卧式列管冷凝器设计-毕业论文.doc

xx理工学院毕业设计（论文）
卧式列管冷凝器设计

摘 要

换热器是在具有不同温度的两种或两种以上流体之间传递热量的设备。它是
化工、冶金、炼油、动力、食品、轻工、原子能、制药、机械及其他许多工业部
门广泛使用的一种通用设备。近年来，人们日益重视能源危机和环境保护，而换
热器特别是高效换热器又是节能措施和环保中关键的设备。因此，无论是从上述
各种工业的发展，还是从能源的有效利用和环境的保护，换热器的选型、合理设
计、制造和操作都有非常重要的意义。
本设计主要是围绕固定管板式换热器的设计，熟悉石油化工行业中换热装置
及其工艺流程，熟悉工作原理。通过对冷凝器的工艺设计（型号的选择、总传热
系数、总传热面积、冷凝器面积裕量等计算）、结构设计（筒体内径、管板尺寸、
接管内径等设计）、强度计算（筒体壁厚计算、管壳程开孔补强及校核等的计算）
深刻了解了换热器的传热原理，提高实践环节的能力。

关键词：换热器，传热，结构，强度

Horizontal pipe bundle condenser design

ABSTRACT

Heat exchanger is a transfer heat equipment transfer heat with different
temperature between in two or more fluid. It is a general-purpose equipment widely
used in the chemical, metallurgical, oil refining, power, food, light industry, atomic
energy, pharmacy, machinery and many other industrial departments. In recent years,
people pay more attention to the energy crisis and environmental protection, and heat
exchanger especially effective measures for energy conservation and environmental
protection heat exchanger is the key equipment. Therefore, whether from the above all
kinds of industrial development, or from efficient energy use and environmental
protection, heat exchanger type selection, reasonable design, manufacturing and
operation has the extremely vital significance.
This design is mainly around the fixed tube heat exchanger design, familiar with
heat exchangers and process of the petrochemical industry, familiar with the work
process. Through the condenser process design (type selection, the total heat transfer
coefficient, total heat exchanger area, condenser area allowance calculation, etc),
structural design (the cylinder body size, tube plate size, takeover such as the diameter
of design), strength calculation (calculation of tube wall thickness, pipe opening
reinforcement shell calculation and checking, etc.) heat transfer theory, improve the
practice ability.

KEY WORDS: Heat exchanger，Heat transfer，structure，strength
4
目　录

前　言 1
第1章 绪论 2
1.1 冷凝器概述 2
1.2冷凝器分类及特点 2
1.2.1 直接接触式换热器 2
1.2.2 蓄热式换热器 2
1.2.3 间壁式换热器 3
1.3 间壁式换热器 3
1.3.1 管式换热器 3
1.3.2 板面式换热器 3
1.3.3 其他形式换热器 3
1.4 管壳式换热器 3
1.4.1 固定管板式换热器 4
1.4.2 浮头式换热器 4
1.4.3 U形管式换热器 4
第2章 工艺设计 5
2.1 设计基本条件 5
2.2 确定设计方案 5
2.2.1 选择冷凝器的类型 5
2.2.2 流程安排 5
2.3 确定物性数据 5
2.4 估算传热面积 6
2.4.1 计算热负荷 6
2.4.2 冷却水用量 6
2.4.3 计算有效平均温度差 6
2.4.4 选取经验传热系数K值 6
2.4.5 估算换热面积 7
2.5 工艺结构尺寸 7
2.5.1 管径和管内流速 7
2.5.2 管程数和传热管数 7
2.5.3 平均传热温差校正及壳程数 7
2.5.4 管子排列 8
2.5.5 管心距 9
2.5.6 壳体内径 9
2.5.7折流板 10
2.5.8 其他附件 10
2.5.9 接管 10
2.6 换热器核算 11
2.6.1 传热系数 11
2.6.2 传热面积裕度 11
2.7 换热器内流体的阻力 12
2.7.1 管程流体阻力 12
2.7.2 壳程阻力 13
2.8 工艺结构尺寸和计算结果一览表 13
第3章 结构设计 15
3.1 筒体内径确定 15
3.2 固定管板兼作法兰的尺寸确定 15
3.2.1 管板结构 15
3.2.2 管板最小厚度 15
3.2.3 管板尺寸 16
3.3 换热管与管板连接 16
3.4 法兰与垫片 17
3.5 折流板 17
3.5.1 折流板型式 17
3.5.2 折流板尺寸 18
3.5.3 折流板的布置 18
3.5.4 支持板 18
3.6 拉杆与定距管 19
3.6.1 拉杆的结构和尺寸 19
3.6.2 拉杆的位置 20
3.6.3 定距管尺寸 20
3.7 鞍座选用及安装位置确定 20
第4章 强度计算 21
4.1 筒体与管箱的设计 21
4.1.1 壳体与管箱厚度的确定 21
4.1.2 壳体和管箱材料的选择 22
4.1.3 圆筒壳体和管箱壳体厚度的计算 22
4.1.4 水压试验 22
4.2 封头厚度计算及校核 23
4.2.1 封头厚度计算 23
4.2.2 水压试验 23
4.3 管箱短节开孔补强的校核 24
4.4 壳体接管开孔补强校核 24
4.4.1 壳体物料入口接管开孔补强校核 24
4.4.2 壳程物料出口接管开孔补强校核 25
4.5 膨胀节 25
4.5.1 膨胀节形式 25
4.5 固定管板校核计算 27
4.5.1 换热管材料（304） 27
4.5.1 管板材料（304） 27
4.5.2 换热管许用应力 27
4.5.3 面积 28
4.5.6 管子加强系数 28
4.5.7 管板周边不布管区无量纲宽度 29
4.6 冷凝器的设计值汇总 29
第5章 安装使用及维修 30
5.1 安装 30
5.2 维护和检修 31
结　论 33
谢 辞 34
参考文献 35
外文资料翻译 36

前　言

能源是当前人类面临的重要问题之一，能源开发及转换利用已成为各国的重要课题，而换热器是能源利用过程中必不可少的设备，是化工、冶金、炼油、动力、食品、轻工、原子能、制药、机械及其他许多工业部门广泛使用的一种通用设备。无论是从上述各种工业的发展，还是从能源的有效利用，换热器的选型、合理设计、制造和操作都有非常重要的意义。近年来，由于工艺要求、能源危机和环境保护等诸多因素，传热强化技术和换热器的现代研究、设计方法获得了飞速发展，设计人员已经开发了多种新型的换热器，以满足各行各业的要求。
在国外，美国传热研究公司HTRI在传热机理、两相流及测试技术方面取得进展。该公司所开发的网络优化软件、各种换热器工艺设计软件计算精度准确。国内，在强化传热元件方面华南理工大学相继开发出表面多孔管、螺旋槽管、波纹管、纵横管等；天津大学在流路分析法、振动等方面研究成果显著；清华大学在板片传热方面有深入的研究；西安交大在板翅式换热器研究方面已取得初步成果等。
本课题通过对饱和蒸汽卧式列管冷凝器的设计，了解换热器的结构特点及设计过程，掌握换热器的常规设计方法，并能根据工艺要求选择适当的冷凝器类型，还能根据传热的基本原理，选择流程，确定冷凝器的基本尺寸，计算传热面积以及计算流体阻力，同时还学会查阅和熟练使用参考文献，为以后的工作学习积累经验。

第1章 绪论

1.1 冷凝器概述
随着现代工业的迅速发展,以能源为中心的环境、生态等问题日益加剧。世界各国在寻找新能源的同时,也更加注重了节能新途径的研发。强化传热技术的应用不但能节约能源、保护环境,而且能大大节约投资成本。换热器是化工、炼油、动力、食品、轻工、原子能、制药、航空及其他许多工业部门广泛使用的一种通用工艺设备。据统计,在现代化学工业中所用换热器的投资大约占设备总投资的30 % ,在炼油厂中换热器占全部工艺设备的40 %左右,海水淡化工艺装置则几乎全部是由换热器组成的。上个世纪70年代初发生的世界性能源危机,有力地促进了传热强化技术的发展。因此，研究换热设备有着相当重要的意义。

1.2冷凝器分类及特点
按换热器传递原理或传热方式进行分类，可分为以下几种主要形式。

1.2.1 直接接触式换热器
这类换热器又称混合式换热器。它是利用冷流体、热流体直接接触，彼此混合进行换热的换热器。直接接触式换热器具有传热效率高、单位容积提供的传热面积大、设备结构简单、价格便宜等优点，但仅适用于工艺上允许两种流体混合的场合。

1.2.2 蓄热式换热器
这类换热器又称回热式换热器。它是借助于固体构成的蓄热体与热流体和冷流体交替接触，把热量从热流体传递给冷流体的换热器。蓄式换热器结构紧凑、价格便宜、单位体积传热面积大，固较适合用于气-气热交换的场合。

1.2.3 间壁式换热器
这类换热器又称表面式换热器。它是利用间壁（固体表面）将进行热交换的冷热两种流体隔开，互不接触，热量有热流体通过间壁传递给冷流体的换热器。间壁式换热器是工业生产中应用最为广泛的换热器，其形式多种多样，如常见的管壳式和板式换热器都属于间壁式换热器。

1.3 间壁式换热器

1.3.1 管式换热器
这类换热器都是通过管子壁面进行传热的换热器。按传热管的结构形式不同大致分为蛇管式换热器、套管式换热器、缠绕式换热器和管壳式换热器。

1.3.2 板面式换热器
这类换热器都是通过板面进行传热的换热器。板面式换热器按传热板面的结构形式可分为以下五种：螺旋板式换热器、板式换热器、板翅式换热器、板壳式换热器和伞板式换热器。

1.3.3 其他形式换热器
这类换热器是指一些具有特殊结构的换热器，一般是为满足工艺特殊要求而设计的，如石墨换热器、聚四氟乙烷换热器和热管换热器等。

1.4 管壳式换热器
管壳式换热器具有可靠性强、适应广等优点，在个工业领域中得到最为广泛的应用。近年来，尽管受到了其他新型换热器的挑战，但反过来也促进了其自身的发展。在换热器向高参数、大型化发展的今天，管壳式换热器仍占主导地位。
根据管壳式换热器的结构特点，可分为固定管板式、浮头式、U 形管式、填料函式和斧式重沸器五类。

1.4.1 固定管板式换热器
固定管板式换热器的典型结构是，管管束连接在管板上，管板与壳体焊接。其优点是结构简单、紧凑、能承受较高的压力，造价低，管程清洗方便，管子损坏时易于堵管或更换；缺点是当管束与壳体的壁温或材料的线膨胀系数相差较大，壳体和管束将产生较大的热应力。这种换热器适用于壳侧介质清洁且不易结垢并能进行清洗，管、壳程两侧温差不大或温差较大但壳侧压力不高的场合。

1.4.2 浮头式换热器
浮头式换热器的典型结构是，两端管板中只有一端与壳体固定，另一端可相对壳体自由移动，称为浮头。浮头式换热器的特点是管间和管内清洗方便，不会产生热应力；但其结构复杂，造价比固定管板式换热器，设备笨重，材料消耗量大，且浮头端小盖在操作中无法检查，制造时对密封要求较高。适用于壳体和管束之间壁温差较大或壳程介质易结垢的场合。

1.4.3 U形管式换热器
U 形管式换热器的典型结构是，只有一块管板，管束由多根U 形管组成，管的两端固定在同一块管板上，管子可以自由伸缩。U 形管式换热器结构简单、价格便宜，承受能力强，适用于管、壳壁温差较大或壳程易结垢的需要清洗，又不适宜采用浮头式和固定管板式的场合。特别适用于管内走清洁而不易结垢的高温、高压、腐蚀性大的物料。
第2章 工艺设计

2.1 设计基本条件
某生产企业流量为1.25kg/s、温度为72℃烃的饱和蒸气在管外冷凝成同温度的液体。烃蒸气的冷凝潜热为315kJ/kg。已测得：蒸气冷凝传热系数a0=800W/(m2·℃)，管内侧热阻为外侧的40%，污垢热阻又为管内侧热阻的70%，水从17℃被加热到37℃。

2.2 确定设计方案

2.2.1 选择冷凝器的类型
列管式换热器的结构简单、牢固，操作弹性大，应用材料广。列管式换热器的形式主要依据换热器管程与壳程流体的温度差来确定。两流体温度变化情况：热流体定性温度为72℃；冷流体进口温度为17℃，出口温度为37℃。冷流体的定性温度为t=,两流体温差为：；该冷凝器的管壁温和壳体壁温之差不大，因此初步确定选用固定管板式换热器。

2.2.2 流程安排
因为水的对流传热系数一般较大，并易结垢，故选择冷却水走换热器的管程，饱和烃走壳程。

2.3 确定物性数据
冷流体在27时的物性数据：
密度
定压比热容
热导率
黏度
热流体在72下的相关物性数据：
物料处理量
密度
定压比热容
热导率
黏度

2.4 估算传热面积

2.4.1 计算热负荷

2.4.2 冷却水用量
Wm,c==393750/418020=4.71kg/s

2.4.3 计算有效平均温度差
热流体 7272
冷却水 3717

由于=55/35=1.57
=℃

2.4.4 选取经验传热系数K值
根据管程走冷却水，壳程走饱和烃，总传热系数K现暂取：

2.4.5 估算换热面积

2.5 工艺结构尺寸

2.5.1 管径和管内流速
选用Φ25×2mm较高级冷拔传热管（碳钢），取管内流速u1=0.7m/s。

2.5.2 管程数和传热管数
可依据传热管内径和流速确定单程传热管数
=(根）
按单程管计算，所需的传热管长度为
L=
按单壳程设计，传热管过长，宜采用多管程结构。根据本设计实际情况，现取传热管长l=3.0m，则该换热器的管程数为
=
传热管总根数 N=20×4=80(根)

2.5.3 平均传热温差校正及壳程数
平均传热温差校正系数：
R =
P =
按单壳层，4管程结构，查文献GB151-1999图F-2得
平均传热温差
由于平均传热温差校正系数大于0.8，同时壳程流体流量较大，故单壳程适宜。

2.5.4 管子排列
换热管在管板上的排列方式有：正三角形，转角三角形，正方形，转角正方形排列。如下图2-1 所示。

图2-1 换热管在管板上的排列方式
正三角形排列比较紧凑，在一定的壳径内可排列较多的管子，且传热效果好，但管外清洗较为困难。而正方形排列，管外清洗方便，适用于壳程中的流体易结垢的情况，其传热效果较正三角形差些。以上排列方式中最常用的是正三角形错列，用于壳侧流体清洁，不易结垢。
管程分布如图2-2所示：

2.5.5 管心距
采用胀接法固定时，管心距过小会造成胀接在挤压作用下发生变形，失去管子与管板之间的连接力。故采用焊接法。
根据经验公式：

隔板中心到离其最近一排管中心距离
S=t/2+6=32/2+6=22mm
各程相邻管的管心距为44mm。

2.5.6 壳体内径
采用多管程结构，壳体内径可按下式估算：

式中：——管板利用率。
的取值范围如下：正三角形排列，2管程，，4管程以上，。估算出壳体内径后，需圆整到标准尺寸。卷制壳体的内径（公称直径）以400mm为基数，以100mm为进级档，必要时也可采用50mm为进级档。
取管板利用率η=0.7 ，则壳体内径为：

按卷制壳体的进级档，可取D=400mm
则横过管数中心线管的根数：

2.5.7折流板
圆缺形折流板在卧式换热器中的排列分为圆缺上下方向和圆缺左右方向两种。上下方向排列者可造成液体的剧烈湍动，增大传热膜系数，这种结构最为常用。故选用圆缺上下方向排列取弓形折流板圆缺高度为壳体内径的20%，则切去的圆缺高度为。
对于卧式冷凝器，折流板间最小间距为壳体内径的35%，最大间距不宜大于壳体内径的2倍折流板数，取折流板间距B=0.35D，则
。取B为200mm，则折流板数
传热管长/折流板间距-1=3000/200-1=14（块）

2.5.8 其他附件
拉杆数量与直径选择标准选的取，本换热器壳体内径为400mm,其拉杆直径为，拉杆数量不得少于4。
壳程入口处，应设置防冲挡板。
表2-1 拉杆数量选用表

拉杆直径dn，mm
壳体公称直径d，mm
<400
≥400~<700
≥700~<900
≥900~<1300
≥1300~<1500
≥1500~<1800
≥1800~<2000
≥2000~<2300
≥2300~<2600
拉杆数量
10
4
6
10
12
16
18
24
28
32
12
4
4
8
10
12
14
18
20
24
16
4
4
6
6
8
10
12
12
16

2.5.9 接管
因壳程流体有相的转变，所以进出口的接管的介质的流速是不一样的。
壳程流体进口接管：取壳程内蒸汽流速为，故接管内径为

查标准取壳程流体进口接管为φ25x2mm。
壳程流体出口接管：取壳程内液体流速为，故接管内径为

查标准取壳程流体出口接管为φ57x3.5mm。
管程流体进出口接管：取接管液体流速，故接管内径为

查标准取管程流体进出口接管为φ89x6mm

2.6 换热器核算

2.6.1 传热系数

2.6.2 传热面积裕度
计算传热面积

该换热器的实际换热面积

该换热器的面积裕度为
，尚能满足要求。

2.7 换热器内流体的阻力

2.7.1 管程流体阻力

式中：——摩擦阻力；
——局部阻力；
——壳程数；
——管程数；
——管程总压降；
——结垢校正系数，可近似取1.5。
取不锈钢的管壁粗糙度为0.1mm，则，而，于是

对的管子有。
管程流体的压降：
故管程压降在允许范围之内。

2.7.2 壳程阻力
用埃索法进行计算，

流体流经管束的阻力

流体流过折流板缺口的阻力

B=0.2m， D=0.40m

总阻力 ，国标151规定值在
0.01MPa~0.1MPa，满足要求。

2.8 工艺结构尺寸和计算结果一览表
主要结构尺寸和计算结果如下表2-2所示:

表 2-2 冷凝器主要结构尺寸和计算结果
参数
管程
壳程
流率/
4.71
1.25
进/出温度/
17/37
72/72
压力/
0.1
0.4
物性参数
定性温度/
27
72
密度/
997.5
659
定压比热容/
4.18
2.31
粘度/
0.862
0.313
导热系数/
0.61
0.119
设备结构参数
形式
固定管板式
台数
1
壳体内径/
400
壳程数
1
管径/

管心距/
32
管长/
3000
管子排列

管数目/根
80
折流板数/个
14
传热面积/
18.37
折流板间距/
200
管程数
4
材质
Q235-B
主要计算结果
管程
壳程
流速/
0.7
1.0
压降

0.0665
热流量/
393750
传热系数/
476.2
裕度/%
2.5
第3章 结构设计

3.1 筒体内径确定
考虑原取管板利用率η=0.7，因为本设计的冷凝器的直径较小，固管板利用率合适，且实际计算值为355mm，决定取筒体内径为400mm 做排管图，认定取Di=400mm是合适的。

3.2 固定管板兼作法兰的尺寸确定
管板是管壳式换热器的一个重要元件，它除了与管子和壳体等连接外，还是换热器中的一个主要受压元件。对于管板的设计，除满足强度要求外，同时应合理考虑其结构设计。

3.2.1 管板结构
下图为固定式管板式换热器兼作法兰的管板，管板与法兰连接的密封面为凸面，分程隔板槽拐角处，倒角10×45°。碳钢、低合金钢和不锈钢制整体管板，碳钢、低合金钢管板的隔板槽宽度为12mm，不锈钢管板为11mm，槽深一般不小于4mm。综合考虑，选取304为管板材料。

3.2.2 管板最小厚度
管板最小厚度除满足计算要求外，当管板和管热管采用焊接时，应满足结构式就和制造的要求，且不小于12mm。

3.2.3 管板尺寸
管板尺寸如图3-1。根据文献GB151-1999，管壳式换热器的规定，碳钢、低合金钢固定管板式换热器的管板在PN≤1MPa、DN=400的管板尺寸见表3-1。

图3-1 管板尺寸图（用于壳程PN<1.0MPa)
表3-1 DN=400管板尺寸表
Ps
MPa
Pt
MPa
D
D1
D2
D3
D4
D5
b
螺柱（栓）
规格
数量
1.0
1.0
515
480
390
398
438
400
30
M16
20

3.3 换热管与管板连接
换热管和管板的连接是管壳式换热器设计、制造最关键的技术之一，是换热器事故率最多的部位。所以换热管与管板的连接质量的好坏，直接影响换热器的使用寿命。管子与管板连接结构形式主要有三种：强度胀接；强度焊接；爆炸胀接；强度胀接和强度焊接混合结构。任何连接形式，都要满足以下两个条件：连接处保证截止无泄露的充分气密性；承受介质压力的充分结合力。焊接目前采用较广泛，管孔不需要开槽，管孔粗糙度要求不高，管子端部不需要退火和磨光，因此加工较方便；同时焊接结构强度高，抗拉脱力强，在高温高压下能保证连接处的紧密性和抗拉脱能力。所以在管子与管板连接时，由于管内流体存在严重的腐蚀性，所以在检修清理时，可以利用专门刀具方便划掉焊缝，减少更换管子所用时间。为了保证严密性，减小蠕变造成的胀接残余应力，本次设计选择焊接。

3.4 法兰与垫片
换热器中的法兰包括管箱法兰、壳体法兰及接管法兰。垫片则包括了管箱垫片，考虑设计温度与设计压力，选择石棉板垫片。
根据接管的公称直径，公称压力可查文献JB/T 4701-2000 板式平焊钢制管法兰选取，并确定各结构尺寸。下表是管箱法兰尺寸。
表3-2 甲型平焊钢制管法兰
公称
直径
DN,mm
法兰，mm
螺柱
D
D1
D2
D3
D4
δ
d
规格
数量
PN=1.0MPa
400
515
480
450
440
437
30
18
M16
20

3.5 折流板
折流板的结构设计，主要根据工艺过程及要求来确定，设置折流板的主要目的是为了增加壳程流体的流速，提高壳程的传热膜系数，从而达到提高总传热系数的目的。同时，设置折流板对于卧式换热器的换热管具有一定得支撑作用。

3.5.1 折流板型式
折流板的型式由弓形折流板、圆盘-圆环形（也称盘-环形）折流板和矩形折流板。最常用的折流板是弓形折流板和圆盘-圆环形折流板。此换热器使用弓形折流板。其流体流动方式及结构型式见下图。
图3-2 弓形折流板介质流动方式及结构形式图

3.5.2 折流板尺寸
为方便选材，可选折流板的材料选为Q235-A，由前可知，切去的圆缺高度为80mm折流板间距为200mm，数量为14块，查GB151-1999可知折流板的最小厚度为4mm，故此时可选其厚度为6mm。

3.5.3 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、出口接管，其余折流板按等距离布置，其尺寸可按下式计算：

式中：L1——壳程接管位置的最小尺寸，为170mm；
B2——防冲板长度，为170mm。
则：, 取为220mm。
王老师，这个公式中b与数值怎么确定？

3.5.4 支持板
当换热器不需要设置折流板，而换热管无支撑跨距超过规定时，则应设置支持板，用来支撑换热管，以防止换热管产生过大的绕度。一般支持板都做成圆缺型较多。而本换热器设置了折流板，因此可以不使用支持板。

3.6 拉杆与定距管

3.6.1 拉杆的结构和尺寸
拉杆的结构型式和尺寸：

图3-3 拉杆的结构型式

图3-4拉杆的连接尺寸
根据已知参数选取拉杆的参数如下表：
表3-3 拉杆的参数
拉杆的直径d
拉杆螺纹公称直径dn
Ｌa
Ｌb
b
拉杆的数量
16
16
20
70
16
6

3.6.2 拉杆的位置
拉杆应尽量均匀布置在管束的外边缘，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，任何折流板不应少于3个支承点。

3.6.3 定距管尺寸
定距管的尺寸，一般与所在换热器的换热管规格相同。对管程是不锈钢，壳程是碳钢或低合金钢的换热器，可选用与不锈钢换热管外径相同的碳钢管作定距管。

3.7 鞍座选用及安装位置确定
鞍式支座分为轻型（A 型）、重型(B 型)两种。根据工作压力和筒体的内径，本设计鞍座选用JB/T4712 鞍座重型（B 型）鞍式支座。其中L=1700mm

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第4章 强度计算

4.1 筒体与管箱的设计

4.1.1 壳体与管箱厚度的确定
给定的流体的进出口温度为72，选择设计温度为90；设计压力为：，由于是卧式换热器，忽略液柱静压力，则计算压力。
表4-1 设计压力选取表

表4-2 设计温度选取表

4.1.2 壳体和管箱材料的选择
由于所设计的换热器属于低温压力容器，从使用条件及经济性考虑，选择Q235-B为壳体与管箱的材料。

4.1.3 圆筒壳体和管箱壳体厚度的计算
根据文献GB 6654-1996，压力容器用钢板和 GB 3531-2008，低温压力容器用低合金钢板规定可知对Q235-B钢板其厚度负偏，腐蚀余量按腐蚀情况计算则 。焊接系数0.85
假设材料的厚度为6～16mm,根据GB150-1998,设计温度下许用应力 Mpa，壳体计算厚度按下式计算为：

其中
——计算压力，则=0.44MPa
——圆筒内径，=400mm
则设计厚度，但对于低合金钢的容器，规定不包括腐蚀余量的最小厚度应不小于3mm，若加上1mm的腐蚀余量，名义厚度至少应取5mm。由钢材标准规格，名义厚度选为6mm。厚度满足要求，恰好在6～16mm之间，因此合适。

4.1.4 水压试验
Q235-B屈服极限

钢板有效厚度为

其中
——圆筒或封头的试验压力，水压试验取1.25
由于，所以水压试验满足强度要求。

4.2 封头厚度计算及校核

4.2.1 封头厚度计算
此换热器为固定管板式换热器，设计为前后管箱相同，封头为椭圆形封头，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，且同上，则封头计算厚度为：
因此，名义厚度；有效厚度为
。

4.2.2 水压试验

所以水压试验满足强度要求。
查文献JB/T4746—2002，钢制压力容器用封头可得封头的型号参数如下：
表4-3 封头的容积质量
DN(mm)
总深度H(mm)
内表面积A(㎡)
容积(m3)
封头质量（㎏）
400
125
0.2049
0.0155
16.2
表4-4 封头的型号参数
封头材料
碳素钢、普低钢、复合钢板
不锈钢
封头壁厚
4~8
10~18
≥20
3~9
10~18
≥20
直边高度
25
40
50
25
40
50
所以选取封头的直边高度为25mm。

4.3 管箱短节开孔补强的校核
开孔后，除削弱器壁的强度外，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，给容器的安全操作带来隐患，因此设计压力容器必须充分考虑开孔的补强问题。
开孔补强设计准则有等面积补强，极限分析补强。等面积补强准则的优点是有长期的实践经验，简单易行，当开孔较大时，只要对其开孔尺寸和形状等予以一定的配套限制，在一般压。因此本设计开孔补强采用等面积补强法，由工艺设计给定的接管尺寸为φ89×6mm，考虑实际情况选20号热轧碳素钢管。由工艺设, ,腐蚀裕度
接管计算壁厚
接管有效壁厚
开孔直径
接管有效补强宽度
接管外侧有效补强高度
需要补强面积
可以作为补强的面积为

该接管补强的强度足够，不需另设补强结构。

4.4 壳体接管开孔补强校核
壳体开孔补强也采用等面积补强法，因为壳体流体发生相变，物料进出口的接管的管径不一样。

4.4.1 壳体物料入口接管开孔补强校核
由工艺设计给定的接管尺寸为φ25×2mm，考虑实际情况选20号热轧碳素钢管，φ25×2mm，。
GB150 规定，当在设计压力小于或等于2.5 的壳体上开孔，两相邻开孔中心的间距（对曲面间距一弧长计算）大于两孔直径之和的两倍，且接管公称外径小于等于89mm,只要接管最小厚度满足下4-1 表要求，就可不另行补强。
表 4-5 不另行补强的接管最小厚度 mm
接管公称外径
25
32
38
45
48
57
65
76
89
最小厚度
3.5
4.0
5.0
6.0
可知壳程接管的开孔不需要补强。

4.4.2 壳程物料出口接管开孔补强校核
由工艺设计给定的接管尺寸为φ57×3.5mm，考虑实际情况选20号热轧碳素钢管，φ57×3.5mm，。
可知壳程物料出口接管的最小厚度和压力符合GB150 规定，则壳程出口接管开孔也无需另行补强。

4.5 膨胀节
固定管板式换热器换热过程中，管束和壳体有一定得温差存在，而管板、管束与壳体之间是刚性地连接在一起的，当温差达到某一个温度值时，由于过大的温差应力往往会引起壳体的破坏或造成管束弯曲。当温差很大时，可以选用浮头式、U型管及填料函式换热器。但上述换热器的造价较高，若管间不需要清洗时，也可采用固定管板式换热器，但需要设置温差补偿装置，如膨胀节。

4.5.1 膨胀节形式
膨胀节时装在固定管板式换热器壳体上的挠性构件，依靠这种易变形的挠性构件，对管束与壳体间的变形差进行补偿，以此来消除壳体与管束间因温度而引起的温差应力。
膨胀节的型式较多，通常有波形膨胀节、平板膨胀节、Ω形膨胀节。在生产实际中，应用最多也最普遍的是波形膨胀节。

图4-1 波形膨胀节
波形膨胀节一般单层和多层两种型式。在波形膨胀节中，每一个波形的补偿能力与使用压力、波高、波长及材料等因素有关，如波高越低，耐压性能越好而补偿能力越差；波高越高，波距越大，则补偿量越大，但耐压性能越差。

4.5.2 膨胀节选型
王老师，膨胀节的型号没有找到标准，怎么选呢？
4.5 固定管板校核计算
假设管板厚度b=30mm
总换热管数量n=80
受压失稳当量长度Lcr=643.8mm
管板刚度度消弱系数η=0.4
管板强度度消弱系数η=0.4

4.5.1 换热管材料（304）
根据国标150-1998，
设计温度下许用应力[σ]tt=137MPa；
设计温度下屈服点σts=164.6MPa；
设计温度下的弹性模量Ett=193700MPa；
管壁温度下弹性模量Et=193700MPa；
管壁温度下线胀系数αs=11.47×10-6/℃。

4.5.1 管板材料（304）
根据国标150-1998，表4-5，
设计温度下的许用应力[σ]tr=137MPa；
设计温度下的弹性模量Ep=1.894×105MPa。

4.5.2 换热管许用应力
系数
换热管的回转半径查GB151-1999附录J得
当
则 合格
4.5.3 面积
板布管区三角排列面积
壳程圆筒内径面积
壳程圆筒金属横截面积

查GB151附录J得：一根换热管金属横截面积
则
管板开孔后的面积

管板布管区当量直径

系数

4.5.6 管子加强系数
已知管板名义厚度
管壳两侧腐蚀裕