《管壳式换热器机械设计》参考资料.doc

1前言1概述1换热器的类型1换热器1设计的目的与意义2管壳式换热器的发展史2管壳式换热器的国内外概况3壳层强化传热3管层强化传热3提高管壳式换热器传热能力的措施4设计思路、方法5换热器管形的设计换热器管径的设计换热管排列方式的设计管、壳程分程设计折流板的结构设计管、壳程进、出口的设计6选材方法管壳式换热器的选型6流径的选择流速的选择材质的选择管程结构92壳体直径的确定与壳体壁厚的计算11管径11管子数n11管子排列方式，管间距的确定11换热器壳体直径的确定11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16管板结构尺寸16管板与壳体的连接16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27群座的设计27基础环设计29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管径换热器中最常用的管径有4519mmX2mm和®25mmX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4l9mmX2mm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①25X的无缝钢管，材质为20号钢，管长管子数n160二503^根）(2-1)n==兀d„L3.14x0.0225x4.5n其中安排拉杆需减少6根，故实际管数n=503-6=497根管子排列方式，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.换热器壳体直径的确定D二a(b-1)+21i(2-2)其中l为最外层管子中心到壳壁边缘的距离取/二2d，D=32x(25-1)+2x2x25二868(mm),查表2-5,圆整后取壳体内径D=900mmi换热器壳体壁厚计算及校核材料选用20R计算壁厚为(2-3)pDci2Q]tQ—p式中：p为计算压力，取p二；D.=900mm;Q=;[c]t=92Mpa(设壳壁温度为350°cciC)将数值代入上述厚度计算公式，可以得知：%9°0=5.47mm2x92查《化工设备机械基础》表4-11取C2=1.2mm；查《化工设备机械基础》表4-9得q=0.25mm++=mm圆整后取5=7.0mmn复验5x6%=0.42>0.25mm，最后取C=0.25mmn1该壳体采用20钢7mm厚的钢板制造。

1、液压试验应力校核P(D+5)—Q=—lie<0.9屁T25se(2-4)P=1.15PT=1.15x1=1.15Mpa(2-5)5=5-C=7-1.2-0.25=5.55en(2-6)mm查《化工设备机械基础》附表6-3Q=245Mpas宁竺X2(90°二5・55)=93.82Mpa,2x5.550.9忙=0.9x0.9x245=198.45Mpas可见故水压试验强度足够Q<0.99CTs2、强度校核p(D+5)1.0x(900+5.55)设计温度下的计算应力Q=—i「==81.58Mpat252x5.55e[q]讪=92x0.9=82.8Mpa>最大允许工作压力(2-7)[P]=w2Q]tQ5D+5ie900+5.55=1.02Mpa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DN900X7,查《化工设备机械基础》表4-15得曲面高度h=150mm,直边高度h=40mm材料12选用20R钢标准椭圆形封头计算厚度：.pD1.0x900…o=c_i==5.45mm2Q］讪—0.5p2x92x0.9—0.5x1.0c(3-1)[—2Q]tgPw=KD+0.56ie1x900+=1.02Mpa(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,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法兰尺寸公称直法兰尺寸/mm螺柱径DN/mmDDDDD1234d规格数量9001109969527M2428所以,选用的法兰尺寸如下图：16樺面18LQO3◎1015也10600)27也900巾963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D径D1D3D4bcd螺栓孔数9110995842240006015666347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57换热器管plW253238子外径d/mmd0管板厚度/mm3d0/4222532综上，管板的尺寸如下图：GOin頂154900QS66®976o963叱U〕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/Mpa材质20钢20R线膨胀系数11.8x10-611.8x10-6弹性模量0.21x1060.21x106许用应力/Mpa10192管子根数管间距/mm49732管壳壁温差/°c管子与管板连接方式胀接长度/mm许用拉脱力/MpaAt=50开槽胀接l=50尺寸025x2.5x45000900x7X在操作压力下，每平方米胀接周边所产生的力qpPf兀dl0(6-1)其中兀兀f=0.866a2—4d2=0.866x322—4x252=396(6-2)p=0.82Mpa,l=50mm0.82x396qp=3.14x25x50=0.08Mpa2、温差应力引起的每平方米胀接周边所产生的拉脱力qb(d2—d2)—t0i—4dl(6-3)cxE(t—t)■t■s(6-4)A=nD5二3.14x907x7二19935.9s中n(6-5)兀314A二一(d2-d2)n二x(252-202)x497二87782.6t40i4(6-6)11.8x10-6x0.21x106x50“二22.93Mpa22.93x(252-202)qt-4x25x50=1.03Mpa(6-7)由此可知q，q作用方向相同，都使管子受压，则管子的拉脱力：ptq=q+q=+=Mpa

7 计算是否安装膨胀节管壳壁温差所产生的轴向力为：aE(t-1)F=tsAA1A+Astst11.8x10-6x0.21x106x501——2.01x10619935.9+87782.6(N)(7-1)FQAF——s2A+ASt(7-2)其中(7-3)压力作用于壳体上的轴向力兀Q二一[(D2一nd2)p+n(d一28)2p]4i0s0tt兀=[(9002-497x252)x0.78+497x(25-2x2.5)2x0.82]4=0.434xi06(N)=0.08x106N0.434x106x19935.9F=—219935.9+87782.6压力作用于管子上的轴向力为：F=3QA■t0.434x106x19935.919935.9+87782.6=0.08x106NSt则(7-4)F+F—12As2.01x106+0.08x10619935.9=104.8Mpa-F+Fo二13tAt—2.01X106+0.08X10687782.6二—21.99Mpa根据GB151——1999《管壳式换热器》osot二104.8Mpa<2机o]t二2x0.9x101二181.8Mpat=—21.99Mpa<2机o]t=2x0.9x92=165.6Mpasq<[q]=Mpa，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。