换热器管板设计

换热器管板设计计算
管析是管壳式换热器的主要部件。

管板的设计是否合理对确保换热器的安全运行、节约金属材料，降低制造成本是至关重要的。

在此采用GB151标准中管板计算方法来设计计算管板。

（1）管板采用延长部分兼作法兰的管板形式。

结构如图2.2所示，
图2-2 管板结构图
结构尺寸数据列表2－6：
（2）计算
A ——壳程圆筒内直径横截面积，2mm ；
2
22i 0.785800502654.84
π=
=⨯=D A mm
s δ——壳程圆筒的厚度，mm ；
s A ——圆筒壳壁金属横截面积，2mm ；
2i () 3.148(8008)20307.3πδδ=+=⨯⨯+=s s s A D mm
t δ——换热管壁厚，mm ；
a ——单根换热管管壁金属横截面积，2mm ；
2o () 3.14 2.5(25 2.5)176.6πδδ=-=⨯⨯-=t t a d mm
2220176.638857.5=⨯=na mm
l A ——管板开孔后的面积，2mm ； 对于固定管板式换热器
2
2
23.1425502654.8220394662.644
π⨯=-=-⨯=o l d A A n mm
d A ——在布管区范围内，因设置隔板槽和拉杆结构的需要，面未能被换热管支承的面积，2mm ；
对于三角形排列
2'(0.866)1832(600.86632)18598=-=⨯⨯-⨯=d n A n S S S mm
t A ——管板布管区的面积，2mm ； 对于多管程，三角形排列的换热管
2220.8660.8662203218598213690.5=+=⨯⨯+=t d A nS A mm
t D ——管板布管区当量直径，mm ；
708.9===t D mm
t E ——换热管材料的弹性模量，MPa ；
L ——换热管有效长度（两管板内侧间距），mm ；
t K ——管束模数，MPa ；
对于固定式32061038877.2
3842.6(300060)708.9
⨯⨯===-⨯t t t E na K MPa LD
i ——换热管的回转半径，mm ；
0.258===i mm
cr l ——换热管受压失稳当量长度，mm ； 按GB151图32，确定为320=cr l mm
[]σcr ——换热管稳定许用应力，MPa ；
r C ——系数
127.9r C ππ===
因
32040127.98
==<=cr r l C i 故有
/1140[]12451103.362222128σσ⎡⎤⎡⎤=
-=⨯⨯-=⎢⎥⎢⎥⨯⎣⎦
⎣⎦t cr cr s r l i MPa C λ——系数
394662.6
0.785502654.8
λ=
==l A A Q ——换热管束与圆筒刚度比，当壳体不带波形膨胀节时
20638877.2
1.8920920307.3
⨯=
==⨯t s s E na Q E A β——系数
38877.20.098394662.6
β=
==l na A s ∑——系数
0.6
0.6
0.4(1)0.4(1 1.89) 2.60.785
λ
∑=+
+=+
+=s Q t ∑——系数
1
1
0.4(1)(0.6)0.4(10.098)(0.6 1.89) 3.60.785
βλ
∑=++
+=⨯++
+=t Q t ρ——系数
708.90.886800
ρ=
==t t i D D K ——换热管加强系数
1
2
12
8001.318 6.0530＝[[=⨯
=K
k ——管板周边不布管区无量纲宽度
(1) 6.05(10.886)0.69ρ=-=⨯-=t k K
υ——管板材料泊松比，取0.3υ=
μ——管板强度削弱系数，一般可取0.4μ=
η——管板刚度削弱系数，一般可取μ值
f δ——管板延长部分的法兰（或凸缘）厚度，mm ；
f δ'——壳体法兰（或凸缘）厚度，mm ； f δ''——管箱法兰（或凸缘）厚度，mm ；
ω'——系数，按//s i f i D D δδ'和查GB151图26，得0.00021ω'=；
ω''——系数，按//h i f i D D δδ''和查文献[3] 图4-24得0.00063ω''=； f K ——管板边缘旋转刚度参数，MPa ； 对于固定管板其延长部分兼作法兰
f f K K '=
f K '——壳程圆筒与法兰（或凸缘）的旋转刚度参数，MPa ；
333
3221[()]12122091070230[()0.0002120910]12800708004.8δω''''==++⨯⨯⨯⨯=⨯⨯+⨯⨯+=f f f f f s i f i
E b K K E D b D MPa
f K ''——管箱圆筒与法兰（或凸缘）的旋转刚度参数，MPa ；
333
3221
[()]
12122091070230[
()0.0006320910]128007080017.7δω''''''''=++⨯⨯⨯⨯=⨯⨯+⨯⨯+=f f f f h i f i
E b K E D b D MPa
f K ——旋转风度无量纲参数； 对于固定式管板 33.14 4.8
9.810441431.2
π-⨯=
=
=⨯⨯f
f t
K K K
1m ——管板第一弯矩系数，按f K K 和查GB151图27,得10.13=m 2m ——管板第二弯矩系数，按K Q 和查GB151 图28,得2 2.14=m
m ——管板总弯矩系数
120.130.3 2.14
0.6110.3
υυ++⨯=
==++m m m
1G ——系数
因0m >,所以取11e i G G 与中较大值。

按m K 和查GB151,得10.1=i G 。

而130.40.6
6.05
=3m/K=
=0.12μ⨯⨯e G ，故取11=0.12=e G G
2G ——系数，按f K K 和查GB151 图29,得2 4.1=G 3G ——系数，按和Q K 查GB151 图30,得30.0045=G
ξ——法兰力矩折减系数
4
43
39.8109.810 4.510==0.16ξ---⨯=+⨯+⨯f
f K K G
a P ——有效压力组合，MPa ；
对于负压圆筒
0.1=a P MPa
m M ——基本法兰力矩，N mm ⋅； 参看GB150第9章计算得
[]816.436.251133344178.5σ==⨯⨯=⋅m m G b M A L N mm
m M ——基本法兰力矩系数，N mm ⋅；
33443344178.5
0.1060.785 3.148000.1
λπ⨯=
==⋅⨯⨯⨯m m i a M M N mm D P
M ∆——管板边缘力矩变化系数
1
1 2.34.80.1617.7
ξ∆=
=
='+
+
''
f f M K K
f M ∆——法兰力矩变化系数
4.8
2.30.617.7
'∆=
∆=
⨯=''
f f f K M M K 1M ——系数
31120.13
1.79102()2 6.05(4.1 1.89)
-=
==⨯+⨯⨯+m M K Q G
r σ——管板径向应力系数
312(1)11(10.3)0.12
6.51044 1.89 4.1
υσ-++⨯=⨯
=⨯=⨯++r G Q G
r σ'——管板布管区周边处径向应力系数
23m(1)30.6(10.3)
0.0164()4 6.05(1.89 4.1)
υσ+⨯⨯+'=
==+⨯⨯+r K Q G
p τ——管板布管区周边剪切应力系数
211110.3
0.05444 1.89 4.1
υτ++=⨯=⨯=++p Q G
ws M ——壳体法兰力矩系数 壳程压力作用工况下
1()0.160.1060.60.00180.016ξ=-∆=⨯-⨯=ws m f M M M M
Y ——系数，按K 查GB150图9-8得 1.04=Y
（3）管板应力校核
[]t r σ——设计温度时，管板材料的许用应力，MPa ；
r σ——管板径向应力，MPa ；
2320.785800() 6.5100.1()0.90.430
λσσμδ-==⨯⨯⨯⨯=i r r a
D p MPa 1.5[]t r r σσ≤，满足
r σ'——管板布管区周边处的径向应力，MPa ；
22
22
[1)]()20.7850.10.690.698000.016[10.6)]()0.40.620.6300.386λσσμδ
''=-+⨯=⨯⨯-+⨯⨯=a
i r r p D k k m m m MPa
1.5[]t r r σσ'≤，满足
p τ——管板布管区周边剪切应力，MPa ；
0.785 1.7708.9
()0.054() 4.250.430
λττμδ⨯=
=⨯⨯=a t p p p D MPa 0.5[]t p r τσ≤，满足
对于管板延长部分兼作法兰的法兰，当不计膨胀差时，就满足 1.5[]t f f σσ'≤
f σ'——壳体法兰应力，MPa ；
[]t f σ——设计温度时，壳体法兰许用应力，MPa ；
22
800(
)0.785 1.040.0160.7850.1()0.734
30π
σλδ'=
=⨯⨯⨯⨯⨯='
i f ws a f D YM p MPa
1.5[]t f f σσ'≤，满足。