某换热器强度计算书范本(按GB150-2011 压力容器标准计算)
(新)换热器的强度计算
确定了换热器的结构及尺寸以后，必须对换热器的所有受压元件进行强度计算。
因为管壳式换热器一般用于压力介质的工况，所以换热器的壳体大多为压力容器，必须按照压力容器的标准进行计算和设计，对于钢制的换热器，我国一般按照GB150<<钢制压力容器>>标准进行设计，或者美国ASME标准进行设计。
对于其它一些受压元件，例如管板、折流板等，可以按照我国的GB151<<管壳式换热器>>或者美国TEMA标准进行设计。
对于其它材料的换热器，例如钛材、铜材等应按照相应的标准进行设计。
下面提供一氮气冷却器的受压元件强度计算，以供参考。
该换热器为U形管式换热器，壳体直径500mm，管程设计压力3.8MPa，壳程设计压力0.6MPa。
详细强度计算如下：1.壳程筒体强度计算2. 前端管箱筒体强度计算3. 前端管箱封头强度计算4. 后端壳程封头强度计算5.管板强度计算6. 管程设备法兰强度计算7. 接管开孔补强计算氮气冷却器(U形管式换热器)筒体计算计算条件筒体简图计算压力P c0.60MPa设计温度 t100.00︒ C内径D i500.00mm材料16MnR(热轧) ( 板材)试验温度许用应力[σ]170.00MPa设计温度许用应力[σ]t170.00MPa试验温度下屈服点σs345.00MPa钢板负偏差C10.00mm腐蚀裕量C2 1.00mm焊接接头系数φ0.85厚度及重量计算计算厚度δ == 1.04mm有效厚度δe =δn- C1- C2= 7.00mm名义厚度δn= 8.00mm 重量481.06Kg压力试验时应力校核压力试验类型液压试验试验压力值PT = 1.25P = 0.7500MPa压力试验允许通过的应力水平[σ]T[σ]T≤0.90 σs = 310.50MPa 试验压力下圆筒的应力σT = = 31.95MPa校核条件σT≤[σ]T校核结果合格压力及应力计算最大允许工作压力[P w]= = 3.99014MPa 设计温度下计算应力σt = = 21.73MPa[σ]tφ144.50MPa 校核条件[σ]tφ≥σt结论合格氮气冷却器前端管箱筒体计算计算条件筒体简图计算压力P c 3.80MPa设计温度 t100.00︒ C内径D i500.00mm材料0Cr18Ni9 ( 板材)试验温度许用应力[σ]137.00MPa设计温度许用应力[σ]t137.00MPa试验温度下屈服点σs205.00MPa钢板负偏差C10.80mm腐蚀裕量C20.00mm焊接接头系数φ0.85厚度及重量计算计算厚度δ == 8.29mm有效厚度δe =δn- C1- C2= 11.20mm名义厚度δn= 12.00mm 重量75.76Kg压力试验时应力校核压力试验类型液压试验试验压力值PT = 1.25P = 4.7500MPa压力试验允许通过的应力水平[σ]T[σ]T≤0.90 σs = 184.50MPa 试验压力下圆筒的应力σT = = 127.53MPa校核条件σT≤[σ]T校核结果合格压力及应力计算最大允许工作压力[P w]= = 5.10266MPa 设计温度下计算应力σt = = 86.72MPa[σ]tφ116.45MPa 校核条件[σ]tφ≥σt结论合格氮气冷却器前端管箱封头计算计算条件椭圆封头简图计算压力P c 3.80MPa设计温度 t100.00︒ C内径D i500.00mm曲面高度h i125.00mm材料0Cr18Ni9 (板材)试验温度许用应力[σ]137.00MPa设计温度许用应力[σ]t137.00MPa钢板负偏差C10.80mm腐蚀裕量C20.00mm焊接接头系数φ 1.00厚度及重量计算形状系数K = = 1.0000计算厚度δ = = 6.98mm有效厚度δe =δn- C1- C2= 11.20mm最小厚度δmin= 0.75mm名义厚度δn= 12.00mm 结论满足最小厚度要求重量32.23Kg压力计算最大允许工作压力[P w]= = 6.06962MPa 结论合格氮气冷却器后端壳程封头计算计算条件椭圆封头简图计算压力P c0.60MPa设计温度 t100.00︒ C内径D i500.00mm曲面高度h i125.00mm材料16MnR(热轧) (板材)试验温度许用应力[σ]170.00MPa设计温度许用应力[σ]t170.00MPa钢板负偏差C10.00mm腐蚀裕量C2 2.00mm焊接接头系数φ 1.00厚度及重量计算形状系数K = = 1.0000计算厚度δ = = 0.88mm有效厚度δe =δn- C1- C2= 6.00mm最小厚度δmin= 0.75mm名义厚度δn= 8.00mm 结论满足最小厚度要求重量19.61Kg压力计算最大允许工作压力[P w]= = 4.05567MPa 结论合格氮气冷却器管板计算设计条件0.60MPa壳程设计压力3.80MPa管程设计压力100.00︒ C壳程设计温度100.00︒ C管程设计温度8.00mm壳程筒体壁厚12.00mm管程筒体壁厚壳程筒体腐蚀裕量C 1.00mm管程筒体腐蚀裕量 C0.00mm500.00mm换热器公称直径换热管使用场合一般场合管板与法兰或圆筒连接方式 ( a b c d 型 ) a型换热管与管板连接方式 ( 胀接或焊接 ) 焊接材料(名称及类型) 0Cr18Ni970.00mm名义厚度管强度削弱系数0.40刚度削弱系数0.40材料泊松比0.30210.00mm2隔板槽面积换热管与管板胀接长度或焊脚高度l 3.50mm191000.00MPa 设计温度下管板材料弹性模量137.00MPa 设计温度下管板材料许用应力68.50MPa许用拉脱力壳程侧结构槽深h10.00mm 板管程侧隔板槽深h2 4.00mm0.00mm壳程腐蚀裕量0.00mm管程腐蚀裕量材料名称0Cr18Ni9换管子外径d19.00mm2.00mm热管子壁厚管U型管根数n138根换热管中心距 S25.00mm137.00MPa 设计温度下换热管材料许用应力垫片材料软垫片压紧面形式1a或1b垫垫片外径D o565.00mm 片垫片内径D i515.00mm a型垫片厚度δg mm 垫片接触面宽度Ωmm垫片压紧力作用中心园直径D G547.11mm 管板材料弹性模量0.00MPa ( c 型 )管板材料弹性模量0.00MPa ( d 型 )( b d 型 )管箱圆筒材料弹性模量0.00MPa ( b c 型 )壳程圆筒材料弹性模量0.00MPa ( c d 型 )管板延长部分形成的凸缘宽度0.00mm ( c 型）壳体法兰或凸缘厚度0.00mm ( d 型 )管箱法兰或凸缘厚度0.00mm参数计算管板布管区面积三角形排列正方形排列一根换热管管壁金属横截面积= 106.81mm2管板开孔前抗弯刚度b c d 型0.00N·mm 管板布管区当量直径436.43mma 型其他系数0.80系数按和查图得 : = 0.000000系数按和查图得 : = 0.000000a d 型= 0b c型0.00a ,c 型= 0b ,d 型0.00a 型= 0其他0.00旋转刚度无量刚系数0.00系数0.2696按和0.07130.0000管板厚度或管板应力计算a管板计算厚度取、大值61.345mm型管板名义厚度66.000mm管板中心处径向应力= 0MPa = 0MPab c d 布管区周边处径向应力= 0MPa型= 0MPa 边缘处径向应力= 0MPa = 0MPa管板应力校核单位：MPa|σr|r=0=b工况|σr |r=Rt=c|σr|r=R=d|σr|r=0=型工况|σr|r=Rt=|σr|r=R=换热管轴向应力计算及校核: MPa (单位)计算工况计算公式计算结果校核只有壳程设计压力, 管程设计压力=0 : |-1.59|≤合格只有管程设计压力,壳程设计压力=0 : =|6.29|≤合格壳程设计压力,管程设计压力同时作用: |4.69|≤合格换热管与管板连接拉脱力校核拉脱力q3.21 ≤[q]MPa校核合格重量64.89Kg氮气冷却器管箱法兰强度计算设计条件简图设计压力 p 3.800 MPa计算压力 pc 3.800 MPa设计温度 t 100.0 ° C轴向外载荷 F 0.0 N外力矩 M 0.0 N.mm壳材料名称0Cr18Ni9体许用应力137.0 MPa法材料名称#许用[s ]f 137.0 MPa兰应力[s ]tf 137.0 MPa材料名称40Cr螺许用[s ]b 212.0 MPa应力[s ]tb 189.0 MPa栓公称直径 d B 24.0 mm螺栓根径 d 1 20.8 mm数量 n 24 个Di 500.0 Do 660.0垫结构尺寸Db 615.0 D外565.0 D内515.0 δ0 16.0 mm Le 22.5 LA 31.5 h 35.0 δ1 26.0 材料类型软垫片N 25.0 m 2.00 y 11.0 压紧面形状1a,1b b 8.94 DG 547.1 片b0≤6.4mm b= b0 b0≤6.4mm DG= ( D外+D内 )/2b0 > 6.4mm b=2.53b0 > 6.4mm DG= D外 - 2b螺栓受力计算预紧状态下需要的最小螺栓载荷Wa Wa= πbDG y = 169119.0 N操作状态下需要的最小螺栓载荷WpWp = Fp + F = 1127044.1N所需螺栓总截面积 Am Am = max (Ap ,Aa ) = 5963.2 mm2 实际使用螺栓总截面积 AbAb = = 8117.5mm2力矩计算操FD = 0.785pc= 745750.0 N LD= L A+ 0.5δ1= 44.5mm MD= FD LD= 33185876.0N.mm作FG = Fp= 233573.5 N LG= 0.5 ( Db - DG )= 33.9mm MG= FG LG= 7928625.5N.mmMp FT = F-FD= 147150.2 N LT=0.5(LA + d 1 + LG )= 45.7mm MT= FT LT= 6728066.0N.mm外压: Mp = FD (LD - LG )+FT(LT-LG ); 内压: Mp = MD+MG+MT Mp = 47842568.0 N.mm 预紧MaW = 1492550.6 N LG = 33.9 mm Ma=W LG = 50664460.0 N.mm 计算力矩 Mo= Mp 与中大者 Mo=50664460.0N.mm螺栓间距校核实际间距= 80.5mm最小间距56.0 (查GB150-98表9-3)mm最大间距158.4mm形状常数确定89.44 h/ho = 0.4 K = Do/DI = 1.3201.6由K查表9-5得T=1.789 Z =3.694 Y =7.145 U=7.851整体法兰查图9-3和图9-4 FI=0.85944 VI=0.31415 0.00961 松式法兰查图9-5和图9-6 FL=0.00000 VL=0.00000 0.00000 查图9-7 f = 1.06578整体法兰 = 松式法兰 = 0.2由得572246.8 0.0ψ=δf e+1 =1.44 g = y /T = =0.811.59= 0.98 剪应力校核计算值许用值结论预紧状态0.00MPa操作状态0.00MPa输入法兰厚度δf = 46.0 mm时, 法兰应力校核应力性质计算值许用值结论轴向应力158.57MPa=205.5 或=342.5( 按整体法兰设计的任意式法兰, 取 )校核合格径向应力77.96MPa= 137.0校核合格切向应力54.14MPa= 137.0校核合格综合应力= 118.27MPa= 137.0校核合格法兰校核结果校核合格氮气冷却器开孔补强计算接管: a,φ219×16计算方法 : GB150-1998 等面积补强法, 单孔设计条件简图计算压力p c 3.8MPa设计温度100℃壳体型式圆形筒体壳体材料名称及类型0Cr18Ni9 板材壳体开孔处焊接接头系数φ0.85壳体内直径D i500mm壳体开孔处名义厚度δn12mm壳体厚度负偏差 C10.8mm壳体腐蚀裕量C20mm壳体材料许用应力[σ]t137MPa接管实际外伸长度100mm接管实际内伸长度0mm 接管材料0Cr18Ni9接管焊接接头系数1名称及类型管材接管腐蚀裕量0mm 补强圈材料名称补强圈外径mm补强圈厚度mm接管厚度负偏差C1t2mm 补强圈厚度负偏差C1r mm 接管材料许用应力[σ]t137MPa 补强圈许用应力[σ]t MPa开孔补强计算壳体计算厚度δ8.293mm 接管计算厚度δt 2.63mm 补强圈强度削弱系数f rr0接管材料强度削弱系数f r1开孔直径d191mm 补强区有效宽度B382mm 接管有效外伸长度h155.28mm 接管有效内伸长度h20mm 开孔削弱所需的补强面积A1584mm2壳体多余金属面积A1555.2mm2接管多余金属面积A21257mm2补强区内的焊缝面积A364mm2A1+A2+A3=1876 mm2 ，大于A，不需另加补强。
换热器强度计算书
换热器强度计算书
换热器强度计算书是一份重要的技术文件，用于评估换热器在设计条件下的结构强度和安全性。
以下是一个简要的换热器强度计算书的示例，供参考：
1. 换热器概述
对换热器的类型、设计条件、主要结构和材料进行描述。
2. 设计规范和标准
列出计算所依据的相关设计规范和标准。
3. 载荷分析
分析换热器在正常操作、停车、检修等不同工况下所承受的载荷，包括压力、温度、重量等。
4. 强度计算
根据载荷分析的结果，采用适当的计算方法（如压力容器设计规范中的计算公式）对换热器的各个部件进行强度计算，包括壳体、封头、接管、法兰等。
5. 结果评估
对强度计算的结果进行评估，判断是否满足设计规范和标准的要求。
如有不满足的情况，提出相应的改进措施。
6. 结论
总结强度计算的结果，明确换热器在设计条件下的结构强度是否满足要求。
7. 附录
包括计算所使用的主要公式、计算过程中的中间结果、材料性能数据等。
需要注意的是，这只是一个示例，实际的换热器强度计算书应根据具体的设计条件和要求进行编制，并由专业的工程师进行审核和签署。
GB150.1~4-2011《压力容器》新旧版内容对照表
修订 150.1 4.3.3c
制造单位对其制造的每台容器产品应在容器设计使用年限 内至少保存下列技术文件备查： 设计一般规定 “失效措施” 载荷 内压、外压或最大压差 载荷,其中b)增加“当液体静压力小于设计压力的5%，可 忽略不计。” （原“内装物料”改为“内装介质”）
修订 150.1 4.3.2b
修订 150.1 4.3.2c 未变 150.1 4.3.2d 未变 150.1 4.3.2e 未变 150.1 4.3.2f 未变 150.1 4.3.2g 未变 150.1 4.3.2h 修订 150.1 4.3.2i 未变 150.1 4.3.2j 修订 150.1 4.3.3 未变 150.1 4.3.3a
未变 150.1 4.2.2.3c
制造单位的检查部门在容器制造过程中和完工后，…… 3.2.2.2.2
修订 150.1 4.2.2.3d
制造单位在检验合格后，出具产品质量合格证
3.2.2.2.4
修订 150.1 4.2.2.3e
修订 150.1 4.3 新增 150.1 4.3.1 修订 150.1 4.3.2 未变 150.1 4.3.2a
3.5.6
新增 150.1 4.3.8
容器元件的名义厚度和最小成形厚度一般应标注在设计图 样上。
修订 150.1 4.4
许用应力
3.6
安全系数3.0改为2.7；1.6改为1.5；表1中增加“钛及钛
修订 150.1 4.4.1
其他金属材料制容器按本部分相应标准中列入的材料允许 使用温度确定 本标准适用的结构形式 本标准适用钢制容器的结构形式按本部分以及GB150.2~4 的相应规定。
GB150-1998 1 1.1
换热器的强度计算
确定了换热器的结构及尺寸以后，必须对换热器的所有受压元件进行强度计算。
因为管壳式换热器一般用于压力介质的工况，所以换热器的壳体大多为压力容器，必须按照压力容器的标准进行计算和设计，对于钢制的换热器，我国一般按照GB150<<钢制压力容器>>标准进行设计，或者美国ASME标准进行设计。
对于其它一些受压元件，例如管板、折流板等，可以按照我国的GB151<<管壳式换热器>>或者美国TEMA标准进行设计。
对于其它材料的换热器，例如钛材、铜材等应按照相应的标准进行设计。
下面提供一氮气冷却器的受压元件强度计算，以供参考。
该换热器为U形管式换热器，壳体直径500mm，管程设计压力3.8MPa，壳程设计压力0.6MPa。
详细强度计算如下：1.壳程筒体强度计算2. 前端管箱筒体强度计算3. 前端管箱封头强度计算4. 后端壳程封头强度计算5.管板强度计算6. 管程设备法兰强度计算7. 接管开孔补强计算氮气冷却器(U形管式换热器)筒体计算计算条件筒体简图计算压力P c0.60MPa设计温度 t100.00︒ C内径D i500.00mm材料16MnR(热轧) ( 板材)试验温度许用应力[σ]170.00MPa设计温度许用应力[σ]t170.00MPa试验温度下屈服点σs345.00MPa钢板负偏差C10.00mm腐蚀裕量C2 1.00mm焊接接头系数φ0.85厚度及重量计算计算厚度δ == 1.04mm有效厚度δe =δn- C1- C2= 7.00mm名义厚度δn= 8.00mm 重量481.06Kg压力试验时应力校核压力试验类型液压试验试验压力值PT = 1.25P = 0.7500MPa压力试验允许通过的应力水平[σ]T[σ]T≤0.90 σs = 310.50MPa 试验压力下圆筒的应力σT = = 31.95MPa校核条件σT≤[σ]T校核结果合格压力及应力计算最大允许工作压力[P w]= = 3.99014MPa 设计温度下计算应力σt = = 21.73MPa[σ]tφ144.50MPa 校核条件[σ]tφ≥σt结论合格氮气冷却器前端管箱筒体计算计算条件筒体简图计算压力P c 3.80MPa设计温度 t100.00︒ C内径D i500.00mm材料0Cr18Ni9 ( 板材)试验温度许用应力[σ]137.00MPa设计温度许用应力[σ]t137.00MPa试验温度下屈服点σs205.00MPa钢板负偏差C10.80mm腐蚀裕量C20.00mm焊接接头系数φ0.85厚度及重量计算计算厚度δ == 8.29mm有效厚度δe =δn- C1- C2= 11.20mm名义厚度δn= 12.00mm 重量75.76Kg压力试验时应力校核压力试验类型液压试验试验压力值PT = 1.25P = 4.7500MPa压力试验允许通过的应力水平[σ]T[σ]T≤0.90 σs = 184.50MPa 试验压力下圆筒的应力σT = = 127.53MPa校核条件σT≤[σ]T校核结果合格压力及应力计算最大允许工作压力[P w]= = 5.10266MPa 设计温度下计算应力σt = = 86.72MPa[σ]tφ116.45MPa 校核条件[σ]tφ≥σt结论合格氮气冷却器前端管箱封头计算计算条件椭圆封头简图计算压力P c 3.80MPa设计温度 t100.00︒ C内径D i500.00mm曲面高度h i125.00mm材料0Cr18Ni9 (板材)试验温度许用应力[σ]137.00MPa设计温度许用应力[σ]t137.00MPa钢板负偏差C10.80mm腐蚀裕量C20.00mm焊接接头系数φ 1.00厚度及重量计算形状系数K = = 1.0000计算厚度δ = = 6.98mm有效厚度δe =δn- C1- C2= 11.20mm最小厚度δmin= 0.75mm名义厚度δn= 12.00mm 结论满足最小厚度要求重量32.23Kg压力计算最大允许工作压力[P w]= = 6.06962MPa 结论合格氮气冷却器后端壳程封头计算计算条件椭圆封头简图计算压力P c0.60MPa设计温度 t100.00︒ C内径D i500.00mm曲面高度h i125.00mm材料16MnR(热轧) (板材)试验温度许用应力[σ]170.00MPa设计温度许用应力[σ]t170.00MPa钢板负偏差C10.00mm腐蚀裕量C2 2.00mm焊接接头系数φ 1.00厚度及重量计算形状系数K = = 1.0000计算厚度δ = = 0.88mm有效厚度δe =δn- C1- C2= 6.00mm最小厚度δmin= 0.75mm名义厚度δn= 8.00mm 结论满足最小厚度要求重量19.61Kg压力计算最大允许工作压力[P w]= = 4.05567MPa 结论合格氮气冷却器管板计算设计条件0.60MPa壳程设计压力3.80MPa管程设计压力100.00︒ C壳程设计温度100.00︒ C管程设计温度8.00mm壳程筒体壁厚12.00mm管程筒体壁厚壳程筒体腐蚀裕量C 1.00mm管程筒体腐蚀裕量 C0.00mm500.00mm换热器公称直径换热管使用场合一般场合管板与法兰或圆筒连接方式 ( a b c d 型 ) a型换热管与管板连接方式 ( 胀接或焊接 ) 焊接材料(名称及类型) 0Cr18Ni970.00mm名义厚度管强度削弱系数0.40刚度削弱系数0.40材料泊松比0.30210.00mm2隔板槽面积换热管与管板胀接长度或焊脚高度l 3.50mm191000.00MPa 设计温度下管板材料弹性模量137.00MPa 设计温度下管板材料许用应力68.50MPa许用拉脱力壳程侧结构槽深h10.00mm 板管程侧隔板槽深h2 4.00mm0.00mm壳程腐蚀裕量0.00mm管程腐蚀裕量材料名称0Cr18Ni9换管子外径d19.00mm2.00mm热管子壁厚管U型管根数n138根换热管中心距 S25.00mm137.00MPa 设计温度下换热管材料许用应力垫片材料软垫片压紧面形式1a或1b垫垫片外径D o565.00mm 片垫片内径D i515.00mm a型垫片厚度δg mm 垫片接触面宽度Ωmm垫片压紧力作用中心园直径D G547.11mm 管板材料弹性模量0.00MPa ( c 型 )管板材料弹性模量0.00MPa ( d 型 )( b d 型 )管箱圆筒材料弹性模量0.00MPa ( b c 型 )壳程圆筒材料弹性模量0.00MPa ( c d 型 )管板延长部分形成的凸缘宽度0.00mm ( c 型）壳体法兰或凸缘厚度0.00mm ( d 型 )管箱法兰或凸缘厚度0.00mm参数计算管板布管区面积三角形排列正方形排列一根换热管管壁金属横截面积= 106.81mm2管板开孔前抗弯刚度b c d 型0.00N·mm管板布管区当量直径436.43mma 型其他系数0.80系数按和查图得 : = 0.000000系数按和查图得 : = 0.000000a d 型= 0b c型0.00a ,c 型= 0b ,d 型0.00a 型= 0其他0.00旋转刚度无量刚系数0.00系数0.2696按和0.07130.0000管板厚度或管板应力计算a 管板计算厚度取、大值61.345mm型管板名义厚度66.000mm管板中心处径向应力= 0MPa = 0MPab c d 布管区周边处径向应力= 0MPa型= 0MPa 边缘处径向应力= 0MPa = 0MPa管板应力校核单位：MPa|σr|r=0=b工况|σr |r=Rt=c|σr|r=R=d|σr|r=0=型工况|σr|r=Rt=|σr|r=R=换热管轴向应力计算及校核: MPa (单位)计算工况计算公式计算结果校核只有壳程设计压力, 管程设计压力=0 : |-1.59|≤合格只有管程设计压力,壳程设计压力=0 : =|6.29|≤合格壳程设计压力,管程设计压力同时作用: |4.69|≤合格换热管与管板连接拉脱力校核拉脱力q3.21 ≤[q]MPa校核合格重量64.89Kg氮气冷却器管箱法兰强度计算设计条件简图设计压力 p 3.800 MPa计算压力 pc 3.800 MPa设计温度 t 100.0 ° C轴向外载荷 F 0.0 N外力矩 M 0.0 N.mm壳材料名称0Cr18Ni9体许用应力137.0 MPa法材料名称#许用[s ]f 137.0 MPa兰应力[s ]tf 137.0 MPa材料名称40Cr螺许用[s ]b 212.0 MPa应力[s ]tb 189.0 MPa栓公称直径 d B 24.0 mm螺栓根径 d 1 20.8 mm数量 n 24 个Di 500.0 Do 660.0垫结构尺寸Db 615.0 D外565.0 D内515.0 δ0 16.0 mm Le 22.5 LA 31.5 h 35.0 δ1 26.0 材料类型软垫片N 25.0 m 2.00 y 11.0 压紧面形状1a,1b b 8.94 DG 547.1 片b0≤6.4mm b= b0 b0≤6.4mm DG= ( D外+D内 )/2b0 > 6.4mm b=2.53b0 > 6.4mm DG= D外 - 2b螺栓受力计算预紧状态下需要的最小螺栓载荷Wa Wa= πbDG y = 169119.0 N操作状态下需要的最小螺栓载荷WpWp = Fp + F = 1127044.1N所需螺栓总截面积 Am Am = max (Ap ,Aa ) = 5963.2 mm2 实际使用螺栓总截面积 AbAb = = 8117.5mm2力矩计算操FD = 0.785pc= 745750.0 N LD= L A+ 0.5δ1= 44.5mm MD= FD LD= 33185876.0N.mm作FG = Fp= 233573.5 N LG= 0.5 ( Db - DG )= 33.9mm MG= FG LG= 7928625.5N.mmMp FT = F-FD= 147150.2 N LT=0.5(LA + d 1 + LG )= 45.7mm MT= FT LT= 6728066.0N.mm外压: Mp = FD (LD - LG )+FT(LT-LG ); 内压: Mp = MD+MG+MT Mp = 47842568.0 N.mm 预紧MaW = 1492550.6 N LG = 33.9 mm Ma=W LG = 50664460.0 N.mm 计算力矩 Mo= Mp 与中大者 Mo=50664460.0N.mm螺栓间距校核实际间距= 80.5mm最小间距56.0 (查GB150-98表9-3)mm最大间距158.4mm形状常数确定89.44 h/ho = 0.4 K = Do/DI = 1.3201.6由K查表9-5得T=1.789 Z =3.694 Y =7.145 U=7.851整体法兰查图9-3和图9-4 FI=0.85944 VI=0.31415 0.00961 松式法兰查图9-5和图9-6 FL=0.00000 VL=0.00000 0.00000 查图9-7 f = 1.06578整体法兰 = 松式法兰 = 0.2由得572246.8 0.0ψ=δf e+1 =1.44 g = y /T = =0.811.59= 0.98 剪应力校核计算值许用值结论预紧状态0.00MPa操作状态0.00MPa输入法兰厚度δf = 46.0 mm时, 法兰应力校核应力性质计算值许用值结论轴向应力158.57MPa=205.5 或=342.5( 按整体法兰设计的任意式法兰, 取 )校核合格径向应力77.96MPa= 137.0校核合格切向应力54.14MPa= 137.0校核合格综合应力= 118.27MPa= 137.0校核合格法兰校核结果校核合格氮气冷却器开孔补强计算接管: a,φ219×16计算方法 : GB150-1998 等面积补强法, 单孔设计条件简图计算压力p c 3.8MPa设计温度100℃壳体型式圆形筒体壳体材料名称及类型0Cr18Ni9 板材壳体开孔处焊接接头系数φ0.85壳体内直径D i500mm壳体开孔处名义厚度δn12mm壳体厚度负偏差 C10.8mm壳体腐蚀裕量C20mm壳体材料许用应力[σ]t137MPa接管实际外伸长度100mm接管实际内伸长度0mm 接管材料0Cr18Ni9接管焊接接头系数1名称及类型管材接管腐蚀裕量0mm 补强圈材料名称补强圈外径mm补强圈厚度mm接管厚度负偏差C1t2mm 补强圈厚度负偏差C1r mm 接管材料许用应力[σ]t137MPa 补强圈许用应力[σ]t MPa开孔补强计算壳体计算厚度δ8.293mm 接管计算厚度δt 2.63mm 补强圈强度削弱系数f rr0接管材料强度削弱系数f r1开孔直径d191mm 补强区有效宽度B382mm 接管有效外伸长度h155.28mm 接管有效内伸长度h20mm 开孔削弱所需的补强面积A1584mm2壳体多余金属面积A1555.2mm2接管多余金属面积A21257mm2补强区内的焊缝面积A364mm2A1+A2+A3=1876 mm2 ，大于A，不需另加补强。
换热器的强度计算.
确定了换热器的结构及尺寸以后，必须对换热器的所有受压元件进行强度计算。
因为管壳式换热器一般用于压力介质的工况，所以换热器的壳体大多为压力容器，必须按照压力容器的标准进行计算和设计，对于钢制的换热器，我国一般按照GB150<<钢制压力容器>>标准进行设计，或者美国ASME标准进行设计。
对于其它一些受压元件，例如管板、折流板等，可以按照我国的GB151<<管壳式换热器>>或者美国TEMA标准进行设计。
对于其它材料的换热器，例如钛材、铜材等应按照相应的标准进行设计。
下面提供一氮气冷却器的受压元件强度计算，以供参考。
该换热器为U 形管式换热器，壳体直径500mm，管程设计压力 3.8MPa ，壳程设计压力0.6MPa 。
详细强度计算如下：1.壳程筒体强度计算2.前端管箱筒体强度计算3.前端管箱封头强度计算4.后端壳程封头强度计算5.管板强度计算6.管程设备法兰强度计算7.接管开孔补强计算计算厚度= = 6.98mm有效厚度 e = n - C 1- C 2= 11.20 mm min = 0.75 mm 结论 满足最小厚度要求重量32.23Kg压力计算最大允许工作压力[ P w ]== 6.06962MPa结论 合格氮气冷却器后端壳程封头计算厚度及重量计算形状系数K == 1.0000计算厚度= = 0.88 mm有效厚度 e = n - C 1- C 2= 6.00 mm mm 最小厚度 min = 0.75 名义厚度 n = 8.00mm 结论 满足最小厚度要求压力计算结论合格旋转刚度无量0.000.2696和0.07130.0000管板厚度或管板应力计算b c0.0管板布管区面积一根换热管管壁 金属横弯刚量直径a型 其系数 系数 系数管箱圆筒材料弹性模量 壳程圆筒材料弹性模量 管板延长部分形成的凸缘宽度 壳体法兰或凸缘厚度三角形排列 正方形排列= 106.81436.43 0.80参数计算0.00按 和 查图得 : = 0.000000 按 和查图得 := 0.0000000.00 0.00 0.00 0.00 0.00MPa MPa mm mm mmmm 2N · mmm系数管板应力校核单位：MPa换热管轴向应力计算及校核: MPa （单位）换热管与管板连接拉脱力校核重量64.89 Kg氮气冷却器管箱法兰强度计算A 1+A 2+A 3=1876 mm 2，大于A ，不需另加补强。
可拆式板式换热器强度计算书
可拆式板式换热器强度计算书编制：审核：批准：一、夹紧螺柱（依据NB/T47004）1．计算公式中各符号的含义W a-----预紧状态下，需要的最小夹紧螺柱载荷，N；W p-----工作状态下，需要的最小夹紧螺柱载荷，N；A m-----需要的夹紧螺柱总截面积，㎜2 ；l------垫片中心线展开长度，㎜；B------垫片有效密封宽度，㎜；y------垫片比压力，橡胶y=1.4MPa；a2------被垫片槽中心线包容的板片投影面积，㎜2 ；P------设计压力，MPa；m------垫片系数，橡胶m=1；d------夹紧螺柱小径或无螺纹部分的最小直径，取较小值，㎜；n------夹紧螺柱数量；F0-----作用于a2上的流体静压力，N；F p-----工作状态下，需要的最小垫片压紧力，N；[б]b ---常温下夹紧螺柱材料的许用应力，MPa；[б] t b---设计温度下夹紧螺柱材料的许用应力，MPa；2．计算夹紧螺柱材料选用35CrMoA，调质处理设计温度：180℃[б]b =228MPa [б] t b =206MPa1）计算公式中各项取值l=6900㎜a2=1144790㎜2B=11.5㎜P选1.6MPa 2）夹紧螺柱载荷W a=l·B·y=6900×11.5×1.4=111090 NW p=F o+F p=a2P+2l·B·m·PW p1.6= a2 P1.6+2l·B·m·P1.6=1144790×1.6+2×6900×11.5×1×1.6=2085584 N3）夹紧螺柱面积a)预紧状态下，需要的最小夹紧螺柱总截面积A aA a=W a/[б]b =111090/228=487.24㎜2b)工作状态下，需要的最小夹紧螺柱总截面积A pA p1.6= W p1.6/[б]b =2085584/206=10124.19㎜2c) A m取A a与A p两者的较大值A m=A p4）夹紧螺柱最小直径取n=14根d1.6=（4A p1.6/πn）1/2=(4×10124.19/3.14×14)1/2=30.35㎜取d=42㎜n=14根二、压紧板（该件以GB150和GB151 为依据，按平盖计算）1．计算公式中各符号的含义a-----非圆形平盖的短轴长度，㎜；b-----非圆形平盖的长轴长度，㎜；L-----非圆形平盖的螺栓中心连线周长，㎜；L G-----螺栓中心至垫片压紧力作用中心线的径向距离，㎜；φ-----焊接接头系数，取φ=1；K-----系数；P c-----计算压力，MPa；Z-----非圆形平盖的形状系数，Z=3.4-2.4a/b，且Z≤2.5W-----预紧状态或操作状态时螺栓的设计载荷，N；δp----平盖计算厚度，㎜；δ-----压紧板厚度，㎜；[б]t--设计温度下材料的许用应力，MPa；2．计算压紧板材料选用：Q345-A，[б]t=157 MPa，设计温度：180℃1）公式中各项取值a=564㎜b=2094㎜L G=48㎜L=5700㎜Z=3.4-2.4a/b=2.752）计算a：预紧作用下K1.6=6WL G/P c La2=6×111090×48/1.6×5700×5642=0.011028448δp1.6=a（KP c/φ[б]t）1/2=564 (0.011028448×1.6/1×157)1/2=5.98 MPab：操作状态下K1.6=0.3Z+6WL G/PcLa2=0.3×2.75+6×2085584×48/1.6×5700×5642=1.032δp1.6=a（KP c/φ[б]t）1/2=564 (1.032×1.6/1×157)1/2=57.84㎜故取压紧板厚度δ1.6=60㎜三、上导杆（依据NB/T47004）1．计算公式中各符号的含义f-----上导杆受载所引起的跨度中点的挠度，㎜；f1-----上导杆自重所引起的跨度中点的挠度，㎜；f2-----板片及充介质所引起的上导杆跨度中点的挠度，㎜；f4-----活动压紧板自重所引起的上导杆跨度中点的挠度，㎜；L1-----导杆长度（固定压紧板内侧至支柱内侧的距离），㎜；L-----夹紧尺寸（固定压紧板内侧至活动压紧板内侧间的距离），㎜；F2-----活动压紧板自重，N；E-----设计温度下上导杆材料的弹性模量；J-----上导杆惯性距，㎜4；q1-----上导杆自重均布载荷，N/㎜；q2-----板片及所充介质所引起的均布载荷N/㎜；b2-----固定压紧板内侧至活动压紧板自重作用点的距离，㎜；c2-----活动压紧板自重作用点至支柱内侧间的距离，㎜；2．挠度计算上导杆材料选用Q235-A.F，设计温度：180℃1）公式中各项取值L1=3075㎜c2=1358㎜L=1687㎜b2=1717㎜F2= 8118NJ=35700000㎜4q1=0.36524 N/㎜E=210×103q2=23.42 N/㎜2）计算a．f1=5q1 L14/384EJ=5×0.36524×30754/384×210×103×35700000=0.0567㎜b．L>L1/2 则f2=q2(L4/2-2L3L1+9L2L12/4-LL13/2+L14/16)/24EJ=23.42(16874/2-2×16873×3075+9×16872×30752/4-1687×30753/2+30754/16)/24×210×103×35700000=2.10㎜c．c2＜b2 则f4=F2c2（3L12-4c22）/48EJ=8118×1358(3×30752-4×13582)/48×210×103×35700000=0.65㎜f=f1+f2+f4=0.0567+2.10+0.65=2.81㎜＜5㎜工作状态下，上导杆跨度中点的挠度f不得超过导杆长度L1的2/1000，且不大于5㎜，故满足要求。
压力容器计算说明书
**** 储罐C-2013001-JS强度计算书第 1 页共 9 页强度计算按GB150-1998 《钢制压力容器》、《固定式压力容器安全技术监察规程》及质检特函〔2010〕86 号函<关于《固定式压力容器安全技术监察规程》的实施意见 >进行计算。
目录一、技术参数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2二、筒体强度计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2三、筒体开孔及开孔补强计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3四、封头强度计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6资料来源编制校核标准化提出部门审核标记处数更改文件号签字日期批准文号批准序目符计算公式数据单位项计算依据号号一、技术参数1.最高工作压力2.3.设计压力4.最高工作温度5.设计温度6.介质7.选用材料8.许用应力9.许用应力10.许用应力二、筒体强度计算**** 储罐C-2013001-JS强度计算书第 2 页共 9 页符计算依据计算公式数据单位号P e给定 1.25MpaGB150.1-2011Pc Pc=(1.05~1.1)Pe =1.25 × 1.1=1.375 1.375MPa P19te任务书给定193℃t c193+(15~30)210℃饱和水蒸气任务书给定GB150-2011Q345R/GB713 、 20/GB8163、P4720/NB47008t根据 GB150.2-2011 GB713 B-1碳素钢和低合金钢钢板许用应力，筒体材料 Q345R，板厚＜ 16mm，184.2MPa温度 193℃所得应力值t根据 GB150.2-2011 GB713 B-3碳素钢和低合金钢钢板许用应力，人孔圈及接管材料184.2MPa20/GB8163 ，板厚＜ 16，温度 193℃所得应力值t根据 GB150.2-2011 GB/6479 B-6碳素钢和低合金钢钢管许用应力，接管材料20 钢，板厚184.2MPa15mm，温度 193℃所得应力值1.筒体内直径D n1400mm2.S S=δ+C+ =6.17+1.8+2.03=1010mm筒体壁厚为除去负偏差的圆整量3.筒体壁厚附加量C C1=0.8 ； C2=1 ； C=C1+C2=1.8 1.8mmGB150-4.焊缝系数2011局部无损检测0.85P13**** 储罐C-2013001-JS强度计算书第 3 页共 9 页5.筒体计算厚度δ6.17mm=6.176.有效厚度δeδe=s-C=10-1.8= 8.28.2mm7.筒体设计厚度δ +C=6.17+1.8=7.977.97mm8.校核δe =8.2mm> δ =6.17mm 满足要求三、筒体开孔及开孔补强计算1.开孔直径d.mm 1.1Φ 89× 5 接管开孔直径d189mm1.2M20*1.5 接管开孔直径ｄ232mm Φ 32× 6 接管开孔直径1.3人孔开孔直径d3400mm 2校核3孔的补强计算1.2Φ 100× 8 接管的补强计算1.3接管内径92mm 1.3接管材料20/GB816320 钢1.4接管名义厚度nt nt =δ + C8mmC1=8× 12.5%=1 C2 = 1C=C1+C21.5接管壁厚附加量C=22mm1.6接管材料许用应力1.7强度削弱系数1.8开孔直径1.9筒体有效厚度1.10开孔处焊缝系数1.11开孔处筒体计算厚度1.12接管有效厚度筒体开孔处所需补强的1.13面积1.14有效加强宽度接管外侧有效力加强高1.15度接管内侧有效力加强高1.16度1.17筒体多余面积1.18接管计算厚度1.19接管多余面积****储罐C-2013001-JS 强度计算书第 4页共 9 页根据 GB150.2-2011 GB713B-3 碳素钢和t低合金钢钢板许用应力，筒体材料184.2MPa 320/GB8163 ，板厚＜16，温度193℃所得应力值f r fr = 1.0 1.0d d = Di + 2C = 92+ 2*2=9696mmeδe=S-C=8-1.75= 6.25 6.25mm局部无损检测0.85δ=6.176.17mmet et =nt -C6mmA P155592.32取二者中较大者B P156B2d op192mmd op 2 n2nt取二者中较小值h1P156h1d nt27.71mm接管实际外伸高度取二者中较小值h2P156h2=d nt0mm接管实际内伸高度A 1P157 A =B d e2ete1 fr7.642mm1opt0.82mm A 2P15722h1et t fr 2h2etC2fr287.08mm2 A第 5 页共 9 页1.20焊缝金属截面积 A 3P157A3= a*b25mm2 1.21补强的截面积 A e P157Ae = A1 + A2 + A3319.72mm2 1.2校核Ae <A 需另加补强A4 ≥ A –Ae272.6mm2 2人孔开孔补强计算2.3人孔圈材料2.4人孔圈壁厚附加量2.5人孔圈材料许用应力2.6强度削弱系数2.7人孔直径2.8人孔圈名义厚度2.9人孔圈有效厚度2.10开孔处筒体计算壁厚筒体开孔处所需补强的2.11面积2.12有效加强宽度接管外侧有效力加强高2.13度接管内侧有效力加强高2.14度2.15筒体有效厚度20/GB816320 钢C1=1612.5%=2 C2=1 C=C1+C3mmC2 =3根据 GB150.2-2011 GB713B-3 碳素钢和低合金t钢钢板许用应力，人孔圈材料20/GB8163 ，板厚184.2MPa 3＜ 16，温度 193 ℃所得应力值GB150-2011f r fr = 1.0 1.0P155d394mm nt16mm et et=nt- C=1313mm δ 6.17mm=6.17GB150-20112430.9A op2et1fr2A=d mm P1558取二者中较大者2d opB B800mmd op 2 n2nt取二者中较小值dh1h1nt80mm接管实际外伸高度取二者中较小值dh2nt80mm接管实际内伸高度eδe=S-C=10-1.8=8.28.2mm第 6 页共 9 页GB150-2011mm 22.16筒体多余面积A 1P157A 1=B d ope2ete1 fr8122.17 人孔圈焊缝系数局部无损检测0.852.18 人孔圈计算厚度t3.49 mmGB150-2011A 22h 1 etfr 2h 2C 2 fr22.19人孔圈多余面积A 2tet3441.6mmP1572.20焊缝金属截面积A 3A3 = a*b64mm 2GB150-2011mm 22.21补强的截面积A eP157Ae=A1+A2+A3=812+3441.6+64=4317.64317.62.16 校核Ae > A开孔不需另加补强mm 2四、封头强度计算封头壁厚计算 上下封头工作条件相同，统一计算1.封头选用材料20 钢GB150.2-20碳素钢和低合金钢钢板许用应力，筒体2.许用应力t11 GB713材料 Q345R ，板厚 3-16 ，温度 193℃所 184.2MPaB-1得应力值3. 筒体封头规格GB150-2011椭圆形封头EHAP1164. 壁厚附加量 C C1=0.8； C2=1 ； C=C1+C2=1.81.8 mm 5.封头内直径 Di1400 mm 6.封头深度hiGB/T25198-350mm20107.封头形状系数KGB150-2011由查表 5-1得 K=11 P1178.封头焊缝系数局部无损检测0.85GB150.3-209.封头计算厚度δ11=6.166.16mm5.3.2(5-1)10. 封头有效厚度 eδe=S-C=10-1.8= 8.28.2 mm 11.封头设计厚度δ +C=6.16+1.8=7.977.96mm12.校核δe =8.2mm> δ =6.16mm 满足要求**** 储罐C-2013001-JS强度计算书第 7 页共 9 页一）上封头开孔计算Φ50×6 接管开孔补强计算1接管材料20/NB4700820 钢2接管名义内径45mm 3接管壁厚附加量C C=6 ×12.5%+1=1.75 1.75mm 4开孔直径d148.5mm 5开孔尺寸校核6接管材料许用应力t3根据 GB150.2-2011 GB713 B-3 碳素钢和低合金钢钢板许用应力，接管材料20/NB47008 ，184.2MPa 板厚＜ 16，温度 193 ℃所得应力值7强度削弱系数f r 8接管名义厚度nt 9接管圈有效厚度et 10开孔处封头计算壁厚δ筒体开孔处所需补强的11面积A 12有效加强宽度B接管外侧有效力加强高13度h1接管内侧有效力加强高14度h2 15封头有效厚度e fr = 1.0 1.06mm et=nt-C4.25mm=6.166.16mmA = d op2et 1 fr2298.76mm 取二者中较大者2d op97mmB2 nd op 2 nt取二者中较小值d nt17.06mmh1接管实际外伸高度取二者中较小值d nt0mm接管实际内伸高度δe=S-C=10-1.8=8.28.2mm****储罐C-2013001-JS 强度计算书第 8 页共 9 页16封头多余面积 A 1A1= B d op e 2et e 1 fr98.94mm217接管焊缝系数局部无损检测0.8518接管计算厚度t0.4mm19接管多余面积 A 2 A 2h1 et t fr 2h2et C2fr131.362mm220焊缝金属截面积 A 3A3 = a*b252 mm21补强的截面积 A e Ae = A1 + A2 + A3255.3mm2 122校核Ae <A 需另加补强A4 ≥ A –Ae43.46mm2二）下封头开孔计算?32x31接管材料2接管名义内径3接管壁厚附加量C4开孔直径d15开孔尺寸校核6接管材料许用应力t37强度削弱系数f r8接管名义厚度nt9接管圈有效厚度et10开孔处封头计算壁厚δ筒体开孔处所需补强的11面积A20/NB4700820 钢20mmC=6 ×12.5%+1=1.75 1.75mm23.5mm根据 GB150.2-2011 GB713B-3 碳素钢和低合金钢钢板许用应力，接管材料20/NB47008 ，184.2MPa板厚＜ 16，温度 193 ℃所得应力值fr = 1.0 1.06mmet=nt-C4.25mm6.16mmA=d op 2 et 1 fr144.76mm212有效加强宽度B 接管外侧有效力加强高**** 储罐C-2013001-JS 强度计算书第 9 页共 9 页取二者中较大者2d op51.5mmB2n2ntd op取二者中较小值13h1h1dnt11.87mm度接管内侧有效力加强高14度h2 15封头有效厚度e 16封头多余面积 A 1 17接管焊缝系数18接管计算厚度t 19接管多余面积 A 2 20焊缝金属截面积 A 3 21补强的截面积 A e接管实际外伸高度取二者中较小值d nt接管实际内伸高度δe=S-C=10-1.8= 8.2A1= B d op e 2 et e 1 fr局部无损检测A22h1et t fr 2h2et C2frA3 = a*bAe = A1 + A2 + A30mm8.2mm57.12mm20.850.18mm96.62mm225mm22178.84mm122校核Ae > A开孔不需另加补强。
换热器结构设计及强度计算 说明书
摘要本次设计的题目为汽提塔冷凝器。
汽提塔冷凝器是换热器的一种应用，这里我设计成浮头式换热器。
浮头式换热器是管壳式换热器系列中的一种，它的特点是两端管板只有一端与外壳固定死，另一端可相对壳体滑移，称为浮头。
浮头式换热器由于管束的膨胀不受壳体的约束，因此不会因管束之间的差胀而产生温差热应力，另外浮头式换热器的优点还在于拆卸方便，易清洗。
在化工工业中应用非常广泛。
本文对浮头式换热器进行了整体的设计，按照设计要求，在结构的选取上，采用了1-2型，即壳侧一程，管侧两程。
首先，通过换热计算确定换热面积与管子的根数初步选定结构。
然后按照设计的要求以及一系列国际标准进行结构设计，之后对各部分进行校核。
本次毕业设计任务是流量为3500kg/h，浮头式换热器的机械设计，工作压力管程为0.43MPa、壳程为0.042MPa，工作温度管程为61℃、壳程为80℃。
通过本次毕业设计，我熟悉了浮头式换热器的工艺流程，掌握了浮头式换热器的结构及计算方法，了解了浮头式化热器的制造要求及安装过程。
但是，限于经验不足和水平有限，一定存在缺点甚至错误之处，敬请老师批评指正。
关键词：换热器；浮头式；管程；壳程AbstractThe topic of my study is the design of stripper condenser. stripper condenser is one of applications heat exchanger.In here, my design is the floating head heat exchanger. The floating head heat exchanger is a special type of tube and shell heat exchanger. It is special for its floating head. One of its tube sheet is fixed，while another can float in the shell，so called floating head. As the tubes can expand without the restriction of the shell，it can avoid thermal stress. Another advantage is that it can be dismantled and clean easily . It is widely used in chemical industry. In this study an overall design of the floating head heat exchanger is carried out .According to the demand the type 1-2 is chosen to be the basic type，which has one segment in shell and two segment in tubes. First，heat transfer is calculated to determine the heat exchange surface area and the number of tubes that needed. Then，according to the request and standards，structural of system is well designed. After that，the finite element analysis of the shell is completed.The graduation design task is 3500kg/h flow of the floating head heat exchanger, the mechanical design, working pressure tube 0.4 3MP, shell, work process of 0.042MP for 61 ℃, the temperature tube for 80 ℃shell cheng. Through the graduation design, I am familiar with the floating head heat exchanger process, mastered the structure of floating head heat exchanger and calculation method of floating head, learned the heat exchanger is manufacturing requirements and installation process. But, due to lack of experience and limited ability, certain shortcomings and even mistakes, please the teacher criticism and corrections.KEY WORDS：HEAT EXCHANGER；FLOATING HEAD；TUBE-SIDE；SHELL-SIDE目录第一章 换热器概述 (1)1.1 换热器的应用 (1)1.2 换热器的主要分类 (1)1.2.1 换热器的分类及特点 (1)1.2.2 管壳式换热器的分类及特点 (2)1.3 管壳式换热器特殊结构 (5)1.4 换热管简介 (5)第二章 工艺计算 (7)2.1 设计条件 (7)2.2换热器传热面积与换热器规格： (8)2.2.1 流动空间的确定 (8)2.2.2 初算换热器传热面积'A .......................................................................................... 8 2.2.3 传热管数及管程的确定 ........................................................................................... 9 2.2.4管心距的计算 (9)2.2.5换热器型号、参数的确定 (9)2.2.6壳体内径计算 (9)2.2.7折流板的计算 (10)2.3换热器核算 (10)2.3.1传热系数核算 (11)2.3.2换热器的流体阻力 (13)2.3.3换热器的选型 (14)第三章 换热器的结构计算和强度计算 (15)3.1换热器的壳体设计 (15)3.2筒体材料及壁厚 (15)3.3封头的材料及壁厚 (16)3.4管箱材料的选择及壁厚的计算 (16)3.5开孔补强计算 (17)3.6水压试验及壳体强度的校核 (19)3.7 换热管 (20)3.7.1 换热管的排列方式 (20)3.7.2 布管限定圆L D (20)3.7.3 排管 (21)3.7.4 换热管束的分程 (21)3.8 管板设计 (22)3.8.1 管板与壳体的连接 (22)3.8.2 管板计算 (22)3.8.3 管板重量计算 (26)3.9折流板 (26)3.9.1 折流板的型式和尺寸 (27)3.9.2 折流板排列 (27)3.9.3 折流板的布置 (27)3.10拉杆与定距管 (27)3.10.1 拉杆的结构形式 (27)3.10.2 拉杆的直径、数量及布置 (28)3.10.3 定距管 (28)3.11法兰和垫片 (28)3.11.1固定端的壳体法兰、管箱法兰与管箱垫片 (28)3.11.2外头盖侧法兰、外头盖法兰与外头盖垫片、浮头垫片 (30)3.11.3 接管法兰型式与尺寸 (31)3.12钩圈式浮头 (32)3.12.1 浮头盖的设计计算 (33)3.13分程隔板 (38)3.14鞍座 (38)3.14.1 支反力计算如下 (38)3.14.2 鞍座的型号及尺寸 (40)3.15接管的最小位置 (40)3.15.1壳程接管位置的最小尺寸 (40)3.15.2 管箱接管位置的最小尺寸 (41)附录外文翻译 (45)参考文献 (55)第一章换热器概述过程设备在生产技术领域中的应用十分广泛，是在化工、炼油、轻工、交通、食品、制药、冶金、纺织、城建、海洋工程等传统部门所必需的关键设备，而换热设备则是广泛使用的一种通用的过程设备。
固定管板式换热器设计说明书
摘要本设计是关于固定管板式换热器的结构设计，主要进行了换热器的工艺计算、换热器的结构和强度设计。
本设计的前半部分是工艺计算部分，按照GB150-2011以及GB151-2014等国家标准以及技术标准等根据给定的设计条件进行换热器的选型，校核传热系数，计算出实际换热面积。
设计的后半部分主要是关于结构和强度的设计，根据已选定的换热器型式进行设备内部各零部件（如接管、定距管折流板、折流板、管箱等）的设计，包括：材料的选择、具体的尺寸、确定具体的位置、管板厚度计算等。
本设计以本着安全可靠、经济性好、传热效率高以及保护环境为原则进行的设计，符合工厂中的实际应用。
关于固定管板换热器设计的各个环节，本设计书中均有详细说明。
关键词：固定管板；管壳式换热器；结构设计AbstractThe design is fixed with respect to the structural design of the tube plate heat exchanger, mainly for the process to calculate heat exchanger, heat exchanger structure and strength design.The first half of this design is part of the calculation process, in accordance with GB150-2011 GB151-2014 and other national standards and technical standards in accordance with a given design conditions of the heat exchanger selection, check the heat transfer coefficient, to calculate the actual heat area. The second half of the design is mainly on the structure and strength of design, internal equipment all parts have been selected according to the type of heat exchanger (such as receivership, spacer tube baffles, baffles, pipe boxes, etc.) Design including: choice of materials, specific dimensions, determine the specific location of the tube plate thickness calculation.On all aspects of the fixed tube sheet heat exchanger design, the design specification is described in detail.Key Words: fixed tube plate; shell and tube heat exchanger；Structural Design目录摘要 (Ⅰ)Abstract (Ⅱ)第1章设计任务、思想 (1)1.1 设计任务 (1)1.2 设计思想 (1)第2章换热器的工艺设计 (2)2.1换热器的工艺条件 (2)2.2估算设备尺寸 (2)2.2.1计算传热管数N T (2)2.2.2计算壳程直径D (3)第3章换热器零部件的结构设计 (4)3.1换热管 (4)3.1.1换热管的型号和尺寸 (4)3.1.2换热管的材料 (4)3.1.3换热管排列方式以及管心距 (4)3.2折流板 (5)3.2.1折流板的主要几何参数 (5)3.2.2折流板和壳体间隙 (6)3.2.3折流板厚度 (6)3.2.4折流板的管孔 (6)3.2.5材料的选取 (6)3.3拉杆、定距管 (6)3.3.1拉杆的结构形式 (7)3.3.2拉杆直径、数量和尺寸 (7)3.3.3拉杆的布置 (8)3.4防冲板 (8)3.5接管 (8)3.5.1接管（或接口）的一般要求 (8)3.5.2接管高度（伸出长度）确定 (8)3.6管箱 (9)3.7管板结构尺寸 (10)3.8封头 (11)3.9法兰结构类型 (12)3.10垫片的选取 (12)3.11鞍座的选取 (12)第4章换热器的机械结构设计 (14)4.1传热管与管板的连接 (14)4.2管板与壳体的连接 (14)4.3 管板与管箱的连接 (16)第5章换热器的强度设计与校核 (17)5.1壳体、管箱的壁厚计算 (17)5.1.1 壳体 (17)5.1.2 管箱 (18)第6章部分管件零部件的校核计算 (19)6.1壳程圆筒 (19)6.2 管箱圆筒 (19)6.3 换热管 (20)6.4 管板 (20)6.5 管箱法兰 (21)6.6 壳体法兰 (21)6.7 系数 (22)6.8 计算管板参数 (22)第7章换热器的制造、检验、安装与维护 (24)7.1换热器的制造、检验与验收 (24)7.1.1筒体 (24)7.1.2 换热管 (24)7.1.3管板 (25)7.1.4 折流板、支持板 (25)7.1.5 管束的组装 (25)7.1.6 换热器的组装 (25)7.1.7 压力试验 (25)7.2 换热器的安装、试车与维护 (25)7.2.1安装 (25)7.2.2 试车 (26)7.2.3 维护 (26)结束语 (27)参考文献 (28)致谢 (29)第1章设计任务、思想1.1 设计任务本设计的课题为固定管板式冷却器结构设计，设计包括结构设计和强度设计。
新版压力容器核心标准——GB150-2011《压力容器》系列标准导读
（ 二）扩 大 了标 准适 用范围
Ｇ ５．—２ １《 Ｂ１０２ Ｏ １压力容器 第 ２ 部分： 材料》 ； Ｇ ０３ ２１（ Ｂ１ ．－ ０１压力容器 第 ３ ５ ＜ 部分： 设计》 ； Ｇ ５．—２１《 Ｂ１０３ Ｏ １压力容器 第 ４ 部分： 制造、 检验和
验收》 。
５ 扩大标准适用性原则 ． 标准没有必要、 也不可能囊括适用范围内压力容器建 造中的所有技术细节， 因此， 在满足法规所规定的基本安全 要求和标准设计准则的前提下， 不应禁止本标准中没有特
守它的安全原则； 技术标准应该是推荐性的， 规定保证压力 容器安全要求所相应的产品质量技术指标。标准所规定的 技术指标应该符合技术法规的安全原则， 可以指导压力容
念、 基础数据、 产品经济性等方面与我国产业实际发展现状
不匹配的突出问题 。
年３ 月正式实施。新版标准更新内容多， 修订内容广， 更具 鲜明的时代特点。
一
４ 标准技术指标国际接轨原则 ． 标准在国际贸易中的重要作用是众所周知的， 技术指
、
修订原则
标的国际接轨对于体现标准的包容性， 促进国际贸易将起
～
８ 标准的各方参与原则 ． 标准是产业技术的结晶， 也是涉及压力容器产品的各
方贸易的统一技术平台， 因此标准的技术内容应该在设 计、 制造、 用户和国家安全管理机构等各方在充分协商一 致的基础上进行编制。标准工作组的人员组成充分考虑 各方人员的比例， 在制定过程中的各方参与也给予重点
到积极的作用。特别是对于中国日益扩大的国际交流和产
品互通。
本次标准修订的原则如下：
１ ．安全技术法规和技术标准协调一致原则 中国的压力容器安全管理建立在安全技术法规与技术 标准共同形成 的标准法规体系的基础之上。从理论上说， 国家的安全技术法规是国家为保证压力容器产品的安全而 设立的强制性法规， 在任何其管辖范围内的产品都必须遵
按GB150与JB4732编制设备强度计算书
55.15
mm
δd = δ + C2 =
58.15
mm
名义厚度：
δ'n = δd + C1 =
58.45
mm
取
δn =
80
mm
有效厚度：
δe = δn - C1 - C2
76.7
mm
1.结构设计时应保证锥段的母线长度≥559.1mm.(本锥体的母线长度约为2252mm)
2.与锥壳大端连接处的圆筒加强段长度应≥316.3mm，此段圆筒厚度应≥37.88mm。（不包义厚度：
取
有效厚度：
最小厚度： 检验结论：
C = C1 + C2 = δ'nh = δh + C =
δnh =
1.60 10.80
12
δeh = δnh - C1 C2 =
10.4
δmin=
6
满足最小厚度要求
应力校核
mm mm mm
mm
mm 合格
说明： 1、当Ri/ri≤
无数值 mm 51.40
δ/Ri<0.002 mm
不符合
名义厚度：
δ'n = δd + C1 =
51.70
mm
取
δn =
60
mm
有效厚度：
δe = δn - C1 - C2 =
58
mm
设计
计 算内压 力
计 算外压 力 设计温度 锥壳大端内直径
锥壳小端内直径 锥体切线高度 锥体半顶角 锥壳大端折边半径 （至内壁） 锥壳小端折边半径 （至外壁） 锥壳材料
(适用标准：JB4732-2005)
容器代号： 容器名称： 所属图号： 设 计： 校 对： 审 核： 批 准： 日 期：
换热器的强度计算
换热器的强度计算确定了换热器的结构及尺寸以后，必须对换热器的所有受压元件进行强度计算。
因为管壳式换热器一般用于压力介质的工况，所以换热器的壳体大多为压力容器，必须按照压力容器的标准进行计算和设计，对于钢制的换热器，我国一般按照GB150<<钢制压力容器>>标准进行设计，或者美国ASME标准进行设计。
对于其它一些受压元件，例如管板、折流板等，可以按照我国的GB151<<管壳式换热器>>或者美国TEMA标准进行设计。
对于其它材料的换热器，例如钛材、铜材等应按照相应的标准进行设计。
下面提供一氮气冷却器的受压元件强度计算，以供参考。
该换热器为U形管式换热器，壳体直径500mm，管程设计压力3.8MPa，壳程设计压力0.6MPa。
详细强度计算如下：1.壳程筒体强度计算2. 前端管箱筒体强度计算3. 前端管箱封头强度计算4. 后端壳程封头强度计算5.管板强度计算6. 管程设备法兰强度计算7. 接管开孔补强计算氮气冷却器(U形管式换热器)筒体计算计算条件筒体简图计算压力P c0.60 MPa设计温度 t100.00 ︒ C内径D i500.00 mm材料16MnR(热轧) ( 板材 )试验温度许用应力[σ]170.00 MPa设计温度许用应力[σ]t170.00 MPa试验温度下屈服点σs345.00 MPa钢板负偏差C10.00 mm腐蚀裕量C2 1.00 mm焊接接头系数φ0.85厚度及重量计算计算厚度δ = = 1.04mm有效厚度δe =δn- C1- C2= 7.00 mm名义厚度δn= 8.00 mm 重量481.06 Kg压力试验时应力校核压力试验类型液压试验试验压力值PT = 1.25P = 0.7500MPa压力试验允许通过的应力水平[σ]T[σ]T≤0.90 σs = 310.50 MPa 试验压力下圆筒的应力σT = = 31.95MPa校核条件σT≤[σ]T校核结果合格压力及应力计算最大允许工作压力[P w]= = 3.99014MPa 设计温度下计算应力σt = = 21.73MPa[σ]tφ144.50 MPa 校核条件[σ]tφ≥σt结论合格氮气冷却器前端管箱筒体计算计算条件筒体简图计算压力P c 3.80 MPa设计温度 t100.00 ︒ C内径D i500.00 mm材料0Cr18Ni9 ( 板材 )试验温度许用应力[σ]137.00 MPa设计温度许用应力[σ]t137.00 MPa试验温度下屈服点σs205.00 MPa钢板负偏差C10.80 mm腐蚀裕量C20.00 mm焊接接头系数φ0.85厚度及重量计算计算厚度δ = = 8.29mm有效厚度δe =δn- C1- C2= 11.20 mm名义厚度δn= 12.00 mm 重量75.76 Kg压力试验时应力校核压力试验类型液压试验试验压力值PT = 1.25P = 4.7500MPa压力试验允许通过的应力水平[σ]T[σ]T≤0.90 σs = 184.50 MPa 试验压力下圆筒的应力σT = = 127.53MPa校核条件σT≤[σ]T校核结果合格压力及应力计算最大允许工作压力[P w]= = 5.10266MPa 设计温度下计算应力σt = = 86.72MPa[σ]tφ116.45 MPa 校核条件[σ]tφ≥σt结论合格氮气冷却器前端管箱封头计算计算条件椭圆封头简图计算压力P c 3.80 MPa设计温度 t100.00 ︒ C内径D i500.00 mm曲面高度h i125.00 mm材料0Cr18Ni9 (板材)试验温度许用应力[σ]137.00 MPa设计温度许用应力[σ]t137.00 MPa钢板负偏差C10.80 mm腐蚀裕量C20.00 mm焊接接头系数φ 1.00厚度及重量计算形状系数K = = 1.0000计算厚度δ = = 6.98mm有效厚度δe =δn- C1- C2= 11.20 mm最小厚度δmin= 0.75 mm名义厚度δn= 12.00 mm 结论满足最小厚度要求重量32.23 Kg压力计算最大允许工作压力[P w]= = 6.06962MPa 结论合格氮气冷却器后端壳程封头计算计算条件椭圆封头简图计算压力P c0.60 MPa设计温度 t100.00 ︒ C内径D i500.00 mm曲面高度h i125.00 mm材料16MnR(热轧) (板材)试验温度许用应力[σ]170.00 MPa设计温度许用应力[σ]t170.00 MPa钢板负偏差C10.00 mm腐蚀裕量C2 2.00 mm焊接接头系数φ 1.00厚度及重量计算形状系数K = = 1.0000计算厚度δ = = 0.88mm有效厚度δe =δn- C1- C2= 6.00 mm最小厚度δmin= 0.75 mm名义厚度δn= 8.00 mm 结论满足最小厚度要求重量19.61 Kg压力计算最大允许工作压力MPa[P w]= = 4.05567结论合格氮气冷却器管板计算设计条件0.60 MPa壳程设计压力3.80 MPa管程设计压力100.00 ︒ C壳程设计温度100.00 ︒ C管程设计温度8.00 mm壳程筒体壁厚12.00 mm管程筒体壁厚壳程筒体腐蚀裕量C 1.00 mm管程筒体腐蚀裕量 C0.00 mm500.00 mm换热器公称直径换热管使用场合一般场合管板与法兰或圆筒连接方式 ( a b c d 型 ) a型换热管与管板连接方式 ( 胀接或焊接 ) 焊接材料(名称及类型) 0Cr18Ni970.00 mm名义厚度管强度削弱系数0.40刚度削弱系数0.40材料泊松比0.30210.00 mm2隔板槽面积换热管与管板胀接长度或焊脚高度l 3.50 mm191000.00 MPa 设计温度下管板材料弹性模量137.00 MPa 设计温度下管板材料许用应力68.50 MPa许用拉脱力壳程侧结构槽深h10.00 mm 板管程侧隔板槽深h2 4.00 mm0.00 mm壳程腐蚀裕量0.00 mm管程腐蚀裕量材料名称0Cr18Ni9换管子外径d19.00 mm2.00 mm热管子壁厚管U型管根数n138 根换热管中心距 S25.00 mm137.00 MPa 设计温度下换热管材料许用应力垫片材料软垫片压紧面形式1a或1b垫垫片外径D o565.00 mm 片垫片内径D i515.00 mm a型垫片厚度δg mm垫片接触面宽度 mm垫片压紧力作用中心园直径D G547.11 mm ( c 型 )管板材料弹性模量0.00 MPa ( d 型 )管板材料弹性模量0.00 MPa ( b d 型 )管箱圆筒材料弹性模量0.00 MPa ( b c 型 )壳程圆筒材料弹性模量0.00 MPa ( c d 型 )管板延长部分形成的凸缘宽度0.00 mm ( c 型）壳体法兰或凸缘厚度0.00 mm ( d 型 )管箱法兰或凸缘厚度0.00 mm参数计算管板布管区面积三角形排列正方形排列一根换热管管壁金属横截面积= 106.81mm2管板开孔前抗弯刚度b c d 型0.00N·mm 管板布管区当量直径436.43mma 型其他系数0.80系数按和查图得 : = 0.000000系数按和查图得 : = 0.000000a d 型= 0b c型0.00a ,c 型= 0b ,d 型0.00a 型= 0其他0.00旋转刚度无量刚系数0.00系数0.2696按和0.07130.0000管板厚度或管板应力计算a 管板计算厚度取、大值61.345 mm型管板名义厚度66.000 mm管板中心处径向应力= 0MPa = 0MPab c d 布管区周边处径向应力= 0MPa型= 0MPa 边缘处径向应力= 0MPa = 0MPa管板应力校核单位：MPa|σr|r=0=b工况|σr |r=Rt=c|σr|r=R=d|σr|r=0=型工况|σr|r=Rt=|σr|r=R=换热管轴向应力计算及校核: MPa (单位)计算工况计算公式计算结果校核只有壳程设计压力, 管程设计压力=0 : |-1.59|≤合格只有管程设计压力,壳程设计压力=0 : =|6.29|≤合格壳程设计压力,管程设计压力同时作用: |4.69|≤合格换热管与管板连接拉脱力校核拉脱力q3.21 ≤ [q]MPa校核合格重量64.89 Kg氮气冷却器管箱法兰强度计算设计条件简图设计压力 p 3.800 MPa计算压力 pc 3.800 MPa设计温度 t 100.0 ° C轴向外载荷 F 0.0 N外力矩 M 0.0 N.mm壳材料名称0Cr18Ni9体许用应力137.0 MPa法材料名称#许用[s ]f 137.0 MPa兰应力[s ]tf 137.0 MPa材料名称40Cr螺许用[s ]b 212.0 MPa应力[s ]tb 189.0 MPa栓公称直径 d B 24.0 mm螺栓根径 d 1 20.8 mm数量 n 24 个Di 500.0 Do 660.0垫结构尺寸Db 615.0 D外565.0 D内515.0 δ0 16.0 mm Le 22.5 LA 31.5 h 35.0 δ1 26.0 材料类型软垫片N 25.0 m 2.00 y 11.0 压紧面形状1a,1b b 8.94 DG 547.1 片b0≤6.4mm b= b0 b0≤6.4mm DG= ( D外+D内 )/2b0 > 6.4mm b=2.53b0 > 6.4mm DG= D外 - 2b螺栓受力计算预紧状态下需要的最小螺栓载荷Wa Wa= πbDG y = 169119.0 N操作状态下需要的最小螺栓载荷WpWp = Fp + F = 1127044.1N所需螺栓总截面积 Am Am = max (Ap ,Aa ) = 5963.2 mm2 实际使用螺栓总截面积 AbAb = = 8117.5mm2力矩计算操FD = 0.785pc= 745750.0 N LD= L A+ 0.5δ1= 44.5mm MD= FD LD= 33185876.0N.mm作FG = Fp= 233573.5 N LG= 0.5 ( Db - DG )= 33.9mm MG= FG LG= 7928625.5N.mmMp FT = F-FD= 147150.2 N LT=0.5(LA + d 1 + LG )= 45.7mm MT= FT LT= 6728066.0N.mm外压: Mp = FD (LD - LG )+FT(LT-LG ); 内压: Mp = MD+MG+MT Mp = 47842568.0 N.mm 预紧MaW = 1492550.6 N LG = 33.9 mm Ma=W LG = 50664460.0 N.mm 计算力矩 Mo= Mp 与中大者 Mo=50664460.0N.mm螺栓间距校核实际间距= 80.5mm最小间距56.0 (查GB150-98表9-3)mm最大间距158.4mm形状常数确定89.44 h/ho = 0.4 K = Do/DI = 1.3201.6由K查表9-5得T=1.789 Z =3.694 Y =7.145 U=7.851整体法兰查图9-3和图9-4 FI=0.85944 VI=0.31415 0.00961 松式法兰查图9-5和图9-6 FL=0.00000 VL=0.00000 0.00000查图9-7 由得f = 1.06578整体法兰 =572246.8松式法兰 =0.00.2ψ=δf e+1 =1.44 g = y /T = =0.811.59= 0.98 剪应力校核计算值许用值结论预紧状态0.00MPa操作状态0.00MPa输入法兰厚度δf = 46.0 mm时, 法兰应力校核应力性质计算值许用值结论轴向应力158.57MPa=205.5 或=342.5( 按整体法兰设计的任意式法兰, 取 )校核合格径向应力77.96MPa= 137.0校核合格切向应力54.14MPa= 137.0校核合格综合应力= 118.27MPa= 137.0校核合格法兰校核结果校核合格氮气冷却器开孔补强计算接管: a, φ219×16 计算方法 : GB150-1998 等面积补强法, 单孔设计条件简图计算压力p c 3.8 MPa设计温度100 ℃壳体型式圆形筒体壳体材料名称及类型0Cr18Ni9 板材壳体开孔处焊接接头系数φ0.85壳体内直径D i500 mm壳体开孔处名义厚度δn12 mm壳体厚度负偏差 C10.8 mm壳体腐蚀裕量C20 mm壳体材料许用应力[σ]t137 MPa接管实际外伸长度100 mm接管实际内伸长度0 mm 接管材料0Cr18Ni9接管焊接接头系数 1 名称及类型管材接管腐蚀裕量0 mm 补强圈材料名称补强圈外径mm补强圈厚度mm接管厚度负偏差C1t 2 mm 补强圈厚度负偏差C1r mm 接管材料许用应力[σ]t137 MPa 补强圈许用应力[σ]t MPa开孔补强计算壳体计算厚度δ8.293 mm 接管计算厚度δt 2.63 mm补强圈强度削弱系数f rr0 接管材料强度削弱系数f r 1开孔直径d191 mm 补强区有效宽度B382 mm接管有效外伸长度h155.28 mm 接管有效内伸长度h20 mm开孔削弱所需的补强面积A1584 mm2壳体多余金属面积A1555.2 mm2接管多余金属面积A21257 mm2补强区内的焊缝面积A364 mm2A1+A2+A3=1876 mm2 ，大于A，不需另加补强。
管壳式换热器传热计算示例(终)
管壳式换热器传热设计说明书设计一列管试换热器，主要完成冷却水——过冷水的热量交换设计压力为管程1.5MPa （表压），壳程压力为0.75MPa（表压），壳程冷却水进,出口温度分别为20℃和50℃，管程过冷水进，出口温度分别为90℃和65℃管程冷水的流量为80t/h。
2、设计计算过程：（1）热力计算1)原始数据：过冷却水进口温度t1′=145℃；过冷却水出口温度t1〞=45℃；过冷却水工作压力P1=0.75Mp a（表压）冷水流量G1=80000kg/h；冷却水进口温度t2′=20℃；冷却水出口温度t2〞=50℃；冷却水工作压力P2=0.3 Mp a（表压）。
改为冷却水工作压力P2=2.5 Mp2)定性温度及物性参数：冷却水的定性温度t2=( t1′+ t1〞)/2=(20+50)/2=35℃；冷却水的密度查物性表得ρ2=992.9 kg/m3；冷却水的比热查物性表得C p2=4.174 kJ/kg.℃冷却水的导热系数查物性表得λ2=62.4 W/m.℃冷却水的粘度μ2=727.5×10－6 Pa·s；冷却水的普朗特数查物性表得P r2=4.865；过冷水的定性温度℃；过冷水的密度查物性表得ρ1=976 kg/m3；过冷水的比热查物性表得C p1=4.192kJ/kg.℃；过冷水的导热系数查物性表得λ1=0.672w/m.℃；过冷水的普朗特数查物性表得P r2；过冷水的粘度μ1=0.3704×10－6 Pa·s。
过冷水的工作压力P1=1.5 Mp a（表压）3)传热量与水热流量取定换热器热效率为η=0.98；设计传热量：过冷却水流量：；4)有效平均温差逆流平均温差：根据式（3-20）计算参数p、R:参数P：参数R：换热器按单壳程2管程设计，查图3—8得温差校正系数Ψ=0.83；有效平均温差：5)管程换热系数计算：附录10，初定传热系数K0=400 W/m.℃；初选传热面积：m2；选用φ25×2.5无缝钢管作换热管；管子外径d0=0.025 m；管子径d i=0.025-2×0.0025=0.02 m；管子长度取为l=3 m；管子总数：取720根管程流通截面积：m2管程流速：m/s管程雷诺数：湍流管程传热系数：（式3-33c）6)结构初步设计：布管方式见图所示:管间距s=0.032m（按GB151,取1.25d0）；管束中心排管的管数按4.3.1.1所给的公式确定：取20根；壳体径：m 取Di=0.7m；长径比：布管示意图l/D i=3/0.9=3.3 ，合理选定弓形折流板弓形折流板弓高：折流板间距：m折流板数量：折流板上管孔直径由GB151-2014可确定为 0.0254mm折流板直径由GB151-2014可确定为 0.6955m 7）壳程换热系数计算壳程流通面积：根据式(3-61)中流体横过管束时流道截面积046.0032.0025.016.0233.01o i c1=⎪⎪⎭⎫⎝⎛-⨯=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=s d BD A m 2壳程流速：m/s ；壳程质量流速：kg m 2/s ；壳程当量直径：m ；壳程雷诺数：； 切去弓形面积所占比例按 h/D i =0.2查图4-32得为0.145壳程传热因子查 图3-24得为j s =20 管外壁温度假定值 t w1′=45℃ 壁温过冷水粘度 Pa.s粘度修正系数：根据式（3-62）计算壳程换热系数：8）传热系数计算：水侧污垢热阻：r 2=0.000344m 2.℃/w 管壁热阻r 忽略 总传热系数：传热系数比值，合理9）管壁温度计算：管外壁热流密度：Ｗ/m2.℃根据式(3-94a)计算管外壁温度：℃误差较核：℃，误差不大；10）管程压降计算：根据式(3-94b)计算管壁温度：℃；壁温下水的粘度：Pa·s；粘度修正系数：；查图3-30得管程摩擦系数：管程数：；管沿程压降计算依据式（3-112）：Pa （W=w.ρ）回弯压降：Pa；取进出口管处质量流速：W N2=1750 ㎏/㎡·s； (依据ρw2<3300取 w=1.822m/s) 进出口管处压降(依据 3-113)：；管程结垢校正系数：；管程压降：11）壳程压降计算：壳程当量直径：m；雷诺数：；查得壳程摩擦系数：λ1=0.08；(图 3-34)管束压降（公式3-129）：Pa；取进出口质量流速： kg/m2·s；( ρw2<2200 取W N2=1000 ㎏/㎡·s) 进出口管压降：Pa；取导流板阻力系数：;导流板压降：Pa壳程结垢修正系数：；(表3-12)壳程压降：Ｐa；管程允许压降：[△P2]=35000 Pa；（见表3-10）壳程允许压降：[△P1]=35000 Pa；△P2<[△P2]△P1<[△P1]即压降符合要求。
gb150.1~4-2011《压力容器》新旧版内容对照表.xls
类型 标准
条款
2011版修订内容
对应98条款
98版内容
修订
修订 修订 未变 新增 修订 新增
未变
新增
新增
新增
150.1 GB150.1-2011
150.1 1 150.1 1.2 150.1 1.2.1 150.1 1.2.2 150.1 1.3 150.1 1.3.1
3.5.1
3.5.1
第1、2、3章
压力容器的设计和制造必须接受劳动行 政部门安全监察机构的监察
设计单位应持有压力容器设计单位批准 书 制造单位应持有压力容器制造许可证
设计文件至少包括设计计算书和设计图 样。 盖有设计资格印章
制造单位必须按照设计图样要求进行制 造，如需要对原设计进行修改，应取得 原设计单位认可。
修订 150.1 4.3.3b
修订 150.1 4.3.3c
制造单位对其制造的每台容器产品应在容器设计使用年限 内至少保存下列技术文件备查： 设计一般规定 “失效措施” 载荷 内压、外压或最大压差 载荷,其中b)增加“当液体静压力小于设计压力的5%，可 忽略不计。” （原“内装物料”改为“内装介质”）
修订 150.1 4.1.3
容器的设计、制造单位应建立健全的质量管理体系并有效 运行（删除“设计单位应持有压力容器设计单位批准书， 3.2.1.1 制造单位应持有压力容器制造许可证”）
修订 150.1 4.1.4
《固容规》管辖范围内的压力容器设计和制造应接受特种 设备安全监察机构的监察。
3.2.1.2
2
3.4 3.4.1 3.4.2 3.4.3 3.4.4 3.4.5
3.4.6 3.4.7
换热器的强度计算.
确定了换热器的结构及尺寸以后，必须对换热器的所有受压元件进行强度计算。
因为管壳式换热器一般用于压力介质的工况，所以换热器的壳体大多为压力容器，必须按照压力容器的标准进行计算和设计，对于钢制的换热器，我国一般按照GB150<<钢制压力容器>>标准进行设计，或者美国ASME标准进行设计。
对于其它一些受压元件，例如管板、折流板等，可以按照我国的GB151<<管壳式换热器>>或者美国TEMA标准进行设计。
对于其它材料的换热器，例如钛材、铜材等应按照相应的标准进行设计。
下面提供一氮气冷却器的受压元件强度计算，以供参考。
该换热器为U形管式换热器，壳体直径500mm，管程设计压力3.8MPa，壳程设计压力0.6MPa。
详细强度计算如下：1.壳程筒体强度计算2. 前端管箱筒体强度计算3. 前端管箱封头强度计算4. 后端壳程封头强度计算5.管板强度计算6. 管程设备法兰强度计算7. 接管开孔补强计算PP==== 0.88( c 型 ) ( d 型 )( b d 型 )( b c 型 )( c d 型 )( c 型）( d 型 )= 106.810.00436.430.80== 00.00= 00.00= 00.000.000.2696取、大值= 0= 0= 0= 0= 0= 0工况 =工况=3.21 ≤[q]pc= 80.556.0 (查GB150-98表9-3)158.489.44 1.60.009610.000000.2得= 0.981.590.000.00=205.5 或158.5777.96 = 137.054.14 = 137.0= 118.27 = 137.0。
gb1501-4-xxxx《压力容器》新旧.xls
150.1 1.3.3
150.1 1.4
150.1 1.4.1
压力容器 第1部分：通用要求（原标准名为“钢制压力 容器”） 范围 本标准适用的设计压力 本标准适用的设计压力不大于35MPa 其他金属材料制容器按相应引用标准确定 本标准适用的设计温度范围 设计温度范围：-269℃~900℃ 钢制容器不得超过按GB150.2中列入材料的允许使用温度 范围
对有均匀腐蚀或磨损的元件，应根据预期的容器设计使用
修订 150.1 4.3.6.2a
年限和介质对金属材料的腐蚀速率（及磨蚀速度）确定腐 3.5.5.2a
蚀裕量。
未变 150.1 4.3.6.2b
3.5.5.2b
未变 150.1 4.3.6.2c
3.5.5.2c
未变 150.1 4.3.7
(最小厚度）
3.5.1
3.5.1
第1、2、3章
压力容器的设计和制造必须接受劳动行 政部门安全监察机构的监察
设计单位应持有压力容器设计单位批准 书 制造单位应持有压力容器制造许可证
设计文件至少包括设计计算书和设计图 样。 盖有设计资格印章
制造单位必须按照设计图样要求进行制 造，如需要对原设计进行修改，应取得 原设计单位认可。
《固容规》管辖范围内压力容器的设计单位应持有相应的 特种设备设计许可证
3.2.1.1
修订 150.1 4.2.1.b
《固容规》管辖范围内压力容器的制造单位应持有相应的 特种设备制造许可证
3.2.1.1
修订 150.1 4.2.2
职责
3.2.2
新增 150.1 4.2.2.1
用户或设计委托方的职责 a)-g)
修订 150.1 1.5
GB150-2011压力容器计算示例
一、已知条件设计压力p Mpa 2计算压力pc Mpa 2设计温度t ℃-196
圆筒材料
S30408（板材）
材料设计温度下许用应力[σ]t Mpa 167材料试验温度下屈服强度Rel Mpa 250材料试验温度下许用应力[σ]Mpa 167内径Di
mm 1800材料厚度负偏差C1mm 0.3腐蚀裕量C2mm
0焊接接头系数φ1
二、参数计算计算厚度δmm 10.84
设计厚度δs mm δs=δ+C210.84名义厚度δn mm δn=δs+C111.1412
有效厚度δe
mm
δe=δn-C1-C2
11.7
设计温度下最大允许工作压力[pw]Mpa 2.157
三、试验压力及应力校核气压试验压力PT Mpa 2.31
可自己输
入气压试验下应力σT Mpa 178.8
校核应力Mpa
0.8 Relφ200应力校核结果
σT≤0.8 Relφ
合格
液压试验压力PT Mpa 2.5
液压压试验下应力σT Mpa 193.6
校核应力Mpa
0.9 Relφ225应力校核结果
σT≤0.9 Relφ
合格
c
t i
c p D p -=
φσδ][2e
i t e w D P δφ
σδ+=][2][t
T p p ][][)1.0(1.1σσ+=e
e i T T D p δδσ2)
(+=t
T p p ][]
[25.1σσ=e
e i T T D p δδσ2)(+=。
化工设计竞赛换热器E0201强度校核
1.979e+0 Mpa
5
mm/mm
1.139e-05 C
圆 壳程圆筒内径 Di
400
mm
壳 程 圆 筒 名义厚 度 s 壳 程 圆 筒 有效厚 度 se 筒 壳体法兰设计温度下弹性模量 Ef’ 壳程圆筒内直径横截面积 A=0.25 Di2 壳程圆筒金属横截面积 As=s ( Di+s ) 管 设计压力 pt 箱 设计温度 Tt 圆 材料名称 筒 设计温度下弹性模量 Eh 管箱圆筒名义厚度(管箱为高颈法兰取法兰颈部大小端平均值)h 管箱圆筒有效厚度he 管箱法兰设计温度下弹性模量 Et” 材料名称 换 管子平均温度 tt 设计温度下管子材料许用应力 []tt 设计温度下管子材料屈服应力st 热 设计温度下管子材料弹性模量 Ett 平均金属温度下管子材料弹性模量 Et
~
=1 1 p 4 Q G2
~
~
壳体法兰力矩系数 Mws Mm (Mf )M1
0.1657 0.194
0.0302 0.01642
1.553
0.503
0.1067 0.04651 计算值
许用值
0.06004
-0.00876 计算值
许用值
管板径向应力
r
~
r
Pa
Di
2
管板布管区周边处径向应力
i
材料名称 设计温度 tp
管
设计温度下许用应力
t r
设计温度下弹性模量 Ep 管板腐蚀裕量 C2 管板输入厚度n 管板计算厚度
隔板槽面积 (包括拉杆和假管区面积)Ad 板 管板强度削弱系数
管板刚度削弱系数
管子加强系数
K2
1.318
Di
E t na / E p L
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前端管箱封头(平盖)校核计算
后端管箱圆筒校核计算
后端管箱封头(平盖)校核计算
管箱法兰校核计算
开孔补强设计计算
管板校核计算
前端管箱封头计算
计算单位
上海XXXXXXXX公司
计算所依据的标准
GB 150.3-2011
计算条件
椭圆封头简图
计算压力Pc
1.00
MPa
设计温度t
70.00
C
外径Do
接管焊接接头系数
1
名称及类型
管材
接管腐蚀裕量
1
mm
补强圈材料名称
凸形封头开孔中心至
封头轴线的距离
mm
补强圈外径
mm
补强圈厚度
mm
接管厚度负偏差C1t
0.625
mm
补强圈厚度负偏差C1r
mm
接管材料许用应力[σ]t
148.88
MPa
补强圈许用应力[σ]t
MPa
开孔补强计算
非圆形开孔长直径
82.25
mm
结论
满足最小厚度要求
重量
8.16
Kg
压力计算
最大允许工作压力
[Pw]= =4.66810
MPa
结论
合格
后端管箱封头计算
计算单位
上海XXXXXXXX公司
计算所依据的标准
GB 150.3-2011
计算条件
椭圆封头简图
计算压力Pc
1.00
MPa
设计温度t
70.00
C
外径Do
325.00
mm
曲面深度ho
83.00
开孔长径与短径之比
1
壳体计算厚度δ
1.1346
mm
接管计算厚度δt
0.2662
mm
补强圈强度削弱系数frr
0
接管材料强度削弱系数fr
1
开孔补强计算直径d
82.25
mm
补强区有效宽度B
164.5
mm
接管有效外伸长度h1
20.279
mm
接管有效内伸长度h2
0
mm
开孔削弱所需的补强面积A
93
mm2
壳体多余金属面积A1
T0.90s=211.50
MPa
试验压力下封头的应力
T= =24.45
MPa
校核条件
TT
校406
计算厚度
h= = 1.47
mm
有效厚度
eh=n-C1- C2=6.70
mm
最小厚度
min=3.00
mm
名义厚度
nh=8.00
mm
结论
满足最小厚度要求
重量
8.16
458
mm2
接管多余金属面积A2
126
mm2
补强区内的焊缝面积A3
10
mm2
A1+A2+A3=594
mm2，大于A，不需另加补强。
补强圈面积A4
mm2
A-(A1+A2+A3)
mm2
结论:合格
开孔补强计算
计算单位
上海XXXXXXXX公司
接管:B1，B2,φ89×5
计算方法: GB150.3-2011等面积补强法，单孔
mm
材料
Q235-B (板材)
设计温度许用应力t
114.12
MPa
试验温度许用应力
116.00
MPa
钢板负偏差C1
0.30
mm
腐蚀裕量C2
1.00
mm
焊接接头系数
1.00
压力试验时应力校核
压力试验类型
液压试验
试验压力值
PT= 1.25Pc =1.0000(或由用户输入)
MPa
压力试验允许通过的应力t
MPa
t
144.20
MPa
校核条件
t≥t
结论
合格
开孔补强计算
计算单位
上海XXXXXXXX公司
接管:A1，A2,φ89×5
计算方法: GB150.3-2011等面积补强法，单孔
设计条件
简图
计算压力pc
1
MPa
设计温度
70
℃
壳体型式
椭圆形封头
壳体材料
名称及类型
Q235-B
板材
壳体开孔处焊接接头系数φ
1
壳体内直径Di
Kg
压力计算
最大允许工作压力
[Pw]= =4.66810
MPa
结论
合格
内压圆筒校核
计算单位
上海XXXXXXXX公司
计算所依据的标准
GB 150.3-2011
计算条件
筒体简图
计算压力Pc
4.00
MPa
设计温度t
120.00
C
外径Do
309.00
mm
材料
20(GB8163)(管材)
试验温度许用应力
152.00
325.00
mm
曲面深度ho
83.00
mm
材料
Q235-B (板材)
设计温度许用应力t
114.12
MPa
试验温度许用应力
116.00
MPa
钢板负偏差C1
0.30
mm
腐蚀裕量C2
1.00
mm
焊接接头系数
1.00
压力试验时应力校核
压力试验类型
液压试验
试验压力值
PT= 1.25Pc =1.0000(或由用户输入)
MPa
压力试验允许通过的应力t
T0.90s=211.50
MPa
试验压力下封头的应力
T= =24.45
MPa
校核条件
TT
校核结果
合格
厚度及重量计算
形状系数
K= =1.0406
计算厚度
h= = 1.47
mm
有效厚度
eh=n-C1- C2=6.70
mm
最小厚度
min=3.00
mm
名义厚度
nh=8.00
mm
设计条件
简图
计算压力pc
4
MPa
设计温度
120
℃
壳体型式
圆形筒体
壳体材料
名称及类型
20(GB8163)
管材
壳体开孔处焊接接头系数φ
309
mm
壳体开孔处名义厚度δn
8
mm
壳体厚度负偏差C1
0.3
mm
壳体腐蚀裕量C2
1
mm
壳体材料许用应力[σ]t
114.12
MPa
椭圆形封头长短轴之比
1.8614
凸形封头上接管轴线与封头轴线的夹角(°)
-0
接管实际外伸长度
65
mm
接管连接型式
插入式接管
接管实际内伸长度
0
mm
接管材料
20(GB8163)
液压试验
试验压力值
PT= 1.25P =5.0000(或由用户输入)
MPa
压力试验允许通过
的应力水平T
T0.90s=220.50
MPa
试验压力下
圆筒的应力
T= =130.69
MPa
校核条件
TT
校核结果
合格
压力及应力计算
最大允许工作压力
[Pw]= =5.51689
MPa
设计温度下计算应力
t= =104.55
批准
Approved by
日期
Date
固定管板换热器设计计算
计算单位
上海XXXXXXXX公司
设计计算条件
壳程
管程
设计压力
4
MPa
设计压力
1
MPa
设计温度
120
设计温度
70
壳程圆筒外径Do
325
mm
管箱圆筒外径Do
325
mm
材料名称
20(GB8163)
材料名称
20(GB8163)
简图
计算内容
壳程圆筒校核计算
DATA SHEET OF PROCESS EQUIPMENT DESIGN
工程名：
PROJECT
设备位号：
ITEM
设备名称：
EQUIPMENT
图号：
DWG NO.
设计单位：
DESIGNER
设计
Designed by
日期
Date
校核
Checked by
日期
Date
审核
Verified by
日期
Date
MPa
设计温度许用应力t
144.20
MPa
试验温度下屈服点s
245.00
MPa
钢板负偏差C1
1.20
mm
腐蚀裕量C2
1.00
mm
焊接接头系数
1.00
厚度及重量计算
计算厚度
= = 4.23
mm
有效厚度
e=n-C1- C2=5.80
mm
名义厚度
n=8.00
mm
重量
71.50
Kg
压力试验时应力校核
压力试验类型