换热器管板设计

换热器管板设计计算

管析是管壳式换热器的主要部件。管板的设计是否合理对确保换热器的安全运行、节约金属材料，降低制造成本是至关重要的。在此采用GB151标准中管板计算方法来设计计算管板。

（1）管板采用延长部分兼作法兰的管板形式。结构如图2.2所示，

图2-2 管板结构图

结构尺寸数据列表2－6：

表2-6 管板结构尺寸 mm DN D D1 D2 D3 D4 D5 C d2 螺柱（栓） bf b 规格 数量 600 730 690 655 597 642 600 12.5 23 （2）计算

A——壳程圆筒内直径横截面积，mm2；

M20 32 25 35 A??Di24?0.785?8002?502654.8mm2

?s——壳程圆筒的厚度，mm；

As——圆筒壳壁金属横截面积，mm2；

As???s(Di??s)?3.14?8?(800?8)?20307.3mm2

?t——换热管壁厚，mm；

a——单根换热管管壁金属横截面积，mm2；

a???t(do??t)?3.14?2.5?(25?2.5)?176.6mm2

na?220?176.6?38857.5mm2

Al——管板开孔后的面积，mm2； 对于固定管板式换热器

3.14?252Al?A?n?502654.8?220??394662.6mm2

44?do2Ad——在布管区范围内，因设置隔板槽和拉杆结构的需要，面未能被换热管支承的面积，mm2；

对于三角形排列

Ad?n'S(Sn?0.866S)?18?32?(60?0.866?32)?18598mm2

At——管板布管区的面积，mm2； 对于多管程，三角形排列的换热管

At?0.866nS2?Ad?0.866?220?322?18598?213690.5mm2

Dt——管板布管区当量直径，mm；

Dt?4At/??4?394662.6/3.14?708.9mm

Et——换热管材料的弹性模量，MPa；

L——换热管有效长度（两管板内侧间距），mm；

Kt——管束模数，MPa；

Etna206?103?38877.2对于固定式Kt???3842.6MPa

LDt(3000?60)?708.9i——换热管的回转半径，mm；

i?0.25do2?di2?0.25?252?202?8mm

lcr——换热管受压失稳当量长度，mm； 按GB151图32，确定为lcr?320mm

[?]cr——换热管稳定许用应力，MPa；

Cr——系数

Cr??因

2Ett?s2?203?103???127.9

245lcr320??40?Cr?127.9故有 i8 [?]cr?1t?lcr/i?140???s?1???245?1??103.36MPa ???2?2Cr?2?2?128??——系数

??Al394662.6??0.785 A502654.8Q——换热管束与圆筒刚度比，当壳体不带波形膨胀节时

Q?Etna206?38877.2??1.89 EsAs209?20307.3?——系数

???s——系数

?s?0.4?0.6na38877.2??0.098 Al394662.6?(1?Q)?0.4?0.6(1?1.89)?2.6 0.785?t——系数

?t?0.4(1??)?1?(0.6?Q)?0.4?(1?0.098)?1(0.6?1.89)?3.6 0.785?t——系数

?t?Dt708.9??0.886 Di800K——换热管加强系数

K＝[1.318?[1.318?Di?Etna1]2Ep?L?12

800206?38877.2?]?6.0530209?0.4?(3000?60)?30k——管板周边不布管区无量纲宽度

k?K(1??t)?6.05?(1?0.886)?0.69

?——管板材料泊松比，取??0.3

?——管板强度削弱系数，一般可取??0.4

?——管板刚度削弱系数，一般可取?值

?f——管板延长部分的法兰（或凸缘）厚度，mm；

?f?——壳体法兰（或凸缘）厚度，mm； ?f??——管箱法兰（或凸缘）厚度，mm；

??——系数，按?s/Di和?f?/Di查GB151图26，得???0.00021；

???——系数，按?h/Di和?f??/Di查文献[3] 图4-24得????0.00063； Kf——管板边缘旋转刚度参数，MPa； 对于固定管板其延长部分兼作法兰

Kf?Kf?

Kf?——壳程圆筒与法兰（或凸缘）的旋转刚度参数，MPa；

12Ef?bf2?f?3?Kf?Kf?[()???Es]12Di?bfDi12?209?103?702?303 ??[?()?0.00021?209?103]

12800?70800?4.8MPaKf??——管箱圆筒与法兰（或凸缘）的旋转刚度参数，MPa；

2Ef??bf2?f??31Kf???[()????Eh]12Di?bfDi12?209?103?702?303?()?0.00063?209?103] ??[12800?70800?17.7MPaKf——旋转风度无量纲参数； 对于固定式管板 Kf??Kf4Kt?3.14?4.8?9.8?10?3

4?1431.2m1——管板第一弯矩系数，按K和Kf查GB151图27,得m1?0.13 m2——管板第二弯矩系数，按K和Q查GB151 图28,得m2?2.14

m——管板总弯矩系数

m?m1??m20.13?0.3?2.14??0.6

1??1?0.3G1——系数

因m?0,所以取G1e与G1i中较大值。 按K和m查GB151,得G1i?0.1。 而G1e=3?m/K=3?0.4?0.6=0.12，故取G1?G1e=0.12

6.05G2——系数，按K和Kf查GB151 图29,得G2?4.1 G3——系数，按K和Q查GB151 图30,得G3?0.0045

?——法兰力矩折减系数

9.8?10?4??==0.16

Kf?G39.8?10?4?4.5?10?3Pa——有效压力组合，MPa；

对于负压圆筒

Pa?0.1MPa

KfMm——基本法兰力矩，N?mm； 参看GB150第9章计算得

Mm?AmLG[?]b?816.4?36.25?113?3344178.5N?mm

Mm——基本法兰力矩系数，N?mm；

Mm?4Mm4?3344178.5??0.106N?mm

??Di3Pa0.785?3.14?8003?0.1?M——管板边缘力矩变化系数

?M?1???Mf——法兰力矩变化系数

?Mf?Kf?Kf???14.80.16?17.7?2.3

Kf?Kf???M?4.8?2.3?0.6 17.7M1——系数

M1?m10.13??1.79?10?3

2K(Q?G2)2?6.05?(4.1?1.89)?r——管板径向应力系数

?r??1(1??)G11(1?0.3)?0.12???6.5?10?3

4Q?G241.89?4.1?r?——管板布管区周边处径向应力系数

?r??3m(1??)3?0.6?(1?0.3)??0.016

4K(Q?G2)4?6.05?(1.89?4.1)?p——管板布管区周边剪切应力系数

11??11?0.3 ?p?????0.054

4Q?G241.89?4.1Mws——壳体法兰力矩系数 壳程压力作用工况下

Mws??Mm?(?Mf)M1?0.16?0.106?0.6?0.0018?0.016

Y——系数，按K查GB150图9-8得 Y?1.04

（3）管板应力校核

[?]tr——设计温度时，管板材料的许用应力，MPa；

?r——管板径向应力，MPa；

?r??rpa?Di20.7858002()?6.5?10?3?0.1??()?0.9MPa ??0.430?r?1.5[?]tr，满足

?r?——管板布管区周边处的径向应力，MPa；

2?pDkka?r???r?[1??(2?m)](i)2?m2m?0.785?0.10.690.6928002??0.016?[1??(2?0.6)]?()

0.40.62?0.630?0.386MPa?r??1.5[?]tr，满足

?p——管板布管区周边剪切应力，MPa；

?p??paD0.785?1.7708.9?p(t)??0.054?()?4.25MPa ??0.430?p?0.5[?]tr，满足

对于管板延长部分兼作法兰的法兰，当不计膨胀差时，就满足?f??1.5[?]tf

?f?——壳体法兰应力，MPa；

[?]tf——设计温度时，壳体法兰许用应力，MPa；

?f???4YMws?pa(Di28002)?0.785?1.04?0.016?0.785?0.1?()?0.73MPa

30?f??f??1.5[?]tf，满足

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