学号：
毕业设计说明书
U型换热器设计
U tube heat exchanger design
学院 机电工程学院 专业 化工设备机械 班级
学生 指导教师（职称）
完成时间 年 月日 年 月 日
毕 业 设 计 务 书
院（系）： 专业
班 级： 学生： 学号：
毕业文课题 U形换热器设计
二毕业文工作 年 月 日起 年 月 日止
三毕业文进行点 校实
四毕业文容求 1毕业设计说明书 2零号图纸15张
基础数：
序号
项目名称
壳程
程
单位
1
设计压力
18
17
MPa
2
工作压力
171
156
MPa
3
设计温度
400
454
℃
4
工作温度
373
415
℃
5
操作介质
混氢油
反应产物
—
6
焊接街头系数
1
1
—
7
腐蚀裕量
3
3
mm
8
水压试验压力
2464
2431
MPa
9
入口温度
134
370
℃
10
出口温度
316
210
℃
容：
1结构设计 参相关手册标准等确定换热器结构包括总体 结构尺寸确定折流板接法兰支座拉杆选择
2强度计算 通部分计算确定换热器强度尺寸包括筒体封头板强度计算
求：
1毕业设计说明书
2零号图纸15张
设计进度计划：
第1~5周——查阅资料现场调研确定设计方案工艺计算确定工艺尺寸
第6~13周——结构设计强度计算绘图
第14~15周——撰写文印文准备答辩
参考资料：
[1]毛希谰 换热器设计[M] 海：海科学技术出版社1998
[2]姚玉英 化工原理[M]天津：天津学出版社1999
[3]夏青德 化工设备设计[M]北京：化学工业出版社2000
[4]GB1501998钢制压力容器[S]中国标准出版社出版2000
[5]GB1511999壳式换热器[S]中国标准出版社1998
指导教师
接受文务开始执行日期 20XX 年 X 月X 日
学生签名
摘
换热器许工业部门广泛应工艺设备设计中考虑操作条件介质特性设计采U型式换热器结构该设备适温差壳程流体清洁易结垢拆卸清洗场合设计程中GB1511999钢制U型式换热器换热器次进行工艺计算结构设计（材料选型）强度计算完成专题讨中强度计算中根温差具体数值膨胀节需进行计算设计层子排列方式采正三角形排列种方法相板面积排较子外表面传热系数双程结构分程隔板两边采矩形排列检测该台换热器否满足介质换热需
关键词：换热器U型式工艺设计结构设计强度计算
ABSTRACT
The heat exchanger is the techniques equipment widely used in many industrial departments In the design it uses the fixed tube plate type of the heat interchanger structurebecause of the operating condition and the medium characteristic This equipment is suitable when the temperature difference is not bigthe shell regulation fluid is cleanor the frazedisassembling or cleaning for the heat exchanger is not easy In the process of the designthe technological designthe structural design(material shaping) and the strength calculation must according to the GB1511999Steel SystemShell Type Heat interchangerfinally it completes the seminar In the strength calculationit must be computed for the require of the part of inflates according to the difference concrete value ot the temperatureIn the design the way of each pipe arrangement uses the equilateral triangle arrangementthis method may arrange many pipes in the same tube plate areaalso the tube outside surface heat transfer coefficient is big But because the structure is two barrel regulation it uses the rectangular arrangement at the both sides of the partition board Finally it be difined that the heat interchanger whether satisfies the need of the medium heat transfer
Key words heat exchangerfixed tube platetechnological design structural design strength calculation
目 录
摘 I
ABSTRACT II
前 言 1
第章 绪 2
1．1 换热器应发展 2
1．2 换热器分类特点 5
1．3 U型式换热器设计 7
第二章 换热器工艺计算 8
2．1 设计条件 8
2．2 确定物性数 8
2．3 符号说明 8
2．4 流体走确定 9
2．5估算传热面积初选换热器规格 9
2．6换热排列心距 10
2．7 折流板 11
2 8接 11
2．9 压强降核算 12
2．10 总传热系数核算 13
第三章 换热器结构设计 16
3 1筒体 16
3 2箱材料 16
3 3 箱法兰 17
3 4接材料 18
3 5 接法兰 19
3 7 板 20
3 8材料 21
3 9 换热 21
3 10 拉杆 22
311 折流板选取布置 23
3 12 封头 23
第四章 换热器强度计算 25
4．1 筒体壁厚计算 25
4．2箱短节封头厚度计算 26
4．3 膨胀节设计 26
4．4换热器受压元件强度计算校核 28
45 换热器强度计算校核 28
4．6鞍座校核 30
4．7筒体校核 30
第五章 设计采制造方法工艺 33
参 考 文 献 35
前 言
换热器热流体部分热量传递冷流体实现热量传递设备称热交换器
换热器应广泛日常生活中取暖暖气散热片汽轮机装置中凝汽器航天火箭油冷器等换热器广泛应化工石油动力原子等工业部门换热器工业部门广泛应种常见设备通种设备进行热量传递满足生产工艺需功保证工艺程介质求特定温度时提高源利率设备
换热器化工行业中应十分广泛种化工生产工艺制冷工业中食品冷藏业常氨制冷剂蒸汽压缩制冷装置例压缩机压缩气态氨冷凝器中冷凝液体液化高压液态氨膨胀机节流阀中绝热膨胀温度降远低周围环境温度种低温氨流体流蒸发器时吸热蒸发回复原先进入压缩机时氨气状态然重复新循环种制冷装置中存冷凝器蒸发器等换热器
火力发电厂中装空气预热器燃油加热器反应产物加热器整齐冷凝器等系列换热器实蒸汽锅炉身作型复杂换热器燃料炉膛中燃烧产生热量通炉膛受热面流蒸发受热面热器省煤器加热工质工质汽化热成输蒸汽轮机符合求热蒸汽
第章 绪
1．1 换热器应发展
111 换热器应
1．换热器代工业中应
化工生产中换热器工艺设备例氮肥生产中氮气氢气混合气体500℃左右高温催化剂作合成氨氨未反映氮氢气体分离需通冷冷凝办法液体形式分离出生产程中加热冷冷凝通换热器实现酒精生产中酒精精馏塔操作时原料液需预热釜底液体需沸器中加热塔顶产生蒸汽需冷凝生产程中预热加热冷凝通换热器实现换热器化工行业中应十分广泛种化工生产工艺
制冷工业中食品冷藏业常氨制冷剂蒸汽压缩制冷装置例压缩机压缩气态氨冷凝器中冷凝液体液化高压液态氨膨胀机节流阀中绝热膨胀温度降远低周围环境温度种低温氨流体流蒸发器时吸热蒸发回复原先进入压缩机时氨气状态然重复新循环种制冷装置中存冷凝器蒸发器等换热器
火力发电厂中装空气预热器燃油加热器反应产物加热器整齐冷凝器等系列换热器实蒸汽锅炉身作型复杂换热器燃料炉膛中燃烧产生热量通炉膛受热面流蒸发受热面热器省煤器加热工质工质汽化热成输蒸汽轮机符合求热蒸汽
核电长中蒸汽发生器项重工艺设备核燃料裂变产生量热量首先传冷剂冷剂蒸汽发生器中热量传反应产物反应产物汽化成蒸汽蒸汽转动汽轮发电机发电外核电厂系统中装种加热器蒸汽冷凝器等换热器
动力化工制冷等工业中换热器仅缺少工艺设备金属消耗投资方面占较例火力发电厂中果锅炉作换热设备换热器投资约占电厂总投资70左右般石油
化工企业中换热器投资约占总投资30 ～40
2．换热器节降耗中应
换热器节技术改造中具重作表现两方面：生产工艺流程中着量换热器提高换热器效率显然减少源消耗方面换热器回收工业余热显著提高设备热效率
工业预热数量分布广国均已余热回收列节工作重方面研究表明换热器效余热回收设备锻造加热炉例普通加热炉公斤锻件耗07公斤标准燃料装换热器加热炉公斤锻件耗015公斤左右标准燃料烧燃料工业炉约60～70热量烟气带走浪费掉段时期国偏重余热锅炉回收烟气余热较少采换热器余热锅炉热回收率较高助工业炉身热效率提高助炉高质燃料节省装设换热器利烟气余热预热工业炉进风工业炉身热效率提高节省炉高质燃料普通换热器空气预热300～400℃般节约燃料15～25高温换热器时取更效果节约燃料达40烧低热值染加热炉空气煤气预热300℃升温速度提高1～2倍产量提高20～30烧油炉子预热工期助染雾化质量改善燃料充分燃烧换热气面装预热锅炉燃料热量利率达80～90见工业炉烟气余热回收应首先满足炉需节省炉高质燃料然早考虑外部需争取更济效益余热回收应遵守节约燃料中心进行综合利原工业余热分布广形式种样节方案相种节方案中换热器缺少
112换热器发展
1换热设备发展概况
换热器工业中应少已200余年历史200余年换热器发展史致划分三时期：20世纪前原始时期20时间前50年初步发展时期30余年迅速发展时期
（1）原始时期
时期换热器铸铁组装成式换热器动力化工钢铁等工业部门19实际50年代考贝尔西门子分发明炼铁炉炼钢炉蓄热室蓄热室预热空气时金属换热器达温度高逐渐取代原始铸铁换热器成19世纪50年中工业炉换热设备
（2）初步发展时期
20世纪初换热器开始进入新发展时期─科学理指导初步发展时期20世纪前50年中换热器发展发生变化：
①式换热器发展迅速
50年代初U型式套式绕式蛇式等种式换热器结构已较完善程度许国家制订系列标准着冶金工业发展钢合金钢铝钢等均已成式换热器广泛采材料提高换热器效率30年代已出现肋片式换热器时期式换热器换热设备中占着绝优势
②出现种板式结构换热器
板式传热表面传热性式优越相继出现板式螺旋板式板肋式板壳式等板片基构件换热器式换热器相板式结构换热器突出优点传热效率高结构紧凑质量受工业部门重视
（3）迅速发展时期
进入50年代科学技术工业生产飞速发展换热器进入飞速发展时期
①式换热器发展
着强化传热技术发展种型式强化传热相继出现U型式换热器中强化传热已广泛采提高传热效率提高紧凑性降低材料消耗等方面均取显著效果
通选新型材料关键受力部件改进操作温度压力明显提高目前U型式换热器高操作温度达1500℃（压力8MPa）
②板式结构换热器广泛应
着工艺传热学发展板式结构换热器设计生产遇问题逐步解决20年发展快已许工业部门中广泛应压力较低温度高流量干场合种板式结构换热器已逐步取代式换热器中螺旋板式换热器作种高效换热设备发展尤迅速
2．换热器发展趋势
前换热器发展基趋势：继续提高设备传热效率促进设备结构紧凑性加强生产制造标准系列化专业化广泛范围继续型化方发展
U型式换热器：具结构坚固弹性材料范围广等独特优点广泛领域继续发展尤高温高压型化场合更广阔发展前途加强传热效率高温高压条件采电焊焊接式翅片结构会重视发展制造工艺进步机械化动起采种新技术发展U型式换热器方面占重位
板式换热器：该种形式换热器进步发展趋势提高操作温度操作压力设计型板片增处理量扩范围采新结构材料新制造工艺中尤研制新垫片材料改进密封结构增强板片刚度便提高操作温度操作压力扩范围等发展重点
螺旋板换热器期发展种结构形式换热器扩应场合时进步提高承压力增处理量改进焊接工艺适应石油化学工业求
1．2 换热器分类特点
换热器类型工业发展增早期换热设备制造工艺科学反应产物限制结构简单换热面积体积较等特征
化工生产中途工作条件热载体特性等换热器提出求出现种形式结构换热器便区分分析研究换热器列方式进行分类
121 换热器分类
1．作原理传热方式分类
（1）混合式换热器
利两种换热流体直接接触混合作进行热量交换混合式换热器操作素两种流体接触面积促进间热量交换获更接触面积设备中防止隔栅填料时液体喷成细滴类设备通常做成塔状
（2）蓄热式换热器
两种温度流体先通种固体填料表面首先热流体通热量蓄积填料中然冷流体通时热量带走样填料加热冷程中进行着热流体冷流体间热量传递种换热器时避免会两种流体少量混合必然成通入热流体时通入冷流体动阀进行交切换生产连续进行
（3）间壁式换热器
利种固体壁面进行热交换两种流体隔开通壁面进行传热种形式换热器广泛
2．生产中目分类
分冷器加热器冷凝器汽化器（沸器）换热器等
3．换热器材料分类
般换热器分成金属材料非金属材料两类
4．换热器传热面形状结构分类
区分种形式间壁式换热器分类：
（1）通壁传热换热器（式）
①蛇式换热器
②套式换热器
③U型式换热器：类换热器分U型式U形式浮头式
（2）通板面传热换热器（板面式）
①螺旋板式换热器
②板式换热器
③伞板式换热器
④板翅式换热器
⑤板壳式换热器
（3）形式换热器
类换热器般满足某特殊求出现处发展阶段中较成熟回转式换热器热等
1．3 U型式换热器设计
U型式换热器设计资料较完善已系列化标准目前国U型式换热器设计制造检验验收钢制U型式换热器（GB151）标准执行
U型式换热器设计分析包括热力设计流动设计结构设计强度设计中热力设计重仅设计台新换热器时需进行热力设计已生产出甚已投入换热器检验否满足求时均需进行方面工作
热力设计指根单位提出基求合理选择运行参数根传热学知识进行传热计算
流动设计计算压降目换热器辅助设备—例泵选择做准备然热力设计流动设计两者密切关联特进行热力计算时常需流动设计中获取某参数
结构设计指根传热面积计算零部件尺寸例子直径长度根数壳体直径折流板长度数目隔板数目布置连接尺寸等等
某情况需换热器零部件—特受压均做应力计算校核强度高温高压工作换热器更忽视方面工作保证安全生产前提做强度计算时应量采国产标准材料部件根国压力容器安全技术规定进行计算校核
第二章 换热器工艺计算
U型式换热器工艺设计包括容：
1． 根换热务关求确定设计方案
2． 初步确定换热器结构尺寸
3． 核算换热器传热面积流体阻力
4． 确定换热器工艺结构
2．1 设计条件
表21 设计条件
壳程
程
流体名称
混氢油
反应产物
总流量（th）
25
工作温度 进出 (℃)
134316
370210
压力(MPa)
171
156
2．2 确定物性数
条件查基物性数：
表22 物性数
介 质
密度（kgm3）
热容（KJkg×℃）
黏度（Pa×s）
导热系数（W(m×℃)）
反应产物
994
4．174
0．735×103
0．626
混氢油
789
239
00115×103
0058
2．3 符号说明
0——热流体密度kgm3
0——热流体黏度Pa×s
0——热联体导热系数W(m×℃)
——热流体热容KJkg×℃
——冷流体热容KJkg×℃
i——冷流体密度kgm3
i——冷流体黏度
i——冷流体导热系数
——换热数目
2．4 流体走确定
两流体均发生相变传热程反应产物流传热系数般较易结垢选择冷反应产物走换热器程混氢油走壳程
2．5估算传热面积初选换热器规格
251 计算热负荷冷反应产物量
（21）
（22）
式中
——热流体质量流量kgs
——冷流体质量流量kgs
——热流体热容KJkg×℃
——冷流体热容KJkg×℃
——热流体始末温度℃
——冷流体始末温度℃
252 计算两流体均温度差
230°C （23）
（24）
查：
（25）
253 初选换热器规格
根两流体情况假设
（26）
式中
——估算传热面积
——实际传热面积
初步选U型式式换热器换热器系列标准初选换热器表示：
表23 初选换热器参数
壳径mm
600
子尺寸mm
20 25
中心排数
16
长m
45
程流通面积m2
00364
子总数
241
程数
2
子排列方法
正三角形
实际传热面积 （27）
选择该型号换热器求程总传热系数290w
2．6换热排列心距
—般说正三角形排列相板面积排较子外表面传热系数较正三角形排列时外机械清洗较困难认外流体流动阻力较设计中壳程中介质混氢油非腐蚀性介质利清洗程结构采组合排列方法程采正三角形排列程间便安装隔板采矩形排列方法设计采常规正三角形排列
心距 （mm） （29）
常心距表中查外径25mm心距t32mm
2．7 折流板
采弓形折流板取弓形折流板圆缺高度壳体径25切圆缺高度
取折流板间距B03D180mm
（块） （210）
折流板圆缺面反应产物装配
2 8接
根流体操作情况结构尺寸求取程接流体流速15ms程接径
（211）
式中 ——程接径mm
——冷反应产物体积流量m3s
——冷反应产物流速ms
取壳程接流体流速05ms壳程接径
（212）
式中 ——壳程接径mm
——混氢油体积流量m3s
——混氢油流速ms
综合考虑缝钢标准尺寸接直径筒体径关系补强需取程接壳程接考虑济性焊接求接材料选20号钢
2．9 压强降核算
291 程压强降
（213）
式中 ——单程直阻力Pa
——局部阻力Pa
——壳程数：
——程数
——程总阻力
——程结构校正数量纲1径20mm外径25mm子取14
中1214
程流通面积 （214）
（215）
（216）
蛇壁粗糙度关系图查：
（217）
（218）
程流体阻力允许范围
292 壳程压强降
（219）
式中 ——流体横国束压强降Pa
——流体通折流板缺口压强降Pa
——壳程压强降结垢校正数量纲1液体取115
（220）
（221）
式中 ——子排列方法压强降校正系数正三角形排列05
——壳程流体摩擦系数Re0＞ 500时
——横束中心线子数
——折流挡板数
h——折流挡板间距
——壳程流通面积S0计算流速ms
中115 116
壳程流通面积 （222）
（223）
（224）
（225）
壳程流体阻力允许范围
2．10 总传热系数核算
2101 程流传热系数
（226）
（227）
0023
22119
2102 壳程流传热系数
（228）
取换热器列中心距t32mm流体通间截面积
（229）
三角形排列时
（230）
（231）
（232）
壳程中混氢油冷取
2103总传热系数
（233）
前面计算知选该型号换热器时求程总传热系数规定流动条件计算出安全系数
203
安全系数15～25符合求
第三章 换热器结构设计
程设计压力17MPa壳程设计压力18MPa取程设计温度454壳程设计温度400
3 1筒体
311 材料选取
选取筒体材料钢板标准热轧钢板510345设计温度
312 结构尺寸
工艺计算圆整径求出面积裕量203符合工艺求取合适工艺计算相关参数必更改
筒体壁厚GB1511999圆筒厚度低6mm
313 结构形式
标准GB1511999选择壳体型式选择代号E单壳程壳体结构型式（图31）：
图 31 壳体型式
3 2箱材料
321 材料选取
选取选箱材料筒体材料相选钢板标准热轧钢板510MPa345MPa设计温度
322结构尺寸
该换热器单壳程双程选B型封头箱型箱确
定尺寸箱长度箱直径壳程直径决定箱长度尺寸确定保证流体分布均匀流体合理强度素确定长度制造安装方便限制长度
右边箱接选取箱总长选取左边箱总长200mm箱壁厚GB1511999箱壁厚低圆筒厚度6mm
3 3 箱法兰
331材料选取
考虑焊接问题济性问题选取法兰材料Q345R板材加工选标准GB7132008510MPa345MPa设计温度根操作情况考虑螺栓材料硬度般螺母材料硬度济性问题螺栓材料选CrMoA钢螺母材料选30CrMoA钢选标准均正火处理工作适应温度
332 结构尺寸
根换热器设计压力仅05MPa工作介质密封求高选甲型焊法兰采凸面密封选标准根箱公称直径选取箱法兰参数表31：
表31 箱法兰参数
DNmm
D mm
D1 mm
D2 mm
b mm
d mm
螺栓规格
螺栓数量
600
715
680
637
32
18
M16
24
333 结构型式
(图32)示：
图32 箱法兰
3 4接材料
341 材料选取
接材料选20号钢缝钢选标准GBT81631999
342 结构尺寸
壳程接：
壳体中走混氢油密度ρ789 kgm3qms25000kgh第二章求混氢油流速uo014ms
考虑流阻影响接直径应结果考虑原整取（接外径）壁厚参考GB8163标准选择5mm
程接：
方法工艺计算取
接高度参HG20583设计压力PN≤40MPa查壳程接伸出长度l180mm程接伸出长度l180mm
343 结构型式
图 33 接
图33 接
3 5 接法兰
351 材料选取
根设计压力选带颈焊钢制法兰（SO型）采突面形式密封材料选20Ⅱ选标准
352 结构尺寸
箱接公称直径选箱接法兰参数表32：
表32 箱接法兰参数
DN mm
D mm
K mm
L mm
Th mm
n mm
C mm
B1 mm
150
265
225
18
M16
8
20
161
筒体接公称直径选筒体接法兰参数表33：
表33 筒体接法兰参数
DN mm
D mm
K mm
L mm
Th mm
n mm
C mm
B1 mm
150
265
225
18
M16
8
20
161
3 6 垫片
换热器程壳程设计压力均17法兰密封形式两侧介质均属腐蚀性介质选非金属软垫片综合考虑选择橡胶垫XB350参数见表34：
表34 垫片参数
径mm
垫片宽度mm
垫片系数m
压力y
硬度
材料
垫片厚度mm
600
14
100
14
>75
橡胶板
3
3 7 板
371材料选取
考虑法兰筒体材料实际工作情况选取板材料Q345R查相关参考资料：
372结构尺寸
选择板兼做法兰结构选箱法兰尺寸表35：
35板参数（ mm）
DN
D
D1
D2
D3
D4
D5
c
d2
螺栓
bf
b
600
715
680
650
597
637
600
125
18
M16
24
30
40
373结构型式
图 35 带法兰板
3 8材料
381 材料选取
分程隔板应采封头箱等材料选选钢板标准热轧钢板510MPa345MPa设计温度
382 结构尺寸
壳体公称直径600mm根GB1511999选取隔板厚度8mm
3 9 换热
391 材料选取
子材料缝碳钢选标准
392 结构尺寸
工艺计算选缝碳钢型号外径偏差
厚度偏差25
393 排列型式
换热正三角形排列间距t32mm排总数241两程程116根
分程隔板槽两侧相邻中心距取
布限定圆直径取8mm
具体排：
图36 排图
3 10 拉杆
3101 材料选取
拉杆材料20号钢
3102 结构尺寸
工艺计算尺寸表36：
表36 拉杆尺寸参数（mm）
直 径
数 量
拉杆螺纹DN
La
Lb
孔深
16
4
16
20
60
20
3103 结构型式
图37 拉杆
311 折流板选取布置
3111 材料选取
工艺计算需折流板24块选取折流板材料375MPa235MPa设计温度
折流板名义外径允许偏差08折流板采拉杆定距方式固定定距选缝钢材料20号钢取折流板厚度5mm折流板孔直径d+08258mm允许偏差 0+03孔中心距公差相邻两孔±03加工两端必须倒角05×45°
采反应产物接口缺口布置造成流体激烈扰动增传热系数结构图图：
图38折流板
3 12 封头
该换热器单壳程双程封头选标准椭圆封头结构
图39 封头
第四章 换热器强度计算
4．1 筒体壁厚计算
筒体焊接采相双面焊全焊透方式进行接焊进行局部损探伤取170MPa腐蚀裕量100mm厚度负偏差mm
（41）
筒体计算厚度
(mm) （42）
筒体设计厚度
(mm) （43）
筒体名义厚度
（mm） （44）
mm筒体求mm综合考虑取mm效壁厚
(mm) （45） 取试验温度30℃
反应产物压试验压力
MPa > （46） 取066选材料屈服应力MPa
反应产物压试验应力校核（MPa) （47） (MPa)
反应产物压满足强度求
4．2箱短节封头厚度计算
根设计压力04程设计温度60℃选取标准椭圆封头材料选择筒体材料样取焊缝系数腐蚀裕量mm厚度负偏差mm
封头计算厚度
(mm) （48）
封头设计厚度
(mm) （49）
封头名义厚度
+圆整+圆整+圆整(mm) （410）
封头求综合考虑取封头效壁厚
(mm) （411）
压力试验种情况定满足强度求
理箱短节选封头样材料取mm
4．3 膨胀节设计
取室温To筒体子膨胀量差：
（412）
（m）
壳程程压差产生力：
（413）
965 (N)
筒体横截面积
(m2) （414）
束横截面积
（415）
筒体子间温差产生力
（416）
壳程程压力作筒体力
（417）
壳程程压力作子力
（418）
筒体产生应力
（419）
子产生应力
（420）
根子横截面积
(（421）
(mm)
取子拉脱力计算
（422）
子板采强度焊+贴胀
(MPa) （423）
综＜需设膨胀节
4．4换热器受压元件强度计算校核
板
板刚度削弱系数相
假定板厚度
子加强系数
1287 （424）
45 换热器强度计算校核
壳程压力作危险组合
05MPa
设计温差较应计入膨胀差计算
变形差
（425）
效压力组合
（426）
板边缘力矩系数
（427）
板边缘剪力系数
（428）
板径应力系数
（429）
壳体法兰应力
（430）
壳程圆筒轴应力
（431）
4335
校核符合强度求
4．6鞍座校核
封头标准椭圆封头折算直径等圆筒直径长度圆筒换热器总重作长度
（432）
换热器筒体箱封头似质量
子质量似
（433）
根具体情况认换热器身质量似壳体质量子质量15倍换热器质量
（434）
操作状态混氢油密度试压温度反应产物密度试压情况换热器总重操作状态总重取液压试验温度30℃
液体质量
（435）
换热器总重
（436）鞍座承受总重：
（437）显然选鞍座够满足求
4．7筒体校核
471 圆筒轴应力
跨距中点处圆筒截面轴应力：
高点（压缩应力）
（438）
低点（拉伸应力）
（439）
支座处加强圈包角支座截面处圆筒拉伸应力
（440） 支座截面处圆筒压缩应力：
（441）
圆筒轴许界应力
（442）
试验情况试验压力引起轴拉伸应力操作工况设计压力引起轴拉伸应力情况产生拉伸应力
（443）
试验操作情况压力产生均拉伸应力显然压缩应力
综述换热器轴应力允许范围
472支座截面处圆筒周压缩应力
支座截面处圆筒底部压缩力
（444）
承受周压缩力效长度：
（445）
支座截面处圆筒周压缩应力
（446）
473 鞍座强度校核
（447）
选鞍座符合强度求
第五章 设计采制造方法工艺
设计中工作压力较（04MPa）压差温差影响换热器应力状态素针设计预应力设计中仅消温差应力进行设计采综合优化预应力制造思想方法中计算机限元分析应力准确值确十分复杂简化方法准确应力值转化成变形差距离通控制变形差施加预应力仅计算简单加工制造方便时节约制造费
1筒体加工筒体连接时预留环焊缝图58标号4环焊缝宽度变形差距离变形差量厚度金属环垫片焊接进行筒体组装
2束组件（1板2折流板3换热5拉杆定距8板）组焊然壳体两端板焊接
3环焊缝焊接预应力施加焊缝较宽利焊接须达加工预应力效果焊接时必须筒体缝隙零时进行焊接考虑焊接收缩量达设计目采方法设想：
(1)火焰架筒体表面进行加热筒体产生热膨胀热膨胀量达环焊缝闭合时控制温度进行环焊缝焊接焊接消焊接差焊接稳固撤火焰架换热—板—筒体间逐渐产生负温差应力（预应力）
(2)机械加载方法液压机加力机械两端板边缘加力筒体焊缝闭合时进行焊接焊接达稳固缓慢卸机械加载力实现预应力
图51焊接预应力示意图
1—板2—折流板3—换热4—焊接焊缝：
5—拉杆定距7—接8—板
4．完成换热器零部件安装总装
采预应力制造效果图69示制造完成换热器器处预应力状态直工作时消次程中果计算加工相精确话工作状态换热器总体受温差热应力影响零
参 考 文 献
[1] GB1502011压力容器[S]
[2] GB1511999壳式换热器[S]
[3] TSG R00042009固定式压力容器安全技术监察规范[S]
[4] JBT47312005钢制卧式容器[S]
[5] JBT 47462002钢制压力容器封头[S]
[6] JBT47122007容器支座 [S]
[7] 张建芳山红红涂永善 炼油工艺基础知识[M] 北京中国石化出版社 2006
[8] 姚玉英 化工原理（册）[M] 天津天津学出版社1999
[9] 中国石化集团海工程限公司 化工工艺设计手册 (册) [M] 北京化学工业出版社2009
[10] 钱颂文 换热器设计手册[M] 北京化学工业出版社2002
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学号：
毕业设计说明书
U型换热器设计
U tube heat exchanger design
学院 机电工程学院 专业 化工设备机械 班级
学生 指导教师（职称）
完成时间 年 月日 年 月 日
毕 业 设 计 务 书
院（系）： 专业
班 级： 学生： 学号：
毕业文课题 U形换热器设计
二毕业文工作 年 月 日起 年 月 日止
三毕业文进行点 校实
四毕业文容求 1毕业设计说明书 2零号图纸15张
基础数：
序号
项目名称
壳程
程
单位
1
设计压力
18
17
MPa
2
工作压力
171
156
MPa
3
设计温度
400
454
℃
4
工作温度
373
415
℃
5
操作介质
混氢油
反应产物
—
6
焊接街头系数
1
1
—
7
腐蚀裕量
3
3
mm
8
水压试验压力
2464
2431
MPa
9
入口温度
134
370
℃
10
出口温度
316
210
℃
容：
1结构设计 参相关手册标准等确定换热器结构包括总体 结构尺寸确定折流板接法兰支座拉杆选择
2强度计算 通部分计算确定换热器强度尺寸包括筒体封头板强度计算
求：
1毕业设计说明书
2零号图纸15张
设计进度计划：
第1~5周——查阅资料现场调研确定设计方案工艺计算确定工艺尺寸
第6~13周——结构设计强度计算绘图
第14~15周——撰写文印文准备答辩
参考资料：
[1]毛希谰 换热器设计[M] 海：海科学技术出版社1998
[2]姚玉英 化工原理[M]天津：天津学出版社1999
[3]夏青德 化工设备设计[M]北京：化学工业出版社2000
[4]GB1501998钢制压力容器[S]中国标准出版社出版2000
[5]GB1511999壳式换热器[S]中国标准出版社1998
指导教师
接受文务开始执行日期 20XX 年 X 月X 日
学生签名
摘
换热器许工业部门广泛应工艺设备设计中考虑操作条件介质特性设计采U型式换热器结构该设备适温差壳程流体清洁易结垢拆卸清洗场合设计程中GB1511999钢制U型式换热器换热器次进行工艺计算结构设计（材料选型）强度计算完成专题讨中强度计算中根温差具体数值膨胀节需进行计算设计层子排列方式采正三角形排列种方法相板面积排较子外表面传热系数双程结构分程隔板两边采矩形排列检测该台换热器否满足介质换热需
关键词：换热器U型式工艺设计结构设计强度计算
ABSTRACT
The heat exchanger is the techniques equipment widely used in many industrial departments In the design it uses the fixed tube plate type of the heat interchanger structurebecause of the operating condition and the medium characteristic This equipment is suitable when the temperature difference is not bigthe shell regulation fluid is cleanor the frazedisassembling or cleaning for the heat exchanger is not easy In the process of the designthe technological designthe structural design(material shaping) and the strength calculation must according to the GB1511999Steel SystemShell Type Heat interchangerfinally it completes the seminar In the strength calculationit must be computed for the require of the part of inflates according to the difference concrete value ot the temperatureIn the design the way of each pipe arrangement uses the equilateral triangle arrangementthis method may arrange many pipes in the same tube plate areaalso the tube outside surface heat transfer coefficient is big But because the structure is two barrel regulation it uses the rectangular arrangement at the both sides of the partition board Finally it be difined that the heat interchanger whether satisfies the need of the medium heat transfer
Key words heat exchangerfixed tube platetechnological design structural design strength calculation
目 录
摘 I
ABSTRACT II
前 言 1
第章 绪 2
1．1 换热器应发展 2
1．2 换热器分类特点 5
1．3 U型式换热器设计 7
第二章 换热器工艺计算 8
2．1 设计条件 8
2．2 确定物性数 8
2．3 符号说明 8
2．4 流体走确定 9
2．5估算传热面积初选换热器规格 9
2．6换热排列心距 10
2．7 折流板 11
2 8接 11
2．9 压强降核算 12
2．10 总传热系数核算 13
第三章 换热器结构设计 16
3 1筒体 16
3 2箱材料 16
3 3 箱法兰 17
3 4接材料 18
3 5 接法兰 19
3 7 板 20
3 8材料 21
3 9 换热 21
3 10 拉杆 22
311 折流板选取布置 23
3 12 封头 23
第四章 换热器强度计算 25
4．1 筒体壁厚计算 25
4．2箱短节封头厚度计算 26
4．3 膨胀节设计 26
4．4换热器受压元件强度计算校核 28
45 换热器强度计算校核 28
4．6鞍座校核 30
4．7筒体校核 30
第五章 设计采制造方法工艺 33
参 考 文 献 35
前 言
换热器热流体部分热量传递冷流体实现热量传递设备称热交换器
换热器应广泛日常生活中取暖暖气散热片汽轮机装置中凝汽器航天火箭油冷器等换热器广泛应化工石油动力原子等工业部门换热器工业部门广泛应种常见设备通种设备进行热量传递满足生产工艺需功保证工艺程介质求特定温度时提高源利率设备
换热器化工行业中应十分广泛种化工生产工艺制冷工业中食品冷藏业常氨制冷剂蒸汽压缩制冷装置例压缩机压缩气态氨冷凝器中冷凝液体液化高压液态氨膨胀机节流阀中绝热膨胀温度降远低周围环境温度种低温氨流体流蒸发器时吸热蒸发回复原先进入压缩机时氨气状态然重复新循环种制冷装置中存冷凝器蒸发器等换热器
火力发电厂中装空气预热器燃油加热器反应产物加热器整齐冷凝器等系列换热器实蒸汽锅炉身作型复杂换热器燃料炉膛中燃烧产生热量通炉膛受热面流蒸发受热面热器省煤器加热工质工质汽化热成输蒸汽轮机符合求热蒸汽
第章 绪
1．1 换热器应发展
111 换热器应
1．换热器代工业中应
化工生产中换热器工艺设备例氮肥生产中氮气氢气混合气体500℃左右高温催化剂作合成氨氨未反映氮氢气体分离需通冷冷凝办法液体形式分离出生产程中加热冷冷凝通换热器实现酒精生产中酒精精馏塔操作时原料液需预热釜底液体需沸器中加热塔顶产生蒸汽需冷凝生产程中预热加热冷凝通换热器实现换热器化工行业中应十分广泛种化工生产工艺
制冷工业中食品冷藏业常氨制冷剂蒸汽压缩制冷装置例压缩机压缩气态氨冷凝器中冷凝液体液化高压液态氨膨胀机节流阀中绝热膨胀温度降远低周围环境温度种低温氨流体流蒸发器时吸热蒸发回复原先进入压缩机时氨气状态然重复新循环种制冷装置中存冷凝器蒸发器等换热器
火力发电厂中装空气预热器燃油加热器反应产物加热器整齐冷凝器等系列换热器实蒸汽锅炉身作型复杂换热器燃料炉膛中燃烧产生热量通炉膛受热面流蒸发受热面热器省煤器加热工质工质汽化热成输蒸汽轮机符合求热蒸汽
核电长中蒸汽发生器项重工艺设备核燃料裂变产生量热量首先传冷剂冷剂蒸汽发生器中热量传反应产物反应产物汽化成蒸汽蒸汽转动汽轮发电机发电外核电厂系统中装种加热器蒸汽冷凝器等换热器
动力化工制冷等工业中换热器仅缺少工艺设备金属消耗投资方面占较例火力发电厂中果锅炉作换热设备换热器投资约占电厂总投资70左右般石油
化工企业中换热器投资约占总投资30 ～40
2．换热器节降耗中应
换热器节技术改造中具重作表现两方面：生产工艺流程中着量换热器提高换热器效率显然减少源消耗方面换热器回收工业余热显著提高设备热效率
工业预热数量分布广国均已余热回收列节工作重方面研究表明换热器效余热回收设备锻造加热炉例普通加热炉公斤锻件耗07公斤标准燃料装换热器加热炉公斤锻件耗015公斤左右标准燃料烧燃料工业炉约60～70热量烟气带走浪费掉段时期国偏重余热锅炉回收烟气余热较少采换热器余热锅炉热回收率较高助工业炉身热效率提高助炉高质燃料节省装设换热器利烟气余热预热工业炉进风工业炉身热效率提高节省炉高质燃料普通换热器空气预热300～400℃般节约燃料15～25高温换热器时取更效果节约燃料达40烧低热值染加热炉空气煤气预热300℃升温速度提高1～2倍产量提高20～30烧油炉子预热工期助染雾化质量改善燃料充分燃烧换热气面装预热锅炉燃料热量利率达80～90见工业炉烟气余热回收应首先满足炉需节省炉高质燃料然早考虑外部需争取更济效益余热回收应遵守节约燃料中心进行综合利原工业余热分布广形式种样节方案相种节方案中换热器缺少
112换热器发展
1换热设备发展概况
换热器工业中应少已200余年历史200余年换热器发展史致划分三时期：20世纪前原始时期20时间前50年初步发展时期30余年迅速发展时期
（1）原始时期
时期换热器铸铁组装成式换热器动力化工钢铁等工业部门19实际50年代考贝尔西门子分发明炼铁炉炼钢炉蓄热室蓄热室预热空气时金属换热器达温度高逐渐取代原始铸铁换热器成19世纪50年中工业炉换热设备
（2）初步发展时期
20世纪初换热器开始进入新发展时期─科学理指导初步发展时期20世纪前50年中换热器发展发生变化：
①式换热器发展迅速
50年代初U型式套式绕式蛇式等种式换热器结构已较完善程度许国家制订系列标准着冶金工业发展钢合金钢铝钢等均已成式换热器广泛采材料提高换热器效率30年代已出现肋片式换热器时期式换热器换热设备中占着绝优势
②出现种板式结构换热器
板式传热表面传热性式优越相继出现板式螺旋板式板肋式板壳式等板片基构件换热器式换热器相板式结构换热器突出优点传热效率高结构紧凑质量受工业部门重视
（3）迅速发展时期
进入50年代科学技术工业生产飞速发展换热器进入飞速发展时期
①式换热器发展
着强化传热技术发展种型式强化传热相继出现U型式换热器中强化传热已广泛采提高传热效率提高紧凑性降低材料消耗等方面均取显著效果
通选新型材料关键受力部件改进操作温度压力明显提高目前U型式换热器高操作温度达1500℃（压力8MPa）
②板式结构换热器广泛应
着工艺传热学发展板式结构换热器设计生产遇问题逐步解决20年发展快已许工业部门中广泛应压力较低温度高流量干场合种板式结构换热器已逐步取代式换热器中螺旋板式换热器作种高效换热设备发展尤迅速
2．换热器发展趋势
前换热器发展基趋势：继续提高设备传热效率促进设备结构紧凑性加强生产制造标准系列化专业化广泛范围继续型化方发展
U型式换热器：具结构坚固弹性材料范围广等独特优点广泛领域继续发展尤高温高压型化场合更广阔发展前途加强传热效率高温高压条件采电焊焊接式翅片结构会重视发展制造工艺进步机械化动起采种新技术发展U型式换热器方面占重位
板式换热器：该种形式换热器进步发展趋势提高操作温度操作压力设计型板片增处理量扩范围采新结构材料新制造工艺中尤研制新垫片材料改进密封结构增强板片刚度便提高操作温度操作压力扩范围等发展重点
螺旋板换热器期发展种结构形式换热器扩应场合时进步提高承压力增处理量改进焊接工艺适应石油化学工业求
1．2 换热器分类特点
换热器类型工业发展增早期换热设备制造工艺科学反应产物限制结构简单换热面积体积较等特征
化工生产中途工作条件热载体特性等换热器提出求出现种形式结构换热器便区分分析研究换热器列方式进行分类
121 换热器分类
1．作原理传热方式分类
（1）混合式换热器
利两种换热流体直接接触混合作进行热量交换混合式换热器操作素两种流体接触面积促进间热量交换获更接触面积设备中防止隔栅填料时液体喷成细滴类设备通常做成塔状
（2）蓄热式换热器
两种温度流体先通种固体填料表面首先热流体通热量蓄积填料中然冷流体通时热量带走样填料加热冷程中进行着热流体冷流体间热量传递种换热器时避免会两种流体少量混合必然成通入热流体时通入冷流体动阀进行交切换生产连续进行
（3）间壁式换热器
利种固体壁面进行热交换两种流体隔开通壁面进行传热种形式换热器广泛
2．生产中目分类
分冷器加热器冷凝器汽化器（沸器）换热器等
3．换热器材料分类
般换热器分成金属材料非金属材料两类
4．换热器传热面形状结构分类
区分种形式间壁式换热器分类：
（1）通壁传热换热器（式）
①蛇式换热器
②套式换热器
③U型式换热器：类换热器分U型式U形式浮头式
（2）通板面传热换热器（板面式）
①螺旋板式换热器
②板式换热器
③伞板式换热器
④板翅式换热器
⑤板壳式换热器
（3）形式换热器
类换热器般满足某特殊求出现处发展阶段中较成熟回转式换热器热等
1．3 U型式换热器设计
U型式换热器设计资料较完善已系列化标准目前国U型式换热器设计制造检验验收钢制U型式换热器（GB151）标准执行
U型式换热器设计分析包括热力设计流动设计结构设计强度设计中热力设计重仅设计台新换热器时需进行热力设计已生产出甚已投入换热器检验否满足求时均需进行方面工作
热力设计指根单位提出基求合理选择运行参数根传热学知识进行传热计算
流动设计计算压降目换热器辅助设备—例泵选择做准备然热力设计流动设计两者密切关联特进行热力计算时常需流动设计中获取某参数
结构设计指根传热面积计算零部件尺寸例子直径长度根数壳体直径折流板长度数目隔板数目布置连接尺寸等等
某情况需换热器零部件—特受压均做应力计算校核强度高温高压工作换热器更忽视方面工作保证安全生产前提做强度计算时应量采国产标准材料部件根国压力容器安全技术规定进行计算校核
第二章 换热器工艺计算
U型式换热器工艺设计包括容：
1． 根换热务关求确定设计方案
2． 初步确定换热器结构尺寸
3． 核算换热器传热面积流体阻力
4． 确定换热器工艺结构
2．1 设计条件
表21 设计条件
壳程
程
流体名称
混氢油
反应产物
总流量（th）
25
工作温度 进出 (℃)
134316
370210
压力(MPa)
171
156
2．2 确定物性数
条件查基物性数：
表22 物性数
介 质
密度（kgm3）
热容（KJkg×℃）
黏度（Pa×s）
导热系数（W(m×℃)）
反应产物
994
4．174
0．735×103
0．626
混氢油
789
239
00115×103
0058
2．3 符号说明
0——热流体密度kgm3
0——热流体黏度Pa×s
0——热联体导热系数W(m×℃)
——热流体热容KJkg×℃
——冷流体热容KJkg×℃
i——冷流体密度kgm3
i——冷流体黏度
i——冷流体导热系数
——换热数目
2．4 流体走确定
两流体均发生相变传热程反应产物流传热系数般较易结垢选择冷反应产物走换热器程混氢油走壳程
2．5估算传热面积初选换热器规格
251 计算热负荷冷反应产物量
（21）
（22）
式中
——热流体质量流量kgs
——冷流体质量流量kgs
——热流体热容KJkg×℃
——冷流体热容KJkg×℃
——热流体始末温度℃
——冷流体始末温度℃
252 计算两流体均温度差
230°C （23）
（24）
查：
（25）
253 初选换热器规格
根两流体情况假设
（26）
式中
——估算传热面积
——实际传热面积
初步选U型式式换热器换热器系列标准初选换热器表示：
表23 初选换热器参数
壳径mm
600
子尺寸mm
20 25
中心排数
16
长m
45
程流通面积m2
00364
子总数
241
程数
2
子排列方法
正三角形
实际传热面积 （27）
选择该型号换热器求程总传热系数290w
2．6换热排列心距
—般说正三角形排列相板面积排较子外表面传热系数较正三角形排列时外机械清洗较困难认外流体流动阻力较设计中壳程中介质混氢油非腐蚀性介质利清洗程结构采组合排列方法程采正三角形排列程间便安装隔板采矩形排列方法设计采常规正三角形排列
心距 （mm） （29）
常心距表中查外径25mm心距t32mm
2．7 折流板
采弓形折流板取弓形折流板圆缺高度壳体径25切圆缺高度
取折流板间距B03D180mm
（块） （210）
折流板圆缺面反应产物装配
2 8接
根流体操作情况结构尺寸求取程接流体流速15ms程接径
（211）
式中 ——程接径mm
——冷反应产物体积流量m3s
——冷反应产物流速ms
取壳程接流体流速05ms壳程接径
（212）
式中 ——壳程接径mm
——混氢油体积流量m3s
——混氢油流速ms
综合考虑缝钢标准尺寸接直径筒体径关系补强需取程接壳程接考虑济性焊接求接材料选20号钢
2．9 压强降核算
291 程压强降
（213）
式中 ——单程直阻力Pa
——局部阻力Pa
——壳程数：
——程数
——程总阻力
——程结构校正数量纲1径20mm外径25mm子取14
中1214
程流通面积 （214）
（215）
（216）
蛇壁粗糙度关系图查：
（217）
（218）
程流体阻力允许范围
292 壳程压强降
（219）
式中 ——流体横国束压强降Pa
——流体通折流板缺口压强降Pa
——壳程压强降结垢校正数量纲1液体取115
（220）
（221）
式中 ——子排列方法压强降校正系数正三角形排列05
——壳程流体摩擦系数Re0＞ 500时
——横束中心线子数
——折流挡板数
h——折流挡板间距
——壳程流通面积S0计算流速ms
中115 116
壳程流通面积 （222）
（223）
（224）
（225）
壳程流体阻力允许范围
2．10 总传热系数核算
2101 程流传热系数
（226）
（227）
0023
22119
2102 壳程流传热系数
（228）
取换热器列中心距t32mm流体通间截面积
（229）
三角形排列时
（230）
（231）
（232）
壳程中混氢油冷取
2103总传热系数
（233）
前面计算知选该型号换热器时求程总传热系数规定流动条件计算出安全系数
203
安全系数15～25符合求
第三章 换热器结构设计
程设计压力17MPa壳程设计压力18MPa取程设计温度454壳程设计温度400
3 1筒体
311 材料选取
选取筒体材料钢板标准热轧钢板510345设计温度
312 结构尺寸
工艺计算圆整径求出面积裕量203符合工艺求取合适工艺计算相关参数必更改
筒体壁厚GB1511999圆筒厚度低6mm
313 结构形式
标准GB1511999选择壳体型式选择代号E单壳程壳体结构型式（图31）：
图 31 壳体型式
3 2箱材料
321 材料选取
选取选箱材料筒体材料相选钢板标准热轧钢板510MPa345MPa设计温度
322结构尺寸
该换热器单壳程双程选B型封头箱型箱确
定尺寸箱长度箱直径壳程直径决定箱长度尺寸确定保证流体分布均匀流体合理强度素确定长度制造安装方便限制长度
右边箱接选取箱总长选取左边箱总长200mm箱壁厚GB1511999箱壁厚低圆筒厚度6mm
3 3 箱法兰
331材料选取
考虑焊接问题济性问题选取法兰材料Q345R板材加工选标准GB7132008510MPa345MPa设计温度根操作情况考虑螺栓材料硬度般螺母材料硬度济性问题螺栓材料选CrMoA钢螺母材料选30CrMoA钢选标准均正火处理工作适应温度
332 结构尺寸
根换热器设计压力仅05MPa工作介质密封求高选甲型焊法兰采凸面密封选标准根箱公称直径选取箱法兰参数表31：
表31 箱法兰参数
DNmm
D mm
D1 mm
D2 mm
b mm
d mm
螺栓规格
螺栓数量
600
715
680
637
32
18
M16
24
333 结构型式
(图32)示：
图32 箱法兰
3 4接材料
341 材料选取
接材料选20号钢缝钢选标准GBT81631999
342 结构尺寸
壳程接：
壳体中走混氢油密度ρ789 kgm3qms25000kgh第二章求混氢油流速uo014ms
考虑流阻影响接直径应结果考虑原整取（接外径）壁厚参考GB8163标准选择5mm
程接：
方法工艺计算取
接高度参HG20583设计压力PN≤40MPa查壳程接伸出长度l180mm程接伸出长度l180mm
343 结构型式
图 33 接
图33 接
3 5 接法兰
351 材料选取
根设计压力选带颈焊钢制法兰（SO型）采突面形式密封材料选20Ⅱ选标准
352 结构尺寸
箱接公称直径选箱接法兰参数表32：
表32 箱接法兰参数
DN mm
D mm
K mm
L mm
Th mm
n mm
C mm
B1 mm
150
265
225
18
M16
8
20
161
筒体接公称直径选筒体接法兰参数表33：
表33 筒体接法兰参数
DN mm
D mm
K mm
L mm
Th mm
n mm
C mm
B1 mm
150
265
225
18
M16
8
20
161
3 6 垫片
换热器程壳程设计压力均17法兰密封形式两侧介质均属腐蚀性介质选非金属软垫片综合考虑选择橡胶垫XB350参数见表34：
表34 垫片参数
径mm
垫片宽度mm
垫片系数m
压力y
硬度
材料
垫片厚度mm
600
14
100
14
>75
橡胶板
3
3 7 板
371材料选取
考虑法兰筒体材料实际工作情况选取板材料Q345R查相关参考资料：
372结构尺寸
选择板兼做法兰结构选箱法兰尺寸表35：
35板参数（ mm）
DN
D
D1
D2
D3
D4
D5
c
d2
螺栓
bf
b
600
715
680
650
597
637
600
125
18
M16
24
30
40
373结构型式
图 35 带法兰板
3 8材料
381 材料选取
分程隔板应采封头箱等材料选选钢板标准热轧钢板510MPa345MPa设计温度
382 结构尺寸
壳体公称直径600mm根GB1511999选取隔板厚度8mm
3 9 换热
391 材料选取
子材料缝碳钢选标准
392 结构尺寸
工艺计算选缝碳钢型号外径偏差
厚度偏差25
393 排列型式
换热正三角形排列间距t32mm排总数241两程程116根
分程隔板槽两侧相邻中心距取
布限定圆直径取8mm
具体排：
图36 排图
3 10 拉杆
3101 材料选取
拉杆材料20号钢
3102 结构尺寸
工艺计算尺寸表36：
表36 拉杆尺寸参数（mm）
直 径
数 量
拉杆螺纹DN
La
Lb
孔深
16
4
16
20
60
20
3103 结构型式
图37 拉杆
311 折流板选取布置
3111 材料选取
工艺计算需折流板24块选取折流板材料375MPa235MPa设计温度
折流板名义外径允许偏差08折流板采拉杆定距方式固定定距选缝钢材料20号钢取折流板厚度5mm折流板孔直径d+08258mm允许偏差 0+03孔中心距公差相邻两孔±03加工两端必须倒角05×45°
采反应产物接口缺口布置造成流体激烈扰动增传热系数结构图图：
图38折流板
3 12 封头
该换热器单壳程双程封头选标准椭圆封头结构
图39 封头
第四章 换热器强度计算
4．1 筒体壁厚计算
筒体焊接采相双面焊全焊透方式进行接焊进行局部损探伤取170MPa腐蚀裕量100mm厚度负偏差mm
（41）
筒体计算厚度
(mm) （42）
筒体设计厚度
(mm) （43）
筒体名义厚度
（mm） （44）
mm筒体求mm综合考虑取mm效壁厚
(mm) （45） 取试验温度30℃
反应产物压试验压力
MPa > （46） 取066选材料屈服应力MPa
反应产物压试验应力校核（MPa) （47） (MPa)
反应产物压满足强度求
4．2箱短节封头厚度计算
根设计压力04程设计温度60℃选取标准椭圆封头材料选择筒体材料样取焊缝系数腐蚀裕量mm厚度负偏差mm
封头计算厚度
(mm) （48）
封头设计厚度
(mm) （49）
封头名义厚度
+圆整+圆整+圆整(mm) （410）
封头求综合考虑取封头效壁厚
(mm) （411）
压力试验种情况定满足强度求
理箱短节选封头样材料取mm
4．3 膨胀节设计
取室温To筒体子膨胀量差：
（412）
（m）
壳程程压差产生力：
（413）
965 (N)
筒体横截面积
(m2) （414）
束横截面积
（415）
筒体子间温差产生力
（416）
壳程程压力作筒体力
（417）
壳程程压力作子力
（418）
筒体产生应力
（419）
子产生应力
（420）
根子横截面积
(（421）
(mm)
取子拉脱力计算
（422）
子板采强度焊+贴胀
(MPa) （423）
综＜需设膨胀节
4．4换热器受压元件强度计算校核
板
板刚度削弱系数相
假定板厚度
子加强系数
1287 （424）
45 换热器强度计算校核
壳程压力作危险组合
05MPa
设计温差较应计入膨胀差计算
变形差
（425）
效压力组合
（426）
板边缘力矩系数
（427）
板边缘剪力系数
（428）
板径应力系数
（429）
壳体法兰应力
（430）
壳程圆筒轴应力
（431）
4335
校核符合强度求
4．6鞍座校核
封头标准椭圆封头折算直径等圆筒直径长度圆筒换热器总重作长度
（432）
换热器筒体箱封头似质量
子质量似
（433）
根具体情况认换热器身质量似壳体质量子质量15倍换热器质量
（434）
操作状态混氢油密度试压温度反应产物密度试压情况换热器总重操作状态总重取液压试验温度30℃
液体质量
（435）
换热器总重
（436）鞍座承受总重：
（437）显然选鞍座够满足求
4．7筒体校核
471 圆筒轴应力
跨距中点处圆筒截面轴应力：
高点（压缩应力）
（438）
低点（拉伸应力）
（439）
支座处加强圈包角支座截面处圆筒拉伸应力
（440） 支座截面处圆筒压缩应力：
（441）
圆筒轴许界应力
（442）
试验情况试验压力引起轴拉伸应力操作工况设计压力引起轴拉伸应力情况产生拉伸应力
（443）
试验操作情况压力产生均拉伸应力显然压缩应力
综述换热器轴应力允许范围
472支座截面处圆筒周压缩应力
支座截面处圆筒底部压缩力
（444）
承受周压缩力效长度：
（445）
支座截面处圆筒周压缩应力
（446）
473 鞍座强度校核
（447）
选鞍座符合强度求
第五章 设计采制造方法工艺
设计中工作压力较（04MPa）压差温差影响换热器应力状态素针设计预应力设计中仅消温差应力进行设计采综合优化预应力制造思想方法中计算机限元分析应力准确值确十分复杂简化方法准确应力值转化成变形差距离通控制变形差施加预应力仅计算简单加工制造方便时节约制造费
1筒体加工筒体连接时预留环焊缝图58标号4环焊缝宽度变形差距离变形差量厚度金属环垫片焊接进行筒体组装
2束组件（1板2折流板3换热5拉杆定距8板）组焊然壳体两端板焊接
3环焊缝焊接预应力施加焊缝较宽利焊接须达加工预应力效果焊接时必须筒体缝隙零时进行焊接考虑焊接收缩量达设计目采方法设想：
(1)火焰架筒体表面进行加热筒体产生热膨胀热膨胀量达环焊缝闭合时控制温度进行环焊缝焊接焊接消焊接差焊接稳固撤火焰架换热—板—筒体间逐渐产生负温差应力（预应力）
(2)机械加载方法液压机加力机械两端板边缘加力筒体焊缝闭合时进行焊接焊接达稳固缓慢卸机械加载力实现预应力
图51焊接预应力示意图
1—板2—折流板3—换热4—焊接焊缝：
5—拉杆定距7—接8—板
4．完成换热器零部件安装总装
采预应力制造效果图69示制造完成换热器器处预应力状态直工作时消次程中果计算加工相精确话工作状态换热器总体受温差热应力影响零
参 考 文 献
[1] GB1502011压力容器[S]
[2] GB1511999壳式换热器[S]
[3] TSG R00042009固定式压力容器安全技术监察规范[S]
[4] JBT47312005钢制卧式容器[S]
[5] JBT 47462002钢制压力容器封头[S]
[6] JBT47122007容器支座 [S]
[7] 张建芳山红红涂永善 炼油工艺基础知识[M] 北京中国石化出版社 2006
[8] 姚玉英 化工原理（册）[M] 天津天津学出版社1999
[9] 中国石化集团海工程限公司 化工工艺设计手册 (册) [M] 北京化学工业出版社2009
[10] 钱颂文 换热器设计手册[M] 北京化学工业出版社2002
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