固定管板式换热器毕业设计-说明书

河南理工大学(本科)毕业设计论文

摘要

本设计说明书是是针对固液两相流降温换热设计,据要求设计为PN15DN400固定管板式换热器，主要进行了换热器的工艺计算、换热器的结构和强度设计。

设计首先根据给定的设计条件确定换热器总体设计方案--设计为三组换热器，然后对于每一级进行具体的设计。每一级的设计过程为：前半部分为工艺计算，估算换热面积，计算传热系数，计算出实际的换热面积，最后进行压力降和壁温的计算；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、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、开孔补强计算等。

关键词：固液两相流 管壳式换热器 管板封头 膨胀节

1

河南理工大学(本科)毕业设计论文

Abstract

The designis based on the liquid-solid two-phase flow of the design .According to the request it is designed to be the PN1.5DN400 fixed tube head heatexchanger, which included technology calculate of heat exchanger, the structureandintensity of heat exchanger.

Design first according to the given design conditions determine overall design scheme--Design into three groups heat exchange,we start to design for each level then . The design for each level is as follows: 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, calculateheat 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 controltube, tube boxes. Thispartofdesign mainly include：the choice of materials，identify specific size,identify specific location, the thicknesscalculation oftube sheet, thethickness 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.

Key

word:Liquid-solid

two-phase

flow,fixed

tube

head

heatexchanger, tube sheet, floating headplanting, expansion joint.

2

河南理工大学(本科)毕业设计论文

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液固两相流降温问题，针对此问题设计了三组换热器。固定管板式换热器是国能换热器厂生产的主要设备之一，主要用于冷凝器，余热利用的换热器等，并且设计的原始资料及数据均来源于工厂中正在设计的设备。

这次设计中的主要内容为:换热器的热力计算、工艺计算、换热器的结构与强度设计。其中，热力计算和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、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

河南理工大学(本科)毕业设计论文

目录

摘要 .................................................................................................................................................. 1 ABSTRACT .......................................................................................................................................... 2 前言 .................................................................................................................................................. 3 1 换热器概述 ................................................................................................................................... 7 1.1 换热器的应用 ............................................................................................................................ 7 1.2 换热器的主要分类 .................................................................................................................... 7 1.2.1 换热器的分类及特点 ......................................................................................................... 7 1.2.2 管壳式换热器的分类及特点 ............................................................................................. 8 1.3 管壳式换热器特殊结构 .......................................................................................................... 13 1.4 换热管简介 .............................................................................................................................. 13 2 工艺计算 ..................................................................................................................................... 15 2.1 设计条件.................................................................................................................................. 15 2.2第一级热力计算 ....................................................................................................................... 15 2.2.1估算换热量 ....................................................................................................................... 16 2.2.2 计算换热器换热面积 ....................................................................................................... 16 2.2.3 总传热系数的计算 ........................................................................................................... 17 2.2.4 校核换热面积： ............................................................................................................... 20 2.3 压力降的计算 .......................................................................................................................... 21 2.3.1 管程压力降 ....................................................................................................................... 21 2.3.2 壳程的压力降 ................................................................................................................... 22 2.4 换热器壁温计算 ...................................................................................................................... 23 2.4.1 换热管壁温计算 ............................................................................................................... 24 2.4.2 圆筒壁温的计算 ............................................................................................................... 24 3 换热器结构设计与强度校核 ..................................................................................................... 27 3.1 壳体与管箱厚度的确定 .......................................................................................................... 27 3.1.1 壳体和管箱材料的选择 ................................................................................................... 27 3.1.2 圆筒壳体厚度的计算 ....................................................................................................... 27 3.1.3 管箱厚度计算 ................................................................................................................... 28 3.2 开孔补强计算 .......................................................................................................................... 29

4

河南理工大学(本科)毕业设计论文

3.2.1 壳体上开孔补强计算 ....................................................................................................... 29 3.2.2 前端管箱开孔补强计算 ................................................................................................... 31 3.2.3 排污口和排气孔开孔补强计算 ....................................................................................... 34 3.3 水压试验.................................................................................................................................. 34 3.4 换热管...................................................................................................................................... 35 3.4.1 换热管的排列方式 ........................................................................................................... 35 3.4.2 布管限定圆 ....................................................................................................................... 35 3.4.3 排管 ................................................................................................................................... 36 3.4.4 换热管束的分程 ............................................................................................................... 37 3.4.5 换热管与管板的连接 ....................................................................................................... 37 3.5 管板设计.................................................................................................................................. 37 3.5.1 管板与壳体的连接 ........................................................................................................... 37 3.5.2 管板计算 ........................................................................................................................... 38 3.5.3.换热管的轴向应力 ........................................................................................................... 42 3.5.4. 换热管与管板连接拉脱力 .............................................................................................. 43 3.5.5 管板重量计算 ................................................................................................................... 43 3.6 折流板...................................................................................................................................... 44 3.6.1 折流板的型式和尺寸 ....................................................................................................... 44 3.6.2 折流板排列 ....................................................................................................................... 44 3.7 拉杆与定距管 .......................................................................................................................... 46 3.7.1 拉杆的结构形式 ............................................................................................................... 46 3.7.2 拉杆的直径、数量及布置 ............................................................................................... 46 3.7.3 定距管 ............................................................................................................................... 47 3.8膨胀节....................................................................................................................................... 47 3.9 防冲板...................................................................................................................................... 49 3.10保温层 .................................................................................................................................... 49 3.11法兰与垫片 ............................................................................................................................. 50 ........................................................................................................................................................ 52 3.12 分程隔板及支座 .................................................................................................................... 52 3.12.1 支反力计算如下： ......................................................................................................... 52 3.12.2 鞍座的型号及尺寸 ......................................................................................................... 54 3.13 接管的最小位置 .................................................................................................................... 54 第四章换热器的腐蚀、制造与检验 ............................................................................................. 56

5

河南理工大学(本科)毕业设计论文

4.1 换热器的腐蚀 .......................................................................................................................... 56 4.1.1 换热管腐蚀 ....................................................................................................................... 56 4.1.2 管子与管板、折流板连接处的腐蚀 ............................................................................... 56 4.1.3 壳体腐蚀 ........................................................................................................................... 56 4.2 换热器的制造与检验 .............................................................................................................. 56 4.2.1 总体制造工艺 ................................................................................................................... 56 4.2.2 换热器质量检验 ............................................................................................................... 57 4.2.3 管箱、壳体、头盖的制造与检验 ................................................................................... 57 4.2.4 换热管的制造与检验 ....................................................................................................... 58 4.2.5 管板与折流板的制造与检验 ........................................................................................... 58 4.2.6 换热管与管板的连接 ....................................................................................................... 58 4.2.7 管束的组装 ....................................................................................................................... 59 4.2.8 管箱、浮头盖的热处理 ................................................................................................... 59 5 焊接工艺评定 ............................................................................................................................. 60 5.1 壳体焊接工艺 .......................................................................................................................... 60 5.1.1 壳体焊接顺序 ................................................................................................................... 60 5.1.2 壳体的纵环焊缝 ............................................................................................................... 60 5.2 换热管与管板的焊接 .............................................................................................................. 60 5.2.1 焊接工艺 ........................................................................................................................... 60 5.2.2 焊接缺陷 ........................................................................................................................... 61 5.2.3 法兰与筒体的焊接 ........................................................................................................... 61 6 换热器的安装、试车与维护 ..................................................................................................... 62 6.1 安装 ......................................................................................................................................... 62 6.1.1 场地和基础 ....................................................................................................................... 62 6.1.2 安装前的准备 ................................................................................................................... 62 6.1.3 地脚螺栓和垫铁 ............................................................................................................... 62 6.1.4 其他要求 ........................................................................................................................... 62 6.2 试车 ......................................................................................................................................... 63 6.3 维护 ......................................................................................................................................... 63 总结 ................................................................................................................................................ 64 致谢 ................................................................................................................................................ 66 参考文献 ......................................................................................................................................... 67

6

河南理工大学(本科)毕业设计论文

1 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。本此设计正是要利用换热器降低泥浆的温度，从而获取热量用以供热，洗澡等。这样不仅节约了能源，同时也合理利用了资源，带来了额外的经济价值。

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：

7

河南理工大学(本科)毕业设计论文

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

我们从设计题目出发，经过查阅资料认真思考，认为此次设计的冷却水可用于三种方式：做饭，供热和洗澡。因此设计三组固定管板式换热器组，而固定管板式换热器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。

8

河南理工大学(本科)毕业设计论文

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，而上图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或横向挡板，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：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

9

河南理工大学(本科)毕业设计论文

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：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

10

河南理工大学(本科)毕业设计论文

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：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：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。

11

河南理工大学(本科)毕业设计论文

(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

12

河南理工大学(本科)毕业设计论文

度受一定限制，直径也不宜过大。

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，

13

河南理工大学(本科)毕业设计论文

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。

14

河南理工大学(本科)毕业设计论文

2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 泥浆的部分参数表

参数 密度(ρs) 动力粘度(μ) 比热(c) 导热系数(λ)

单位 kg/m mPa s kJ/kg K W/m K

3

40℃ 1057 16 3.841 0.655

100℃ 1057 15 3.882 0.698

基本参数：热侧：进口25tons/h，进口温度100℃；出口40℃。冷侧：进口≥5tons/h，温度20℃；要求出口5tons/h部分加热至约85℃，另一部分流量和温度没做要求。 根据设计要求，经过查阅资料，我决定将此次设计为三组换热器。第一级：冷测流体由10℃(考虑极限情况下，冬季冷侧水温为10℃，此时可以满足设计要求)升温至85℃，此部分水可以用来做饭等，设计流量为5tons/h；第二级：冷侧水入口温度仍为10℃，出口温度为75℃，此部分水可以用来供暖等；第三级：泥浆的出口温度应降为40℃ ，此时设计水侧出口温度为45℃，此部分水可以直接用来洗澡

2.2第一级热力计算

热侧：进口温度100℃，流量为25tons/h；冷侧：进口温度为10℃，进口流量为5tons/h，出口温度为85℃。

15

河南理工大学(本科)毕业设计论文

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。

n1=3.94

2.3.1管程压力降

管程压力降有三部分组成，可按下式进行计算： ?P=（?Pl+?Pr+?Pn）Ns （2-17）

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； Np——管程数；

Ns——串联的壳程数。

其中，?Pl、?Pr、?Pn的计算式如下： ?Pl=λid?Pr=4

lρiui2

i

2

; (2-18)

ρiui22

Np；(2-19)

ρiui22

?Pn=1.5（

） (2-20)

式中：ui——管内流速，m/s；di——管内径，m；l——管子总长，m；λi——摩擦系数，无量纲，可由下式求取；?i——管内流体密度，kg/m3。

由于Re=1815.2，在Re=3×103?3×106范围内，故可采用下面公式求取： λi=R；

e

64

21

河南理工大学(本科)毕业设计论文

所以?Pl=1815.2×0.026×?Pr=4×

10572

643×410572

×1=8600.2pa；

×4=8456pa； =792.8pa；

?Pn=1.5×

10572

?Pl=8600.2pa ?Pr=8456pa ?Pn=792.8pa

?P=4× 8600.2+8456+792.8 =7.14×104pa； 经查，可知每台换热器合理的压力降小于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(2-21)

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；

?P=7.14×104pa

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。

其中：?P1=Ff0nc Nb+1 ?P2=Nb 3.5?

2lbDi

ρuo2

2

;(2-22)

ρuo22

；(2-23)

式中：对三角形排列F——管子排列方法对压力降的修正系数，

22

河南理工大学(本科)毕业设计论文

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=5.0R_e?0.228(2-24)

F=0.5

A0=0.078m2

nc——横过管束中心线的管子数，对三角形排列nc=1.1 Nt；对正方形排列nc=1.19 Nt；Nt为一台换热器的中管子的总数。 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：

A0=lb Di?ncdo =lb Di?1.1 Ntdo (2-25)

=0.5× 0.4?1.1 48×0.032

=0.078m2

因此uo=ρ

mh

hAO

=989×0.078=0.018m/s；(2-26)

5/3.6

fo=5.0×1389.7?0.228=0.96

nc=1.1 Nt=1.1× 48=7.62

Nb=

l?0.1lb

?1=

3?0.10.5

=4.8，取整为5。

则有：

?P1=0.5×0.96×7.62×6×?P2=5× 3.5?

2×0.50.4

989×0.0182

2

=3.52pa;

uo=0.018m/s nc=7.62 Nb=5

?P1=3.52pa

×

989×0.0182

2

=0.8 Pa;

?Po=(3.52+0.8)×1.15×4=19.9Pa

由于壳程压降很小，如上计算所示，可知此时的压力降在合理范围之类，这样设计合理。

2.4 换热器壁温计算

?P2=0.8 Pa ?Po=19.9Pa

23

河南理工大学(本科)毕业设计论文

2.4.1换热管壁温计算

符号说明：

tth=69.5℃

?——以换热管外表面积为基准计算的总传热系数，W/

（m2℃）；

Rsi、Rso——分别为管程和壳程的污垢热阻，㎡2K/w； Tm、tm——分别为热、冷流体的的平均温度，℃； T1O,T2O ——冷流体的进、出口温度，k； T1i,T2i——热流体的进、出口温度k; ?tm——流体的有效平均温差，℃；

hi——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?K(h+Rsi)?tm（2-27）

i

1

=91.5?251.5×(=69.5℃； 冷流体侧的壁温：

1

+5.28×10?4)×36.7 540.3ttc=tm+K(h+Rso)?tm（2-28）

o

1

=47.5+251.5×(

1

+1.76×10?4)×36.7 1242=56.6℃

所以tt=

tth+tc2

=

69.5+56.6

2

=63.1℃。（2-29）

2.4.2圆筒壁温的计算

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：?tm=47.5℃.

24

河南理工大学(本科)毕业设计论文

ttc=56.6℃

tt=63.1℃

?tm=47.5℃

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。 附于下面：

表2-2 工艺计算常用参数

公称直径 管程Ｎ ＤＮ（mm） 400 4 8 48 中心排管数 换热管数 （c㎡） 148 缺口弓高（㎜） 150 管程平均通道面积 弓形折流板 表2-3第二级和第三级计算数据如下表所示:

名 称 第二组 第三组 名 称 流量（t/h） 进口温度(℃) 出口温度(℃) 泥浆传热系数534.9 (w/m2.k） 泥浆流速1 1 525.9 侧 83 68.5 68.5 40 25 25 冷 进口温度(℃) 出口温度(℃) 水的传热系数1212.8 (w/m2.k） 水的流速0.035 0.131 2348 10 75 10 45 流量（t/h） 5 18.8 第二组 第三 组 25

河南理工大学(本科)毕业设计论文

（m/s） 侧总传热系数248.9 (w/m.k） 换热量（kw） 389 762 2（m/s） 有效平均温度273.3 (℃) 换热面积（m2） 53 61.82 5 横掠管束压降 过折流板压降 13.45 11.2 25.3 8 39.7 104.25.4 26.6 管程数 管程压降（Pa） 沿程压降 回弯阻力 进出口阻力 热侧壁温(℃) 平均壁温(℃) .8 4 8745.7 4 8952.3 壳程数 壳程压降壳（Pa） 8456 8456 792.7 79260.6 54.7 42.4 34.3 冷侧壁温(℃) 平均壁温(℃) 36.6 54.7 31.9 34.3 26

河南理工大学(本科)毕业设计论文

3 换热器结构设计与强度校核

在第一部分进行工艺计算结束后,应进行下一步:开始换热器主体结构以及零部件的设计和强度计算.这一过程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、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、膨胀节等）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200℃；设计压力为1.5Mpa。

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，局部无损探伤，故焊接系数?=0.85；

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。 假设材料的许用应力

，壳??t??125Mpa（厚度为6～16mm时）

27

?=0.85

C1?0;C2?2mm

河南理工大学(本科)毕业设计论文

体计算厚度按下式计算为： δ=

PcDi2[?]t??Pc

=2.85mm；(3-1)

δ=2.85mm

δd=4.85mm δn=6mm

=

1.5×4002×125×0.85?1.5

设计厚度为：

δd=δ+C2=2.85+2=4.85mm；(3-2)

名义厚度δn=δd+C1+?=6mm(其中?为向上圆整量)；(3-3) 查其最小厚度为6mm，则此时厚度满足要求，且经检查，???没有变化，故合适。

t3.1.3管箱厚度计算

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。

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C1?0;C2?2mm，??1则封头计算厚度为：

ci

δh=2[?]t??=2×125×400?0.5×1.5=2.83mm ； (3-4) 0.5P

c

C1?0;C2?2mm

1×1.5×400

KPD

δh=2.83mm δdh=4.83mm δnh=4.83 mm

设计厚度δdh=δh+C2=2.83+2=4.83mm ; (3-5) 名义厚度δnh=δdh+C1+?=4.83 mm （?为向上圆整量）； 经检查，???没有变化，故合适

t

查JB/T4746—2002《钢制压力容器用封头》可得封头的型号参数如下：

28

河南理工大学(本科)毕业设计论文

表3-1 DN400标准椭圆形封头参数

DN(mm) 总深度H(mm) 400 125 内表面积A(㎡) 0.2049 容积(m3) 0.0115 封头质量（㎏） 9.7 短节部分的厚度同封头处厚度，为6mm。

3.2 开孔补强计算

在该台固定管板式换热器上，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100mm，按照厚度系列，可选接管的规格为?108×4，接管的材料选为20号钢。

3.2.1壳体上开孔补强计算

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=100+2×2=104mm<

Di2

=200mm， (3-6)

d=200mm

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。

2) 开孔所需补强面积计算：

29

河南理工大学(本科)毕业设计论文

t强度削弱系数f????nr???t?86125?0.688mm； (3-7) 接管有效厚度δet=δnt?C=4?2=2mm ;(3-8) 开孔所需补强面积按下式计算： A=dδ+2δδet 1?fr (3-9)

=104×2.85+2×2.85×2×(1?0.688)

=300mm2； 3) 有效补强范围 B= 2d=2×104=208mm

d+2δ

n

+2δnt=104+2×6+2×4=124mm (3-10) =208mm

有效高度：

（a）外侧有效高度h1为： h1=

dδnt= 2×104=20.4mm实际外伸长度为200mm

=20.4mm(3-11)

（b）内侧有效高度h2为： h2=min

dδnt= 2×104=20.4mm实际内伸长度为0mm

=0mm ;(3-12)

4) 有效补强面积 ①壳体多余金属面积：

壳体有效厚度：δc=δn?C=6?2=4mm ;(3-13) 则多余的金属面积A1为： A1= Bh?dh δhe?δh ?2δhe δhe?δh (1?frh)(3-14) =(208?104)× 4?2.85 ?2×2× 4?2.85 ×0.312

=118.16mm2

②接管多余金属面积： 接管计算厚度：

30

fr?0.688mm

δet=2mm

A=300mm2 B=208mm

h1=20.4mm

h2?0mm

δc=4mm

A1=118.16mm2

河南理工大学(本科)毕业设计论文

δt=

Pcdi2[?]n??Pc

t=2×86×0.85?1.5=1.04mm ;(3-15)

1.5×100

δt=1.04mm

A2=26.95mm2

接管多余金属面积A2：

A2=A2h=2h1 δet?δt fr+2h2(δet?C2)fr(3-16) =2×20.4× 2?1.04 ×0.688+0 =26.95mm2 ;

③接管区焊缝面积（焊脚取为4mm）： A3=2××4×4=16mm2 ;(3-17)

21

④有效补强面积：

Ae=A1+A2+A3=118.16+26.95+16=116mm2 (3-18) A3=16mm2 5) 另需补强面积:

A4=A?(A1+A2+A3)=300?161.11=138.89mm2 ;(3-19) 拟采用补强圈补强

根据接管公称直径DN100，参照JB/T4736-2002补强圈标准选取补强圈的外径D2=200mm，内径D1=110mm（选用E型坡口）。因为B=208>D2，则补强圈在有效补强范围内。 补强圈的厚度为： δ′=D

A4

2?D1

Ae=161.11mm2

A4=138.89mm2

D2=200mm

=

138.8990

=1.54mm ;(3-20)

D1=110mm

δ′=1.54mm δ′n=4mm

考虑钢板负偏差并经圆整（一般设计时都是向上圆整）取壳体和管箱上补强圈的名义厚度为4mm，即δ′n=4mm。

3.2.2前端管箱开孔补强计算

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

31

河南理工大学(本科)毕业设计论文

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=100+2×2=104mm<

Di2

=200mm，（3-21）

dh=200mm 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。

2 ) 开孔所需补强面积计算： 强度削弱系数f?]tr=

[n86

[?]t

=125=0.688mm； 接管有效厚度δet=δnt?C=4?2=2mm； 开孔所需补强面积按下式计算：

Ah=dhδh+2δδh(1?fr)

=104×2.83+2×2.83×2× 1?0.688

=297.85mm2；（3-24） 3 ) 有效补强范围 ① 效宽度： Bh=max 2dd

h=2×104=208mm

h+2δn+2δnt=104+2×6+2×4=124mm

=208mm ②有效高度:

（a）外侧有效高度h1为： h1h=

dhδnt= 104×4=20.4实际外伸长度=200mm

=20.4mm ; （b）内侧有效高度h2为： h2h=

dhδnt= 104×4=20.4实际内伸长度=0mm

=0mm ; 4 ) 有效补强面积 ① 管箱多余金属面积：

管箱有效厚度：δhe=δhn?C=6?2=4mm ;(3-28)

32

（3-22）

fr=0.688mm （3-23） δet=2mm

Ah=297.85mm2

Bh=208mm

（3-25）

（3-26）

h1h=20.4mm （3-27）

h2h=0mm δhe=4mm

河南理工大学(本科)毕业设计论文

则多余的金属面积A为: 1Ah1= Bh?dh δhe?δh ?2δhe δhe?δh (1?frh)

=(208?104)× 4?2.85 ?2×2× 4?2.85 ×0.312 =120.22mm(3-29) ②接管多余金属面积： 接管计算厚度：

iδt=2[?]tc??=2×86×0.85?1.5=1.04mm ;(3-30) P

n

c

Ah1=120.22mm2

2

Pd1.5×100

δt=1.04mm

Ah2=26.95mm2

Ah3=16mm2

Ae=163.17mm2

Ah4=134.68mm2

δ′=1.54mm δ′n=4mm

接管多余金属面积A2：

Ah2=2h1h δet?δt frh+2h2(δet?C2) =2×20.4× 2?1.04 ×0.688+0 =26.95mm2;(3-31)

③接管区焊缝面积（焊脚取为6mm）： Ah3=2×2×4×4=16mm2 ;(3-32) ④有效补强面积： Ae=Ah1+Ah2+Ah3 = 118.16+26.95+16 =163.17mm（3-33） 5 ) 另需补强面积:

Ah4=A?(Ah1+Ah2+Ah3)=297.85?161.11 =134.68mm2 ; （3-34） 拟采用补强圈补强

根据接管公称直径DN100，参照JB/T4736-2002补强圈标准选取补强圈的外径D2=200mm，内径D1=110mm（选用E型坡口）。因为B=208>D2，则补强圈在有效补强范围内。 补强圈的厚度为：

33

2

1

河南理工大学(本科)毕业设计论文

δ′=D

A4

2?D1

=

138.8990

=1.54mm ; （3-35）

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4mm，即δ′n=4mm。

3.2.3排污口和排气孔开孔补强计算

补强方法判别：

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32mm，因此不需要另行考虑其补强

3.3 水压试验

对于压力容器而言,水压试验是很重要的一个环节，其主要检验压力容器密封、承压等性能。水压试验压力应以能考核承压部件的强度，暴露其缺陷，但又不损害承压部件为佳。通常规定，承压部件在水压试验压力下的薄膜应力不得超过材料在试验温度下屈服极限的90％。压力容器水压试验后，无渗漏、无可见的异常变形，试验过程中无异常的响声，则认为水压试验合格。

对于本设计而言：设试验温度为常温，则有 PT=1.25×1.5×

170125

PT=2.55Mpa ?T=263.93

=2.55Mpa ;（3-36）

则校核水压试验时圆筒的薄膜压力?T： ?T=

PT(Di+δe)

2δe

=

2.55×(400+4)

2×4

（3-37）

=128.78<0.9?δs=0.9×0.85×345=263.93 则说明，压力容器承压部件满足设计压力要求。

34

河南理工大学(本科)毕业设计论文

3.4换热管

换热管的规格为?32×3，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,换热系数大，在相同的截面积下可以排列更多换热管；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，选择三角排列，主要是考虑这种排列排列紧凑，管外流体湍流程度高,换热系数大，在相同的截面积下可以排列更多换热管，换热效果好。

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

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 (3-38)

查GB151-1999可知，b=5，b1=3，bn=12，故b2= bn+1.5=13.5，则 DL=400? 3+5+13.5 =378.5mm 。

35

河南理工大学(本科)毕业设计论文

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%； (3-39)

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12，12，12，12，而各管程的平均管数为48，因此可知各程管数的相对误差是：0%

36

河南理工大学(本科)毕业设计论文

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。

强度胀接主要适用于设计压力小≤2.5Mpa；设计温度≤200℃；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。管板的设计合理与否直接关系到换热器的制造成本的高低及综合性能的优劣。由于本设计中的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

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

37

河南理工大学(本科)毕业设计论文

法兰之间。这样设计可以便于对封头部分及管束内部清洗。

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，mm，对正方形排列，Ad=n′S(Sn?0.866S)；(3-40)

2n'——隔板槽一侧的排管根数；

S——换热管中心距；

Sn——隔板槽两侧邻管的中心距；

At——管板布管区面积，mm；对多管程三角形排列换热器，

At=nS2+Ad；(3-41)

2Al——管板布管区内开孔后的面积，mm；

Al=At?n

πd24

2；(3-42)

a——一根换热管管壁金属的横截面积，mm2；

DG——固定端管板垫片压紧力作用中心圆直径，mm；根据所选的垫片的尺寸，且选

择其压紧面型式为GB150表9-1的1a,可知密封面宽度b0=

N4

b0=12.5mm b=8.5mm DG=437mm

=

454?404

4

=12.5mm>6.4????；(3-43)

则,b=2.53 b0=2.53× 12.5=8.5>6.4????，(3-44) 故∶DG=454?2×8.5=437mm；(3-45) Dt——管板布管区当量直径，mm，Dt= d——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；

38

4Atπ

；(3-46)

河南理工大学(本科)毕业设计论文

Gwe??系数，按

Kt′

1 3

pa′

11 和 ρt查GB151图24； 2

EtnaLDt

Kt——管束模数，Mpa；Kt=

′

；(3-47)

′

Kt——管束无量纲刚度，Mpa；Kt

=

Kt；(3-48)

ηEp

L——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； pa′

，pa

′

=

pd1.5μ[δ]t；

r

pc——当量压力组合；Mpa； pd——管板设计压力，Mpa； ps——壳程设计压力，Mpa； pt——管程设计压力，Mpa； q??换热管与管板拉脱力，Mpa； [q]——许用拉脱力，查GB151，Mpa；

?——系数，??naA； (3-49) 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；

?Dt

t——系数，ρt=D ； (3-50)

i

?t——换热管轴向应力，Mpa；

???cr——换热管稳定许用压应力，Mpa；

39

河南理工大学(本科)毕业设计论文

； ???r——设计温度时，管板材料的许用应力，Mpa；

t

Ad=5555.2mm2 At=138572.8mm2 A1=99968.9mm2

a=273.32mm2 na=13119.4mm2 β=0.131 Dt1ρ

t

???t——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： 1) 管板名义厚度计算：

Ad=8×40×(52?0.866×40) =5555.2mm2 ； At=1.732×48×402+5555.2 =138572.8mm2 ； Al=138572.8?48× a=

π×322

4

t

=99968.9mm2 ；

ππ

do2?di2 =× 322?262 =273.32mm2 ; 442

na=48×273.32=13119.4mm ; 13119.4

β==0.131 ;

9968.94×138572.8= =420mm ;

π Dt

ρ

t

=420mm

=

420437

=0.96；

1ρ

t

=1.04；

ρt=0.96

=1.04

Kt=2043.2Mpa

1

′3

查GB150可知Et=1.91×105Mpa，Ep=2.03×105Mpa； 则Kt=

1.91×105×13119.4(300?2×20)×420

=2043.2Mpa；

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40mm进行试算，待管板厚度算出再用有效长度核算L=Lo?2δ

Kt′=当中的

n

?2×管端伸出的长度。

=0.293

2043.22

=0.00252 ; Kt

0.4×2.03×105 Kt′=0.00252 Kt

′1 3

???cr的计算如下：

2Et

st=0.293

[σ]cr=π σ

=π

2×1.91×105

245

=124.1 ；(3-51)

I=0.25 d2+ d?2σt 2

40

[?]cr=124.1 ；

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/cof7.html