《过程设备设计》课程设计指导书

目录1 概论 (1)1.1 过程设备设计课程设计的目的和内容 (1)1.2 过程设备设计课程设计的步骤 (1)2 管壳式换热器的机械设计 (2)2.1 概述 (2)2.2 管壳式换热器结构设计及材料选用 (4)2.3 管壳式换热器的受力分析和强度计算 (10)2.4 管壳式换热器标准及基本参数 (12)2.5 管壳式换热器的机械设计举例 (13)参考资料 (15)1 概论1.1 过程设备设计课程设计的目的和内容过程设备设计课程设计是具体应用巩固本课程及有关先修课的理论知识和生产知识，熟悉和了解过程设备设计一般方法和步骤，培养学生工程设计能力、分析和解决实际问题能力的一个重要教学环节。

在课程设计中要求学生注意培养积极思考、深入钻研的学习精神，认真负责、踏实细致的工作作风和保质保量按时完成任务的习惯。

(1)综合运用装控专业基础课及先修课程所学到的知识，理论联系实际，进而得到巩固、加深和发展，提高分析实际问题和解决实际问题的能力。

(2)培养学生工程设计能力，通过全面考虑设计内容及过程参与，使学生初步掌握过程设备设计的一般方法和步骤，为今后的工作实践打下基础。

(3)使学生能够熟悉和运用设计资料，如有关国家或行业标准、手册、图册、规范等，完成作为工程技术人员在设计技能方面的基本训练和独立工作能力培养。

过程设备设计包括工艺设计和机械设计两部分。

工艺设计是根据生产任务提供的工艺条件（包括工作压力、温度、产量、物料性能等），确定设备的结构形式、接管方位以及设备的主要尺寸等。

机械设计是在工艺设计的基础上进行强度、刚度和稳定性设计或校核计算，对设备的内容、外附件进行选型和结构设计计算，最后绘制设备的装配图和零部件施工图。

本课程设计，要求在规定的时间内每人完成一种典型设备的机械设计，完成设备总装配图一张（1号图纸）、零部件图一张（由教师根据情况安排指定）、设计计算说明书一份。

1.2 过程设备设计课程设计的步骤(1)准备阶段在准备阶段应认真结合设计任务、要求和内容，熟悉了解有关典型设备的结构、现场参观或读懂几张典型设备图；准备好设计资料、手册和绘图用具。

(2)设计阶段设计阶段包括选材、零部件设计计算和选用、绘制图样及编制设计计算说明书等，具体可按下面步骤进行：1）通常先按压力因素来选材当温度高于200℃或低于—40℃时，温度就是选材的重要因素；当物料具有腐蚀或对污染有特定要求时，还需考虑腐蚀因素。

2）载荷计算强度，有时还要考虑刚度、稳定性计算或校核，以确定合理的结构尺寸。

3）设计及绘制装配图装配图是表达设备总体结构关系的图样，也是制造、装配设备及拆绘零部件图的依据。

应注意综合考虑，以满足使用寿命、经济合理等要求，并作适当调整后，使零件配置合理，以期得到工作性能好、便于制造、成本低廉的设备。

为此，必须先作装配草图设计，包括计算、结构设计、布图、制图等，计算与制图常需交叉进行。

4）提出技术要求对设备制造、装配、检验和试车等工序提出合理的要求，以文字形式标注在装配图上。

5）编制设计计算说明书计算说明书主要在于说明计算的正确性，因此只须写出计算公式，代入有关数据，直接写出最后结果和结论(不必写出全部运算和修改过程)；并列出参考资料及文献，重要数据均应注明出处，对关键零部件的选用依据作必要的说明(注明参考资料的统一编排代号及页数、图号、公式等)，有时还需附有与计算有关的必要简图，(如受力分析、弯矩、扭矩及结构图)。

本课程设计要求编写20页左右的计算说明书一份，其内容一般可由如下组成：目录、设计任务书、方案拟定说明、设计参数计算、零部件设计计算、零部件选用说明，此外作为课程设计，还可附设计小结(简要说明作课程设计的体会、设计中的优缺点及改进意见等)。

(3)考核或答辩阶段课程设计的图样及说明书全部完成后须经指导教师审阅，得到认可后，方能参加考核或答辩。

课程设计的成绩要根据图样、说明书和考核答辩所反映出的设计质量和能力，以及设计过程中的学习态度综合评定。

2 管壳式换热器的机械设计2.1 概述换热器是进行热交换操作的通用工艺设备，被广泛应用于各个工业部门。

由于使用条件不同，它们可以有各种各样的型式和结构，但设计或选型时应满足的基本要求是相同的，即传热效率高，流体阻力小，强度刚度足够，结构性能可靠，材料及制造费用低，安装和检修方便等。

在诸多形式的换热器中，工业中最常用的是管壳式换热器。

管壳式换热器虽然在传热效率、紧凑性及金属消耗量等方面不及其他新型高效换热器，但它具有处理量大，适应性强，操作弹性大，易于制造，结构可靠，材料范围广，生产成本低等特点，特别是它能在高温高压条件下应用。

2.1.1 管壳式换热器的结构型式及特点管壳式热换器（又称列管式换热器）可卧置也可立置，按管板和壳体及其配合部分的形式主要有以下几种形式。

固定管板式换热器，其结构比较简单，紧凑，排管最多，造价较低；每根管都能单独清洗和更换；管程可以分成任何程数；两管板由管子互相支撑，因而在各种管壳式换热器中其管板最薄。

其缺点是管外清洗困难，管壳间有温差应力存在；当两种介质温差较大时，必须设置膨胀节。

固定管板式换热器适用于壳程介质清洁，不易结垢，管程需清洗以及温差不大或温差虽大但是壳程压力不高的场合。

浮头式换热器，其一端管板是固定的，另一端管板可在壳体内移动，因而管与壳间不产生温差应力；管束可以抽出，便于清洗。

但这类换热器结构较复杂，金属消耗量较大，造价高；浮头处如发生内漏时不便检查；管束与壳体间隙较大，影响传热。

浮头式换热器适用于管与壳间温差较大，以及介质易结垢的场合。

釜式重沸器：其特点是作为废热锅炉是最简单的结构；管束能够做成固定管板型，U型管型和浮头型。

釜式重沸器对于不洁净的介质和压力高的情况均能适用。

U型管式换热器，它只有一个管板，管程至少为两程，管束可以抽出清洗，管子可以自由膨胀。

其缺点是管内不便清洗，管板上布管少，结构不紧凑，管外介质易短路，影响传热效果，内层管子损坏后不易更换。

U型管式换热器适用于管、壳壁温差较大的场合，尤其是管内介质清洁不易结垢的高温、高压、腐蚀性较强的场合。

填料函式换热器，其管束一端可以自由膨胀，造价也比浮头式低，检修、清洗容易，填料函处泄漏能及时发现。

但壳程介质有外漏的可能，壳程中不易处理易挥发、易燃、易爆，有毒的介质。

2.1.2 管壳式换热器机械设计的内容和步骤管壳式换热器的机械设计是在工艺计算的基础上进行的。

根据化工生产工艺条件的要求，通过化工工艺计算，确定换热器的传热面积，同时选择管径、管长、决定管数、管程数和壳程数，然后进行机械设计。

管壳式换热器机械设计犬体按以下内容和步骤进行。

(1)根据使用、制造、安装和维修的要求，进行总体结构型式和各部分零部件结构设计和选用。

(2)根据制造和使用的要求，经济合理地选用零部件的材料。

(3)根据强度、刚度和稳定性的要求，计算确定各零部件的尺寸。

换热器强度计算除按受压容器对壳体、封头、法兰等进行计算选择外，尚有其特有的强度计算，包括管板强度计算，简体轴向应力校核，温差应力计算和管子拉脱力校核等，当采用膨胀节时，还需进行膨胀节的强度计算。

(4)绘出总装配图与零部件图。

标准零部件有标准图纸的要查出标准施工图号，不必另绘。

(5)提出制造、装配、检验等方面的要求。

应用标准技术条件的可标注文件号。

(6)提供设计计算说明书。

2.2 管壳式换热器结构设计及材料选用2.2.1 管子选用及其与管板的连接(1)换热管首先应根据流体的腐蚀性、操作温度和压力选择合适的材料。

常用的材料有10号钢无缝管、18—8不锈钢、铝、铜及非金属管等。

换热管的长度推荐采用：1.0, 1.5, 2.0, 2.5, 3.0, 4.5, 6.0, 7.5, 9.0, 12.0m。

换热器的换热管长度与公称直径之比，常用的范围是3—10，立式换热器，其比值多为4—6。

换热管的规格和尺寸偏差按GB8163—87《输送流体用无缝钢管》和GB2270—80《不锈钢无缝钢管》的规定，常用规格见表2-1。

表2-1 常用换热器的规格和尺寸偏差(2)管子的排列常用的排列有三角形、正方形、组合排列法等。

其中以等边三角形排列法用得最普遍，在相同的管板面积上可以排列的管数最多，且划线、钻孔方便，但管外清洗较困难。

而正方形排列的优点是管外机械清洗方便。

在多程换热器各程内采用三角形排列，而在各层间采用正方形排列，这就是所谓的组合排列。

管间距过小，将给制造带来麻烦。

对应于不同管径的最小管间距可由表2-2查得。

表2-2 管板孔、折流板孔及最小管间距（mm）对于多程管壳式换热器，管程分程隔板两侧第一排管子中心距可根据表2-3查取。

表2-3 分程隔板槽两侧管子之间的距离（mm）无论何种排列，最外圈管子的管外壁与壳体内壁的间距不得小于10mm。

当管子总数超过127根（相当于层数大于6）时，等边三角形排列的最外层管子和壳体之间的弓形部分应配置附加换热管，从而增大传热面积，消除管外空间这部分不利于传热的地方。

表2-4 按正三角形排列(3)管子与管板的连接换热管与管板的连接方法有三种：胀接，焊接，胀焊结合。

连接处必须保证充分的密封性能和足够的紧固强度。

各种连接方法的结构和使用范围见GB151—1999。

(4)管板与壳体的连接管壳式换热器管板与壳体的连接结构与其形式有关，可分为可拆式和不可拆式两大类，固定管板式的管板和壳体间采用不可拆的焊接连接，而浮头式、U形管式和填函式换热器的管板与壳体间需采用可拆连接。

(5)法兰管壳式换热器的容器法兰密封面型式有平面、凹凸面、榫槽面。

管法兰的密封面形式则根据工艺要求来确定。

2.2.2 管壳式换热器其它零部件的结构以常用的固定管板式换热器为例，除筒体、封头、支座、管板、管束以外，还有管箱、壳程接管、折流板、旁路挡板、隔板等零部件，现分别简述如下：(1)管箱分程隔板与壳程接管管箱位于管壳式换热器的两端，它的作用是把从管道送来的流体均匀分布到各传热管或把管内流体汇集一起送出去。

其结构主要以换热器是否需要清洗或管束是否需要分程等因素来决定。

当换热器所需的换热面较大，而管子又不能做得太长，又希望保证管内流体有一定的流速，以提高传热效果时，可以将管束分程，在管箱内布置分程隔板就可以达到这个目的。

分程隔板的布置方法常用的有平行布置法和T字形布置法，各程的管数应基本相同。

平行布置法可避免具有最大温差的两程管子紧邻，改善管板的受力情况，同时便于排尽残液，T字布置法则可在管板上排列较多的管子，提供较大的传热面。

表2-5 分程隔板最小厚度（mm）壳程接管的结构设计直接影响换热器的传热效率与使用寿命。

当蒸汽或高速流体进入壳程时，入口处的管子将受到很大的冲击。

为了保护管束，常在入口处设立挡板，通常采用方形挡板和圆形挡板或采用导流筒。