(完整word版)《管壳式换热器机械设计》参考资料.doc

1、1 前言 .11.1概述 . .1.1.11.2设计的目的与意义 . .21.3管壳式换热器的发展史 .21.4管壳式换热器的国内外概况 .31.5壳层强化传热 . .31.6管层强化传热 . .31.7提高管壳式换热器传热能力的措施 .41.8设计思路、方法 . .5.51.8.2换热器管径的设计 . .51.8.3换热管排列方式的设计 .51.8.4管、壳程分程设计 . .51.8.5折流板的结构设计 . .51.8.6管、壳程进、出口的设计 .61.9选材方法 . .61.9.1管壳式换热器的选型 .6精品 doc1.9.2 流径的选择 . .81.9.3 流速的选择 . .91.9.4

2、 材质的选择 . .91.9.5 管程结构 . .92 壳体直径的确定与壳体壁厚的计算112.1 管径 . .112.2 管子数 n112.3 管子排列方式，管间距的确定112.4 换热器壳体直径的确定112.5 换热器壳体壁厚计算及校核113 换热器封头的选择及校核144 容器法兰的选择155 管板165.1 管板结构尺寸 . .165.2 管板与壳体的连接 . .165.3 管板厚度166 管子拉脱力的计算187 计算是否安装膨胀节208 折流板设计22精品 doc9 开孔补强2510 支座 .2710.1 群座的设计 .2710.2 基础环设计 .2910.3 地角圈的设计 . .30符

3、号说明32参考文献34小结35精品 doc2 壳体直径的确定与壳体壁厚的计算2.1 管径换热器中最常用的管径有 19mm2mm和 25mm 2.5mm。小直径的管子可以承受更大的压力，而且管壁较薄；同时，对于相同的壳径，可排列较多的管子，因此单位体积的传热面积更大，单位传热面积的金属耗量更少。所以，在管程结垢不很严重以及允许压力降较高的情况下，采用 19mm 2mm直径的管子更为合理。如果管程走的是易结垢的流体，则应常用较大直径的管子。标准管子的长度常用的有 1500mm，2000mm，2500mm，3000m,4500,5000,6000m,7500mm,9000m等。换热器的换热管长度与公

4、称直径之比一般为 425, 常用的为 6 10选用 25 2.5 的无缝钢管，材质为20 号钢，管长 4.5m。2.2 管子数 nF d均 Ln (2-1)其中安排拉杆需减少6 根，故实际管数n=503-6=497 根2.3 管子排列方式，管间距的确定采用正三角形排列，由化工设备机械基础表7-4 查得层数为 12 层，对角线上的管数为 25，查表 7-5 取管间距 a=32mm.2.4 换热器壳体直径的确定Dia(b1)2l (2-2)其中 l 为最外层管子中心到壳壁边缘的距离取 l2d ， Di32(251)2225868 mm ，查表 2-5 ，圆整后取壳体内径Di9 00mm2.5 换热

5、器壳体壁厚计算及校核材料选用 20R精品 docpc Di计算壁厚为：2 tpc , (2-3)式中 : p为计算压力，取 p=1.0MPa；900mm; =0.9;t=92Mpa（设壳壁温度为 350ccDiC）将数值代入上述厚度计算公式，可以得知：查化工设备机械基础表4-11 取 C21.2 mm ；查化工设备机械基础表4-9 得 C10.25 mm5.47+1.2+0.25=6.92mm圆整后取n7.0 mm复验n6%0.420.25 mm ，最后取 C10.25 mm该壳体采用 20 钢 7mm厚的钢板制造。1、液压试验应力校核PT ( Die )T2 e0.9 s (2-4)PT1.

6、15Pt1.1511.15Mpa (2-5)enC71.20.255.55 mm (2-6)查化工设备机械基础附表6-3s245Mpa1.15(9005.55)，T25.5593 .82Mpa精品 doc可见故水压试验强度足够。T0.9s2、强度校核设计温度下的计算应力pc ( Die ) 1.0 (900 5.55)Mpat2 e2 5.5581.58 t920.982.8Mpa t2 te最大允许工作压力 Pw Die2920.95.551.02Mpa (2-7)9005.55故强度足够。3 换热器封头的选择及校核上下封头均选用标准椭圆形封头，根据JB/T4746-2000 标准，封头为

7、DN9007，查化工设备机械基础表4-15 得曲面高度 h1150 mm ，直边高度 h240 mm，材料选用 20R钢标准椭圆形封头计算厚度：pc Di1.09002 t0.5 pc2 92 0.95.45 mm (3-1)0.5 1.02 te2920.95.55(3-2) pw 0.5 e19000.51.02MpaKD i5.55所以，封头的尺寸如下图：图 3-1 换热器封头尺寸4 容器法兰的选择材料选用 16MnR根据 JB/T4703-2000 选用 DN900，PN1.6Mpa的榫槽密封面长颈对焊法兰。精品 doc查化工设备机械基础附表14 得法兰尺寸如下表：表 4-1 法兰尺寸

8、公称直径DN/mm 法兰尺寸 /mm螺柱d规格数量900106010159769669635527M2428所以，选用的法兰尺寸如下图：图 4-1 容器法兰5 管板管板除了与管子和壳体等连接外，还是换热器中的一个重要的受压器件。5.1 管板结构尺寸查（化工单元设备设计 P25-27）得固定管板式换热器的管板的主要尺寸：表 5-1 固定管板式换热器的管板的主要尺寸公称Dbcd螺栓孔数直径90010601015966963584427245.2 管板与壳体的连接在固定管板式换热器中，管板与壳体的连接均采用焊接的方法。由于管板兼作法兰与不兼作法兰的区别因而结构各异， 有在管板上开槽，壳体嵌入后进行焊

9、接， 壳体对中容易，施焊方便，适合于压力不高、物料危害性不高的场合；如果压力较高，设备直径较大，管板较厚时，其焊接时较难调整。5.3 管板厚度管板在换热器的制造成本中占有相当大的比重，管板设计与管板上的孔数、孔径、孔间距、开孔方式以及管子的连接方式有关，其计算过程较为复杂，而且从不同角度出发计算出的管板厚度往往相差很大。 一般浮头式换热器受力较小， 其厚度只要满足密封性即可。对于胀接的管板，考虑胀接刚度的要求，其最小厚度可按表 5-2 选用。考虑到腐蚀裕量，以及有足够的厚度能防止接头的松脱、 泄露和引起振动等原因， 建议最小厚度应大于 20mm。表 5-2 管板的最小厚度换热器管子外25323

10、857径 d0 /mm精品 doc管板厚度 /mm3 d0 /4222532综上，管板的尺寸如下图：图 5-1 管板6 管子拉脱力的计算计算数据按表 6-1 选取表 6-1项目管子壳体操作压力 /Mpa0.820.78材质20 钢20R线膨胀系数弹性模量许用应力 /Mpa10192尺寸管子根数497管间距 /mm32管壳壁温差 / 管子与管板连接方式开槽胀接胀接长度 /mml 50许用拉脱力 /Mpa4.01、在操作压力下，每平方米胀接周边所产生的力q pq ppf(6-1)d0 l其中 f 0.866 a2d 02 0.866 322252396 mm 2 (6-2)44p0.82Mpa ,

11、 l50 mm2、温差应力引起的每平方米胀接周边所产生的拉脱力qt精品 docqtt ( d02di2 ) (6-3)4do l其中 tE(tt ts ) (6-4)At1AsAs D中 n 3.14 907 7 19935 .9 mm2 (6-5)At( d02di2 )n3.14(25220 2 ) 497 87782 .6 mm2 (6-6)44由此可知 q p ， qt 作用方向相同，都使管子受压，则管子的拉脱力：q=q p + qt =0.08+1.03=1.11 Mpa 4.0 Mpa (6-7)因此拉脱力在许用范围内。7 计算是否安装膨胀节管壳壁温差所产生的轴向力为：F1E(tt

12、ts ) As AtAsAt(7-1)11 .81060.211065019935 .987782.62.0110619935 .987782 .6（ N）压力作用于壳体上的轴向力：F2QAs(7-2)ASAt其中 Q( D i2nd 02 ) psn(d 02 t )2 pt (7-3)4= (9002497 252 ) 0.78497(25 2 2.5) 20.824精品 doc压力作用于管子上的轴向力为：则F1 F22.01 10 60.08 106s104.8Mpa (7-4)As19935.9根据 GB管壳式换热器q 4.0 Mpa ，条件成立， 故本换热器不必要设置膨胀节。8 折流

13、板设计设置折流板的目的是为了提高流速，增加湍动，改善传热，在卧式换热器中还起支撑管束的作用。常用的有弓形折流板和圆盘 - 圆环形折流板，弓形折流板又分为单弓形 图 8-1 （a） 、双弓形 图 8-1 （ b） 、三重弓形 图 8-1 （c） 等几种形式。图 8-1 弓形折流板和圆盘- 圆环形折流板单弓形折流板用得最多，弓形缺口的高度h 为壳体公称直径 Dg 的 15% 45%，最好是20%，见图 8-2 （ a）；在卧式冷凝器中，折流板底部开一90的缺口，见图8-2 （b）。高度为 1520mm，供停工排除残液用； 在某些冷凝器中需要保留一部分过冷凝液使凝液泵具有正的吸入压头，这时可采用带堰

14、的折流板，见图 8-2 （c）。图 8-2 单弓形折流板在大直径的换热器中，如折流板的间距较大，流体绕到折流板背后接近壳体处，会有一部精品 doc分液体停滞起来，形成对传热不利的“死区” 。为了消除这种弊病，宜采用双弓形折流板或三弓形折流板。从传热的观点考虑，有些换热器（如冷凝器）不需要设置折流板。但为了增加换热器的刚度，防止管子振动，实际仍然需要设置一定数量的支承板，其形状与尺寸均按折流板一样来处理。折流板与支承板一般均借助于长拉杆通过焊接或定距管来保持板间的距离，其结构形式可参见图8-3 。图 8-3 折流板安装图由于换热器是功用不同，以及壳程介质的流量、粘度等不同，折流板间距也不同，其系

15、列为： 100mm，150mm，200mm，300mm，450mm， 600mm，800mm， 1000mm。允许的最小折流板间距为壳体内径的 20%或 50mm，取其中较大值。允许的最大折流板间距与管径和壳体直径有关，当换热器内流体无相变时，其最大折流板间距不得大于壳体内径，否则流体流向就会与管子平行而不是垂直于管子，从而使传热膜系数降低。折流板外径与壳体之间的间隙越小，壳程流体介质由此泄漏的量越少，即减少了流体的短路，使传热系数提高，但间隙过小，给制造安装带来困难，增加设备成本，故此间隙要求适宜。折流板厚度与壳体直径和折流板间距有关，见表8-1 所列数据。表 8-1 折流板厚度 /mm壳体

16、公称相邻两折流板间距 /mm内径 300300 450450 600600 750 750/mm200 2503561010400 70056101012700681012161000 1000610121616支承板厚度一般不应小于表 8-1(左) 中所列数据。支承板允许不支承的最大间距可参考表8-1 （右）所列数据。表 8-2 支承板厚度以及支承板允许不支承的最大间距壳体直径400400900管子外径19253857/mm8001200/mm支承板厚6810最大间距150180025003400度/mm/mm0经选择，我们采用弓形折流板， h= 3 D3 900 675mm,折流板间距取查

17、化工4i4600mm,精品 doc设备机械基础表7-7 得折流板最小厚度为4mm,折流板外径负偏差 -0.60查化工设备机械基础表7-9 折流板外径为 896mm,材料 Q235-A钢查化工设备机械基础表7-10 拉杆12，共 10 根，材料 Q235-A F 钢折流板开孔直径25.60 0.40所以，折流板尺寸如下图：图 8-4 折流板9 开孔补强1、确定壳体和接管的计算厚度及开孔直径由已知条件得壳体计算厚度5.47mm接管计算厚度为 tpc D0(9-1)2 tpc其中 D0258mm 选用 20 钢查附表 9 得 t92Mpa开孔直径为： ddi2C(25824)21252mm (9-2

18、)精品 doc2、确定壳体和接管实际厚度，开孔有效补强面积及外侧有效补强高度h已知壳体名义厚度n7mm ，补强部分厚度为nt4mm接管有效补强宽度为B=2d=2252504mm (9-3)接管外侧有效补强高度hd nt502444.8mm (9-4)3、计算需要补强的金属面积和可以作为补强的金属面积需要补强的金属面积为：Ad50242008 mm 2 (9-5)可以作为补强的金属面积为：A1 ( B d)( e) (504 252)(5.55 4) 390.6 mm2 (9-6)A22h1 ( ett ) f r244.8(2.751.55)1107.52 mm 2 (9-7)4、 AeA1A

19、2A3390.6107.5216514.12 mm 2 (9-8)5、比较 Ae与A ， Ae (514.12 mm2 )A(2008 mm2 ) ，所以壳程接管需要补强，而管程接管的公称直径较大，也需要补强。常用的结构是在开孔外面焊上一块与容器壁材料和厚度都相同即 7mm厚的钢板。综上，得换热器开孔补强结构如下图：图 9-1 换热器开孔补强结构10 支座精品 doc10.1 裙座设计采用圆筒形裙式支座，裙座与塔体的连接采用焊接，由于对接焊缝的焊缝受压，可承受较大的轴向力，故采用对接形式。取裙座外径与封头外径相等。并且取裙座的厚度与封头的厚度相同，即裙座尺寸为 900 7mm.。裙座材料选用

20、Q235-A。图 10-1 裙座壳与壳体的对接型式。无保温层的裙座上部应均匀设置排气孔，表 10-1 排气孔规格和数量容器内直径 Di6001200140024002400排气孔尺寸8080 100排气孔数量，个24 4排气孔中心线至裙座壳140180220顶端的距离因此设置两个排气孔，排气孔尺寸为80，排气孔中心线至裙座壳顶端的距离为140图 10-2 裙座上部排气孔的设置塔式容器底部引出管一般需伸出裙座壳外，表 10-2 引出孔尺寸引出管直径 d20、2532、4050、7080、100引出孔无缝钢管13341594.52196273 8的加强卷焊管-200250管引出孔的加强管选用Q23

21、5-A 的无缝钢管，引出管直径选用20图 10-3 引出孔结构示意图10.2 基础环设计1、基础环尺寸的确定DibD is300900300600 mmDcbDis3009003001200 mm（ 10-1）（ 10-2）2、基础环的结构，基础环选用有筋板的基础环图 10-4 有筋板基础环3、有筋板基础环厚度的设计6M sb b （ 10-3）精品 doc操作时或水压试验时，设备重力和弯矩在混凝土基础环（基础环底面上）所产生的最大组合应力为基础环上的最大压应力b max 可以认为是作用作用在基础环底上的均匀载荷。表 4-3 混凝土基础的许用应力Ra混凝土标号Ra/MPa混凝土标号Ra/MPa

22、混凝土标号Ra/MPa753.51507.525013.01005.020010.0同样，根据工艺要求和前人的经验，可确定基础环的厚度为20mm，材料选用为Q235-A 。4.3 地脚栓的设计为了使塔设备在刮风或地震时不至翻倒，必须安装足够数量和一定直径的地脚螺栓，把设备固定在基础环上。地脚螺栓承受的最大拉应力为如果b0 ，则设备自身足够稳定，但为了固定塔设备的位置，应设置一定数量的地脚螺栓。如果b0 ，则设备必须安装地脚螺栓，并进行计算。计算时可先按4 的倍数假设地脚螺栓的数量为 n，此时地脚螺栓的螺纹小径（mm） :螺纹小径与公称直径见下表。表 10-4 螺纹小径与公称直径对照表螺栓公称直

23、径螺纹小径 /mm螺栓公称直径螺纹小径 /mmM2420.752M4237.129M2723.752M4842.588M3026.211M5650.046M3631.670选用 Q235-A ，计算后，选取地脚螺栓为M 30 900 ，n=8,相应螺母M30 ，8 个，则其尺寸查表，得表 10-5M30 螺母的尺寸螺栓M3036422812300120170精品 doc符号说明tt操作状态下管壁温度， C;F换热面积，；ts操作状态下壳壁温度， C；a管间距， mm；焊接接头系数，无量纲； di 壳体内径， mm；b正六边形对角线上的管子数，个；do壳体外径， mm；L换热管长度，； Pc计算

24、压力， MPa;d 均 管子的平均直径， mm；Pw工作压力， MPa;P最大允许工作压力，MPa；P设计压力， MPa;PT水压试验压力， MPa;计算壁厚， mm；DN直径（公称），； d设计壁厚， mm；公称压力， MPa；n名义壁厚， mm；管子的工作压力，MPa；e有效壁厚， mm；壳体的工作压力，MPa；C厚度附加量， mm；管壳壁温度，; C1钢板的负偏差， mm；许用拉脱力，MPa;C2腐蚀欲量， mm；线膨胀系数，C; s屈服点， MPa；每四根管子之间的面积，mm；h1曲面高度， mm；A 换热管截面面积， mm；ho短圆筒长度， mm；A壳壁横截面面积，mm；h2直边长度

25、， mm；F管、壳壁温差所产生的轴向力，N；E弹性模量，；F2压力作用于壳体上的轴向力，N； 温差应力，；F3压力作用于管子上的轴向力，N；l 胀接长度，mm；精品 doc最外层管子的中心到壳壁边缘的距离，mm；在操作压力下，每平方米胀接周边受到的力，；参考文献 1匡国柱史启才：化工单元过程与设备设计 ； 2秦叔经、叶文邦等：换热器M，化学工业出版社 ,2003 年版； 3谭天恩、窦梅、周明华等：化工原理（第三版）上、下册 M，化学工业出版社 ,2006年版； 4化工过程及设备设计 M华南工学院化工原理教研室 ,1987 ； 5贾绍义等：化工原理课程设计M，天津大学出版社 ,2003 年版； 6刁玉玮、王立业、喻健良等： 化工设备机