参考换热器设计说明书要点

机械设计机械设计包括结构设计和强度计算两部分。

参考压力容器安全技术监察规程，本次设计的换热器为二类容器。

1.1 结构设计1.1.1 设计条件1.1.1.1 设计压力设计压力根据最高工作压力确定。

设有安全阀时，设计压力取最高工作压力的1.05～1.10倍。

本设计取1.1倍。

壳程设计压力 1.1 1.1(0.40.1)0.33d w P P MPa MPa ==⨯-=， 液柱压力0.95993.259.80.60.95gh Pa ρ⨯=⨯⨯⨯ = 5548.29455%d Pa P <则可忽略液柱压力， 计算压力c d P P =，取高于其一个等级的公称等级1.0MPa 。

管程设计压力 1.1 1.1(1.40.1) 1.43d w P P MPa MPa ==⨯-=，忽略液柱压力，则取高出其一个压力等级为2.5MPa 。

1.1.1.2 设计温度设计温度指容器在正常情况下，设定的元件金属温度，设计温度不得低于元件金属在工作温度状态可能达到的最高温度。

[8，124]管程设计温度的确定 ，由于气氨最高操作温度为124℃，故取设计温度为130℃。

壳程设计温度的确定，由于壳程水最高操作温度为42℃，故取设计温度为50℃。

1.1.2 筒体壁厚1.1.2.1 筒体选材由于筒体设计温度为50℃，设计压力为0.4MPa ，参考GB150-1998，故选20R 。

1.1.2.2 筒体壁厚的计算2[]c it cP D P δσφ=-式中δ— 计算厚度，mm ；c P — 计算压力，MPa ；φ — 焊接接头系数。

0.46000.9042[]2133 1.00.4c i t c P D mm mm P δσφ⨯==≈-⨯⨯-由表可知min 6mm δ=，故令δ=6mm 。

2(62)8dC mm mm δδ=+=+=1(80)8dn C mm mm δδ=++∆=++∆=(取2C =2mm 在无特殊腐蚀情况下,对于碳素钢和低合金钢，不小于1mm )[GB6654《压力容器用钢板》和GB3531《低温压力容器用低合金钢板》规定压力容器专用钢板的厚度负偏差不大于0.25mm ，因此使用该标准中钢板厚度超过5mm 时(如20R,16MnR 和16MnDR)等，可取1C =0] [8，125]由钢材标准规格，取n 8mm δ=e δ=n δ-(1C +2C ) ( C=1C +2C ) =8-(0+2) =6mm1.1.2.3 筒体的强度校核()0.4(6006)2[]226tt c i e e P D MPa δσσφδ++===≤⨯ [8，122]式中e δ — 有效厚度， e δ=n δ-C ， mm ；n δ— 名义厚度， mm ；tσ— 设计温度下圆筒的计算应力， MPa ；C —厚度附加量， mm 。

[]t σφ=133⨯1.0=133MPatσ<[]t σφ故校核其满足强度要求。

因此，圆筒的最大工作压力[w p ]为2[]26133 1.0 2.6346006t e w i e p MPa D δσφδ⨯⨯⨯==≈++1.1.3 管箱设计1.1.3.1 管箱选材管程设计压力为1.43MPa ，温度为130℃，参考GB150-1998，故选20R 。

1.1.3.2 管箱筒体厚度计算2[]c itcP D P δσφ=- 1.436003.27843792[]2133 1.0 1.43c i t c P D mm mm P δσφ⨯===-⨯⨯-由表可知min 6mm δ=，故令δ=6mm 。

2(62)8dC mm mm δδ=+=+=1(80)8dn C mm mm δδ=++∆=++∆=[GB6654《压力容器用钢板》和GB3531《低温压力容器用低合金钢板》规定压力容器专用钢板的厚度负偏差不大于0.25mm ，因此使用该标准中钢板厚度超过5mm 时(如20R,16MnR 和16MnDR)等，可取1C =0] [8，125]由钢材标准规格，取n 8mm δ=e δ=n δ-(1C +2C ) ( C=1C +2C ) =8-(0+2) =6mm 1.1.3.3 管箱选择本次设计选择D 型管箱，其结构型式见管箱零件图。

[10，168]1.1.3.4 筒体的强度校核() 1.43(6006)72.215[]226tt c i e e P D MPa δσσφδ++===≤⨯ [8，122]式中e δ — 有效厚度, e δ=n δ-C ， mm ；n δ— 名义厚度， mm ；tσ— 设计温度下圆筒的计算应力， MPa ；C —厚度附加量，mm 。

[]t σφ=133⨯1.0=133MPatσ<[]t σφ故校核其满足强度要求。

因此，圆筒的最大工作压力[w p ]为2[]26133 1.02.6346006t e w i e p MPa D δσφδ⨯⨯⨯==≈++1.1.4 管箱法兰1.1.4.1 材料选择管程设计压力为1.43MPa ，温度为130℃，参考GB150-1998，故选20R 。

[13，6]1.1.4.2 法兰尺寸法兰材料及其质量列表如下： JB/T 4703-2000表4-1乙型平焊法兰表4-2乙型平焊法兰质量1.1.4.3 法兰型式根据公称压力等级以及介质性质选择法兰型式为SO型。

1.1.5 管箱法兰垫片选择非金属垫片：垫片600-2.50，石棉橡胶板GB/T3985。

[13，63] 垫片结构图见装配图。

[13，63]表4-3垫片尺寸1.1.6 管箱法兰螺柱螺母对于PN 2.5MPa的螺柱应当选用40Cr，对应的螺母为35。

JB/T4707-2000本次选用等长双头螺柱。

[13，6-7]图4-1等长双头螺柱结构图[13，81]表4-4等长双头螺柱的型式与尺寸 [13，82]1.1.7 封头的设计由于管程设计压力为1.43MPa ，温度为130℃，故封头材料选为20R 。

1.1.7.1 封头的壁厚计算2[]0.5c it cP D P δσφ=-式中δ— 计算厚度, mm ; c P — 计算压力, MPa ;φ—焊接接头系数。

[8，140]1.436003.2342574972[]0.52133 1.00.5 1.43c i tc P D mm mm P δσφ⨯===-⨯⨯-⨯ 由表可知min 6mm δ=,故令δ=6mm .2(62)dC mm δδ=+=+=(取2C =2mm 在无特殊腐蚀情况下,对于碳素钢和低合金钢,不小于1mm )1(80)8dn C mm mm δδ=++∆=++∆=(GB6654《压力容器用钢板》和GB3531《低温压力容器用低合金钢板》规定压力容器专用钢板的厚度负偏差不大于0.25mm ,因此使用该标准中钢板厚度超过5mm 时如和等,可取1C =0)由钢材标准规格,取n δ=8mme δ=n δ-(1C +2C ) (C =1C +2C )=8-(0+2) =8mm1.1.7.2 封头尺寸选择以内径为基准的椭圆形封头，代号为EHA ，其尺寸和结构如下：表4-5 EHA 椭圆形封头内表面积，容积表4-6 EHA 椭圆形封头质量 kg JB4746-2002图4-2 EHA 椭圆型封头结构 [12，36-37-38]1.1.7.3 封头的强度校核 对于标准椭圆形封头，K =1.0椭圆形封头的最大工作压力[w p ]为2[]26133 1.0 2.6470.56000.56t e w i e p MPa KD δσφδ⨯⨯⨯==≈++⨯ [8，140]1.1.8 液压试验压力试验除材料本身的缺陷外，容器在制造和使用中会产生各种缺陷。

为考核缺陷对压力安全性的影响，压力容器制造完毕后或是定期检验时，都要进行压力试验。

常温时，水的压缩系数比气体要小得多，且来源丰富，因而是常用的试验介质。

本次设备压力试验采用水压试验。

[8，192]由于管程壳程压力不等，且管程压力大于壳程，故水压试验时先将壳程压力升高到与管程相等，再进行水压试验。

（1）水压试验 对于内压容器[]1.25[]T tP Pσσ= [8，193] 在小于20℃,100℃时的应力都为133MPa . [8，399] 1.25T P P==1.25c P =1.25⨯1.43MPa =1.7875MPa (2) 应力校核为使液压试验时容器材料处于弹性状态,在压力试验前必须校核试验时圆筒的薄膜应力T σT σ=()2T i e eP D δδ+=1.7875(6006)26⨯+⨯MPa =90.183MPa0.9s φδ=0.9⨯1.0⨯245=220.5MPaT σ<0.9s φδ [8，399] 1.1.9 拉杆设计1.1.9.1 拉杆选材选择拉杆和定距管材料为10。

1.1.9.2 拉杆参数拉杆的直径和数量按下表选择：mm表4-8拉杆数量选用表表4-9拉杆尺寸表图4-3拉杆结构图 [6，75]1.1.9.3 拉杆的布置拉杆应尽量布置在管束的边缘，本次用四根拉杆。

1.1.10 管板设计1.1.10.1 材料选择选择管板材料为20R。

1.1.10.2 管板结构选择e型的连接方式即：管板与壳程圆筒连接为整体，其延长部分兼做法与管箱用螺柱连接。

mm表4-10管板尺寸参数[10，146]通过校核后确定管板厚度为49.5mm。

结构如下：图4-4管板结构[10，127] 1.1.10.3 管板布管见管板零件图。

1.1.10.3.1 中心距的求取本次设计采用正三角形排列，换热管尺寸为192φ⨯mm ，因此取换热器中心距为25mm 。

1.1.10.3.2 布管限定圆对固定管板式换热器,布管限定圆的直径L D 为32L i D D b =-i D →圆筒内径,mm3b →固定管板式换热器管束最外层管束外表面至壳体内表面的最短距离, 30.25o b d =,一般不小于8mm ，o d 为换热管外径。

[6，23]本次设计取3b =10mm ，则L D =600-2×10=580mm 。

表4-11 I 级管束折流板和支持板管孔直径及允许偏差表1.1.10.3.3 拉杆孔的设计拉杆孔直径1 1.0(12 1.0)13d d mm mm =+=+= ,d 为拉杆直径。

[6，25] 拉杆与管板采用螺纹连接。

螺纹深度2 1.5n l d =,n d 为拉杆螺纹孔公称直径,mm .2 1.5n l d ==1.51218mm mm ⨯= [6，25]1.1.10.3.4 实际布管实际布管数为451根，其中换热管447根，拉杆4根。

1.1.11 换热管设计在标准中选取换热管为192mm mm φ⨯，材料为16Mn ，长度为6000mm 。