热交换器设计计算

热交换器设计计算

一、基本参数

管板与管箱法兰、壳程圆筒纸之间的连接方式为e 型

热交换器公称直径DN600，即D i =600mm

换热管规格φ38⨯2，L 0=3000mm

换热管根数n=92

管箱法兰采用整体非标法兰

管箱法兰/壳体法兰外直径D f =760mm

螺柱孔中心圆直径D b =715mm

壳体法兰密封面尺寸D 4=653mm

二、受压元件材料及数据

以下数据查自GB 150.2—2011；

管板、法兰材料：16Mn 锻件 NB/T 47008—2010

管板设计温度取 10℃

查表9，在设计温度100℃下管板材料的许用应力：

=t r σ][178Mpa （δ≤100mm ）

查表B.13，在设计温度100℃壳体/管箱法兰/管板材料的弹性模量：

Mpa 197000E E E p f f ===’’’

壳程圆筒材料：Q345R GB 713

壳程圆筒的设计温度为壳程设计温度

查表2，在设计温度100℃下壳程圆筒材料的许用应力：

=t c σ][189Mpa （3mm ＜δ≤16mm ）

查表B.13，在设计温度10℃下壳程圆筒材料的弹性模量Mpa 197000E s =

查表B.14在金属温度20℃~80℃范围内，壳程圆筒材料平均线膨胀系数：

℃）（

α•⨯=mm /mm 10137.15-s 管程圆筒材料：Q345R GB 713

管程圆筒的设计温度为壳程设计温度

按GB/T 151—2014 中7.4.6.1规定，管箱圆筒材料弹性模量，当管箱法兰采用长颈对焊法兰时，取管箱法兰的材料弹性模量，即Mpa 197000E h =

换热管材料：20号碳素钢管 GB 9948

换热管设计温度取100℃

查表6，在设计温度100℃下换热管材料的许用应力Mpa 147σ][t t =（δ≤16mm ）

查表B.3，设计温度100℃下换热管材料的屈服强度Mpa 220R t eL =（δ≤16mm ）

查表B.13，设计温度100℃下换热管材料的弹性模量Mpa 197000E t =

查表B.13，换热管材料在沿长度平均的金属温度50℃下弹性模量：

Mpa 199500E tm =

查表B.14，在金属温度20℃~50℃范围内，换热管材料平均线膨胀系数：

℃）（

α•⨯=mm /mm 10112.15-t 螺柱材料：35CrMoA

查表12，室温下螺柱材料的许用应力Mpa 228σ][b =

查表12，设计温度100℃下螺柱材料的许用应力Mpa 206σ][t b =

三、管板计算

a. 确定管板布管方式及各元件结构尺寸

换热管为转角正三角形排列

换热管中心距S=48mm

壳程圆筒计算厚度δ=mm 207.4632

.211892600632.2p ]2[D p s t c i s =-⨯⨯⨯=-φσ 壳程圆筒设计厚度m m 2.512.4C 2=+=+δ

按GB713—2014 钢板负偏差：C 1=0.3mm

按照GB/T 151 表7-1，对于不可抽管束的固定管板式热交换器，其壳程圆筒最小厚度（包含1mm 腐蚀裕量）为10mm ，取δs =16mm

b. 计算α、A 、A 1、A s 、K t 、λ、Q 、β、∑s 、∑t 、t cr σ][、A t 、D t 、ρt

一根换热管管壁金属的横截面积α=2t 08.226)238(214.3)(mm d t =-⨯⨯=-δπδ 壳程圆筒内径横截面积252

21083.24

60014.34mm D A i ⨯=⨯==π 管板开孔后的面积252

5

2

11079.143814.3921083.24mm d n A A ⨯=⨯⨯-⨯=-=π 圆筒壳壁金属横截面积()()241009.3166001614.3mm D A s i s s ⨯=+⨯⨯=+=δπδ 设管板名义厚度mm n 56=δ，换热管伸出管板长度为1.5mm

换热管有效长度（两管板内侧间距）：

()()mm L L n 28855.156230005.120=+⨯-=+-=δ

管束模数Mpa LD na E K i t t 96.451009.3288508.226921970004

=⨯⨯⨯⨯== 系数6325.01083.21079.15

5

1=⨯⨯==A A λ

壳体不带波形膨胀节时，换热管束与圆筒刚度比：

系数5240.90748.12/1154/==i l cr

i l C cr r /＞

c. 对于其延长部分兼作法兰的管板，计算M m ，按GB 150.3—2011第7章确定M p ，取p t

作为法兰计算压力。

垫片接触面宽度()mm N 192/715753=-=

按GB 150.3—2011 表 7-1 计算：

垫片基本密封宽度mm N b 5.92

1920=== mm b 4.60＞，垫片有效密封宽度mm b b 8.75.953.253.20=⨯== 按GB 150.3—2011 中 7.5.1.3 b ）规定，垫片压紧力作用中心圆直径： mm b D D G 4.6378.7265324=⨯-=-=

按GB 150.3—2011 表7-4： 垫片压紧力的力臂mm D D L G b G 8.382

4.6377152=-=-= 查GB 150.3—2011 表 7-2，垫片系数m=3，比压力y=69Mpa 预紧状态下需要的最小螺柱载荷：

N by D W G a 61008.1698.74.63714.314.3⨯=⨯⨯⨯==

操作状态下需要的最小螺柱载荷：

t G t G p bmp D p D W 28.6785.02+=

438.74.63728.6632.24.637785.02⨯⨯⨯⨯+⨯⨯=

N 61021.1⨯=

预紧状态下需要的最小螺柱面积[]2612.46492281006.1mm W A b

a a =⨯==σ 操作状态下需要的最小螺柱面积[]236

1087.5206

1021.1mm W A t b p p ⨯=⨯==σ 需要的螺柱面积2331087.5}1087.5,12.4649max{},max{mm A A A p a m ⨯=⨯==

基本法兰力矩[]mm N L A M b G m m ⋅⨯=⨯⨯⨯=⋅=731019.52288.381087.5σ

内压引起的作用于法兰内径截面上的轴向力

d. 假定管板计算厚度δ，计算f ~

f f f h s f f K K K K k k k K b 和、、、、ω、ω、、、、、δ”’”’’

e.

按f ~f K K 和查管板第一弯矩系数m 1、系数G 2，计算系数ψ 查GB/T 151—2014图7-12得m 1=？？

f. 管板第二弯矩系数m 2

按Q K f 和查GB/T 151—2014图7-14 a 得 m 2=2.43