80浮头换热器毕业设计-说明书2 - 图文

辽宁石油化工大学

目录

摘要 ................................................................. 1 Abstract ............................................................. 2 前言 ................................................................. 3 第一章 换热器概述 .................................................... 4

1.1 换热器的应用.................................................. 4 1.2 换热器的主要分类.............................................. 4 1.3 管壳式换热器特殊结构......................................... 11 1.4 换热管简介................................................... 11 第二章 工艺计算 ..................................................... 12

2.1 设计条件..................................................... 12 2.2 核算换热器传热面积........................................... 12 2.3 压力降的计算................................................. 18 2.4 换热器壁温计算............................................... 21 第三章 换热器结构设计与强度计算 .................................... 24

3.1 壳体与管箱厚度的确定......................................... 24 3.2 开孔补强计算................................................. 26 3.3 水压试验..................................................... 32 3.4 换热管....................................................... 33 3.5 管板设计..................................................... 35 3.6 折流板....................................................... 41 3.7 拉杆与定距管................................................. 43 3.8 防冲板....................................................... 44 3.9 保温层....................................................... 44 3.10法兰与垫片 .................................................. 45 3.11 钩圈式浮头.................................................. 48 3.12 分程隔板.................................................... 54 3.13 鞍座........................................................ 55 3.14 接管的最小位置.............................................. 56

- 1 -

辽宁石油化工大学

第四章 换热器的腐蚀、制造与检验 ..................................... 58

4.1 换热器的腐蚀................................................. 58 4.2 换热器的制造与检验........................................... 59 第五章 焊接工艺评定 ................................................. 62

5.1 壳体焊接工艺................................................. 62 5.2 换热管与管板的焊接........................................... 63 5.3 法兰与筒体的焊接............................................. 63 第六章 换热器的安装、试车与维护 ..................................... 64

6.1 安装......................................................... 64 6.2 试车......................................................... 65 6.3 维护......................................................... 65 总结 ................................................................ 66 致谢 ................................................................ 68 参考文献 ............................................................ 69 附录Ⅰ浮头法兰厚度计算程序 .......................................... 70 附录Ⅱ 相关文献 ..................................................... 75

- 2 -

辽宁石油化工大学

摘要

本设计说明书是关于PN2.5DN600浮头式换热器的设计，主要是进行了换热器的工艺计算、换热器的结构和强度设计。

设计的前半部分是工艺计算部分，主要是根据给定的设计条件估算换热面积，从而进行换热器的选型，校核传热系数，计算出实际的换热面积，最后进行压力降和壁温的计算。设计的后半部分则是关于结构和强度的设计，主要是根据已经选定的换热器型式进行设备内各零部件（如接管、折流板、定距管、钩圈、管箱等）的设计，包括：材料的选择、具体尺寸确定、确定具体位置、管板厚度的计算、浮头盖和浮头法兰厚度的计算、开孔补强计算等。最后设计结果可通过6张图表现出来。

关于浮头式换热器设计的各个环节，设计说明书中都有详细的说明。 关键词：管壳式换热器 浮头式换热器 管板 浮头盖 浮头法兰

1

辽宁石油化工大学

Abstract

The design manual is about the PN2.5DN600 floating head heat exchanger, which included technology calculate of heat exchanger, the structure and intensity of heat exchanger.

The first part of design is the technology calculation process. Mainly, the process of technology calculate is according to the given design conditions to estimate the heat exchanger area, and then, select a suitable heat exchanger to check heat transfer coefficient ,just for the actual heat transfer area .Meanwhile the process above still include the pressure drop and wall temperature calculation . The second half of the design is about the structure and intensity of the design. This part is just on the selected type of heat exchanger to design the heat exchanger’s components and parts ,such as vesting ,baffled plates, the distance control tube, circle hook, tube boxes. This part of design mainly include：the choice of materials，identify specific size, identify specific location, the thickness calculation of tube sheet, the thickness calculation of floating head planting and floating head flange, the opening reinforcement calculation etc. In the end, the final design results through six maps to display.

The each aspects of the floating head heat exchanger has detailed instructions in the design manual.

Key word: Shell-Tube heat exchanger, floating head heat exchanger, tube sheet, floating head planting, floating head flange.

2

辽宁石油化工大学

前言

毕业设计是完成教学计划实现专业培养目标的一个重要的教学环节；是教学计划中综合性最强的实践性教学环节。它对提高学生综合运用专业知识分析和解决实际问题的能力以及培养学生的工作作风、工作态度和处理问题等方面具有很重要的意义。

本次毕业设计的题目是浮头式换热器设计。浮头式换热器是长岭炼油厂的典型设备，主要用于原油和油品等的换热，并且设计的原始资料及数据均来源于工厂中正在运行的设备。

这次设计中的主要内容为换热器的工艺计算、换热器的结构与强度设计。其中，工艺计算主要是确定换热器的换热面积、换热器的选型、压降计算、壁温计算等；而结构与强度设计则主要包括：管板厚度计算、换热管的分布、折流板的选型、浮头盖及浮头法兰的计算、开孔补强计算以及各种零部件的材料选择等。在设计过程中，我尽量采用较新的国家标准，做到既满足设计要求，又使结构优化，降低成本，以提高经济效益为主，力争使产品符合生产实际需要，适合市场激烈的竞争。同时为了使本次设计能够进行顺利，我在设计前参阅了许多有关书籍和英文文献，并做了一定的摘要。

因为换热器设计是属于压力容器设计范畴，与我所学的课程有紧密的联系，所以这次设计对我的设计能力有了很大的提高。它不仅使我贯通几年里所学习的专业基础知识和专业理论知识，还培养和提高我们群体合作、相互配合的工作能力。换热器在设计过程中为技术分析与产品开发可以为设计者提供一个广阔的思维想象空间，还能激发设计者的创新意识。在设计过程中，我们可以很好地将所学的知识加以应用，在自己的脑海中巩固，这是我选择这个课题的初衷，而事实上我也达到了预期的目的。

由于水平有限，在设计过程中一定存在许多疏漏和不够合理之处，恳请各位老师和同学批评指正。特此致谢！

3

辽宁石油化工大学

第一章 换热器概述

过程设备在生产技术领域中的应用十分广泛，是在化工、炼油、轻工、交通、食品、制药、冶金、纺织、城建、海洋工程等传统部门所必需的关键设备，而换热设备则是广泛使用的一种通用的过程设备。在化工厂中，换热设备的投资约占总投资的10%～20%；在炼油厂，约占总投资的35%～40%。

1.1 换热器的应用

在工业生产中，换热器的主要作用是将能量由温度较高的流体传递给温度较低的流体，是流体温度达到工艺流程规定的指标，以满足工艺流程上的需要。此外，换热器也是回收余热、废热特别是低位热能的有效装置。例如，高炉炉气（约1500℃）的余热，通过余热锅炉可生产压力蒸汽，作为供汽、供热等的辅助能源，从而提高热能的总利用率，降低燃料消耗，提高工业生产经济效益。

随着我国工业的不断发展，对能源利用、开发和节约的要求不断提高，因而对换热器的要求也日益加强。换热器的设计、制造、结构改进及传热极力的研究十分活跃，一些新型高效换热器相继面世。

1.2 换热器的主要分类

在工业生产中，由于用途、工作条件和物料特性的不同，出现了不同形式和结构的换热器。

1.2.1 换热器的分类及特点

按照传热方式的不同，换热器可分为三类： 1.直接接触式换热器

又称混合式换热器，它是利用冷、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，但仅适用于工艺上允许两种流体混合的场合。 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

4

辽宁石油化工大学

流体通过，把热量积蓄在蓄热体中，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”。

蓄热式换热器结构紧凑、价格便宜，单位体积传热面比较大，故较适合用于气--气热交换的场合。 3.间壁式换热器

这是工业中最为广泛使用的一类换热器。冷、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。 1.2.2 管壳式换热器的分类及特点

由于设计题目是浮头式换热器的设计，而浮头式又属于管壳式换热器，故特此介绍管壳式换热器的主要类型以及结构特点。

管壳式换热器是目前用得最为广泛的一种换热器，主要是由壳体、传热管束、管板、折流板和管箱等部件组成，其具体结构如下图所示。壳体多为圆筒形，内部

5

辽宁石油化工大学

放置了由许多管子组成的管束，管子的两端固定在管板上，管子的轴线与壳体的轴线平行。进行换热的冷热两种流体，一种在管内流动，称为管程流体；另一种在管外流动，称为壳程流体。为了增加壳程流体的速度以改善传热，在壳体内安装了折流板。折流板可以提高壳程流体速度，迫使流体按规定路程多次横向通过管束，增强流体湍流程度。

流体每通过管束一次称为一个管程；每通过壳体一次就称为一个壳程，而图1-2-1所示为最简单的单壳程单管程换热器。为提高管内流体速度，可在两端管箱内设置隔板，将全部管子均分为若干组。这样流体每次只通过部分管子，因而在管束中往返多次，这称为多管程；同样。为提高管外流速，也可以在壳体内安装纵向挡板，迫使流体多次通过壳体空间，称为多壳程。多管程与多壳程可以配合使用。 这种换热器的结构不算复杂，造价不高，可选用多种结构材料，管内清洗方便，适应性强，处理量较大，高温高压条件下也能应用，但传热效率、结构的紧凑性、单位传热面的金属消耗量等方面尚有待改善。

由于管内外流体的温度不同，因之换热器的壳体与管束的温度也不同。如果两流体温度相差较大，换热器内将产生很大的热应力，导致管子弯曲、断裂或从管板上拉脱。因此，当管束与壳体温度差超过50℃时，需采取适当补偿措施，以消除或减少热应力。根据所采用的补偿措施，管壳式换热器可以分为以下几种主要类型： （1） 固

定

管

板

式

换

热

器

：

6

辽宁石油化工大学

其结构如图1所示。换热器的管端以焊接或胀接的方法固定在两块管板上，而管板则以焊接的方法与壳体相连。与其它型式的管壳式换热器相比，结构简单，当壳体直径相同时，可安排更多的管子，也便于分程，同时制造成本较低。由于不存在弯管部分，管内不易积聚污垢，即使产生污垢也便于清洗。如果管子发生泄漏或损坏，也便于进行堵管或换管，但无法在管子的外表面进行机械清洗，且难以检查，不适宜处理脏的或有腐蚀性的介质。更主要的缺点是当壳体与管子的壁温或材料的线膨胀系数相差较大时，在壳体与管中将产生较大的温差应力，因此为了减少温差应力，通常需在壳体上设置膨胀节，利用膨胀节在外力作用下产生较大变形的能力来降低管束与壳体中的温差应力。

（2） 浮

头

式

换

热

器

：

7

辽宁石油化工大学

其结构如图2所示。管子一端固定在一块固定管板上，管板夹持在壳体法兰与管箱法兰之间，用螺栓连接；管子另一端固定在浮头管板上，浮头管板夹持在用螺柱连接的浮头盖与钩圈之间，形成可在壳体内自由移动的浮头，故当管束与壳体受热伸长时，两者互不牵制，因而不会产生温差应力。浮头部分是由浮头管板，钩圈与浮头端盖组成的可拆联接，因此可以容易抽出管束，故管内管外都能进行清洗，也便于检修。由上述特点可知，浮头式换热器多用于温度波动和温差大的场合，尽管与固定管板式换热器相比其结构更复杂、造价更高。

（3） U

型

管

式

换

热

器

：

8

辽宁石油化工大学

其结构

可参见图3。一束管子被弯制成不同曲率半径的U型管，其两端固定在同一块管板上，组成管束，从而省去了一块管板与一个管箱。因为管束与壳体是分离的，在受热膨胀时，彼此间不受约束，故消除了温差应力。其结构简单，造价便宜，管束可以在壳体中抽出，管外清洗方便，但管内清洗困难，故最好让不易结垢的物料从管内通过。由于弯管的外侧管壁较薄以及管束的中央部分存在较大的空隙，故U型管换热器具有承压能力差、传热能力不佳的缺点。

（4） 双

重

管

式

换

热

器

：

9

辽宁石油化工大学

将一组管子插入另一组相应的管子中而构成的换热器，其结构可以参看图4。管程流体（B流体）从管箱进口管流入，通过内插管到达外套管的底部，然后返回，通过内插管和外套管之间的环形空间，最后从管箱出口管流出。其特点是内插管与外套管之间没有约束，可自由伸缩。因此，它适用于温差很大的两流体换热，但管程流体的阻力较大，设备造价较高。

（5） 填

料

函

式

换

热

器

：

图5为填料函式换热器的结构。管束一端与壳体之间用填料密封，管束的另一端管板与浮头式换热器同样夹持在管箱法兰和壳体法兰之间，用螺栓连接。拆下管箱、填料压盖等有关零件后，可将管束抽出壳体外，便于清洗管间。管束可自由伸缩，具有与浮头式换热器相同的优点。由于减少了壳体大盖，它的结构较浮头式换热器简单，造价也较低，但填料处容易泄漏，工作压力与温度受一定限制，直径也不宜过大。

10

辽宁石油化工大学

1.3 管壳式换热器特殊结构

包括有双壳程结构、螺旋折流板、双管板等特殊结构，这些结构将使换热器拥有更高的工作效率。

（1） 双壳程结构：在换热器管束中间设置纵向隔板，隔板与壳体内壁用密封

片阻挡物流内漏，形成双壳程结构。适用场合：①管程流量大壳程流量小时，采用此结构流速可提高一倍，给热系数提高1～1.2倍；②冷热流体温度交叉时，但壳程换热器需要两台以上才能实现传热，用一台双壳程换热器不仅可以实现传热，而且可以得到较大的传热温差。

（2） 螺旋折流板式换热器：螺旋折流板可以防止死区和返混，压降较小。物

流通过这种结构换热器时存在明显的径向变化，故不适用于有高热效率要求的场合。

（3） 双管板结构：在普通结构的管板处增加一个管板，形成的双管板结构用

于收集泄漏介质，防止两程介质混合。

1.4 换热管简介

换热管是管壳式换热器的传热元件，采用高效传热元件是改进换热器传热性能最直接有效的方法。国内已使用的新效的换热管有以下几种：

（1） 螺纹管：又称低翅片管，用光管轧制而成，适用于管外热阻为管内热阻

1.5倍以上的单相流及渣油、蜡油等粘度大、腐蚀易结垢物料的换热。

（2） T形翅片管：用于管外沸腾时，可有效降低物料泡核点，沸腾给热系数

提高1.6～3.3倍，是蒸发器、重沸器的理想用管。

（3） 表面多孔管：该管为光管表面形成一层多孔性金属敷层，该敷层上密布

的小孔能形成许多汽化中心，强化沸腾传热。

（4） 螺旋槽纹管：可强化管内物流间的传热，物料在管内靠近管壁部分流体

顺槽旋流，另一部分流体呈轴向涡流，前一种流动有利于减薄边界层，后一种流动分离边界层并增强流体扰动，传热系数提高1.3～1.7倍，但阻力降增加1.7～2.5倍。

（5） 波纹管：为挤压成型的不锈钢薄壁波纹管，管内、管外都有强化传热的

11

辽宁石油化工大学

作用，但波纹管换热器承压能力不高，管心距大而排管少，壳程短而不易控制。

管壳式换热器的应用已经有悠久的历史，而且管壳式换热器被当作一中传统的标准的换热设备在很多工业部门中大量使用。尤其在化工、石油、能源设备等部门所使用的换热设备中，管壳式换热器仍处于主导地位，因此本次毕业设计特针对这类换热器中的浮头式换热器的工艺设计以及结构设计进行介绍。

第二章 工艺计算

在换热器设计中，首先应根据工艺要求选择适用的类型，然后计算换热所需要的传热面积。工艺设计中包括了热力设计以及流动设计，其具体运算如下所述：

2.1 设计条件

表2-1 油品与原油的操作参数 原 油 油 品 设计压力 进口温度出口温度流 量 进口温度 出口温度 流 量 （Mpa） （°C） （°C） （kg/s） （°C） （°C） （kg/s） 69 101 26.50 300 100 6.44 2.5

表2-2 油品与原油的物性参数

名称 平均温度（℃） 比热kJ/kg2k 3.165 2.587 导热系数W/（m2k） 0.140 0.114 密度 kg/ m3 805 918 粘度（*10-3）Pa2S 原油 油品 85 200 8.10 0.920 热阻（*10-3）㎡2K/w 0.52 0.52 2.2 核算换热器传热面积

2.2.1 流动空间的确定

选择被冷却的油品走壳程，被加热的原油走管程。这是因管程：原油 为：被冷却的流体走壳程可便于散热，而传热系数大的流体应壳程：油品 走管程，这样可降低管壁的温差，减少热应力，同时对于浮头 式换热器，一般是将易结垢流体流经管程。

12

辽宁石油化工大学

2.2.2 初算换热器传热面积A' 2.2.2.1 传热计算（热负荷计算）

热负荷：Q?mccpc(Tco?Tci)?mhcph(Thi?Tho) 式中：mc,mh——冷热流体的质量流量，kg/s； cpc,cph——冷热流体的定压比热，J/(kg2k)； Tci,Tco——冷流体的进、出口温度，k； Thi,Tho——热流体的进、出口温度，k。

理论上，Qc=Qh，实际上由于热量损失，Qc≠Qh，通常热 负荷应该取max（Qc，Qh）。

Qc?mccpc(Tco?Tci)?26.5?3.165?(101?69)?2683.9KWQh?mhcph(Thi?Tho) = 6.44?2.587?(300-100)=3332.1KW

Qc?2683.9KW

；

Qh=3332.1KW 故Q?3332.1KW。

' 2.2.2.2 有效平均温差?tm的计算

Q?3332.1KW选取逆流流向，这是因为逆流比并流的传热效率高。其中?t1为较小的温度差，?t2为较大的温度差。

?t1?100?69?31C;o

?t1?31Co ?t2?300?101?199C;

o因为

?t1?t2?2，故采用对数平均温度差，则

?t2?199Co?tm?'?t2??t1ln?t2?t1?199?31ln19931?91.4℃;

?tm?91.4'2.2.2.3 按经验值初选总传热系数K估 查表选得K估=180W/（㎡﹒℃）；

13

辽宁石油化工大学

2.2.2.4 初算出所需的传热面积A'

A?'℃

2QK估?tm'?3332.1?10180?91.43?202.5m；

K估考虑到所用传热计算式的准确程度及其他未可预料的因素，应使所选用的换热器具有换热面积A0留有裕度10%-25%，故有

A?1.2A?1.2*202.5?243m'2=180W/

，根据A查选型手册，可选换热器

（㎡﹒℃）

A?202.5m'2的型式为：BES-2.5-85-6/25-4-Ⅱ，且为达到所需换热面积，应采用三台同类换热器串联。

所选浮头式换热器的规格参数以及其工艺计算常用参数可参考表2-3与表2-4（附第二章后）。 2.2.3 总传热系数K的校验

管壳式换热换热器面积是以传热管外表面为基准，则在利用关联式计算总传热系数也应以管外表面积为基准，因此总传热系数K的计算公式如下：

A?243m2

1K?1αO?Rso?bdoλwdm?Rsido

? diαidi

do式中：K——总传热系数，W/（㎡﹒K）；

αi、αO——分别为管程和壳程流体的传热膜系数，W/ （㎡﹒K）；

Rsi、Rso——分别为管程和壳程的污垢热阻，㎡2K/w；

di、do、dm——分别是传热管内径、外径及平均直径， m；

λw——传热管壁材料导热系数，W/（㎡﹒K）； b——传热管壁厚，m。 2.2.3.1管程流体传热膜系数αi 其计算过程如下：

14

辽宁石油化工大学

4mc26.5805?0.0148 ui??c?di2??2.22m/s；

Re?diui?i?i?0.02?2.22?8058.1?10?3?4413，可知流体处于过渡

流状态； Pr?cpi?i?3.165?10?8.1?100.1403?3?i?183；

当流体在管内流动为过渡流的时候，对流传热系数可先按

湍流的公式计算，然后把计算结果乘以校正系数?，即可得到ui?2.22m/s过渡流下的对流传热膜系数。 先计算校正系数?：

6?10Re1.85

??1??1?6?1044135Re?4413

1.8?0.835；

Pr?183

而湍流情况下的?i'计算如下：

由于?i?2?a，故原油为高黏度的流体，故应用Sieder-Tate 关联式：

?i'?0.027?idiRe0.8

Pr1/3(?i/?w)0.14

工程上，当液体被加热时，取(?i/?w)0.14?1.05，当液体被 冷却时，取(?i/?w)有

?i?0.027?'0.14?0.95，而管程流体原油是被加热的，则

??0.835

0.1400.02?44130.8?1831/3?1.05?928 W/（㎡﹒K）；

故管内流体传热膜系数?i为：

?i????0.835?928?775W/（㎡﹒K）； 2.2.3.2 壳程流体传热膜系数αO： 其计算过程如下：

15

'i辽宁石油化工大学

换热器内需装弓形折流板，根据GB151-1999可知，折流板 最小的间距一般不小于圆筒内直径的1/5，且不小于50mm，故 根据浮头式换热器折流板间距的系列标准，可取折流板间距

lb?300mm。

'?i?928W/

因为壳体选择为卷制圆筒，根据GB150-1999可知壳体内（㎡﹒K） 径Di?DN?600mm。

?i?775W/

管间流速uo是根据流体流过管间最大截面积As计算：（㎡﹒K）

As?lbDi(1?dopt

)

其中：do——管外径，即25㎜，

pt——为换热管中心距，此时选择换热管在管板上的排列 方式为正方形排列，因为这样便于机械清洗，查GB151-1999得

pt?32mmlb?300mm。

0.0250.032)?0.0393m2

； ；

Di?600mmAS?0.3?0.6?(1?uo?mh?hAs?6.44918?0.0393?0.178m/s

当换热管呈正方形排列时，其当量直径de为

de?1.27pdo2t?do?1.27?0.0320.0252

?0.025?0.027；同时：

do?25mm

Re?deuo?o?ocp?o??0.027?0.178?9180.92?103?3?4800；

pt?32mm

Pr?2.587?10?0.92?100.114?3?o?20.9；

AS?0.0393m2故可用Kern法求?o，即：

uo?0.178m/s

16

辽宁石油化工大学

?ode?o?0.36?0.36?Re0.55Pr1/3(?i/?w)?20.90.14

0.1140.027?48000.551/3?0.95 ；

de?0.027?420.8W/m?K

?i与?o都已经算出，而dm?b?2.5mmdi?do2?20?252?22.5mm，

Re?4800 Pr?20.9，Rsi?Rso?0.52?10?3m2?K/W，同时查钢管壁热导

率为?w?46.9W/m?K，则有

K?11bdod0did0

?o?420.8?Rso??Rsi?W/（㎡﹒K）

1?o?1420.8?wdm?idi0.0250.020.025775?0.02?0.52?10?3?0.0025?0.02546.9?0.0225故

dm?22.5mm?0.52?10?3??

b?2.5mm?191.6W/m?K

?KK估?191.6180?1.06，合适。

Rsi?0.52?102.2.4 校核平均温差

与平均温差有关参数的计算如下：

R?热流体的温降冷流体的温升?Thi?ThoTco?Tci??300?100101?69?6.25;m22K/W

Rso?0.52?10? m22K/W

?w?46.9W

P?冷流体的温升两流体最初温差Tco?TciThi?Tci?101?69300?69?0.139；

/m2K

K?191.6根据R、P值，查温度校正系数图可得温度校正系数

??0.86?0.8，因此有效平均温度差为：

?tm????tm?0.86?91.4?78.6'W

/m2K

K?1.06

℃ 。

2.2.5 校核换热面积： 实际传热面积：

A?'0QK??tm?3332.1191.6?78.6?216.2m2；

K估

校核：

17

辽宁石油化工大学

A?A0A0''?85?3?216.2216.2?100%?18%?(15%?25%)；

R?6.25

为了保证换热器的可靠性，一般应使换热器的面积裕度大于 或等于15%--25%，由上可知所选换热器面积满足要求。

P?0.139

2.3 压力降的计算

流体流经换热器因流动引起的压力降，可按管程压降和壳程压降分别计算。 2.3.1 管程压力降?pi

管程压力降有三部分组成，可按下式进行计算：

?pi?(?pL??pr)FtNpNs??pnNs

??0.86℃

?tm?78.6

A0?216.2m'2其中：?pL——流体流过直管因摩擦阻力引起的压力降，Pa；

?pr——流体流经回弯管中因摩擦阻力引起的压力降， Pa；

?pn——流体流经管箱进出口的压力降，Pa；

Ft——结构校正因数，无因次，对?25?2.5mm的管子，取为1.4；对?19?2mm的管子，取为1.5；

Np——管程数； Ns——串联的壳程数。

其中，?pL、?pr、?pn的计算式如下：

?pL??ilidi(A?A0A'0'?18%

?iui22)；?pr?3(?iui22)；?pn?1.5(?iui22)；

式中：ui——管内流速，m/s；di——管内径，m；l— —管长，m；?i——摩擦系数，无量纲，可由下式求取；?i—

—管内流体密度，kg/m。

3

18

辽宁石油化工大学

由于Re?4413，在Re?3?103?3?106范围内，故可采用下 面公式求取：

?i?0.01227?所以?pL?0.0434?0.7543Re0.38

?0.01227?20.754344130.38?0.0434

60.02?(805?2.222)?0.0258 Mpa；

?pr?3?(805?2.2222)?0.00595 Mpa；

?pn?1.5?(805?2.2222)?0.00298 Mpa；

；

?pi?(0.0258?0.00595)?1.4?4?3?0.00298?3?0.542 Mpa经查，可知每台换热器合理的压力降为0.35?1.8?105Pa，由 此可知上述压力降符合要求。 2.3.2 壳程的压力降

当壳程装上折流板后，流体在管外流动为平行流和错流的耦 合。尽管管束为直管，但流动却变得复杂化。由于制造安装公 差不可避免地存在间隙，因而会产生泄漏和旁流，而流体横向 冲刷换热管引起的旋涡，也使流动变得更加复杂。由于流动的 复杂性，要准确地分析影响这种复杂流动的各种因素，精确地 计算压力降是相当的困难。 下面通过埃索法来计算：

?po?(?p1'??p2')FsNs 式中：?p1'——流体横过管束的压力降，Pa； ?p2'——流体通过折流板缺口的压力降，Pa；

?i?0.0434

?pL?0.0258Mp

?pr?0.00595Mpa Fs——壳程压力降的结垢修正系数，无因次，对液体可 取1.15；对气体可取1.0。

?pn?0.00298 M

19

辽宁石油化工大学

2l?u其中：?p?Ff0nc(Nb?1)；?p?Nb(3.5?b)oDi22'1?uo22'2；

?pi?0.542 Mp式中：F——管子排列方法对压力降的修正系数，对三角形排列F?0.5。对正方形排列F?0.3，对转置正方形排列F?0.4；

fo——壳程流体摩擦系数，当Re?500时，

fo?5.0Re?0.228；

；

?0.121m/s nc——横过管束中心线的管子数，对三角形排列

nc?1.1Nt；对正方形排列nc?1.19Nt；

uo——按壳程流通截面Ao计算的流速，m/s； Nb——折流板的数量。 其中：

Ao?lb(Di?ncdo)?lb(Di?1.19Ntdo)?0.3?(0.6?1.19188?0.025)?0.0578m2因此 uo?mh?hAo?6.44918?0.0578?0.228；

Fs?1.15

fo?5.0?4800?0.724；

nc?1.19Nt?1.19?188?16.3； Nb?l?0.1lb?1?6?0.10.3?1?18.6

，取整为19。

2则有：?p?0.3?0.724?16.3?20?2?0.30.6'1918?0.12122?475.8 Pa，

F?0.3

?p?38?(3.5?'2)?918?0.1212?638.4 Pa；

?po?(475.8?638.4)?1.15?3?0.0038 Mpa； 可知此时的压力降在合理范围之类。

20

辽宁石油化工大学

2.4 换热器壁温计算

2.4.1 换热管壁温tt计算 符号说明：

?——以换热管外表面积为基准计算的总传热系数， 2Ao?0.0578mW/（m2℃）；

rd——污垢热阻，㎡2℃/w；

Tm,tm——分别为热、冷流体的的平均温度，℃； Ti,To——分别为热流体的进、出口温度，℃； ti,to——分别为冷流体的进、出口温度，℃；

?tm——流体的有效平均温差，℃；

uo?0.121m/s

fo?0.724nc?16.3

?——以换热管外表面积为基准计算的给热系数， W/

（m2℃）。 热流体侧的壁温：

tth?Tm??(1

Nb?19

?h?rdh)??tm1420.8?p1?475.8Pa'?200?191.6?(?156.4Co?0.52?10)?78.6 ；

?3

?p2?638.4Pa'冷流体侧的壁温：

ttc?tm??(1?c?rdc)??tm1775?0.52?10)?78.6 ；

?3

?po?0.0038 Mp?85?191.6?(?112.3Co

tth?ttc2?156.4?112.32?134.3℃。

所以 tt?

2.4.2 圆筒壁温ts的计算

由于圆筒外部有良好的保温层，故壳体壁温取壳程流体的 平均温度：ts?200℃。

21

辽宁石油化工大学

tth?156.4Co

ttc?112.3Co

tt?134.3Co

ts?200℃

到此换热器的工艺计算告一段落，其中工艺计算的主要目的是计算出其换热

22

辽宁石油化工大学

面积，选出相应的换热器型式，因此，接下来应该是进行换热器的结构设计以及强度计算。

表2-3与表2-4附于下面：

表2-3 所选浮头式换热器规格 DN PN 管管换热管计算传规格型号 管程出入壳程出入设备净 充水水 长 程规格 热面积口公称直口公称直重 重 ㎡ 径，㎜ 径，㎜ mm Mpa m 数 ㎏ ㎏ ?2.586.9 600 2.5 6 4 ?25 150 150 4327 1980 BES-2.5-85-6/25-4-??

表2-4 工艺计算常用参数 公称直径ＤＮ管程平均通道面积弓形折流板缺口弓高管程Ｎ 中心排管数 换热管数 （mm） （c㎡） （㎜） 600 4 10 188

23

148 150

辽宁石油化工大学

第三章 换热器结构设计与强度计算

在确定换热器的换热面积后，应进行换热器主体结构以及零部件的设计和强度计算，主要包括壳体和封头的厚度计算、材料的选择、管板厚度的计算、浮头盖和浮头法兰厚度的计算、开孔补强计算，还有主要构件的设计（如管箱、壳体、折流板、拉杆等）和主要连接（包括管板与管箱的连接、管子与管板的连接、壳体与管板的连接等），具体计算如下。

3.1 壳体与管箱厚度的确定

根据给定的流体的进出口温度，选择设计温度为400℃；设计压力为2.5Mpa。 3.1.1 壳体和管箱材料的选择

由于所设计的换热器属于常规容器，并且在工厂中多采用低碳低合金钢制造，故在此综合成本、使用条件等的考虑，选择16MnR为壳体与管箱的材料。

16MnR是低碳低合金钢，具有优良的综合力学性能和制造工艺性能，其强度、韧性、耐腐蚀性、低温和高温性能均优于相同含碳量的碳素钢，同时采用低合金钢可以减少容器的厚度，减轻重量，节约钢材。 3.1.2 圆筒壳体厚度的计算

焊接方式：选为双面焊对接接头，100%无损探伤，故焊 接系数??1；

??1

根据GB6654《压力容器用钢板》和GB3531《低温压力 容器用低合金钢板》规定可知对16MnR钢板其

C1?0;C2?2mm。

C1?0;C2?2mm

假设材料的许用应力??t??125Mpa（厚度为6～16mm

24

辽宁石油化工大学

时），壳体计算厚度按下式计算为：

???cDi2??t

2.5?600?6.1mm??

??6.1mm

???c2?125?1?2.5；

设计厚度?d???C2?6.1?2?8.1mm；

名义厚度?n??d?C1???8.1?0???10mm（其中?为向上圆整量）；

查其最小厚度为8mm，则此时厚度满足要求，且经检查，???没有变化，故合适。 3.1.3 管箱厚度计算

t?d?8.1mm

?n?10mm

管箱由两部分组成：短节与封头；且由于前端管箱与后端管箱的形式不同，故此时将前端管箱和后端管箱的厚度计算分开计算。 3.1.3.1 前端管箱厚度计算

前端管箱为椭圆形管箱，这是因为椭圆形封头的应力分布比较均匀，且其深度较半球形封头小得多，易于冲压成型。

此时选用标准椭圆形封头，故??1，且同上??1

C1?0;C2?2mm，则封头计算厚度为：

?1?2.5?6002?125?1?0.5?2.5?6.03mm；

C1?0;C2?2mm

?h???cDi2??

?h?6.03mm

?t??0.5?c 设计厚度?dh??h?C2?6.03?2?8.03mm；

名义厚度?nh??dh?C1???8.03?0???10mm（?为向上圆整量）；

经检查，???没有变化，故合适

t?dh?8.03mm

?nh?10mm

查JB/T4746—2002《钢制压力容器用封头》可得封头的型号参数如下：

表3-1 DN600标准椭圆形封头参数

DN(mm) 总深度H(mm) 内表面积A(㎡) 容积(m3) 封头质量（㎏） 600

175 0.4374 25

0.0353 34.6 辽宁石油化工大学

短节部分的厚度同封头处厚度，为10mm。 3.1.3.2 后端管箱厚度计算

由于是浮头式换热器设计，因此其后端管箱是浮头管箱，又可称外头盖。外头盖的内直径为700mm，这可在“浮头盖计算”部分看到。

选用标准椭圆形封头，故??1，且同上

C1?0;C2?2mm??1

，则计算厚度为：

?1?2.5?7002?125?1?0.5?2.5?7.04mm； C1?0;C2?2mm

?h?'??cDi2??

?h?7.04mm

'?t??0.5?c设计厚度?dh'??h?C2?7.04?2?9.04mm；

名义厚度?nh'??dh'?C1???9.04?0???10mm（?为向上圆整量）；

经检查，???没有变化，故合适。

t?dh?9.04mm

'?nh?10mm

'查JB/T4746—2002《钢制压力容器用封头》可得封头的型号参数如下：

表3-2 DN700标准椭圆形封头参数

DN(mm) 总深度H(mm) 内表面积A(㎡) 容积(m3) 封头质量（㎏） 700 200 0.5861 0.0545 41.3 短节部分的厚度同封头处厚度，为10mm。

3.2 开孔补强计算

在该台浮头式换热器上，壳程流体的进出管口在壳体上，管程流体则从前端管箱进入，而后端管箱上则有排污口和排气口，因此不可避免地要在换热器上开孔。开孔之后，出削弱器壁的强度外，在壳体和接管的连接处，因结构的连接性被破坏，会产生很高的局部应力，会给换热器的安全操作带来隐患。因此此时应进行开孔补强的计算。

由于管程与壳程出入口公称直径均为150mm，按照厚度系列，可选接管的规格为?159?8，接管的材料选为20号钢。 3.2.1 壳体上开孔补强计算

26

辽宁石油化工大学

3.2.1.1 补强及补强方法判别：

①补强判别：根据GB150表8-1，允许不另行补强的最大接 管外径是?89mm，本开孔外径为159mm，因此需要另行考虑 其补强。

②开孔直径d?di?2C?150?2?2?154mm?Di2?300mm

， d?154mm

?0.688mm满足等面积法开孔补强计算的适用条件，故可用等面积法进行开孔补强计算。

3.2.1.2 开孔所需补强面积计算： 强度削弱系数fr????nt???t?86125；

fr?0.688mm

接管有效厚度?et??nt?C?8?2?6mm； 开孔所需补强面积按下式计算：

A?d??2??et(1?fr)?154?6.1?2?6.1?6?(1?0.688)?962.2mm2?et?6mm

A?962.2mm2

；

B?308mm3.2.1.3 有效补强范围 ①有效宽度B：

?2d?2?154?208mm?B?max???308mmd?2??2??154?2?10?2?8?190mmnnt??

②有效高度：

（a）外侧有效高度h1为：

??d??nt?154?8?35.1mm??h1?min???35.1mm???实际外伸长度?200mm?；

h1?35.1mm

（b）内侧有效高度h2为：

??d??nt?154?4.5?35.1mm?? h2?min???0mm???实际内伸长度?0mm?

；

h2?0mm

3.2.1.4 有效补强面积 ①壳体多余金属面积：

27

辽宁石油化工大学

壳体有效厚度：?e??n?C?10?2?8mm; 则多余的金属面积A1为：

A1?(B?d)(?e??)?2?et(?e??)(1?fr)?(308?154)?(8?6.1)?2?6?(8?6.1)?(1?0.688)?285.5mm?e?8mm

；

A1?285.5mm

②接管多余金属面积： 接管计算厚度：

?t??cdi2??

?2.5?1502?86?1?2.5?2.2mm；

?n???ct

?t?2.2mm

接管多余金属面积A2：

A2?A2h?2h1(?et??t)fr?2h2(?et?C2)fr?2?35.1?(6?2.2)?0.688?0?178.2mm2；

A2?178.2mm2③接管区焊缝面积（焊脚取为6mm）：

A3?2?12?6?6?36mm

；

A3?36mm④有效补强面积：

Ae?A1?A2?A3?285.5?178.2?36?500mm；

3.2.1.5 另需补强面积

A4?A?(A1?A2?A3)?962.2?500?462.2mm2

；

Ae?500mm

拟采用补强圈补强

根据接管公称直径DN150，参照JB/T4736-2002补强圈标

A4?462.2mm

2准选取补强圈的外径D2?300mm，内径D1?164mm（选用E 型坡口）。因为B?308?D2，则补强圈在有效补强范围内。 补强圈的厚度为：

??'

D2?300mmD1?164mm

A4D2?D1?462.2300?164?3.4mm ；

考虑钢板负偏差并经圆整，取壳体和管箱上补强圈的名义?'?3.4mm

28

辽宁石油化工大学

厚度为6mm，即?n'?6mm。

'?n?6mm

3.2.2 前端管箱开孔补强计算 3.2.2.1 补强及补强方法判别：

①补强判别：根据GB150表8-1，允许不另行补强的最大接 管外径是?89mm，本开孔外径为159mm，因此需要另行考虑 其补强。

②开孔直径dh?di?2C?150?2?2?154mm?Di2?300mm

， dh?154mm

满足等面积法开孔补强计算的适用条件，故可用等面积法进 行开孔补强计算。

3.2.2.2 开孔所需补强面积计算： 强度削弱系数frh?

；

frh?0.688mm???nt???t?86125?0.688mm

接管有效厚度?et??nt?C?8?2?6mm； 开孔所需补强面积按下式计算：

Ah?dh?h?2?h?et(1?fr)?154?6.03?2?6.03?6?(1?0.688)； ?951.2mm2?et?6mm

Ah?951.2mm2

3.2.2.3 有效补强范围 ①有效宽度：

?2dh?2?154?208mm?Bh?308mm

Bh?max??308mm?d?2??2??154?2?10?2?8?190mmnnt?h?

②有效高度：

（a）外侧有效高度h1为：

h1h??dh??nt?154?8?35.1mm???min???35.1mm???实际外伸长度?200mm?；

h1h?35.1mm

（b）内侧有效高度h2为：

29

辽宁石油化工大学

??dh??nt?154?8?35.1mm????0mm???实际内伸长度?0mm? h2h?min?；

h2h?0mm

?he?8mm

3.2.2.4 有效补强面积 ①管箱多余金属面积：

管箱有效厚度：?he??hn?C?10?2?8mm; 则多余的金属面积A1为：

Ah1?(Bh?dh)(?he??h)?2?et(?he??h)(1?frh)?(308?154)?(8?6.03)?2?6?(8?6.03)?(1?0.688)； ?296mm

Ah1?296mm

②接管多余金属面积： 接管计算厚度：

?t??cdi2??t?n???c?2.5?1502?86?1?2.5?2.2mm；

?t?2.2mm

Ah2?178.2mm2 接管多余金属面积A2：

Ah2?2h1h(?et??t)frh?2h2h(?et?C2)frh?2?35.1?(6?2.2)?0.688?0?178.2mm2

；

Ah3?36mm③接管区焊缝面积（焊脚取为6mm）：

Ah3?2?12?6?6?36mm

；

Ahe?510.2mm④有效补强面积：

Ahe?Ah1?Ah2?Ah3?285.5?178.2?36?510.2mm； 3.2.2.5 另需补强面积

Ah4?Ah?(Ah1?Ah2?Ah3)?951.2?510.2?441mm2 拟采用补强圈补强

根据接管公称直径DN150，参照JB/T4736-2002补强圈标准选取补强圈的外径D2?300mm，内径D1?164mm（选用E型坡口）。因为B?308?D2，则补强圈在有效补强范围内。

Ah4?441mm

2

D2?300mmD1?164mm

30

辽宁石油化工大学

补强圈的厚度为：

??'h

?441300?164?3.24mm；

'?h?3.4mm

Ah4D2?D1

'?hn?6mm

考虑钢板负偏差并经圆整，取壳体和管箱上补强圈的名义厚度为6mm，即?hn'?6mm。 3.2.3 外头盖开孔补强计算

外头盖上的排污口与排气口接管材料也为20号钢，选用规格为?32?8，主要是通过采用厚壁接管进行补强。 3.2.3.1 开孔所需补强面积

其开孔直径dh'?di?2C?16?2?2?20mm； 强度削弱系数frh?'

dh?20mm'

???nt???t?86125?0.688mm；

frh?0.688mm'

接管有效厚度?et'??nt'?C?8?2?6mm； 开孔所需补强面积：

Ah?dh?h?2?h?et(1?frh)''''''?et?6mm

'

Ah?139mm'2 ?20?7.04?2?7.04?6?(1?0.688)；

?139mm2

B?56mm'3.2.3.2有效补强范围 ①有效宽度：

'???2dh?2?20?40mm?B?max???56mm'''?dh?2?hn?2?hnt?20?2?10?2?8?56mm???'

②有效高度：

（a）外侧有效高度h1为：

''??dh??nt?20?8?12.6mm??h1?min???12.6mm；

???实际外伸长度?70mm?''

h1?12.6mm'

（b）内侧有效高度h2为：

''??dh??nt?20?8?12.6mm?? h2?min???0mm；

?实际内伸长度?0mm???'

h2?0mm'

31

辽宁石油化工大学

3.2.3.3 有效补强面积 ①外头盖多余金属面积：

外头盖有效厚度：?'he??'hn?C?8?2?6mm; 则多余的金属面积A1为：

A'''''''''h1?(B?dh)(?he??h)?2?et(?he??h)(1?frh)?(56?20)?(8?7.04)?2?6?(8?7.04)?(1?0.688)； ?31mm②接管多余金属面积： 接管计算厚度：

?'?cdit?t?2.5?162???n???c2?86?1?2.5?0.235mm；

接管多余金属面积A2：

A'2h?2h'''''''1(?et??t)frh?2h2(?et?C2)frh?2?12.6?(6?0.235)?0.688?0；

?145.3mm2③接管区焊缝面积（焊脚取为4mm）：

A'h3?2?12?4?4?16mm； ④有效补强面积：

A'''he?Ah1?Ah2?Ah3?31?145.3?16?176.3mm?A 由此可知已经达到了补强的目的。

3.3 水压试验

设试验温度为常温，则有

P?1.25P???170T???t?1.25?2.5?125?4.25Mpa；

则校核水压试验时圆筒的薄膜压力?T：

32

?'he?6mm;

A'h1?31mm

?'t?0.235mm

A'2h?145.3mm2

A'h3?16mm

Ahe?176.3mm

PT?4.25Mpa

辽宁石油化工大学

PT(Di??e)2?e4.25?(600?8)8?2?T???T?161.5?0.9??s

?161.5?0.9??s?0.9?1?345?310.53.4 换热管

换热管的规格为?25?2.5，材料选为20号钢。 3.4.1 换热管的排列方式

换热管在管板上的排列有正三角形排列、正方形排列和正方形错列三种

排列方式。各种排列方式都有其各自的特点：①正三角形排列：排列紧凑，管外流体湍流程度高；②正方形排列：易清洗，但给热效果较差；③正方形错列：可以提高给热系数。

在此，选择正方形排列，主要是考虑这种排列便于进行机械清洗。

查GB151-1999可知，换热管的中心距S=32mm，分程隔板槽两侧相邻管的中心距为44mm；同时，由于换热管管间需要进行机械清洗，故相邻两管间的净空距离（S-d）不宜小于6mm。 3.4.2 布管限定圆DL

布管限定圆DL为管束最外层换热管中心圆直径，其由下式确定：

DL?Di?(b1?b2?b)

查GB151-1999可知，b=5，b1=3，bn=12，故b2= bn+1.5=13.5，则

DL?600?(3?5?13.5)?578.5mm。

3.4.3 排管

排管时须注意：拉杆应尽量均匀布置在管束的外边缘，在靠近折流板缺边位置处布置拉杆，其间距小于或等于700mm。拉杆中心至折流板缺边的距离应尽量控

33

辽宁石油化工大学

制在换热管中心距的（0.5～1.5）3范围内。

多管程换热器其各程管数应尽量相等，其相对误差应控制在10%以内，最大不能超过20%。

相对误差计算：?N?Ncp?Nmin(max)Ncp?100%；

其中：Ncp——各程的平均管数；Nmin(max)——各程中最小或最大的管数。

实际排管如下所示：

由上图可知，经过实际排管后发现，每个管程的布管数目分别是38，56，56，38，而各管程的平均管数为47，因此可知各程管数的相对误差是：

?N?Ncp?Nmin(max)Ncp?100%?47?3847?100%?52?4747?100%?19%?20%

3.4.4 换热管束的分程

在这里首先要先提到管箱。管箱作用是把从管道输送来的流体均匀地分布到换热管和把管内流体汇集在一起送出换热器，在多管程换热器中管箱还起改变流体流向的作用。

由于所选择的换热器是4管程，故管箱选择为多程隔板的安置形式。而对于换热管束的分程，为了接管方便，采用平行分法较合适，且平行分法亦可使管箱内残液放尽。

3.4.5 换热管与管板的连接

换热管与管板的连接方式有强度焊、强度胀以及胀焊并用。

34

辽宁石油化工大学

强度胀接主要适用于设计压力小≤4.0Mpa；设计温度≤300℃；操作中无剧烈振动、无过大的温度波动及无明显应力腐蚀等场合。

除了有较大振动及有缝隙腐蚀的场合，强度焊接只要材料可焊性好，它可用于其它任何场合。

胀焊并用主要用于密封性能要求较高；承受振动和疲劳载荷；有缝隙腐蚀；需采用复合管板等的场合。

在此，根据设计压力、设计温度及操作状况选择换热管与管板的连接方式为强度焊。这是因为强度焊加工简单、焊接结构强度高，抗拉脱力强，在高温高压下也能保证连接处的密封性能和抗拉脱能力。

3.5 管板设计

管板是管壳式换热器最重要的零部件之一，用来排布换热管，将管程和壳程的流体分隔开来，避免冷、热流体混合，并同时受管程、壳程压力和温度的作用。由于流体只具有轻微的腐蚀性，故采用工程上常用的16MnR整体管板。 3.5.1 管板与壳体的连接

由于浮头式换热器要求管束能够方便地从壳体中抽出进行清洗和维修，因而换热器固定端的管板采用可拆式连接方式，即把管板利用垫片夹持在壳体法兰与管箱法兰之间。 3.5.2 管板计算 符号说明：

Ad——在布管区范围内，因设置隔板槽和拉杆结构的需要，而未能被换热管支承的面积，mm2，对正方形排列，Ad?n'?S?(Sn?S)；

n'——隔板槽一侧的排管根数； ——换热管中心距；

SSn——隔板槽两侧邻管的中心距； At——管板布管区面积，mm2；对多管程正方形排列换热器，At?n?S2?Ad；

2Al——管板布管区内开孔后的面积，mm

35

；Al?At?n??d42；

辽宁石油化工大学

2a——一根换热管管壁金属的横截面积，mm；

DG——固定端管板垫片压紧力作用中心圆直径，根据所选的垫片的尺寸，mm；

且选择其压紧面型式为GB150表9-1的1a，可知密封面宽度

b0?N2?665?6252?10mm?6.4mm；则b?2.53b0?2.53?10?m8m?6.4mm，

故DG?665?2?8?649mm；

Dtd——管板布管区当量直径，mm，Dt?4At?；

——换热管外径，mm；

Ep——设计温度时，管板材料的弹性模量，Mpa； Ef——设计温度时，换热管材料的弹性模量，Mpa；

13?Gwe——系数，按K?12Pa和1?t查GB151图24；

EtnaLDtKt——管束模数，Mpa；Kt?；

??Kt?——管束无量纲刚度，Mpa；KKtt?EpL；

——换热管有效长度（两管板内侧间距），mm；

l——换热管与管板胀接长度或焊脚高度，mm；

n——换热管根数；

?——无量纲压力，P??PaaPd1.5????rt；

Pc——当量压力组合；Mpa； pd——管板设计压力，Mpa；

ps——壳程设计压力，Mpa； ptq——管程设计压力，Mpa；

——换热管与管板连接拉脱力，Mpa；

36

辽宁石油化工大学

?q?——许用拉脱力，查GB151，Mpa；

?——系数，??naA；

1?——管板计算厚度，mm；

?t——换热管管壁厚度，mm；

?——管板刚度削弱系数，一般可取?值；

?——管板强度削弱系数，一般取??0.4；

?Dtt——系数，?t?D；

G?t——换热管轴向应力，Mpa；

???cr——换热管稳定许用压应力，Mpa；

???tr——设计温度时，管板材料的许用应力，Mpa；

；???tt——设计温度时，换热管材料的许用应力，Mpa；管板厚度计算过程如下： 3.5.2.1管板名义厚度计算：

A'''d?2Ad?Ad?2?13?32?(44?32)?10?13?32?(44?32)；

?13824mm2 A2t?188?32?13824?206336；

A3.14?252l?206336?188?4?114098.5；

a??223.1424(do?di)??202)?176.625mm24?(25； na?188?176.625?33205.5； ??33205.5114098.5?0.291；

D4?206336t?3.14?512.7mm；

37

Ad?13824mm2

At?206336

Al?114098.5

a?176.625mm2na?33205.5

??0.291

Dt?512.7mm

辽宁石油化工大学

512.7649 ?t??0.79；

1?t?1.26；

?t?0.791?1.26

5 查GB150可知Et?1.62?105Mpa， ?tEp?1.58?10Mpa；

则 Kt?1.62?10?33205.5(6000?50?2)?512.75?1778.3Mpa；

Kt?1778.3Mpa

式中L应为换热管的有效长度，但由于管板厚度尚未计算出，暂估算管板厚度为50mm进行试算，待管板厚度算

出再用有效长度核算，L?L0?2?n?2?(管端伸出长度)。

??Kt1778.30.4?1.58?105?13?0.03 ?0.0281；Kt??0.0281 Kt?13?0.03 Kt当中的???cr的计算如下： Cr??2Et?3.14?2?1.62?102455?ts?114.2；

Cr?114.2

i?0.25d2?(d?2?t)2?0.25?252?(25?2?2.5)2?8.0； i?8.0 查GB151-1999可知lcr?2lb?600，则lcri?6008?75?Cr，lcr?600 同时由于前面换热管的材料选为20号钢，故???t?86Mpa， lcri?75

t

???cr??s2t(1?lcri2Cr)?2452?(1?752?114.2；

)

?82.2Mpa????t?86Mpa???cr

?82.2Mpa

由于此时不能保证ps与pt在任何时候都同时作用，则取

??pd?2.5Mpa；故Pa2.51.5?0.4?86?0.048?12?0.22；，故Pa??0.048 Pa?12?0.22 Pa?根据K13?2=1.36和1??1.26查GB151图可知Pta1C?0.55,Gwe?1.9，则管板计算厚度为：

?K13?2=1.36 Pa1??61.8mm

??0.55?512.7?0.048?61.8mm； ??CDtPa

?n?68mm

管板的名义厚度应不小于下列三部分之和，即

38

辽宁石油化工大学

?n??MAX(?,?min)?MAX(Cs,h1)?MAX(Ct,h2)?圆整??MAX(61.8,25)?MAX(2,0)?MAX(2,4)?圆整=?61.8+2+4?圆整=68mm

L?5861mm式中Cs和Ct分别是指壳程、管程的腐蚀裕量；而h1是指壳程侧管板结构槽深，为0；h2是指管程隔板槽深，为4mm。 此时应根据得到的管板名义厚度，重复以上步骤，使得管子有效长度对应于管板厚度。

L?L0?2?n?2?(管端伸出长度)?6000?2?68?2?1.5?5861mm

Kt?1790.2Mpa

Kt???Kt1.62?10?33205.55861?512.71790.20.4?1.58?1011355?1790.2Mpa；

??0.0283Kt

?0.0283；

?K13?2=1.39 Pa1?故K?2=1.39，查图可知C?0.54，G?1.92，则 Pwea??CDt??0.54?512.7?Pa0.048?60.8mm，

??60.8mm

?n?68mm

?n??60.8?2?4?圆整?68mm；

3.5.2.2 换热管的轴向应力

换热管的轴向应力在一般情况下，应按下列三种工况分 别计算：

①壳程设计压力ps?2.5Mpa，管程设计压力pt?0： pc?ps?pt(1??)?ps?2.5Mpa；

?At1??t?p?(p?p)G?cstwe???Al??10.291(2.5?2.5?206336114098.5?1.9)

pc?2.5Mpa

；

?t??21.1Mpa

??21.1Mpa

?t???明显地，?t????cr；

②管程设计压力pt?2.5Mpa，壳程设计压力ps?0： pc?ps?pt(1??)?0?2.5?(1?0.291)??3.23Mpa；

39

?cr

辽宁石油化工大学

?At1?p?(p?p)G?cstwe???Al?10.291(?3.23?2.5?206336114098.5?1.9)?t??pc??3.23Mpa

；

?t??18.4Mpa

??18.4Mpa

?t???明显地，?t????t?86Mpa；

③壳程设计压力ps与管程设计压力pt同时作用：

pc?ps?pt(1??)?2.5?2.5?(1?0.291)??0.73Mpa；

t?tt?86Mpa

pc??0.73Mpa

?t???At1?p?(p?p)G?cstwe???Al?1?(?0.73)?t??2.5Mpa

0.291；

?t?????2.5Mpa明显地，?t????cr。

由以上三种情况可知，换热管的轴向应力符合要求。 3.5.2.3 换热管与管板连接拉脱力

q??cr

?ta?dl?21?176.6253.14?25?3.5?13.5Mpa；

q?13.5Mpa

l?3.5mm式中，l?l1?l3?1.5?2?3.5mm

其中：l1——换热管最小伸出长度，查GB151-1999可 知 l1?1.5mm；

l3——最小坡口深度，l3?2mm； 许用拉脱力?q??0.5???t?0.5?86?43Mpa；

明显地，q??q?。

3.5.3 管板重量计算

管板有固定管板以及活动管板，两者的重量计算分别如下所示： 3.5.3.1 固定管板重量计算

40

tl1?1.5mml3?2mm

?q??43Mpa

q??q?

辽宁石油化工大学

Q1???4????625?3?2?665??68?3?2???7850?1022?9

Q1?183kg3.144

?2.98?10?7850?107?9

?183kg3.5.3.2 活动管板重量计算：

368

3

Q2???4

Q2?147kg????560?3?2?594??68?3?2???7850?1022?9

3.144?2.38?10?7850?107?9

?147kg3.6 折流板

设置折流板的目的是为了提高壳程流体的流速，增加湍动程度，并使管程流体垂直冲刷管束，以改善传热，增大壳程流体的传热系数，同时减少结构，而且在卧式换热器中还起支撑管束的作用。常见的折流板形式为弓形和圆盘—圆环形两种，其中弓形折流板有单弓形，双弓形和三弓形三种，但是工程上使用较多的是单弓形折流板。

在浮头式换热器中，其浮头端宜设置加厚环板的支持板。 3.6.1 折流板的型式和尺寸

此时选用两端选用环形折流板，中间选用单弓形折流板，上下方向排列，这样可造成液体的剧烈扰动，增大传热膜系数。

41

辽宁石油化工大学

为方便选材，可选折流板的材料选为16MnR，由前可知，弓形缺口高度为150mm，折流板间距为300mm，数量为19块，查GB151-1999可知折流板的最小厚度为5mm，故此时可选其厚度为6mm。同时查GB151-1999可知折流板名义外直径为

DN?4.5?600?4.5?595.5mm。

3.6.2 折流板排列

该台换热器折流板排列示意图如下所示：

3.6.3 折流板的布置

一般应使管束两端的折流板尽可能靠近壳程进、出口管， 其余折流板按等距离布置。靠近管板的折流板与管板间的距离 l应按下式计算： l?(L1?B22)?(b?4)?(283?159?2?82)?(68?4)?290.5mm

； l?290.5mm

B2?143mm其中：L1——壳程接管位置的最小尺寸，mm； b——管板的名义厚度，mm；

B2——为防冲板长度，若无防冲板时，B2应为接管的内径，mm；

3.6.4 折流板重量计算 符号说明如下：

Q

——折流板质量，kg；

Da——折流板外圆直径，； Af——折流板切去部分的弓形面积，Af?Da2?C，mm2，

C——系数，由ha/Da查表求取；

ha——折流板切去部分的弓形高度，mm；

42

辽宁石油化工大学

d1——管孔直径，mm； d2——拉杆孔直径，mm； n1——管孔数量； n2——拉杆孔数量；

?——折流板厚度，mm。

计算过程如下：

ha/Da?1502595.5?0.2522，查得C?0.15528；

2ha/Da?0.252

Af?Da?C?595.5?0.15528?55065.4mm C?0.15528

Af?55065.4mm

2?2?2???2Q??(?Da?Af)?(?d1?n1??d2?n2)?????44?4?3.143.14?3.14?222??(?595.5?55065.4)?(?25?188??16?4)?

Q?6.14kg 44?4??6?7850?6.14kg

3.7 拉杆与定距管

3.7.1 拉杆的结构形式

常用拉杆的形式有两种： （1）

拉杆定距管结构，适用于换热管外径大于或等于19mm的管束，

l2?La（La按

GB151-1999表45规定）；

（2） 拉杆与折流板点焊结构，适用于换热管外径小于或等于14mm的管束，l1?d；

（3） 当管板比较薄时，也可采用其他的连接结构。

由于此时换热管的外径为25mm，因此选用拉杆定距管结构。 3.7.2 拉杆的直径、数量及布置

其具体尺寸如下所示：

43

辽宁石油化工大学

表3-3 拉杆的参数

拉杆的直径d 拉杆螺纹公称直径dn Ｌa 16 16 20 Ｌb ≥60 b 拉杆的数量 2 4 其中拉杆的长度L按需要确定。

拉杆应尽量均匀布置在管束的外边缘。若对于大直径的换热器，在布管区内或靠近折流板缺口处应布置适当数量的拉杆，任何折流板应不少于3个支承点。

对于本台换热器拉杆的布置可参照零件图。 3.7.4 定距管

定距管的规格同换热管，其长度同实际需要确定。本台换热器定距管的布置可以参照部件图。

3.8 防冲板

由于壳程流体的?v2?918?0.1782?29.1kg/(m?s2)?740kg/(m?s2)，管程换热管流体的流速?3m/s，因此在本台换热器的壳程与管程都不需要设置防冲板。

3.9 保温层

根据设计温度选保温层材料为脲甲醛泡沫塑料，其物性参数如下：

表3-4 保温层物性参数

导热系数 密度 （kcal／（kg／m3） mh℃） 0.0119～13～20 0.026 吸水率 12% 抗压强度 （kg／m３） 0.25～0.5 适用温度 （℃） -190～+500 44

辽宁石油化工大学

3.10法兰与垫片

换热器中的法兰包括管箱法兰、壳体法兰、外头盖法兰、外头盖侧法兰、浮头盖法兰以及接管法兰，另浮头盖法兰将在下节进行计算，在此不作讨论。 垫片则包括了管箱垫片和外头盖垫片。 3.10.1固定端的壳体法兰、管箱法兰与管箱垫片

（1） 查JB4700-2000压力容器法兰可选固定端的壳体法兰和管箱法兰为长颈对焊法兰，凹凸密封面，材料为锻件20MnMoⅡ，其具体尺寸如下：（单位为mm）

45

辽宁石油化工大学

表3-5 DN600长颈对焊法兰尺寸

法兰 DN 螺柱 对接筒体 R d 规格 数量 最小 h a a1 ?1 ?2D D1 D2 D3 D4 ? H 厚度 600 760 715 676 666 663 42 110 35 21 18 16 26 12 27 M24 24 10 （2）此时查JB4700-2000压力容器法兰，根据设计温度可选择垫片型式为金属包垫片，材料为0Cr18Ni9，其尺寸为：

表3-6 管箱垫片尺寸

PN(Mpa) DN(mm) 外径D(mm) 内径d(mm) 垫片厚度 反包厚度Ｌ 2.5 600 665 625 3 4 3.10.2外头盖侧法兰、外头盖法兰与外头盖垫片、浮头垫片

（1）外头盖法兰的型式与尺寸、材料均同上壳体法兰，凹密封面，查JB4700-2000压力容器法兰可知其具体尺寸如下所示：（单位为mm）。

表3-7 外头盖法兰尺寸

法兰 DN 螺柱 对接筒体 R d 规格 数量 最小 h a a1 ?1 ?2D D1 D2 D3 D4 ? H 厚度 700 860 815 776 766 763 50 120 35 21 18 16 26 12 27 M24 28 10 （2）外头盖侧法兰选用凸密封面，材料为锻件20MnMoⅡ，查JB/4721-92可知其具体尺寸如下表：

46

辽宁石油化工大学

δ1δ

表3-8 外头盖侧法兰尺寸 法兰 DN 螺柱 对接筒体 R d 规格 数量 最小 h a1 ?1 ? D D1 D2 D3 D4 ? H 2厚度 600 860 815 776 766 763 48 150 72 18 16 40 12 27 M24 28 10 （3）查JB/T4718-92选外头盖垫片的型式为金属包垫片，其外径D为765mm，内径d为725mm且查JB/T4718-92也选浮头垫片的型式为金属包垫片，则其外径D为592mm，内径d为568mm，两者材料均为0Cr18Ni9。 3.10.3 接管法兰型式与尺寸

根据接管的公称直径，公称压力可查HG20592～20635－97钢制管法兰、垫片、紧固件，选择带颈对焊钢制管法兰，选用凹凸密封面，其具体尺寸如下表所示： （单位为㎜）

47

辽宁石油化工大学

表3-9 带颈对焊钢制管法兰

连接尺寸 法兰颈 钢管外径螺公（法兰焊栓螺螺法 称 端外径）A1 法法通兰孔栓栓兰Ｎ 兰法兰理径 外中孔孔螺纹 厚ＨＳ １Ｒ高论重量DN 径心直数Th 度 ≈度 （㎏） A B D 圆径量C 直Ｌ n Ａ Ｂ H 径K 25 33.7 32 115 85 14 4 M12 16 46 46 3.2 6 4 40 1.26 150 168.3 159 300 250 26 8 M24 28 190 190 6.3 12 8 75 12.7 3.11 钩圈式浮头

本台浮头式换热器浮头端采用B型钩圈式浮头，其详细结构如下图所示，而浮头盖采用了球冠形封头。

48

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/01cw.html