固定管板式换热器课程设计

1、. . 固定管板式换热器设计. . 目录第一章 绪论3 1.1 什么是管壳式换热器 3 1.2 管壳式换热器的分类 3 第二章 总体结构设计 4 2.1 固定管板式换热器结构 4 第三章 机械设计 4 3 . 1工 艺 条 件 4 3 . 2设 计 计 算 4 （1）管 子 数n 5 （2）换热管排列形式 5 （ 3 ） 管 间 距 的 确 定 5 （4）壳程选择 5 3.3 筒体 6 （1）换热器壳体内径的确定 6 （2）换热器封头的选择 6 3.4 折流板 6 （1） 折流板切口高度的确定 6 （2）确定折流板间距 6 （3）折流板的排列方式 7 （4）折流板外径的选择 7 （5）折流板厚

2、度的确定 7 . . （6）折流板的管孔确定 7 3.5 拉杆、定距管 7 （1）拉杆的直径和数量 7 （2）拉杆的尺寸 8 （3）拉杆的布置 9 （4）定距管 9 3.6、防冲板 9 3.7、接管 9 （1）接管的公称直径 9 （2）接管的壁厚确定 9 （3）接管高度的确定 9 3.8 法兰 10 （1）容器法兰的选用 10 （2）接管法兰 10 3.9 垫片的选用 11 3.10 管板的设计与计算 11 3.11 支座 12 3.12 圆筒节的设计 13 第四章列管式换热器机械结构设计 13 4.1 传热管与管板的连接 14 4.2 管板与壳体及管箱的连接 14 4.3 管法兰与接管连接

3、14 . . 第五章强度计算 15 5.1 换热器壳体壁厚的计算 15 5.2 管箱短节 16 第六章安装制造 16 6.1 换热器制造 16 6.2 换热器安装 17 参考文献 18 心得体会 18 . . 第一章绪论化工生产离不开化工设备，化工设备是化工生产必不可少的物质技术基础，是生产力的主要因素，是化工产品质量保证体系的重要组成部分1。然而在化工设备中化工容器占据着举足轻重的地位，由于化工生产中，介质通常具有较高的压力，化工容器一般有筒体、封. . 头、支座、 法兰及各种容器开孔接管所组成，通常为压力容器，因为压力容器是化工设备的主体， 对其化工生产过程极其重要，国家对其每一步都有具的

4、标准对其进行规范，如：中国压力容器安全技术监察规程、gb1501998钢制压力容器 、gb151 1999管壳式换热器 等。在其中能根据不通的操作环境选出不同的材料，查出计其允许的工作压力，工作温度等。换热器简单说是具有不同温度的两种或两种以上流体之间传递热量的设备。在工业生产过程中， 进行着各种不同的热交换过程，其主要作用是使热量由温度较高的流体向温度较低的流体传递， 使流体温度达到工艺的指标，以满足生产过程的需要。此外，换热设备也是回收余热，废热，特别是低品位热能的有效装置。1.1 什么是管壳式换热器管壳式换热器 (shell and tube heat exchanger)又称列管式换热

5、器。 是以封闭在壳体中管束的壁面作为传热面的间壁式换热器。这种换热器结构较简单，操作可靠， 可用各种结构材料（主要是金属材料）制造，能在高温、高压下使用，是目前应用最广的类型。1.2管壳式换热器的分类是以封闭在壳体中管束的壁面作为传热面的间壁式换热器。这种换热器结构较简单，操作可靠，可用各种结构材料（主要是金属材料）制造，能在高温、高压下使用，是目前应用最广的类型。由壳体、传热管束、管板、折流板（挡板）和管箱等部件组成。壳体多为圆筒形，内部装有管束，管束两端固定在管板上。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，称为壳程流体。为提高管外流体的传热分系数，通常在壳体

6、内安装若干挡板。挡板可提高壳程流体速度，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。换热管在管板上可按等边三角形或正方形排列。等边三角形排列较紧凑，管外流体湍动程度高，传热分系数大；正方形排列则管外清洗方便，适用于易结垢的流体。管壳式换热器流体每通过管束一次称为一个管程；每通过壳体一次称为一个壳程。图示为最简单的单壳程单管程换热器,简称为1-1 型换热器。为提高管内流体速度,可在两端管箱内设置隔板，将全部管子均分成若干组。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，也可在壳体内安装纵向挡板，迫使流体多次通过壳体空间，称为多壳程。多管程与多壳程

7、可配合应用。. . 第二章总体结构设计本次流体输送与传热工段换热器的设计，所选用的换热器为卧式固定管板式换热器。如图 2-1 所示。其基本结构特点是两块管板分别焊于壳体的两端，管束两端固定在管板上。固定管板换热器2.1 固定管板式换热器结构固定管板式换热器由管箱、壳体、管板、管子等零部件组成，其结构较紧凑，排管较多，在相同直径下面积较大，制造较简单。固定管板式换热器的结构特点是在壳体中设置有管束，管束两端用焊接或胀接的方法将管子固定在管板上，两端管板直接和壳体焊接在一起，壳程的进出口管直接焊在壳体上， 管板外圆周和封头法兰用螺栓紧固，管程的进出口管直接和封头焊在一起，管束内根据换热管的长度设置

8、了若干块折流板。这种换热器管程可以用隔板分成任何程数。换热器设计的优劣最终要看是否适用、经济、安全、运行灵活可靠、 检修清理方便等等。一个传热效率高、紧凑、成本低、安全可靠的换热器的产生，要求在设计时精心考虑各种问题.准确的热力设计和计算，还要进行强度校核和符合要求的工艺制造水平。第三章机械设计3.1 工艺条件名称管程壳程物料名称循环水甲醇工作压力0.45mpa 0.05mpa 操作温度4070换热面积75 m2管长=25mm 2.5 m 推荐钢材10，q235-a,16mnr 3.2设计计算（1）管子数 n 根据本次的管程压力为0.45:0.05mpa，管程进口温度为40co，壳程进口温度为

9、. . 70co。选取换热管材料为10 号钢。查教材化工设备，标准管长有1.5、2.0、2.5、3.0、4.5、6.0、9.0（单位为m） ，取标准管长为 2.5m。按教材公式换热器的管数n 为：dlsn式中 : s传热面积，75 2m；d管径（外径） ，0.025m；l管长， 2.5m则：2 .3825. 2025. 014.375dlsn查化工原理（上）附录二十八得：2.5 m 换热管，取换热管根数为390。固定管板换热器主要参数（25mm 2.5mm）管程数管子总数换热面积 /m21 390 75 （2）换热管排列形式采用正三角形排列，正三角形排列比较紧凑，在一定的壳径内可排列较多的管子

10、，且传热效果好， 但管外清洗较为困难。而正方形排列，管外清洗方便， 适用于壳程中的流体易结垢的情况，其传热效果较正三角形差些。以上排列方式中最常用的是正三角形错列，用于壳侧流体清洁，不易结垢，后者壳侧污垢可以用化学处理掉的场合。中心管数cn为：72.213901 . 11 .1nnc查化工原理（上）附录二十八得：中心排管取23。（3）管间距的确定由过程设备设计表6-2 可知，取管间距a=32 mm 。换热管排列图正三角形（4）壳程选择. . 壳程的选择：简单起见，采用单壳程。3.3 筒体查教材化工设备，筒体的材料主要有碳素钢、低合金钢钢板、 不锈钢钢板等。根据筒体所承受的压力机壳程流体的性质等

11、，选取碳素钢中的16mnr 作为筒体的材料。（1）换热器壳体内径的确定2) 1(bntdc式中d 换热器壳体内径，mm；t 管中心距，mm; cn横过管束中心线的管数；b 管 束 中 心 线 上 最 外 层 管 的 中 心 至 壳 体 内 壁 的 距 离 ， 一 般 取0)5. 11(db，此处取25mm 。则 d=32 （23-1 ）+2 25=754mm 圆整后取壳体内径di=750mm （2）换热器封头的选择选取标准椭圆形封头。由于本次设计的换热器壳程压力在0.45:0.05mpa，属于低压容器，椭圆形封头能够满足要求，而且该封头制造比其他封头容易冲压形成，应力分布也比较均匀，为了便于焊

12、接、经济合理，选取标准椭圆形封头。材料选用与筒体相同16mnr。按教材公式封头厚度为：20.5citckp dp式中：焊接接头系数，为整块钢板制造，则=1.0；k椭圆形封头形状系数，标注椭圆形封头k=1.0 ；则： =1.54mm 与筒体的壁厚计算相同，所以椭圆形封头的壁厚也是6mm。由封头厚度查化工设备表2-15 得直边高h=25mm。查封头 jb4746-2002 表 3-3,封头的曲面高度hi=200mm，总高度h=225mm 。3.4 折流板根据换热器计算手册折流板的形式弓形折流板、圆盘- 圆形折流板。由于本次换热器的直径较小，所以本次卧式换热器的折流板采用弓形折流板中的单弓形。材料选

13、用低合金16mnr 。通过拉杆与定距管固定。（1）、折流板切口高度的确定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：idh25.0187.5mm ，则折流板高度为600mm . . （2）、确定折流板间距折流板间距idb2.0=150mm ，取 b=300mm ，折流板数bn=2500/300=9 块。（3）、折流板的排列方式水平切口用得最普遍，这种排列可造成流体激烈扰动，增大传热系数，因此本设计采用水平缺口排列方式。（4）、折流板外径的选择折流板和支撑板外直径及允许偏差应符合下表的规定（mm ） ，得外直径为750mm。折流板直径及允许偏差公 称 直 径dn 400 400

14、500 500900 9001300 13001700 17002000 20002300 23002600 折流板名义外直径dn-2.5 dn-3.5 dn-4.5 dn-6 dn-8 dn-10 dn-12 dn-14 允许偏差0 -0.5 0 -0.8 0 -1.2 0 -1.4 0 -1.6 （5） 、折流板厚度的确定折流板和支撑板的最小厚度应不小于下表的规定，则折流板厚度为5mm 。折流板和支撑板的最小厚度公称直径dn 换热管无支撑距l mm 300 300600 600900 9001200 12001500 1500 折流板和支撑板的最小厚度400 3 4 5 8 10 10 4

15、00 700 4 5 6 10 10 12 700 900 5 6 8 10 12 16 900 1500 6 8 10 12 16 16 1500 2000 / 10 12 16 20 20 2000 2600 / 12 14 18 20 22 (6)、折流板的管孔确定折流板和支撑板管孔直径及允许偏差应符合下表的规定mm ，得管孔直径为25.4mm 。折流板和支撑板管孔直径换热管外径14 16 19 25 32 38 45 57 管孔直径14.30 16.35 19.35 25.40 32.40 38.50 45.65 57.70 允许偏差+0.20 +0.25 +0.30 . . 0 0

16、0 3.5 拉杆、定距管根据 gb151-1999, 由于换热管规格为?25 2.5 ，采用拉杆定距管形式如图。拉杆一端的螺纹拧入管板，折流板用定距管定位，最后一块折流板靠拉杆螺母固定。材料选用q235-a ，同时拉杆应尽量均匀布置在管束外边缘。拉杆的一端的螺纹拧入管板，折流板用定距管定位，最后一块折流板靠拉杆螺母固定。拉杆、定距管（1）拉杆的直径和数量根据 gb151-1999 ，查得拉杆直径为16mm，查得拉杆数量为6。拉杆直径换热管外径d 10 d14 14d25 25d57 拉杆直径 dn10 12 16 拉杆数量拉杆直径dn(mm) 公称直径dn(mm) 700900 10 10 1

17、2 8 16 6 （2）拉杆的尺寸各部分尺寸如图,查表得拉杆螺纹公称直径nd=16mm、al=20mm、bl=60mm、b=2.0mm。拉杆尺寸拉杆直径d/mm拉杆螺纹公称直径nd/mmal/mmbl/mmb/mm管板上拉杆孔深dl10 10 13 40 1.5 16 12 12 15 50 2.0 18 16 16 20 60 2.0 20 . . 拉杆（3）拉杆的布置拉杆应尽量均匀布置在管束的外边缘。拉杆位置占据换热管的位置，对于大直径换热器，在布管区的中心部位或靠近折流板缺口处也应该布置适当数目的拉杆。（4）定距管根据换热器设计手册，定距管的尺寸同换热管的尺寸相同，材料选用碳钢16mnr

18、。外径为?25mm 2.5mm。3.6、防冲板本课程设计的壳程流体为甲醇蒸汽，其)./(223022smkg，故不需防冲板。3.7、接管（1）、接管的公称直径换热器设计工艺条件接管表符号公称尺寸， mm 用途a 200 冷却水进口b 200 甲醇蒸汽进口c 20 放气口d 70 甲醇物料出口e 20 排净口f 200 冷却水出口（2）、接管的壁厚确定由公称直径可以查得相应的接管规格。选得对于 dn200 选取7219mm 接管. . 对于 dn70 选取489mm 接管对于 dn20 选取225mm 接管(3)、接管高度的确定接管材料选用q235-a ，与壳体焊接连接，对于接管的伸出长度指接管

19、法兰面到壳体（管箱壳体）外壁的长度。接管伸出壳体外壁的长度，主要考虑法兰形式，焊接操作条件，螺栓拆卸，有无保温层级保温层厚度等因素决定。一般最短应符合下式计算值：)(151mmhhl式中 h 为接管法兰厚度，1h为接管法兰的螺母厚度，为保温层厚度，l为接管安装高度。常见接管高度为150mm,200mm,250mm,300mm。选定的接管高度见表：接管高度公称直径 /mm dn 200 dn80 dn20 接管高度 /mm 200 150 150 3.10 法兰（1） 、容器法兰的选用设备法兰分别有甲型平焊法兰、乙型平焊法兰、 长颈对焊法兰。 对于的法兰标准分别为jb4701、jb4702、 j

20、b4703。 由于设计压力较低，可选用甲型平焊法兰。选用其中的凹凸面密封形式的法兰。材料选用16mnr 。根据 jb/t 4701-2000标准，法兰尺寸如下：压力容器甲型平焊法兰（jb/t 4701-2000）: 公称直径 dn（ mm）法兰（ mm ）螺柱d d1 d2 d3 d4 d 规格数量700 830 790 755 745 742 36 23 m20 24 . . （2） 、接管法兰板式平焊钢制管法兰根据化工设备机械基础,由于换热器的压力不高，而且流体无毒，所以选用板式平焊法兰，材料选用q235-a ，密封面型式选用全平面密封如图，其公称直径分别为：板式平焊钢制管法兰（摘自hg/

21、t 20593-97）/mm 公称直径dn 管子直径1a连接尺寸法兰厚度c 法兰内径b1法兰外径 d 螺栓中心圆直径 k 螺栓孔直径 l 螺栓孔数量 n 螺纹htpn0.6mpa . . 20 25 90 65 11 4 m10 14 26 80 89 190 150 18 4 m16 18 91 200 219 320 280 18 8 m16 22 222 3.9、垫片的选用常用的垫片有非金属软垫片、缠绕垫片、 金属包垫片。 对的标准分别为jb4704、jb4705、jb4706。采用非金属软垫片结构和尺寸如下，则d=844 ，d=804 。非金属软垫片非金属软垫片结构尺寸（摘自jb470

22、4-2000 ）3.10 管板的设计与计算查换热器设计手册，管板常用的材料有低碳钢、普通低合金钢、不锈钢、合金钢和复合钢板等，由于本次的设计压力属于低压，所以选用碳素钢中的16mnr。管板型式采用整体管板，初步选定的尺寸如表，管板管孔尺寸查gb151-1999 ，则管板管孔直径为25.25mm 。固定管板式换热器管板尺寸/mm. . 公称直径dn d 1d2d3d4d5d=6d7d1bc d 螺栓孔数n pn=0.6mpa 700 830 790 755 697 742 700 850 - 12.5 23 24 管板管孔直径及允许偏差应符合下表规定gb151-1999 换热管外径14 16 1

23、9 25 32 38 45 57 管孔直径14.25 16.25 19.25 25.25 32.35 38.40 45.40 57.55 允许偏差+0.15 0 +0.20 0 +0.25 0 3.11 支座卧式换热器的支座有鞍式支座、圈式支座和支腿式支座，本次卧式固定管板换热器选用焊制鞍式支座（jb/t4712.1-2007) 按照换热器的公称直径选用bi型（重型）带加强垫板与2个筋板的鞍座一对（其中f型 s型各一个），材料选用q235-a ，支座高度h=200mm，标记为：jb/t4712-2007 鞍座bi800-f jb/t4712-2007 鞍座bi00-s 一对鞍式支座的布置如图3

24、-4 ，根据 gb151-1999,lb=(0.4 : 0.6)l，取lb=0.5l=1250 mm。鞍座的位置查 jb/t4712.1-2007, 鞍座的各部分尺寸为: 鞍式支座的结构参数（jb/t4712.1-2007）. . 公称直径 / dn 鞍座高度h 底板腹板筋板垫板螺栓间距1l1b12l3 b3 3 弧长4b4e2l700 200 640 150 10 8 350 120 8 830 240 6 56 460 鞍式支座的结构形式3.12 圆筒节的设计由于管程接管的直径大于封头直边的长度，所以需要在封头与管板之间加一段圆筒节，根据接管直径为200mm，圆筒节与封头焊接的埋弧焊，宽2

25、0-30mm ，手工电弧焊宽10-20mm ，取长度为250mm的圆筒节能够满足要求，直径、厚度与壳体相同。第四章列管式换热器机械结构设计4.1、传热管与管板的连接选用强度焊接连接。制造加工方便， 保证换热管与管板连接的密封性和抗拉脱强度的焊接，目前采用较广泛。查 gb151， ，可知其相接各部分的尺寸如下：换热管外伸长度换热管规格（外径壁厚） 25 2.5 换热管最小伸出长度/1l5 . 05. 1最小坡口深度 /3l2 . . 换热管与管板焊接4.2、管板与壳体及管箱的连接管板与壳体及管箱的连接4.3、 管法兰与接管连接管法兰与接管采用内外焊接. . 管法兰与接管焊接第五章强度计算5.1

26、换热器壳体壁厚的计算材料选用 16mnr ，计算壁厚为2cstcp dp式中cp计算压力，取cp=1.1pw=1.1 0.05=0.055mpa di=750mm ；筒体的焊接接头系数，1.0 取 1（选取双面对接焊，全部无损探伤）t=121mpa 故计算厚度mmpdpctic17.0055.011212750055.0 2s钢板厚度负偏差1c=0.3 ，取腐蚀裕量2c=1, 则设计厚度 d=0.17+0.3+1=1.47mm，但对低合金钢制的容器，规定不包括腐蚀裕量的最小厚度应不小于3mm ，由钢材标准规格，名义厚度取为6mm。水压试验压力mpappct069.025.1所选材料的屈服应力m

27、pas345有效厚度mmcne7.43.016水压试验应力校核mpassdpeeitt54.57 .42)7 .4750(069.02)(mpa5 .31013459.09 .0s. . 所以st9 .0，水压试验满足强度要求。气密试验压力mpappct063.015.15.2 管箱短节由工艺设计给定设计温度40c为设计压力mpa45.0pc选低合金结构钢板16mnr 卷制，材料 70c时的许用应力mpat170，取焊缝系数85.0，腐蚀裕量mm1c2计算厚度mmpdpctic1.29495.085.01702750495.02对于低合金钢，为满足运输刚度要求取=3mm 设计厚度mmd4c2名

28、义厚度mmn3.43.04c1d，圆整后取6mm 。有效厚度mmccde7 .413.0621水压试验压力0.62mpa1.25ppct所选材料的屈服应力mpas345水压试验应力校核mpadpeeitt78.497. 42)7. 4750(62. 02)(mpa5 .31013459.09 .0s所以st9 .0，水压试验满足强度要求。气密试验压力mpappct57.015.1第六章安装制造6.1 换热器制造6.1 .1 换热管直管一律采用整根管子而不允许有接缝。管子应该进行校直， 管子两端须用磨管机清除氧化皮、 铁锈、及污垢等杂质直至露出金属光泽。除锈长度不小于两倍管板厚度。 同一根换热管

29、的对接焊缝， 直管不得超过一条； 最短管长不应小于300mm；包括至少 50mm 直管段范围内不得有拼接焊缝。管端破口应采用机械. . 方法加工，焊前应清洗干净。换热管组装要求两管板相互平行，允许误差不得大于1mm，两管板间长度误差为2mm；管子与管板应垂直；拉感应牢靠固定；定距管两端面要整齐；穿管时管子头不能用铁器直接敲打。6.1.2 筒体换热器筒体的圆度要求较高， 必须保证壳体与折流板之间有合适的间隙。如太大就要影响换热效果， 太小就要增加装配的难度。 切割好的钢板应根据钢板厚度、操作压力高低选定破口形式进行边缘加工。用钢板卷制时， 内直径允许偏差可通过外圆周长加以控制，其外周长允许上偏差10mm；下偏差为 0。6.1.3 封头和管箱封头和管箱的厚度一般不小于壳体的厚度。分程隔板两侧全长均应焊接， 并应具有全焊透的焊缝。 由于焊接应力较大， 故管箱和封头法兰等焊接后，须进行消除应力的热处理，最后进行机械加工。6.1.4 折流板由于折流板很薄， 钻孔时钻头的推力使管板中心变形，故可将下料或圆整的折流板去掉毛刺并校平，重叠、压紧后沿周边点焊、然后一起钻孔。为了保证顺利穿管， 必须是折流板的管孔与管板中心在同一直线上，可以将管板当作钻模放在折流板上， 压紧后进行引孔， 即以管板危机出现在折流板上钻出和管板孔距一致的定位孔， 然后取下管板， 将折流板压紧， 并换上合