流量为270th卧式蒸汽冷凝器设计.docx

题 目： 流量为270t/h卧式蒸汽冷凝器
专 业： 过程装备与控制工程
班 级： 1201班
学生姓名：
指导教师：

摘要
换热器又被叫热量交换器，是一种把热流体的热量传递给冷流体的设备，并且实现化工生产过程中热量的交换和传递不可缺少的设备，在工厂中具有重要的意义。换热器可以是一种单独的设备，例如加热器、冷却器和凝汽器等等；也可是工艺设备的组成部分，比如石化、煤炭工业中的余热回收装置等等。换热器是两种温度不同的物料在一个设备内相互交换热量，最终达到将物料冷却，或者将冷物料加热为目的的设备。本换热器是蒸汽冷凝器在成产中是非常常见的设备，该换热器有耐高压的优点、价格低廉、清洗方便不宜结垢的优点。
已知条件为：设计压力为管程2.4Mpa，壳程0.77Mpa，工作温度管程20℃，壳程164.97℃，设计温度管程180℃，壳程105℃，管程介质为2.2Mpa的水，壳程介质为的水蒸气。依据给定条件所得传热面积为 241.6m²。考虑到介质特性等因素，采用Φ25×2.5×4500的20#（材料）的无缝钢管，本设计采用608根换热管可满足换热量。设定拉杆数量为6根，计算得到筒体直径为DN=1000mm。完成了压降计算、强度计算、开孔补强、管箱短节壁厚计算等。在强度设计中，依据GB150进行筒体、封头强度设计及校核，依据流量进行入口接管、出口接管等管口直径的选择，依据等面积补强法进行开口补强计算。本设计选择管板延长兼做法兰，依据GB151中的弹性支撑假设对管板进行设计和校核，管板与换热管的连接方式为焊接，拉杆与管板为螺纹连接结构。同时，进行了卧式容器鞍座校核。
本设计充分的利用材料，适用比较多的场合。608根换热管更加体现了换热的效率。在同样的换热器中此换热器十分的廉价、安全。所以该换热器在工厂中占有重要位置。

关键字: 固定管板; 换热器; 不同物料; 热交换 ；补强

Abstract

Heat exchanged called heat exchanged again, it is a kind of the thermal fluid heat transfer to cold fluid equipment, and realize the heat exchange and transmission in the process of chemical production indispensable equipment, has the vital significance in the factory. Heat exchanged can be a single device, such as a heater, cooler and steam condenser, etc. But also part of the process equipment, such as waste heat recovery unit in petrochemical industry, coal industry, and so on. Temperature heat exchanged are two different materials in a heat exchanging equipment, eventually achieve the material cooling, or heating equipment for the purpose of cold material. This heat exchanged is steam condenser is very common in into during equipment, the heat exchanged has the advantages of resistance to high pressure, low cost, convenient cleaning is unfavorable and scale advantages.
Known condition is: the design pressure for tube side and shell side, working temperature tube side and shell side, the design temperature tube side and shell side, the medium as the water passes, shell side medium is water vapor. Based on the heat transfer area of the given conditions. Considering the characteristic of medium etc factors, using (material) seamless steel tube, this design USES the root heat exchange tube can meet the change of heat. Set rod of 6 root number, calculate the cylinder diameter. Completed the pressure drop calculation, strength calculation, opening reinforcement, short tube box section wall thickness calculation, etc. In strength design, strength design basis for cylinder, head and checking, according to the inlet connection of traffic and exports over the selection of nozzle diameter, opening reinforcement method on the basis of equal area reinforcement calculation. The design of flange, tube-sheet extended and do according to the hypothesis of elastic support for tube plate design and checking, tube plate and the heat exchange tube connections for welding, rod and tube plate to the threaded connection structure. At the same time, for the horizontal vessel saddle checking.
This design make full use of material, is more occasions. 608 more embodies the heat exchange tube, so the heat exchange efficiency. At the same heat exchanged in the heat exchanged is very cheap and safe. So the heat exchanged occupies an important position in the factory.

Key words: Fixed tube sheet； Heat exchanged； Different materials；
reinforcing

目 录

第一章换热器传热工艺计算 1
1.1 原始数据 1
1.2 定性温度及确定其物性参数 1
1.3 传热量与水蒸气流量计算 2
1.4 有效平均温差计算 3
1.5 管程换热系数计算 4
1.6 结构的初步设计 5
1.7 壳程换热系数计算 6
1.8 总传热系数计算 7
1.9 管壁温度计算 8
1.10 管程压力降计算 9
1.11 壳程压力降计算 10
第二章固定管板式换热器结构设计计算 13
2.1 换热管材料及规格的选择和根数的确定 13
2.2 布管方式的选择 13
2.3 筒体内径的确定 14
2.4 筒体壁厚的确定 14
2.5 筒体水压试验 15
2.6 封头厚度的确定 15
2.7 管箱短节壁厚计算 16
2.8 管箱水压试验 17
2.9 管箱法兰的选择 17
2.10 管板尺寸的确定及强度计算 18
2.11 是否安装膨胀节的判定 31
2.12 防冲板尺寸的确定 31
2.13 折流板尺寸的确定 32
2.14 各管孔接管及其法兰的选择 33
2.15 开孔补强计算 38
2.16 支座的选择及应力校核 41
2.16.1 支座选择 41
2.16.2 鞍座的应力校核 41
参考文献 46
致谢 47

第一章 换热器传热工艺计算
1.1原始数据
管程水的进口温度=20℃
管程水的出口温度=85℃
管程水的工作压力=2.2MPa
管程水的流量=245000kg/h
壳程水蒸气的入口温度=164.97℃
壳程水蒸气的出口温度=80℃
壳程水蒸气的工作压力=0.7MPa
1.2定性温度及确定其物性参数
管程水的定性温度 （1-1）
管程水密度查物性表得
管程水比热查物性表得
管程水导热系数查物性表得=0.6557w/(m·℃)
管程水黏度=5.229×10-4pa·s
管程水普朗特数查物性表得Pr1=2.96
壳程水蒸气定性温度
壳程水蒸气冷凝点：
冷却段： （1-2）
冷凝段： （1-3）
壳程水蒸汽密度查物性表得：
冷却段：=943.4kg/m³
冷凝段: =4.122kg/m³
壳程水蒸汽比热查物性表得：
冷却段：=4.258KJ/(kg·℃)
冷凝段：=2.583KJ/(kg·℃)
壳程水蒸汽导热系数查物性表得：
冷却段：λ2=0.688w/(m·℃)
冷凝段：=0.0313w/(m·℃)
壳程水蒸汽粘度：
冷却段：
冷凝段：
壳程水蒸汽普朗特数查物性表得：
冷却段：
冷凝段：

1.3传热量与水蒸气流量计算
取定换热效率η=0.98
则设计传热量:
Q0=G1×Cp1×()×1000/3600
=245000×4.178×(85-20)×1000/3600 （1-4）
=1.8482×107w
由导出水蒸气气流量G2，r为时的汽化潜热
r=2763.5J/kg
水蒸气流量：

=5.91kg/s （1-5）
冷却段传热量：
（1-6）
冷凝段传热量:
（1-7）
设冷凝段和冷却段分界处的温度为
根据热量衡算:
·η
℃ （1-8）

1.4有效平均温差计算
逆流冷却段平均温差:
℃ （1-9）
逆流冷凝段平均温差:△

℃ （1-10）
冷却段：
参数：
参数： （1-11）
换热器按单壳程2管程设计则查图2-6(a)，得:
温差校正系数 Ø=0.84
有效平均温差：
冷凝段：
参数： （1-12）
参数： （1-13）
换热器按单壳程2管程设计则查图2-6(a)，得:
温差校正系数 Ø=0.89
有效平均温差:=Ø=0.89×126.5=112.6℃ （1-14）
初选冷却段传热系数: （1-15）
1.5管程换热系数计算
初选冷凝段传热系数:
则初选冷却段传热面积为:
（1-16）
（1-17）
选用Ø25×2.5的无缝钢管做换热管
则: 管子外径d0=25mm
管子内径di=20mm
管子长度L=4500mm

则需要换热管根数:
根
可取换热管根数为608根.
管程流通面积：
管程流速:
（1-18）
管程雷诺数:

管程冷却段的定性温度:
（1-19）
管程冷却段传热系数:

管程冷凝段的定性温度:
（1-20）
管程冷凝段传热系数:

1.6 结构的初步设计
查GB151-1999 知管间距按1.25d0取
管间距:s=0.032 m
管束中心排管数：根，取29根
则壳体内径:
圆整为:Di=1.1m
则长径比; 合理
折流板选择弓形折流板:
弓形折流板的弓高: h=0.2Di=0.2*1.1=0.22m
折流板间距:
折流板数量:
1.7壳程换热系数计算
壳程流通面积:

壳程流速:
冷却段: （1-21）
冷凝段: （1-22）
壳程当量直径:
（1-23）
（1）.冷凝段管外壁温度假定值:
（2）.膜温： （1-24）
膜温下液膜的粘度:188.3×
膜温下液膜的密度:917.3
膜温下液膜的导热系数：
正三角形排列

冷凝负荷:Г= （1-25）
壳程冷凝段雷诺数: （1-26）
壳程冷凝段传热系数:
（1-27）
（2）.冷却段管外壁温假定值:
冷却段雷诺数： （1-28）
壁温下水粘度:
粘度修正系数； （ 1-29）
壳程传热因子查图2-12得:
冷却段壳程换热系数:

1.8 总传热系数计算
查GB-1999 第138 页可知
水蒸汽的侧污垢热阻:

管程水选用地下水，污垢热阻为:

由于管壁比较薄，所以管壁的热阻可以忽略不计
冷却段总传热系数:

传热面积比为: （合理） （1-30）
冷凝段总传热系数:
传热面积比为: (合理) （1-31）
1.9 管壁温度计算
设定冷凝段的长度:=2.0424m
冷却段的长度:
冷却段管外壁热流密度计算:
（1-32）
冷却段管外壁温度:

误差不大
冷凝段管外壁热流密度计算:
冷凝段管外壁温度:
（1-33）

1.10 管程压力降计算
管程水的流速:
（1-34）
管程雷诺准数:
（1-35）
管程摩擦系数:
（1-36）
压降结垢校正系数:

沿程压降:
（1-37）
管程数: 管程回弯次数:
回弯压降:
（1-38）
取管程出入口接管内径:

管程出入口速: （1-39）

局部压降: （1-40）
管程总压降:
管程允许压降: 即压降符合要求。
1.11 壳程压力降计算
壳程当量直径:
（1-41）
壳程流通面积:
（1-42）
壳程流速:
冷却段:
（1-43）
冷凝段:
（1-44）
壳程雷诺数:
壳程冷却段雷诺数:
（1-45）
壳程冷凝段雷诺数:
（1-46）
查表壳程摩擦系数:
冷却段:
冷凝段:
壳程粘度修正系数:
冷却段:
冷凝段:
管束周边压降:冷却段管束周边压降:

冷凝段管束周边压降:

导流板压降: （无导流板）
查表取壳程压降结垢系数:
冷却段：
冷凝段：
取壳程进口接管内径:
壳程出口接管内径:
壳程出口流速:
（1-47）
壳程进口流速:
（1-48）
局部压降:
冷却段： （1-49）
冷凝段： （1-50）
壳程总压降:
冷却段壳程总压降:
（1-51）
冷凝段壳程总压降:
（1-52）
壳程允许压降:
即压降符合要求 即压降符合要

第二章 固定管板式换热器结构设计计算
2.1 换热管材料及规格的选择和根数的确定
序号
项目
符号
单位
数据来源及计算公式
数值
（1）
换热管规格

（2）
传热面积
A
㎡

214.6
（3）
换热管数

Nt
根

608
（4）
拉杆直径

dn
mm
GB151-1999《管壳
式换热器》表43
16
（5）
拉杆数量

根
GB151-1999《管壳
式换热器》表44
6
2.2 布管方式的选择
序号
项目
符号
单位
数据来源和数据计
算
数值
（1）
正三角形

GB151-1999 图11

（2）
换热管中心距
S
mm
GB151-1999 表12
32
（3）
隔板槽两侧相邻 管中心距
Sn
mm
GB151-1999 表12
44

2.3 筒体内径的确定
序号
项目
符号
单位
数据来源和计算公
式
数值
（1）
换热管中心
距
S
mm
GB151-1999 表12
32
（2）
换热管根数
Nt
根

608
（3）
管束中心排
管根数
Nc
根

29
（4）
换热管外径
d0
mm

25
（5）
到壳体内壁
最短距离
b3
mm

8
（6）
筒体内径
Di
mm

996
（7）
实取筒体公
称直径
Di
mm
JB/T4737-95
1000
（8）
布管限定圆
直径
Dl
mm

980
2.4 筒体壁厚的确定
序号
项目
符号
单位
数据来源和计算公
式
数值
（1）
计算压力

0.77
（2）
筒体内径

见三-8
1000
（3）
筒体材料

20R

（4）
设计温度下
筒体材料的
许用应力

GB150-1998
表4-1 钢板许用应
力
123
（5）
焊接接头系
数

0.85
（6）
筒体计算厚
度

3.7
（7）
腐蚀裕量

2
（8）
负偏差

0
（9）
设计厚度

5.7
（10）
名义厚度

GB151-1999 项目
5.3.2 表8
8
（11）
有效厚度

6
（12）
设计厚度下
圆筒应力

64.6
（13）
校核

（14）
设计温度下
圆筒的最大
许用工作压
力

1.25

2.5 筒体水压试验
序号
项目
符号
单位
根据来源及计算公式
数值
（1）
实验压
力

1.04
（2）
圆筒薄
膜应力

87.2
（3）
校核=187.4Mpa 合格
2.6 封头厚度的确定
序号
项目
符号
单位
数据来源和计算公
式
数值
（1）
封头内径

1000
（2）
计算压力

2.42
（3）
焊接接头系数

0.85
（4）
封头材料

Q345

（5）
设计温度下许
用压力

GB151-1999 项目
5.3.2
表4-1
170
（6）
标准椭圆封头
计算厚度

8.41
（7）
腐蚀裕量

1
（8）
负偏差

0
（9）
设计厚度

9.41
（10）
名义厚度

GB151-1999 项目
5.3.2
10
（11）
实取名义厚度

10
（12）
有效厚度

9
（13）
曲面高度

JB/T4737-95续表1

（14）
直边高度

JB/T4737-95续表1

（15）
内表面积
A

JB/T4737-95续表1

(16)
容积
V

JB/T4737-95续表1

(17)
质量
m

JB/T4737-95续表1

2.7 管箱短节壁厚计算
序号
项目
符号
单位
数据来源和计算公
式
数值
（1）
计算压力

2.42
（2）
管箱内径

1000
（3）
管箱材料

Q345

（4）
设计温度下许
用应力

GB150-1998
170
（5）
焊接接头系数

0.85
（6）
管箱计算厚度

8.44
（7）
腐蚀裕量

1
（8）
负偏差

0
（9）
设计厚度

9.44
（10）
名义厚度

GB151-1999 项目
5.3.2
10
（11）
实取名义厚度

10
（12）
有效厚度

9
（13）
设计厚度下圆
筒应力

135.65
（14）
校核
=144.5Mpa 合格
（15）
设计温度下圆
筒的最大许用
工作压力

2.58
2.8 管箱水压试验
序号
项目
符号
单位
根据来源及计算公式
数值
（1）
实验压力

3.23
（2）
圆筒薄膜应
力

181.06
（3）
校核=263.9Mpa 合格
2.9 管箱法兰的选择
序号
项目
符号
单位
数据来源和计算公
式
数值
（1）
法兰类型

长颈对焊法兰
JB/T4703-2000
PN=2.
5MPa
（2）
法兰外径

JB/T4703-2000
1195
（3）
螺栓中心圆
直径

JB/T4703-2000
1140
（4）
法兰公称直
径

JB/T4703-2000
1000
（5）
法兰材料

16MnR

（6）
垫片类型

JB/T4704-2000
PN=2.
5MPa
（7）
垫片材料

石棉橡胶板片
GB/T3985-1995

（8）
垫片公称直
径

JB/T4704-2000
1000
（9）
垫片外径

JB/T4704-2000
1087
（10）
垫片内径

JB/T4704-2000
1037
（11）
法兰厚度

JB/T4704-2000
68
（12）
垫片厚度

JB/T4704-2000
3
（13）
螺栓规格及
数量

M27×2×36

(对接筒体最小厚度14mm）
2.10 管板尺寸的确定及强度计算
本设计为管板延长部分兼作法兰的形式，即GB151-1999 项目5.7 中，图18 所示e 型连接方式的管板，材料为Q235Ⅱ的锻件。
A.确定壳程圆筒、管箱圆筒、管箱法兰、换热管等元件结构尺寸及管板的布管方式；
以上项目的确定见项目一至九。
B.计算
序号
项目
符号
单位
数据来源和计算公式
数值
备注
（1）
筒体内径

mm

1000

（2）
筒体内径横
截面积
A

785000

（3）
筒体厚度

mm

8

（4）
圆筒内壳壁
金属截面积

25320.96

（5）
换热管壁厚

mm

2.5

（6）
换热管根数
n

608

（7）
换热管外径
d
mm

25

（8）
管子金属总
截面积

107388

（9）
换热管材料
的弹性模量

GB150-1998 表F5
186000

（10）
沿一侧的排
管数

29

（11）
换热管中心
距

mm
GB151-1999
32

（12）
隔板槽两侧
相邻管中心
距

mm
GB151-1999
44

（13）
布管区内未
能被管支撑
的面积

14072.8

（14）
管板布管区
面积

531954.7

（15）
管板布管区
当量直径

mm

823.2

（16）
管板布管内
开孔后的面
积

486700

（17）
系数

0.62

（18）
壳程圆筒材
料的弹性模
量

GB150-1998 表F5
186000

（19）
壳体不带膨
胀节时换热
管束与圆筒刚度比

4.24

（20）
系数

0.22

（21）
系数

5.47

（22）
系数

7.92

（23）
管板不管区
当量直径与
壳程圆筒内
径比

0.8232

（24）
管子受压失
稳当量长度

mm
GB151-1999 图32
600

（25）
设计温度下
管子受屈服
强度

GB150-1998 表F2
196

（26）
管子回转半
径
i
mm

8.004

（27）
系数

136.8

（28）
管子稳定许
用应力

71.15

（29）
校核
合格

C.对于延长部分兼作法兰的管板，计算
序号
项目
符号
单位
数据来源和计算公式
数值
（1）
垫片接触宽
度
N
mm
GB150-1998 表9-1
25
（2）
垫片基本密
度宽度

mm

12.5
（3）
垫片比压力
y

GB150-1998 表9-2
11
（4）
垫片系数
m

2.0
（5）
垫片有效密
封宽度
b
mm

9
（6）
垫片压紧力
作用中心圆
直径

mm

1069
（7）
预紧状态下
需要的最小螺栓载荷

N

332309.34
（8）
操作状态下
需要的最小
螺栓载荷

N

2463335.3
（9）
常温下螺栓
材料的许用
应力

GB150-1998 表F4
选用材料为40MnB
635
（10）
预紧状态下
需要的最小
螺栓面积

523.3
（11）
操作状态下
需要的最小
螺栓面积

3879.3
（12）
需要螺栓总
截面积

3879.3
（13）
法兰螺栓的
中心圆直径

mm

1140
（14）
法兰中心至
作用处的
径向距离

mm

35.5
（15）
预紧状态的
法兰力矩

n
（16）
筒体厚度

mm

8
（17）
法兰颈部大
端有效厚度

mm

14
（18）
螺栓中心至
法兰颈部与
法兰背面交
的径向距离

mm

56
（19）
螺栓中心距
作用出的
径向距离

mm

70
（20）
螺栓中心处
至 作用位
置处的径向
距离

mm

52.75
（21）
作用于法兰
内径截面上
的流体压力
引起的轴向
力

N

1899700
（22）
流体压力引
起的总轴向
力与作用于
法兰内径截
面上的流体
压力引起的
轴向力差

N

270000
（23）
操作状态下
需要的最小
垫片压力

N

292000
（24）
法兰操作力
矩

157590000
D、假定管板的计算厚度为δ，然后按结构要求确定壳体法兰厚度'
序号
项目
符号
单位
数据来源和计算公式
数值
（1）
假定管板计算厚
度

mm

50
（2）
壳体法兰厚度

mm

50
（3）
管板材料弹性模
量

GB150-1998表 F5
186000
（4）
换热管材料的弹
性模量

GB150-1998表 F5
186000
（5）
管板刚度削弱系
数

GB151-1999
0.4
（6）
换热管有效长度

mm

2896
（7）
管板强度削弱系
数

GB151-1999
0.4
（8）
管子金属总截面
积

107388
（9）
换热管加强系数

6.0
（10）
管板布管区的当
量直径与壳程圆
筒内径之比

0.8232
（11）
管板周边布管区
的无量纲参数

1.06
（12）
管束模数

6897.2
（13）
壳体法兰材料弹
性模量

GB150-1998 表F5
186000
（14）
壳体法兰材料弹
性模量

GB150-1998 表F5
186000
（15）
壳体法兰宽度

mm

97.5
（16）
系数

GB151-1999 图26
0.00022
（17）
壳体法兰与圆筒
的旋转刚度参数

6.164
（18）
旋转刚度无量纲
参数

0.000702
E.由GB151-1999 P51 图27 按照K和查，并计算值，由图29 按照K 和
查值
序号
项目
符号
单位
数据来源和计
算公式
数值
（1）
管板第一矩
系数

GB151-1999 图
27
0.13
（2）
系数

30.9
（3）
系数

GB151-1999 图
29
4.21
F、
序号
项目
符号
单位
数据来源和计算公式
数值
（1）
管箱法兰材料的弹性模量

196000
（2）
管箱圆筒材料的弹性模量

GB150-1998 表F5
196000
（3）
管箱法兰厚度

mm
JB/T4702-2000
68
（4）
系数

GB151-1999 图26
0.0033
（5）
管箱圆筒与法兰的旋转刚度参数

61.2
（6）
换热管束与圆筒刚度比

4.241
（7）
系数

GB151-1999 图30

（8）
法兰力矩折减系数

0.144
(9)
管板边缘力矩的变化系数

4.01
(10)
法兰力矩变化系数

0.404
(11)
管板第二弯矩系数

GB151-1999 图28（a）
2.78
G、按课程设计压力而管程设计压力膨胀变形差，法兰力矩危险
组合（GB151-1999 项目5.7.3.2 分别讨论）
a、只有壳程设计压力，而管程设计压力不计膨胀变形
差（即)
序号
项目
符号
单位
数据来源和计算公式
数值
备注
（1）
有效压力组合

4.212

（2）
基本法兰力矩系数

0.0426

（3）
系数

0.00128

（4）
管板边缘力矩系数

0.04773

（5）
管板边缘剪切系数

1.47

（6）
管板总弯矩系数

2.06

（7）
系数

0.412

（8）
系数

1.088

（9）
系数

1.088

（10）
管板径向应力系数

0.072

（11）
管板布管区周边外径向的应力系数

0.075

（12）
管板布管区边剪切应力系数

0.073

（13）
壳体法兰力矩系数