固定管板式换热器设计

前言 (2)

列管式换热器机械设计 (3)

一、问题重述 (3)

1.1 设计题目 (3)

1.2 已知条件 (3)

二、计算 (4)

2.1 管子数N (4)

2.2 管子的排列方式，管间距的确定 (4)

2.3 换热器壳体直径的确定 (4)

2.4 换热器壳体壁厚的计算 (5)

2.5 换热器封头换热器封头的选择 (5)

2.6 封头法兰的选择 (6)

2.7 管板尺寸的确定 (6)

2.8 管子拉脱力计算 (9)

2.9 折流板设计 (11)

2．10 拉杆、定距管 (12)

2.11 波形膨胀节的计算 (13)

2.12 接管法兰的选择 (15)

2.13 开孔补强 (15)

2.14 封头法兰垫片 (16)

2.15 底座 (16)

三、课程设计小结 (16)

参考资料 (17)

前言

换热器在工、农业的各个领域应用的十分广泛，在日常生活中也随处可见，是不可缺少的工艺设备之一。换热器的研究备受各种研究机构的关注和重视，其性能的每一点提高都意味巨大的经济与社会效益。

管壳式换热器虽然在换热效率、设备体积和金属材料的消耗方面不如其他新型的换热设备，但它具有结构坚固、操作弹性大、可靠程度高、使用范围广等，所以在各领域中仍得到广泛的应用。

对于学习化工机械的大学生来说，换热器设计是必须要了解和掌握的知识之一。换热器设计是一个复杂而艰辛的过程，它不仅仅是确定一个或者多个可行的解决方案，还要求确定最可能的或接近最优的设计方案。

管壳式换热器的结构设计，必须考虑很多的因素，如压力、温度、材料、流体性质及检修清理等，通过各种因素的综合考虑，来选择合适的设计方案。

本次课程设计通过对固定管板式换热器的的结构设计以及整体装配的设计，了解到换热器大体的设计过程和装配过程，丰富了我们所学习的知识，学以致用，加强了我们对知识的实际应用能力，并且在设计过程中一些新的知识，开阔了自己是思维，对我们以后的工作具有很大是指导意义。

本次课程设计由陈庆和王海波老师指导，特此表示感谢。由于设计者水平有限，不足之处，还望指导。

xxx

2011年12月26日

列管式换热器机械设计

一、问题重述

1.1 设计题目

年产3000吨合成氨厂变换工段换热器的机械设计。

1.2 已知条件

（1）气体平均压力：

管程：半水煤气 0.7MPa (绝压)； 壳程：变换气 0.6MPa （绝压）；

（2）半水煤气进口温度180℃，出口温度370℃；变换气进口温度400℃，出口温度220℃。

（3）由工艺计算求得换热面积为1302m 。

二、计算

2.1 管子数n

换热管选用Φ32×3的无缝钢管，材质为20号钢，换热管的长度推荐采用1.0,1.5,2.0,2.5,3.0,4.5,6.0,7.5,9.0，12.0m ，本次设计选取管长为3米。

管子的当量直径为:

m mm d n 029.029332==-=。

换热面积:

Ln d A n π=

877.4753

029.0130

L d A n n =??==

∴ππ根 考虑到换热过程中的各种热量损失，圆整确换热管数量n=476根。

2.2 管子的排列方式，管间距的确定

换热管的排列方式采用正三角形排列，换热管中心距不宜小于1.25倍的换热管外径，由GB151-1999《管壳式换热器表》中表12可知换热管外径mm d 32=时，换热管中心距mm S 40=。查表得六角形层数为12层，六角形对角线上的

管子数为25个。

2.3 换热器壳体直径的确定

壳体内径:

l b S D i 2)1(+-=

S ——换热管中心距，S=40mm ；

b ——正六角形对角线上的管子数，b=25个；

l 最外层管子的中心到壳体边缘的距离，取l =2d ；

mm

l b S D i 10883222)125(322)1(=??+-?=+-=

选取壳体内径mm D i 1100=。

2.4 换热器壳体壁厚的计算

壳体材料选取A3R ，已知壳体承受压力为MPa 68.0，设计压力应该取大于

MPa 68.0取设计压力MPa P c 1=，设计温度取400℃，设壁厚在3-16mm 之间，

此时材料的许用应力MPa t

106][=σ；钢板宽度在2500-4000mm 时，材料的允

许负偏差C 1=-0.8mm ；对于碳素钢，腐蚀裕量C 2不小于1mm ，取C 2=2mm ；焊接接头形式为单面焊对接接头，局部无损检测，焊接接头系数Φ=0.8。此时筒 体的计算厚度：

mm P D P c t

i c c 524.61

8.010621100

1][2=-???=-=

φσδ 实际所需厚度

mm C C c 324.921=++=δδ

所以材料的名义厚度可以圆整取mm 10=δ。

2.5 换热器封头换热器封头的选择

上下封头均选择标准椭圆形封头，封头材料选A3R ，根据JB/T4746-2002标准，以内径为基准，封头公称直径mm D DN i 1100==，封头厚度也取mm 10=δ,曲面高度mm D h i 2754

1

==,查表可知封头总高度mm H 300=。封头结构如下图：

2.6 封头法兰的选择

材料选择16Mn ，根据JB/T 4703-2000，选用MPa PN mm DN 6.1,1100==的榫槽密封面长颈对焊法兰，其规格尺寸如下图：

2.7 管板尺寸的确定

选用固定式换热器管板e 型，管板与壳程圆筒连为整体，期延长部分兼做法兰，与管箱用螺柱、垫片连接；管板材料选用16Mn 。单管程(延长部分兼作法兰固定管板换热器管板，管板周边布管区较窄(管板周边布管区无量纲宽度

0.1≤k )，假定管板厚度为mm 10=δ，管子加强系数为K ，则

δ

ηδ

L E na

E D K p t i

318

.12

= （1）

式中：

i D ——壳程圆筒内径，mm ；

δ—— 管板计算厚度，mm ；

n —— 管子根数；

a —— 一根换热管管壁金属的横截面积，2mm ；

η—— 管板刚度削弱系数，取η=0.4；

L —— 管子有效长度，m ；

i E ——管子设计温度下的弹性模量，GPa ；

p E ——管板设计温度下的弹性模量；GPa 。

π

t

t A D 4=

（2）

式中：

t D —— 管板布管区当量直径，mm ；

t A —— 管板布管区面积，2mm 。

i

t

t D D =

ρ （3）

式中：

t ρ—— 管板布管区的当量直径与壳程圆筒内径之比。

对单管程换热器，三角形排列时：

2866.0nS A t = （4） )(t t a d n n δπδ-= （5）

式中：

S —— 管间距，mm ；

t δ—— 管子壁厚，mm ；

d —— 管子外径，mm 。

（4）式代入（2）式中得：

n S A D t

t 05.14==

π

（6）

（60）式代入（3）式化简得：

i

t D n

S

05.1=ρ （7）

在实际设计工作中，)1(t K k ρ-= (8)

且知：0.1≤k

所以，由(8)得：,0.1)1(≤-t K ρ，即K

t 0

.1)1(≤-ρ (9)

由(9)代入(1)中，经化简得：

34

2

)1()(389.2t p i t t t L

E D E d n ρδδδ--≥ （10）

由已知条件计算得：

833.01100

476

4005.105.1=??==i t D n S ρ

设计温度为400℃时，管子材料为20钢，弹性模量GPa E i 187=，管板材料为16Mn ，弹性模量GPa E p 185=

mm

L

E D E d n t p i t t t 587.233000

185)

833.01(1100187)332(3476389.2)1()(389.23

4

234

2

=?-???-??=--≥ρδδδ

所以管板的最小有效厚度为23.587mm .取管板的有效厚度mm 40=δ，并且将管板延长部分作为法兰和封头法兰配合形成榫槽面密封结构，则其他尺寸如下图所示：

2.8 管子拉脱力计算

管子和管板采用开槽胀接的方式连接，管板厚度大于25mm 时，需要开二

个槽。开槽，换热管外径为32φ时，查表可知开槽深度K=0.6mm ，管子伸出段长度为4+2mm ，具体结构如下图所示：

拉脱力计算：

管子 壳体 材质 20号钢 A3R

α 6108.11-? 6

108.11-?

E GPa 210 GPa 210

尺寸 3000332??φ 101100?φ 管字数： 476根； 管间距： mm S

40=；

管壳壁温差： C t

?=?50；

管子与管板连接结构： 开槽胀接； 胀接长度： mm l

44=。

(1)在操作压力下，胀接周边所产生的应力P q

dl

PA q P π=

式中：

24323210818.5)1032(4

)1040(866.04866.0m d S A ---?=??-??=-

=π

π MPa P 7.0=

m l 044.0=

MPa dl PA q P 0945.0044

.0)1032(10818.57.03

4

=?????==--ππ (2)在温差应力作用下，胀接周边所产生的应力T q

dl

d d q i r T 4)

(22-=

σ

式中：

s

t s t r A A T T E +-=

1)

(ασ

22-n m 10485.301.011.1?=??==πδπD A s

22222130.04

476

)026.0032.0(4

)

(m n d d A i t =?-?=

-=

ππ

MPa A A T T E s

t s t r 190.26)

03485.0130.0(150********.111)

(96=+????=+-=

-ασ

MPa dl d d q i r T 656.1044

.0032.04)026.0032.0(1019.264)(22622=??-??=-=σ

P q 与T q 的作用方向相同，则

MPa q q q T P 751.1656.10945.0=+=+=

查表知碳素钢在开槽胀接时许用拉脱应力MPa q 4][= 由于MPa q q 4][=<，拉脱力在许用范围内。

2.9 折流板设计

折流板为弓形，查表可知折流板的名义外径：

mm DN D 1094611006=-=-=

折流板高度mm DN DN DN h 880605)8.055.0()45.02.0(-=-=--=范围内，取mm h 850=。

查表知公称直径为1100mm 时，折流板的厚度mm 8=δ。

折流板的间距一般不小于圆筒内径的五分之一，换热管外径为32φ时，钢管的最大无支撑跨距为2200mm ，在此范围内取折流板间距mm l 600=，则折流板数量为4个。

查表知，在间距mm mm l 900600<=时，折流板管孔直径取30

.00

7.0++d

折流板结构如下图：

2．10 拉杆、定距管

常用拉杆形式有两种：

（1）拉杆定距管结构，适用于换热管外径大于或等于19mm 的管束，

a L l >2；

（2）拉杆与折流板点焊结构，适用于换热管外径小于或等于14mm 的管束。 由于本次设计所用换热管外径为32mm ，故采用拉杆定距管结构。 换热管外径为32φ时，查表得对应的拉杆直径mm d n 16=；圆筒公称直径DN 为1100mm ，查得拉杆数量为6根，mm L a 20=，mm L b 60≥，mm b 2=，拉杆长度根据结构所需来确定，拉杆结构如下：

拉杆定距管结构以及和管板的连接方式如下图所示a L l >2

:

拉杆应尽量均匀布置在管束外缘，在布管区内或靠近折流板缺口处应布置适当数量的拉杆，任何折流板应不少于3个支撑点。合理布置完拉杆后，根据结构得出定距管数量为18根。

2.11 波形膨胀节的计算

根据GB16749-1999标准，选用一个ZDL 型（立式）波形膨胀节，材料Q235，其壁厚按下列两式计算，选用二者中较大值。

（1）

C f 1.1t

s

+=σλδ水压

P D i

ex ex

MPa 875.07.025.1=?=水压

P

1f =

MPa 170300s =σ

25.0C =

7.0==ex

i ex D D β，由表查得103.0,990.0==ex ex λα

mm f P D t

s i ex ex 8.825.0170

1875

.10.111000.103C 1.1=+??=+=σλδ水压 （2）

C f P

D D t

s

i ex ex +-=σδ水压

1.1)

(21.0 mm D D i

ex 429.15717

.0==

mm ex 184.825.0170

1875

.01.1)

1100429.1571(21.0=+??-=δ

取波形膨胀节的厚度与壳体厚度一样，即ex δ为10mm ，按下式进行应力校核：

n ex ex k ex C Q ][)

()

1(8.0σδπβσ≤--=

N

n D T T EL Q ex

i ex ex ex

s t k 892.541281

1.1)7.01(990.006.001.050310210108.11)1(06.0)(2

3

9623

=??-?????????=

--=

-πβαδπα

n ex ex k ex MPa C Q ][521.43)

00025.001.0(14.33.0892.541288.0)()1(8.02

2σδπβσ≤=-???=--= MPa n 5.1901275.1][5.1][=?==σσ

故膨胀节厚度符合要求，查表知膨胀节尺寸如下图所示：

2.12 接管法兰的选择

变换气进口选10356?φ的接管，根据法兰标准JB/T4703-2000，PN=1.6

MPa ，DN=350mm 的对焊接管法兰，半水煤气选10325?φ的接管，PN=1.6 MPa ，DN=300mm 的对焊接管法兰，材料为20钢。结构尺寸如下图所示：

2.13 开孔补强

容器开口需要补强，常用的结构是在开口外面焊上一块与容器器壁材料和厚度都相同，即10mm 的A3R 钢板，查表可知补强结构尺寸，见下图：

2.14 封头法兰垫片

由于封头法兰所选的是长颈对焊法兰，采用榫槽密封面密封，故垫片选用适用于长颈对焊法兰的缠绕垫片中的基本型垫片，根据JB/T4075-2000标准，其结构尺寸如图所示：

2.15 底座

本次设计的换热器圆筒公称直径在800～4000mm范围内，圆筒长度L与公称直径DN之比小于5，容器总高度小于10m，故采用结构简单的支承式支座中的B型支座即可，根据JB/T4712.4-2007支承式支座标准，其结构尺寸具体见装配图。

三、课程设计小结

三周的机械设计使我们认识到了作为一名工程技术人员需具备的素质，扎实的专业知识和较宽的知识面，我们设计者之间团队的重要性，三周的时间里的能够让我们学到很多很多的实际性的知识，怎样才能在这三周里更好的运用学的知识来完成设计任务呢？这无疑让我们有时间做一个理性的思考。把所学的知识在这次设计中和自己的想法结合起来并在自己的设计中形象而生动的表现出来，我认为此次课程设计是我们走向工作的前奏也算是对个人的一个实践性的训练。

课程设计是我们专业课程知识综合应用的实践训练，着是我们迈向社会，从事职业工作前一个必不少的过程。”千里之行始于足下”，通过这次课程设计，我深深体会到这句千古名言的真正含义。我今天认真的进行课程设计，学会脚踏实地迈开这一步，就是为明天能稳健地在社会大潮中奔跑打下坚实的基础。

通过这次换热器设计，本人在很方面都有所提高。综合运用本专业所学课程的理论和生产实际知识，行一次设计工作的实际训练从而培养和提高学生独立工作能力，巩固与扩充了课程所学的内容，掌握换热器设计的方法和步骤，掌握换热器的基本技能，提高了计算能力，绘图能力，熟悉了规范和标准，同时各科相关的课程都有了全面的复习，独立思考的能力也有了提高。

在这次设计过程中，体现出自己单独设计机械的能力以及综合运用知识的能力，体会了学以致用、突出自己劳动成果的喜悦心情，从中发现自己平时学习的不足和薄弱环节，从而加以弥补。在这段时间里我们通过彼此之间的相互合作，交流学习，了解了许多新知识，尤其对化工机械设计有了系统的掌握。但由于时间有限，学习心得不够深刻，还不能对所学的知识达到熟练的运用，这就需要我们在今后的工作中有待学习和提高。

由于本人的设计能力有限，在设计过程中难免出现错误，恳请老师们多多指教,我十分乐意接受你们的批评与指正，本人将万分感谢。

参考资料

1. 《过程设备设计》主编郑津洋董其伍桑芝富

化学工业出版社 2010.6 2. 《过程设备工程设计概论》主编陈庆邵泽波

化学工业出版社 2008.1 3. 《换热器》秦叔经叶文邦

化学工业出版社 2002.12 4. 《冷换设备》主编刘巍

中国石化出版社 2003 5. 《压力容器设计标准汇编》