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

2、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，管的两端固定在同一管板上设备性能当壳体直径相同时便于排更多的管子，管内不易积垢壳程难以

3、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。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；17螺母；18外头盖垫片；1

4、9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；46U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活套法兰。6.2管壳式换热设备设计的内容和步骤6.2.1 管壳式换热设备设计的内容管壳式换热设备设

5、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。6.2.2 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。了解设计条件；选材；按设计压力计算壳体和管箱壁厚；管子与管板连接结构设计；壳体与管板连接结构设计；管板厚度计算；折流板、支持板等零部件的结构设计；换热管与壳体在温差和流体压力联合作用下的应力计算；管子拉脱离和稳定性校核；判断是否需要膨胀节，如需要，则选择膨胀节结构型式并进

6、行有关的计算；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

7、/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e1/2”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8

8、00mm。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

9、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。6.3.1.1 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（6-1）式中计算压力；内直径材料许用应力焊缝系数=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。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按下式压力

10、试验时，圆筒的总体薄膜应力按下式6.3.1.2 管箱（1）锥形封头如图6-2所示为带折边锥形封头，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（6-10）与过渡段相接处的锥壳厚度（6-11）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（采用标准封头r/Di=0.1

11、5, =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）得取，附加厚度c=2mm选取锥形封头的水压试验压力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=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=800mm0=16mmDb=915mm1=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

12、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。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：（6-12）式中垫片有效密封宽度b垫片接触宽度按GB150-98表9-1得垫片基本密封宽度由于b>6.4mm则垫片压紧力中心直径垫片比压力y=52.4MPa（见GB150-98表9-2）以上数值代入式（9-2）得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）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

13、值代入式（9-5）得预紧状态下需要的最小螺栓面积按GB150-98式（9-6）计算：（6-14）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b=228MPa在设计温度420下螺栓材料许用应力代入式（9-6）、式（9-7）得需要的螺栓面积实际螺栓面积所需螺栓面积足够。螺栓最小间距由GB150-98表9-3确定当时，推荐的螺栓最大间距（6-16）式中螺栓公称直径法兰厚度垫片系数以上数值代入式（9-3）得实际间距螺栓布置符合要求法兰计算法兰预紧力矩按GB150-98式（9-10）计算：（6-17）式中预紧状态螺栓设计载荷按GB150-98式（

14、9-8）计算：力臂以上数值代入式（9-10）法兰操作力矩按GB150-98式（9-11）计算：（6-18）式中作用于法兰内径截面上的流体静压轴向力图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窄面法兰垫片压紧力力臂力臂力臂以上数值代入式（9-11）得法兰设计力矩 取其中之大值（6-19）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。代入上式得则 法兰应力（1）轴向应力按GB150-98式（9-13）计算：（6-20）（2）周向应力按GB150-98式（9-15）计

15、算：（6-21）（3）径向应力按GB150-98式（9-14）计算：（6-22）式（9-13）式（9-14）中整体法兰系数颈部应力校正系数f按 由图9-7查得f=1.4；参数 按，由图9-3及图9-4查得，按，由图9-8查得，。将、代入参数，式中得，将以上数据代入式（9-13），式（9-15）应力校核轴向应力 周向应力 径向应力 组合应力 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；图6-6 延长部分兼作法兰的管板厚度（图样采用10mm）管箱（封头）厚度；（图样采用12mm）换热管外径；壁厚；

16、根数；间距；有效长度；管箱法兰外径；宽度；厚度。假定管板厚度（图样采用65mm）法兰部分厚度（即壳程圆筒法兰）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：线膨胀系数：（壳体壁温）换热管材料：20号钢，弹性模量：线膨胀系数：（换热管壁温）换热管材料屈服限封头法兰材料：15CrMo（锻件）弹性模量：管板材料：15RrMo（锻件）法兰材料：15CrMo（锻件）许用应力：壳程圆筒：换热管：管箱封头法兰：管板： 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管板

17、开孔后面积壳程圆筒金属横截面积换热管金属截面积管板布管区面积（三角形排列）管板布管区当量直径 管板布管区的当量直径与壳程圆筒内径之比系数管束模数管子加强系数（管板刚度消弱系数，一般可取值，=0.4）管板周边不布管区无量纲宽度（3）强度影响系数计算旋转刚度，由图7-7查得壳程圆筒与法兰（或凸缘）的旋转刚度参数管箱圆筒与法兰（或凸缘）的旋转刚度参数旋转刚度无量纲参数法兰力矩基本法兰力矩管程压力作用时的法兰力矩按查图7-8得，查图7-9得按，查图7-9得查图6-10得系数 系数 系数 管板边缘力矩变化系数法兰力矩变化系数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=0

18、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不计膨胀差计入膨胀差不计膨胀差计入膨胀差1.14×10-31.14×10-349.24.927.857.0-12.336.90.0340.00467-0.020.006730.03680.0075-0.0200.006730.53650.1111-0.2920.09811.090.40-1.0260.37G1 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0.01520.0091

19、6管板径向应力系数0.0210.00905管板布管区径向应力系数0.04930.013管板布管区径向应力系数-0.02140.012管板布管区剪切应力系数0.06330.046管板布管区剪切应力系数0.02920.045（4）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=0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不计膨胀差计入膨胀差不计膨胀差计入膨胀差管板径向应力MPa管板径向应力MPa管板布管区周边处径向应力MPa管板布管区周边处

20、径向应力MPa管板布管区周边剪切应力MPa管板布管区周边剪切应力MPa壳体法兰应力MPa壳体法兰应力MPa换热管轴向应力MPa换热管轴向应力MPa壳程圆筒轴向应力MPa壳程圆筒轴向应力MPa拉脱应力拉脱应力（5）换热管稳定性计算管子回转半径从图7-1可知，管子受压失稳当量长度参见附图7-13确定系数当 则管子稳定许用应力从应力计算得计入膨胀差的管子应力，且。则 表明管子稳定性不够，需采取措施。本设计采用设置膨胀节，减少管子的压应力，从而增加其稳定性。6.3.1.4 U形膨胀节计算（1）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：；但，且；（除只考虑壳程压力，且不计膨胀差外）由于，（），则需要设置膨胀节。（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，具体几何尺寸如下初始数据：设计压力设计温度直边段外径波高波长层数波数当量圆筒外径成型前有效厚度成型后有效厚度轴向位移