换热器课程设计计算书(样本).doc

《化工设备设计基础》
课程设计计算说明书

学生姓名： 学 号：
所在学院：
专 业：
设计题目：
指导教师：

2012 年 月 日

目 录

一. 设计任务书…………………………………………………………2
二. 设计参数与结构简图………………………………………………4
三. 设备的总体及结构设计……………………………………………5
四. 强度计算……………………………………………………………9
五. 设计小结…………………………………………………………..15
六. 参考文献…………………………………………………………..15

一、设计任务书
1、设计题目
设计题目：(题号3)
尾气冷却器（F=19m2）设计
2、设计任务
设计参数：

管程
壳程
介 质
尾气
冷冻盐水
工作压力 MPa
0.1
0.43
设计压力 MPa
0.1
0.45
工作温度 ℃
60
10
设计温度 ℃
70
20
换热面积 m2
19

题号
换 热 面 积（㎡）
管 板 厚 度(mm)
规 格
壳体内径×换热管长度(mm)
换热管尺寸
3
19
33
DN600×2000
φ25x2

接 管 表
物料进口
物料出口
排液口
排气口
管程
壳程
管程
壳程

DN 50
DN 25
DN 40
DN 25
DN 40
DN 20

2.1设备的总体设计
1、按照设备条件设计要求，确定设备型式(卧式、立式)；
2、根据换热面积、换热管长度和直径，确定换热管数目；
3、 根据设备直径和换热管直径，确定拉杆数目和直径；
4、 根据管板直径，确定折流板的形状和尺寸；根据换热管直径，确定折流板间距；
5、 根据介质特性，确定筒体、管箱、法兰、管板、换热管等材料。
2.2设备的机械强度设计计算
1、筒体的强度计算；
2、封头的强度计算；
3、开孔补强计算；
按等面积补强法进行计算。补强圈或加强管补强也尽可能采用标准件。
4、法兰的选型或设计；
根据公称直径、公称压力确定标准设备法兰，同样根据公称直径、公称压力选用管道法兰标准（HG），确定法兰尺寸。
5.水压试验应力校核。
2.3换热器装配图绘制
（1）完成换热设备的装配图设计，包括主视图、局部放大图、焊缝节点图、管口方位图等。
（2）编写技术要求、技术特性表、管口表、明细表和标题栏。
3、参考资料：
[1] 董大勤.化工设备机械基础[M]. 北京：化学工业出版社，2011.
[2] 全国化工设备技术中心站.《化工设备图样技术要求》2000版[S]．
[3] GB150-2011.钢制压力容器[S]．
[4] 郑晓梅.化工工程制图 化工制图[M]．北京：化学工业出版社，2002.
[5] GB151-1999 《管壳式换热器》[S]．
4、文献查阅要求
设计说明书中公式、内容等应明确文献出处;装配图上应写明引用标准号。
5、设计成果
1、提交设计说明书一份。
2、提交换热器草图一张(方格纸)。
3、提交换热器装配图一张(A1)。

（例题） 二. 设计参数与结构简图
1、设计参数
本课程设计的设计参数

管程
壳程
介质
尾气
冷冻盐水
工作压力 MPa
0.1
0.43
设计压力 MPa
0.1
0.45
工作温度 ℃
60
10
设计温度 ℃
70
20
换热面积 m2
19
2、结构简图 （手画）

图1 换热器结构简图

三. 设备的总体设计及结构设计
1、换热器的总体设计
根据换热器设计条件要求，考虑压差、温差等因素，由于温差不高（＜50℃），确定换热器设备的型式为固定管板式，程数为单程。
（1）根据换热面积、换热管长度和直径，确定换热管数目①。
换热面积，
式中：--换热管外径；
L--换热管长度（扣除伸入管板内长度），对U形管，不包括弯管段面积；
n--换热管数目

取n为 根
（2） 根据设备直径和换热管直径，确定拉杆数目和直径。
拉杆的数量与筒体直径及拉杆直径有关，根据GB151
表 拉杆直径 （mm）
换热管外径
10
14
19
25
32
38
45
57
拉杆直杆
10
12
12
16
16
16
16
16
表 拉杆数量
公称直径
DNmm
拉杆直径mm
＜400
≥400~＜700
≥700~＜900
≥900~＜1300
≥1300~＜1500
≥1500~＜1800
≥1800~＜2000
10
4
6
10
12
16
18
24
12
4
4
8
10
12
14
18
16
4
4
6
6
8
10
12
本设计换热器换热管：φ25x2
选取拉杆数量为：4
选取拉杆直径为：16 mm

（3）根据管板直径，确定折流板的形状和尺寸；根据换热管直径，确定折
流板间距。
选取折流板为弓形结构。
取缺口方向（卧式换热器）——水平上下布置：

根据折流板的最小厚度
公称直径DN
换 热 管 无 支 撑 跨 距
≤300
＞300~≤600
＞600~≤900
＞900~≤1200
＞1200~≤1500
＞1500
折 流 板 最 小 厚 度
＜400
3
4
5
8
10
10
400~700
4
5
6
10
10
12
＞700~＜900
5
6
8
10
12
16
＞900~＜1500
6
8
10
12
16
16
＞1500~＜2000
—
10
12
16
20
20

取折流板管厚度尺寸为5mm;间距为400mm。

（4）根据介质特性（介质的腐蚀性、设计压力、设计温度），确定筒体、管箱、法兰、管板、换热管等材料。
由于介质尾气有腐蚀性选取壳程筒体、管板、壳程接管材料0Cr18Ni9；换热管、管程接管材料为20；管箱壳体、设备法兰为20R；、鞍座：Q235-B/0Cr18Ni9。
（壳体、接管材料的许用应力按照《化工设备机械基础》表8-7查并列表）
（5）设备法兰的型式及尺寸选用，管法兰等零部件选型。
a.工艺接管
物料进口
物料出口
排液口
排气口
管程
壳程
管程
壳程
DN 50
DN25
DN 40
DN 25
DN 40
DN20
b.压力容器法兰和接管法兰
压力容器法兰的选取按照《化工设备机械基础》选JB/T4700～4707-2000标准。（按照《化工设备机械基础》（p263）写出选取过程）
容器法兰选取结果如下表：
设备法兰
MFM 600-0.25 JB/T4703-2000
材料 20R
管法兰选取结果汇总：
管程进料管法兰
HG20594 法兰 SO 50-0.6 RF
材料20II
管程出料管法兰
HG20594 法兰 SO 40-0.6 RF
材料20II
壳程进料管法兰
HG20594 法兰 SO 25-0.6 RF
材料0Cr18Ni9II
壳程出料管法兰
HG20594 法兰SO 25-0.6 RF
材料0Cr18Ni9II
排液口管法兰
HG20594 法兰SO 40-0.6 RF
材料0Cr18Ni9II
排气口管法兰
HG20594 法兰SO 25-0.6 RF
材料20II
接管a ：管程进料口，公称压力PN=0.6MPa,材质为20,在工作温度为70时，接管尺寸(《化工设备机械基础》表6-5)，公称直径DN为80mm，连接面为突面连接。查阅“HG20594 法兰（《化工设备机械基础》表10-23）”法兰连接尺寸表得接管法兰的相关参数，DN=50mm，D=140mm, D1=110mm, n=4， M12法兰厚度16 mm，法兰质量1.73Kg（D - 法兰外径 mm ；n - 螺栓孔个数；D1 - 法兰螺栓孔中心圆直径 mm；M12- 螺纹直径 mm)
接管b：管程出料口，公称压力PN=0.6MPa,材质为20,在工作温度为70时，接管尺寸(《化工设备机械基础》表6-5)，公称直径DN为40mm，连接面为突面连接。查阅“HG20594 法兰（《化工设备机械基础》表10-23）”法兰连接尺寸表得接管法兰的相关参数，DN=40mm，D=130mm, D1=100mm, n=4， M12法兰厚度16 mm，法兰质量1.55Kg（D - 法兰外径 mm ；n - 螺栓孔个数；D1 - 法兰螺栓孔中心圆直径 mm；M12- 螺纹直径 mm)
接管c.d：壳程进出料口，公称压力PN=0.6MPa,材质为0Cr18Ni9,在工作温度为10时，接管尺寸(《化工设备机械基础》表6-5)，公称直径DN为25mm，连接面为突面连接。查阅“HG20594 法兰（《化工设备机械基础》表10-23）”法兰连接尺寸表得接管法兰的相关参数，DN=25mm，D=100mm, D1=75mm, n=4， M10法兰厚度14mm，法兰质量0.81Kg（D - 法兰外径 mm ；n - 螺栓孔个数；D1 - 法兰螺栓孔中心圆直径 mm；M10- 螺纹直径 mm)
接管e.f：---
c.法兰密封垫片的选取
法兰密封垫片的选取参照《化工设备机械基础》表10-30
（6） 鞍座选取
鞍座的选取根据参照《化工设备机械基础》确定鞍座各尺寸。
（7）焊接接头形式和和焊接材料的选取
焊接接头形式的选取参照《化工设备机械基础》第十四章第二节（p367-377），标准为HG20583-1998，A、B类焊接接头按照HG20583-1998中DU4，D类焊接接头按照HG20583-1998中G2，带补强圈D类焊接接头按照JB/T4736-2002中C，
焊接材料的选取参照第十四章《化工设备机械基础》第四节（p379-382），标准GB/T5117-95、GB/T5118-95 GB/T983-95
焊接接头的检验《化工设备机械基础》第十四章第三节(p378)
（8）压力容器类别的划分
压力容器类别的划分按《固定式压力容器安全技术监察规程》，本设计换热器为低压换热设备，介质中毒危害介质，故划分为一类压力容器。

四、强度计算
1、换热器壳程筒体壁厚计算
圆筒体壁厚计算按照GB150-2011《压力容器》式（5-1）
计算壁厚： （4-1）
式中 ：筒体的理论计算壁厚，mm
pc：筒体的计算压力，MPa
Di：筒体内径，mm
：钢板在设计温度下的许用应力，MPa
：焊接接头系数；
名义厚度： ； （4-2）
；
；
式中 ：名义厚度；
C1：腐蚀裕量；
C2：钢板负偏差；
：圆整量；
：有效厚度；
查表《化工设备机械基础》表8-7 0Cr18Ni9的许用应力 =137MPa
pc：取筒体的设计压力，0.45 MPa
焊缝为双面焊，局部射线检测，=0.85
代入数据到式（4-1）得：= = mm
C1 =0.3 mm
C2 =0 mm
代入数据到式（4-2）得：名义厚度： = mm
按换热器最小厚度min要求 取 = 6 mm
2、换热器管程筒体壁厚计算
管程圆筒体壁厚计算按照GB150-1998《钢制压力容器》式（5-1）
计算壁厚： （4-1）
式中 ：筒体的理论计算壁厚，mm
pc：筒体的计算压力，MPa
Di：筒体内径，mm
：钢板在设计温度下的许用应力，MPa
：焊接接头系数；
名义厚度： ； （4-2）
；
；
式中 ：名义厚度；
C1：腐蚀裕量；
C2：钢板负偏差；
：圆整量；
：有效厚度；
换热器管箱筒体材料取20R，管程设计压力0.1MPa
查表《化工设备机械基础》表8-6 20R的许用应力 =133MPa
pc：取管程的设计压力，0.1MPa
焊缝为双面焊，局部射线检测，=0.85
代入数据到式（4-1）得：= = mm
C1 =0.3 mm
C2 =0 mm
代入数据到式（4-2）得：名义厚度： = mm
按换热器最小厚度min要求 取 = 6 mm

3、换热器管程封头的强度计算
（封头的设计参照第八章第二节p175-185）。
封头壁厚计算按照GB150-2011《压力容器》式7-1
计算壁厚： （4-3）
式中 ：封头的理论计算壁厚，mm
pc：封头的计算压力，MPa
Di：封头内径，mm
：钢板在设计温度下的许用应力，MPa
：焊接接头系数；
名义厚度： ；
；
；
式中 ：名义厚度；
C1：腐蚀裕量；
C2：钢板负偏差；
：圆整量；
：有效厚度；
换热器管箱封头材料取20R，管程设计压力0.1MPa
查表《化工设备机械基础》表8-6 20R的许用应力 =133MPa
pc：取封头的设计压力，0.1MPa
焊缝为双面焊，100%射线检测，取=1
代入数据到式（4-3）得：
== mm
C1 =0.3 mm
C2 =0 mm
代入数据到式（4-2）得：名义厚度： = 2 mm
按标准椭圆封头最小厚度min 〉0.15%Di要求 取 = 6 mm
查《化工设备机械基础》(p196)
选标准椭圆形封头JB/T4746-2002封头直边高度h0取25mm
封头高度h取150 mm
3)开孔补强计算
开孔补强结构选用JB/T4736-2002补强圈结构，补强圈尺寸按照《化工设备机械基础》p327（列出所选尺寸），焊接坡口尺寸选《化工设备机械基础》第十四章第二节p375 C型。
开孔补强计算采用等面积补强法，其公式参照第十二章第一节（p326-p335）。
例：a开孔补强计算：
公称压力0.6MPa，公称直径50 mm，标准号为HG20594-95
接管￠573.5(p302)　　材料：20
a.　开孔所需补强面积 ；
　A=d+2et(1-) （4-4）
式中 ：强度削弱系数
d ：开孔直径 mm
：塔体的计算壁厚mm
et：接管的有效厚度mm
d=di+2Ct=(57-7)+2(1+0)=52 mm
et=nt- Ct=3.5-1=2.5 mm
筒体材料：20R =137MPa
接管材料：20 t=137 MPa
==1
代入式（4-4） A=+2et(1-)
=52
= mm2
b. 有效补强范围内的补强面积：
①有效补强范围
有效宽度： B=2d=252=104 mm
外伸高度：h1= == mm
内伸高度：h2= 0 mm
②壳体多余截面积
A1=(B-d)( -)-2et( -)(1-) （4-5）
代入式（4-5）
A1= mm2
③接管多余截面积
A2=2h1(et-t) +2h2(et-C2) （4-6）
接管计算厚度t== = mm
式中 di：接管内直径 mm di=57-7=50 mm
代入式（4-6） A2=2h1(et-t) +2h2(et-C2) = mm2
④焊缝金属截面积
A3=66=36 mm2
A1+A2+A3>A 满足不另行补强条件，所以不需补强。
其它开孔直径比人孔直径要小，故不需再进行开孔计算
（如计算结果需要补强，还需对其他接管进行补强计算）
7) 水压试验应力校核
水压试验压力PT
（3-7）
式中 P：设计压力
水压试验压力下的应力校核：
（3-8）
式中 ： 焊接接头系数
： 筒体有效厚度
： 筒体材料的屈服极限
： 水压试验压力
： 圆筒水压试验压力下的应力
：常温下材料的许用应力
：设计温度下材料的许用应力
Di： 圆筒内直径
代入数据到式（3-7）壳程水压试验压力=1.25×0.45= MPa
管程水压试验压力=1.25×0.1= MPa
代入数据到式（3-8）进行水压试验压力下的应力校核
壳程=
管程=
满足水压试验压力下的应力校核条件。

五. 设计小结
（约300字）
六. 参考文献
[1] 董大勤.化工设备机械基础[M]. 北京：化学工业出版社，2003.
[2] 全国化工设备技术中心站.TCED2000版《化工设备图样技术要求》 [S]．
[3] GB150-1998.钢制压力容器[S]．
[4] 郑晓梅.化工工程制图 化工制图[M]．北京：化学工业出版社，2002.
[5] GB151-1999 《管壳式换热器》[S]．
[6]蔡纪宁等《化工设备机械设计基础课程设计指导书》2000.
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