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，故较适合于气气热交换的场合。3.间壁式换热器是工业中最为广泛应用的一类换热器。冷热流体被一固

2、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）管式换热器如套管式、螺旋管式、管壳式、热管式等。（ 2）板面式换热器如板式、螺旋板式、板壳式等。（ 3）扩展表面式换热器如板翅式、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6-1 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 型管式换热器换热器的管端以焊接或胀接的方法固换热器中一块管板与壳体固换热管被弯成 U 形，管的结构特点定在两块板上，管板以焊接的方法与定，另一块管板能自由移动两端固定在同一管板上壳体相连当壳体直径相同时便于排更多的管管束可抽取只有一块管板管束可

3、以从壳体中抽出子，管内、外都能清洗管外清洗方便设备性能管内不易积垢一块管板可自由移动管内清洗困难壳程难以清洗在壳体与管中不会产生温差应在壳体与管中不会产生温在壳体与管中产生很大的温差应力力差应力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。.图 6-1 常见管壳式换热器结构1平盖； 2平盖管箱（部件） ； 3接管法兰； 4管箱法兰； 5固定管板； 6壳体法兰； 7防冲板；8仪表接口； 9补强圈； 10壳体（部件） ；11折流板； 12旁路挡板； 13拉杆； 14定距管；15支持板； 16双头螺柱；

4、17螺母； 18 外头盖垫片； 19外头盖侧法兰；20外头盖法兰；21吊耳； 22放气口； 23椭圆形封头；24浮头法兰； 25浮头垫片； 26无折边球形封头；27浮头管板； 28浮头盖（部件） ； 29外盖头（部件） ； 30排液口； 31钩圈； 32接管；33活动鞍座； 34换热管； 35假管； 36管束（部件） ；37固定鞍座； 38滑道； 39管箱垫片；40管箱短节； 41 封头管箱； 42分程隔板； 43悬挂式支座；44膨胀节（部件） ；45中间挡板；46 U 形换热器； 47内导流筒； 48纵向隔板；49填料； 50填料函； 51填料压盖；52浮动管板； 53部分剪切环；54活套法

5、兰。6.2 管壳式换热设备设计的内容和步骤管壳式换热设备设计的内容管壳式换热设备设计的内容包括工艺设计和机械设计两方面。本课程设计是把工艺参数、.尺寸作为已知条件，在满足工艺条件的前提下，对换热设备进行强度、刚度及稳定性计算，并从制造、安装、检修、使用等方面出发进行结构设计。换热设备设计任务书内容和格式按表6-2 所示。管壳式换热设备设计的步骤在阅读了设计任务书后，按以下步骤进行换热设备的机械设计。1 了解设计条件；2 选材；3 按设计压力计算壳体和管箱壁厚；4 管子与管板连接结构设计；5 壳体与管板连接结构设计；6 管板厚度计算；7 折流板、支持板等零部件的结构设计；8 换热管与壳体在温差和

6、流体压力联合作用下的应力计算；9 管子拉脱离和稳定性校核；10 判断是否需要膨胀节，如需要，则选择膨胀节结构型式并进行有关的计算；11 接管、接管法兰、支座等的选择及开孔补强设计等。.表 6-2换热设备设计任务书比例条件内容修改设计参数及要求修改标记修改内容签字日期壳程管程工作压力， MPa1.431.53设计压力， MPa1.571.68工作温度，310420设计温度，310420单位名称介质碱洗气变换气工程名称推荐材料16MnR20 钢设计项目管 /壳程数11条件编号传热面积， m270设备图号公称直径， mm800位号 /台数传热管直径， mm38提出人日期传热管长度， m3备注传热管根

7、数，根205腐蚀情况微弱设计寿命接管表符号公称尺寸 DN连接面形式用途a400凹面变换气b250凹面碱洗气c250凹面碱洗气d400凹面变换气e1/2”螺纹排水口.表 6-3换热设备设计任务书简图与说明设计参数及要求壳程管程工作压力， MPa1.431.53设计压力， MPa1.571.68工作温度，310420设计温度，310420介质碱洗气变换气管/壳程数11传热面积， m270公称直径， mm800传热管直径， mm38传热管长度， m3传热管根数，根205腐蚀情况微弱设计寿命接管表符号公称尺寸 DN连接面形式用途a400凹面变换气b250凹面碱洗气c250凹面碱洗气d400凹面变换气e

8、1/2”螺纹排水口.6.3换热设备的设计示例6.3.1管壳式换热器某合成氨厂变换工段中变换热器，系卧式固定管板式的管壳式换热器，如图6-2 所示，其壳程圆筒内径为 800mm。换热管规格为38× 3 的无缝钢管，共205 根，管长3m。工作条件：壳程介质为碱洗液（脱碳后的氮氢混合气），压力为1.43Mpa ，最高温度为310；管程介质为变换气（含有二氧化碳的氮氢混合气），压力为1.53Mpa ，最高温度为420。有工艺计算得沿长度平均的壳程圆筒金属温度为274，换热管金属温度为350。试对该换热器进行材料选择、结构设计及强度计算。结构草图如图6-2 所示，下面分别进行壳程圆筒、管箱封

9、头及圆筒、法兰、管板，以及U形膨胀节设计及计算。图 6-2 卧式带膨胀节的固定管板换热器1变换气入口接管；2锥形封头； 3设备法兰； 4管板； 5碱洗气出口接管；6补强圈； 7筒体； 8膨胀节； 9换热管； 10定距管； 11折流板；12碱洗气入口接管；13变换器出口接管；14鞍式支座。壳程圆筒根据工作条件选择壳程圆筒的材料为16MnR 钢板。在常温时许用应力为170Mpa ，在设计温度 310时的许用应力为142MPa，屈服限为227Mpa 。按 GB150-98 式（ 6-1）壳程圆筒计算厚度pcDit（6-1）2Pc式中计算压力 Pc1.1 1.43 1.57MPa ；内直径 D i80

10、0mmt材料许用应力142MPa焊缝系数 =0.85（采用双面焊、局部无损探伤）以上数值代入式（6-1）得1.578005.24mm2 1420.85 1.57.按 GB150-98 碳素钢或低合金钢容器的最小厚度不小于3mm ，该厚度值不包括厚度附加量C=2mm 即e6mm 。壳程圆筒的液压试验及压力试验时应力校核。试验液体为水，试验压力PT 按下式PT1.25t1.25 1.57 1702.35MPa142压力试验时，圆筒的总体薄膜应力按下式PT Die2.35 800 6ts 0.9 227 204.3MPaT2 e185 0.92 6 0.85管箱（ 1）锥形封头如图 6-2 所示为带

11、折边锥形封头，根据工作条件选择锥形封头材料为15CrMoR （正火加回火）钢板。 在常温时许用应力为150MPa ，在设计温度420时的许用应力为115.6MPa，屈服限为 229.4MPa。图 6-3 锥形封头按 GB150-98 式（ 6-10），式（ 6-11）过渡段厚度' kPcDiht（ 6-10）20.5Pc与过渡段相接处的锥壳厚度' fPcD iht（ 6-11）0.5Pc式中计算压力Pc=1.1× 1.53=1.68MPa内直径 Di=800mm材料许用应力 t=115.6MPa.焊缝系数 =0.85（采用双面焊、局部无损探伤）系数 K=0.682 （

12、采用标准封头r/D i =0.15, =30 ） f=0.554 （同上）K 、f 值分别由 GB0-98表 6-4、表 6-5 查得。以上数值代入式（6-10）、式（ 6-11）得'0.6821.68800h115.60.850.54.70mm21.68'0.5541.68800h0.850.57.64mm115.61.68取 h 7.7mm ，附加厚度 c=2mm选取he10mm锥形封头的水压试验压力PT1.25Pct1.25 1.68 1502.27MPa115.6壳程圆筒和封头计算参见GB150-98 。（ 2）管箱法兰选 JB/T4703-2000 长颈对焊法兰 PN

13、=2.5MPa ，DN800 ，材料为 15CrMo 。法兰密封面型式为凹凸面，连接尺寸（参阅图 6-4）如下：Di=800mm 0=16mmDb=915mm 1=26mmDf =960mmH=115mmD4=863mm f=52mm （不包括厚度附加量）垫片采用金属包垫片865× 825JB/T4706-200 由 GB150-98 表 9-2 查得 m=3.75 ， y=52.4MPa选 32 个材料为35CrMoA 等长双头螺栓M24 × 160JB/T4707-2000 。1 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 Fa

14、3.14D G by（ 6-12）式中垫片有效密封宽度b垫片接触宽度 N86582520mm2按 GB150-98 表 9-1N20得 垫 片 基 本 密 封 宽 度 b010mm 由 于 b>6.4mm则22b 2.53 b0 2.53 10 8mm垫片压紧力中心直径 D G D 4 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W a3.14 847852.41.115 10 6 N操作状态下需要的最小垫片压紧力按GB150-98 式（ 9-5）计算：WpFFp0.785DG2 Pc6.28DG bm

15、Pc（ 6-13）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W p0.78584721.686.2884783.751.680.9461060.2681061.214106预紧状态下需要的最小螺栓面积按GB150-98 式（ 9-6）计算：A aWa（ 6-14）b操作状态下需要的最小螺栓面积按GB150-98 式（ 9-7）计算：A pWp（ 6-15）tb式中常温下螺栓材料许用应力 b=228MPa在设计温度420下螺栓材料许用应力t163.6MPab代入式（ 9-6）、式（ 9-7）得A a1.11510

16、64890mm2228A p1.2141067420.5mm 2163.6需要的螺栓面积A mA p7420.5mm2实际螺栓面积22A bnd0 d020.75mm320.78520.7510815.73mm 2A bA m 所需螺栓面积足够。.螺栓最小间距? 由 GB150-98 表 9-3 确定L当 dB)24 时， L min 56mm推荐的螺栓最大间距)6fmmL max2dB0.5m（ 6-16）式中螺栓公称直径法兰厚度 f 垫片系数 m以上数值代入式（d B24mm52mm3.759-3）得)652L max2 24121.4mm3.750.5实际间距)D b3.14915L=n

17、3289.78mm)L minL<L max螺栓布置符合要求2 法兰计算法兰预紧力矩按GB150-98 式（ 9-10）计算：M aFBLGN mm式中预紧状态螺栓设计载荷按GB150-98 式（ 9-8）计算：W FGA mA b7420.5 10815.7322862b22.0810 N力臂D bDG91584734mmL G22以上数值代入式（9-10）M a2.08 106347.072107 N mm法兰操作力矩按GB150-98 式（ 9-11）计算：M pFD L DFTL TFG L GNmm式中作用于法兰内径截面上的流体静压轴向力FD0.785D 2iPc0.78580

18、021.680.844 10 6 N（ 6-17）（ 6-18）.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FTF-FD0.785 D2GDi2 Pc0.785 84728002 1.680.102 106 N窄面法兰垫片压紧力FTFp6.28DG bmpc6.28 847 8 3.75 1.680.268 106 N力臂L DLA 0.5 1 340.52647力臂L TL A1L G34 26344722力臂L G34以上数值代入式（9-11）得M P0.844106470.102 106470.268106

19、 344.446 1070.9111075.357107 Nmm法兰设计力矩fM atM 0取其中之大值（ 6-19）fM P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 420下许用应力为 107.6MPa 。代入上式得7.072107 107.65.177 107 N mmM 01475.357 107N mm则M 0 5.357107 N mm法兰应力（ 1）轴向应力按GB150-98 式（9-13）计算：.fM 0H12 D i（ 6-20）（ 2）周向应力按 GB150-98 式（ 9-15）计算：YM 0Z R（ 6-21）Tf2 Di（ 3）径向

20、应力按GB150-98 式（ 9-14）计算：1.33 f e1 M 0R（ 6-22）f2 Di式（ 9-13）式（ 9-14）中整体法兰系数颈部应力校正系数f按1261.625016由图 9-7查得 f=1.4 ；10261.62516f e13F1U2参数fed1Td1h0h00V1按1/01.625 ， h / h00.309 ，由图 9-3及图 9-4查得 F1 0.875 ， V10.347 按K D f / D i9601.2，由图9-8查得T1.8，U 13.3，Y11.67，Z5.811800。将 F、V 、T、 U、Y 、Z代入参数， e ， d1 式中得 d11.111

21、106， e0.00773，0.906 将以上数据代入式（9-13），式（ 9-15 ）1.45.375107H 0.906 262 800153MPa1.33520.00731 5.357107R0.90652280042MPa11.675.3571075.8 4245.4MPaT522800应力校核153MPa<1.5t1.5107.6161.4MPaHf轴向应力<2.5t2.5115.6289MPan周向应力45.4MPat107.6MPaTf.径向应力组合应力42MPat107.6MPaRfHT15345.499.2t22f 107.6MPaHR1534297.5t107.

22、6MPa22f计算结果：该法兰强度条件满足，所选法兰尺寸是合适的。其中法兰厚度附加厚度4mm 为 56mm 。管板计算（ 1）初始数据f 52mm 加上壳程圆筒内径 D i800mm ；厚度 s8mm ；）图 6-6 延长部分兼作法兰的管板（图样采用 10mm管箱（封头）厚度h10mm ；（图样采用 12mm）换热管外径 d38mm ；壁厚 t3mm ；根数 n205；间距 s48mm ；有效长度 L2874mm ；管箱法兰 外径 D f960mm ；宽度 bf80mm ；"56mm 。厚度 f假定管板厚度p60mm（图样采用 65mm）法兰部分厚度'50mm（即壳程圆筒法兰

23、）f延长部分兼作法兰的管板，如图6-6所示。各零件材料在设计温度时的物理、机械性能数据如下：壳体材料： 16MnR ，弹性模量： Es1.88 105 MPa线膨胀系数：s12.7210 61/C （壳体壁温 t s274 C）换热管材料：20 号钢，弹性模量： Es1.73 105 MPa线膨胀系数：t13.2410 61/C （换热管壁温 t e350 C）换热管材料屈服限t147MPas封头法兰材料：15CrMo （锻件）弹性模量：E"f1.86106 MPa管板材料： 15RrMo （锻件） Ep1.776105 MPa法兰材料： 15CrMo （锻件） Ef'1.7

24、76105 MPa许用应力：壳程圆筒：t142MPac换热管：t84MPac.管箱封头法兰：t107.6MPaft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 。几何物理系数计算壳程圆筒内径面积ADi20.7858002502400mm24管板开孔后面积A 1A-nd2 / 45024002050.785382270024mm 2壳程圆筒金属横截面积A stDis3.148 800820297mm2换热管金属截面积atdt3.14 3 383329.7mm2管板布管区面积（三角形排列）A t 0.866 n s20.866 20

25、5 482409029mm 2管板布管区当量直径D t4A t4409029721.84mm 22.14管板布管区的当量直径与壳程圆筒内径之比D t721.840.9023t800DiA 12700240.537系数502400Ana205 329.7A 10.25270024Et na1.73105 205329.7Q1.88 1053.064EsA s20297st0.40.6 1Q 0.40.613.0644.9410.53710.4 10.4 10.250.6 Q0.6 3.064 7.320.537管束模数K tEt na 1.73105205 329.7LD i28745082MP

26、a800管子加强系数1K 1.318 D iEt na2=0.4）（管板刚度消弱系数，一般可取值，pEpL p.18001.73105205329.724.21.3181.7761050.428746060管板周边不布管区无量纲宽度k=K 1t4.2 10.90230.41（ 3）强度影响系数计算 1 旋转刚度h10'560.0125 ，f0.07D i800D i800S8"500.01 ，fD i800D i0.0625800由图 7-7查得"0.00075'0.000475壳程圆筒与法兰（或凸缘）的旋转刚度参数1 2E f' bf 2 f

27、9;3K f'Es'12D ibfD i121.7661058025031.881050.00047512.7MPa1280080800管箱圆筒与法兰（或凸缘）的旋转刚度参数1 2E "f bf2 f"3K f"Eh"12D ibfD i121.7661058025631.881050.0007518.4MPa1280080800旋转刚度无量纲参数%K f3.1412.7103K f4K t41.9650822 法兰力矩基本法兰力矩M mA m L G7420.5 2285.75 107b管程压力作用时的法兰力矩M p5.375 107

28、N mm.%3按 K1.9610 查图 7-8 得 m1 0.12 ，查图 7-9 得 G 2 3.04.2， K f按 K4.2， Q=3.064，查图7-9 得 m 22.90查图6-10 得 G30.012系数m10.1214.58%4.21.96103KK f系数M 12Km1G 220.122.3610 3Q4.2 3.0643.0%0.00196系数K f0.14%、K fG30.001960 012管板边缘力矩变化系数法兰力矩变化系数3 危险组合壳程压力作用下壳程设计压力Ps=Pc=1.57MPa管程设计压力Pt=0tttt0sts t012.2410 6 3502012.72

29、10 6 274201/CE tMPa=0.251.1431.735MPa1010Pas psEt4.941.57EtMPa% 4M mM m3D1 Pa45.751070.5373.178003 Pa%11M=K f'1.2012.7K "f0.1418.4%=K f'%12.71.20 0.828M fK"M18.4f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+ ） =-1.68（1+0.25）=-2.1MPa不计计入不计计入膨胀差膨胀差膨胀差膨胀差tttt0st s t01.14×12.2410 6

30、350201.14× 10-310-312.7210 6274201/C49.2EtMPa=0.251.144.9231.7351010 MPa7.857.0Pas psEt7.3236.9-12.31.68EtMPa%4M mM m30.0340.00467D 1 Pa-0.020.0067345.751070.5373.178003Pa.% % %M=M mM M 1M m0.03680.0075M=M p-0.0201.22.3610 3%0.53650.1111%-0.292M=14.58MM=14.58Mmm1m20.122.01.090.40mm1m20.122.9-1.0261111G1 由 K=4.2 ， m=0.240.20G