换热设备的设计

第六章换热设备的设计

6.1 换热设备的分类和总体结构

6.1.1 换热设备的分类

按照传热方式的不同，换热设备可分为三类：

1.混合式换热器——利用冷、热流体直接接触与混合的作用进行热量的交换。这类换热器的结构简单、价格便宜，常做成塔状。

2.蓄热式换热器——在这类换热器中，热量传递是通过格子砖或填料等蓄热体来完成的。首先让热流体通过，把热量蓄在蓄热体中，然后再让冷流体通过，把热量带走。由于两种流体交变转换输入，因此不可避免地存在着一小部分流体相互掺和的现象，造成流体的“污染”。这类换热器的结构紧凑，价格便宜、单位体积传热面大，故较适合于气—气热交换的场合。

3.间壁式换热器——是工业中最为广泛应用的一类换热器。冷—热流体被一固体壁面隔开，通过壁面进行传热。按照传热面的形状与结构特点它又可分为：

（1）管式换热器——如套管式、螺旋管式、管壳式、热管式等。

（2）板面式换热器——如板式、螺旋板式、板壳式等。

（3）扩展表面式换热器——如板翅式、管翅式、强化的传热管等。

其中以管式换热器应用作为广泛，其特点见表6-1所示。

表6-1 管壳式换热器的主要类型及特点

6.1.2 管壳式换热器的总体结构

管壳式换热器的总体结构均包括：管箱、管板、壳体、折流板或支承板、定距管、拉杆、分程隔板、接管、支座等。如图6-1所示。

图6-1 常见管壳式换热器结构

1—平盖；2—平盖管箱（部件）；3—接管法兰；4—管箱法兰；5—固定管板；6—壳体法兰；7—防冲板；

8—仪表接口；9—补强圈；10—壳体（部件）；11—折流板；12—旁路挡板；13—拉杆；14—定距管；

15—支持板；16—双头螺柱；17—螺母；18—外头盖垫片；19—外头盖侧法兰；20—外头盖法兰；

21—吊耳；22—放气口；23—椭圆形封头；24—浮头法兰；25—浮头垫片；26—无折边球形封头；

27—浮头管板；28—浮头盖（部件）；29—外盖头（部件）；30—排液口；31—钩圈；32—接管；

33—活动鞍座；34—换热管；35—假管；36—管束（部件）；37—固定鞍座；38—滑道；39—管箱垫片；

40—管箱短节；41—封头管箱；42—分程隔板；43—悬挂式支座；44—膨胀节（部件）；45—中间挡板；

46—U形换热器；47—内导流筒；48—纵向隔板；49—填料；50—填料函；51—填料压盖；

52—浮动管板；53—部分剪切环；54—活套法兰。

6.2管壳式换热设备设计的内容和步骤

6.2.1 管壳式换热设备设计的内容

管壳式换热设备设计的内容包括工艺设计和机械设计两方面。本课程设计是把工艺参数、

尺寸作为已知条件，在满足工艺条件的前提下，对换热设备进行强度、刚度及稳定性计算，并从制造、安装、检修、使用等方面出发进行结构设计。

换热设备设计任务书内容和格式按表6-2所示。

6.2.2 管壳式换热设备设计的步骤

在阅读了设计任务书后，按以下步骤进行换热设备的机械设计。

○1了解设计条件；

○2选材；

○3按设计压力计算壳体和管箱壁厚；

○4管子与管板连接结构设计；

○5壳体与管板连接结构设计；

○6管板厚度计算；

○7折流板、支持板等零部件的结构设计；

○8换热管与壳体在温差和流体压力联合作用下的应力计算；

○9管子拉脱离和稳定性校核；

○10判断是否需要膨胀节，如需要，则选择膨胀节结构型式并进行有关的计算；

○11接管、接管法兰、支座等的选择及开孔补强设计等。

表6-2 换热设备设计任务书

比例

条件内容修改设计参数及要求

修改标记修改内容签字日期壳程管程

工作压力，MPa 1.43 1.53

设计压力，MPa 1.57 1.68

工作温度，℃310 420

设计温度，℃310 420 单位名称介质碱洗气变换气工程名称推荐材料16MnR 20钢设计项目管/壳程数 1 1 条件编号传热面积，m2 70

设备图号公称直径，mm 800

位号/台数传热管直径，mm 38

提出人日期传热管长度，m 3

备注传热管根数，根205

腐蚀情况微弱

设计寿命

接管表

符号公称尺寸DN 连接面形式用途

a 400 凹面变换气

b 250 凹面碱洗气

c 250 凹面碱洗气

d 400 凹面变换气

e 1/2”螺纹排水口

表6-3 换热设备设计任务书

简图与说明

设计参数及要求

壳程管程工作压力，MPa 1.43 1.53

设计压力，MPa 1.57 1.68

工作温度，℃310 420

设计温度，℃310 420 介质碱洗气变换气管/壳程数 1 1 传热面积，m2 70

公称直径，mm 800

传热管直径，mm 38

传热管长度，m 3

传热管根数，根205

腐蚀情况微弱

设计寿命

接管表

符号公称尺寸DN 连接面形式用途

a 400 凹面变换气

b 250 凹面碱洗气

c 250 凹面碱洗气

d 400 凹面变换气

e 1/2”螺纹排水口

6.3 换热设备的设计示例

6.3.1 管壳式换热器

某合成氨厂变换工段中变换热器，系卧式固定管板式的管壳式换热器，如图6-2所示，其壳程圆筒内径为800mm 。换热管规格为φ38×3的无缝钢管，共205根，管长3m 。工作条件：壳程介质为碱洗液（脱碳后的氮氢混合气），压力为1.43Mpa ，最高温度为310℃；管程介质为变换气（含有二氧化碳的氮氢混合气），压力为1.53Mpa ，最高温度为420℃。有工艺计算得沿长度平均的壳程圆筒金属温度为274℃，换热管金属温度为350℃。试对该换热器进行材料选择、结构设计及强度计算。

结构草图如图6-2所示，下面分别进行壳程圆筒、管箱封头及圆筒、法兰、管板，以及U 形膨胀节设计及计算。

图6-2 卧式带膨胀节的固定管板换热器

1—变换气入口接管；2—锥形封头；3—设备法兰；4—管板；5—碱洗气出口接管；

6—补强圈；7—筒体；8—膨胀节；9—换热管；10—定距管；11—折流板；

12—碱洗气入口接管； 13—变换器出口接管；14—鞍式支座。

6.3.1.1 壳程圆筒

根据工作条件选择壳程圆筒的材料为16MnR 钢板。在常温时许用应力为170Mpa ，在设计温度310℃时的许用应力为142MPa ，屈服限为227Mpa 。

按GB150-98式（6-1）壳程圆筒计算厚度 []c i t

c

p D 2P δσφ=

- （6-1）

式中 计算压力c P 1.1 1.43 1.57MPa =⨯=； 内直径i D 800mm =

材料许用应力[]t

142MPa σ=

焊缝系数φ=0.85（采用双面焊、局部无损探伤）以上数值代入式（6-1）得

1.57800

5.24mm 21420.85 1.57

δ⨯=

=⨯⨯-