换热设备设计

88第六章 换热设备的设计6.1 换热设备的分类和总体结构6.1.1 换热设备的分类按照传热方式的不同，换热设备可分为三类：1.混合式换热器利用冷、热流体直接接触与混合的作用进行热量的交换。这类换热器的结构简单、价格便宜，常做成塔状。2.蓄热式换热器在这类换热器中，热量传递是通过格子砖或填料等蓄热体来完成的。首先让热流体通过，把热量蓄在蓄热体中，然后再让冷流体通过，把热量带走。由于两种流体交变转换输入，因此不可避免地存在着一小部分流体相互掺和的现象，造成流体的“污染” 。这类换热器的结构紧凑，价格便宜、单位体积传热面大，故较适合于气气热交换的场合。3.间壁式换热器是工业中最为广泛应用的一类换热器。冷热流体被一固体壁面隔开，通过壁面进行传热。按照传热面的形状与结构特点它又可分为：（1）管式换热器如套管式、螺旋管式、管壳式、热管式等。（2）板面式换热器如板式、螺旋板式、板壳式等。（3）扩展表面式换热器如板翅式、管翅式、强化的传热管等。其中以管式换热器应用作为广泛，其特点见表 6-1 所示。表 6-1 管壳式换热器的主要类型及特点类型 固定管式换热器 浮头式换热器 U 型管式换热器结构特点换热器的管端以焊接或胀接的方法固定在两块板上，管板以焊接的方法与壳体相连换热器中一块管板与壳体固定，另一块管板能自由移动换热管被弯成 U 形，管的两端固定在同一管板上设备性能当壳体直径相同时便于排更多的管子，管内不易积垢壳程难以清洗在壳体与管中产生很大的温差应力管束可抽取管内、外都能清洗一块管板可自由移动在壳体与管中不会产生温差应力只有一块管板管束可以从壳体中抽出管外清洗方便管内清洗困难在壳体与管中不会产生温差应力6.1.2 管壳式换热器的总体结构管壳式换热器的总体结构均包括：管箱、管板、壳体、折流板或支承板、定距管、拉杆、分程隔板、接管、支座等。如图 6-1 所示。89图 6-1 常见管壳式换热器结构1平盖；2平盖管箱（部件） ；3接管法兰；4管箱法兰；5固定管板；6壳体法兰；7防冲板；8仪表接口；9补强圈；10壳体（部件） ；11折流板；12旁路挡板；13拉杆；14定距管；15支持板；16双头螺柱；17螺母；18外头盖垫片；19外头盖侧法兰；20外头盖法兰；21吊耳；22放气口；23椭圆形封头；24浮头法兰；25浮头垫片；26无折边球形封头；27浮头管板；28浮头盖（部件） ；29外盖头（部件） ；30排液口；31钩圈；32接管；33活动鞍座；34换热管；35假管；36管束（部件） ；37固定鞍座；38滑道；39管箱垫片；40管箱短节；41封头管箱；42分程隔板；43悬挂式支座；44膨胀节（部件） ；45中间挡板；46U 形换热器；47内导流筒；48纵向隔板；49填料；50填料函；51填料压盖；52浮动管板；53部分剪切环；54活套法兰。6.2 管壳式换热设备设计的内容和步骤6.2.1 管壳式换热设备设计的内容管壳式换热设备设计的内容包括工艺设计和机械设计两方面。本课程设计是把工艺参数、90尺寸作为已知条件，在满足工艺条件的前提下，对换热设备进行强度、刚度及稳定性计算，并从制造、安装、检修、使用等方面出发进行结构设计。换热设备设计任务书内容和格式按表 6-2 所示。6.2.2 管壳式换热设备设计的步骤在阅读了设计任务书后，按以下步骤进行换热设备的机械设计。了解设计条件； 1选材； 2按设计压力计算壳体和管箱壁厚； 3管子与管板连接结构设计； 4壳体与管板连接结构设计； 5管板厚度计算； 6折流板、支持板等零部件的结构设计； 7换热管与壳体在温差和流体压力联合作用下的应力计算； 8管子拉脱离和稳定性校核； 9判断是否需要膨胀节，如需要，则选择膨胀节结构型式并进行有关的计算；10接管、接管法兰、支座等的选择及开孔补强设计等。1191表 6-2 换热设备设计任务书比例条件内容修改 设计参数及要求修改标记 修改内容 签字 日期 壳程 管程工作压力，MPa 1.43 1.53设计压力，MPa 1.57 1.68工作温度， 310 420设计温度， 310 420单位名称 介质 碱洗气 变换气工程名称 推荐材料 16MnR 20 钢设计项目 管/壳程数 1 1条件编号 传热面积，m2 70设备图号 公称直径，mm 800位号/台数 传热管直径，mm 38提出人 日期 传热管长度，m 3备注 传热管根数，根 205腐蚀情况 微弱设计寿命接管表符号 公称尺寸 DN 连接面形式 用途a 400 凹面 变换气b 250 凹面 碱洗气c 250 凹面 碱洗气d 400 凹面 变换气e 1/2” 螺纹 排水口92表 6-3 换热设备设计任务书简图与说明设计参数及要求壳程 管程工作压力， MPa 1.43 1.53设计压力， MPa 1.57 1.68工作温度， 310 420设计温度， 310 420介质 碱洗气 变换气管/壳程数 1 1传热面积，m2 70公称直径， mm 800传热管直径， mm 38传热管长度，m 3传热管根数，根 205腐蚀情况 微弱设计寿命接管表符号 公称尺寸 DN 连接面形式 用途a 400 凹面 变换气b 250 凹面 碱洗气c 250 凹面 碱洗气d 400 凹面 变换气e 1/2” 螺纹 排水口936.3 换热设备的设计示例6.3.1 管壳式换热器某合成氨厂变换工段中变换热器，系卧式固定管板式的管壳式换热器，如图 6-2 所示，其壳程圆筒内径为 800mm。换热管规格为 383 的无缝钢管，共 205 根，管长 3m。工作条件：壳程介质为碱洗液（脱碳后的氮氢混合气） ，压力为 1.43Mpa，最高温度为 310；管程介质为变换气（含有二氧化碳的氮氢混合气） ，压力为 1.53Mpa，最高温度为 420。有工艺计算得沿长度平均的壳程圆筒金属温度为 274，换热管金属温度为 350。试对该换热器进行材料选择、结构设计及强度计算。结构草图如图 6-2 所示，下面分别进行壳程圆筒、管箱封头及圆筒、法兰、管板，以及 U形膨胀节设计及计算。图 6-2 卧式带膨胀节的固定管板换热器1变换气入口接管；2锥形封头；3设备法兰；4管板；5碱洗气出口接管；6补强圈；7筒体；8膨胀节；9换热管；10定距管；11折流板；12碱洗气入口接管； 13变换器出口接管；14鞍式支座。6.3.1.1 壳程圆筒根据工作条件选择壳程圆筒的材料为 16MnR 钢板。在常温时许用应力为 170Mpa，在设计温度 310时的许用应力为 142MPa，屈服限为 227Mpa。按 GB150-98 式（6-1）壳程圆筒计算厚度（6-1）citpD2P式中 计算压力 ；cP1.43.57Ma内直径 iD80m材料许用应力 tP焊缝系数 =0.85（采用双面焊、局部无损探伤）以上数值代入式（6-1）得 1.57805.24m24.94按 GB150-98 碳素钢或低合金钢容器的最小厚度不小于 3mm，该厚度值不包括厚度附加量C=2mm 即 。e6m壳程圆筒的液压试验及压力试验时应力校核。试验液体为水，试验压力 PT 按下式 Tt 170P1.25.52.3MPa4压力试验时，圆筒的总体薄膜应力按下式 Tie tsD.3806150.9.2704.3a2.6.3.1.2 管箱（1）锥形封头如图 6-2 所示为带折边锥形封头，根据工作条件选择锥形封头材料为 15CrMoR（正火加回火）钢板。在常温时许用应力为 150MPa，在设计温度 420时的许用应力为 115.6MPa，屈服限为 229.4MPa。图 6-3 锥形封头按 GB150-98 式（6-10） ，式（6-11）过渡段厚度（6-10） cihtckPD20.5与过渡段相接处的锥壳厚度（6-11） cihtf0.5P式中 计算压力 Pc=1.11.53=1.68MPa内直径 Di=800mm材料许用应力 t=115.6MPa95焊缝系数 =0.85（采用双面焊、局部无损探伤）系数 K=0.682（采用标准封头 r/Di=0.15, =30）f=0.554（同上）K、f 值分别由 GB0-98 表 6-4、表 6-5 查得。以上数值代入式（6-10） 、式（ 6-11）得h0.6821.04.7m55.68 4.取 ，附加厚度 c=2mmh7.m选取 e10锥形封头的水压试验压力 Tct 150P.25.2682.7MPa壳程圆筒和封头计算参见 GB150-98。（2）管箱法兰选 JB/T4703-2000 长颈对焊法兰 PN=2.5MPa，DN800，材料为 15CrMo。法兰密封面型式为凹凸面，连接尺寸（参阅图 6-4）如下：Di=800mm 0=16mmDb=915mm 1=26mmDf=960mm H=115mmD4=863mm f=52mm（不包括厚度附加量）垫片采用金属包垫片 865825JB/T4706-200 由 GB150-98 表 9-2 查得 m=3.75，y=52.4MPa选 32 个材料为 35CrMoA 等长双头螺栓 M24160JB/T4707-2000。螺栓计算 1预紧状态下需要的最小螺栓载荷按式 GB150-98 式（9-4 ）计算：（6-12）aGWF3.14Dby式中 垫片有效密封宽度 b垫片接触宽度8652N0m按 GB150-98 表 9-1 得垫片基本密封宽度 由于 b6.4mm 则0N210b0b2.53.1896垫片压紧力中心直径 G4D2b86347m垫片比压力 y=52.4MPa（见 GB150-98 表 9-2）以上数值代入式（9-2）得 6aW3.148752.410N操作状态下需要的最小垫片压紧力按 GB150-98 式（9-5 ）计算：（6-13）2ppGcGcF0.DP.8bmP式中 由上已知 b=8mm，DG=847mm垫片系数 m=3.75管程设计压力 p=1.68MPa以上数值代入式（9-5）得 2p666W0.78541.84783.5190.2预紧状态下需要的最小螺栓面积按 GB150-98 式（9-6 ）计算：（6-14）abWA操作状态下需要的最小螺栓面积按 GB150-98 式（9-7 ）计算：（6-15）ptb式中 常温下螺栓材料许用应力 b=228MPa 在设计温度 420下螺栓材料许用应力tb163.MPa代入式（9-6） 、式（9-7）得 62a1.50A489m262p.7.53需要的螺栓面积 2mpA40.实际螺栓面积 2 2b0nd.753.7850.4185.3 97所需螺栓面积足够。bmA螺栓最小间距 由 GB150-98 表 9-3 确定L当 时，Bd24min56推荐的螺栓最大间距（6-16）fmaxB6L2dm0.5式中 螺栓公称直径 Bd4法兰厚度 f52垫片系数 3.7以上数值代入式（9-3）得 max652L241.4m3.70实际间距 bD.19=8.n2miaxL螺栓布置符