固定管板换热器设计

膨胀节的型式较多，通常有波形膨胀节、平板膨胀节、 形膨胀节等。而在生产实践中，应用最多的，最普遍的是波形膨胀节。
根据GB151-1999附录F的计算方法进行换热管壁温的计算，从设备的具体操作情况，可以假定K、 、q和a保持不变，进行简化计算：
热流体的平均温度 为：
冷流体的平均温度 为：
则： 即换热管壁温为50 。
根据《换热器设计手册》查表1-6-37与表1-6-38得：拉杆的直径为12mm，拉杆的数量为10根。
拉杆应尽量均匀布置在管束的外边缘，对大直径的换热器，在布管区或靠近折流板缺口处应布置适当数量的拉杆，任何折流板应不少于3个支承点。
根据折流板的间距为300mm,初步确定折流板的块数为29个，可计算出拉杆长度为8400mm。
(1)接管法兰的公称直径DN=150mm。
(2)根据介质特性，设计温度t=150℃和接管材料，选定接管法兰材料为Q235-A。
(3)根据管法兰的材质和温度t=150℃，按照设计压力不得高于对应工作温度下无冲击工作压力的原则，根据《化工设备机械基础》查表10-29（D）最高无冲击工作压力得：管法兰的公称压力为2.5MPa。
(2)壳程接管的选择与计算：
Shcx=1000x =1000x =7.53
根据《过程装备成套技术设计指南》表9-8应选用Shc.10系列，公称直径DN100,外径为114.3mm，壁厚为4.5 mm的管子。根据《换热器设计手册》表1-6-6查得管子的外伸长度为150mm。
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管程接管法兰的选择与计算：
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6
根据《化工单元过程及设备课程设计》表4-1查得1200≥DN＞600时，隔板最小厚度为10mm。材料为Q235-B。根据GB151-1999中5.6.6.2确定分程隔板槽深5mm，宽12mm。拐角处倒成圆角4mm×45°。
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固定管板式换热器在换热过程中，管束与壳体有一定的温差存在，而管板、管束与壳体是刚性连接在一起，当温差达到某一个温度直时，由于过大的温差应力往往会引起壳体的破坏和管束的弯曲，需设置补偿装置，如膨胀节。膨胀节是安装在固定管板式换热器上的挠性构件，对管束与壳体间的变形差进行补偿，以此来消除壳体与管束间因温差而引起的温差应力。
(4)根据PN=2.5MPa和DN=150mm查《化工设备》表4-6确定法兰类型为板式平焊法兰；查表4-14确定垫片为石棉橡胶板垫片，由表4-15和表4-16，螺栓为A2-50六角螺栓、螺母为I型六角螺母。
(5)PN=2.5MPa和DN=150mm,查标准HG20593-1997,确定法兰的结构尺寸。查压力容器设计手册表3-2-5得：DN=150mm接管外径A=159mm法兰外径D=285mm螺孔中心圆直径K=240mm螺孔直径L=22mm螺孔数量n=8螺纹Th=M20mm法兰内径B=161mm法兰厚度C=24mm法兰质量7.61Kg。管法兰标记：HG20593-1997法兰PL150-2.5RF Q235-A
根据《换热器设计手册》查表1-6-36得拉杆的连接尺寸按下表确定，定距管长度按需要而定。
拉杆的连接尺寸
拉杆直径d
拉杆螺纹公称直径dn
La
Lb
b
12
12
15
≥50
2.0
14
卧式换热器选用鞍式支座（JB/T4712-1992）按照壳体公称直径DN=1000选用重型带加强垫板的鞍座一对（其中F型和S型各一个），支座高度H=200mm，标记为：
1.
(1)选择钢材：壳程介质为煤油，煤油为易燃易爆液体，危害毒性为轻度（IV级），根据SH3075-1995《石油化工钢制压力容器材料选用标准》中表4.1.1选Q235-B钢材作为壳体材料。
(2)确定各设计参数：根据GB151-1999《管壳式换热器》3.12.1的规定选取设计温度t=110℃；查GB150.2-2011《压力容器》第二部分材料表D.1并进行差值计算得Q235-B的许用应力「 」t=112MP；按表2-10，面对接焊采用双面局部无损探伤，焊接接头系数=0.85；,根据GB151-1999《管壳式换热器》查钢板厚度负偏差 =0.8㎜（假设其钢板名义厚度为8～25㎜），腐蚀裕量 =2㎜，厚度附加量C= + =2.6㎜；取Pc =1.1Pw, Pw=0.1P,可得：Pc =1.1×0.1=0.11MPa
壳程接管法兰的选择与计算：
(1)接管法兰的公称直径DN=200mm。
(2)根据介质特性，设计温度t=150℃和接管材料，选定接管法兰材料为Q235-A。
(3)根据管法兰的材质和t=150℃，按照设计压力不得高于对应工作温度下无冲击工作压力的原则，根据《化工设备机械基础》查表10-29（D）最高无冲击工作压力得：管法兰的公称压力为2.5MPa。
圆筒壁温 的计算：应外部有良好的保温，故壳体壁温可取壳层流体的平均温度：
管壳层温差：
由于管束与壳体温差小于50℃，所以不需要设置膨胀节。
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在壳程管束中，一般都装有横向折流板，用以引导流体横向流过管束，增加流体速度，以增强传热；同时起支撑管束、防止管束振动和管子弯曲的作用。折流板的型式有圆缺型、环盘型和孔流型等。
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开孔补强的有关计算参数如下：
（1）计算开孔所需补强的面积A
式中：A由于开孔所削弱的金属截面积， 。
d开孔直径，圆形孔，d= +2C=200+2x（0.1x5+2）=205， 为管内径mm。
圆筒或球壳开孔处的计算厚度，mm。 接管有效厚度，mm。
强度削弱系数，等于设计温度下接管材料与壳体材料许用应力之比，当 时，取 =1.0。 = ＞1，故取1.0。
JB/T4712-1992鞍座BⅠ450-F
JB/T4712-1992鞍座BⅡ450-S
壳体总重包括筒体内的料重、水压试验的水重、筒体、封头、换热管重量和附件的重量。
(4)由于0.4MP >0.11MP即法兰最大允许工作压力大于设计压力，所以选择公称直径DN=1000mm，公称压力PN=0.6MP,材料为Q235-B的甲型平焊法兰。
(5)由于工作介质为煤油，根据《过程设备设计》表4-11选择突面密封面，确定垫片为耐油橡胶石棉板。根据NB/T 47020-2012《压力容器法兰分类与技术条件》表2选取螺栓材料为20号钢,螺柱材料为35号钢。
折流板圆缺面水平装配，见图
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(1)管程接管的选择与计算：
Shcx=1000x =1000x =7.53
所以根据《过程装备成套技术设计指南》表9-8应选用Shc.10系列的管子，其设计压力为0.11MPa,材料为20号钢，其公称直径DN150,查表得外径为168.3mm，壁厚为5mm。根据《换热器设计手册》表1-6-6查得管子的外伸长度为200mm。
有效壁厚:
按钢板厚度规格向上圆整后取得名义厚度
根据JB/T25198-2010标准，标准椭圆形封头为DN1000×10,曲面高度 =275mm,直边高度 =40mm,如图所示，材料选用Q235-B。
椭圆形封头直边高度h的选用
封头材料
碳素钢、普通低合金钢、复合钢板
不锈钢、耐酸钢
封头厚度
4～8
10～18
图（a）拉杆定距管结构
图(b)点焊结构
定距管的作用是将折流板之间的距离固定下来，并保持它与换热管垂直。当换热管外径大于等于19mm时，定距管外径与换热管相同，根据换热器设计手册，定距管的尺寸同换热管的尺寸相同，材料选用碳钢Q235-B。外径为ø19mm×2mm。
折流杆换热器结构较紧凑，折流外圈，内径差值小，在选用GB 151-1999《管壳式换热器》所给定的拉杆总截面积的前提下，改变拉杆直径和数量，通常的做法是采用较多的拉杆数量和较小的直径，但直径不得小于10mm，数量不得小于4根。
接管计算厚度：
接管多余金属面积
接管区内焊缝截面积A3：
（接管与壳体采用插入式焊接，焊脚取0.7 =3.5mm）
有效补强面积Aε：
因为 ，所以需要补强
所需另行补强截面积A4:
（4）补强圈厚度 （补强圈内径 ，外径 ）
考虑钢板负偏差并圆整，实取补强厚度6mm，补强材料与壳体材料相同为Q235B。
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（1）管程接管位置的最小尺寸：
(2)根据容器法兰公称直径等于其相连的壳体内径，可得法兰的公称直径DN=1000mm,同时由设计温度t=110℃和以上的初定的公称压力PN=0.6MPa,根据JB/T4700-2000《压力容器法兰分类与技术条件》表1初步选取甲型平焊法兰。
(3)根据介质特性及壳体材料确定法兰材料为Q235-B，并根据t=110℃和PN=0.6MP,根据NB/T47020-2012《压力容器法兰分类与技术条件》表6，查得其最大允许工作压力为0.4MP。
(4)根据PN=2.5MPa和DN=200mm查《化工设备》表4-6确定法兰类型为板式平焊法兰；查表4-14确定垫片为石棉橡胶板垫片，由表4-15和表4-16，螺栓为A2-50六角螺栓、螺母为I型六角螺母。
(5)PN=2.5MPa和DN=200mm,查标准HG20593-1997,确定法兰的结构尺寸。查压力容器设计手册表3-2-5得：DN=200mm接管外径A=219mm法兰外径D=320mm螺孔中心圆直径K=280mm螺孔直径L=18mm螺孔数量n=8螺纹Th=M16mm法兰内径B=222mm法兰厚度C=22mm法兰质量4.57Kg。管法兰标记：HG20593-1997法兰PL200-2.5 RFQ235-A
（C≥4S,S为壳体壁厚）
所以： 取150mm
管程接管位置
（2）壳程接管位置的最小尺寸：
（C≥4S,S为壳体壁厚）
所以： 取200mm
（3）根据管程接管到管板的位置最小尺寸为137mm,可确定管箱的长度300mm。
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拉杆的结构形式有两种，换热管大于或等于19mm的管束，采用图（a）所示的拉杆定距杆结构，换热器外径小于等于14mm的管束，采用图（b）所示的点焊结构，当管板较薄时，也可采用其他的结构形式。
根据《换热器设计手册》表1-6-9，可查得：在公称直径DN=1000mm,壳程公称压力Ps=1.0MPa=Pt下的管板尺寸如下表所示：
表3-2管板尺寸
Ps
MPa
Pt
MPa
DN
D
D1
D2
D3
D4
D5
d2
规格
数量
bf
b
备注
0.6
0.6
1000
1130
1090
1055
997
1042
1000
23
M20
36
42
计算筒体的壁厚：
补强面积：
（2）有效补强范围
有效宽度：
或
两者取最大值B=410mm
有效高度：
外侧高度：
或 =接管实际外伸高度=200mm
两者取较小值
内侧高度：
或
两者取较小值0mm
（3）有效补强面积
计算筒体有效厚度：
选择与筒体相同的材料（Q235-B）进行补偿，故 =1，所以
接管多余金属的截面积A2：
圆缺形折流挡板在流动中死区较少，比较优越，结构比较简单，所以采用圆缺形折流挡板，去折流板圆缺高度为壳体内径的25%，则切去的圆缺高度为：
，故可取 。
取折流板间距B=0.3D，则B ，可取B为 。
折流板数目
根据GB151-1999表34查得：折流板最小厚度为16mm;由表41查得：折流板名义外径为DN-6=964mm,材料为Q235-B.
查JB/T4701-2000表1查得法兰的结构尺寸如表所示：
公称直径
DN
公称压力
PN
法兰，mm
Biblioteka Baidu螺柱
D
d
规格
数量
1000
0．6
1130
1090
1055
1045
1042
48
23
M20
36
图3-2容器法兰（图面形式）
(6)压力容器法兰标记为：法兰-FM1000-0.6JB/T 4703-2000
5
管程工作压力为0.1,可算管程的设计压力Pt=1.1Pw=0.11MPa(取管板的公称压力为0.6MPa)的管板，材料为16Mn。
(3)计算壁厚：
= 5.78mm
有效厚度
按钢板厚度规格向上圆整后，取壳体名义厚度为10mm,此值在初始假设厚度范围，故得
2.
由于Di/2hi=2时，椭圆形封头的应力分布较好，且封头的壁厚与相连的筒体厚度大致相等，便于焊接，经济，合理，适用于低压容器，所以选择标准椭圆形封头，其形状系数K=1.0。
由公式得：
≥20
3～9
10～18
≥20
直边高度h
25
40
50
25
40
50
3
根据公式确定水压试验压力：
再根据公式校核壳体强度：
钢板在试验压力下的屈服极限 MPa
可计算出：
由于 ,所以液压试验时壳体强度满足要求。
4.
(1)由壳体的设计压力 =0.11MPa,按照设计压力 公称压力的原则,就进确定法兰公称压力为0.25MP,为保证安全，所以就进提高一个公称压力等级，暂定法兰公称压力为0.6MPa。