固定管板式换热器设计说明书

本科课程设计

摘要

本设计是关于固定管板式换热器的结构设计，主要进行了换热器的工艺计算、换热器的结构和强度设计。

本设计的前半部分是工艺计算部分，按照GB150-2011以及GB151-2014等国家标准以及技术标准等根据给定的设计条件进行换热器的选型，校核传热系数，计算出实际换热面积。设计的后半部分主要是关于结构和强度的设计，根据已选定的换热器型式进行设备内部各零部件（如接管、定距管折流板、折流板、管箱等）的设计，包括：材料的选择、具体的尺寸、确定具体的位置、管板厚度计算等。

本设计以本着安全可靠、经济性好、传热效率高以及保护环境为原则进行的设计，符合工厂中的实际应用。

关于固定管板换热器设计的各个环节，本设计书中均有详细说明。

关键词：固定管板；管壳式换热器；结构设计

I

固定管板式换热器设计

Abstract

The design is fixed with respect to the structural design of the tube plate heat exchanger, mainly for the process to calculate heat exchanger, heat exchanger structure and strength design.

The first half of this design is part of the calculation process, in accordance with GB150-2011 GB151-2014 and other national standards and technical standards in accordance with a given design conditions of the heat exchanger selection, check the heat transfer coefficient, to calculate the actual heat area. The second half of the design is mainly on the structure and strength of design, internal equipment all parts have been selected according to the type of heat exchanger (such as receivership, spacer tube baffles, baffles, pipe boxes, etc.) Design including: choice of materials, specific dimensions, determine the specific location of the tube plate thickness calculation.

On all aspects of the fixed tube sheet heat exchanger design, the design specification is described in detail.

Key Words: fixed tube plate; shell and tube heat exchanger；Structural Design

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目录

摘要 (Ⅰ)

Abstract (Ⅱ)

第1章设计任务、思想 (1)

1.1 设计任务 (1)

1.2 设计思想 (1)

第2章换热器的工艺设计 (2)

2.1换热器的工艺条件 (2)

2.2估算设备尺寸 (2)

2.2.1计算传热管数N T (2)

2.2.2计算壳程直径D (3)

第3章换热器零部件的结构设计 (4)

3.1换热管 (4)

3.1.1换热管的型号和尺寸 (4)

3.1.2换热管的材料 (4)

3.1.3换热管排列方式以及管心距 (4)

3.2折流板 (5)

3.2.1折流板的主要几何参数 (5)

3.2.2折流板和壳体间隙 (6)

3.2.3折流板厚度 (6)

3.2.4折流板的管孔 (6)

3.2.5材料的选取 (6)

3.3拉杆、定距管 (6)

3.3.1拉杆的结构形式 (7)

3.3.2拉杆直径、数量和尺寸 (7)

3.3.3拉杆的布置 (8)

3.4防冲板 (8)

3.5接管 (8)

3.5.1接管（或接口）的一般要求 (8)

3.5.2接管高度（伸出长度）确定 (8)

3.6管箱 (9)

3.7管板结构尺寸 (10)

3.8封头 (11)

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固定管板式换热器设计

3.9法兰结构类型 (12)

3.10垫片的选取 (12)

3.11鞍座的选取 (12)

第4章换热器的机械结构设计 (14)

4.1传热管与管板的连接 (14)

4.2管板与壳体的连接 (14)

4.3 管板与管箱的连接 (16)

第5章换热器的强度设计与校核 (17)

5.1壳体、管箱的壁厚计算 (17)

5.1.1 壳体 (17)

5.1.2 管箱 (18)

第6章部分管件零部件的校核计算 (19)

6.1壳程圆筒 (19)

6.2 管箱圆筒 (19)

6.3 换热管 (20)

6.4 管板 (20)

6.5 管箱法兰 (21)

6.6 壳体法兰 (21)

6.7 系数 (22)

6.8 计算管板参数 (22)

第7章换热器的制造、检验、安装与维护 (24)

7.1换热器的制造、检验与验收 (24)

7.1.1筒体 (24)

7.1.2 换热管 (24)

7.1.3管板 (25)

7.1.4 折流板、支持板 (25)

7.1.5 管束的组装 (25)

7.1.6 换热器的组装 (25)

7.1.7 压力试验 (25)

7.2 换热器的安装、试车与维护 (25)

7.2.1安装 (25)

7.2.2 试车 (26)

7.2.3 维护 (26)

结束语 (27)

IV

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参考文献 (28)

致谢 (29)

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第1章设计任务、思想

1.1 设计任务

本设计的课题为固定管板式冷却器结构设计，设计包括结构设计和强度设计。其中结构设计需要选择既合理又经济的结构形式，同时又可以满足制造、检修、装配、运输和维修等要求；而强度计算的内容则应包括换热器材料，确定主要结构尺寸，满足强度、刚度和稳定性等要求，再根据设计压力确定壁厚，使换热器能有足够的腐蚀强度。

1.2 设计思想

本设计尽可能采用先进的技术、国家与行业标准，使生产既能达到技术先进，经济合理的要求，又能符合优质、高产、安全、低消耗的原则，具体有以下几点：

(1)根据GB150—2011《钢制压力容器》和GB151—2014《管壳式换热器》以及JB/T 4715—1992等国家标准作为基础进行设计。

(2)应满足工艺还有操作要求，所设计出来的流程和设备能可以保证得到质量稳定的产品，设计的流程与设备需要一定操作弹性，可方便进行流量和传热的调节。

(3)应满足经济上的要求，设计应节省然热能和电能的消耗、减少设备与基础的费用，选择比较合理的回流比，节省水蒸气，设计应要全面考虑，力求总费用尽可能的低一些。

(4)应保证生产安全，保证换热器具有一定刚度还有强度。根据设计压力确定壁厚，再校核其他零部件的强度，进行水压试验，确定容器是否有足够的腐蚀裕度。

1

固定管板式换热器设计

2 第2章 换热器的工艺设计

2.1换热器的工艺条件

壳程（进/出） 管程（进/出） 物料名称 泵用冷却水 循环水 物料状态

液/液 液/液 设计压力 MPa

1.1 0.6 最高工作压力 MPa

1.0 0.5 设计温度 ℃ 150 60 工作温度 ℃

63/52 28/38 以下为参考数据 换热面积 m 2

400 换热管规格及管束级别

φ25×2.5×6000；Ⅰ类 程数

1 4 标准规范 GB150-2011; GB151-2014

2.2估算设备尺寸

2.2.1计算传热管数N T

本设计拟用传热管规格为φ25×2.5，管长为6m ，传热管数N T 为

N T =dL πA =6

025.0400??π=850根 公式中符号：

d 0 —换热管外径。mm

A P —所需换热面积。M 2

L —换热管长。M

N T —换热管总数。根

2.2.2若将传热管若将传热管按正三角形排列，计算壳程直径D

根据GB151-2014的规定，管心距定为32mm

横过管束中心线的管数

N c =1.1850=33根

本设计采用四管程结构，则壳程内径为

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D=t（n c-1）+（1.5）d0

=32×（33-1）+1.5×25

=1061.5mm

圆整得D= 1100mm

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固定管板式换热器设计

第3章换热器零部件的结构设计

3.1换热管

3.1.1换热管的型号和尺寸

除光管外，换热器还可采用各种各样的强化传热管，如翅片管、螺纹管、螺旋槽管等。当管内直径两侧给热系数相差较大时，翅片管的翅片应布置在给热系数低的一侧。本设计选用光管。

换热管常用的尺寸（外径x壁厚）主要为Φ19mmx2mm、Φ25mmx2.5mm和Φ38mmx2.5mm的无缝钢管以及Φ25mmx2mm和Φ38mmx2.5mm的不锈钢管。

选用管径时，本设计给出换热管规格φ25×2.5规格。

3.1.2换热管的材料

常用材料有碳素钢、低合金钢、不锈钢、铜、铜镍合金、铝合金、钛等。此外还有一些非金属材料，如石墨、陶瓷、聚四氟乙烯等。设计时应该根据工作压力、温度和介质腐蚀性等选用合适的材料。根据钢材标准GB/T700-2006中20号钢完全可以满足要求，因此本设计换热器可以选用材料为20号钢。

3.1.3换热管排列方式以及管心距

管子在管板上的排列有正三角形、正方形和正方形错列三种，如图所示。传热管的排列应使其在整个换热器圆截面上均匀分布，同时还要考虑流体的性质，管箱结构及加工制造等方面的问题。正三角形排列的优点：管板的强度高；流体走短路的机会少，但是管外流体扰动较大，因而对流传热系数较高；相同的壳径内可排列更多的管子；但是正三角形排列管外不易清洗。正方形排列的优点是便于清洗列管的外壁，适用于壳程流体易产生污垢的场合；但是在同样的管板面积上可排列的管子数量较少。同心圆排列方式优点靠近壳体的地方管子分布较均匀，，在壳体直径较小的换热管可以排列的传热管数比正三角形排列还多[2]。由于本换热器流体性质属于比较结晶和不易结垢，因此可以采用正三角形排列，如图（a）所示：

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图3-1 管子排列形式

管板上两传热管的中心距为管心距，管心距的大小主要与传热管和管板的连接方式有关，此外还应该考虑管板强度和清洗管外表面时所需的空间。根据GB151-2014规定，管心距定为32mm 。

3.2折流板

折流板顾名思义是用来改变流体流向的板，常用于管壳式换热器设计壳程介质流道，根据介质性质和流量以及换热器大小确定折流板的多少。折流板被设置在壳程，它既可以提高传热效果，还起到支撑管束的作用。

常用的折流板和支持板的形式有弓形和圆盘-圆环形两种。弓形折流板有单弓形、双弓形和三弓形三种。在弓形折流板中，流体在板间错流冲刷管子，而流经折流板弓形缺口时是顺溜经过管子后进入下一板间，改变方向，流动中死区较少，比较优越，结构较简单，一般标准换热器中只采用这种。盘环形折流板制造不方便，流体在管束中为轴向流动，效率较低。而且要求介质必须是清洁的，否则沉积物将会沉积在圆环的后面，导致传热面积失效，一般用于压力比较高而又清洁的介质。因此，本设计采用单弓形折流板。

3.2.1折流板的主要几何参数

弓形折流板缺口高度应该使流体通过缺口时与横过管束时的流速相近。缺口大小用切去的弓形弦高占筒体内直径的百分比来确定[1]，单弓形折流板缺口见图，根据GB151-2014缺口弦高h 值，宜取0.20～0.45倍的圆筒内直径，取系数为0.25，切去圆缺高度h=0.25×1100=275mm 。

固定管板式换热器设计

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图3-2 单弓形折流板

3.2.2折流板和壳体间隙

折流板外周与壳体内径之间的间隙越小，则壳体流体介质在此外的泄漏越小，使传热效率提高，但同时间隙越小，又给制造、安装带来困难。根据GB151-2014选取折流板的名义直径D ＝DN-4.5＝1095.5mm

3.2.3折流板厚度

折流板的厚度与壳体直径、换热管无支撑长度有关，根据GB151-2014折流板最小厚度δ＝4㎜，可选择δ＝8㎜

3.2.4折流板的管孔

①折流板的管孔直径和公差：按照GB151-2014规定，Ⅰ级管束换热器折流板管孔直径d ＋0.7＝25+0.7＝25.7㎜及允许偏差+0.30

②管孔中心距：折流板上管孔中心距t ＝32mm ，公差为相邻两孔+0.30，任意两孔为+1.0

③管孔加工：折流板上管孔加工后两段必须倒角0.5×45°。

3.2.5材料的选取

本设计中设计温度150°和设计压力P ＝1.1Mpa ，根据GB150-2011选取材料为Q235-B ，其适用范围：容器设计压力P ≤1.60；钢板使用温度为20°～300°；用于壳体时，钢板的厚度不大于16mm ，不得用于毒性程度为极度或高度危险的介质的压力容器。

3.3拉杆、定距管

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7 3.3.1拉杆的结构形式

从传热角度考虑，有些换热器不需要设置折流板。但为了增加换热管刚度，防止产生过大挠度或引起管子振动，当换热器无支撑跨距超过标准的规定值时，必须设置一定数量支撑板，其形状与尺寸均按折流板的规定来处理[1]。

常用的拉杆的形式有以下两种，见下图。

a) 拉杆定距管结构，常适用于换热管外径大于或等于19mm 的管束

b) 拉杆与折流板点焊结构，其适用于换热管外径小于或等于14mm 的管束 c) 当管板较薄时，采用其他的连接结构。[1]

图3-3 拉杆形式

本装置的换热管外管径为25㎜，换热管直径为1100mm ，根据上述规定可选用拉杆定距管结构。

3.3.2拉杆直径、数量和尺寸

（1）拉杆直径和数量 根据GB151-2014规定，拉杆直径d ＝16mm ，拉杆数量为6根。

（2）拉杆尺寸

图3-4 拉杆尺寸示意图

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3.3.3拉杆的布置

拉杆尽量均匀布置在管束的外边缘。对于大直径换热器，在布管区域内或是靠近折流板缺口处应布置适当数量的拉杆，任何折流板都应不少于3个支撑点。

3.4防冲板

防冲板是在换热器中为了防止流体直接冲刷管子而引起管子振动失稳和腐蚀而设置的。

防冲板在壳体内的位置，应使防冲板周边与壳体内壁所形成的流通面积为壳程进口接管截面积的1～1.25倍。

根据GB151-2014规定，防冲板的固定形式为：

a)防冲板的两侧焊在定距管或拉杆上，也可同时焊在靠近管板的第

一块折流板上；

b)防冲板焊在圆筒上；

c)用U形螺栓将防冲板固定在换热管上。

根据GB151-2014规定，防冲板的最小厚度：当壳程进口接管直径小于300㎜时，对碳钢、低合金钢取4.5mm；对不锈钢取3mm。当壳程进口接管直径大于300mm时，对碳钢、低合金钢取6mm；对不锈钢取4mm。本装置的壳程进口接管直径为1100mm大于300mm，防冲板的材料为Q235-A，它的厚度取6mm。

3.5接管

3.5.1接管（或接口）的一般要求

a) 接管宜与壳体内表面平齐；

b）接管应尽量沿换热器的径向或轴向设置；

c）设计温度高于或等于300°时，应采用对焊法兰；

d）必要时应设置温度计接口，压力表接口及液面计接口；

e）对于不能利用接管（或接口）进行放气和排液的换热器，应在管程和壳程的最高点设置放弃口，最低点设置排液口，其最小公称直径为20mm；

f）立式换热器可设置溢流口。

3.5.2接管高度（伸出长度）确定

接管伸出壳体（或管箱壳体）外壁的长度，主要考虑法兰形式，焊接操作条件，螺栓拆装，有无保温及保温厚度等因素决定。一般最短应符合下式计算值

I≥h＋h1＋δ＋15（mm）

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式中：h—接管法兰厚度,mm

h1—接管法兰的螺母厚度,mm

δ—保温层厚度,mm

I—接管安装高度,mm

根据上述要求,求接管高度为:循环水进口接管高度I＝120mm,冷却水进口接管高度I＝120mm,循环水进口接管高度为I＝120mm,循环水出口高度I＝120mm,管箱排气口接管高度I＝76mm。

3.6管箱

管箱的作用是把由管道来的管程流体均匀到各传热管把管内流体汇集在一起送出换热器。在多管程换热器中，管箱还起到改变流体流向的作用。无论哪种管箱，其管箱的最小内侧深度应该满足这样的要求：使连接间流体流动的横截面积至少大于或等于单管程通过的截面。其结构型式有以下几种：

⑴A型（平盖管箱）如图（a）装有管箱平盖（或称盲板），清洗管程时只要拆开盲板即可，而不必拆卸整个管箱和与管箱相连的管路，缺点是盲板机构用材多，且尺寸较大是得用锻件，耗费量大，机械加工时，提高了制造成本，并增加了一道密封的泄露的可能，一般多用DN＞900mm的浮头式换热器。

⑵B型封头管箱型如图（b），用于单程或多程管箱，优点是结构简单，便于制造，适于高压，清洁介质，可省掉一块造价高的盲板、法兰和几十对螺栓，且椭圆封头受力情况要比平端盖好的多，缺点是检查管子和清洗管程时必须拆下连接管道和管箱。

⑶C型、D型管箱这种形式是管箱一端与壳体及管板连成一体，或是用于可拆管束与管板制成一体的管箱，另一端可采用A型结构，减少了泄露的可能性。一般用的较少，只在高压情况下使用。

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固定管板式换热器设计

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图3-5 管箱结构形式

本换热器由于压力不高，而且管程为4程所以采用B 型管箱。

3.7管板结构尺寸

管板在换热器的制造成本中占有相当大的比重，管板设计与管板上的孔数、孔径、孔间距、开孔方式以及管子的连接方式有关。

1本换热器采用的是选用固定管板兼作法兰形式的管板。

图3-6 管板结构

这种管板结构尺寸，在依据确定的设计压力，壳体内径来选择或设计法兰，然后根据法兰相应结构尺寸来确定管板的最大直径，密封面位置、宽度、螺栓直径、位置、个数等等，根据上述确定的壳体内径D ＝1100mm 和设计压力PN ＝

1.1Mpa ，根据JB4707-2000确定法兰D ＝1260mm D 1=1215mm D 2=1176mm D 3=1156mm D 4=1153mm δ=76mm d=27mm 。螺柱规格M24，数量n=36

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2管板孔直径和允许公差，由参考得管孔直径为25.25mm，允许偏差为+0.15 0

3管板材料

在选择管板材料时，除了考虑力学性能外，还应考虑管程和壳程流体的腐蚀性能，以及管板和换热管之间电位差对腐蚀的影响。本换热器所采用的材料是16MnR。

3.8封头

封头属压力容器中锅炉部件的一种。通常是在压力容器的两端使用的。再有就是在管道的末端做封堵之用的一种焊接管件产品。

压力容器封头的种类很多，分为凸形封头、锥壳、变径短、平盖及紧缩口等，其中凸形封头包括半球形分头、椭圆形封头、蝶型风头和球冠形封头。采用什么样的封头要根据工艺条件的要求、制造的难易程度和材料的消耗等情况来决定。

1）半球形封头，在均匀压力作用下，薄壁球形容器的薄膜应力分析为相同直径圆筒的一半，故从受力分析来看，球形封头是最理想的结构形式。

但缺点是深度大，直径小时，整体冲击困难，大直径采用分瓣压其拼

焊工作量较大。半球封头常采用在高压容器上。

2）椭圆形封头是由半个椭圆面和短圆筒组成的，由于封头的椭球部分经线曲率变化平滑连续，故应力分布比较均匀，且椭圆形封头深度较半球

封头小得多，易于冲压成型，是目前中、低压容器中应用较多的封头

之一。本设计采用椭圆形封头。

3）蝶型封头是带折边的球面封头，该边缘弯曲应力与薄膜应力叠加，使该部分的应力远远高于其他部分，故应力状况不佳。但过度环壳的存在

降低了封头的深度，方便了成型加工，且压制蝶型封头的钢模加工简

单，使蝶型封头的应用范围较为广泛。

4）锥壳，轴对称锥壳可以分为无折边锥壳和折边锥壳，由于结构不连续，锥壳的应力分布并不理想，但是其特殊的结构形式有利于固体颗粒和

悬浮或粘稠液体的排放，可作为不同直径圆筒的中间过渡段，因而在

中、低容器中使用较为普遍。

对受均匀内压封的强度计算，由于封头和圆筒相连接，所以不仅需要考虑封头本身因内压引起的薄膜应力，还考虑与圆筒连接处的不连续应力。连接处总应力的大小与封头的几何形状和尺寸，封头与圆筒厚度的比值大小有关。

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固定管板式换热器设计

3.9法兰结构类型

法兰的基本结构形式按组成法兰的圆筒、法兰环及锥颈三部分的整体性程度可分为松式法兰、整体法兰和任意式法兰三种。

1）松式法兰：指法兰不直接固定在壳体上或者虽固定而不能保证与壳体作为一个整体承受螺栓载荷的结构。适用于有色金属和不锈钢制设备或

管道上。且法兰用碳素钢制作，以节约贵重金属。但法兰刚度小，厚

度较厚，一般只适用于压力较低的场合。

2）整体法兰：将法兰与壳体锻或铸成一体或经全熔透的平焊法兰，这种结构能保证壳体与法兰同时受力，使法兰厚度可以适当减薄，但会在壳

体上产生较大应力。其中的带颈法兰可以提高法兰与壳体的连接刚

度，适用于压力、温度较高的重要场合。

3）任意法兰：从结构来看，这种法兰与壳体连成一体，但刚性介于整体法兰和松式法兰之间，这类法兰结构简单，加工方便，故在低压容器或

管道中得到广泛应用。

根据JB/T4702-2000故选用整体式乙型平焊法兰。

3.10垫片的选取

设备垫片主要有：非金属垫片、缠绕垫片和金属包垫片。一般情况下，非金属软垫片适用于甲型平焊法兰、乙型平焊法兰、长颈对焊法兰，法兰密封面式为光滑密封或凹凸密封面。缠绕垫片适用于乙型平焊法兰、长颈对焊法兰，法兰密封面式为光滑密封或凹凸密封面以及榫槽密封面。金属包垫片适用于乙型平焊法兰、长颈对焊法兰，法兰密封面式为光滑密封或凹凸密封面以及榫槽密封面。

本换热器壳程和管程介质为泵用冷却水和循环水，工作温度与压力不高，采用非金属垫片，可以按照JB/T4720进行选用与验收。

3.11鞍座的选取

本换热器是卧式换热器，换热器鞍式支座可按JB/T4712 选用。鞍式支座在换热器上的分布应按下列原则确定：

a）当L≦300mm时，取Ls=（0.4～0.6）L

b) 当L>3000mm时取Ls=（0.5～0.7）L

c）尽量使Lc和Lc1相近

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图3-7 鞍座

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固定管板式换热器设计

第4章换热器的机械结构设计

4.1传热管与管板的连接

管子与管板的连接，在管壳换热器的设计中，是一个比较重要的结构部分。它不仅加工工作量大，而且必须是每个连接处在设备的运行中，保证介质无法泄露及承受介质压力的能力。管子与管板的连接形式有强度胀接、强度焊接与胀焊接的混合结构。无论采用何种连接方式，都必须满足以下两个条件:连接处保证介质无泄漏的充分气密性;承受介质压力的充分结合力。强度胀接结构简单，换热管修补容易。由于胀接管端处在胀接使产生塑性变形，存在着残余应力。不锈钢管与管板无论压力大小，温度高低，一般均采用焊接结构，目的是消除换热管与管板孔的间隙，从而消除间隙腐蚀。

4.2管板与壳体的连接

管板与壳体的连接依据换热器的结构形式分为可拆连接及不可拆连接。可拆连接主要用于浮头式，U型管式和填料函式换热器的固定端管板，不可拆连接在刚性结构换热器中采用，其两端管板的内侧面直接焊在壳体上，而根据两端管板的外侧面连接形式又分为管板兼法兰和不兼作法兰。目前用于管侧介质压力及密封性能要求不高的场合即通常称为固定管板式换热器；后者多见于管侧压力很高或密封性能要求也高的高温高压换热器中。

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