1、浮头式换热器设计毕业论文题 目 名 称浮头式换热器设计专 业 班 级装备601班目录中文摘要英文摘要前言11 热力计算21.1原始数据21.2定性温度和物性参数计算21.3初选结构31.4管程换热计算及流量计算31.5壳程换热计算51.6传热系数61.7管程压降71.8壳程压降81.9压强校核92 结构设计102.1换热流程设计102.2管子和传热面积102.3管子排列方式102.4壳体112.5管箱122.6固定管板132.7分程隔板132.8折流板142.9拉杆152.10进出口管152.11浮头箱162.12浮头162.13补强圈172.14法兰172.15支座193 强度校核213.1

　　2、管箱的强度校核及优化213.2壳体的强度校核及优化224 制造工艺及安装244.1制造工艺244.2安装与拆卸255 Solidworks绘出的实体模型27小结28参考文献29致谢30-浮头式换热器的设计中文摘要 摘要本次设计的题目为浮头式换热器。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2-4型，即

　　3、壳侧两程，管侧四程。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，之后对有些部件有限元软件ANSYS进行了强度校核并对结构进行了优化，*后提出一些制造与安装方面的问题。三维实体以及二维工程图均用solidworks绘出。关键词换热器；浮头；管壳 Design of floating head heat exchanger英文摘要Abstract：The topic of my study is the design of floating head heat exchanger. The floating head heat exch

　　4、anger 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 can expand without the restriction of the shell， it can avoid thermal stress. Another advantage i

　　5、s 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 2-4 is chosen to be the basic type， which has two segment in shell and four segment in tubes. Fi

　　6、rst， 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 that， the finite element analysis of the shell is completed employing ANSYS software and optima

　　7、l design result is given. Finally， some manufacture and installation issues are related. The 3-D and 2-D drawings are done using solidworks.Key words：heat exchanger；floating head；tube and shell -制造工艺及安装浮头式换热器的设计1 前言前言浮头式换热器是管壳式换热器系列中的一种，管壳式换热器以其对温度、压力、介质的适应性，耐用性及经济性，在换热设备中始终占有约70%的主导地位。因此管壳式换热器的标准化工

　　8、作为世界各工业发达国家所重视，也为ISO国际标准化组织的所重视。因此出现了TEMA、API660、JISB8249等一批管壳式换热器标准，ISO目前也正在与API联手并会同有关国家编ISO管壳式换热器标准。总的来说管壳式换热器主要由换热管束、壳体、管箱、分程隔板、支座等组成。换热管束包括换热管、管板、折流板、支持板、拉杆、定距管等。换热管可为普通光管，也可为带翅片的翅片管，翅片管有单金属整体轧制翅片管、双金属轧制翅片管、绕片式翅片管、叠片式翅片管等，材料有碳钢、低合金钢、不锈钢、铜材、铝材、钛材等。壳体一般为圆筒形，也可为方形。管箱有椭圆封头管箱、球形封头管箱和平盖管箱等。分程隔板可将管程及壳

　　9、程介质分成多程，以满足工艺需要。管壳式换热器主要有固定管板式，U型管式和浮头式换热器。针对固定管板式与U型管式的缺陷，浮头式作了结构上的改进，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。浮头式换热器的优点还在于方便拆卸，清洗方便，对于管子和壳体间温差大、壳程介质腐蚀性强、易结垢的情况很能适应。其缺点在于结构复杂、填塞式滑动面处在高压时易泄露，这使其应用受到限制，适用压力为：1.0Mpa6.4Mpa。 按照设计要求，在结构的选取上，为了增大温差校正系数，采用了2-4型，即壳侧两程管侧四程。首先，

　　10、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，在结构设计时，要考虑许多因素，例如传热条件、材料、介质压力、温度、流体性质以及便于拆卸等等。之后对有些部件用ANSYS进行了强度校核并进行对其优化设计。由于时间和资料有限，本人的认识也不够**，在设计过程中可能还存在许多问题，望老师们给予批评和指正。1 热力计算1.1原始数据水进口温度：=144水出口温度：=163水工作压力：P2=2MPa油进口温度：=175油出口温度：=155油工作压力：P1=1.6MPa壳体内径：DS=700mm管箱内径：DN=750mm换热管规格：19×3 L=

　　11、8m1.2定性温度和物性参数计算水的定性温度：（1）水的密度：2=913kg/m3水的比热：Cp2=4.32kJ/kg水的导热系数：k2=0.686W/m 水的粘度：2=168.8×10-6水的柏朗特数：Pr2=1.08油（柴油）的定性温度：（2）油的密度：1=715 kg/m3油的比热：Cp1=2.48 kJ/kg油的导热系数：k1=0.133 W/m油的粘度：1=6.4×10-4油的柏朗特数：（3）1.3初选结构管排列方式 ：分程隔板两侧正方形，其余三角形管子外径：d0=0.019m管子内径：di=d0-（2×3/1000）=0.013m（4）管长：L=8m管

　　12、间距：s=1.5d0=1.5×0.19=0.0285m（5）壳体内径：Ds=0.7m管束中心排管数：由公式（6）得Nc=22总管子数：由（7）得Nt=400选型：采用2-4型即双壳程四管程。1.4管程换热计算及流量计算试选传热系数：k0=240 W/m2（查表）传热面积：由（8）得F0=190.91 m2逆流平均温差：（9）参数：（10）（11）温差校正系数：按2壳程4管程查表得 有效平均温差：（12）设计传热量：（13）换热效率：取=0.98油流量：（14）水流量：（15）管程流通截面（按4管程）：（16）管程流速：（17）管程雷诺数：（18）管程换热系数：（19）1.5壳程换热计

　　13、算折流板的设计：纵向折流板中间分程，横向安置弓形折流板弓形折流板弓高：（20）折流板间距：（21）壳程流通截面：（22）壳程流速：（23）壳程量流速（24）壳程当量直径：（25）壳程雷诺数：（26）切去弓形面积所占比例：查图得（27）壳程传热因子：查图得管外壁温度：假定后再复核，设=160壁温下的粘度： （28）粘度修正系数：（29）壳程换热系数：（30）1.6传热系数水侧污垢热阻： m2/W油侧污垢热阻： m2/W管壁热阻：r忽略总传热热阻：（31）传热系数：（32）传热系数的比值： （33）合适管外壁热流密度：=4118W/m2（34）管外壁温度：=167.2（35）误差校核：=167.2

　　14、-160=7.2（36）误差不太大，不再重算。1.7管程压降壁温：=161.3（37）壁温下水的粘度：管程摩擦系数：查表得管子沿程压降：（38）回弯压降：（39）进出口管处质量流速：（40）进出管口处压降：（41）管程结垢校正系数：根据r2及193得 管程压降：（42）1.8壳程压降当量直径：（43）雷诺数：（44）壳程摩擦系数：查表得 管束压降：（45）管嘴处质量流量：（46）进出口管压降：（47）导流板阻力系数：取 导流板压降：（48）壳程结垢修正系数：查表取 壳程压降：（49）1.9压强校核管程工作压力，查表得壳程工作压力，查表得压强校核： 符合要求 符合要求2 结构设计2.1换热流程设

　　15、计采用2壳程4管程的2-4型换热器。由于换热器尺寸不大，可以用一台，未考虑采用多台组合使用。管程分程隔板采用丁字型结构，其主要优点是布管紧密。壳体分程采用纵向隔板。管程的分程隔板采用丁字型结构如图1所示，其主要优点是布管紧密。 图1 丁字形隔板2.2管子和传热面积换热管除要求具有足够的强度外，当采用胀管法固定时，还要求管子有良好的塑性，避免因胀接而产生裂缝。焊接固定时，要求管子可焊性好，一般采用优质碳钢，以保证管子质量，一般对于无腐蚀性或腐蚀性不大的流体可采用10号钢和20号钢管，在强腐蚀性流体的情况下，可采用不锈钢（189）、钢、铝等无缝管，在强腐蚀性流体的情况下，可采用石墨管、聚四氟乙烯管

　　16、等。由于水、油腐蚀性不大，故可采用碳钢，现选择20号钢的无缝钢管。根据设计要求采用的无缝钢管管子总数为400根。其传热面积为：2.3管子排列方式管子在管板上的排列方式，应力求均布、紧凑并考虑清扫和整体结构的要求。基本的排列方式有五种：等边三角形。其一边与流向垂直，是*常用的形式。与正方形排列相比传热系数高，可节省15%的管板面积。适用于不生污垢或可用化学清洗污垢以及允许压降较高的工况；转角三角形。三角形的一边与流向平行，其特点介于等边三角行和正方形两种排列之间，不宜用于卧式冷凝器，因下方管子形成的厚度越来越厚的凝膜会使传热削弱；正方形排列*不紧凑，但便于机械清扫，常用于壳程介质易生污的浮头式换

　　17、热器；同心圆排列。用于小壳径换热器时比正三角形排列还紧凑，靠近壳体的地方布管均匀。对于多管程换热器常采用组合排列法，每程均属正三角形排列，而各层面间呈正方形排列，以便于安排分程隔板。综合比较以上几种布管方式，可采用组合排列形式，中间正方形，其余三角形。布管位置如图2示。十字形的走廊是为了装设分程隔板，故有壳程流体的泄漏和旁流的问题，共有406个管孔，其中6个孔为安装拉杆用。图2 管子排列2.4壳体壳体材料除要满足一定的强度外，由于制造过程中经过卷板、冲压和焊接，故要求材料有一定的塑性和可焊性，一般采用含碳量较低的、等，现选用钢。壳体内径Ds=700mm 壳体壁厚：（50）为壳体工作温度下的许用

　　18、应力，已知壳程设计温度为220，则tw<220。根据碳钢板许用应力，表查得=167为焊缝系数，取=0.85，p1为工作压力，等于1.6MPac=2mm则实取，之后要用有限元分析软件ANSYS进行强度校核。2.5管箱2.5.1.封头根据压力容器设计规范采用材质为16MnR的标准椭圆封头，在满足强度要求的情况下，其壁厚可用以下公式计算：（51）已知管程设计温度为200，则tw80

　　23、mm就必须加开孔补强， 当壳体名义厚度小于或等于12mm时，接管Dg>50mm就必须加开孔补强，因此，对于Dg100的管箱接管和Dg150的壳体接管都必须进行开孔补强。在补强圈标准中规定了补强圈的尺寸，按标准尺寸Dg100的接管补强圈外直径D0=210mm，Dg150的接管补强圈外直径D0=300mm。补强圈的厚度可通过等面积补强法进行计算。这里不作具体计算，设定补强圈的厚度均为15mm。在后面用ANSYS进行强度校核时再对补强圈的厚度进行优化计算。2.14法兰2.14.1法兰密封面的型式压力容器和管道法兰联接中，常用的密封面型式有以下三种。1.平面型密封面密封表面是一个突出的光滑平面

　　24、（又称突平面）。这种密封面结构简单，加工方便，便于进行防腐衬里。但螺栓上紧后，垫圈材料容易往两侧伸展，不易压紧，用于所需压紧力不高且介质无毒的场合。2.凹凸型密封面它是由一个凸面和一个凹面所组成，在凹面上放置垫圈，压紧时，由于凹面的外侧有挡台，垫圈不会挤出来。3.榫槽型密封面密封面是由一个榫和一个槽所组成，在垫圈放在槽内。这种密封面规定不用非金属软垫圈，可采用缠绕式金属包垫圈，易获得良好的密封效果。它适用于密封易燃、易爆、有毒介质。密封面的凸面部分容易破坏，运输与装拆时都应注意。在选取密封面时综合考虑介质因素和装拆的因素，壳体法兰均采用凹凸面型密封面，管箱接管法兰采用平面型密封面，壳体接管法兰

　　25、采用凹凸型密封面。2.14.2壳体法兰壳体接管采用平颈对焊法兰，由于管箱、壳体、浮头箱直径都不一样，因此在选用法兰时，不能只按标准选取。如图6为壳体与浮头箱的对接法兰，DN=800mm的是按标准选取的，而DN=700的法兰是按DN800法兰螺栓孔的位置来设计其尺寸的，图6 凹凸面密封法兰大致尺寸如下:DN=800mm的法兰，D=960mm， D1=915mm，D2=876mm，D3=866mm，H=115mm， h=35mm，=48mm，1=16倒圆角R=12mm，螺柱孔径r=26，配M24的双头螺柱。DN=700mm的法兰，D=960mm，D1=915mm，D4=863mm， H=115mm

　　26、 h=35mm， =46mm，1=16，倒圆角R=12mm，螺柱孔径r=26，配M24的双头螺柱。其它的法兰装配尺寸见三维实体图。2.14.3接管法兰管箱接管采用平颈对焊法兰，如图示：图6 接管法兰设计尺寸按化工机械标准设计，其尺寸大致如下：管箱接管：DN=100 PN=2.5MPa时：N=132mm，K=190mm，D=235mm，H=66mm，H1=12mm，S=6mm，法兰厚度C=24mm螺栓孔直径L=22mm，配M20的螺栓8个壳体接管：DN=150 PN=1.6MPa时：N=132mm，K=190mm，D=285mm，H=61mm，H1=12mm，S=6.5mm，法兰厚度C=22m

　　27、m，螺栓孔直径L=22mm，配M20的螺栓8个另外，对焊时法兰要在颈部开坡口。2.15支座卧式设备一般采用两个鞍座。这是因为基础水平高度有可能不一致，如果使用多个支座，将会造成支座反力分布不均匀，从而引起设备的局部应力增大，因此采用两个支座。采用双支座时，一个鞍座为固定支座，地脚螺栓为圆孔；另一个鞍座为活动支座，地脚螺栓为长圆孔，配合两个螺母，**个螺母拧紧后，倒退一圈，然后再用第二个螺母锁紧。这样，可以使设备在温度变化是自由伸缩。如图示：图6 鞍式支座其主要尺寸为：h=200mm；l1=640mm；b1=150mm； =10mm； =8mm；l3=350mm；b3=120mm； =8mm；弧

　　28、长830mm；b4=200mm； =6mm；e=36mm；l2=460mm。支座的安放位置也有一定的标准，一般支座与壳体端面的距离A<0.2L，L为壳体的长度。3 强度校核3.1管箱的强度校核及优化在管程设计温度t=200下查得16MnR的许用应力t=170MPa。用ANSYS进行强度分析，首先按初步设计的结构建立模型，由于隔板两边的压强差不大，因此在建模时不作考虑，只对外壳进行分析（建模时封头顶端开口是为了划分网格以及计算的方便，不影响*终结果），分析结果如下：结果云图分析及优化1MNMXXYZ .......3981

　　29、36...058NODAL SOLUTIONSTEP=1SUB =1TIME=1SEQV (AVG)DMX =.SMN =.SMX =176.058*大应力为176.058MPa，大于其许用应力，出现在管箱接管与壳体相接的地方。说明=15mm的补强还不够。可加厚补强圈的厚度。1MNMXXYZ ..........55NODAL SOLUTIONSTEP=1SUB =1TIME=1SEQV (AVG)DMX =.SMN =.

　　30、5SMX =170.55将补强圈的厚度增加到20mm*大应力为170.55MPa，大于许用应力，*大应力仍出现在管箱接管与壳体相接的地方，但*大应力已经不是很大，因此，下一次增加加强圈厚度不应太大。1MNMXXYZ ....0474......993NODAL SOLUTIONSTEP=1SUB =1TIME=1SEQV (AVG)DMX =.SMN =.SMX =167.993将补强圈厚度增加到22mm*大应力为167.993MPa，另外，筒体与封头相接的地方应力不算太集中，因此符

　　31、合要求。 3.2壳体的强度校核及优化在壳程设计温度t=220下查得16MnR的许用应力t=167MPa。首先简化模型，在壳体内只有接管处会应力集中，接管的位置也会影响壳体的应力分布，而法兰上的应力一般不会很大，因此，只用建立接管处的模型，分析结果如下：结果云图分析及优化1MNMXXYZ ..........044NODAL SOLUTIONSUB =1TIME=1SEQV (AVG)DMX =2.298SMN =.SMX =211.044*大应力为211.044MPa，出现在管

　　32、箱接管与壳体相接的地方。由于*大应力比许用应力大很多，原因是壳体接管的管径较大，接管处应力比较集中，即使增加加强圈厚度，也很难使*大应力值降到许用应力之下，因此考虑增加壳体的厚度。1MNMXXYZ ..........905NODAL SOLUTIONSTEP=1SUB =1TIME=1SEQV (AVG)DMX =25.311SMN =.SMX =177.905将壳体厚度加到12mm，加强圈厚度加到20mm。*大应力为177.905MPa。仍高于叙用应力，还要适当调整壳体壁厚以及

　　33、加强圈的厚度。1MNMXXYZ 1..........408NODAL SOLUTIONSTEP=1SUB =1TIME=1SEQV (AVG)DMX =9.77SMN =1.852SMX =165.408将壳体体厚度增加到13mm，加强圈厚度加到25mm。*大应力为165.408MPa，符合要求。4 制造工艺及安装4.1制造工艺4.1.1封头的成形封头的成形方法主要有冲压成形，旋压成形和爆炸成形，其中后面两种方法适用大型封头的成形，且爆炸成形对操作环境的要求比较高，因此，对于公称直径不是很大的封头

　　34、通常都采用冲压成形。按照冲压前毛坯是否预先加热又分为冷冲压和热冲压，其选择的主要依据如下：.材料的性能。对于常温下塑性较好的材料，可采用冷冲压；对于热塑性较好的材料可采用热冲压。依据毛坯的厚度与毛坯直径D0之比即相对厚度/D0来选择冷、热冲压（参见表1）表1 冷冲压和热冲压选择依据冲压状态碳素钢、低合金钢合金钢、不锈钢冷冲压/D0×1000.5/D0×1000.7热冲压/D0×1000.5/D0×1000.7根据以上依据，本设计中的封头均采用热冲压成形。热冲压过程中，加热温度也应根据不同的材料的性质来选取，查常用封头材料的加热规范表，对于16MnR加热

　　35、温度应1050，终压温度应850。封头的冲压形成通常是在t的水压机或油压机上进行。4.1.2筒节的弯卷成形管箱的筒体、壳体的筒体以及浮头箱的筒体都是在卷板机上弯卷而成的。根据板材的材质、厚度、弯曲半径、卷板机的形式和卷板能力，实际生产中筒节的弯卷可分为冷卷和热卷。由于热卷可以防止冷加工硬化的产生、提高塑性和韧性，不产生内应力，管箱的筒体、壳体的筒体以及浮头箱的筒体均选用热卷成形。热卷成形也要注意控制加热温度和加热速度。常用的卷板机有三辊卷板机、四辊卷板机和立式卷板机。这里采用三辊卷板机，与其它类型卷板机相比，其结构简单价格便宜，应用很普遍。选用的卷板机的主要参数见下表：表2 卷板机

　　36、规格规格*大板厚×*大宽度/mm上辊直径/mm下辊直径/mm下辊中心距/mm卷板速度/ms-1下辊升降速度/ms-1主电动机功率/kW下辊升降机功率/kW40×.×2卷板机可卷制的*小筒直径Dmin=650mm。4.1.3其它其它零部件的制造和加工均按图纸要求，在此不一一列举。4.2安装与拆卸设计中要考虑到安装问题，各零部件的结构不能影响整个装配体的安装，对于浮头式换热器，设计的初衷是可以拆下管束进行清洗。因此也要考虑到拆卸的问题，其安装步骤可概述如下：**步：焊接部件 将所有的焊接部件进行焊接，包括管箱，壳体，浮头箱

　　37、碟形盖，支座等；第二步：安放折流板 将拉杆的一个螺纹端拧入固定管板的螺纹孔，6根拉杆都装好，然后每套入一组定距杆再装一组折流板，依次把折流板装在拉杆上，直到*后两块折流板装上后用螺母套在拉杆的另一个螺纹端拧紧固定；第三步：安装管子将管子沿折流板的孔一根根穿入，并在固定管板上进行胀接。另一端装上浮动管板并进行胀接；第四步：安装壳程隔板 先将壳程隔板两侧的偏心杆机构装好，将壳程隔板从管束侧面装入并将一头插入固定管板上安装隔板的槽中；图7 安装示意图第五步：安装壳体 将焊接好的壳体从浮动管板的那一端套入，使之前装好的组件（如图7示）完全装入壳体内，在壳程隔板的伸出端扭动偏心杆的摇柄使隔板两侧的密封填料挤紧，从而达到壳程的分程密封；第六步：安装管箱 在固定管板端接已焊接好的管箱，将管箱法兰与壳体法兰对接用双头螺柱连接。在浮头端装上钩圈法兰和碟形盖，（钩圈法兰由两个半圆形构成，使其安装方便）用双头螺柱连接；第七步：安装浮头箱 将浮头箱法兰与壳体法兰对接用双头螺柱连接；第八步：安装支座 将支座焊接到壳体上。如果要拆下管束进行清洗，将第四、五、六步反过来操作即可。折流板是不能拆下的。5 Solidworks绘出的实体模型参考文献总结通过六个月的辛苦努力，我的毕业设计终于圆满完成。虽然做的过程很辛苦，但是看

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