固定管板式换热器设计-过程设备设计课程设计

1、精品目录1.换热器选型和工艺设计 .31.1设计条件 .31.2换热器选型 .41.3工艺设计 .41.3.1传热管根数的确定 .51.3.2传热管排列和分程方法 .51.3.3壳体内径 .52 换热器结构设计与强度校核 .62.1管板设计 .62.1.1管板材料和选型 .62.1.2管板结构尺寸 .62.1.3管板质量计算 .72.2法兰与垫片 .82.2.1管箱法兰与管箱垫片 .82.3接管.102.3.1接管的外伸长度 .112.3.2接管位置设计 .112.3.3接管法兰 .132.4管箱设计 .152.4.1管箱结构形式选择 .152.4.2管箱最小长度 .15感谢下载载精品2.5换

2、热管 .162.5.1布管限定圆 .162.5.2换热管与管板的连接 .172.6拉杆与定距管 .172.6.1拉杆的结构形式 .172.6.2拉杆的直径、数量及布置 .182.6.3定距管 .182.7防冲板.192.7.1防冲板选型 .192.7.2防冲板尺寸 .202.8折流板 .212.8.1折流板的型式和尺寸 .212.8.2 折流板的布置 .212.8.3折流板重量计算 .213.强度计算 .233.1壳体和管箱厚度计算 .233.1.1壳体、管箱和换热管材料的选择.233.1.2圆筒壳体厚度的计算 .233.1.3管箱厚度计算 .243.2开孔补强计算 .253.2.1壳体上开孔

3、补强计算 .253.3水压试验 .26感谢下载载精品3.4 支座273.4.1 支反力计算如下：273.4.2鞍座的型号及尺寸284 焊接工艺设计294.1. 壳体与焊接294.1 .1 壳体焊接顺序294.1.2壳体的纵环焊缝304.2换热管与管板的焊接304.2.1焊接工艺314.2.2法兰与短节的焊接314.2.3 管板与壳体、封头的焊接324.2.4 接管与壳体焊接33总结35参考文献351. 换热器选型和工艺设计1.1 设计条件项目管程壳程工作压力1.70.7感谢下载载精品（ MPa ）工作温度4015017090（）净化煤水蒸气 /介质气冷凝水换热管尺寸25 2.5（ mm ）换热

4、面积（ m 2）90换热管长度（ m ）自选管程数2结构型式卧式使用寿命10 年1.2 换热器选型管程定性温度 t = 40 + 150 = 95 2170 + 90壳程定性温度T = 1302管壳程温差 ?t = T -t = 130 - 95 = 35 50故初步选择不带膨胀节的固定管板式换热器（双管程） 。根据介质特性初步选择换热管材料为20 号碳钢，壳体材料为 Q245R1.3 工艺设计感谢下载载精品1.3.1 传热管根数的确定已知换热管外径d o = 0.025m，内径d i = 0 .02m，换热面积S=90 m 2 ,管程数为2。取换热管长 l=6m ，由S= d o lN 得换

5、热管数N = S?d o l =90= 1913.14x0 .025x6取 N=192 （根）1.3.2 传热管排列和分程方法由于设计要求为双管程换热器，故采用组合排列方法， 即每程内均按正三角形排列，隔板两侧采用正方形排列。取管心距a= 1 .25d o (焊接 )则a=1.25x25=31.25取a=32mm；各 程 相邻 管的管心 距 a1 = 2 ( a + 6) =244mm横过管束中心线管数（正三角形排列）nc = 1 .1N = 1 .1x 192 = 15 .2 16（根）1.3.3 壳体内径多管程结构取管板利用率= 0.7 ，则壳体内径为D = 1.05aN? = 1.05x

6、32x 192?= 556mm0 .7取 D=600mm 1.3.4 折流板由于壳程有水蒸气冷凝，所以选用垂直切口的弓形（圆缺形）折流板。a.圆缺高度 h=25%D=25%x600=150mm感谢下载载精品b.折流板间距B = ( 1 1) D，取 B=300mm5c.折流板数N B = 传热管长度 / 折流板间距 -1=6000/300-1=19块2 换热器结构设计与强度校核2.1管板设计2.1.1 管板材料和选型管板是管壳式换热器最重要的零部件之一，用来排布换热管，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。管板的设计合理与否直接关系到换热器的制造成

7、本的高低及综合性能的优劣。由于本设计中的流体只具有轻微的腐蚀性，故采用工程上常用的Q2454R板材。固定管板式换热器常采用管板兼作法兰，故采用兼作法兰的管板。2.1.2 管板结构尺寸由壳程设计压力p s = 1 .0MPa , 管程设计压力p t = 2.5MPa；壳体公称直径DN=600查 P155可得管板的结果尺寸如下管板尺寸p sD1 D2 D3 D4 D5Cd 2螺栓b 1bp t DN DMPaMPa规格数感谢下载载精品量(n 2 )1.02.560076071567659766360012.527M24243848图 2-1管板结构2.1.3 管板质量计算d o 换热管外径25 ；

8、N 换热管根数192 ；感谢下载载精品 Q245R 密度， = 7850K g / m 3对上图所示的管板结构h 取值为 0 。其它字母含义和数值见上图和管板尺寸表22Q =( D2 - d 2 xn 2 ) xb f + D 42 x6 + D 52 x4 + D 32 xh - d o xbxN x42 -272 x24 ) x38 + 663 2 x6 + 600 2 x4 -25 2 x48x192 x10 - 9 x7850= ( 7604= 121K g2.2 法兰与垫片2.2.1 管箱法兰与管箱垫片（1）查 NB/T 47023-2012压力容器法兰可选管箱法兰为长颈对焊法兰，凹

9、凸密封面，材料为锻件Q245R ，其具体尺寸如下：（单位为 mm ）感谢下载载精品图 2-2凹凸面法兰结构感谢下载载精品DN600长颈对焊法兰尺寸法兰螺柱对接筒体DN规D D 1D2 D3 D4H ha a112Rd数量 最小厚度格716711M2600760666 663423521 181626122724105604（2）此时查 NB/T4702-2012压力容器法兰，根据设计温度可选择垫片型式为非金属包垫片，材料为石棉橡胶板，其尺寸为：图 2-3垫片结构管箱垫片尺寸PN(MpDN(m外径 内径垫片厚度a)m)D(mm)d(mm)2.560066561532.3接管（ 1）选材感谢下载载

10、精品本次设计压力在低压范围内、工作温度不高、介质腐蚀性弱、接管与壳体焊接连接，为了减少焊接应力集中选择接管材料选用20 号钢。（ 2）接管尺寸规格本次设计共有 8 个接管，由管口公称直径，查得接管的外径和厚度如下公 称 尺外径 mm厚度 mm(sch20)符号用途寸A80气体进口894.6B80气体出口894.6C80蒸气进口894.6D50冷凝水出口603.5E25排污口343.5F25排污口343.5G25排气口343.5H25排气口343.52.3.1 接管的外伸长度根据接管公称直径和厚度查 换热器设计手册 P142 表 1-6-6 可得，接管 A 、B、C、 D 、E、F、G、H 伸出

11、长度都可以取150mm 。2.3.2接管位置设计在换热器设计中，为了使传热面积得以充分利用，壳程流体进、出口接管应感谢下载载精品尽量接近两端管板，而管箱进、出口接管尽量靠近管箱法兰，可缩短管箱、壳体长度，减轻设备重量。然而，为了保证设备的制造安装，管口距地的距离也不能靠得太近，它受到最小位置的限制。（1） 壳程接管位置的最小尺寸壳程接管位置最小尺寸即接管中心线到管板密封面的距离如图2-3 所示 .图 2-4壳体接管的位置对接管 C(蒸汽进口 ),由于是无补强圈结构 ,可以按照下面的公式计算d h+ ( b - 4)+ C=89L1 + ( 48 - 4 ) + 30 = 118 .5mm22取

12、L= 120mm。1由于壳体接管 F,H 外径都小于 89, 其相应的L1 小于 118.5mm,故取接管 C、接管F、接管 H 的L = 1201d h = 89mm，为接管外径；b 为管板厚度；C管外壁至管板（或法兰）与壳体连接焊缝之间的距离，计算中取C 4S（ S 为壳体厚度， mm ），且30mm；(2) 管箱接管位置的最小尺寸管层接管位置 L2 是指接管中心到法兰密封面的距离如图3-4 所示感谢下载载精品图 2-5管箱接位置无补强圈按下面公式计算Ld h + h+ C =89 + 110 + 30 = 184 .5mm ；取L = 185mm；22f22同理，对管程接管、 E、G，取

13、L2 = 185mmh f 为法兰高度 ,由前可知hf = H = 110mm2.3.3接管法兰（ 1）接管法兰的材料为取材方便，选接管法兰材料为 Q245R（2） 法兰类型和密封面形式由 HG/T2059220653-2009钢制管法兰、垫片和紧固件可知， PN 2 .5MPa ，可以选用板式平焊法兰（ PL ）、密封面形式选用全平面（ FF）如图 2-6感谢下载载精品图 2-6全平面管法兰（3） 法兰结构尺寸法兰结构图如图2-7 所示图 2-7板式平焊管制法兰A1 为接管外径感谢下载载精品查得法兰的尺寸如下表公称尺寸连接尺寸法兰法兰DN法兰螺栓孔中螺栓孔螺栓螺栓孔厚度内径B1外径心圆直径直

14、径Th数量C（ B）DKLN （个）251007511M10414335014011014M12416598019015018M16418912.4 管箱设计2.4.1 管箱结构形式选择B 型封头管箱型 ,用于单程或多程管箱,结构简单 ,便与制造 ,适于高压清洁的介质 ,可省掉一块造价高的盲板、 法兰和几十对螺栓， 椭圆型封头受力情况比平端盖好得多。故选用此结构管箱。管箱结构尺寸确定2.4.2 管箱最小长度前端管箱由于换热器为二管程，其最小管箱长度可按相邻焊缝间距计算感谢下载载精品Lg min L2 + L3 + L4 = 185 + 100 + 183 = 468mmL2 在管箱接管最小位置

15、一节已算出为185mm ；L3 为接管轴线到壳体与封头焊缝间距离，这里取L3 = 100mm；L4 为封头高度，根据DN=600 ，查 GB/T25198-2010压力容器封头可得= h1 + h2 175mm考虑封头厚度L4 = h 1 + h 2 + Sp = 150 + 25 + 8 = 183mmh 1 为封头曲面高度，h 2 为封头直边高度，S p 为封头厚度（第三节强度计算中得出）取管箱长度为 470mm ；（后端管箱长度同前端管箱，见装配图）则L 取 102mm ；3管箱短节长度l+ L3= 185 + 102 = 287mm。d = L2由于是多管程换热器，故此处需要用到分程隔

16、板。查 GB151-2014 可知：分程隔板槽槽深 4mm，槽宽为 12mm ，且分程隔板的最小厚度为 10mm2.5换热管换热管的规格为 ?25 2.5 ，材料选为 20 号碳钢。2.5.1布管限定圆布管限定圆D L 为管束最外层换热管中心圆直径，其由下式确定：DL = D i -2b 3查 GB151-2014可知，d? 0.25d = 6 .25 ,且b ? 8mm33感谢下载载精品取b = 10mm ,则3D L = 600 - 2x10 = 580mm。2.5.2换热管与管板的连接换热管与管板的连接方式有强度焊、强度胀以及胀焊并用。强度胀接主要适用于设计压力小2.5Mpa ；设计温度

17、200 ；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强度焊。这是因为强度焊加工简单、焊接结构强度高，抗拉脱力强，在高温高压下也能保证连接处的密封性能和抗拉脱能力。2.6拉杆与定距管2.6.1拉杆的结构形式常用拉杆的形式有三种：1)拉杆定距管结构，适用于换热管外径大于或等于19mm 的管束， lL（ L2aa按GB151-2014规定）

18、；2)拉杆与折流板点焊结构，适用于换热管外径小于或等于14mm的管束，l1d ；感谢下载载精品3) 当管板比较薄时，也可采用其他的连接结构。由于此时换热管的外径为25mm ，因此选用拉杆定距管结构。此结构拉杆一端用螺纹拧入管板， 每两块折流板之间的距离用定居管固定，最后一块折流板用两个螺母拧紧固定。2.6.2拉杆的直径、数量及布置其具体尺寸如下所示：表 2-1拉杆的参数拉杆的直拉杆螺纹公称直拉杆的 abb径 d径 dn数量1616206024其中拉杆的长度L 按需要确定。拉杆应尽量均匀布置在管束的外边缘。若对于大直径的换热器，在布管区内或靠近折流板缺口处应布置适当数量的拉杆，任何折流板应不少于

19、3 个支承点。对于本台换热器拉杆的布置可参照零件图。2.6.3定距管定距管的规格同换热管， 其长度同实际需要确定。 本台换热器定距管的布置感谢下载载精品可以参照部件图。2.7 防冲板由于壳程进入介质为水蒸气， 会对入口出的换热器表面进行冲击，故应在流体入口处装置防冲板。2.7.1 防冲板选型防冲板采用下图（ d ）所示结构这种形式常用于壳体内径大于325mm时的折流板左、右缺口和壳体内径小于600mm时的折流板上、 下缺口的换热器。 本次设计壳体内径为600mm, 缺口为左右缺口，故选择此结构。感谢下载载精品2.7.2 防冲板尺寸防冲板摄于蒸汽进口接管处，即接管C 处。对接管 C，DN=80

20、；查的外径D o =89mm则H =(11 ) Do= （ 22.25 29 .67 ） mm,取H = 25mm。1431防冲板边长W 、 L（上图（ f ）应大于接管外径50mm, 即为 139mm 。取W=160mm,L=140mm。防冲板最小厚度D o 300 ; 碳钢 ,低合金钢为 4.5mm 。为取材方便， 取防冲挡板材料为 Q245R 。取防冲板厚度为5mm 。感谢下载载精品2.8折流板2.8.1折流板的型式和尺寸为方便选材，可选折流板的材料选为Q245R ，由前可知，弓形缺口高度为150mm ，折流板间距为300mm ，数量为 19 块，查 GB151-2014表 6-21 可

21、知折流板的最小厚度为4mm ，故此时可选其厚度为6mm 。同时查 GB151-2014表 6-20 可知折流板名义外直径为D N - 4 .5 = 595 .5mm。2.8.2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l 应按下式计算：B2) -(b - 4)= (150 +160(48- 4)；l = ( L1 +) -= 186mm22其中：L1 壳程接管位置的最小尺寸，mm ；b 管板的名义厚度，mm ；B2 为防冲板长度，由前可知其值为160mm2.8.3折流板重量计算符号说明如下：Q折流板质量，kg ；Da 折

22、流板外圆直径， ；Af 折流板切去部分的弓形面积，Af = Da 2 C， mm2 ；感谢下载载精品C系数，由 h a?D a 查表求取；h a 折流板切去部分的弓形高度，mm ；d 1 管孔直径， mm ；d 2 拉杆孔直径， mm ；n 1 管孔数量；n 2 拉杆孔数量；折流板厚度，mm ； Q245R 密度， = 7850K g / m 3 。计算过程如下h a?D a= 150?= 0 .252 ，查得 C = 0 .15528；595 .5Af= Da2 C = 595 .52 0 .15528= 55065mm2 ；Q=(Af ) -d 2 2 . n2 ) D a 2 -( d

23、1 2 . n 1+444= ( 595 .5 2 -55065 ) -( 25 2 192 + 16 2 4444) x6x10 - 9 x7850= 6.04k g感谢下载载精品3. 强度计算3.1 壳体和管箱厚度计算3.1.1壳体、管箱和换热管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Q245R 为壳体与管箱的材料。Q245R 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。管程介质为水煤

24、气轻微腐蚀，一般取换热管材料为20 号碳钢。3.1.2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 .0 ；根据过程设备设计第三版P115 可知 Q245R 钢板负偏差C1=0.3mm ，取腐蚀余量 C2=2mm壳程条件（厚度为616mm时）p c = 1 .1p w = 1.1x0 .7 = 0 .77MPa设计温度t s = 170 t筒体材料 Q245R许用应力【】 = 136 .4MPa屈服点 = 245MPas常温许用应力【 】 = 148MPa壳体计算厚度按下式计算为：感谢下载载精品=Pc D i=0 .77 600= 1.7mm；(3

25、-1)t ?- P2136 .41 - 0 .772c设计厚度为： = + C2= 1 .7 + 2 = 3 .7mm ；(3-2)d名义厚度 n= d+ C1 + ?= 6mm ( 其中 ?为向上圆整量 )； (3-3)查其最小厚度为 6mm ，则此时厚度满足要求，且经检查，t没有变化，故合适。3.1.3管箱厚度计算管箱由两部分组成： 短节与封头；由 2.4 管箱设计部分可知为管箱为B 型封头管箱型 ,取封头管箱材料 Q245R 。管程条件p c = 1 .1p w= 1.1 ? 1 .7 = 1.87MPa设计温度 t t=150 t封头管箱材料 Q245R许用应力 【 】 = 140MP

26、a屈服点 = 245MPas常温许用应力 【 】 = 148MPa此时选用标准椭圆形封头，故1，且C1= 0.3，C2= 2mm，则封头计算厚度为：h =KPcD i=1 1 .87 600= 4 .02mm ；(3-4)t ?- 0.5P140 1 - 0 .5 1 .872 c2设计厚度h+ C2 = 4 .02 + 2 = 6.02mm ;(3-5)dh=GB151 中规定的最小厚度 7.00 mm ，故名义厚度 = + C+ ?= 8 mm（? 为向上圆整量）；nhdh1感谢下载载精品t经检查，没有变化，故合适。查 GB/T25198-2010压力容器封头可得封头的型号参数如下EHA 标准椭圆型封头参数DN(m总深度内表面积 A( )容积 (m3)封头质量（）m) H(mm)6001750.43740.035327.5短节部分的厚度同封头处厚度，