摘 要

换热器自改革开放以来在我国多个设备领域的发展中开始占据越来越重要的地位，在历史长河中一直根据前辈的经验以及现代人才的创新去发展、进步。现阶段已出现很多不同型式的换热器。

这次毕业设计的内容是实现原油与柴油的之间的换热，达到柴油的热能再利用的目的。考虑到社会、健康、安全、法律及环境等制约因素，通过多方面的比较最终选择为浮头式换热器。这次设计过程主要分为两个重要环节，一是换热器传热面积方面的设计与核算；二是换热器强度方面的设计计算，包括强度的核算、选材等多个方面。总体设计思路为通过工艺计算首先确定出换热介质的走向问题，然后通过计算换热面积选择出最适合对应设计参数下的排管方式等，最后根据设计进行合理的布局与强度方面的核算等。前面涉及的工艺计算是一个试算过程，通过试算、分析、对比最终得出最中方案。强度设计计算部分主要包括筒体、管箱、封头等壁厚的计算以及开孔补强计算、管板计算等，此过程主要依据GB150、GB151进行对应标准的选取。最后通过绘图、说明书的编写等形式呈现出毕业设计结果。

关键词：浮头式换热器 工艺设计计算 强度设计计算 材料选择 校核

ABSTRACT

Since the reform and opening up, heat exchangers have occupied an increasingly important position in the development of multiple equipment fields in China. In the long history, heat exchangers have always been developing and progressing based on the experience of their predecessors and the innovation of modern talents. Many different types of heat exchangers have appeared at this stage.

The content of this graduation project is to realize the heat exchange between crude oil and diesel oil and achieve the purpose of reusing the heat energy of diesel oil. Taking into account the social, health, safety, legal and environmental constraints, the float head heat exchanger was eventually selected through a variety of comparisons. This design process is mainly divided into two important links, one is the heat exchanger heat transfer area design and accounting; secondly, domestic and industrial production equipment used in heat exchangers still dominant. The overall design idea is to first determine the direction of the heat transfer medium through process calculations, then select the best suited to the corresponding design parameters under the heat transfer area, etc. The above-mentioned process calculation is a trial calculation process, and the final plan is obtained through trial calculation, analysis and comparison. The strength design calculation part mainly includes the calculation of the wall thickness of the tube body, the tube box, the head and the calculation of the opening reinforcement, the calculation of the tube sheet, etc. This process mainly selects the corresponding standard according to GB150 and GB151. Finally, the graduation design results are presented in the form of drawing, manual writing, etc.

Keywords: Floating head heat exchanger；Process design calculation；Strength design calculation；Material selection；Check

目 录

摘 要 I

ABSTRACT II

第一章 绪论 1

1.1换热器简介 1

1.2浮头式换热器的简介 1

1.2.1浮头式换热器的工作原理 1

1.2.2浮头式换热器的结构及特点 1

1.3换热器的发展现状 2

第二章 工艺设计 3

2.1管程与壳程选择 3

2.1.1原油与柴油的比较 3

2.1.2管程与壳程选择 4

2.2传热面积计算 4

2.3介质流动形式的比较与选择 5

2.4工艺结构尺寸 6

2.4.1初定换热管根数n 6

2.4.2管程数的确定 6

2.4.3换热管的排列 6

2.4.4计算壳体的内径 7

2.5附件的设计 7

2.5.1折流板 7

2.5.2接管 8

2.6传热面积的核算 8

2.6.1管程对流传热系数 8

2.6.2壳程对流传热系数 9

2.6.3总传热系数的计算 10

2.6.4传热面积的核算 10

2.7压降核算 10

2.7.1管程压降核算 10

2.7.2壳程的压降的校核 11

2.8壁温核算 12

第三章 设备零部件的选型 13

3.1材料选择 13

3.2法兰选择 13

3.2.1外头盖法兰及外头盖侧法兰 13

3.2.2管箱法兰及管箱侧法兰 14

3.3管箱封头及外头盖 15

3.4容器支座 16

第四章 强度设计计算 18

4.1筒体壁厚的计算 18

4.2管箱壁厚设计计算 19

4.3封头计算 20

4.3.1管箱侧封头 20

4.3.2外头盖侧封头 21

4.4换热管壁厚校核 21

4.5壳体上开孔补强计算 22

4.5.1补强计算及判别 22

4.5.2壳体补强计算 22

4.6管板计算 25

4.6.1换热管稳定许用应力 25

4.6.2结构参数计算 25

4.6.3系数计算 26

4.6.4计算，查取 27

4.6.5管板计算厚度和名义厚度 27

4.7换热管轴向力计算 27

4.7.1壳程设计压力 27

4.7.2只有管程压力 27

4.7.3管程压力与壳程压力共存； 28

4.8球冠形封头计算 28

4.8.1管程压力作用下（内压）球冠形封头 28

4.8.2壳程压力作用下（外压）球冠形封头 28

4.9浮头法兰计算 29

第五章 经济性评价 30

第六章 总结与展望 32

6.1总结 32

6.2展望 32

参考文献 33

致谢 36

附录Ⅰ SW6软件校核 37

第一章 绪论

1.1换热器简介

提到换热器在人类发展史上的应用，可以说非常广泛，大到国家重工业（如：石油化工、机械、制药等），小到个体家庭（如：空调、暖气片等）都有所使用，其在化工生产过程领域中进行热量的交换过程占有着极其重要的工业地位。在化工石油制造研发产业中，多种多样的油类、烃类的产品的加热或者冷却，都需要用到换热器设备；塔设备的塔顶气体介质的冷凝、冷却也同样需要用到换热器设备；除此之外，在动力工程、能源开发、冶金冶炼、航空航天、车辆研发制造、制冷、食品生产、环保工程等很多工业领域都具有着极其广泛的应用。热交换器的本质上就是一种换热单元设备，随着社会的发展换热器种类也越来越多，不同型式换热器优缺点也变得非常显著，这也方面人们在生产设计过程中方便选择跟使用。

1.2浮头式换热器的简介

1.2.1浮头换热器的结构及特点

在进行热交换器的设计校核计算的设计过程中，首先要依据给定的介质的工艺参数对换热器进行选型。浮头式换热器最大的结构特点就是它的管束可以抽出，避免了温差应力产生的破坏或者应力腐蚀，维修清洁都比较方便，可以确保工厂安全的生产。而这些，都是通过浮头的设计来完成的。一般设计采用勾圈式浮头，有A、B两种类型。浮头的设计可以依据GB/T151《热交换器》-2014进行设计计算。浮头与勾圈之间的连接采用双头螺柱及螺母进行连接，在浮动管板与浮头之间，需要采用垫片进行密封，避免管程介质泄漏，与壳程介质产生交叉污染。

浮头式换热器主要组成零部件有壳体、管箱、封头、换热管、管板等多个部分，其中管板包括固定管板与浮动管板两部分，固定管板部分直接与壳体部分通过管箱法兰连接固定，而浮动管板则与钩圈、浮动法兰、拱盖等组合在壳体内可以移动，没有固定。浮头式换热器与固定管板式换热器相比其管束可以从壳体中抽取出来，便于检修、保养、维护。

1.2.2浮头式换热器的工作原理

浮头式换热器属于管壳式换热器的一种，它与固定管板式换热器极其相似^[1]，但在设计上又有着一些差别。这两种换热器的最大的区别就在于，浮头式换热器的其中一块管板是浮动管板（一般设计在左侧），浮动管板的外面采用浮头结构，一般采用勾圈式浮头。浮头由许多部分组成，其中主要的零部件包括：可拆卸的浮动管板、与浮头连接的法兰、固定浮动管板的钩圈、浮头外侧的浮头盖等^[2]。浮头式换热器的工作原理其实与固定管板式换热器的工作原理基本相同^[3]，但浮头换热器一般都具有偶数管程，管程的介质的进出口在同一侧管箱上，而固定管板式换热器在管程的设计上没有特殊的规定。

1.3换热器的发展现状

在二十世纪20年代的初期，世界上出现了第一台换热器设备，它不光结构紧凑，同时还具有传热效果良好的特点，首先在食品生产领域得到了应用。随着现代化工业技术的飞速发展，热交换器的数量和技术水平都有着突飞猛进的发展，在1963年，我国的制造研发工程师设计并生产出了国内的第一台换热器设备，为我国的工业制造业再次夯实基础。当前，我国的许多优秀的设备制造公司，都能够自主研发并生产先进的换热器设备，同时向国外出口。目前，换热器的种类主要有折流杆式换热器、管壳式换热器、双壳程换热器、板式换热器、连续螺旋折流板式换热器等等^[3]。在各个行业都应用广泛，如：在往复式活塞压缩机出口安装的冷却器、在石油化工成套装置设备中用作加热器、再沸器等。换热器的设计主要考虑的是在尽可能较少成本的同时又有更好的换热效果，这就得从经济性方面出发去考虑，在换热器内部传热面积减小、压力降降低的情况下还能满足换热的需求出发，这就是目前国内换热器发展考虑现状，依据当前我国国内的热交换器的基本资料可以观察出，在石油化工业、动力工程、电力工程、机械工程、冶金冶炼、船舶研发制造、食品的生产、医学制药等多个生产制造行业中，对各种种类的热交换器的稳定需求仍然在不断的持续增长，我国的换热器研发生产行业在未来的一段时期内，将会保持着稳定增长状态^[4]，到2020年，我国的换热器行业规模产值有希望达到1500亿元。

第二章 工艺设计

本设计中的介质的工艺参数数据如表2-1：

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