换热设备的设计

1、第六章换热设备的设计6.1换热设备的分类和总体结构6.1.1换热设备的分类按照传热方式的不同，换热设备可分为三类：1. 混合式换热器一一利用冷、热流体直接接触与混合的作用进行热量的交换。这类换热器的结构简单、价格便宜，常做成塔 状。2. 蓄热式换热器一一在这类换热器中，热量传递是通过格子砖或填料等蓄热体来完成的。首先让热流体通过，把热量蓄在蓄热 体中，然后再让冷流体通过，把热量带走。由于两种流体交变转换输入，因此不可避免地存在着一小部分流体相互掺和的现象，造成流 体的“污染”。这类换热器的结构紧凑，价格便宜、单位体积传热面大，故较适合于气一气热交换的场合。3. 间壁式换热器一一是工业中最为广泛

2、应用的一类换热器。冷一热流体被一固体壁面隔开，通过壁面进行传热。按照传热面的形 状与结构特点它又可分为：(1 )管式换热器一一如套管式、螺旋管式、管壳式、热管式等。(2) 板面式换热器一一如板式、螺旋板式、板壳式等。(3) 扩展表面式换热器一一如板翅式、管翅式、强化的传热管等。其中以管式换热器应用作为广泛其特点见表61所示。表6-1管壳式换热器的主要类型及特点类型固定管式换热器浮头式换热器U型管式换热器结构特点换热器的管端以焊接或胀接的方法固定在两块板上，管板以焊接的方法与壳体相连换热器中一块管板与壳体固 定，另一块管板能自由移动换热管被弯成U形，管的两端固定在冋一管板上设备性能当壳体直径相同

3、时便于排更多的管 子，管内不易积垢壳程难以清洗在壳体与管中产生很大的温差应力管束可抽取管内、外都能清洗一块管板可自由移动在壳体与管中不会产生温差应力只有一块管板管束可以从壳 体中抽出管外清洗方便管内 清洗困难在壳体与管中不会 产生温差应力6.1.2管壳式换热器的总体结构管壳式换热器的总体结构均包括：管箱、管板、壳体、折流板或支承板、定距管、拉杆、分程隔板、接管、支座等。如图6-1所 示。#)AES. B6S”头（b） BEM立式园定甘籤式換热S6.4mm 则D4=863mm8f=52mm （不包括厚度附加量）垫片采用金属包垫片 865x 825JB/T4706-200 由 GB150-98 表

4、 92 查得 m=3.75，y=52.4MPa 选 32 个材料为35CrMoA等长双头螺栓M24 x 160JB/T4707-2000。O1螺栓计算预紧状态下需要的最小螺栓载荷按式GB150-98式（9-4）计算：Wa Fa3.14DGby式中垫片有效密封宽度b865 825垫片接触宽度N 20mm2 N 20按GB150-98表91得垫片基本密封宽度bob 2.53 bo 2.53 10 8mm垫片压紧力中心直径Dg D4 2b 863 2 8 847mm垫片比压力y=52.4MPa （见GB150-98表9-2）以上数值代入式（9-2）得Wa3.14 847 8 52.4 1.115 1

5、06N操作状态下需要的最小垫片压紧力按GB150-98 式(9-5)计算:6-13)Wp F Fp0.785Dg2Pc6.28DobmPc式中由上已知 b=8mm，DG=847mm 垫片系数m=3.75 管程设计压力p=1.68MPa以上数值代入式（9-5）得WP 0.785 8472 1.68 6.28 847 8 3.75 1.6860.946 106预紧状态下需要的最小螺栓面积按660.268 106 1.214 106GB150-98 式(9-6)计算：Aa6-14)操作状态下需要的最小螺栓面积按GB150-98 式（9-7）计算：6-15)式中常温下螺栓材料许用应力I 163.6MP

6、a代入式（9七）、式（9-7）得o b=228MPa在设计温度420 C下螺栓材料许用应力1.115 10624890mm228Ap 1-214 10 7420.5mm 2p 163.6需要的螺栓面积A m A p 7420.5mm2实际螺栓面积WP22A b n do? do 20.75mm 32 0.785 20.752 4c210815.73mm2Ab Am所需螺栓面积足够。螺栓最小间距L?由GB150-98表93确定Ui dB 24 H寸，Lmin 56mm推荐的螺栓最大间距6fLmax 2C)BmmBm0.56-16)式中螺栓公称直径dB24mm法兰厚度f52mm垫片系数m以上数3.

7、75值代入式（9-3)得max 2 24 652121.4mm3.75 0.5实际间距L=Db314915 89.78mm32Lmin LL max螺栓布置符合要求02法兰计算法兰预紧力矩按GB150-98式9-10)计算:6-17)M a FbLg N mm式中预紧状态螺栓设计载荷按GB150-98 式(9-8 )计算：w fg Am A b b 7420.5 10815.73 228 2.08106N g 2 b力臂i Db Dg915 847 34mmg2以上数值代入式（9-10）Ma2.08 106 34 7.072 107 N mm6-18)法兰操作力矩按GB150-98式（1 ）计

8、算：M p FdLd FtL t FgL g Nmm式中作用于法兰内径截面上的流体静压轴向力FdO785DPPc0.785 8002 1.68 0.844 1 06N图6-5法兰受力图（见 GB150-98 图 9-1 续）（a）流体静压总轴向力与作用于法兰内径截面上流体静压轴向力之差Ft F-Fd 0.785 Do2 Di2 Pc 0.785 84728002 1.68 0.102106 N窄面法兰垫片压紧力Ft FP 6.28DGbmpc 6.28 847 8 3.75 1.68 0.268 1 06Nl La 1 Lg 34 26 34 47力臂 LdLa0.5 134 0.5 26 4

9、7力臂Lg34以上数值代入式（Mp法兰设计力矩9-11)得0.844 1 06 4 7 0.102 1 06 4 7 0.268 1 06 344.446 107 0.911 107 5.357 107 N mmrftMaW取其中之大值Mp6-19)力臂式中法兰材料为15CrMo锻件，其常温下许用应力为147MPa，在设计温度420C下许用应力为107.6MPa。代入上式得7.072 IO?戦65.177 w7N mmMo1475.357 107 N mmM 5.357 107 N mm法兰应力1 ）轴向应力按GB150-98式（9-13）计算：fMi2Di6-20）2 ）周向应力按GB150

10、-98式（9-15）计算:YM20 ZrQT和 j R6-21 ）3）径向应力按GB150-98式（9-14）计算:1.33 te 1 Mo6f2Dj6-22 ）式（9-13） 式（9-14）中整体法兰系数颈部应力校正系数f1 261.625261.62516由图97查得f=1.4 ；feifTdie Fl di U h 020 he按 1 / 01.625，h/ho 0.309，由图 9-3 及图 9-4 查得 Fi 0.875，Vi 0.347 按960K Dt/Di1.2，由图 98 查得 T1.8, U 13.3，Y 11.67，Z 5.8。将 Fi、Vi、fi80011T、U、Y、Z

11、 代入参数，e，ch 式中得 di 1.111 10&，e 0.00773，0.906 将以上数据代入式（9-13），式（9-15 ）1.4 5.375 107H2 153MPaH 0.906 262 800I. 33 52 0.00732 1 5.357 107 42MPaqr 0.906 522 800II. 67 5.357 107aT25.8 42 45.4MPaT522800应力校核h 153MPa1.5 t11.5 107.6 161.4MPa 轴向应力 ft2.510 2.5 115.6 289MPan周向应力 T45.4MPa/ 107.6MPa径向应力R42MPa 107.6

12、MPa组合应力Oh +引 153 45.499 22H +6 1534297 5 ft 107 6MPa 2107.6MPa2f计算结果：该法兰强度条件满足，所选法兰尺寸是合适的。其中法兰厚度t52mm加上附加厚度4mm为56mm。6.3.1.3管板计算（1）初始数据壳程圆筒内径Di 800mm ;厚度s8mm ；（图样采用10mm ）管箱（封头）厚度h10mm ;（图样采用12mm）换热管图6-6延长部分兼作法二的管板外径d 38mm ;壁厚t3mm根数n 205 ;间距s 48mm ;有效长度L 2874mm ;管箱法兰外径Dt 960mm ;宽度bf80mm厚度 f 56mm。假定管板厚

13、度p 60mm （图样采用65mm ）法兰部分厚度t* 50mm （即壳程圆筒法兰）延长部分兼作法兰的管板，如图6-6所示。壳体材料：16MnR ，弹性模量： 线膨胀系 数：Es 1.88 105MPas 12.72 10 61/ C （壳体壁温 ts274 C ）换热管材业M 20号钢，弹性模量： 线膨胀系 输:Es 1.73 105 MPa113.24 1061/C （换热管壁温 te350 C ）各零件材料在设计温度时的物理、机械性能数据如下:换热管材料屈服限J 147MPa封头法兰材料：15CrMo （锻件）弹性模量：Ef1.86 106MPa管板材料：5厂 1上/ Am.、L V 7

14、*7/? VC 片 K /I C 亠c法三材料：15CrM0 （锻件）Et 1.776 105 MPa许用应力：壳程圆筒：1C 142MPac换热管：tc 84MPa11管箱封头法兰：107.6MPa管板： r 107.6MPa换热管与管板采用先胀后焊胀接长度l=50mm管孔开槽，许用拉脱应力q=4MPa。 几何物理系数计算222壳程圆筒内径面积ADi2 0.785 8002 502400mm 24管板开孔后面积 Ai A-n d2 / 4 502400 205 0.785 382 270024mm2壳程圆筒金属横截面积A st Dis3.14 8 800 8 20297mm2换热管金属截面积

15、atd t3.14 3 38 3 329.7mm2管板布管区面积（三角形排列）管板布管区当量直径DtA t0.866 n2s 0.866 205 482 409029mm24At029 721.84m m2Y 2.14#管板布管区的当量直径与壳程圆筒内径之比tDt 721.84 0 9023t Di 800系数AAnaAi2700240.537502400205 329.7 0.25270024Etna 1.73 105 205 329.7 3.064EsAs 1.88 1 05 202970.4 0 6 1 Q 0.4 0 6 1 3.064 4.94 s 0.537110.6 3.064

16、7.320.5370.4 1 0.6 Q 0.4 1 0.25管束模数Etna 1.73 io5 205 329.7 5082MPaLDi2874 800管子加强系数D.1.318 1pEtnaEpL?n管板刚度消弱系数 一般可取|1值 H=0.4）4.21.318800 1.73 1055 205 329.760 1.776 1050.4 2874 60管板周边不布管区无量纲宽度k=K 1 t4.2 1 0.9023 0.4111(3)强度影响系数计算O1旋转刚度DiW8000.0125，Di568000.07S80.01，Di 800508000.0625由图 7-7 查得0.000750

17、.000475壳程圆筒与法兰（或凸缘）的旋转刚度参数1 2减tt細彳12Di bt DiEs1 2 1.766 105 80 2 5012.7MPa18.4MPa3 1.88 105 0.00047512 800 80 800管箱圆筒与法兰（或凸缘）的旋转刚度参数1 2E fbt 2 /3 EhKf f 12 Di bf Di121.766 105 80 2 56 3 1.88 10s 0.0007512 800 80 800旋转刚度无量纲参数眉 丘 3肿 1271.96 103f 4Kt 4 508202法兰力矩基本法兰力矩MmAmLo b 7420.5 228 5.75 107管程压力作用

18、时的法兰力矩MP5.375 107N mm按K 4.2，Kt 1.96 10彳查图78得m i0.12，查图79得G23.0按 K4.2，Q=3.064，查图 79 得 ma2.90 查图 610 得 GsO.012系数mi0.12KKt 4.2 1.96 10314.58m1 2K Q G20.122 4.2 3.064 3.02.36 103系数Kf0.0019604KtGs0.00196 0 012 管板边缘力矩变化系数M-/1.20Kf”127，0.14f18.4系数法兰力矩变化系数Mt= KKHtf M 1182.-741.20 0.82803危险组合壳程压力作用下壳程设计压力Ps=

19、Pc=1.57MPa管程设计压力Pt=o管程压力作用下壳程设计压力Ps=0管程设计压力Pt=1.68MPaPc=-Pt (1+0) =-1.68(1+0.25)=-2.1 MPa不计膨胀差计入膨胀差不计膨胀差计入膨胀差t!t( 0 s gg12.24 10 6350 2012.72 10 6274 201/C1.14x10-3ttt tos ts to12.24 10 6350 2012.72 10 6274 201/C1.14x 103EtMPa=0.25 1.1410 M .73 10 5MPa49.2EtMPa=0.25 1.1410 3 1.73 105MPa4.92PaspsEt4.

20、941.57 EtMPa7.857.0Pas psEt7.321.68EtMPa-12.336.9M 4M m0.0340.00467Mm 4M m-0.020.00673Mm3DiPa4 5.75 107Dl3Pa4 5.75 1070.537 3.17 8003Pa30.537 3.17 8003PaM=M m M Ml M m1.2 2.36 1030.03680.0075M=M p-0.0200.00673M=14.58M0.53650.1111M=14.58M-0.2920.0981mm012 20 m111.090.40m1 m 20.12 2.9 m11-1.0260.37G1

21、由 K=4.2，m=查图 7-6 得0.240.20G1 由 K=4.2，m=查图 7-6 得0.720.20管板径向应力系数1 Gi1Gi4 QG 24 3.064 30.01520.00916管板径向应力系数r 1 Gi 1Gi4 QG24 3.064 30.0210.00905管板布管区径向应力系数3m 1r4KQG23m 10.04930.013管板布管区径向应力系数3m 1r4KQG23m 1-0.02140.0124 4.2 3.064 34 4.2 3.064 3管板布管区剪切应力系数10.06330.046管板布管区剪切应力系数10.02920.0454 Q G2Pp4 Q G

22、24）校核管板、壳体法兰、换热管、壳程圆筒以及拉脱应力。壳程压力作用下壳程设计压力Ps=Pc=1.57MPa管程设计压力Pt=O管程压力作用下壳程设计压力Ps=O管程设计压力Pt=1.68MPa管板径向应力GJ Pa0.53786o 2= 0.4 PMPa管板布管区周边处径向应力不计计入膨胀差膨胀差28.3 1.5124.6 1.5J.5rf3107.6161.4107.6322.859.65 1.533.25 1.51.53107.6107.6管板径向应力不计计入膨胀差膨胀差6.14 1.579.7 1.51)r1.5lr1.5107.6107.6322.8175.40 1.513.63 1

23、.5V1.5 3107.6107.6161.4322.8管板布管区周边处径向应力Pc=-Pt（1+p） =-1.68（1+0.25）=-2.1 MPa-Di2rr Pakk2Dr r r ar 0.537 Pa 800 21 kk 2mr 0.4 a 60m 2m0.41 0.4121 m-412 mr 0.537 Pa 800 2r 0.4 a 60MPa0.41 0.4121 m41 Mm12 mMPa管板布管区周边剪切应力管板布管区周边剪切应力D7.97 0.542.35 1.5D.5.J5 0.526.8 1.5PP Pap，r0.5r1.5PPPa Dpt10.5r1.50.5377

24、21.84Dt107.6107.60.537 721.84Dt107.6107.6p 0.4 Pa6053.8161.4p 0.4 Pa6053.8161.4MPaMPa壳体法兰应力壳体法兰应力f*Y Pa W65 06 1 5i 4 Y PaDfj27.5 1.593.3 3l4YPaf79.93 1.5tM m M f M1MmM f MiM.5r30.785 11.67 0.537r 1.5r30.785 11.67 0.537107.6107.6107.6107.6322.8161.4322.8PaW 0.1 4M m161.4Pa 800 0.14Mma50 m 0.8282.36

25、10 30.828 2.36 10 3MPaMPa换热管轴向应力换热管轴向应力1G2Q1 G 2QrPcQG293.7 3rPcOG274.1 310.7tr3123.1V 30.2584107.60.25/ 84107.61.57 33 64 Pa322.81.57 33 64 Pa322.83.064 3157 3.064 3PaMPaMPa壳程圆筒轴向应力壳程圆筒轴向应力138.8 3130.40 3Al p26.2722.491cAPa142tc 3CA1A s Q G2PaC 142-3142 426142 426MPaMPa拉脱应力拉脱应力0.38751.812.841tat329

26、.7qq 4MPaq 4MPata1329.7nq 4MPaq 4MPadl 3.13 38 5dl 3.13 38 5(5)换热管稳定性计算管子回转半径1 d2 d 2 t 21 382 3 8 2 3 1 2.4mm从图7-1可知管子受压失稳当量长度Icr 520mm参见附图7-13确定系数cr 2 12 2 152.3463 38MPaCr22Et2 3.142 1.73 105152.34147er520 42(i 12.4 rDr 152.34则管子稳定许用应力10从应力计算得计入膨胀差的管子应力t0，且ter。则表明管子稳定性不够，需er采取措施。本设计采用设置膨胀节，减少管子的压

27、应力，从而增加其稳定性。6.3.1.4 U形膨胀节计算（D要否设置膨胀节的判定通过管板计算，按四种危险工况对管子、壳程圆筒以及拉脱应力的校核得如下结论：er ( t0 )，则t 3 t ；但 t 0，且 t erq q （除只考虑壳程压力，且不计膨胀差外）由于q q，t需要设置膨胀节。（2）应力计算选择U形膨胀节，材料为16MnR （与壳程圆筒相同）结构参见插图及GB/T12777-91 具体几何尺寸如下O1初始数据：设计压力p 1.57MPa设计温度t=310C官功段外径 De Di 2 s800 2 8 816mm波高h 125mm波长W 220mm层数m 1波数n 1当量圆筒外径Dm D

28、e h 816 125 941 mm1成型前有效厚度e8mm成型后有效厚度De2 eDm81628 7.45mm946e rL 1.14 10 3 2874 3.3mma/(2) b/(2) b中 Z大值图6-13换垫管换稳的当量长度Icra/(2) 5n b/(2)0-5- c中a/(2)a b/(2) g d.七中Z大值a5. b/(2) c、d中Z大值. - ?山对A膨胀节材料在设计温度下 弹性模量t 5 51.88 105MPa (常温时 Eb2.06 105 MPa屈服点t 227.2MPa许用应力tex142MPa02系数计算按横坐标:W 1800.720纵坐标：2h2 125W

29、1801.02.2 Dm ex 2.2 941 7.45由 GB12777-91 图 A2、图 A3、图 A4 查得：Cp0.52 Ct 1.35 Cd2.303刚度计算Kex 1 . 7mDCmfEb取腐蚀余量C2 0mm)101.71 941 1.88 105 7.45 01.3512504应力计算内压引起的应力：周向薄膜应力4.72 104 N/mmpDm1 nh1.57 94112m exn只力2m exw2 1 7.452 125n F418050.6MPa经向薄膜应力157125 13.17MPa经向弯曲应力OmCp2 m ex位移引起的应力：经向薄膜应力Eb ex C23Cf经向弯曲应力5Ebex C2e3h2Cd组合应力2 1 7.451571252 0.52 114.92MPa2 1 7.45522.06 105 7.45 23.3 y.issMPa2 1253 1.355 2.06 105 7.45 3.3 234.88MPa3 1252 1