《管壳式换热器机械设计》参考资料

1前言 11.1概述 11.1.1换热器的类型 11.1.2换热器 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 51.8.1换热器管形的设计 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 61.9.2流径的选择 81.9.3流速的选择 91.9.4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n 112.3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 229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符号说明 32参考文献 34小结 352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φ19mm×2mm和φ25mm×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φ19mm×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称直径之比一般为4—25,常用的为6—10选用Φ25×2.5的无缝钢管，材质为20号钢，管长4.5m。2.2管子数n(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(2-2)其中取，，查表2-5，圆整后取壳体内径00mm2.5换热器壳体壁厚计算及校核材料选用20R计算壁厚为：,(2-3)式中:为计算压力，取=1.0MPa；900mm;=0.9;[]t=92Mpa（设壳壁温度为350°C）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；查《化工设备机械基础》表4-9得5.47+1.2+0.25=6.92mm圆整后取复验，最后取该壳体采用20钢7mm厚的钢板制造。1、液压试验应力校核(2-4)(2-5)(2-6)查《化工设备机械基础》附表6-3，可见故水压试验强度足够。2、强度校核设计温度下的计算应力﹥最大允许工作压力(2-7)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DN900×7，查《化工设备机械基础》表4-15得曲面高度，直边高度，材料选用20R钢标准椭圆形封头计算厚度：(3-1)(3-2)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。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直径Dbcd螺栓孔数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径/mm≤25323857管板厚度/mm3/4222532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/mm50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(6-1)其中(6-2),mm2、温差应力引起的每平方米胀接周边所产生的拉脱力(6-3)其中(6-4)(6-5)(6-6)由此可知，作用方向相同，都使管子受压，则管子的拉脱力：q=+=0.08+1.03=1.11﹤4.0(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：（N）(7-1)压力作用于壳体上的轴向力：(7-2)其中(7-3)=压力作用于管子上的轴向力为：则(7-4)根据GB１５１——１９９９《管壳式换热器》q﹤［ｑ］＝4.0，条件成立，故本换热器不必要设置膨胀节。8折流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15～20mm，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壳体公称内径/mm相邻两折流板间距/mm≤300300～450450～600600～750＞750200～2503561010400～70056101012700～100068101216＞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。壳体直径/mm＜400400～800900～1200管子外径/mm19253857支承板厚度/mm6810最大间距/mm1500180025003400表8-2支承板厚度以及支承板允许不支承的最大间距经选择，我们采用弓形折流板，h=,折流板间距取600mm,查《化工设备机械基础》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-AF钢折流板开孔直径所以，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接管计算厚度为(9-1)其中选用20钢查附表9得开孔直径为：(9-2)2、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，补强部分厚度为接管有效补强宽度为B=2d=(9-3)接管外侧有效补强高度(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：(9-5)可以作为补强的金属面积为：(9-6)(9-7)4、(9-8)5、比较，，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10.1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Ф900×7mm.。裙座材料选用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Di600~12001400~2400>2400排气孔尺寸Φ80Ф80Ф100排气孔数量，个24≥4排气孔中心线至裙座壳顶端的距离140180220因此设置两个排气孔，排气孔尺寸为Ф80，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引出孔的加强管无缝钢管Ф133×4Ф159×4.5Ф219×6Ф273×8卷焊管--Ф200Ф250引出孔的加强管选用Q235-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（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（10-3）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混凝土标号Ra/MPa753.51005.01507.520010.025013.0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，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，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径螺纹小径/mm螺栓公称直径螺纹小径/mmM2420.752M2723.752M3026.211M3631.670M4237.129M4842.588M5650.046选用Q235-A，计算后，选取地脚螺栓为，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

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；Ф——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；Lｎ——换热管长度，ｍｍ；Pc——计算压力，MPa;d均——管子的平均直径，mm；Pw——工作压力，MPa;［Pｗ］——最大允许工作压力，MPa；P——设计压力，MPa;PT——水压试验压力，MPa;δ——计算壁厚，mm；DN——直径（公称），ｍｍ；δd——设计壁厚，mm；ＰＮ——公称压力，MPa；δn——名义壁厚，mm；Ｐｔ——管子的工作压力，MPa；δe——有效壁厚，mm；Ｐｓ——壳体的工作压力，MPa；C——厚度附加量，mm；△ｔ——管壳壁温度，°Ｃ;C1——钢板的负偏差，mm；［ｑ］——许用拉脱力，MPa;C2——腐蚀欲量，mm；ａ——线膨胀系数，１／°C;σs——屈服点，MPa；ｆ——每四根管子之间的面积，mm２；h1——曲面高度，mm；Aｔ——换热管截面面积，mm２；ho——短圆筒长度，mm；Aｓ——壳壁横截面面积，mm２；h2——直边长度，mm；F１——管、壳壁温差所产生的轴向力，N；E——弹性模量，ＭＰａ；F2——压力作用于壳体上的轴向力，N；ｑｔ——温差应力，ＭＰａ；F3——压力作用于管子上的轴向力，N；——①胀接长度，mm；②最外层管子的中心到壳壁边缘的距离，mm；ｑｐ——在操作压力下，每平方米胀接周边受到的力，ＭＰａ；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