(完整word版)固定管板式换热器课程设计

一 列管换热器工艺设计
1、根据已知条件，确定换热管数目和管程数： 选用.5225⨯φ的换热管 则换热管数目：5.737019
.014.35.2110
A 0≈⨯⨯==
d l n p π根 故738=n 根
管程数：对于固定板式换热器，可选单管程或双管程，为成本计，本设计采用单管程。

2、管子排列方式的选择
（1）采用正三角形排列
（2）选择强度焊接,由表1.1查的管心距t=25mm 。

（3）采用正三角形排列，当传热管数超过127根，即正六边形的个数a>6时，最外层六边形和壳体间的弓形部分空间较大，也应该配置传热管。

不同的a 值时，可排的管数目见表1.2。

具体排列方式如图1，管子总数为779根。

301
11 23 397 7 42 439
12 25 469 8 48 517
13 27 547 9 2 66 613
14 29 631 10 5 90 721
15 31 721 11 6 102 823
16 33 817 12 7 114 931
17 35 919 13 8 126 1045
18 37 1027 14 9 138 1165
19 39 1411 15 12 162 1303
20 41 1261 16 13 4 198 1459
21 43 1387 17 14 7 228 1616
22 45 1519 18 15 8 246 1765
23 47 1657 19 16 9 264 1921
图1.1折流板的管孔及换热管及拉杆分布
3、壳程选择
壳程的选择：简单起见，采用单壳程。

4、壳体内径的确定
换热器壳体内径与传热管数目、管心距和传热管的排列方式有关。

壳体的内径需要圆整成标准尺寸。

以400mm为基数，以100mm为进级档，必要时可以50mm为进级档。

对于单管程换热器，壳体内径公式0
b
t+
-
D d
=
~
)3
2(
)1
(
式中，t 为管心距，单位mm ；0d 为传热管外径，单位mm 。

对于正三角形排列 n b 1.1= 将779=n 代入，得到 7.30≈b 取31，
5.7975.2)1(D 0=+-=d b t
结合换热管的排布图稍加圆整可选定mm 800D =
二 列管换热器零部件的工艺机构设计
1、折流板的设计
（1）、折流板切口高度的确定 经验证明，20%的切口最为适宜： 因此可取mm D h 1608002.02.0=⨯== 切口高度h 确定后，还用考虑折流板制造中，可能产生的管控变形而影响换热管的穿入，故应将该尺寸调整到使被切除管孔保留到小于1/2孔位。

验证：08.11)23(=⨯÷t h 不合适，调整为mm h 165=
（2）、确定折流板间距 初步取mm 1605
D B ==
圆整取mm B 200=
板数结合后边甲醇蒸汽进口管的位置，数目取10块
（3）、折流板的排列方式
水平切口用得最普遍，这种排列可造成流体激烈扰动，增大传热系数，甲醇流体也是清洁的，因此本设计采用水平缺口排列方式。

（4）、折流板与壳体间隙的选择
折流板与壳体的间隙依据制造安装条件，在保证顺利的装入前提下，越小越好，以减小壳程中旁路损失。

折流板的最小外圆直径和下偏差见表2.1
根据上表可以选定折流板与壳体内径间的间隙为4.5mm 。

（5）、折流板厚度的确定
折流板厚度与壳体直径、换热管无支撑长度有关，其数值不得小于表2.2的规定。

选定折流板的厚度为5mm
(6)、折流板的管孔确定
根据表2.3可得，管孔的直径为8.19φ，允许直径偏差为3.00
+
2、拉杆、定距管
（1）、拉杆的结构形式的确定
采用拉杆定距管的结构，拉杆一端用螺纹拧入管板，每两块折流板之间的间距用定距管固定，每根拉杆上最后一块折流板与拉杆用两个螺母锁紧固定。

（2）、拉杆直径和数量 按表2.4和表2.5选取。

在保证大于或等于表六所给定的拉杆总截面积的前提下，拉杆的直径和数量可以变动，但其直径不的小于10mm ，数量不少于4根。

表2.4
拉杆直径/mm
表2.5拉杆数量
16 4 4
6 6 8 10 12
根据上表可选定拉杆的直径为12mm ，数目为8根。

（3）、拉杆尺寸
按表2.6和图2.1确定拉杆的尺寸。

拉杆的长度L 按需要确定。

表2.6拉杆尺寸/mm
拉杆直径d 拉杆螺纹公称直径n d
a L
b L 管板上拉杆孔
深d L 10 10 13 40≥
16 12 12 15 50≥
18 16
16
20 60≥
20
图2.1拉杆尺寸
（4）、拉杆的布置
拉杆应尽量均匀布置在管束的外边缘。

拉杆位置占据换热管的位置，对于大直径换热器，在布管区的中心部位或靠近折流板缺口处也应该布置适当数目的拉杆。

拉杆的布置图见图1。

3、防冲板
本可成设计的管称流体为甲醇蒸汽，其)./(223022s m kg <ρυ
故，不需防冲板 4、接管
（1）、接管的公称直径
符号 公称尺寸，mm 用途 a 200 冷却水进口 b 200 甲醇蒸汽进口
（2）、接管的壁厚确定
由公称直径可以查得相应的接管规格。

选得 对于DN200选取7219⨯φmm 接管 对于DN80选取489⨯φmm 接管 对于DN20选取225⨯φmm 接管
(3)、接管高度的确定
接管伸出壳体外壁的长度，主要考虑法兰形式，焊接操作条件，螺栓拆卸，有无保温层级保温层厚度等因素决定。

一般最短应符合下式计算值：
)(151mm h h l +++≥δ
式中h 为接管法兰厚度，1h 为接管法兰的螺母厚度，δ
为保温层厚度，l 为接管安装高度。

常见接管高度为150mm,200mm,250mm,300mm 。

选定的接管高度见表2.8
表2.8接管高度
5、固定管板结构尺寸 （1）、管板结构、尺寸的确定
固定管板选用笃定管板兼作法兰的形式，由确定的壳体内径，再依据确定的设计压力来选择法兰（甲型平焊法兰、乙型平焊法兰、长颈对焊法兰），然后根据法兰的相应结构尺寸确定管板的最大外径、密封面位置、宽度、螺栓直径、位置、个数等，也可直接查课程设计指导书P109表4-14固定板式换热器管板尺寸得到有关尺寸。

初步选定的尺寸如表2.9,具体的尺寸、结构参照管板零件图
（2）、管板孔直径和允许偏差
三 列管式换热器机械结构设计
1、传热管与管板的连接 选用强度焊接连接。

制造加工方便，保证换热管与管板连接的密封性和抗拉脱强度的焊接，目前采用较广泛。

表3.1强度焊接结构尺寸/mm
换热管规格 5.110⨯ 214⨯
219⨯ 5.225⨯ 332⨯ 338⨯ 345⨯ 5.357⨯ 伸出长度l 5.05.0+ 5.01+
5.05.1+ 5.05.2+ 5.03+
2、管板与壳体及管箱的连接
图3-1管板与壳体及管箱的连接
3、管箱
（1）、管箱的结构形式
采用B 型（封头管箱）如图3-2所示，这种官箱用于单程或多程管箱，优点是结构简单，便于制造。

图3-2B 型管箱
（2）、管箱的结构尺寸确定 最小长度的确定：（具体结构尺寸参见管箱图纸） 这里仅按相邻焊缝间的距离计算 432min L L L L g ++≥ 式中C 2B L 2+≥（当接管无补强圈是，C 2d L 12+≥）（mm ）
)(L 124mm S h h P ++= S 4C ≥,且）
（mm 50≥ 符号说明：
C ：接管补强圈外边缘至设备法兰或管箱壳体连接焊缝间的距离，mm
1d ；接管内径，mm B ：接管补强圈外径，mm
1h ：封头内曲面高度，mm 2h ：封头直边高度，mm
2L ：接管位置尺寸，mm 3L ：接管至壳体与封头连接焊缝间距离，mm 4L ：封头高度，mm min g L ：管箱最小长度，mm S ：管箱壳体厚度，mm P S ：封头厚度，mm
4 列管式换热器其他结构设计
1、法兰选用
（1）、设备法兰
设备法兰分别有甲型平焊法兰、乙型平焊法兰、长颈对焊法兰。

对于的法兰标准分别为JB4701、JB4702、JB4703。

由于设计压力较低，可选用甲型平焊法兰。

选用其中的凹凸面密封形式的法兰。

（具体的结构参数参见图纸）
图4-1凹凸密封面
表4-1甲型平焊法兰的结构参数（摘自JB4701-2000）
（2）、接管法兰的选用
采用板式平焊钢制管法兰，尺寸见表4-2
表4-2板式平焊钢制管法兰（摘自HG/T 20593-97）/mm
公称直径DN
管子直径
1
A
连接尺寸法兰
厚度
C 法兰外
径D
螺栓中心
圆直径K
螺栓
孔直
径L
螺栓
孔数
量n
螺纹
h
T
A B
PN0.6MPa
20 26.9 25 90 65 11 4 M10 14 80 88.9 89 190 150 18 4 M16 18 200 219.1 219 320 280 18 8 M16 22 2、垫片的选用
常用的垫片有非金属软垫片、缠绕垫片、金属包垫片。

对的标准分别为
JB4704、JB4705、JB4706。

采用非金属软垫片结构和尺寸分别见图4-2和表4-3。

图4-2非金属软垫片
表4-3非金属软垫片结构尺寸（摘自JB4704-2000）
3、支座
此换热器为卧式换热器，因此采用卧式支座，可采用鞍式支座，其标准号为JB/4712。

鞍式支座的选取主要是根据壳体的公称直径选取的。

本换热器的公称直径为DN800mm。

根据标准选取DN500-900,120度包角重型带垫板的鞍式支座，
具体的结构和参数见图4-3和表4-4。

（具体结构参见图纸）
图4-3鞍式支座的结构形式
表4-4鞍式支座的结构参数（摘自JB/T4712-92）
5 强度计算
1、筒体壁厚计算
由工艺设计给定设计温度70C ︒为设计压力MPa 05.0P c =选低合金结构钢板16MnR 卷制，材料70C ︒时的许用应力MPa t 170][=σ，取焊缝系数1=φ，腐蚀裕量mm 1C 2=，则
计算厚度 mm p D p c t i c 12.005.011701800
05.0][2S =-⨯⨯⨯=-=
φσ 对于低合金钢，为满足运输刚度要求取S=3mm
设计厚度 mm d 4C S S 2=+=
名义厚度 mm n 575.025.04C S S 1d =++=++=圆整 有效厚度 mm C C S d e 75.3125.05S 21=--=--= 水压试验压力 0.0625MPa 1.25p p c T ==
所选材料的屈服应力 MPa s 345=σ
水压试验应力校核 MPa S S D p e e i T T 698.675.32)
75.3800(0625.02)(=⨯+=+=σ
MPa 5.31013459.09.0s =⨯⨯=φσ 所以φσσs T 9.0<，水压试验满足强度要求。

气密试验压力MPa p p c T 0575.015.1==
2、管箱短节和封头厚度计算
由工艺设计给定设计温度40C ︒为设计压力MPa 45.0P c =选低合金结构钢板16MnR 卷制，材料70C ︒时的许用应力MPa t 170][=σ，取焊缝系数85.0=φ，腐蚀裕量mm 1C 2= （1）、管箱短节厚度计算
计算厚度 mm p D p c t i c 25.145.085.01701800
45.0][2S =-⨯⨯⨯=-=
φσ 对于低合金钢，为满足运输刚度要求取S=3mm
设计厚度 mm d 4C S S 2=+=
名义厚度 mm n 575.025.04C S S 1d =++=++=圆整 有效厚度 mm C C S d e 75.3125.05S 21=--=--= 水压试验压力 0.5625MPa 1.25p p c T ==
所选材料的屈服应力 MPa s 345=σ
水压试验应力校核 MPa S S D p e e i T T 281.6075.32)
75.3800(5625.02)(=⨯+=+=
σ MPa 5.31013459.09.0s =⨯⨯=φσ
所以φσσs T 9.0<，水压试验满足强度要求。

气密试验压力MPa p p c T 517.015.1==
（2）、封头的厚度计算 封头采用标准封头
封头厚度mm p D p c t i c 25.145.05.085.01701800
45.05.0][2S ≈⨯-⨯⨯⨯=-=
φσ 对于低合金钢，为满足运输刚度要求取S=3mm
设计厚度 mm d 4C S S 2=+=
名义厚度 mm n 575.025.04C S S 1d =++=++=圆整 有效厚度 mm C C S d e 75.3125.05S 21=--=--=
3、管箱开孔补强的校核
由工艺给定的接管尺寸为DN800，采用7219⨯φ的接管，选20号热轧碳素钢管MPa t 130][=σ ，mm 1C 2=。

接管计算壁厚 mm p D p c
t i c 38.045
.011301800
45.0][2S t =+⨯⨯⨯=
+=
φσ
接管有效壁厚
mm C C s nt et 95.415.0717s 21=⨯--=--=
开孔直径 mm C di d 1.20905.22722192=⨯+⨯-=== 接管有效补强宽度 mm d B 2.4181.20922=⨯== 接管外侧有效补强高度 mm ds h nt 3.3871.2091=⨯== 需要补强面积 24.26125.11.209mm dS A =⨯== 可以作为补强面积为
21575)25.14)(1.2092.418())((mm S S d B A e =--=--= ()211.350138.095.43.382)(22mm f St Set h A r =⨯-⨯=-=
A A A >=+1.92521 因此该接管不需补强
同理可以得到壳体上的DN200、DN80、DN20的接管均不需补强 4、固定管板计算
固定管板厚度设计采用BS 法
由前面管板的设计，初步选定管板厚度为b=32mm 总换热管数量n=439
一根管壁金属的横截面积为
2222026.176)2025(4)(4mm d d a i
=-=-=
π
π
开孔强度削弱系数。