浮头式换热器的设计

张涛 闫绍峰 伞慧洋 韩家金

摘 要：本文介绍了浮头式换热器的设计过程，主要包括设计方案的选择、工艺设计计算、强度设计计算和结构设计等，根据设计计算结果利用Auto-CAD绘制了装配图和零部件图。

关键词：浮头式换热器;工艺设计;强度设计;Auto-CAD

1 设计方案的选择

1.1 主要技术参数

1.2 设计方案的选择

浮头式换热器管束可从壳体内抽出，便于清洗，不产生热应力。适用于管壳程温差应力比较大的情况，介质不易清洁的场合。本次设计的介质是石油液化气和水。其中石油液化气的入口温度是120℃，出口温度是89℃，流量为500kg/s，工作压力是0.69MPa;水的入口温度是70℃，出口温度是95℃;工作压力是0.4MPa。由于两种介质的温差较大，会产生很大的温差应力，而且石油液化气是清洗介质，水是容易结垢的介质，所以选用浮头式换热器，一可以消除温差应力，二便于清洗。再者，考虑工艺要求，该设计的主要目的是冷却石油液化气，故选择石油液化气走壳程，可以更好的散热;水走管，可以起到更好的冷却效果。

2 工艺设计计算

2.1 计算传热面积

热负荷

Q=WcCpc（t2-t1）=1.84×106W

根据两流体的情况，设：

K=150W/（m2·℃）Δtm=0.9× 43.7=39.3℃

2.2 计算换热管数

选φ19×2mm无缝钢管，材质10号钢，管长6m。

拉杆数为10，因此实际换热管数为1826个。

2.3 壳体直径的确定

Di=a（b-1）+2l=25（52-1）+2×38=1351mm

取Di=1400mm

2.4 核算壓强降

管程压强降

ΣΔPi=（ΔP1+ΔP2）FtNP=8175.4+2180.1=10355.5Pa

壳程压强降

ΣΔP0=（ΔP1+ΔP2）FsNs=（1.7×105+1.63×105）×1.115×1=3.83×105Pa

换热器的压强降在10×100kPa范围内，满足工艺要求，从上面计算可知，该换热器管程与壳程的压强降均满足题设要求，故所设计换热器工艺参数合理。

3 强度设计计算

3.1 筒体壁厚的设计计算

设计压力

P=0.15×1.1=0.165MPa

对于16MnR钢，最小壁厚δemin=3+2.19=5.19mm，根据

钢材规格取δn=10mm。

3.2 封头壁厚的设计计算

同理：

为了使筒体与封头受力均匀，通常将封头壁取与筒体壁厚相等，即δn=10mm。

4 结构设计

4.1 总体结构设计

4.2浮头和右封头结构设计

4.3焊接结构设计

4.4爆破片结构

反拱型爆破片的厚度是正拱形爆破片的几倍，厚度偏差对爆破压力的影响相对较小，故制造精度较高。正常操作直至失稳时，反拱型爆破片工作时的应力均在弹性范围内，抗疲劳性能好。适用于中低压、承受背压或脉动载和的工况（见图5）。

5 小结

本设备设计按照国家目前最新标准GB150-2011《压力容器》和GB151-2014《热交换热器》的规定，设计技术参数完全模拟锦州某公司的在役设备，设计计算结果与工程实际基本一致;图纸结构合理，表达清楚。通过本次设计，设备结构有所改进，传热效果明显提高，流体阻力比原设备大大下降，达到了高效节能的目的。本设备结构简单、紧凑;管子清洗方便，易于更换;主要应用于管、壳程温差较大的场合。

参考文献：

[1] GB 150-2011.压力容器[S].中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会，2012.

[2] GB/T151-2014.热交换器[S].中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会，2015.

[3]钱颂文.换热器设计手册[M].北京：化学工业出版社，2002.

[4]郑津洋，董其伍，桑芝富.过程设备设计[M].北京：化学工业出版社，2005.

[5]陈敏恒等.化工原理[M].北京：化学工业出版社，2005.

[6]化工机械手册编辑委员会.化工机械手册[M].天津：天津大学出版社，1991.

作者简介：

张涛（1995- ），男，汉族，宁夏回族自治区固原市人，本科学历，过程装备与控制工程专业。

闫绍峰（1963- ），男，汉族，辽宁兴城人，硕士学历，辽宁工业大学副教授，研究方向：过程装备与控制工程专业教学与设计。

伞慧洋（1996- ），男，满族，辽宁葫芦岛兴城人，本科学历，过程装备与控制工程专业。

韩家金（1998- ），男，汉族，辽宁沈阳人，本科学历，过程装备与控制工程专业。