固定管板式换热器的设计（看强度）

I 摘 要固定管板式换热器是管壳式换热器的一种典型结构，也是目前应用比较广泛的一种换热器。这类换热器具有结构简单、紧凑、可靠性高、适应性广的特点,并且生产成本低、选用的材料范围广、换热表面的清洗比较方便。固定管板式换热器能承受较高的操作压力和温度，因此在高温高压和大型换热器中，其占有绝对优势。本次设计的题目是乙二醇塔底进料换热器的设计，课题预期达到的目标为：换热器面积的计算（实际换热面积：92.6mm 2） ，管程壳程压力降的计算（小于等于 0.4MPa） ，工艺结构尺寸的计算：管程数（1 管程） ，换热管的确定（内径：19mm 数量：500 根） ，壳体内径（600mm） ，壳程数（1 壳程）的计算，折流板的选型（形式：弓形折流板，数量：13）等。 换热器的强度计算：对筒体、管箱厚度的计算和校核，对壳体及管箱各处开孔补强，对延长部分兼做法兰的计算及强度核算。经水压试验、压力校核后显示结果全部合格。换热器的结构设计：折流板、法兰（甲型平焊法兰） 、换热管、支座（鞍式支座） 、垫片（石棉橡胶板垫片）的规格及选型。完善设计图纸及设计说明书。关键词：换热器；工艺；结构；强度 II AbstractFixed tube plate heat exchanger is a typical structure of the shell and tube heat exchanger and a wide range of heat exchanger. This type of heat exchanger has the characteristics of a simple structure, compact, high reliability and wide adaptability , and low cost of the production, wide choice of used materials, more convenient of cleaning heat exchanger the surface . Fixed tube plate heat exchanger can withstands the higher operating pressure and temperature, so it has the absolute advantage in the possession of high temperature and high pressure heat exchangers and large,.This design topic is naphtha condenser design, the goal which the topic anticipated achieved:The craft design of heat exchanger:the heat transfer area computation(actual heat transfer area:322.2mm2);tube side pressure drop computation(0.4MPa);the craft structure size computation:number of tube passes(2 tube passes),the number of heat exchange tube(inside diameter:19mm,number:900),the inside diameter of shell(1000mm), number of shell passes(1 shell passes),the lectotype of baffle board(form:segmental baffle,number:13)etcThe strength calculation of heat exchanger:the computation and check of cylinder thinckness and channel thinckness,the shell and the reinforcement for opening supplements the intensity,the extension part concurrently makes the flange the computation and the intensity calculation. Examinatation part carried on the hydraulic pressure test, the pressure examination and so on, in which all results has been all qualifiedThe structural design of the heat exchanger:The specification and lectotype of baffle plate、flange(type A manhole weded flange)、heat exchange tube、suppot(saddle support)、gasket(paronite gasket)Consummates the design paper and the design instruction bookletKeywords: heat exchanger; craft;structure; intensity III目 录摘 要 .IAbstract .II第 1 章 引言.11.1 换热器的用途.11.2 换热器的分类.11.3 换热器的发展趋势.1第 2 章 固定管板式换热器的工艺计算.32.1 估算换热面积.32.1.1 选择换热器的类型.32.1.2 流程安排.32.1.3 确定物性数据.32.1.4 估算传热面积.42.2 工艺结构尺寸.52.2.1 管径和管内流速.52.2.2 管程数和传热管数.52.2.4 传热管排列和分程方法.72.2.5 壳体内径.82.2.6 折流板.82.2.7 其他附件.92.2.8 接管.92.3 换热器核算.102.3.1 热流量核算.102.3.2 壁温核算.132.3.3 换热器内流体的流动阻力.152.4 换热器的主要结构尺寸和计算结果.17第 3 章 强度计算.193.1 筒体壁厚计算.193.2 管箱短节、封头厚度的计算.203.2.1 管箱短节厚度的计算.203.2.2 封头厚度的计算.203.3 管箱短节开孔补强的校核.213.4 壳体接管开孔补强校核.22 IV3.5 管板设计及校核.233.5.1 管板计算的有关参数的确定.233.5.2 计算法兰力矩.273.5.3 管板的计算的相关参数.273.5.4 确定 和 .292G3.5.5 对于其延长部分兼作法兰的管板计算.293.5.6 设计条件不同的组合工况.30第 4 章 结构设计.364.1 折流挡板.364.2 法兰.364.3 换热管.374.4 支座.374.5 压力容器选材原则.384.6 垫片.39第 5 章 结论.40参 考 文 献.41致 谢.43 1第 1 章 引言1.1 换热器的用途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。换热器的应用广泛，日常生活中取暖用的暖气散热片、汽轮机装置中的凝汽器和航天火箭上的油冷却器等，都是换热器。它还广泛应用于化工、石油、动力和原子能等工业部门 1。它的主要功能是保证工艺过程对介质所要求的特定温度，同时也是提高能源利用率的主要设备之一 2。换热器在节能技术改革中具有的作用表现在两个方面：一是在生产工艺流程中使用着大量的换热器的效率显然可以减少能源的消耗；另一方面，用换热器来回收工业余热，可以显著提高设备的热效率 3。1.2 换热器的分类换热器的种类划分方法很多，方法也各不相同。按其用途：可将换热器分为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器、再沸器 45。按其传热方式和作用原理：可分为混合式换热器、蓄热式换热器、间壁式换热器等。其中间壁式换热器为工业应用最为广泛的一种换热器。它按传热面形状可分为管式换热器、板面式换热器、扩展表面换热器等。这其中又以管壳式换热器应用最为广泛，它通过换热管的管壁进行传热。具有结构简单牢固、制造简便、使用材料范围广、可靠程度高等优点，是目前应用最为广泛的一种换热器 5。管壳式换热器的形式：管壳式换热器根据其结构的不同，可以分为固定管板式换热器、浮头式换热器、U 形管式换热器、填料函式换热器、釜式重沸器等 68。 21.3 换热器的发展趋势二十世纪 20 年代出现板式换热器，并应用于食品工业。以板代管制成的换热器，结构紧凑，传热效果好，因此陆续发展为多种形式。30 年代初，瑞典首次制成螺旋板换热器 912。接着英国用钎焊法制造出一种由铜及其合金材料制成的板翅式换热器，用于飞机发动机的散热。30 年代末，瑞典又制造出第一台板壳式换热器，用于纸浆工厂。在此期间，为了解决强腐蚀性介质的换热问题，人们对新型材料制成的换热器开始注意 13。60 年代左右，由于空间技术和尖端科学的迅速发展，迫切需要各种高效能紧凑型的换热器，再加上冲压、钎焊和密封等技术的发展，换热器制造工艺得到进一步完善，从而推动了紧凑型板面式换热器的蓬勃发展和广泛应用。此外，自 60 年代开始，为了适应高温和高压条件下的换热和节能的需要，典型的管壳式换热器也得到了进一步的发展。70年代中期，为了强化传热，在研究和发展热管的基础上又创制出热管式换热器14。当前换热器发展的基本趋势是：继续提高设备的传热效率，促进设备结构的紧凑性，加强生产制造成本的标准系列化，并在广泛的范围内继续向大型化发展，并 CDF（Comptational Fluid Dynamics）模型化技术、强化传热技术及新型换热器开发等形成一个高技术体系 1516。板翅式换热器（冷箱）主要用于乙烯裂解，空气分离和天然气液化等。我国杭州制氧机集团有限公司（杭氧）在引进美国 S-W 公司技术和关键加工设备大型真空钎焊炉基础上，生产制造出的乙烯冷箱，设计水平和制造能力已基本达到国际先进水平，并在燕山，扬子，上海，天津，广州及齐鲁等乙烯改造项目中得到应用。板翅式换热器流道多达 15 股，单体外形尺寸达6m1.11.154m,最高设计压力达 5.12Mpa。 管壳式换热器具有结构坚固、弹性大和使用范围广等独特优点，一直被广泛应用。尤其在高温高压和大型化的场合下，以及制造工艺上的进一步自动化和机械化，管壳式换热器今后将在广泛的领域内得到继续发展。 3第 2 章 固定管板式换热器的工艺计算2.1 估算换热面积2.1.1 选择换热器的类型两流体温度变化情况：热流体进口温度 170，出口温度 140；冷流体进口温度 70，出口温度 90，因此初步确定选用固定管板式换热器。2.1.2 流程安排从两物流的操作压力来看，应使温度低的走管程，温度高的走壳程。2.1.3 确定物性数据定性温度：对于一般气体和水等低粘度流体，其定性温度可取流体进出口温度的平均值。故壳程流体的定性温度为：17045()2T管程流体的定性温度为：7098()2t根据定性温度，分别查取壳程和管程流体的有关物性数据。在 155下的有关物性数据如下：2N密度 =1.38kg/13m 4定压比热容 =1.038kJ/kg1pc热导率 =0.0545W/m粘度 =2.3 Pas30N2 在 80下的物性数据：密度 =1.14kg/3m定压比热容 =1.038kJ/kg2pc热导率 =0.051W/m粘度 =2.1 Pas3102.1.4 估算传热面积1.热流量：（2-11pQmct=D1） 334760/()kw2.平均传热温差:（2-2）12lnmt(70)(490)l（ -）（ 1） 524.6()K3.传热面积：由于壳程的压力较高，故可以选取较大的 K 值。假设 K=20W/（.K）则估算的面积为：（2-21306.7410.6()pmQAmKt3） 2.2 工艺结构尺寸2.2.1 管径和管内流速换热管的规格包括管径和管长，换热管直径越小，换热器单位体积的换热面积越大。因此，对于洁净的流体管径可取小些，但对于不洁净或易结垢的流体，管径应取得大些，以免堵塞。本设计选用 252 较高级冷拔传热管（碳钢），取管内流速 =10.8m/siu2.2.2 管程数和传热管数根据传热管内径和流速确定单程传热管数 19：（2-4）2241.38/6.94.5()07504siVndu根按单程管计算，所需的传热管长度为：（2016.2.7()3.4095psALmdn-5） 6按单程管设计传热管过长，宜采用多管程结构。我国生产的钢管系列标准中管长有 1.5m,2m,3m,4.5m,6m 和 9m,根据选定的管径和流速，现取传热管长 。3lm则该换热器的管程数为：（2-2.71()3pLNl管 程6） 传热管总根数： 24.59TN（ 根 ）平均温差校正系数： 12701.5tR21907.2tPT按单壳程，两管程结构，查得： 0.9t平均传热温差：（） （2-=0.924.6.mt逆7） 7由于平均温差校正系数大于 0.8，同时壳程流体流量较大，故取单壳程合适。2.2.4 传热管排列和分程方法管子的排列方式有等边三角形，正方形，转角正方形三种。与正方形相比，等边三角形排列比较仅凑，管外流体湍动程度高，表面传热系数大。正方形排列虽然比较松散，传热效果也较差，但管外清洗比较方便，对易结垢流体更为适用。若将正方形排列的管束斜转 45安装，可在一定程度上提高对流传热系数 12。图 2-1 换热管排列方式综合本设计结构和工艺结构考虑采用正三角形排列方法。取管心距 （焊接时），则 （2-01.25td25t（ m）8）隔板中心到力气最近一排管中心距离：（2-25618.()Sm9） 82.2.5 壳体内径采用多管程结构，取管板利用率 ，则壳体内径为：0.71.5/DtN.025/0.76（ m）（2-10）按卷制壳体的进级档，可取 mm。6D2.2.6 折流板安装折流挡板的目的是为了提高管外对流传热系数，为取得良好效果，挡板的形状和间距必须适当，本设计采用弓形折流板，弓形缺口太大或太小都会产生死区，太大不利于传热，太小又增加流体阻力 12。取弓形折流板圆缺高度为壳体内径的 25%，则切去的圆缺高度为：（mm ）0.25615h故可取 h=1665（mm）取折流板间距 ，则：0.3BD=（mm）.620故可取 B=200（mm）折流板数 ：BN（2-1=-20B传 热 管 长 4（ 块 ）折 流 板 间 距11） 92.2.7 其他附件根据本换热器壳体的内径，故按标准取拉杆直径为 ，拉杆数量 4 根。16壳程入口处应设防冲挡板 19。如下表所得：表 2-1 拉杆直径表换热管外径 d 拉杆直径 dn10d14 1014d25 1225d57 162.2.8 接管壳程流体进出口接管：取接管内 流速为 ，则接管内径为:2N120/ums（2-114376/(86.9)35.().4VDu12）圆整后可取内径为 360mm。管程流体进出口接管：取接管内液体流速 ，则接管内径为：210.8/ums（2-241897/(360.9)46.().D13）圆整后取管内径为 410mm。 102.3 换热器核算2.3.1 热流量核算（1）壳程表面传热系数 1819用克恩法计算，（2-10.50.14130.36RePr()wdlma=14）当量直径：（2-22340.5.780.19.7()1ed m15）壳程流通截面积：200 19(1).360.()0.5()2dSBDmt（2-16）壳体流体流速及雷诺数分别为： 1103476/(0168.37).(/).Vu msS（2-17） （2-03.176.8.7Re 241320du18）普朗特数：（2-3301.80.21Pr 45pc19）粘度校正： 0.14()wm则： 0.51/30.1402.6()erwRPd0.51/320. 6/()7WmK(2) 管内表面传热系数： 12（2-0.8.4.23RePriid20）管程流体流通截面积：（2-222500.78.1.4()4TiipNSdm21）管程流体流速：14897/(3608.9)1.(/).iiVumsS30.15.869Re12072iid普朗特数：（2-331.08.210Pr 4.25pC22）0.80.42.60.23127763/()i Wmk （3）污垢热阻和管壁热阻 13管外侧污垢热阻： 20.176()/RmKW管内侧污垢热阻： i碳钢在该条件下的热导率为 5/管壁热阻为： 20.2.04()/5wRmK(4) 传热系数（2-000011( )Ciwi mKddR23）1190.29.4910.767635758/()WmK（5）传热面积裕度计算的传热面积为：（2-21306748.()82.cmQAmKt24）该换热器的实际传热面积为： 14（2-25）203.140965.()pTAdlNm该换热器的面积裕度为：（2-92.6781.9()PcAH26）传热面积裕度合适，该换热器能够完成生产任务。2.3.2 壁温核算由于换热管内侧污垢热阻较大，会使传热管内侧污垢热阻较大，会使传热管壁温升高，减低了传热管和壳体的壁温之差。但在操作初期，污垢热阻较小，壳体和传热管间壁温差可能较大。计算中应按最不利的操作条件考虑，因此，取两侧污垢热阻为零计算传热管壁温 19。（2-/1mchwTtt27）式中液体的平均温度 和 为：mtT（） （2-127098t28） 15（） （2-1270145mT29）2763W/(K)ci015mh传热管平均壁温：15/76380/1592.7t壳体壁温可近似取为壳程流体的平均温度，即 。15T壳体壁温和传热管壁温之差为： 1592.76.3t由于换热器壳程流体的温差不大，壳程压力不高，因此，选用固定管板式换热器较为适宜。2.3.3 换热器内流体的流动阻力（1）管程流体阻力（2-12()t sptpNF30） 161,sN=2pN1.5tF（2-24iiLud31）传热管对粗糙度 ，查图得 流速 ，Re612070.21d0.4i10.8/ums38.9/kgm（Pa）21610.86.90.4108.5p（Pa） （2-22286.931504.up32）(Pa)(810.524.0)1.52876tp管程流体阻力在允许范围之内 19。（2）壳程阻力（2-12()sspFN33） 17.1,sN=15sF=（2-2 010()CBupfN34）0.5F0.280.2805Re41396f（2-0.50.51CTN35）m/s19B0.54u(Pa)20 168.37.5264.5()139.p流体流过折流板缺口的阻力：（2-2 0(3.5)iBupND36）m, m0.3=1222.168.75419(3.5)1.70p（Pa） 18总阻力：（Pa）0(1392.7)1.532由于该换热器壳程流体的操作压力较高，所以壳程流体的阻力也比较适宜。2.4 换热器的主要结构尺寸和计算结果表 2-2 物性参数表 参数 管程 壳程流率/（Kg/h） 148971 347600进/出温度/ 70/90 170/140压力/MPa 0.045 0.009 定性温度/ 80 155密度/（Kg/m ） 1.38 1.143定压比热容/KJ/(Kg.K) 1.038 1.038粘度/cp 0.211 0.23热导率/W/(m.) 0.051 0.054普朗特数 4.42 4设备结构参数：壳体内径/mm：800 ， 壳程数：1 ，管径/mm：252， 材质：碳钢，管心距/mm ：25 ， 管数目/根：449，折流板数/个：2 ， 传热面积/：176， 19折流板间距/mm ：2000，管程数：1 。表 2-3 计算结果表主要计算结果 管程 壳程流速/（m/s ） 10.8 20表面传热系数/W/(.) 7637 1565污垢热阻/（.h./Kcal） 0.0002 0.000176阻力/MPa 0.0288 0.025传热温差/K 62.3面积裕度 17.9- 20第 3 章 强度计算3.1 筒体壁厚计算由工艺设计给定的设计温度 155，设计压力=1.1 =1.10.099=0.0099 ，选低合金结构钢板 16MnR 卷制.材料cpMPa170时的许用应力 =170Mpa（假设厚度为 616mm 时） 12取焊缝系数t=0.85,腐蚀裕度 C2=2mm.则计算厚度 （3-0.90.1221785.ctpDm1） 设计厚度 （3-235dC2）对于 16MnR，钢板负偏差 ，因而可取名义厚度 。.01m6nm有效厚度 （3-1264enC3）水压试验压力 （3-1701.25.25.43Tctp MPa4）所选材料的屈服应力 345sMpa水压试验应力校核- 21（3-0.413(6)3.1822TepDMPa5）0.9.3450.86.925Ts水压强度满足要求.气密试验压力 .TcpMpa3.2 管箱短节、封头厚度的计算3.2.1 管箱短节厚度的计算由工艺设计给定设计参数为:设计温度 60,设计压力=1.1 =1.10.4=0.44 ,选用 16MnR 钢板,材料许用应力 =170Mpa,屈cpMPat服强度 ,取焊缝系数 1230sp .285.0mC腐 蚀 裕 度计算厚度 （3-.4960.17217.52ctDp6）设计厚度 （3-235dCm7）名义厚度 （3-150nd圆 整8）综合考虑结构,补强,焊接的需要,取 6nm- 22有效厚度 （3-12604enCm9）3.2.2 封头厚度的计算壳体封头选用标准椭圆封头计算厚度 （3-0.49562.92178.2ctpDm10）名义厚度 （3-150ndC圆 整11）为了便于选材壳体封头厚度取与短节厚度相同 .6nm有效厚度 264enC压力试验应力校核水压试验压力 （3-1701.251.2549.6Tctp Mpa12）- 23（3-0.5.610.54224.9.8363TespDMaP13）3.3 管箱短节开孔补强的校核开孔补强采用等面积补强法,由工艺设计给定的接管尺寸为 考虑实306际情况选 20 号热轧碳素钢管, ,腐蚀裕度Mpatn1302Cm（3-.764tnrf14）接管计算壁厚 （3-0.49530.5721.2COttPDm15）接管有效壁厚 （3-12604etntC16）开孔直径 （3-30()29idm17）接管有效补强宽度 （3-29584B18）接管外侧有效补强高度 （3-1261.nthdm- 2419）需要补强面积 （3-2290.1749.3Adm20）可以作为补强的面积为（3-21584290.178eABd m21） （3-2211.6.53/19.5etrhf22）（3-21289.537.AmA23）该接管补强的强度足够，不需另设补强结构。3.4 壳体接管开孔补强校核开孔补强采用等面积补强。选取 20 号热轧碳素钢管 ，钢管的许用206应力 ，atMP1302Cm接管计算壁厚 （3-0.4950.38213.OttCDmP24）接管有效壁厚 （3-12604etnt25）开孔直径 （3-0192idCm26）- 25接管有效补强宽度 （3-219384Bdm27）接管外侧有效补强高度 （3-126.5nth28）需要补强面积 （3-2920.3.4Adm29）可以作为补强的面积为（3-215841920.15.96eABd30）（3-221.6.38/703.5etrhf m31）（3-21250.92.6514.A32）无需另设补强结构。3.5 管板设计及校核3.5.1 管板计算的有关参数的确定计算壳程圆筒内直径横截面积（3-33） 2226084DAm圆筒壳壁金属的横截面积- 26（3-260147snnADm34）一根换热管管壁金属的横截面积（3-22419506.7oiadm35） （3-2.38TNa36） 两管板间换热管有效长度(估计管板厚度为 )40m（3-268940265Lm37） 管束模数根据 查得 (换热管材料为 )19850JB319.50tEPa10号 钢- 27（3-319.5082687.tTtENaKLDMpa38） 管子回转半径（3-221496tidm39） 管子受压失稳当量长度由 ,确定195JB7.0（3-15.2701.TNDsm40） 0.3.2B取 （3-30Bm260crl41）管子稳定许用压应力 cr根据 查得 41985J5tsMPa- 28（3-360129.52015.7crtrsliCE42） ,由公式得 为crrlCi cr（3-/120564.73.tscrcr tliCMPa43） 管板开孔后面积（3-44） 22 21 3.149/4860501TANd m管板布管区面积2(0.86)13755dnAsSm（3-22.08651308597t dAm45） 管板布管区的当量直径- 29（3-428597603.14ttADm36） 系数 为（3-1409.286A37） 壳体不带波形膨胀节时,换热管束与圆筒刚度比 stE（3-53804.617tTsENaQA38） 系数 、 、st（3-15380.749TNaA39）（3-0.60.641414.538sQ40）- 30（3-10.40.6.37.413.2.8t Q41） 管板布管区的当量直径与壳程圆筒内径之比（3-42）603.51ttD3.5.2 计算法兰力矩根据 ,壳程直径 ,选用 甲型平焊0.495pMa80Dm/47012JBT法兰,直径 螺柱选用1 13,4,3.Dmdm,数量 ,材料为 20。22n57bCroAMpa预紧状态下需要的最小螺栓面积 垫片选用石棉橡胶板垫片,公称直径,公称压力 P=1.0Mpa108N垫片型号:1400-1.0JB/T4701-2000,D=1155mm,d=20mm.根据 表/3985GBT查得系数 ，比