毕业设计(论文)-U型管式换热器设计(全套图纸).0001

1、优质资料U型管式换热器设计摘要本文介绍了 u型管换热器的整体结构设计计算。u型管换热器仅有一个管板，管子 两端均固定于同一管板上，管子可以自由伸缩，无热应力，热补偿性能好；管程采用双 管程，流程较长，流速较高，传热性能较好，承压能力强，管束可从壳体内抽出，便于 检修和清洗，且结构简单，造价便宜。 u型管式换热器的主要结构包括管箱、筒体、封 头、换热管、接管、折流板、防冲板和导流筒、防短路结构、支座及管壳程的其他附件 等。本次设计为二类压力容器，设计温度和设计压力都较高，因而设计要求高。换热器 采用双管程，不锈钢换热管制造。设计中主要进行了换热器的结构设计，强度设计以及 零部件的选型和工艺设计。

2、关键词：U型管换热器，结构，强度，设计计算I大学毕业论文目录中文摘要 错误！未定义书签。英文摘要 错误！未定义书签。绪论 11管壳式换热器的类型、结构与型号 21.1换热器的零部件名称 21.2换热器的主要组合部件 32换热器材料选择 42.1选材原则 43换热器结构设计 53.1壁厚的确定 63.2管箱圆筒短节设计 63.3壳体圆筒设计 73.4封头设计 83.4.1后封头计算 93.4.2管箱封头计算 103.5换热管设计 113.5.1换热管的规格和尺寸偏差 113.5.2 U形管的尺寸 123.5.3管子的排列型式 123.5.4换热管中心距 133.5.5布管限定圆 133.5.6换

3、热管的排列原则 153.6管板设计 153.6.1管板连接设计 173.6.2 管板设计计算 193.7管箱结构设计 223.7.1管箱的最小内侧深度 223.7.2分程隔板 224换热器其他各部件结构 234.1进出口接管设计 234.1.1接管法兰设计 234.1.2接管外伸长度 254.1.3 接管与筒体、管箱壳体的连接 254.1.4 接管开孔补强的设计计算 254.1.5接管最小位置 294.1.6壳程接管位置的最小尺寸 304.1.7管箱接管位置的最小尺寸 304.2 管板法兰设计 314.2.1 垫片的设计 334.2.2螺栓设计 344.2.3法兰设计 364.3 折流板 38

4、4.3.1 折流板尺寸 394.3.2 折流板的布置 394.3.3 折流板的固定 364.4 拉杆与定距管 384.4.1 拉杆的结构型式 394.4.2拉杆的直径和数量 394.4.3拉杆的尺寸 424.4.4拉杆的布置 434.4.5定距管尺寸 434.5防冲与导流 434.5.1 防冲板的形式 434.5.2防冲板的位置和尺寸 434.5.3导流筒 444.6双壳程结构 444.7防短路结构 444.7.1旁路挡板的结构尺寸 454.7.2 挡管 454.7.3中间挡板 454.8鞍座 45结论 46参考文献 47致谢 48附录英文文摘及翻译 49iii大学毕业论文绪论能源是当前人类面

5、临的重要问题之一，能源开发及转换利用已成为各国的重要课 题，而换热器是能源利用过程中必不可少的设备，几乎一切工业领域都要使用，化工、 冶金、动力、交通、航空与航天等部门应用尤为广泛。近几年由于新技术发展和新能源 开发利用，各种类型的换热器越来越受到工业界的重视，而换热器又是节能措施中较为 关键的设备，因此，无论是从工业的发展，还是从能源的有效利用，换热器的合理设计、 制造、选型和运行都具有非常重要的意义。近年来随着节能技术的发展，应用领域不断扩大，利用换热器进行高温和低温热能 回收带来了显著的经济效益。换热器分类方式多样，按照其工作原理可分为：直接接触式 换热器、蓄能式换热器和间壁式换热器三大

6、类，间壁式换热器又可分为列管式和板壳式 换热器两类，其中列管式换热器以其高度的可靠性和广泛的适应性 ，在长期的操作过程 中积累了丰富的经验，其设计资料比较齐全，随着经济的发展，各种不同型式和种类的 换热器发展很快，新结构、新材料的换热器不断涌现。近年来尽管列管式换热器也受到了新型换热器的挑战，但由于它具有结构简单、牢 固、操作弹性大、应用材料广等优点，列管式换热器目前仍是化工、石油和石化行业中 使用的主要类型换热器，尤其在高温、高压和大型换热设备中仍占有绝对优势。列管式换热器适用于化工、石油、医药、食品、轻工、冶金、焦化等行业的液和液， 汽和汽,汽和液的对流传热，蒸汽冷凝和液体蒸发传热等换热冷

7、凝流程。 列管式换热器是 由一个圆筒形壳体及其内部的管束组成。管子两端固定在管板上，并将壳程和管程的流 体分开。壳体内设有折流板，以引导流体的流动并支承管子。用拉杆和定距管将折流板 与管子组装在一起。列管式换热器共有三种结构型式：固定管板式、浮头式和U形管式。 固定管板式换热器结构简单、紧凑、造价低，每根换热管可以单独清洗和更换，在结构 尺寸相同的条件下，与浮头式和 U形管式换热器相比，换热面积最大。固定管板式换热 器的壳程清洗困难，适应热膨胀能力差，决定了固定管板式换热器适用于换热介质清洁， 壳程压力不高，换热介质温差不大的场合。浮头式换热器由于管束的热膨胀不受壳体的 约束，而且可拆卸抽出管

8、束，检修更换换热管、清理管束和壳程污垢方便，因此，浮头 式换热器应用最广泛，在油田储运集输系统中，60%- 70%勺换热器为浮头式换热器。U形管式换热器是管壳式换热器的一种，它由管板、壳体、管束等零部件组成。在同样直 径情况下，U形管换热器的换热面积最大；它结构简单、紧凑、密封性能高，检修、清洗方便、在高温、高压下金属耗量最小、造价最低；U形管换热器只有一块管板，热补偿 性能好、承压能力较强，适用于高温、高压工况下操作。1管壳式换热器的类型、结构与型号1.1换热器的零部件名称表1.1序号名称序号名称序号名称1接管法兰11活动鞍座（部件）21纵向隔板2管箱法兰12U形换热管22接管3壳体法兰13

9、挡管23内导流筒4防冲板14固定鞍座（部件）24圆筒5补强圈15滑到25管箱侧垫片6壳体（部件）16管箱垫片26凸形封头7折流板17管箱圆筒（短节）27双头螺柱或螺栓8拉杆18封头管箱（部件）28放气口9定距管19分层隔板29螺母10支持板20中间挡板图1.1U型管式换热器1.2换热器的主要组合部件换热器的主要组合部件有前段管箱、壳体和后端结构（包括管束）三部分。详细分类见图1.2 。式隼追融出甜崔剁先体M幻B稱蜚砖固定書换绪楼与Cfll魁的團皐簪鯉结构可拉式谆头51外#麓特魅再压廿犒帯窘环壇怕冨式澤头n enji iw号A相世时閒定曹板槪椅r_用町拆管蹴与管粒制咙一璋的并希与骨扳制睥一悴的a

10、vnU匪恃式撰需界无屬械分盍或冷虞器凳惮）T爹式矗眾38图1.2 2主要部件的分类及代号2换热器材料选择在进行换热器设计时，对换热器各种零部件的材料，应根据设备的操作压力、操 作温度、流体的腐蚀性能以及对材料的制造工艺性能等的要求来选取。当然，最后还要 考虑材料的经济合理性。一般为了满足设备的操作压力和操作温度，即从设备的强度或 刚度的角度来考虑，是比较容易达到的，但对于材料的耐腐蚀性能，有时往往成为一个 复杂的问题。如在这方面考虑不周，选材不妥，不仅会影响换热器的使用寿命，而且也 大大提高设备的成本。至于材料的制造工艺性能，是与换热器的具体结构有着密切的关 系。2.1选材原则换热器用钢的标准

11、、冶炼方法、热处理状态、许用应力、无损检测标准及检测项目 均按GB150-1998第四章及其附录A的规定。换热器的目的是为了传热，经常与腐蚀性介质接触的换热表面积很大，为了保护金 属部受腐蚀，最根本的方法是选择耐腐蚀的金属或非金属材料。换热器主要部件材料选 择见表2.1表2.1材料零部件材料设计压力设计温度许用应力H标准管箱封头15CrMoR8.0323128.24GB6654后封头15CrMoR8.5273136.4GB6654筒体15CrMoR8.5273136.4GB6654管箱圆筒短节15CrMoR8.0323128.24GB6654管板0Cr18Ni10Ti4.5323112.62G

12、B4728换热管0Cr18Ni10Ti8.0323100.4GB/T13296-2007壳程接管15CrMoPN16273105.86GB6479管程接管0Cr18Ni10TiPN16273筒体法兰15CrMoPN6.4273GB470O-4703- 2000管程接管法、人0Cr18Ni10TiPN16HG20592-97壳程接管法、人15CrMoPN16323HG20592-97管箱法兰15CrMoPN6.4273GB470O-4703- 20003换热器结构设计管壳式换热器的结构设计，必须考虑许多因素，如材料、压力、温度、比温差、结 垢情况、流体的性质以及检修与清理等等来选择一些适合的结构

13、型式。对同一种型式的换热器，由于各种条件不同，往往采用的结构亦不相同。在工程设 计中，除尽量选用定型系列产品外，也常按其特定的条件进行设计，以满足工艺上的需 要。U形管式换热器仅有一块管板，且无浮头，所以结构简单，造价比其它换热器便宜， 管束可以从壳体内抽出，管外便于清洗，但管内清洗困难，所以管内介质必须清洁及不 易结垢的物料。U形管的弯管部分曲率不通，管子长度不一。管子因渗漏而堵死后，将 造成传热面积的损失。U型管式换热器，使用在压力较高的情况下，在弯管段的壁厚要加厚，以弥补弯管 后管壁的减薄。壳程内可按工艺要求装置折流板、纵向隔板等，折流板由拉杆固定，以提高换热设 备的传热效果。纵向隔板是

14、一矩形平板，安装在平行于传热管方向（纵向隔板按工艺要 求决定）以增加壳侧介质流速。符号：G -钢材厚度负偏差mm应按相应钢材标准的规定选取；C2 -钢材的腐蚀裕量，mmC - 厚度附加量（按1第三章取），mm对多层包扎圆筒只考虑内筒的 C值，对热 套圆筒只考虑内侧第一层套盒圆筒的 C值；Dj 圆筒或球壳的内直径，mmDo - 圆筒或球壳的外直径（Do二Di 2 n） ,mm ；Pc -计算压力（按1第3章），MPa；Pd 设计压力，MpaP - 管程设计压力，MpaPs - 壳程设计压力，Mpapw - 圆筒或球壳的最大允许工作压力，MPa-圆筒或球壳的计算厚度，mm- 圆筒或球壳的有效厚度，

15、mm-圆筒或球壳的名义厚度，mm日-设计温度下圆筒或球壳的计算应力，MPa匕丨- 设计温度下圆筒或球壳材料的许用应力（按1第4章），MPa； 匕丨- 试验温度下材料的许用应力（按1第4章），MPa；-焊接接头系数（按1第3章）；对热套圆筒取=1 .0 ;3.1壁厚的确定壳体、管箱壳体和封头共同组成了管壳式换热器的外壳。管壳式换热器的壳体通常由管材或板材卷制而成。压力容器的公称直径按GB9019-88规定，当直径V 400伽时，通常采用管材做壳体和管箱壳体。当直径 400 mm时，采用板材卷制壳体和管箱壳体。 其直径系列应与封头、连接法兰的系列相匹配，以便于法兰、封头的选型。卷制圆筒的 公称直径

16、以400 m为基数，一般情况下，当直径V 1000 m时，直径相差100 m为一个系 列，必要时也可采用50 mm；当直径1000 m时直径相差200m为一个系列，若采用旋 压封头，其直径系列的间隔可以取为 100 m。圆筒的厚度按GB150-1998第5章计算，但碳素钢和低合金钢圆筒的最小厚度应不小于表3.1.1的规定，咼合金钢圆筒的最小厚度应不小于3.1.2的规定。表 3.1.12mm公称直径400 w 700 1000 1500 2000 700 500 700 10007 1500 2000500w700w1000w 1500w 2000w 2600最小厚度3.54.56810123.

17、2管箱圆筒短节设计GB150-1998第五章的有关规定；其开孔补强计算按GB150-1998第八章有关规定。圆筒的最小厚度按表 3.1.2的规定。设计条件见表3.1.3部件-门设计温设计压kr 材料、度C力MpaMpaMpa管箱圆筒短节15CrMoR 3238.0128.24表 3.1.3*标准C1 C2mm mm1.0GB66540 0圆筒计算：设计温度下圆筒的计算厚度按式3-2-1 ）计算，公式的适用范围为Pc岂0.4匕f (3-2-1 )其中巳二 Ps =8.0Mpa ; Di = 800mm; k- I =128.24Mpa；=1.0带入上式得:计算厚度：s = 25.76mm(3-2

18、-2)/曰t 8.0 汉(800+26 )得二2x26= 127Mpa满足强度要求，故取名义厚度、：n = 26mn合适。设计温度下圆筒的最大允许工作压力按式（3-2-3 ）计算:Pv匚(3-2-3)设计厚度：心 八，C2八=25.76mm名义厚度：、n d G =25.76m m,经圆整取 n = 26mm有效厚度：“e = -：n C2 -G = 26 0 = 26mm设计温度下圆筒的计算应力按式（3-2-2 ）计算:=8.07MpaA 2 26 128.24 1.0 w _ 800 26PJ Rvmax =7.5Mpa满足压力要求，故取名义厚度、：n = 26mm合适。3.3壳体圆筒设计

19、3-2的规定。设计条件见表3-4 :圆筒的厚度应按GB150-1998第5章计算，但碳素钢和低合金钢圆筒的最小厚度应不表3-4亠心丄设计温设计压t0 AGC2部件材料度C力MpaMpaMpa标准mmmm壳体15CrMoR 273圆筒8.5136.41.0GB665400圆筒计算：计算，设计温度下圆筒的计算厚度按式（3-2-1 )其中 PC = R =8.5Mpa ; Dj = 800mm ;匕 t =136.4Mpa;=1.0 带入(3-2-1)得:小于表3-1的规定，高合金钢圆筒的最小厚度应不小于表计算厚度：S = 25.73mm设计厚度：匕二、C?二、二 25.73mm名义厚度：d= 25

20、.73mm，经圆整取：n = 26mm有效厚度：| 匕二、n - C2 - G 二 26 - 0 二 26mm8.5800 262x26=135Mpa设计温度下圆筒的计算应力按式（3-2 ）计算:满足强度要求，故取名义厚度、：n = 26mn合适。设计温度下圆筒的最大允许工作压力按式（3-2-3 ）计算:2 26 136.4 1.0800 26二 8.587Mpa巳丨 PWmax =8.0Mpa满足压力要求，故取名义厚度、：n = 26mn合适。3.4封头设计13压力容器封头的种类较多，分为凸形封头、锥壳、变径段、平盖及紧缩口等，其中 凸形封头包括半球形封头、椭圆形封头、碟形封头和球冠形封头。

21、采用什么样的封头要 根据工艺条件的要求、制造的难易程度和材料的消耗等情况来决定。此次设计采用标准椭圆形封头，它由半个椭球面和短圆筒组成，如图3.4所示。直边段的作用是避免封头和圆筒的连接焊缝出现经向曲率半径突变，以改善焊缝的受力状况。封头的椭球部分经线曲率变化平滑连续，故应力分布比较均匀，且椭圆形封头深度 较半球形封头小得多，易于冲压成型，是目前中、低压容器中应用较多的封头之一。设 计条件见表3.4-1，表 3.4-2 。图3.4表 3.4-1部件材料设计温度C设计压力Mpafa 1Mpafcr Mpa标准GmmC2mm管箱封头15CrMo3238.0128.241.0GB665400表 3.

22、4-2部件材料设计度C温设计压力Mpab iMpabMpaG标准GmmC2mm后封头15CrMo2738.5136.41.0GB665400符号规定：Di -圭寸头内直径，mn;Do -hi - 封头外直径（Do2n）,mm；封头曲面深度，mmd - 封头质变咼度，mmA封头内表面积，卅；V圭寸头容积，m3 ；m -封头质量，kg；Pc - 计算压力（按1第3章），MPa；_pw 最大允许工作压力，MPa-封头计算厚度，mn;-e -封头有效厚度，mm-封头名义厚度，mm；-_设计温度下封头材料的计算应力，MPaI- 1 -设计温度下封头材料的许用应力（按1第4章），MPa；- 焊接接头系数（

23、按1第3章）。3.4.1后封头计算标准椭圆形封头的计算厚度按式（3-4-1 ）计算:(3-4-1)FCD2 - h -0.5FC其中 PC = Pt =8.5Mpa ； Di = 800mm ； J T36.4Mpa ；=1.0 带入式(3-4-1 )得:计算厚度：S =设计厚度：:25.32mm勺二C?二、二 25.32mm名义厚度：、：n =G = 25.32mm，经圆整取:.n = 26mm有效厚度：、e = - n - C2 - G 二 26 - 0 二 26mm标准椭圆形封头的有效厚度应不小于封头内直径的0.15 %，但当确定封头厚度时已考虑了内压下的弹性失稳问题，可不受此限制。、e

24、 0.15%Dj =0.15% 800 = 1.2mm 故该标准椭圆形封头的名义厚度、；n = 26mn合适。椭圆形圭寸头的最大允许工作压力按式（3-4-2 ）计算：(3-4-2 )ipj=iDi 0.5 e2 136.4 26 1.0l-Pv8.72MPa800 +0.5 汉 26吒丨 Emax = 8.0Mpa该封头满足压力要求，故取名义厚度、：n = 26mn合适。 设计温度下封头的计算应力按式（3-4-3 ）计算:(3-4-3 )Pc2Di 、e4-e8.52 800 264 26 1.0= 132.89MPa；： I - 136.4MPa满足强度要求，故取名义厚度n = 26mm合适

25、。3.4.2管箱封头计算标准椭圆形封头的计算厚度按式（3-4-1 ）计算:其中 巳=Ps =8.0Mpa ; Di = 800mm; r I -128.24Mpa ；=1.0带入(3-4-1 )得：计算厚度：S = 25.35mm设计厚度：、d = C2 二 =25.35mm名义厚度：= d C25.35mm，经圆整取 = 26mm有效厚度：;e = n C2 一 C| = 26 一0 二 26mm标准椭圆形封头的有效厚度应不小于封头内直径的0.15 %，但当确定封头厚度时已考虑了内压下的弹性失稳问题，可不受此限制。、e 0.15%Dj =0.15% 800 = 1.2mm故该标准椭圆形封头的

26、名义厚度、；n = 26mn合适。椭圆形圭寸头的最大允许工作压力按式（3-4-2 ）计算：r ,2 X128.24 x 26 汇 1.0IFW8.2MPa8000.5 26巳丨 max 二 7.5MPa该封头满足压力要求，故取名义厚度、：n = 26mn合适。设计温度下封头的计算应力按式（3-4-3 ）计算：8.0 2 800 26 125.08MPa 4 26 1.0；： l；-T - 128.24MPa满足强度要求，故取名义厚度;.n = 26mm合适。 由续表1查取封头的数据见表3.4.2 :表 3.4.2曲面高度hi直边高度h2内边面积A容积V质量m封头公称直径2 m3 mDN mmm

27、mmmkg管箱封头800200500.81940.0992174.67后封头800200500.81940.0992174.673.5换热管设计符号规定：d -换热管外径，mmS - 换热管厚度，mmR - 弯管段弯曲半径，mm-0 -弯曲前换热管的最小壁厚，mmq -直管段的计算厚度，mm3.5.1换热管的规格和尺寸偏差换热管的长度有设计条件给定取为 6m，直径19mm厚度S =2mm由GB1329查得换热管的规格和尺寸偏差见表3.5.1 :材料换热管标准表 3.5.1管子规格,mm高精度，较高精度， mm管控规格，mm外径d厚度S外径偏差厚度偏差管孔直径允许偏差192-0.2012%-10

28、%19.250.150不锈钢GBA13296-20070Cr18Ni10Ti3.5.2 U形管的尺寸 U形管弯管段的弯曲半径U形管弯管段的弯曲半径r （见图3.5.2 ）应不小于两倍的换热管外径，常用换热管的最小弯曲半径Rmin可按GB151-1999表 11选取，取Rmin =40mrm图 3.5.2 U形管弯管段弯曲前的最小壁厚按式（3-5-1 ）计算：&0=盯1+2（3-5-1）I 4R丿其中，d = 19mm, R = Rmin = 40mm= 2mm,带入上式得：（190=2* 1+k2.2375mm，圆整取为 2.5mmI 440 丿3.5.3管子的排列型式换热管的排列主要有以下四

29、种方式:图 3.5.3 2正三角形排列用得最普遍，因为管子间距都相等，所以在同一管板面积上可排列最 多的管子数，而且便于管板的划线与钻孔。但管间不易清洗，TEM标准规定，壳程需用机械清洗时，不得采用三角形排列型式。在壳程需要机械清洗时，一般采用正方形排列，管间通道沿整个管束应该是连续的， 且要保证6mr的清洗通道。图3.5.3中（a）和（d）两种排列方式，在折流板间距相同的情况下，其流通截面 要比（b）、（c）两种的小，有利于提高流速，故更合理些。本次设计采用正三角形排列。3.5.4换热管中心距换热管的中心距宜不小于1.25倍的换热管外径，根据GB151-1999表12,取换热管中 心距为S

30、= 25mm取分程隔板槽两侧相邻管中心距 Sn = 38mmo3.5.5布管限定圆符号：b - 见图3.5.5.1，其值按表3.5.5.1选取，mn;b, -见图3.5.5.1，其值按表3.5.5.2选取，mmb2 -见图3.5.5.1 ，b2 = 01.5，mmb3 -固定管板式换热器或U型管式换热器管束最外层换热管外表面至壳体内壁的最短距离，见图 3.5.5.2 ，b3 = 0.25d = 0.25 x 19 = 4.75mm，一般不小于 8mm取 b3= 8mmbn -垫片宽度，其值按表3-9选取，mmDL -布管限定圆直径，mmD 圆筒内直径，mmd - 换热管外径，mm图 3.5.5

31、.1Dl 為图 3.5.5.2表 3.5.5.12Db31000 26004D = 800m m 取 b = 28mm。表 3.5.5.22D700bnbi35取 bn = 30mm b1= 5mm 则有 b2 = bn +1.5-301.5 - 31.5 mm布管限定圆为管束最外层换热管中心圆直径，布管限定圆按表3.5.5.3确定。表 3.5.5.3 2换热器型式固定管板式、U形管式浮头式布管限定圆直径D D -2b3D 2 (d + b2 + b)得：D 二 D - 2Q = 800 - 28 = 784mm除了考虑布管限定圆直径外，换热管与防冲板间的距离也许考虑。通常，换热管外 表面与邻

32、近防冲板表面间的距离，最小为 6mm换热管中心线与防冲板板厚中心线或上 表面之间的距离，最大为换热管中心距的.3 / 2。3.5.6换热管的排列原则 换热管的排列应使整个管束完全对称； 在满足布管限定圆直径和换热管与防冲板间的距离规定的范围内，应全部布满换热管； 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应布置拉杆，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地(0.51.5 )3范围内； 多管程的各管程数应尽量相等，其相对误差应控制在10%内，最大不得超过20%3.6管板设计符号规定：Ad -在布管区范围内，因设置隔板槽和拉杆结构的需要，而未能被换

33、热管支承的面积，mm2 ;例如双管程管板，对于三角形排列：A =nS Sn -0.866 25(3-6-1 )n - U形管根数，管板开孔数为2n；n -沿隔板槽一侧的排管根数；S - 换热管中心距，mmSn -隔板槽两侧相邻管中心距，mmA -管板布管区面积，卅；三角形排列：A =1.732nS2 A(3-6-3 )a -一根换热管管壁金属的横截面积，川；Cc -系数，按/和斗，查图192；K f 11Ce查图202;系数，按 和丄,K fP系数，按Kf 5，查图2严；D -管板开孔前的抗弯刚度，NmmEpFD（ 3-6-5）12 1 -Dg -垫片压紧力作用中心圆直径，按1第9章, mmD

34、i -壳程圆筒和管箱圆筒内直径，mmDt -管板布管区当量直径，MmmDt f 4人二（3-6-6）d -换热管外径,mmEp -管板材料的弹性模量，MPa；Kf -管板边缘旋转刚度参数，MPaKf二K,，对于a型连接 Kf =0Kf -壳程圆筒与法兰（或凸缘）的旋转刚度参数，MPaK,- 管箱圆筒与法兰（或凸缘）的旋转刚度参数，MPa-旋转刚度无量纲参数；对于a型连接 = 0KfKfl -换热管与管板胀接长度或焊脚高度，按 5.823或5.832 2规定，mmPd -管板设计压力，MPaPt - 壳程设计压力，MPaPs -管程设计压力，MPaq -换热管与管板连接的拉脱力，MPalq 1

35、-许用拉脱力，按5.7.5 2规定，MPaR - 半径，mm对a型连接：R二Dg：2(3-6-7)S ;hI |s-t换热管中心距，mm 管板计算厚度，mm 管箱圆筒厚度，mm 壳程圆筒厚度，mm 换热管壁厚,mm；i -管板强度削弱系数，一般可取亠-0.4 ;- 管板材料泊松比，取：=0.3 ;“-布管区当量直径Dt与直径2R之比；I- r -设计温度下，管板材料的许用应力，MPat -设计温度下，换热管材料的许用应力，MPa管板是管壳式换热器的一个重要元件，它除了与管子和壳体等连接外，还是换热器 中的一个重要受压元件。对管板的设计除了要满足强度要求外，同时应合理的考虑其结 构设计。管板得合

36、理设计对于正确选用和节约材料、减少加工制造的困难、降低成本、 确保使用安全都具有重要意义。U型管换热器仅有一块管板，采用可拆式连接，管板通过垫片与壳体法兰和管箱法 兰连接。其连接形式见图3.6。图3.6管板的最小厚度除满足强度设计要求外，当管板和换热器采用焊接时，应满足结构 设计和制造的要求，且不小于12mm若管板采用复合钢板，其复合层的厚度应不小于3mm 对于有腐蚀要求的复层，还应保证距复层表面深度不小于2m的复层化学成分和金相组织符合复层材料的要求。当管板与换热管采用胀接时，管板得最小厚度（不包括腐蚀裕度）应满足表3.6.1 o若管板采用复合管板，其复层最小厚度应不小于 10mm并应保证距

37、复层表面深度不小于8m的复层化学成分和金相组织符合复层材料的要求。表 3.6.1换热管外径d，mm25 50耳、用于易燃易爆及有毒介质等场合最小厚度，mm d用于无害介质的一般场合 0.75d 0.70d 0.65d3.6.1管板连接设计(1)管板与换热管的连接对于换热管与管板的连接结构形式，主要有以下三种：胀接；焊接；胀焊并 用，但也可采用其他可靠的连接形式。a强度胀接用于管壳之间介质渗漏不会引起不良后果的情况下，胀接结构简单， 管子修不容易。由于胀接管端处在胀接时产生塑性变形，存在着残余应力，随着温度的 上升，残余应力逐渐消失，这样使管端处降低密封和结合力的作用。一般适用设计压力 4MPa

38、设计温度w 300C ;操作中无剧烈的振动，无过大的温度变化及明显的应力腐 蚀场合。一般要求：1、换热管材料的硬度值一般需低于管板材料的硬度值；2、有应力腐蚀时，不应采用管端局部退火的方式来降低换热管的硬度。b、强度焊是指保证换热管与管板连接的密封性能及抗拉脱强度的焊接。管子与管 板的焊接，目前应用较为广泛，由于管孔不需开槽，而且管孔的粗糙度要求不高，管子 端部不需退火和磨光，因此制造加工简单。焊接结构强度高，抗拉脱力强，当焊接部分 渗漏时，可以补焊，如须调换管子，可采甩专用刀具拆卸焊接破漏管子，反而比拆卸胀 管方便。不适用于有较大振动和有间隙腐蚀的场合。其结构形式和尺寸见图3.6.1和表3.

39、6.1。图 3.6.1表 3.6.1 2换热管规格14 X16 X32 X57 X1X 112X 119X 225 X 238 X 345 X 3dx S1.51.52.53.5换热管11 最小伸0.51.01.52.02.53.0出长度121.52.02.53.03.54.0最小坡口深度131.022.5注：1当工艺要求管端伸出长度列值(如立式换热器要求平齐或少低)时，可适当加大管板坡口深度或改变结构型式2当换热管直径和壁厚与列表值不同时l1 l2 13值可适当调整3图(c)用于压力较高的工况本次设计中采用不锈钢换热管，通常不锈钢管与管扳一般均采用焊接结构，不管其 压力大小，温度高低。采用图

40、3.6.1焊接形式，取l1 = 1.5mm, l2 = 2.5mm, l3 = 2.0mm。 管板最小厚度不小于12mmc、对于压力高、渗透性强或在一例有腐蚀性的介质，为保证不致泄漏后污染另一 侧物料，这就要求管子与管板的连接处绝对不漏，或为了避免在装运及操作过程中的振 动对焊缝的影响，或避免缝隙腐蚀的可能性等，采用胀焊并用的结构型式。胀焊并用的 结构从加工工艺过程来看，有先胀后焊，先焊后胀，焊后胀接及贴张等几种形式。3.6.2管板设计计算(1) 换热器设计条件：壳程设计压力PS = 4.5MPa ;管程设计压力R = 4.5MPa管板设计温度323 C壳程腐蚀裕量C = 0mm;管程腐蚀裕量

41、C = 0mm 管程程数为2换热器公称直径DN = 800mm换热管外径d = 19mm换热管壁厚、=2mm换热管根数n = 367 (根据JB/T4717-1992 U型管式换热器型式与基本参数选取) 换热管与管板为焊接连接加持管板的壳程法兰与管箱法兰采用特殊设计的长颈对焊法兰环形密封面 垫片为八角垫环 900/840垫片基本密封宽度g，按GB 150-1998表9-1选压紧面形状630b03.75mm8 8壳程侧隔板槽深hi = 4mm管程侧隔板槽深b = 4mm 管板强度削弱系数=0.4(2) 各元件材料及其设计数据换热管材料0Cr18Ni10Ti ;设计温度下许用应力 上=112.62

42、MPa管板材料0Cr18Ni10Ti ;设计温度下许用应力I- f=83.62MPa许用拉托力按 GB 151-1999表33 日丨-匕 | 0.5 =0.5 112.62 =56.31MPa计算a、根据布管尺寸计算 A、A、Dt ；根据法兰连接密封面型式和垫片尺寸计算垫片压紧力作用中心圆直径Dg。由式（3.6.1 ）得：A 二 nS Sn -0.866 25 =31 25 （38-25 0.866） = 12671.25mm2 由式（3.6.3 ）得：A =1.732nS2 A =1.732 367 252 12671.25 = 409948.75mm由式（3.6.6 ）得：Dt = . 4

43、A =翻409948.75菸-722.65mm根据 GB15第 9.5.1 条bo = 3.75mm 6.4mmb = g = 3.75mmDg=垫片接触面的平均直径=（900+840）/ 2 = 870mm。b、计算勺，以丄查表222得Cc，或以丄查图19,由纵坐标轴上直接查得CcR 二 DG / 2 二 870/ 2 二 435mm出=Dt/2R =722.65/（2 435）=0.834t -1.204，查图查图192，由纵坐标轴上直接查得：Cc=0.2742c、确定管板设计压力因为本次设计中设备压力高，因而对其工作条件要求高，考虑设备运行的安全性,保证设备在任何情况下管程和壳程压力同时

44、作用，且两侧均为正压，取巳=4.5MPa代入数据得:（3.6.8）、=0.82 8700.2742一4.5 0.4 83.62=137.02mm根据GB151-1999管板的名义厚度不小于下列三者之和：i、管板的计算厚度或最小厚度，取大者；ii、壳程腐蚀裕量或结构开槽深度，取大者；iii、管程腐蚀裕量或分程隔板槽深度，取大者；所以，、n|MAX 、厂 min MAX Cs, A MAX Ct,h2= 137.02 4 4 h45.02mm圆整取r = 150mm管板得有效厚度整体管板得有效厚度指分程隔板槽底部的管板厚度减去下列二者之和:a管程腐蚀裕量超出管程隔板槽深度的部分；b、壳程腐蚀裕量与

45、管板在壳程侧的结构开槽深度二者中的较大值。d、换热管的轴向应力一根换热管管壁金属横截面积a - -.：.t d - 门2-: 219 -2 = 106.76mmnd2 = - Ps - RR4a按三种工况分别计算： 只有壳程设计压力FS =4.5MPa，管程设计压力为0；2 兀：19二t = 一 4.500 = -11.94MPa4 106.76 只有管程设计压力R =4.5MPa，壳程设计压力为0；=-0-4.52忑泊194 106.76一4.5 =7.44MPa 壳程设计压力和管程设计压力同时作用；二 t = -4.5MPa以上三种工况下计算值的绝对值均小于换热管设计温度下的许用应力 k

46、=112.62MPae、换热管与管板连接拉脱力二 dl其中F取d项计算中三种工况的绝对值最大者=11.94MPal = 22 = 4mm取 l1 =2mm，J =2mm，则有l =22 =4mm由此得：q = 11.9406.76 =5.34MPa q 】=56.31MPa兀汉19汉4满足要求3.7管箱结构设计管箱的作用是把管道中来的流体，均匀分布到各传热管和把管内流体汇集在一起送 出换热器。在多程换热器中，管箱还起改变流体的流向作用。管箱侧或管箱顶部有介质 的出、入口接管。3.7.1管箱的最小内侧深度（1） 轴向开口的单管程管箱，开口中心处的最小深度应不小于接管内直径的1/3 ；（2）多程管

47、箱的内侧深度应保证两程之间的最小流通面积不小于每程换热管流通 面积的1.3倍；当操作允许时，也可等于每程换热管的流通面积。两程之间的最小流通面积是指管箱被平行与地面的平面所剖开所形成的载面面积； 每程换热管流通面积是指同一管程内的换热管管内截面所形成的面积之和。根据设计要求选择取管箱内侧深度为835mm3.7.2分程隔板隔板材料应采用与管箱相同的材料制造。分程隔板的最小厚度应不小于表62的规定。按规定取隔板材料为15CrMo隔板的最小厚度为10mm分程隔板槽深按照5.662规定：1）槽深宜不小于4mm；2）分程隔板槽的宽度为：碳钢12mm不锈钢11 mm ；3）分程隔板槽拐角处的倒角一般为45

48、,倒角宽度b近似等于分程垫片的圆角半径 R,见图 3.7.2。綢图 3.7.22取槽深为4mm槽宽度为12mm倒角为454换热器其他各部件结构4.1进出口接管设计在换热器的壳体和管箱上一般均装有接管或接口以及进出口管。在壳体和大多数管箱的底部装有排液管，上部设有排气管，壳侧也常设有安全阀接口以及其他诸如温度计、 压力表、液位计和取样管接口。对于立式管壳式换热器，必要时还需设置溢流口。由于 在壳体、管箱壳体上开孔，必然会对壳体局部位置的强度造成削弱。因此，壳体、管箱 壳体上的接管设置，初考虑其对传热和压降的影响外，还应考虑壳体的强度以及安装、 外观等因素。4.1.1接管法兰设计已知设计条件见表4.1.1表 4.1.1管口规格符号用途或名称公称尺寸连接标准法兰类型及密封面形式1-1，2管程进出口PN16 DN250HG20592-97WN/RJ2-1，2壳程进出口PN16 DN200HG20592-97WH/RJ根据HG20592-97选取接管法兰的结构参数如下:公称直径DN钢管外径A1法兰厚度C法兰颈法兰高度H法兰理论重量（kg）NSH1R200219662781616814065.625027376340201810155106.4公差连接尺寸DN法兰外径D螺栓孔中心圆直径K螺栓孔直径L螺栓孔数量n螺纹Th200430360361