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1、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。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1.3Mpa，壳程0.9Mpa，工作温度管程25，壳程164.97，设计温度管程75，壳程85，管程介质为1.3Mpa的水，壳程介质为0.9Mpa的水蒸气。依据
2、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252.54500的#20（材料）的无缝钢管，本设计采用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
3、合。366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AbstractHeat exchanger called heat exchanger 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 indi
4、spensable equipment, has the vital significance in the factory. Heat exchanger 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 exc
5、hanger 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 exchanger is steam condenser is very common in into during equipment, the heat exchanger has the advantages of resistance to hi
6、gh 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 wat
7、er 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. Complete
8、d 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 diame
9、ter, opening reinforcement method on the basis of equal area reinforcement calculation. The design of flange, tubesheet 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
10、 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. 366 more embodies the heat exchange tube, so the heat exchange efficiency. At the same heat exchanger in the heat exchanger is very cheap and s
11、afe. So the heat exchanger occupies an important position in the factory.Key words: Fixed tube sheet； Heat exchanger； Different materials； reinforcing 目 录第一章 换热器传热工艺计算 11.1 原始数据 11.2 定性温度及确定其物性参数 11.3 传热量与水蒸气流量计算 21.4 有效平均温差计算 31.5 管程换热系数计算 41.6 结构的初步设计 51.7 壳程换热系数计算 61.8 总传热系数计算 71.9 管壁温度计算 81.10 管
12、程压力降计算 81.11 壳程压力降计算 9第二章 固定管板式换热器结构设计计算 122.1 换热管材料及规格的选择和根数的确定 122.2 布管方式的选择 122.3 筒体内径的确定 132.4 筒体壁厚的确定 132.5 筒体水压试验 142.6 封头厚度的确定 142.7 管箱短节壁厚计算 152.8 管箱水压试验 162.9 管箱法兰的选择 162.10 固定管板尺寸的确定及强度计算 172.11 是否安装膨胀节的判定 302.12 防冲板尺寸的确定 312.13 折流板尺寸的确定 312.14 各管孔接管及其法兰的选择 322.15 开孔补强计算 372.16 支座的选择及应力校核
13、402.16.1 支座选择 402.16.2 鞍座的应力校核 40参考文献 45致谢 46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=25 管程水的出口温度=75 管程水的工作压力=1.3MPa 壳程水蒸气的入口温度=164.97 壳程水蒸气的出口温度=85 壳程水蒸气的工作压力=0.9MPa 壳程水蒸汽的流量=135000kg/h1.2 定性温度及确定其物性参数由文献1可知管程水的定性温度 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=0.566w/(m) 管程水黏度=5.610-6pas 管程水普朗特数查物性表得Pr1=3.53 壳程水蒸气定性温度
14、 壳程水蒸气冷凝点： 冷却段： 冷凝段： 壳程水蒸汽密度查物性表得： 冷却段：=961.8kg/m 冷凝段: =0.53kg/m 壳程水蒸汽比热查物性表得： 冷却段：=2.823KJ/(kg) 冷凝段：=1.903KJ/(kg) 壳程水蒸汽导热系数查物性表得： 冷却段：2=0.626w/(m) 冷凝段：=0.0294w/(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由文献2取定换热效率=0.98 则设计传热量: Q0=G1Cp1()1000/3600 （1-1） =1350004.178(75-25)1000/36
15、00 =7.834106w 由导出水蒸气气流量G2，r为时的汽化潜热 r=2442J/kg 由文献3水蒸气流量： （1-2） =34.02kg/s 冷却段传热量： （1-3） 冷凝段传热量: （1-4） 设冷凝段和冷却段分界处的温度为 根据热量衡算: （1-5） 1.4 有效平均温差计算 逆流冷却段平均温差: （1-6） 逆流冷凝段平均温差: （1-7） 冷却段： 参数： 参数： 由文献4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 =0.84 有效平均温差： 冷凝段： 参数： 参数： 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 =0.89 有效平均温差:
16、=0.89120.2=106.98 初选冷却段传热系数:1.5 管程换热系数计算 由文献5初选冷凝段传热系数: 则初选冷却段传热面积为: （1-8） 选用252.5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 （1-9） 可取换热管根数为366根. 管程流通面积： 管程流速: （1-10） 管程雷诺数: 管程冷却段的定性温度: （1-11） 管程冷却段传热系数: 管程冷凝段的定性温度: （1-12） 管程冷凝段传热系数: 1.6 结构的初步设计 查GB151-1999 由文献6知管间距按1.25d0取 管间距:s=0
17、.032 m 管束中心排管数：根，取22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 由文献7壳程流通面积: 壳程流速: 冷却段: 冷凝段: 壳程当量直径: 冷凝段管外壁温度假定值: 膜温： 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 （1-13） 冷凝负荷:= （1-14） 壳程冷凝段雷诺数: 壳程冷凝段传热系数: （1-15） 冷却段管外壁温假定值: 冷却段雷诺数： 壁温下水粘度:
18、粘度修正系数； 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 页可知由文献8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） 冷凝段总传热系数: 传热面积比为: (合理) （1-16）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: 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: （1-17） 1.10 管程压力降计算由文献9可知管程水的流速: （1-18）
19、管程雷诺准数: （1-19） 管程摩擦系数: （1-20） 压降结垢校正系数: 沿程压降: （1-21） 管程数: 管程回弯次数:1 回弯压降: 取管程出入口接管内径: 管程出入口速: 局部压降: 管程总压降: 管程允许压降: 即压降符合要求。1.11 壳程压力降计算由文献10可知壳程当量直径: （1-22） 壳程流通面积: （1-23） 壳程流速: 冷却段: 冷凝段: 壳程雷诺数: 壳程冷却段雷诺数: （1-24） 壳程冷凝段雷诺数: 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
20、流板） 由文献11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: （1-25） 壳程进口流速: 局部压降: 冷却段： 冷凝段： 壳程总压降: 冷却段壳程总压降: （1-26） 冷凝段壳程总压降: 壳程允许压降: 即压降符合要求 即压降符合要求第二章 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换热管材料#202换热管规格3传热面积A214.64换热管数Nt根3665拉杆直径dnmmGB151-1999管壳式换热器表43166拉杆数量根GB151-1999管壳式换热器表446
21、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112换热管中心距SmmGB151-1999 表12323隔板槽两侧相邻 管中心距SnmmGB151-1999 表12442.3 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Smm文献12322换热管根数Nt根3663管束中心排管根数Nc根224换热管外径d0mm255到壳体内壁最短距离b3mm86筒体内径Dimm9967实取筒体公称直径DimmJB/T4737-9510008布管限定圆直径Dlmm9802.4 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0.7
22、72筒体内径见三-810003筒体材料20R4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1235焊接接头系数0.856筒体计算厚度3.77腐蚀裕量28负偏差09设计厚度5.710名义厚度GB151-1999 项目5.3.2 表8811有效厚度612设计厚度下圆筒应力64.613校核14设计温度下圆筒的最大许用工作压力1.252.5 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1.042圆筒薄膜应力87.23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10002计算压力2.423焊接接头系数0.85
23、4封头材料Q3455设计温度下许用压力GB151-1999 项目5.3.2表4-11706标准椭圆封头计算厚度8.417腐蚀裕量18负偏差09设计厚度9.4110名义厚度GB151-1999 项目5.3.21011实取名义厚度1012有效厚度913曲面高度JB/T4737-95续表114直边高度JB/T4737-95续表115内表面积AJB/T4737-95续表116容积VJB/T4737-95续表117质量mJB/T4737-95续表12.7 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2.422管箱内径10003管箱材料Q3454设计温度下许用应力GB150-19981
24、705焊接接头系数0.856管箱计算厚度8.447腐蚀裕量18负偏差09设计厚度9.4410名义厚度GB151-1999 项目5.3.21011实取名义厚度1012有效厚度913设计厚度下圆筒应力135.6514校核=144.5Mpa 合格15设计温度下圆筒的最大许用工作压力2.582.8 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3.232圆筒薄膜应力181.063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/T4703-2000PN=2.5MPa2法兰外径JB/T4703-200011953螺栓中心圆直
25、径JB/T4703-200011404法兰公称直径JB/T4703-200010005法兰材料16MnR6垫片类型JB/T4704-2000PN=2.5MPa7垫片材料石棉橡胶板片GB/T3985-19958垫片公称直径JB/T4704-200010009垫片外径JB/T4704-2000108710垫片内径JB/T4704-2000103711法兰厚度JB/T4704-20006812垫片厚度JB/T4704-2000313螺栓规格及数量M27236(对接筒体最小厚度14mm）2.10 固定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，
26、图18 所示e 型连接方式的管板，材料为Q235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mm10002筒体内径横截面积A7850003筒体厚度mm84圆筒内壳壁金属截面积25320.965换热管壁厚mm2.56换热管根数n3667换热管外径dmm258管子金属总截面积1073889换热管材料的弹性模量GB150-1998 表F518600010沿一侧的排管数2911换热管中心距mmGB151-19993212隔板槽两侧相邻管中心距mmGB151-199944
27、13布管区内未能被管支撑的面积14072.814固定管板布管区面积531954.715固定管板布管区当量直径mm823.216固定管板布管内开孔后的面积48670017系数0.6218壳程圆筒材料的弹性模量GB150-1998 表F518600019壳体不带膨胀节时换热管束与圆筒刚度比4.2420系数0.2221系数5.4722系数7.9223固定管板不管区当量直径与壳程圆筒内径比0.823224管子受压失稳当量长度mmGB151-1999 图3260025设计温度下管子受屈服强度GB150-1998 表F219626管子回转半径imm8.00427系数136.828管子稳定许用应力71.15
28、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NmmGB150-1998 表9-1252垫片基本密度宽度mm12.53垫片比压力yGB150-1998 表9-2114垫片系数m2.05垫片有效密封宽度bmm96垫片压紧力作用中心圆直径mm10697预紧状态下需要的最小螺栓载荷N332309.348操作状态下需要的最小螺栓载荷N2463335.39常温下螺栓材料的许用应力GB150-1998 表F4选用材料为40MnB63510预紧状态下需要的最小螺栓面积523.311操作状态下需要的最小螺栓面积3879.312需要螺栓总截面积3879.31
29、3法兰螺栓的中心圆直径mm114014法兰中心至作用处的径向距离mm35.515预紧状态的法兰力矩n16筒体厚度mm817法兰颈部大端有效厚度mm1418螺栓中心至法兰颈部与法兰背面交的径向距离mm5619螺栓中心距作用出的径向距离mm7020螺栓中心处至 作用位置处的径向距离mm52.7521作用于法兰内径截面上的流体压力引起的轴向力N189970022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N27000023操作状态下需要的最小垫片压力N29200024法兰操作力矩157590000D、假定管板的计算厚度为，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
30、和计算公式数值1假定U型管计算厚度mm502壳体法兰厚度mm503固定管板材料弹性模量GB150-1998表 F51860004换热管材料的弹性模量GB150-1998表 F51860005固定管板刚度削弱系数GB151-19990.46换热管有效长度mm28967固定管板强度削弱系数GB151-19990.48管子金属总截面积1073889换热管加强系数6.010固定管板布管区的当量直径与壳程圆筒内径之比0.823211固定管板周边布管区的无量纲参数1.0612管束模数6897.213壳体法兰材料弹性模量GB150-1998 表F518600014壳体法兰材料弹性模量GB150-1998 表
31、F518600015壳体法兰宽度mm97.516系数GB151-1999 图260.0002217壳体法兰与圆筒的旋转刚度参数6.16418旋转刚度无量纲参数0.000702E.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固定管板第一矩系数GB151-1999 图270.132系数30.93系数GB151-1999 图294.21F、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1960002管箱圆筒材料的弹性模量GB150-1998 表F51960003管箱法兰厚度mmJB/T4702-2000
32、684系数GB151-1999 图260.00335管箱圆筒与法兰的旋转刚度参数61.26换热管束与圆筒刚度比4.2417系数GB151-1999 图308法兰力矩折减系数0.1449固定管板边缘力矩的变化系数4.0110法兰力矩变化系数0.40411固定管板第二弯矩系数GB151-1999 图28（a）2.78G、按课程设计压力而管程设计压力膨胀变形差，法兰力矩的的危险组合（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节变形差（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4.2122基本法兰力矩系数0.04263系数0.00
33、1284固定管板边缘力矩系数0.047735固定管板边缘剪切系数1.476固定管板总弯矩系数2.067系数0.4128系数1.0889系数1.08810固定管板径向应力系数0.07211固定管板布管区周边外径向的应力系数0.07512固定管板布管区边剪切应力系数0.07313壳体法兰力矩系数0.0042614固定管板的径向应力188.0215固定管板布管区周边外径向的应力58.116固定管板布管区周边剪切应力9.5317法兰的外径与内径之比K1.19518系数YGB150-1998 表9-51119壳体法兰应力38.4220换热管的轴向应力15.5821壳程圆筒的轴向应力8.7322一根换热管管壁金属的横截面积176.62523换热管与U型管连接的拉托应力17.54b、只有壳程设计压力序号项目符号单位数据来源和计算公式
