固定管板式管壳式换热器设计

I 题 目 固定管板式管壳式换热器设计 学生姓名 学号 所在院 (系) 专业班级 指导教师 完成地点 年 月 日 II 固定管板式管壳式换热器设计 摘 要 本设计是固定管板式换热器，主要进行了换热器的工艺计算、换热器的结构和强 度设计，和部分三维建模。 设计首先根据给定的设计条件确定换热器总体设计方案。设计过程为：前半部分 为工艺计算，估算换热面积，计算传热系数，计算出实际的换热面积，最后进行压力 降和壁温的计算；后半部分则是关于结构和强度的设计，主要是根据已经选定的换热 器型式进行设备内各零部件（如接管、折流板、定距管、管箱等）的设计，包括：材 料的选择、具体尺寸确定、确定具体位置、管板厚度的计算、开孔补强计算等，最后 针对管板是换热器的折流板进行三维建模。 关键词 换热器 管板管壳式 设计 III Fixed tube plate shell and tube heat exchanger design 【Abstract】 This design is fixed tube heat exchanger, mainly for the heat exchanger process calculation, the structure and strength of the heat exchanger design, and part of the three- dimensional modeling. Design first according to the given design conditions determine overall design scheme. The design is as follows: the first part of design is the technology calculation process. Mainly, the process of technology calculate is according to the given design conditions to estimate the heat exchanger area, and then, calculate heat transfer coefficient ,just for the actual heat transfer area .Meanwhile the process above still include the pressure drop and wall temperature calculation ; the second half of the design is about the structure and intensity of the design. This part is just on the selected type of heat exchanger to design the heat exchangers components and parts ,such as vesting ,baffled plates, the distance control tube, tube boxes. This part of design mainly include：the choice of materials，identify specific size, identify specific location, the thickness calculation of tube sheet, the thickness calculation of floating head planting and floating head flange, the opening reinforcement calculation etc. In the end, the final design results through six maps to display；finally is the heat exchanger tube sheet baffles three-dimensional modeling. 【Key word】 heat exchanger, tube sheet shell and tube , design. IV 目目 录录 第一章第一章 换热器概述换热器概述1 1 1.1 换热器的应用1 1.2 换热器的主要分类2 1.3 管壳式换热器特殊结构6 1.4 换热管简介7 第二章第二章 工艺计算工艺计算8 2.1 设计条件8 2.2 核算换热器传热面积8 第三章第三章 换热器结构设计与强度校核换热器结构设计与强度校核.1919 3.1 壳体与管箱厚度的确定.19 3.2 开孔补强计算.20 3.3 换热管.25 3.4 管板设计.26 3.5 折流板.27 3.6 拉杆与定距管.28 3.7 防冲板.29 3.8 法兰与垫片 .29 3.9 接管的最小位置.32 第四章第四章 UGUG 三维建模三维建模3333 4.1 UG 概述 33 4.2 UG 建模的一般过程 34 4.3 UG 在换热器中的应用 .34 第五章第五章 换热器后续工程换热器后续工程3838 5.1 换热器的腐蚀、制造与检验 .38 5.2 焊接工艺评定 .39 5.3 换热器的安装、维护 .40 总总 结结.4141 参考文献参考文献4242 致谢致谢.4343 第 1 页 共 44 页 第一章第一章 换热器概述换热器概述 换热器是化工、石油、能源等各工业中应用相当广泛的单元设备之一。据统计, 在现代化学工业中换热器的投资大约占设备总投资的 30% , 在炼油厂中占全部工艺设 备的 40% 左右, 海水淡化工艺装置则几乎全部是由换热器组成的。对国外换热器市场 的调查表明, 虽然各种板式换热器的竞争力在上升,但管壳式换热器仍占主导地位约 64% 。新型换热元件与高效换热器开发研究的结果表明, 列管式换热器已进入一个新的研 究时期, 无论是换热器传热管件, 还是壳程的折流结构都比传统的管壳式换热器有了 较大的改变, 其流体力学性能、换热效率、抗振与防垢效果从理论研究到结构设计等 方面也均有了新的进步。 1.11.1 换热器的应用换热器的应用 换热器是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，又称热交换器。换热器是化 工、石油、动力、食品及其它许多工业部门的通用设备，在生产中占有重要地位。在 化工生产中换热器可作为加热器、冷却器、 、蒸发器和再沸器等，应用更加广泛。换热 器种类很多，但根据冷、热交换的原流体热量理和方式基本上可分三大类即：间壁式、 混合式和蓄热式。在三类换热器中，间壁式换热器应用最多。下面在介绍一下最典型 的间壁式换热器-板式换热器，这种换热器在工业上有着主导地位，在市场中有着重要 的地位，它主要是应用在液体与液体之间的换热，行业内常称为水水换热，常用的档 板有圆缺形和圆盘形两种,前者应用更为广泛。 目前，由于我国新版 GMP 的推出，板 式换热将逐渐退出食品，饮料，制药等行业。 当然，换热器的种类不仅仅只有以上提到这些，换热器在很多行业中都有着重要 的应用价值，以后肯定会有更多的新型换热器的诞生并在我们各个行业中得到有效的 应用。换热器的设计、制造、结构改进及传热极力的研究十分活跃，一些新型高效换 热器相继面世。 1.21.2 换热器的主要分类换热器的主要分类 在工业生产中，由于用途、工作条件和物料特性的不同，出现了不同形式和结构 第 2 页 共 44 页 的换热器。 1.2.11.2.1 换热器的分类及特点换热器的分类及特点 按照传热方式的不同，换热器可分为三类： 1.直接接触式换热器 这类换热器的主要工作原理是两种介质经接触而相互传递热量，实现传热，接触 面积直接影响到传热量，这类换热器的介质通常一种是气体，另一种为液体，主要是 以塔设备为主体的传热设备，但通常又涉及传质，故很难区分与塔器的关系，通常归 口为塔式设备，电厂用凉水塔为最典型的直接接触式换热器。 2.蓄能式换热器(简称蓄能器) 这类换热器用量极少，原理是热介质先通过加热固体物质达到一定温度后，冷介 质再通过固体物质被加热，使之到达传热量的目的。蓄热式换热器与回热式换热器相 对应，是一种应用历史比较久远的换热装置，是按照大类划分的换热器的一种形式， 具有能够在高温条件下运行的优点。在超过1300的高温下，蓄热式换热器往往是唯 一可以选择的换热器类型，其优势还在于能够使用各种形状和类型的材料。但是，蓄 热式换热器在中低温条件的使用广泛程度则远不如回热式换热器。 3.间壁式换热器 这类换热器用量非常大，占总量的 99%以上，原理是热介质通过金属或非金属将热 量传递给冷介质，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。 1.2.21.2.2 管壳式换热器的分类及特点管壳式换热器的分类及特点 我们从设计题目出发，经过查阅资料认真思考，认为此次设计的冷却水可用于三 种方式：做饭，供热和洗澡。因此设计三组固定管板式换热器组，而固定管板式换热 器又属于管壳式换热器，故特此介绍管壳式换热器的主要类型以及结构特点。 管壳式换热器是目前用得最为广泛的一种换热器，主要是由壳体、传热管束、管 板、折流板和管箱等部件组成，其具体结构如下图所示。壳体多为圆筒形，内部放置 了由许多管子组成的管束，管子的两端固定在管板上，管子的轴线与壳体的轴线平行。 进行换热的冷热两种流体，一种在管内流动，称为管程流体；另一种在管外流动，称 第 3 页 共 43 页 为壳程流体。为了增加壳程流体的速度以改善传热，在壳体内安装了折流板。折流板 可以提高壳程流体速度，迫使流体按规定路程多次横向通过管束，增强流体湍流程度。 流体每通过管束一次称为一个管程；每通过壳体一次就称为一个壳程，而上图所 示为最简单的单壳程单管程换热器。为提高管内流体速度，可在两端管箱内设置隔板， 将全部管子均分为若干组。这样流体每次只通过部分管子，因而在管束中往返多次， 这称为多管程；同样。为提高管外流速，也可以在壳体内安装纵向或横向挡板，迫使 流体多次通过壳体空间，称为多壳程。多管程与多壳程可以配合使用。 图 1.1 管壳式换热器 这种换热器的结构不算复杂，造价不高，可选用多种结构材料，管内清洗方便， 适应性强，处理量较大，高温高压条件下也能应用，但传热效率、结构的紧凑性、单 位传热面的金属消耗量等方面尚有待改善。 由于管内外流体的温度不同，因之换热器的壳体与管束的温度也不同。如果两流 体温度相差较大，换热器内将产生很大的热应力，导致管子弯曲、断裂或从管板上拉 脱。因此，当管束与壳体温度差超过 50时，需采取适当补偿措施，以消除或减少热 应力。根据所采用的补偿措施，管壳式换热器可以分为以下几种主要类型： (1)固定管板式换热器：其结构如图 1 所示。换热器的管端以焊接或胀接的方法固 定在两块管板上，而管板则以焊接的方法与壳体相连。与其它型式的管壳式换热器相 比，结构简单，当壳体直径相同时，可安排更多的管子，也便于分程，同时制造成本 较低。由于不存在弯管部分，管内不易积聚污垢，即使产生污垢也便于清洗。如果管 子发生泄漏或损坏，也便于进行堵管或换管，但无法在管子的外表面进行机械清洗， 第 4 页 共 44 页 且难以检查，不适宜处理脏的或有腐蚀性的介质。更主要的缺点是当壳体与管子的壁 温或材料的线膨胀系数相差较大时，在壳体与管中将产生较大的温差应力，因此为了 减少温差应力，通常需在壳体上设置膨胀节，利用膨胀节在外力作用下产生较大变形 的能力来降低管束与壳体中的温差应力。 图 1.2 固定管板式换热器 (2)浮头式换热器：其结构如图 1.3 所示 图 1.3 浮头式换热器 管子一端固定在一块固定管板上，管板夹持在壳体法兰与管箱法兰之间，用螺栓 接；管子另一端固定在浮头管板上，浮头管板夹持在用螺柱连接的浮头盖与钩圈之间， 形成可在壳体内自由移动的浮头，故当管束与壳体受热伸长时，两者互不牵制，因而 不会产生温差应力。浮头部分是由浮头管板，钩圈与浮头端盖组成的可拆联接，因此 可以容易抽出管束，故管内管外都能进行清洗，也便于检修。由上述特点可知，浮头 式换热器多用于温度波动和温差大的场合，尽管与固定管板式换热器相比其结构更复 杂、造价更高。 (3) U 型管式换热器：其结构可参见图 1.4。一束管子被弯制成不同曲率半径的 U 型管，其两端固定在同一块管板上，组成管束，从而省去了一块管板与一个管箱。因 为管束与壳体是分离的，在受热膨胀时，彼此间不受约束，故消除了温差应力。其结 第 5 页 共 43 页 构简单，造价便宜，管束可以在壳体中抽出，管外清洗方便，但管内清洗困难，故最 好让不易结垢的物料从管内通过。由于弯管的外侧管壁较薄以及管束的中央部分存在 较大的空隙，故 U 型管换热器具有承压能力差、传热能力不佳的缺点。 图 1.4 U 型管式换热器 (5)双重管式换热器：将一组管子插入另一组相应的管子中而构成的换热器，其结 构可以参看图 1.5。管程流体（B 流体）从管箱进口管流入，通过内插管到达外套管的 底部，然后返回，通过内插管和外套管之间的环形空间，最后从管箱出口管流出。其 特点是内插管与外套管之间没有约束，可自由伸缩。因此，它适用于温差很大的两流 体换热，但管程流体的阻力较大，设备造价较高。 图 1.5 双重管式换热器 （6）图 1.6 为填料函式换热器的结构。 第 6 页 共 44 页 图 1.6 填函式换热器 管束一端与壳体之间用填料密封，管束的另一端管板与浮头式换热器同样夹持在 管箱法兰和壳体法兰之间，用螺栓连接。拆下管箱、填料压盖等有关零件后，可将管 束抽出壳体外，便于清洗管间。管束可自由伸缩，具有与浮头式换热器相同的优点。 由于减少了壳体大盖，它的结构较浮头式换热器简单，造价也较低，但填料处容易泄 漏，工作压力与温度受一定限制，直径也不宜过大。 1.31.3 管壳式换热器特殊结构管壳式换热器特殊结构 包括有双壳程结构、螺旋折流板、双管板等特殊结构，这些结构将使换热器拥有 更高的工作效率。 (1)双壳程结构：在换热器管束中间设置纵向隔板，隔板与壳体内壁用密封片阻挡 物流内漏，形成双壳程结构。适用场合：管程流量大壳程流量小时，采用此结构流 速可提高一倍，给热系数提高 11.2 倍；冷热流体温度交叉时，但壳程换热器需要 两台以上才能实现传热，用一台双壳程换热器不仅可以实现传热，而且可以得到较大 的传热温差。 (2)螺旋折流板式换热器：螺旋折流板可以防止死区和返混，压降较小。物流通过 这种结构换热器时存在明显的径向变化，故不适用于有高热效率要求的场合。 (3)双管板结构：在普通结构的管板处增加一个管板，形成的双管板结构用于收集 泄漏介质，防止两程介质混合。 第 7 页 共 43 页 1.41.4 换热管简介换热管简介 换热管是管壳式换热器的传热元件，采用高效传热元件是改进换热器传热性能最 直接有效的方法。国内已使用的新效的换热管有以下几种： (1)螺纹管：又称低翅片管，用光管轧制而成，适用于管外热阻为管内热阻 1.5 倍 以上的单相流及渣油、蜡油等粘度大、腐蚀易结垢物料的换热。 (2) T 形翅片管：用于管外沸腾时，可有效降低物料泡核点，沸腾给热系数提高 1.63.3 倍，是蒸发器、重沸器的理想用管。 (3)表面多孔管：该管为光管表面形成一层多孔性金属敷层，该敷层上密布的小孔 能形成许多汽化中心，强化沸腾传热。 (4)螺旋槽纹管：可强化管内物流间的传热，物料在管内靠近管壁部分流体顺槽旋 流，另一部分流体呈轴向涡流，前一种流动有利于减薄边界层，后一种流动分离边界 层并增强流体扰动，传热系数提高 1.31.7 倍，但阻力降增加 1.72.5 倍。 (5)波纹管：为挤压成型的不锈钢薄壁波纹管，管内、管外都有强化传热的作用， 但波纹管换热器承压能力不高，管心距大而排管少，壳程短而不易控制。 管壳式换热器的应用已经有悠久的历史，而且管壳式换热器被当作一中传统的标 准的换热设备在很多工业部门中大量使用。尤其在化工、石油、能源设备等部门所使 用的换热设备中，管壳式换热器仍处于主导地位，因此本次毕业设计特针对这类换热 器中的浮头式换热器的工艺设计以及结构设计进行介绍。 第 8 页 共 44 页 第二章第二章 工艺计算工艺计算 在换热器设计中，首先应根据工艺要求选择适用的类型，然后计算换热所需要的 传热面积。工艺设计中包括了热力设计以及流动设计，其具体运算如下所述： 2.12.1 设计条件设计条件 表 2.1 水与水的操作参数 冷水热水 进口温度 （C） 出口温度 （C） 流 量 （kg/s） 进口温度 （C） 出口温度 （C） 流 量 （kg/s） 设计压力 （Mpa） 253530705081.013 表 2.2 水的物性参数 名称平均温度 （） 比热 kJ/kgk 导热系数 W/（mk ） 密度 kg/ m3 粘度 /mpas 热阻（*10- 3）K/w 冷水 304.1740.618995.70.80117.2 热水 604.1780.659983.20.47034.4 2.22.2 核算换热器传热面积核算换热器传热面积 2.2.12.2.1 流动空间的确定流动空间的确定 选择热水走壳程，冷水走管程。这是因为：被冷却的流 体走壳程可便于散热，而传热系数大的流体应走管程，这样 可降低管壁的温差，减少热应力。 2.2.22.2.2 初算换热器传热面积初算换热器传热面积 A 2.2.2.12.2.2.1 传热计算（热负荷计算）传热计算（热负荷计算） 热负荷：()() cpccocihphhiho Qm cTTm cTT 管程：冷水 壳程：热水 第 9 页 共 43 页 式中：冷热水的质量流量，kg/s；, ch m m 冷热水的定压比热，J/(kgk)；, pcph cc 冷水的进、出口温度，k； , cico T T 热水的进、出口温度，k。, hiho TT 理论上，=，实际上由于热量损失，通 c Q h Q c Q h Q 常热负荷应该取 max（，） 。 c Q h Q =304.174(35-25)=352.2KW Qc )( TTcmcicopcc 84.178（70-50）)( TTcm Q cikipkk k =668.48KW 故 Q=668.48KW 2.2.2.22.2.2.2 有效平均温差有效平均温差的计算的计算 tm 选取逆流流向，这是因为逆流比并流的传热效率高。其 中为较大的温度差，为较小的温度差。 t1 t2 70-35=35t1 50-25=25 t2 因为 1.4 0.8，因此有效平均温度差为： 。 1 . 293097 . 0 tt mm 2.2.52.2.5 校核换热面积：校核换热面积： 实际传热面积： ；2 .15 1 . 291516 48.668 10 3 0 t A m K Q 校核： ；)2515(16100 2 . 15 2 . 15 6 . 17 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 A A A 为了保证换热器的可靠性，一般应使换热器的面积裕度大 于或等于 15%-25%，由上可知所选换热器面积满足要求。 2.32.3 压力降的计算压力降的计算 流体流经换热器因流动引起的压力降，可按管程压降和 壳程压降分别计算。 2.3.12.3.1 管程压力降管程压力降 i pA 管程压力降有三部分组成，可按下式进行计算： pppp Ntdiit ) ( 其中：流体流过直管因摩擦阻力引起的压力降， pi ；Mpa 流体流经回弯管中因摩擦阻力引起的压力降， p ；Mpa Mpa pi 3556 . 0 Mpa p 4979 . 0 第 14 页 共 44 页 流体流经管箱进出口的压力降，； pNt Mpa 式中为管程压降结垢校正系数，可查有关资料。对 di 一般液体，当垢阻W 时：000516 . 0 000344 . 0 rd 管子， 219; 5 . 1 di 管子， 5 . 225 ; 4 . 1 di 如垢阻更大或更小时，值可在上述基础上增减； di 对于气体， 0 . 1 di 由于水的垢阻为 0.000172，则取 2 . 1 di 各项压降的计算式如下： i i i t i i i d nW p L 2 2 n W p t i i 4 2 2 i Nt Nt W p 2 5 . 1 2 式中：管程质量流速； Wi skg m 2 / 管内径，； i dm L管长，；m 管程进出口管咀质量流速； WNt skg m 2 / 圆管摩擦系数，由参考文献可查图 1-19 i 得 0.03； 管内流体密度， ； i 3 /kg m 管程数； nt Mpa pNt 1867 . 0 Mpa pt 2109 . 1 28 . 1 0 d 第 15 页 共 43 页 管程流体粘度校正系数，流体被加)( 14 . 0 w i 热则取 1.05； 所以；3556 . 0 05. 1 03 . 0 02 . 0 12 7 .9952 ) 7 . 9955 . 0( 2 pi Mpa ；4979 . 0 14 7 .9952 ) 7 . 9955 . 0( 2 p Mpa ；1867 . 0 5 . 1 7 .9952 ) 7 . 9955 . 0( 2 pNt Mpa ；2109. 1 7 . 1862 . 1) 9 . 4976 .355(p t Mpa 经查，可知每台换热器合理的压力降为MPa，由此7 . 17 . 0 可知上述压力降符合要求。 2.3.22.3.2 壳程压力降壳程压力降 当壳程装上折流板后，流体在管外流动为平行流和错流 的耦合。尽管管束为直管，但流动却变得复杂化。由于制造 安装公差不可避免地存在间隙，因而会产生泄漏和旁流，而 流体横向冲刷换热管引起的旋涡，也使流动变得更加复杂。 由于流动的复杂性，要准确地分析影响这种复杂流动的各种 因素，精确地计算压力降是相当的困难。 下面通过寇恩公式来计算： pppp nsipds 00 式中：流体横过管束的压力降，； p0 Mpa 流体通过折流板缺口的压力降，； pip Mpa 壳程进出口管咀的压降，; pNs Mpa 壳程压降结垢校正系数，由参考文献的附录 0d 14 可查的结果为 1.28 32. 0 0 0215. 0 0 A sm u /378. 0 0 7 . 11 nc 第 16 页 共 44 页 各项压降可用以下公式计算： 0 0 0 2 0 0 ) 1( 2 d nDW p o Bs ip Ns ip W p 0 2 2 0 2 2 5 . 1 W p Ns Ns 式中：壳程流体的质量流速，kg/s; W0 壳程导流板和进出口处质量流速，kg/s WNs 壳程流体的圆管摩擦系数 ，根据参考文献 0 可查图 5.41 得 0.32； ,壳程流体的粘度校正系数取为 0.95； )( 14. 0 0 w 壳程流体质量密度； 0 壳体内径，m； Ds 折流板数； nB 管子外径； do 导流板阻力系数，按取为 6； ip105 横过管束中心线的管子数，对三角形排列 c n ；1.1 ct nN 按壳程流通截面计算的流速，； o u o A/m s 其中： )1 . 1()( 0dNDldnDlAotNbocNb )025 . 0 1131 . 14 . 0(2 . 0 9 nB Mpa p 416 . 0 0 Mpa pip 42 . 0 Mpa pNs 105 . 0 Mpa ps 06 . 1 60 Tm 30 tm 30tm 2 .39 tth 6 . 47 ttc 4 .43 tt 第 17 页 共 43 页 0.0215 因此 ；378. 0 0215 . 0 2 . 983 8 0 0 A m u k k ； 7 . 111131 . 11 . 1 Nn tc ，取整为 9。9 2 . 0 2 . 022 . 0 l n b B l 则有： 416 . 0 95 . 0 32 . 0 025. 0 ) 110(4 . 0 2 . 9832 ) 2 . 983378 . 0 ( 2 0 p Mpa 42 . 0 6 2 . 9832 ) 2 . 983378 . 0 ( 2 pip Mpa 105 . 0 5 . 1 2 .9832 ) 2 . 983378 . 0 ( 2 pNs Mpa Mpa ps 06 . 1 105. 042 . 0 28 . 1 416 . 0 可知此时的压力降在的合理范围之内。Mpa7 . 17 . 0 2.42.4 换热器壁温计算换热器壁温计算 2.4.12.4.1 换热管壁温换热管壁温 计算计算 t t 符号说明： 以换热管外表面积为基准计算的总传热系数， W/（m） ； 污垢热阻，/w； d r 分别为热、冷流体的的平均温度，；, mm Tt 分别为热流体的进、出口温度，；, io T T 分别为冷流体的进、出口温度，；, io t t 流体的有效平均温差，； tm 第 18 页 共 44 页 以换热管外表面积为基准计算的给热系数， W/（m） 。 热流体侧的壁温： trTt mdh h mth K) 1 ( ；30)000172 . 0 3496 1 (151660 2 . 39 冷流体侧的壁温： trtt mdc c mtc K) 1 ( ； 6 . 4730)000172. 0 4656 1 (151630 所以 。 4 . 43 2 6 . 47 2 . 39 2 tt t tcth t 2.4.22.4.2 圆筒壁温圆筒壁温 的计算的计算 s t 由于圆筒外部有良好的保温层，故壳体壁温取壳程流体 的平均温度：。60 ts 到此换热器的工艺计算告一段落，其中工艺计算的主要 目的是计算出其换热面积，选出相应的换热器型式，因此， 接下来应该是进行换热器的结构设计以及强度计算。 表 2.3 所选固定管板式换热器规格 DNPN 管 长 mmMpam 管程 数 换热管规格 计算传热 面积 管程出入口 公称直径， 壳程出入口 公称直径， 4002.52117.68080 表 2.4 工艺计算常用参数 公称直径 （mm） 管程 中心排 管数 换热 管数 弓形折流板 缺口弓高 25 2.5 第 19 页 共 43 页 （） 40011211380 第三章第三章 换热器结构设计与强度校核换热器结构设计与强度校核 在第一部分进行工艺计算结束后,应进行下一步:开始换热器主体结构以及零部件 的设计和强度计算.这一过程主要包括壳体和封头的厚度计算、材料的选择、管板厚度 的计算、开孔补强计算，还有主要构件的设计（如管箱、壳体、折流板、拉杆、膨胀 节等）和主要连接（包括管板与管箱的连接、管子与管板的连接、壳体与管板的连接 等） ，具体计算如下 3.13.1 壳体与管箱厚度的确定壳体与管箱厚度的确定 根据给定的流体的进出口温度，选择设计温度为 50；设计压力为 2.5Mpa。 3.1.13.1.1 壳体和管箱材料的选择壳体和管箱材料的选择 由于所设计的换热器属于常规容器，并且在工厂中多采用低碳低合金钢制造，故 在此综合成本、使用条件等的考虑，选择 16MnR 为壳体与管箱的材料。 16MnR 是低碳低合金钢，具有优良的综合力学性能和制造工艺性能，其强度、韧 性、耐腐蚀性、低温和高温性能均优于相同含碳量的碳素钢，同时采用低合金钢可以 减少容器的厚度，减轻重量，节约钢材。 3.1.23.1.2 圆筒壳体厚度的计算圆筒壳体厚度的计算 焊接方式：选为双面焊对接接头，100%无损探伤，故 焊接系数；1 根据 GB6654压力容器用钢板和 GB3531低温压 力容器用低合金钢板规定可知对 16MnR 钢板其 1 第 20 页 共 44 页 。 12 0;2CCmm 假设材料的许用应力Mpa（厚度为 616mm125 时） ，壳体计算厚度按下式计算为： ；mm p D p c i c 4 5 . 211252 4005 . 2 2 设计厚度；mm C d 624 2 名义厚度（其中为向mm C dn 1006 1 A 上圆整量） ； 查其最小厚度为 8mm，则此时厚度满足要求，且经检查， 没有变化，故合适。 t 12 0;2CCmm mm4 mm d 6 10 n mm 3.1.33.1.3 管箱厚度计算管箱厚度计算 管箱由两部分组成：短节与封头；且前端管箱与后端管箱的形式相同，故此时管 箱的厚度计算如下： 管箱为椭圆形管箱，这是因为椭圆形封头的应力分布比较均匀，且其深度较半球 形封头小得多，易于冲压成型。 此时选用标准椭圆形封头，故，且同上1 ，则封头计算厚度为： 12 0;2CCmm ；mm K p D p c i c h 4 5 . 25 . 011252 4005 . 21 5 . 0 2 设计厚度；mm C hdh 624 2 名义厚度（为向mm C dhnh 1006 1 A 上圆整量） ； 经检查，没有变化，故合适 t 1 12 0;2CCmm mm h 4 mm dh 6 10 nh mm 短节部分的厚度同封头处厚度，为 10mm。 第 21 页 共 43 页 3.23.2 开孔补强计算开孔补强计算 在该台固定管板管壳式换热器上，壳程流体的进出管口在壳体上，管程流体则从 前端管箱进入，而从后端管箱流出，因此不可避免地要在换热器上开孔。开孔之后， 出削弱器壁的强度外，在壳体和接管的连接处，因结构的连接性被破坏，会产生很高 的局部应力，会给换热器的安全操作带来隐患。因此此时应进行开孔补强的计算。 由于管程与壳程出入口公称直径均为 80mm，按照厚度系列，可选接管的规格为 ，接管的材料选为 20 号钢。mm888 3.2.13.2.1 壳体上开孔补强计算壳体上开孔补强计算 3.2.1.13.2.1.1 补强及补强方法判别：补强及补强方法判别： 补强判别：根据 GB150 表 8-1，允许不另行补强的最大接 管外径是，本开孔外径为 88mm，因此不需要另行考89mm 虑其补强。 开孔直径，mmmmCd D d i i 200 2 8422802 满足等面积法开孔补强计算的适用条件，故可用等面积法进 行开孔补强计算。 3.2.1.23.2.1.2 开孔所需补强面积计算开孔所需补强面积计算： 强度削弱系数； 86 0.688 125 t n rt fmm 接管有效厚度；mmC ntet 628 开孔所需补强面积按下式计算： )1 (2 f r et dA )688 . 0 1 (642484 ；351 3.2.1.33.2.1.3 有效补强范围有效补强范围 有效宽度 B： mmd84 0.688 r fmm 6 et mm 351A 2 mm 第 22 页 共 44 页 )22,2max( ntn ddB =168)1208210284,168842max(mm 有效高度： （a）外侧有效高度为： 1 h )200,min( 1 mmd nh 实际外伸长度 ；mm29)200,291084min( （b）内侧有效高度为： 2 h =0； )0,min( 2 mmd nh 实际内伸长度 mm 3.2.1.43.2.1.4 有效补强面积有效补强面积 壳体多余金属面积： 壳体有效厚度：1028; en Cmm 则多余的金属面积为： 1 A )1)(2)( 1 f A r eete dB )688 . 0 1)(48(2)48()84168( ； 2 5 . 333 mm 接管多余金属面积： 接管计算厚度： ；mm P dP c t n ic t 2 5 . 21862 805 . 2 2 接管多余金属面积： 2 A f Ch f hAA r et r teth )(2)(2 22122 0668 . 0 )26(292 ； 2 155mm 接管区焊缝面积（焊脚取为 6mm）： mmB168 mm h 29 1 2 0hmm 8 e mm 2 1 5 . 333 mm A mm t 2 2 2 155mm A 第 23 页 共 43 页 ； 2 3 3666 2 1 2mm A 有效补强面积： 2 321 5 . 52436155 5 . 333mm AAAAe ； 由于则不需要另外补强面积。A Ae 36 3 A 2 mm 2 5 . 524 mm Ae 3.2.23.2.2 管箱开孔补强计算管箱开孔补强计算 3.2.2.13.2.2.1 补强及补强方法判别补强及补强方法判别： 补强判别：根据 GB150 表 8-1，允许不另行补强的最大接 管外径是，本开孔外径为 88mm，因此不需要另行考89mm 虑其补强。 开孔直径，mmC dd ih 8422802mm Di 200 2 满足等面积法开孔补强计算的适用条件，故可用等面积法进 行开孔补强计算。 3.2.2.23.2.2.2 开孔所需补强面积计算：开孔所需补强面积计算： 强度削弱系数； 86 0.688 125 t n rht fmm 接管有效厚度；826 etnt Cmm 开孔所需补强面积按下式计算： )1 (2 f dA rh ethhhh )668 . 0 1 (642484 ； 2 352mm 3.2.2.33.2.2.3 有效补强范围有效补强范围 有效宽度： )22,2max( ntnhhhddB mm dh 84 0.688 rh fmm 6 et mm 2 352mm Ah 第 24 页 共 44 页 )1208210284,168842max( mm168 有效高度： （a）外侧有效高度为： 1 h )200,min( 1 mm nthhdh 实际外伸长度 ；mm29)200,291084min( （b）内侧有效高度为： 2 h ；)0,min( 2 mm nthhdh 实际内伸长度 3.2.2.43.2.2.4 有效补强面积有效补强面积 管箱多余金属面积： 管箱有效厚度：1028; hehn Cmm 则多余的金属面积为： 1 A )1)(2)( 1 f dBA rh hheethhehhh )688 . 0 1)(48(2)48()84168( 2 5 . 333 mm 接管多余金属面积： 接管计算厚度： ；mm P dP c t n ic t 2 5 . 21862 805 . 2 2 接管多余金属面积： 2 A f Ch f hA rh eth rh tethh )(2)(2 2212 0668 . 0 )26(292 2 155mm 接管区焊缝面积（焊脚取为 6mm）： mm Bh 168 mm hh 29 1 2 0 h hmm 8 he mm 2 1 5 . 333 mm Ah mm t 2 2 2 155mm Ah 第 25 页 共 43 页 ； 2 3 3666 2 1 2mm Ah 有效补强面积： ； 2 321 5 . 52436155 5 . 333mm AAAAhhhhe 由于则不需要另外的补强面积。 AAhhe 3 36 h Amm 2 5 .524 mm Ahe 3.33.3 换热管换热管 换热管外形有光管,翅片管或螺纹管两类常见形式，以求经济易得和安装，检修， 清晰方便一般情况应尽量采用光管，管径小单位体积传热面积大，结构紧凑，金属耗 量少，传热系数高，因此所选换热管的规格为，材料选为 20 号钢管长 2m。25 2.5 3.3.13.3.1 换热管的排列方式换热管的排列方式 换热管在管板上的排列，应力求均布，紧凑，并考虑清扫和整体结构的要求，有正 三角形排列、正方形排列和正方形错列三种排列方式。各种排列方式都有其各自的特 点：正三角形排列：最常用，传热系数高，排列紧凑，管外流体湍流程度高；正 方形排列：易清洗，但给热效果较差；正方形错列：可以提高给热系数。 （a）正三角形排列 （b）正方形排列 （c）正方形错列 图 3.1 换热管在管板上的排列方式 在此，综合各种排列方式的优缺点，选择正三角形排列。 查 GB151-1999 可知，换热管的中心距 S=32mm，由于换热管管间需要进行机械清洗， 故相邻两管间的净空距离（S-d）不宜小于 6mm。 3.3.23.3.2 布管限定圆布管限定圆 L D 布管限定圆为管束最外层换热管中心圆直径，本设计为固定管板式热交换器可 L D 第 26 页 共 44 页 由下式确定： bDD iL3 2 且不小于 8d b 25 . 0 3 mm 则有取为25 . 6 2525 . 0 3 b mm b 8 3 所以mm DL 38482400 3.3.33.3.3 排管排管 排管时须注意：拉杆应尽量均匀布置在管束的外边缘，在靠近折流板缺边位置处 布置拉杆，其间距小于或等于 700mm。拉杆中心至折流板缺边的距离应尽量控制在换热 管中心距的（0.51.5）范围内。3 3.3.43.3.4 换热管与管板的连接换热管与管板的连接 管子在管板上的固定方法应能保证连接牢固，换热管与管板的连接方式有胀管法与 焊接法。 胀管法主要适用于设计压力小4.0Mpa；设计温度300，则对易燃，易爆，高 温，高压的流体多用焊接法；操作中无剧烈振动、无过大的温度波动及无明显应力腐 蚀等场合。 除了有较大振动及有缝隙腐蚀的场合，强度焊接只要材料可焊性好，它可用于其它 任何场合。 胀焊并用主要用于密封性能要求较高；承受振动和疲劳载荷；有缝隙腐蚀；需采用 复合管板等的场合。 在此，根据设计压力、设计温度及操作状况选择换热管与管板的连接方式为胀管 法。 3.43.4 管板设计管板设计 管板是管壳式换热器最重要的零部件之一，用来固定换热管束，并作为换热器两端 的间壁将管程和壳程的流体分隔开来，避免冷、热流体混合，并同时受管程、壳程压 力和温度的作用。 由参考文献可查表 5-5 胀接管板最小厚度得： 第 27 页 共 43 页 管板厚度mmb do 75.18 4 253 4 3 固定管板式，兼作法兰。有关尺寸参数可参考参考文献附录 21 得出： 图 3.2 管板设计示意图（D=515mm,b=30mm） 3.53.5 折流板折流板 设置折流板的目的是为了提高壳程流体的流速，增加湍动程度，并使管程流体垂直 冲刷管束，以改善传热，增大壳程流体的传热系数，同时减少结构，而且在卧式换热 器中还起支撑管束的作用。常见的折流板形式为弓形和圆盘圆环形两种，其中弓形 折流板有单弓形，双弓形和三弓形三种，但是工程上使用较多的是单弓形折流板。 3.5.13.5.1 折流板的型式和尺寸折流板的型式和尺寸 此时选用单弓形折流板，上下方向排列，这样可造成液体的剧烈扰动，增大传热膜 系数。 为方便选材，可选折流板的材料选为 16MnR，由前可知，弓形缺口高度为 80mm，折 流板间距为 200mm，数量为 10 块，查 GB151-1999 可知折流板的最小厚度为 4mm，故此 时可选其厚度为 5mm。同时查 GB151-1999 可知折流板名义外直径为 。mm Ds 39734003 3.5.23.5.2 折流板排列折流板排列 该台换热器折流板排列示意图如下所示： 第 28 页 共 44 页 图 3.3 折流板阵列示意图 3.5.33.5.3 折流板的布置折流板的布置 一般应使管束两端的折流板尽可能靠近壳程进、出口管， 其余折流板按等距离布置。靠近管板的折流板与管板间的距 离 应按下式计算：l ；mmbl B L 200)420() 2 84 174()4() 2 ( 2 1 其中：壳程接管位置的最小尺寸，mm； 1 L 管板的名义厚度，mm；b 为防冲板长度，若无防冲板时，应为接管的 2 B 2 B 内径，mm； mml200 mm B 84 2 3.5.43.5.4 折流板相关数据折流板相关数据 通过参考文献可得出以下结论： 折流板外圆直径 400mm；折流板切去部分的弓形高度，80mm； a D a h 管孔直径，25mm； 拉杆孔直径，12mm；