1 热力计算
1.1 原始数据
′ 水进口温度： t 2 =144℃ ′ 水出口温度： t 2′ =163℃
水工作压力：P2=2MPa ′ 油进口温度： t1 =175℃
′ 油出口温度： t1′ =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：Φ19×3 L=8m
1.2 定性温度和物性参数计算
水的定性温度：
t2 = ′ ′ t 2 + t 2′ 144 + 163 = = 153.5°C 2 2
（1 ）
水的密度：ρ2=913kg/m3 水的比热：Cp2=4.32kJ/kg℃ 水的导热系数：k2=0.686W/m℃ 水的粘度：μ2=168.8×10-6 水的柏朗特数：Pr2=1.08 油（柴油）的定性温度：
t1 = ′ ′ t1 + t1′ 175 + 155 = = 165°C 2 2
（2 ）
油的密度：ρ1=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：μ1=6.4×10-4
油的柏朗特数： 1000Cp1 µ1 1000 × 2.48 × 6.4 × 10 −4 = = 11.93 k1 0.133
Pr1 =
（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 管长：L=8m 管间距： s=1.5d0=1.5×0.19=0.0285m 壳体内径：Ds=0.7m 管束中心排管数：由公式 s ( N c − 1) + 4d 0 = Ds 得 Nc=22 总管子数：由 1 .1 N t = N c 得 Nt=400 选型：采用 2-4 型即双壳程四管程。 （7） （6） （5） （4）
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
F0 ′ = Nt πd 0 l
得 F0=190.91 m2 逆流平均温差：
（8）
∆t N =
∆t 大 − ∆t小 ln(∆t 大 ∆t 小 )
=
20 − 19 = 19.5°C 20 ln 19
（9）
参数：
P=
′ ′ t 2′ − t 2 163 − 144 19 = = = 0.612 ′ ′ t1 − t 2 175 − 144 33 ′ ′ t1 − t1′ 175 − 155 20 = = = 1.05 ′ ′ t 2′ − t 2 163 − 144 19
（10）
R=
（11）
温差校正系数：按 2 壳程 4 管程查表得 ϕ = 0.88 有效平均温差： ∆t m = ϕ ⋅ ∆t N = 0.88 × 19.5 = 17.16°C 设计传热量： Q0 = F0 ⋅ k 0 ⋅ ∆t m = 190.91 × 240 × 17.16 = 786244W 换热效率：取η=0.98 油流量： （13） （12）
G1 =
Q0 3600 × 786244 = = 58231kg / h ′ ′ Cp1 (t1 − t1′)η 2.48 × 20 × 0.98 × 1000
（14）
水流量：
G2 = Q0 3600 × 786244 = = 34484kg / h ′′ ′ Cp2 (t2 − t2 ) 4.32 × 19 × 1000
（15）
管程流通截面（按 4 管程） ：
a2 = ( Nt π 2 400 π ) d i =( ) × 0.013 2 = 0.0133m 2 4 4 4 4
（16）
管程流速：
w2 = G2 34484 = = 0.789m / s ρ 2 a2 × 3600 913 × 0.0133 × 3600
（17）
管程雷诺数：
Re 2 =
ρ 2 w2 d i 913 × 0.789 × 0.013 = = 55478 µ2 168 × 10 −6
（18）
管程换热系数：
h2 = 3605(1 + 0.015t 2 )ω 2 = 2385.4W / m°C
0.8
/(100d i ) 0.2
= 3605 × (1 + 0.015 × 153.5) × 0.789 0.8 /(100 × 0.013) 0.2
（19）
1.5 壳程换热计算
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： h = 0.20 Ds = 0.20 × 0.70 = 0.14m 折流板间距： B = Ds 3 = 0.70 / 3 = 0.233
m 壳程流通截面：
a1 = d 1 1 0.019 BDs (1 − 0 ) = × 0.23 × 0.70 × (1 − ) = 0.027 m 2 2 s 2 0.0285
（20）
（21）
（22）
壳程流速：
w1 =
(G1 3600) (58231 3600) = = 0.0838m / s 715 × 0.027 ρ1 a1
（23）
壳程量流速
W1 = ρ1 w1 = 715 × 0.838 = 599kg / m 2 s
（24）
壳程当量直径：
de = Ds − N t d 0 0.70 2 − 400 × 0.019 2 = = 0.046m Nt d0 400 × 0.019
2 2
（25）
壳程雷诺数：
Re f =
W1 d e
µ1
=
599 × 0.046 = 43053 6.4 × 10 − 4
（26）
切去弓形面积所占比例：查图得
a f aT = 0.0145
（27）
壳程传热因子：查图得 j s = 96 ′ ′ 管外壁温度： tW1 假定后再复核，设 tW1 =160℃ 壁温下的粘度：
µW = 11.6 × 10 −4 Pa ⋅ s
1
（28）
粘度修正系数：
φ1 = (
µ1 0.14 6.4 0.14 ) =( ) = 0.92 µW 11.6
1
（29）
壳程换热系数：
h1 =
k1 1 3 0.0133 Pr ⋅ φ1 ⋅ j s = × 11.931 3 × 0.92 × 96 = 583.5W / m 2 °C d0 0.046
（30）
1.6 传热系数
水侧污垢热阻： 油侧污垢热阻： 管壁热阻：r 忽略 总传热热阻： rΣ =
=
r 1 = 17.2 × 10 −5 m2℃/W r 2 = 52.0 × 10 −5 m2℃/W
d 1 1 d + r1 + r2 0 + ⋅ 0 h1 d i h2 di （31）
1 0.019 1 0.019 + 0.000172 + 0.00052 × + × 583.5 0.013 2385.4 0.013 2 = 0.00326m °C / W
传热系数：
k j = 1 rΣ = 1 / 0.00326 = 306.7
（32）
传热系数的比值：
k j / k 0 = 306.7 / 240 = 1.28
（33）
合适 管外壁热流密度：
q1 =
Q0 786244 = =4118W/m2℃ N t πd 0 l 400 × π × 0.019 × 8
（34）
管外壁温度：
′ tW1 = t1 − q1 (
1 1 + r1 ) = 175 − 4118 × ( + 0.000172) =167.2℃ h1 583.5
（35）
误差校核： ′ ∆tW = tW1 − tW1 =167.2-160=7.2℃ 误差不太大，不再重算。 （36）
1.7 管程压降
壁温： tW2 = t1 − q1 (
1 1 + r1 ) = 153.5 + 4188 × （ + 0.00172） =161.3℃ h1 583.5 （37）
壁温下水的粘度：
µW = 80.3 × 10 −5 Pa ⋅ S
2
管程摩擦系数：查表得 管子沿程压降：
ξ i = 0.02
Ln ξ W22 ∆Pi = ( )⋅( i )⋅( i ) 2ρ 2 di φ2 (0.789 × 913) 2 8 × 4 0.02 = × × = 141313Pa 2 × 913 0.013 0.99
回弯压降：
（38）
∆Pr = (
2 （0.789 × 913） W22 ) ⋅ 4nt = × 4 × 4 = 4546.9 Pa 2ρ 2 2 × 913
（39）
进出口管处质量流速：
2 W N 2 = ρw进出口 = 913 × 1.2 2 = 1314.7kg / m 2 s
（40）
进出管口处压降：
∆PN 2
1314.7 2 =( ) × 1 .5 = × 1.5 = 1419.9 Pa 2ρ 2 2 × 913
WN2
（41）
管程结垢校正系数：根据 r2 及Φ19 × 3 得 ϕ d2 = 1.2 管程压降：
∆P2 = (∆Pi + ∆Pr ) ⋅ φ d 2 + ∆PN 2 = (1413.3 = 4546.9) × 1.2 + 1419.9 = 23834 Pa
（42）
1.8 壳程压降
当量直径：
2 Ds2 − N t d 0 de = Ds + N t d 0
′
0.70 2 − 400 × 0.019 2 = 0.0427 m = 0.70 2 + 400 × 0.019
（43）
雷诺数：
′ Re 1 =
′ W1 d e
µ1
=
599 × 0.427 = 39965 6.4 × 10 − 4
（44）
壳程摩擦系数：查表得 ξ 0 = 0.27 管束压降： ∆P0 = ( W12 Ds (n B + 1) ε 0 ] ′ de ϕ1
µ1
)[
599 2 0.70 × 3
3 + 1 （ ） 0.27 = （ ）[ × ]× ( ) = 41043.3Pa ′ 2 × 715 de 0.92
（45）
管嘴处质量流量：
2 WN1 = ρ w进出口 = 715 × 1.52 = 1608.8kg / m2 s
（46）
进出口管压降：
∆PN1 = [
2 WN2
2 ρ1
] × 1.5 =
1608.8 2 × 1.5 = 2714.9 Pa 2 × 715
（47）
导流板阻力系数：取 ξ ip = 5 导流板压降：
∆Pip = [
W N22 2 ρ1
] × ξ ip =
1608.8 2 × 5 = 9049.8Pa 2 × 715
（48）
壳程结垢修正系数：查表取 φ d 0 = 1.38 壳程压降：
∆P1 = ∆P0φ d 0 + ∆Pip + ∆PN1 = 41043.3 × 1.38 + 9049.8 + 2714.9 = 68404 Pa
（49）
1.9 压强校核
管程工作压力 P2 = 2.0 MPa ，查表得 [ P2 ] = 2.5MPa
壳程工作压力 P1 = 1.6MPa ，查表得 [ P ] = 1.8MPa 1 压强校核： ∆P2
∆P1
2 结构设计
2.1 换热流程设计
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（ 1C r 18 N i 9 Ti ） 、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 Φ19 × 3 的无缝钢管 管子总数为 400 根。其传热面积为：
F = πd 0 LN t = π × 0.019 × 8 × 400 = 190.91m 2
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，是最常用的形式。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； 正方形排列最不紧凑， 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 Α3R 、 16Μ nR 等，现选用
16Μ nR 钢。
壳体内径 Ds=700mm 壳体壁厚：
δ=
pDS +c 2[σ ]t φ − p
（50）
[σ ]t 为壳体工作温度下的许用应力，已知壳程设计温度为 220℃，则 tw
φ 为焊缝系数，取 φ =0.85
p = 1.2 p1 ，p1 为工作压力，等于 1.6MPa
c=2mm 则
δ=
1.2 ×1.6 × 700 + 2 = 6.8mm 2 × 167 × 0.85 − 1.2 × 1.6
实取 δ = 10mm ，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 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：
δ=
pDS +c 2[σ ] φ − 0.5 p
t
（51）
已知管程设计温度为 200℃，则 tw[σ ]t =170MP p=1.2p1=1.2×1.6
则
δ=
1.2 × 1.6 × 750 + 2 = 7 mm 2 × 170 × 0.85 − 0.5 × 1.2 × 1.6
实取 δ = 12mm ，之后用 ANSYS 进行强度校核。 曲面高度：
h= D——封头的平均直径 D D ′ + δ 750 + 12 = = = 190.5mm 4 4 4
（52）
直边高度 h0 = 25mm
2.5.2.箱壳 箱壳
壁厚：
δ=
pDS +c 2[σ ]t ϕ − p 1.2 × 1.6 × 750 = + 2 = 7.02mm 2 × 170 × 0.85 − 1.2 × 1.6
实取 δ = 12mm ，之后要用 ANSYS 进行强度校核。 内径： D ′′ = 750mm 长度： L0 = 300mm
2.6 固定管板
外径： D1 = 797mm 板厚： b = 50mm 管板上开孔数与孔间距与管的排列一致。管板材料选用 A3 钢。 管子与管板的连接必须牢固、不泄漏，不产生大的应力变形，最常见的连接方法 为胀接，胀接只能用于工作压力低与 4MPa 和温度低于 300℃的场合；对于高温、高 压、易燃、易爆的运行条件多采用焊接，但采用焊接容易产生热应力且间隙中流体不 流动很容易造成间隙腐蚀，采用胀焊并用的方法可以避免。 由于工作压力和温度都不是特别高，而且管子的间距比较大，管板和管子的连接 采用胀接。换热管在管板内的胀接长度 L=38mm。
2.7 分程隔板 2.7.1 管程分程隔板
管箱的分程在固定端管箱与浮头端管箱内都要安装分程隔板，隔板的布置见图
1，由于两端管箱不是很长，卸下清洗时不用拆下来，因此可以将隔板直接焊接在箱
体上。管程隔板要考虑密封问题，它们的密封是通过在固定管板和浮动管板插隔板的 槽内安放密封填料。为了保证填
料能起到密封作用，隔板的长度要按安装的尺寸进行 计算。具体尺寸见三维实体图。
2.7.2 壳程分程隔板
安装壳体的分程隔板一方面要考虑到密封问题，另一方面要便于拆卸，因此采用 图 3 所示的装置来安装隔板，当转动偏心杆手柄，偏心杆的凸轮推动与其相接的端头 包有密封填料的板可使两端夹紧也可使其松开，便于拆卸。对于浮头式管束要能够拆 卸必须要隔板可以拆卸。因此，此装置是必须要用的。
隔板
偏心杆
密封填料
图 3 壳体分程隔板
2.8 折流板
采用弓形折流板，材料 A3F 钢板，由于壳内分程，每程均采用半弓形如图 4 示， 布置方式采用垂直切口流动方向。
图 4 折流板
按一个壳程计算（计算过程见热力学计算）得： 拱高： h = 140mm 板间距： B = 230mm 板数： n B = 33
板厚： δ B = 6mm 由于考虑到实际安装时由于第一块折流板的位置壳体接管位置的影响， 在一个壳 程内折流板的实际个数应为 32 个，总的折流板数为 64。
2.9 拉杆
材质为 A3F 钢。直径 φ12，共 6 根。拉杆是用来安装折流板的，由于折流板是半 弓形的，在布置拉杆时要考虑到定位的问题。每个折流板最好由三个拉杆来定位。其 布置位置见图纸。
2.10 进出口管 2.10.1.管程进出管 管
2 按 ρ 2 w N 2
进出口流通截面积为：
a N2 = G2 34484 = = 0.00807 m 2 3600 × ρ 2 w N 2 3600 × 1186.9
（52）
进出口管内径为：
DN 2 =
4
π
a N2 =
4
π
× 0.00807 = 0.101m
（53）
取用 Φ100 × 4mm 的热扎钢管
2.10.2.壳程进出口管 壳程进出口管
2 按 ρ1 w N1
进出口流通截面积为：
aN1 = G1 58231 = = 0.01508m 2 3600 × ρ1 w N1 3600 × 1072.5
（54）
进出口管内径为：
DN 2 =
4
π
aN1 =
4
π
× 0.01508 = 0.139m
（55）
取用 Φ150 × 4.5mm 的热扎钢管
2.11 浮头箱
外头盖内直径： D1 = D N + 100mm = 800mm 外头盖同样采用材质为 16MnR 的标准椭圆形封头，δ=12mm 曲面高度：
h2 = D D1 + δ 800 + 12 = = = 203mm 4 4 4
（56）
（57）
直边高度 h ′ = 25mm
2.12 浮头
如图示为浮头端的装配图，包括碟形盖，钩圈法兰和浮动管板，由于浮动管板要 与管子胀接后从壳体一端伸到另一端，因此管板的外直径应小于壳体内径，其主要尺 寸如下：
图 5 浮头结构
浮动管板外直径： D0 = 690mm 浮动管板厚： b = 50mm 浮头法兰外径：
D f o = D N + 80mm = 780mm
（58）
浮头法兰内直径：
D f1 = D f − 2 × (50 + 13) = 654 mm
（59）
碟形盖内半径：
L = 0.75 × D f1 = 0.75 × 654 = 409.5mm
（60）
厚度： δ > δ 0 取 15mm
2.13 补强圈
在实际设计和制义厚度大于 12mm 时，接管 Dg>80mm 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。
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（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， DN=700 的法兰是按 DN800 法兰螺栓孔的位置来设计其尺寸的， 而
图6 大致尺寸如下:
凹凸面密封法兰
DN=800mm 的法兰， D=960mm， D1=915mm， 2=876mm， 3=866mm， D D H=115mm， h=35mm，δ=48mm，δ1=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， 1=915mm， 4=863mm， H=115mm， h=35mm， D D δ=46mm，δ1=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 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=22mm，
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，第一个螺母拧紧后，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：
δ
4
Ⅰ 型
Ⅱ 型
图 6 鞍式支座
其主要尺寸为：h=200mm；l1=640mm；b1=150mm；δ 1 =10mm；δ 2 =8mm；l3=350mm；
b3=120mm；
δ 3 =8mm；弧长 830mm；b4=200mm； δ 4 =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
3 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： 第一步：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，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，直到最后 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。
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 是看到自己的成果，我感到很欣慰。作为大学四年的最后一道大作业——毕业设计， 使我在各个方面都有了很大的提高，收获很大。具体表现在以下几个方面：
通过在设 计中经常查资料提高了我们检索和查阅资料的能力；进一步扎实了所学的理论知识， 对所学基础知识和专业知识进行了一次综合应用和系统复习； 思维方式和设计思想更 加全面化和系统化。养成了勤学好问的习惯，敢于面对困难，能够独立的查找和解决 问题，也提高了自己的创新能力。将理论知识和生产实际相结合，为以后的工作和学 习打下了很好的基础，但是，设计过程中仍然存在不足之处，有的问题还需要进一步 展开研究。具体如下： 1. 管子的胀接没有进行分析计算； 2.由于管程与壳程的分程使管子的排列不均匀，故存在旁流与侧流的问题，此 问题尚未进行分析； 3.通常在进液管口有挡板控制流速和引流，此结构尚未设计。
参考文献
[1]朱聘冠.换热器原理及计算[M].北京 ：清华大学出版社，1987 [2]史美中，王中铮.热交换器原理与设计[M].北京：东南大学出版社，1996 [3]钱颂文.换热器设计手册[M].北京：化学工业出版社，2003 [4]庄俊，徐通明，石寿椿.热管与热管换热器[M].上海：上海交通大学出版社，1987 [5]董大勤.化工设备机械基础[M].北京：化学工业出版社，1990 [6]化工设备机械基础编写组.化工设备机械基础[M].北京：石油化学工业出版社，1978 [7]赵克勤，王秀珍，王正.石油化工容器及设备[M].武汉：华中理工大学出版社，1990 [8][美]贾瓦特 M.H.化工设备结构分析与设计[M].北京：中国石化出版社，2003 [9]顾芳珍，陈国桓.化工设备设计基础[M].天津：天津大学出版社，1997 [10]黄振仁，魏新利.过程装备成套技术[M].北京：化学工业出版社，2001 [11]黄振仁，魏新利.过程装备成套技术设计指南[M].北京：化学工业出版社，2003 [12]郑津洋，董其伍，桑芝富.过程装备设计[M].北京：化学工业出版社，2005 [13]邹广华，刘强.过程装备制造与检测[M].北京：化学工业出版社，2003 [14] [美]James R.Farr Maan H.Jawad，ASME 压力容器设计指南第二版[M].北京：化学工 业出版社，2003 [15]濮良贵，纪名刚.机械设计第八版[M].北京：高等教育出版社，2006 [16]邓文英.金属工艺学第四版[M].北京：高等教育出版社 2007 [17]教育部高等学校机械学科过程装备与控制工程专业教学指导分委员会.过程装备与控 制工程[M].北京：化学工业出版社，2006 [18]成大先.机械设计手册第五版[M].北京：化学工业出版社，2008 [19]GB 150-1998.钢制压力容器[S].北京：中国标准出版社，2003 [20]GB 151-1999.管壳式换热器[S].北京：中国标准出版社，2004 [21]HG 20582-1998.钢制化工容器强度计算规定[S].化工部工程建设标准编辑中心出版， 1998 [22]JB 4732-1995.钢制压力容器——分析设计标准[S].北京：新华出版社，1995
致
谢
在整个设计过程中我的老师王红萍给了我很大的帮助和支持。在设计中，我经常 遇到一些问题难以解决，当我带着问题去请教时，他都不是直接给出答案，而是旁敲 侧击的给我一些指引，让我充分发挥自己的思维，一步步地将问题慢慢的解决。每次 遇到做得不好的地方，老师都给我耐心的讲解和分析。他告诉我们考虑问题要从多方
面考虑，每次同他讨论一些问题都让我受益匪浅。他一丝不苟的作风是我学习中的榜 样；他循循善诱的教导思路给予我无尽的启迪。在此我衷心的感谢指导老师周志宏教 授，谢谢！在设计过程中还得到了其他老师及同学的大力帮助在此一并表示最衷心的 感谢！
1 热力计算
1.1 原始数据
′ 水进口温度： t 2 =144℃ ′ 水出口温度： t 2′ =163℃
水工作压力：P2=2MPa ′ 油进口温度： t1 =175℃
′ 油出口温度： t1′ =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：Φ19×3 L=8m
1.2 定性温度和物性参数计算
水的定性温度：
t2 = ′ ′ t 2 + t 2′ 144 + 163 = = 153.5°C 2 2
（1 ）
水的密度：ρ2=913kg/m3 水的比热：Cp2=4.32kJ/kg℃ 水的导热系数：k2=0.686W/m℃ 水的粘度：μ2=168.8×10-6 水的柏朗特数：Pr2=1.08 油（柴油）的定性温度：
t1 = ′ ′ t1 + t1′ 175 + 155 = = 165°C 2 2
（2 ）
油的密度：ρ1=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：μ1=6.4×10-4
油的柏朗特数： 1000Cp1 µ1 1000 × 2.48 × 6.4 × 10 −4 = = 11.93 k1 0.133
Pr1 =
（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 管长：L=8m 管间距： s=1.5d0=1.5×0.19=0.0285m 壳体内径：Ds=0.7m 管束中心排管数：由公式 s ( N c − 1) + 4d 0 = Ds 得 Nc=22 总管子数：由 1 .1 N t = N c 得 Nt=400 选型：采用 2-4 型即双壳程四管程。 （7） （6） （5） （4）
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
F0 ′ = Nt πd 0 l
得 F0=190.91 m2 逆流平均温差：
（8）
∆t N =
∆t 大 − ∆t小 ln(∆t 大 ∆t 小 )
=
20 − 19 = 19.5°C 20 ln 19
（9）
参数：
P=
′ ′ t 2′ − t 2 163 − 144 19 = = = 0.612 ′ ′ t1 − t 2 175 − 144 33 ′ ′ t1 − t1′ 175 − 155 20 = = = 1.05 ′ ′ t 2′ − t 2 163 − 144 19
（10）
R=
（11）
温差校正系数：按 2 壳程 4 管程查表得 ϕ = 0.88 有效平均温差： ∆t m = ϕ ⋅ ∆t N = 0.88 × 19.5 = 17.16°C 设计传热量： Q0 = F0 ⋅ k 0 ⋅ ∆t m = 190.91 × 240 × 17.16 = 786244W 换热效率：取η=0.98 油流量： （13） （12）
G1 =
Q0 3600 × 786244 = = 58231kg / h ′ ′ Cp1 (t1 − t1′)η 2.48 × 20 × 0.98 × 1000
（14）
水流量：
G2 = Q0 3600 × 786244 = = 34484kg / h ′′ ′ Cp2 (t2 − t2 ) 4.32 × 19 × 1000
（15）
管程流通截面（按 4 管程） ：
a2 = ( Nt π 2 400 π ) d i =( ) × 0.013 2 = 0.0133m 2 4 4 4 4
（16）
管程流速：
w2 = G2 34484 = = 0.789m / s ρ 2 a2 × 3600 913 × 0.0133 × 3600
（17）
管程雷诺数：
Re 2 =
ρ 2 w2 d i 913 × 0.789 × 0.013 = = 55478 µ2 168 × 10 −6
（18）
管程换热系数：
h2 = 3605(1 + 0.015t 2 )ω 2 = 2385.4W / m°C
0.8
/(100d i ) 0.2
= 3605 × (1 + 0.015 × 153.5) × 0.789 0.8 /(100 × 0.013) 0.2
（19）
1.5 壳程换热计算
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： h = 0.20 Ds = 0.20 × 0.70 = 0.14m 折流板间距： B = Ds 3 = 0.70 / 3 = 0.233
m 壳程流通截面：
a1 = d 1 1 0.019 BDs (1 − 0 ) = × 0.23 × 0.70 × (1 − ) = 0.027 m 2 2 s 2 0.0285
（20）
（21）
（22）
壳程流速：
w1 =
(G1 3600) (58231 3600) = = 0.0838m / s 715 × 0.027 ρ1 a1
（23）
壳程量流速
W1 = ρ1 w1 = 715 × 0.838 = 599kg / m 2 s
（24）
壳程当量直径：
de = Ds − N t d 0 0.70 2 − 400 × 0.019 2 = = 0.046m Nt d0 400 × 0.019
2 2
（25）
壳程雷诺数：
Re f =
W1 d e
µ1
=
599 × 0.046 = 43053 6.4 × 10 − 4
（26）
切去弓形面积所占比例：查图得
a f aT = 0.0145
（27）
壳程传热因子：查图得 j s = 96 ′ ′ 管外壁温度： tW1 假定后再复核，设 tW1 =160℃ 壁温下的粘度：
µW = 11.6 × 10 −4 Pa ⋅ s
1
（28）
粘度修正系数：
φ1 = (
µ1 0.14 6.4 0.14 ) =( ) = 0.92 µW 11.6
1
（29）
壳程换热系数：
h1 =
k1 1 3 0.0133 Pr ⋅ φ1 ⋅ j s = × 11.931 3 × 0.92 × 96 = 583.5W / m 2 °C d0 0.046
（30）
1.6 传热系数
水侧污垢热阻： 油侧污垢热阻： 管壁热阻：r 忽略 总传热热阻： rΣ =
=
r 1 = 17.2 × 10 −5 m2℃/W r 2 = 52.0 × 10 −5 m2℃/W
d 1 1 d + r1 + r2 0 + ⋅ 0 h1 d i h2 di （31）
1 0.019 1 0.019 + 0.000172 + 0.00052 × + × 583.5 0.013 2385.4 0.013 2 = 0.00326m °C / W
传热系数：
k j = 1 rΣ = 1 / 0.00326 = 306.7
（32）
传热系数的比值：
k j / k 0 = 306.7 / 240 = 1.28
（33）
合适 管外壁热流密度：
q1 =
Q0 786244 = =4118W/m2℃ N t πd 0 l 400 × π × 0.019 × 8
（34）
管外壁温度：
′ tW1 = t1 − q1 (
1 1 + r1 ) = 175 − 4118 × ( + 0.000172) =167.2℃ h1 583.5
（35）
误差校核： ′ ∆tW = tW1 − tW1 =167.2-160=7.2℃ 误差不太大，不再重算。 （36）
1.7 管程压降
壁温： tW2 = t1 − q1 (
1 1 + r1 ) = 153.5 + 4188 × （ + 0.00172） =161.3℃ h1 583.5 （37）
壁温下水的粘度：
µW = 80.3 × 10 −5 Pa ⋅ S
2
管程摩擦系数：查表得 管子沿程压降：
ξ i = 0.02
Ln ξ W22 ∆Pi = ( )⋅( i )⋅( i ) 2ρ 2 di φ2 (0.789 × 913) 2 8 × 4 0.02 = × × = 141313Pa 2 × 913 0.013 0.99
回弯压降：
（38）
∆Pr = (
2 （0.789 × 913） W22 ) ⋅ 4nt = × 4 × 4 = 4546.9 Pa 2ρ 2 2 × 913
（39）
进出口管处质量流速：
2 W N 2 = ρw进出口 = 913 × 1.2 2 = 1314.7kg / m 2 s
（40）
进出管口处压降：
∆PN 2
1314.7 2 =( ) × 1 .5 = × 1.5 = 1419.9 Pa 2ρ 2 2 × 913
WN2
（41）
管程结垢校正系数：根据 r2 及Φ19 × 3 得 ϕ d2 = 1.2 管程压降：
∆P2 = (∆Pi + ∆Pr ) ⋅ φ d 2 + ∆PN 2 = (1413.3 = 4546.9) × 1.2 + 1419.9 = 23834 Pa
（42）
1.8 壳程压降
当量直径：
2 Ds2 − N t d 0 de = Ds + N t d 0
′
0.70 2 − 400 × 0.019 2 = 0.0427 m = 0.70 2 + 400 × 0.019
（43）
雷诺数：
′ Re 1 =
′ W1 d e
µ1
=
599 × 0.427 = 39965 6.4 × 10 − 4
（44）
壳程摩擦系数：查表得 ξ 0 = 0.27 管束压降： ∆P0 = ( W12 Ds (n B + 1) ε 0 ] ′ de ϕ1
µ1
)[
599 2 0.70 × 3
3 + 1 （ ） 0.27 = （ ）[ × ]× ( ) = 41043.3Pa ′ 2 × 715 de 0.92
（45）
管嘴处质量流量：
2 WN1 = ρ w进出口 = 715 × 1.52 = 1608.8kg / m2 s
（46）
进出口管压降：
∆PN1 = [
2 WN2
2 ρ1
] × 1.5 =
1608.8 2 × 1.5 = 2714.9 Pa 2 × 715
（47）
导流板阻力系数：取 ξ ip = 5 导流板压降：
∆Pip = [
W N22 2 ρ1
] × ξ ip =
1608.8 2 × 5 = 9049.8Pa 2 × 715
（48）
壳程结垢修正系数：查表取 φ d 0 = 1.38 壳程压降：
∆P1 = ∆P0φ d 0 + ∆Pip + ∆PN1 = 41043.3 × 1.38 + 9049.8 + 2714.9 = 68404 Pa
（49）
1.9 压强校核
管程工作压力 P2 = 2.0 MPa ，查表得 [ P2 ] = 2.5MPa
壳程工作压力 P1 = 1.6MPa ，查表得 [ P ] = 1.8MPa 1 压强校核： ∆P2
∆P1
2 结构设计
2.1 换热流程设计
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（ 1C r 18 N i 9 Ti ） 、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 Φ19 × 3 的无缝钢管 管子总数为 400 根。其传热面积为：
F = πd 0 LN t = π × 0.019 × 8 × 400 = 190.91m 2
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，是最常用的形式。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； 正方形排列最不紧凑， 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 Α3R 、 16Μ nR 等，现选用
16Μ nR 钢。
壳体内径 Ds=700mm 壳体壁厚：
δ=
pDS +c 2[σ ]t φ − p
（50）
[σ ]t 为壳体工作温度下的许用应力，已知壳程设计温度为 220℃，则 tw
φ 为焊缝系数，取 φ =0.85
p = 1.2 p1 ，p1 为工作压力，等于 1.6MPa
c=2mm 则
δ=
1.2 ×1.6 × 700 + 2 = 6.8mm 2 × 167 × 0.85 − 1.2 × 1.6
实取 δ = 10mm ，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 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：
δ=
pDS +c 2[σ ] φ − 0.5 p
t
（51）
已知管程设计温度为 200℃，则 tw[σ ]t =170MP p=1.2p1=1.2×1.6
则
δ=
1.2 × 1.6 × 750 + 2 = 7 mm 2 × 170 × 0.85 − 0.5 × 1.2 × 1.6
实取 δ = 12mm ，之后用 ANSYS 进行强度校核。 曲面高度：
h= D——封头的平均直径 D D ′ + δ 750 + 12 = = = 190.5mm 4 4 4
（52）
直边高度 h0 = 25mm
2.5.2.箱壳 箱壳
壁厚：
δ=
pDS +c 2[σ ]t ϕ − p 1.2 × 1.6 × 750 = + 2 = 7.02mm 2 × 170 × 0.85 − 1.2 × 1.6
实取 δ = 12mm ，之后要用 ANSYS 进行强度校核。 内径： D ′′ = 750mm 长度： L0 = 300mm
2.6 固定管板
外径： D1 = 797mm 板厚： b = 50mm 管板上开孔数与孔间距与管的排列一致。管板材料选用 A3 钢。 管子与管板的连接必须牢固、不泄漏，不产生大的应力变形，最常见的连接方法 为胀接，胀接只能用于工作压力低与 4MPa 和温度低于 300℃的场合；对于高温、高 压、易燃、易爆的运行条件多采用焊接，但采用焊接容易产生热应力且间隙中流体不 流动很容易造成间隙腐蚀，采用胀焊并用的方法可以避免。 由于工作压力和温度都不是特别高，而且管子的间距比较大，管板和管子的连接 采用胀接。换热管在管板内的胀接长度 L=38mm。
2.7 分程隔板 2.7.1 管程分程隔板
管箱的分程在固定端管箱与浮头端管箱内都要安装分程隔板，隔板的布置见图
1，由于两端管箱不是很长，卸下清洗时不用拆下来，因此可以将隔板直接焊接在箱
体上。管程隔板要考虑密封问题，它们的密封是通过在固定管板和浮动管板插隔板的 槽内安放密封填料。为了保证填
料能起到密封作用，隔板的长度要按安装的尺寸进行 计算。具体尺寸见三维实体图。
2.7.2 壳程分程隔板
安装壳体的分程隔板一方面要考虑到密封问题，另一方面要便于拆卸，因此采用 图 3 所示的装置来安装隔板，当转动偏心杆手柄，偏心杆的凸轮推动与其相接的端头 包有密封填料的板可使两端夹紧也可使其松开，便于拆卸。对于浮头式管束要能够拆 卸必须要隔板可以拆卸。因此，此装置是必须要用的。
隔板
偏心杆
密封填料
图 3 壳体分程隔板
2.8 折流板
采用弓形折流板，材料 A3F 钢板，由于壳内分程，每程均采用半弓形如图 4 示， 布置方式采用垂直切口流动方向。
图 4 折流板
按一个壳程计算（计算过程见热力学计算）得： 拱高： h = 140mm 板间距： B = 230mm 板数： n B = 33
板厚： δ B = 6mm 由于考虑到实际安装时由于第一块折流板的位置壳体接管位置的影响， 在一个壳 程内折流板的实际个数应为 32 个，总的折流板数为 64。
2.9 拉杆
材质为 A3F 钢。直径 φ12，共 6 根。拉杆是用来安装折流板的，由于折流板是半 弓形的，在布置拉杆时要考虑到定位的问题。每个折流板最好由三个拉杆来定位。其 布置位置见图纸。
2.10 进出口管 2.10.1.管程进出管 管
2 按 ρ 2 w N 2
进出口流通截面积为：
a N2 = G2 34484 = = 0.00807 m 2 3600 × ρ 2 w N 2 3600 × 1186.9
（52）
进出口管内径为：
DN 2 =
4
π
a N2 =
4
π
× 0.00807 = 0.101m
（53）
取用 Φ100 × 4mm 的热扎钢管
2.10.2.壳程进出口管 壳程进出口管
2 按 ρ1 w N1
进出口流通截面积为：
aN1 = G1 58231 = = 0.01508m 2 3600 × ρ1 w N1 3600 × 1072.5
（54）
进出口管内径为：
DN 2 =
4
π
aN1 =
4
π
× 0.01508 = 0.139m
（55）
取用 Φ150 × 4.5mm 的热扎钢管
2.11 浮头箱
外头盖内直径： D1 = D N + 100mm = 800mm 外头盖同样采用材质为 16MnR 的标准椭圆形封头，δ=12mm 曲面高度：
h2 = D D1 + δ 800 + 12 = = = 203mm 4 4 4
（56）
（57）
直边高度 h ′ = 25mm
2.12 浮头
如图示为浮头端的装配图，包括碟形盖，钩圈法兰和浮动管板，由于浮动管板要 与管子胀接后从壳体一端伸到另一端，因此管板的外直径应小于壳体内径，其主要尺 寸如下：
图 5 浮头结构
浮动管板外直径： D0 = 690mm 浮动管板厚： b = 50mm 浮头法兰外径：
D f o = D N + 80mm = 780mm
（58）
浮头法兰内直径：
D f1 = D f − 2 × (50 + 13) = 654 mm
（59）
碟形盖内半径：
L = 0.75 × D f1 = 0.75 × 654 = 409.5mm
（60）
厚度： δ > δ 0 取 15mm
2.13 补强圈
在实际设计和制义厚度大于 12mm 时，接管 Dg>80mm 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。
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（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， DN=700 的法兰是按 DN800 法兰螺栓孔的位置来设计其尺寸的， 而
图6 大致尺寸如下:
凹凸面密封法兰
DN=800mm 的法兰， D=960mm， D1=915mm， 2=876mm， 3=866mm， D D H=115mm， h=35mm，δ=48mm，δ1=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， 1=915mm， 4=863mm， H=115mm， h=35mm， D D δ=46mm，δ1=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 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=22mm，
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，第一个螺母拧紧后，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：
δ
4
Ⅰ 型
Ⅱ 型
图 6 鞍式支座
其主要尺寸为：h=200mm；l1=640mm；b1=150mm；δ 1 =10mm；δ 2 =8mm；l3=350mm；
b3=120mm；
δ 3 =8mm；弧长 830mm；b4=200mm； δ 4 =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
3 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： 第一步：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，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，直到最后 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。
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 是看到自己的成果，我感到很欣慰。作为大学四年的最后一道大作业——毕业设计， 使我在各个方面都有了很大的提高，收获很大。具体表现在以下几个方面：
通过在设 计中经常查资料提高了我们检索和查阅资料的能力；进一步扎实了所学的理论知识， 对所学基础知识和专业知识进行了一次综合应用和系统复习； 思维方式和设计思想更 加全面化和系统化。养成了勤学好问的习惯，敢于面对困难，能够独立的查找和解决 问题，也提高了自己的创新能力。将理论知识和生产实际相结合，为以后的工作和学 习打下了很好的基础，但是，设计过程中仍然存在不足之处，有的问题还需要进一步 展开研究。具体如下： 1. 管子的胀接没有进行分析计算； 2.由于管程与壳程的分程使管子的排列不均匀，故存在旁流与侧流的问题，此 问题尚未进行分析； 3.通常在进液管口有挡板控制流速和引流，此结构尚未设计。
参考文献
[1]朱聘冠.换热器原理及计算[M].北京 ：清华大学出版社，1987 [2]史美中，王中铮.热交换器原理与设计[M].北京：东南大学出版社，1996 [3]钱颂文.换热器设计手册[M].北京：化学工业出版社，2003 [4]庄俊，徐通明，石寿椿.热管与热管换热器[M].上海：上海交通大学出版社，1987 [5]董大勤.化工设备机械基础[M].北京：化学工业出版社，1990 [6]化工设备机械基础编写组.化工设备机械基础[M].北京：石油化学工业出版社，1978 [7]赵克勤，王秀珍，王正.石油化工容器及设备[M].武汉：华中理工大学出版社，1990 [8][美]贾瓦特 M.H.化工设备结构分析与设计[M].北京：中国石化出版社，2003 [9]顾芳珍，陈国桓.化工设备设计基础[M].天津：天津大学出版社，1997 [10]黄振仁，魏新利.过程装备成套技术[M].北京：化学工业出版社，2001 [11]黄振仁，魏新利.过程装备成套技术设计指南[M].北京：化学工业出版社，2003 [12]郑津洋，董其伍，桑芝富.过程装备设计[M].北京：化学工业出版社，2005 [13]邹广华，刘强.过程装备制造与检测[M].北京：化学工业出版社，2003 [14] [美]James R.Farr Maan H.Jawad，ASME 压力容器设计指南第二版[M].北京：化学工 业出版社，2003 [15]濮良贵，纪名刚.机械设计第八版[M].北京：高等教育出版社，2006 [16]邓文英.金属工艺学第四版[M].北京：高等教育出版社 2007 [17]教育部高等学校机械学科过程装备与控制工程专业教学指导分委员会.过程装备与控 制工程[M].北京：化学工业出版社，2006 [18]成大先.机械设计手册第五版[M].北京：化学工业出版社，2008 [19]GB 150-1998.钢制压力容器[S].北京：中国标准出版社，2003 [20]GB 151-1999.管壳式换热器[S].北京：中国标准出版社，2004 [21]HG 20582-1998.钢制化工容器强度计算规定[S].化工部工程建设标准编辑中心出版， 1998 [22]JB 4732-1995.钢制压力容器——分析设计标准[S].北京：新华出版社，1995
致
谢
在整个设计过程中我的老师王红萍给了我很大的帮助和支持。在设计中，我经常 遇到一些问题难以解决，当我带着问题去请教时，他都不是直接给出答案，而是旁敲 侧击的给我一些指引，让我充分发挥自己的思维，一步步地将问题慢慢的解决。每次 遇到做得不好的地方，老师都给我耐心的讲解和分析。他告诉我们考虑问题要从多方
面考虑，每次同他讨论一些问题都让我受益匪浅。他一丝不苟的作风是我学习中的榜 样；他循循善诱的教导思路给予我无尽的启迪。在此我衷心的感谢指导老师周志宏教 授，谢谢！在设计过程中还得到了其他老师及同学的大力帮助在此一并表示最衷心的 感谢！