。e t rA d fmm? ??? ? ?? ? ? ? ? ? ?? 3 有效補 強范圍 ①有效寬度 B： 2 2 2 0 5 4 1 0m a x 4 1 02 2 2 0 5 2 6 2 9 2 3 5hh h n n td m mB m md m m??? ? ???????? ? ? ? ? ? ? ??? ②有效高度： （ a）外側有效高度 1h 為： 12 0 5 9 4 3m in 4 3200h n thd m mh m mmm???? ? ? ???????????； （ b）內側有效高度 2h 為： 22 0 5 9 4 3m in 00h n thd m mh m mmm???? ? ? ???????????； 4 有效補強面積 本科生畢業(yè)設計（論文） 19 ①殼體多余金屬面積： 殼體有效厚度： 6 3 3 。en C m m??? ? ? ? ? 則多余的金屬面積 1A 為： 12( ) ( ) 2 ( ) ( 1 )( 4 1 0 2 0 5 ) ( 3 0 .8 ) 2 7 ( 3 0 .8 ) ( 1 0 .8 0 6 )4 4 5 。h h h he h e t he h r hA B d fmm? ? ? ? ?? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? ②接管多余金屬面積： 接管計算厚度： ? ? 21 . 1 2 0 1 0 . 8 12 1 3 7 1 1 . 12 cit t d mm? ? ? ?? ? ?? ? ?? ? ?； 接管多余金屬面積 2A ： 2 2 1 2 222 ( ) 2 ( )2 43 ( 7 ) 0429 .1 。h e t t r e t rA A h f h C fmm? ? ?? ? ? ? ?? ? ? ? ? ?? ③接管區(qū)焊縫面積（焊腳取為 6mm）： 23 12 6 6 3 62A m m? ? ? ? ?； ④有效補強面積： 21 2 3 4 4 5 4 2 9 .1 3 6 9 0 1 .1eA A A A m m A? ? ? ? ? ? ? ? 由此可知已 經達到了補強 要求，無需另行補強 。 水壓試驗及殼體強度的校核 水壓試驗壓力： ? ?? ? MP aPPtct ????? ?? 根據(jù)文獻 《 化工原理課程設計 》 489 有： MP aDP e eit )(2 )( ??? ?????? ? ?? 本科生畢業(yè)設計（論文） 20 而 MP aKDPeeitTF )(2 )( )( ??? ?????? ? ?? 式中： K— 應力增強系數(shù)或形狀系數(shù)，對橢圓形封頭取 K=1 tP — 內壓容器的試驗壓力 t? — 水壓試驗時筒體的壁內應力 TF? — 水壓試驗時封頭（管箱）的壁內應力 根據(jù)文獻 《 化工設備機械基礎 》 表 87，可知所選用的 16MnR 板材在常溫下時： Mpas 345?? 則有 M P as ?????? 式中： s? — 16MnR 在常溫下時的許用應力 則 ? ﹤ 246MPa， TF? ﹤ 246MPa 可見筒體和封頭在水壓試驗時均安全。 換熱管 換熱管的規(guī)格為 19 2??，材料選為 20 號鋼。 換熱管的排列方式 換熱管在管板上的排列有正三角形排列、正方形排列和正方形錯列三種排列方式。各種排列方式都有其各自的特點：①正三角形排列：排列緊湊，管外流體湍流程度高；②正方形排列：易清洗，但給熱效果較差；③正方形錯列：可以提高給熱系數(shù)。 在此，選擇正方形排列，主要是考慮這種排列便于進行機械清洗。 查 GB1511999 可知 ， 換熱管的中心距 S=25mm，分程隔板槽兩側相鄰管的中心距為 35mm；同時，由于換熱管管間需要進行機械清洗，故相鄰兩管間的凈空距離（ Sd）不宜小于 6mm。 布管限定圓 LD 布管限定圓 LD 為管束最外層換熱管中心圓直徑，其由下式確定： 本科生畢業(yè)設計（論文） 21 12()LiD D b b b? ? ? ? 查 GB1511999 可知， b=5， b1=3， bn=12，故 b2= bn+=，則 600 ( 3 5 ) 578 .5LD mm? ? ? ? ?。 排管 排管時須注意：拉桿應盡量均勻布置在管束的外邊緣，在靠近折流板缺邊位置處布置拉桿，其間距小于或等于 700mm。拉桿中心至折流板缺邊的距離應盡量控制在換熱管中心距的（ ～ ） 3 范圍內。 多管程 換熱器其 各程管數(shù)應盡量相等，其相對誤差應控制在 10%以 內，最大不能超過 20%。 相對誤差計算： m in ( m a x ) 100%cpcpNNN N???； 其中： cpN —— 各程的平均管數(shù)； min(max)N —— 各程中最小或最大的管數(shù)。 實際排管如下所示： 由上圖可知，經過實際排管后發(fā)現(xiàn)，每個管程的布管數(shù)目分別是 72， 72，而各管程的平均管數(shù)為 72，因此可知各程管數(shù)的相對誤差是： m i n ( m a x ) 7 2 7 11 0 0 % 1 0 0 % 1 . 3 % 2 0 %72cpcpNNN N? ?? ? ? ? ? ? 換熱管束的分程 在這里首先要先提到管箱。管箱 作用是把從管道輸送來的流體均勻地分布到換熱管和把管內流體匯集在一起送出換熱器，在多管程換熱器中管箱還起改變流體流向的作用。 本科生畢業(yè)設計（論文） 22 由于 所選擇的換熱器 是 4 管程，故管箱選擇為多程隔板的安置形式。 而對于換熱管束的分程， 為了接管方便，采用平行分法較合適，且平行分法亦可使管箱內殘液放盡。 管板設計 管板是管殼式換熱器最重要的零部件之一，用來排布換熱管，將管程和殼程的流體分 隔開來，避免冷、熱流體混合，并同時受管程、殼程 壓力和溫度的作用。由于流體只具有輕微的腐蝕性，故采用工程上常用的 16MnR 整體管板。 管板與殼體的連接 由于浮頭式換熱器要求管束能夠方便地從殼體中抽出進行清洗和維修，因而換熱器固定端的管板采用可拆式連接方式，即把管板利用墊片夾持在殼體法蘭與管箱法蘭之間。 管板計算 符號說明： dA —— 在布管區(qū)范圍內，因設置隔板槽和拉桿結構的需要，而未能被換熱管支承的面積， 2mm ，對正方形排列 ， 39。 ()dnA n S S S??； 39。n —— 隔板槽一側的排管根數(shù)； S —— 換熱管中心距； nS —— 隔板槽兩側鄰管的中心距； tA —— 管板布管區(qū)面積， 2mm ；對多管程正方形排列換熱器， 2tdA n S A??； lA —— 管板布管區(qū)內開孔后的面積， 2mm ；24lt dA A n ??? ； a —— 一根換熱管管壁金屬的橫截面積， 2mm ； GD —— 固定端管板墊片壓緊力作用中心圓直徑， mm ；根據(jù)所選的墊片的尺寸，且選擇其壓緊面型式為 GB150 表 91 的 1a，可知密封面寬度 本科生畢業(yè)設計（論文） 23 0 6 6 5 6 2 5 1 0 6 . 422Nb m m m m?? ? ? ?；則 02 .5 3 2 .5 3 1 0 8 6 .4b b m m m m? ? ? ? ?，故 665 2 8 649GD m m? ? ? ?； tD —— 管板布管區(qū)當量直徑， mm ，4 tt AD ?? ； d —— 換熱管外徑， mm ； pE —— 設計溫度時，管板材料的彈性模量， Mpa； fE —— 設計溫度時，換熱管材料的彈性模量， Mpa； weG —— 系數(shù)，按11 23aKP和 1t? 查 GB151 圖 24； tK —— 管束模 數(shù)， Mpa；tttEnaK LD?； tK —— 管束無量綱剛度， Mpa；ttpKK E??； L —— 換熱管有效長度（兩管板內側間距）， mm ； l —— 換熱管與管板脹接長度或焊腳高度， mm ； n —— 換熱管根數(shù)； aP —— 無量綱壓力， ? ?da trPP ???； cP —— 當量壓力組合； Mpa； dp —— 管板設計壓力， Mpa； sp —— 殼程設計壓力， Mpa； tp —— 管程設計壓 力， Mpa； q —— 換熱管與管板連接拉脫力， Mpa； ??q —— 許用拉脫力，查 GB151， Mpa； 本科生畢業(yè)設計（論文） 24 ? —— 系數(shù)， 1naA?? ； ? —— 管板計算厚度， mm ； t? —— 換 熱管管壁厚度， mm ； ? —— 管板剛度削弱系數(shù)，一般可取 ? 值； ? —— 管板強度削弱系數(shù)，一般取 ?? ； t? —— 系數(shù)，ttGDD??； t? —— 換熱管軸向應力， Mpa； ??cr? —— 換熱管穩(wěn)定許用壓應力， Mpa； ??tr? —— 設計溫度時，管板材料的許用應力， Mpa；； ??tt? —— 設計溫度時，換熱管材料的許用應力， Mpa； 管板厚度計算過程如下： 1．管板名義厚度計算 ： 39。 39。39。222 19 25 ( 35 25 ) 10 19 25 ( 35 25 )57000d d dA A Amm??? ? ? ? ? ? ? ? ? ??； 228 8 25 57 00 0 23 70 00tA ? ? ? ?； 23 . 1 4 2 02 3 7 0 0 0 2 8 8 1 4 6 5 6 84lA ?? ? ? ?； 2 2 2 2 23 .1 4( ) ( 2 0 1 6 ) 1 1 3 .0 444oia d d m m?? ? ? ? ? ?； 28 8 11 3. 04 32 55 5. 5na ? ? ?； 3 2 5 5 5 .5 0 .2 2 2146568? ??； 4 2 3 7 0 0 0 5 4 9 .53 .1 4tD m m???； 本科生畢業(yè)設計（論文） 25 47649t? ??； 1