单壳程双管程管壳式换热器设计.docx

本 科 生 通 用

题目：单壳程双管程管壳式换热器设计（立式）

题目:单壳程双管程管壳式换热器设计（立式）
参数:
项目
管程
壳程
工作压力（MPa）
1.1
0.7
工作温度（℃）
165
90
设计温度（℃）
170
95
设计压力（MPa）
1.2
0.8
物料名称
氮气
水
换热面积（m2）
11

焊缝系数
0.85
0.85
腐蚀余量（mm）
1
1
要求:要求每位学生在设计的过程中，充分发挥自己的独立工作能力及创造能力，在设计过程中必须做到：
（1）及时了解有关资料，做好准备工作，充分发挥自己的主观能动性和创造性。
（2）认真计算和制图，保证计算正确和图纸质量。
（3）按预定计划循序完成任务。

日程安排：
1.准备阶段（1天）
2.设计计算阶段（3天）
3.绘图阶段（4天）
4.编写设计说明书（2天）

目 录
1. 绪论 1
2． 设计计算 2
2.1管子数n的计算 2
2.2管子排列方式，管间距的确定 2
2.3壳体直径的确定 2
2.4壳体厚度的计算 2
2.5壳体液压试验应力校核 3
2.6分程隔板的选择 3
2.7封头的选择 3
2.8法兰,管板的选择 4
2.9垫片尺寸的确定 5
2.10管子拉脱力的计算 5
2.11是否安装膨胀节的计算 6
2.12折流板设计 7
2.13拉杆设计 8
2.14开孔补强 8
2.15支座 9
3． 设计评述 10
4. 参考文献 11
附:设计结果一览表 12

1. 绪论
热交换器，通常又称作换热器，是化工﹑炼油和食品及其他工业部门的通用设备，在生产中占有重要作用。化工生产中，换热器可作为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等，应用甚为广泛。换热器种类很多，但根据冷、热流体热量交换的原理和方式基本上可以分为三大类，及间壁式、混合式和蓄热式。三类换热器中，间壁式换热器应用最多。本次设计的管壳式换热器就属于间壁式换热器的一种。

立式固定管板式换热器示意图
2． 设计计算
2.1管子数n的计算
选25 ×2.5的无缝钢管，材质20号钢，管长1.5m。
因为F=πd均Ln ，所以
2.2管子排列方式，管间距的确定
本设计物料：管程氮气，壳程水，循环水工作温度90℃较高，不易结垢。可暂不考虑机械清洗水垢的问题，故排列方式采用结构紧凑、传热系数较高的正三角形排列。
由《化工设备与仪表自动化》中表6-4得六角形层数为6，对角线上的管数为13，管子根数为127其中因安排拉杆需减少6根(参见2.12拉杆设计)，实际管数121根。查表6-5，由管子外径25mm,可得管间距α=32mm。
管子排列方式如右图：
2.3壳体直径的确定
Di=a(b-1)+2l
式中 Di—换热器内径，mm
b—正六角形对角线上的管子数，查表6-4，取b=13
l—最外层管子的中心到壳壁边缘的距离，取l=2d.

查《仪表设备及仪器自动化》P58表2-5，并结合壳体直径的计算，确定Di=500mm
2.4壳体厚度的计算
pc—计算压力，取pc=0.8MPa；Di=500mm; 焊接系数φ=0.85;
材料选用Q235-B钢，[σ]95℃=113Mpa。计算壁厚为

取 c2=1mm,由书中表4-7得c1 =0.3mm
圆整后实取Sn =4mm。DN500,δ=4每米钢板质量为50kg。
2.5壳体液压试验应力校核
试验压力
故：
Q235-B在常温时,,
, 故液压试验应力校核合格。
2.6分程隔板的选择
分程隔板应采用与封头、管箱短节相同材料，故材料选用Q235-B。要求隔板的密封面与壳体法兰密封面，管板密封面与分程槽面须处于同一基面。分程隔板槽深度为4mm，槽宽12mm。其结构相见装配图。
查《化工单元过程及设备课程设计》表4-1得分程隔板的最小厚度为8mm
2.7封头的选择
上下封头均选用EHA椭圆封头，其厚度与壳体厚度相同，材料选用Q235-B钢。
上封头的主要尺寸如下表：
公称直径DN (mm)
曲面高度h1 (mm)
直边高度h2 (mm)
碳钢厚度δ(mm)
500
125
40
4
下封头的主要尺寸如下表：
公称直径DN (mm)
曲面高度h1 (mm)
直边高度h2 (mm)
碳钢厚度δ(mm)
500
125
50
4
查《过程设备机械设计》P106标2 JB/T4746-2002得:
公称直径
DN (mm)
总深度
H (mm)
内表面积
A (m2)
容积
V (m3)
质量
M (kg)
500
150
0.3103
0.0213
9.6
如下图所示：

2.8法兰,管板的选择
容器法兰材料选16MnR。根据JB4701—2000标准，选用DN500，PN1.6(MPa)的甲型平密封面法兰。DN25(100)PN＜4MPa管法兰的接管伸出长度为150mm。
容器法兰的主要尺寸如下表：
公称直径DN，mm
法兰，mm
螺柱
D
D1
D2
D3
D4
δ
d
规格
数量
500
630
590
555
545
542
44
23
M20
28
其密封面结构如下图所示：

选用固定式换热器管板，不兼做法兰，换热管与管板的连接采用先焊后强度胀的连接形式，考虑到胀接结构要求，此次管板的厚度取30mm。实际上，管板的厚度应按GB151-1991进行强度计算，但由于计算复杂，在此不进行具体的校核。
2.9垫片尺寸的确定
由于与壳体接触的介质仅为冷却水，对密封的要求一般，因此密封垫片选用价格相对较低的石棉橡胶片。
根据JB/T4704—1992及所选的DN500，PN1.6(MPa)甲型平焊法兰。
垫片尺寸如下表：（单位：mm）
公称直径DN
垫片内径di
垫片外径D0
垫片厚度t
500
504
544
3
2.10管子拉脱力的计算
计算数据如下表
项目 部件
管子
壳体
材质
20号钢
Q235-B钢
(α/℃)
11.8×10-6
11.8×10-6
E(MPa)
0.21×106
0.21×106
尺寸
φ25×2.5× 1500
φ500×4
管子数
127根

管间距
32mm
管壳壁温差/℃
T=75
管子与管板连接方式
开槽胀接
胀接长度
L=40mm
A.在操作压力下，每平方米胀接周边所产生的力qp

式中
p=1.1(MPa)； l=40mm

B.温差应力导致的每平方米胀接周边上的拉脱力

式中

则

由已知条件可知，qp与qt的作用方向相同，都使管子受压，则合拉脱力为

q<[q]=4.0(MPa)
因此，拉脱力在许用范围内。
2.11是否安装膨胀节的计算
管，壳壁所产生的轴向力：
压力作用于壳体上的轴向力：
其中

则
压力作用于管子上的轴向力：

根据《钢制管壳式换热器设计规定》：

q<[q]=4.0(MPa)条件成立，故本换热器不必设置膨胀节。
2.12折流板设计
折流板为单弓形，切缺率（切掉圆弧的高度与壳体内径百分比）为20%~49%，通常为20%~25%，最佳大小一般为20%，此时单位压降下的传热膜系数最高。
切掉圆弧的高度
实际应用中，单弓形折流板间距B=(0.2-1.0)Di ，以0.4~0.5最优。取B=0.5Di =250mm。折流板数

折流板最小厚度与壳体直径、换管无支承板有关，由书中表6—6查得为3mm。由表6—8查得折流板外径496.5mm,材料为Q235—B钢。
按GB151规定，I级换热器由于d<32mm,l=1500>900mm,故折流板管孔直径与允许偏差分别为25.4mm和0.3mm。
弓形缺口为上下布置，以造成流体剧烈扰动，增大传热系数。
2.13拉杆设计
由于换热管外径大于19mm，故拉杆采用拉杆定距管的形式。根据《过程设备机械设计》中表5-6，拉杆选用Φ10，共6根，材料为Q235—B钢，如图所示：

由GB151-1999表45查得，拉杆的主要尺寸如下表：
拉杆螺纹公称直径
dn /mm
数量
基本尺寸
拉杆直径d/mm
La /mm
Lb /mm
/mm
10
6
10
13
≥40
1.5
选用定距管规格为φ25×2.5(碳钢20)，共6根。

拉杆孔见上图：dn=10mm, L2=1.5×dn=15mm
2.14开孔补强
换热器壳体和封头的接管处开孔需要补强，常用的结构是在开孔外面焊上一块与容器的材料和厚度相同，即4mm厚的Q235—B钢板。
开孔补强如下图。

2.15支座
采用裙座，裙座厚度取Sc=8mm,基础环厚度取10mm。
设计结果，见所绘的换热器装配图。

3． 设计评述
本次设计的单壳程双管程管壳式换热器，其两端与壳体连为一体，管子则固定于管板上，其结构简单；在相同的壳体直径内，排管最多，比较紧凑。
考虑到清洗和整体结构的要求，由于壳程介质清洁，故采用结构紧凑，传热系数较高的正三角形排列。
在壳体设计时增加了液压试验应力校核，以确保在运行中的安全。但并未对封头、法兰、管板、换热管等受力元件进行强度计算。封头，容器法兰、管板，垫片，拉杆的选择均参照国家标准GB151-1999，但封头直边高度的选择并未依据其厚度而选择。
由于压力不高、气密性要求较高，故封头与壳体的连接结构采用平垫密封结构。管板不兼做法兰，采用焊接的方式与壳体连接。管子与管板的连接形式采用胀焊、焊接和胀接并用，兼顾胀接的密封性好和焊接强度高的特点。以上结构均详见装配图。
管壳式换热器的特点是壳层清洗困难，管壳程间有温差应力存在，当热冷流体温差较大时，需在壳体设置膨胀节。经计算，本次设计的换热器不需设计膨胀节。
在折流板设计时，选用弓形折流板。由于物料为无相变流体，兼顾传热与压降两个因素，切缺率（h/Di）选为0.2，此时单位压降下的传热膜系数最高；单弓形折流板间距B取为0.5Di。
由于计算复杂，本次设计并未对开孔补强及群座进行设计计算。

4. 参考文献
1.《机械设计基础》. 刘泽深. 中国建筑工业出版社
2.《化工设备机械基础》. 赵军. 化学工业出版社
3.《机械设计基础课程设计》. 刘泽深. 中国建筑工业出版社
4.《简明机械零件设计手册》. 朱龙根. 机械工业出版社
5.《机械设计课程设计手册》. 龚桂义. 高等教育出版社
6.《化工制图》. 熊洁羽. 化学工业出版社
7.《化工设备与仪表自动化》. 唐洪波，马冰洁. 沈阳工业大学
8.《化工原理课程设计》. 贾绍义，柴诚敬. 天津大学出版社
9.《过程设备机械设计》. 潘红良，郝俊文. 华东理工大学出版社
10.《换热器设计手册》. T.Kuppan. 化学工业出版社
11.《化工装置实用工艺设计》. E.E. 路德维德. 化学工业出版社
12.《化工单元过程及设备课程设计》.匡国柱，史启才.化学工业出版社

附:设计结果一览表
换热管数
121
管子规格
φ25×2.5 ×1500
排列方式
正三角形
管间距/mm
32
壳体直径/mm
500
壳体壁厚/mm
4.0
分程隔板厚度/mm
8
分程槽宽/mm
12
封头规格
DN500×4，PN1.6曲面高度125 mm
上封头直边高度/mm
40
下封头直边高度/mm
50
容器法兰：甲型平焊平密封面DN500，PN1.6
法兰内径/mm
510
法兰外径/mm
630
螺栓孔中心圆直径/mm
590
螺栓孔直径/mm
23
法兰厚度/mm
44
密封面厚度/mm
3
法兰质量/kg
36.8
螺柱规格
M20
螺柱数量
28
接管伸出长度/mm
150
管板不兼做法兰
管板厚度/mm
30
石棉橡胶垫片
垫片公称直径/mm
500
垫片内径/mm
504
垫片外径/mm
544
垫片厚度/mm
3
温差应力
管壳壁轴向力/N
9.06×105
管子轴向力/N
1.065×105
壳体轴向力/N
0.315×105
拉脱力/Mpa
2.05
单弓形折流板
切缺率/%
20
折流板间距/mm
250
折流板外径/mm
496.5
管孔孔直径/mm
25.4
折流板最小厚度/mm
3
折流板形式
上下
拉杆：拉杆定距管结构
拉杆数
6
螺纹公称直径/mm
10
拉杆孔L2/mm
15
拉杆直径/mm
10
定距管数
6
定距管规格
φ25×2.5
M10螺母厚度/mm
17.77
M10最大直径/mm
8.4
裙座厚度/mm
8
裙座基础环厚/mm
10