卧式固定管板式换热器 煤油-水

设计书
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目录
第一章设计参数 (1)
第二章传热量和流程确定 (1)
2.1定性温度的确定 (1)
2.2流体的物性参数 (1)
2.3热量计算 (2)
2.4冷流体用量 (2)
2.5流程安排 (2)
第三章估算传热面积 (3)
3.1初选K值，估算换热面积 (3)
第四章主体构件的工艺设计 (4)
4.1换热管尺寸 (4)
4.2管程数和传热管数 (4)
4.3平均传热温差校正及壳程数 (6)
4.4管束相关参数 (6)
4.5壳体内径的确定 (7)
4.6折流板 (8)
4.7接管 (9)
第五章热量核算 (10)
5.1壳程表面传热系数 (10)
5.2管程表面传热系数 (12)
5.3传热系数 (13)
5.4壁温核算 (15)
第六章换热器内流体阻力（压强降）核算 (16)
6.1管程流体阻力 (16)
6.2壳程流体阻力 (18)
第七章换热器结构设计与强度计算 (20)
7.1壳体 (21)
7.2管箱垫片 (24)
7.3管箱法兰 (24)
7.4管板设计 (24)
7.5接管尺寸 (26)
7.6管箱的设计 (33)
7.7拉杆及定距管 (36)
7.8旁路挡板 (38)
7.9支座的选择与布置NB/T47065-2018[8] (38)
第八章应力计算 (39)
8.1热交换器所受的应力 (39)
8.2温差应力 (40)
8.3拉脱力 (44)
8.4热补偿及应力计算 (45)
第九章换热器主要结构尺寸和计算结果汇总 (46)
9.1工艺参数汇总 (46)
9.2物性参数汇总 (46)
9.3结构计算参数汇总 (46)
第一章设计参数热流体选用煤油；
冷流体选用水；
热流体工作表压P1=0.1MPa；
冷流体工作表压P2=0.1MPa；
热流体进口温度T1=130℃；
热流体出口温度T2=40℃；
冷流体进口温度t1=30℃；
冷流体出口温度t2=55℃；
热流体流量3.5073Kg/s；
第二章传热量和流程确定2.1定性温度的确定
可取流体进出口温度的平均值。

热流体定性温度为：
t m1=T1+T2
2
=
130+40
2
=85℃
冷流体定性温度为：
t m2=t2+t1
2
=
55+30
2
=42.5℃
2.2流体的物性参数
(1)热流体物性参数
表2-1热流体物性参数
热流体温度（℃）密度（kg/m
³）比热容（kJ/(kg
•℃)）
黏度（kg/(m•
s)）
热导率(W/(m
•℃))
煤油85776.3 2.310.0006370.11
(2)冷流体物性参数
表2-2冷流体物性参数
冷流体温度（℃）密度（kg/m
³）比热容（kJ/(kg
•℃)）
黏度（kg/(m•
s)）
热导率(W/(m
•℃))
水42.5991 4.170.0006220.64
2.3热量计算
热损失系数：ηL=0.98
传热量为:
Q=M1 c p1(T1−T2)ηL=3.5073×2.31(130−40)×0.98=714.58kW 2.4冷流体用量
M2=
Q
c p2(t2−t1)
=
714.58
4.17×(55−30)
=6.8545kg╱s
2.5流程安排
综合考虑流体的易结垢程度、流速问题、腐蚀性、表压、黏度大小，应使冷流体走管程(内)，热流体走壳程(外)
第三章估算传热面积
流体间温差：
∆t1=T1−t2=130−55=75℃
∆t2=T2−t1=40−30=10℃
平均温差：
因为流体的温度沿传热面变化较大，所以平均温差计算公式为：
△t1mc=∆t1−∆t2
Ln
∆t1
∆t2
=
75−10
Ln
75
10
=32.26℃
3.1初选K 值，估算换热面积
查《化工单元过程及设备课程设计》，初选传热系数K=340W ╱(m^2•℃) 估算传热面积为：
F ′=
Q ×1000K ′ △t 1mc
=714.58×1000340×32.26
=65.15m 2
第四章 主体构件的工艺设计
4.1换热管尺寸
换热管的材料选用10号钢,此设计规格选用φ19×2mm 。

根据换热器中常用的流速范围的数据，查《化工单元过程及设备课程设计（第三版）》[1]表3-4、3-5，可取管程内流体的流速u i =0.56m/s
4.2管程数和传热管数
管程所需流通截面积为：
A t =
M i ρi u i
=
6.8545
991×0.56
=0.01235134㎡
每程管数为（取整）：
n =
4A t π (d i
1000)
2
=
4×0.012351343.14 (15
1000)
2
=70根
每根换热管长度为：
L =
F ′n π d o
1000=65.15
70×3.14 191000
=15.6m
按单壳程设计，传热管过长，则应采用多管程，根据本设计实际情况，现取每根管长取标准值：l=4.5m
则管程数为：
N p =
L L =15.64.5
=4 换热管总根数为：
n t=n N p=70×4=280根4.3平均传热温差校正及壳程数
无量纲参数P、R
P=t2−t1
T1−t1
=
55−30
130−30
=0.25
R=T1−T2
t2−t1
=
130−40
55−30
=3.6
按单壳程、4管程取无量纲数R、P查图得：温差校正系数φ：0.85，因φ>0.8，故可行。

两流体的实际平均温差为：
△t m=φ△t1mc=0.85×32.26=27.42℃
4.4管束相关参数
管子的排列方式常用的有等边三角形（正六边形排列）、同心圆排列、正方形排列，这里管子排列方式选用：等边三角形排列，因为此排列方法在相同的管板面积上排列较多的传热管，且管外表面的表面传热系数较大。

查GB151-2014[2]表6-2《换热管中心距》，查得标准管中心距S=25mm，分程隔板槽两侧相邻管中心距Sn=38mm
表4-1换热管中心距
do10121416192022253032353845505557 S13～
14
161922252628323840444857647072 Sn28303235384042445052566068767880 (注：d o为换热管外径；S为换热管中心距；Sn为分程隔板槽两侧相邻管心距；)
横过管束中心线的管数为：
b´=1.1×√n t=1.1×√280=19根
4.5壳体内径的确定
因为我们采用的是等边三角形排列,管程数为4,管板利用率的范围为：（0.6～0.8），因此取管板利用率为:η=0.7
壳体内径的计算值为：
D N=1.05 S
1000√
n t
η
=
1.05×25
1000
√
280
0.7
=0.53m
取壳体内径标准值：Ds=0.55m
4.6折流板
设计折流板的目的是为了提高壳程流速，增加湍动程度，并使管程流体垂直冲刷管束，已改善传热，增大壳程流体的传热系数，同时减少结构，在卧式换热器中还起到支撑管束作用。

折流板常用形式有弓形和盘环形两种，此设计中选用使用较广泛的单弓形折流板，因为流体流动死角较小，结构简单。

弓形折流板在卧式换热器中的排列分为上下缺口和左右缺口排列，此处选用上下缺口排列，材料选用Q235R
图4-1折流板开口方式
(1)折流板选型
折流板形式选择，本换热器选用弓形,流体流动的死角较小，结构也简单，便于清洗。

折流板缺口高度为：
h=0.25D i
1000
=
0.25×550
1000
=0.14m
折流板的圆心角：
θ=2×arccos(1−
2 h×1000
D i)×180
π
=
2×arccos(1−
2×0.14×1000
550)×180 =121.26°
(2)折流板间距
为保证设计的合理性，弓形折流板的间距一般不应小于壳体内径的1/5，且不小于50，最大则不能超过壳体内径；算得折流板间距范围为(0.11～0.55)m
折流板厚度，查GB151-2014[2]表6-21，t=10mm；
在此范围内定折流板的间距，考虑需为壳程进出口提供额外空间，两端折流板管板距离通常大于中间一些折流板间距，但差值不宜过大，综上考虑折流板间距为0.165m,则两端折流板与管板间距离为：0.23m。

(3)折流板数目
考虑两端管板的厚度和折流板的厚度，两端折流板与管板间距,则折流板的数目为：
N B=L×1000−2 b
l s×1000
−1=
4.5×1000−2×40
0.165×1000
−1=25块
折流板上管孔直径，由GB151-2014[2]，查得19.5mm；折流板直径，Db由GB151-2014[2]规定，得D b=545.5mm,直径允许偏差（-0.8-0）mm；
表4-2折流板外径及允许偏差
DN<400400～
<500400～
<500
500～
<900
900～
<1300
1300～
<2100
2100～
<2300
2300～
<2600
2600～
3200
>3200～
4000
名义外径DN-
2.5
DN-3.5DN-4.5DN-6DN-7DN-8.5DN-12DN-14DN-16DN-18
允许
偏差
0-0.50-0.50-0.80-0.80-1.00-1.00-1.40-1.60-1.80-2.0
4.7接管
壳程流体进口接管：取接管内流体流速为u1=1m/s,则接管内径计算值为：
D1=√
4M o
ρoπ u1
=√
4×3.5073
776.3×3.14×1
=0.08m
可取壳程接管直径标准值为DN=：80mm，则壳程接管尺寸为88.9×4mm 壳程接管进出口为同种物质，固壳程出口与进口尺寸相同
管程流体进出口接管：取接管内流体流速为u2=2m/s,则接管内径计算值为：
D2=√4M i
ρiπ u2=√
4×6.8545
991×3.14×2
=0.07m
可取管程接管直径标准值DN=80mm，则管程接管尺寸为88.9×4.45mm
第五章热量核算
5.1壳程表面传热系数
传热管按等边三角形排列,则其当量直径得：
d e=4×(√
3
2 (
S
1000)
2
−π4 (
d o
1000)
2
)
π d o
1000
=
4×(√
3
2 (
25
1000)
2
−
3.14
4 (
19
1000)
2
)
3.14×19
1000
=0.017m
壳程流通截面积：
A s=l s D i
(1−
d o
1000
S
1000
)=0.165×
550
(1−
19
1000
25
1000
)=0.02178㎡
壳程流体最小流速：
u o=M o
ρo
A s
=
3.5073
776.3
0.02178
=0.20744m╱s
雷诺数：
R eo=d e u oρo
μo
=
0.017×0.20744×776.3
0.000637
=4297.66
普朗特数为:
P ro=μo×1000 c po
λo
=
0.000637×1000×2.31
=13.377
黏度校正项：(μ/μw)^0.14≈0.95 壳侧换热系数为：
αo=0.36λo
e
R eo0.55 P ro
1
3 (
μ
μw
)
0.14
=
0.36×0.11
×4297.660.55 13.377
1
3×0.95 =523.24W╱㎡·℃
5.2管程表面传热系数
管程流通截面积：
A i=π
4
(
d i
1000
)
2n
t
N p
=
3.14
4
(
15
1000
)
2280
4
=0.01236㎡
管程流体最小流速：
u i=M i
ρi
A i
=
6.8545
991
0.01236
=0.55961m╱s
雷诺数：
Re i=
d i
1000 u iρi
μi
=
15
1000×0.55961×991
0.000622
=13373.96
普朗特数为:
P ri=μi×1000 c pi
λi
=
0.000622×1000×4.17
=4.0527
黏度校正项：(μ/μw)^0.14≈1.05 管侧表面换热系数：
αi=0.023λi
d i
1000
Re i0.8 P ri0.4 (
μ
μw
)
0.14
=
0.023×0.64
15
1000
×13373.960.8×4.05270.4×1.05 =3606.71W╱㎡·℃
5.3传热系数
污垢热阻
查相关资料冷流体水的污垢热阻：rs2=0.000344(㎡·℃)╱W；
热流体煤油的污垢热阻：rs1=0.00017(㎡·℃)╱W；
管壁热阻
10号钢在该条件下的热导率为52.34。

管壁热阻为：
R w=
b
λw
=
0.002
52.34
=3.821×10−5㎡·℃╱W
式中：b--传热管的壁厚，mm λw--热导率，W╱(㎡·℃)；管子的平均直径为：
d m=
d o
1000+
d i
1000
2
=
19
1000+
15
1000
2
=0.017m
总传热系数为：
K=
1
1αo +r ro+R w
d o
1000
d m0+
r si
d o
1000
d i
1000
+
d o
1000
αi
d i
1000
=343.55w╱㎡·℃
5.4壁温核算
由于工作条件是高温高压，与四季气温相差大。

因此进出口温度可以取原操作的温度。

另外由于传热管内侧污垢热阻较大会使传热管壁温降低，降低的了传热管与壳体之间的温差。

但操作初期时，污垢热阻较小，壳体与传热管间壁壁温查可能很大。

计算中因按最不利的因素考虑，因此，取两侧污垢热阻为零计算传热管壁温。

则传热管的平均壁温为：
t w1=T m
αi
+
t m
αo
1
αi
+
1
αo
=
76
3606.71+
45
523.24
1
3606.71+
1
523.24
=48.93℃
式中冷流体的平均温度和热流体的平均温度计算为：
t m=t1×0.4+t2×0.6=30×0.4+55×0.6=45℃
T m=T1×0.4+T2×0.6=130×0.4+40×0.6=76℃壳体壁温，可近似取壳程流体的平均温度，即：T m=76℃
壳体壁温与传热管壁温之差：
∆t=T m−t w1=76−48.93=27.07℃
温度较合适。

第六章换热器内流体阻力（压强降）核算
6.1管程流体阻力
管内摩擦系数查《热交换器原理与设计（第五版）》[4]（图2.36）为fi=0.02 管程总阻力公式为：
△P t=(△P i+△P r)×F t N p N s+△P N N s
式中：∆P t——管程总阻力；
∆P i——单程直管阻力；
∆P r——单程回弯阻力；
∆P N——进出口连接管阻力；
N s——壳程数，N s=1Pa；
N p——管程数N p=4；
F t——管程结构校正系数,与管子直径有关，近似取:1.5Pa；
直管阻力为：
△P i=
f i L
d i
1000
ρi u i2
2
=
0.02×4.5
15
1000
×991×0.562
2
=932.33Pa
回弯阻力为：
△P r=ξρi u i2
2
=
3×991×0.562
2
=466.17Pa
式中：ξ——局部阻力系数，一般取3；
进出口连接管阻力为：
△P N=1.5ρi u i2
2
=
1.5×991×0.562
2
=233.08Pa
管程总阻力为：
△P t=(△P i+△P r)×F t N p N s+△P N N s=(932.33+466.17)×1.5×4×1+233.08×1 =8624.08Pa
管程流体阻力在允许范围之内。

6.2壳程流体阻力
△P s=(△P bk+△P wk)×F s N s
式中：∆P´s——壳程总阻力；
∆P bk——流体流过管束的阻力；
∆P wk——流体流过折流板缺口的阻力；
N s——壳程数；
F s——壳程结构校正系数,与流体状态有关，F s=1.15Pa
流体流过管束的阻力为：
△P bk=f f k nt c(N B+1)ρo u o2
=
0.5×0.74×19(25+1)×776.3×0.207442
=3052.90487Pa
式中：f——管子排列形式对阻力的影响,f=0.5
f k——壳程流体摩擦因子；
f k=5 R eo−0.228=5 4297.66−0.228=0.74
nt c=1.1n t0.5=1.1×2800.5=19
流体流过折流板缺口的阻力
△P wk=N B(3.5−
2l s
D i
1000
) ρo u o2
2
=
25×(3.5−
2×0.165
550
1000
)×776.3×0.207442
2
=1210.93994Pa
壳程总阻力：
△P s=(△P bk+△P wk)×F s N s=(3052.90487+1210.93994)×1.15×1=4903.42Pa 设计合理
第七章换热器结构设计与强度计算
换热器主体结构以及零部件的设计和强度计算，主要包括壳体厚度和材料的选择、封头厚度材料的选择、接管、管板、法兰尺寸的确定、开孔补强计算，还有主要构件的设计（管箱、壳体、折流板(支撑板)、拉杆等）和主要连接（包括管板与管箱的连接、管子与管板的链接、壳体与管板的连接），具体计算如下。

在下面结构设计中，壳侧设计温度为140℃(设计温度应大于流体温度)，壳侧设计压力取1.25倍的壳侧压力，壳侧设计压力为0.125MPa；管侧设计温度为65℃(设计温度应大于流体温度)，管侧设计压力取1.25倍的管侧压力，则管侧压力为0.125MPa
7.1壳体
(1)壳体材料的确定
介质为煤油，筒体材料选择Q345R，因为他有价格低，强度较高，对碱性介质的化学腐蚀比较稳定等特点。

(2)壳体尺寸的确定
1)壳体直径
在工艺设计时，壳体公称直径已确定为550mm。

2)筒体厚度
设计压力0.125MPa,设计温度为T s=140℃；
焊接方式：选为双面焊对接接头，100%无损伤，故焊接系数为φ=1
筒体厚度计算为：
δ=
P c D i
2 [σt] φ−P c
=
0.125×550
2×189×1−0.125
=0.18mm
式中：Pc——设计压力，MPa Di——壳体厚度，mm
δ——计算厚度，mm
φ——焊接接头系数
壳体厚度的负差值C1=1,在无特殊腐蚀条件下，腐蚀裕量C2≥1mm,取腐蚀裕量2.
设计厚度：
δd=δ+C2=0.18+2=2.18mm
名义厚度：
δn=δd+C1=2.18+1=3.18mm
考虑开孔补强及结构需要，名义厚度向上取整为6mm
有效厚度：
δe=δn−C1−C2=6−1−2=3mm
壳体厚度最终取值为6mm
壳体内径取值为550mm
壳体外径取值为562mm
7.2管箱垫片
垫片：查NB/T47020～47027-2012[11]，选取非金属软垫片。

图7-1非金属软垫片
表7-1垫片参数表
公称直径DN,mm垫片D,mm垫片d,mm 550589553
7.3管箱法兰
选用甲型平焊法兰，材料为16Mn，示意图如下：
图7-2凹凸密封面-法兰
当公称直径为550mm,查NB/T47027-2012[9]的管箱法兰数据表如下：
表7-2管箱法兰参数
DN D D1D2D3D4δd螺栓规
格螺栓数量
5506656306005905873218M1620
7.4管板设计
①管板尺寸
固定管板选用管板兼法兰的形式，管板材料为Q345R。

图7-3整体管板
由壳体内径，在依据确定的管箱法兰的结构确定管板最大外径、螺栓直径、螺栓数量、螺栓位置等在依据钱颂文《换热器设计手册》[3]确定管板厚度等相关尺寸,整体管板数据如下表：
表7-3管板参数表
DN D D1D2D3D4D5C d2螺栓
规格螺栓
数量
bf b
55066563060054759555012.518M16203040
②管板上换热管的管孔设计
采用Ⅱ级管束，板管孔直径查GB151-2014[2]标准取19.3mm,允许偏差（+0.10，-
0.10）。

③管孔表面粗糙度
换热管与管板焊接粗糙度Ra不大于35μm。

④换热管与管板的连接
采用常用的强度焊的方式，焊接结构强度高，抗拉脱离强，且当焊接接头有泄露、换热管有裂纹或者堵塞时，其修补或者更换换热管都比较容易。

⑤管板与壳程圆筒、管箱圆筒连接方式（E型）
管板与法兰连接的结构尺寸按NB/T47015-2011[10]的规定。

采用E型（管板通过垫片与壳体法兰和管箱法兰连接）方法（GB151-2014[2]标准P18页有规定）。

如图2所示
图7-4管箱-e型
7.5接管尺寸
(1)壳程接管尺寸
表7-4壳程接管尺寸参数
名称公称直
径DN 管子外
径A
法兰外
径D
螺栓孔
中心圆
直径K
螺栓孔
直径L
螺栓孔
数量n
（个）
螺栓Th法兰厚
度C
法兰内
径B
壳程接
管
8088.9190150184161890.5
②壳程接管外伸高度
查钱颂文《换热器设计手册》[3]表1.66
壳程接管外伸高度，当DN=80，δ=0～50，l3=150
(2)壳程接管位置
如下图为壳程接管的位置图。

壳程接管位置的最小尺寸由下列公式计算得：
L1=
d H
2
+b+C=
88.9
2
+38+60=143mm
式中C——C≥4S(S为壳体厚度)，且≥30；
图7-5壳程接管位置
①壳程接管开孔补强校核
壳程接管的选用88.9×4mm的20号钢,材料的许用应力140MPa，取C2=2,C=1。

采用等面积补偿法校核。

C1=0.15δnt=0.15×4=0.6
接管计算壁厚：
δt=
P c D
2 [σt] φ+P c
=
0.125×88.9
=0.04mm
接管有效壁厚：
δet=δnt−C2−C1=4−2−0.6=1.4mm
开孔直径：
d=D+2 C=88.9+2=90.9mm
接管有效补强高度：
B=2 d=2×90.9=181.8mm
接管外侧有效补强高度：
h1=√d δnt=√90.9×4=19.07mm
需要补强面积：
A=d δ=90.9×0.18=16.36m㎡
强度削弱系数：f r=1
可以作为补强的面积：
A1=(B-d)×(δe-δ)=(181.8-90.9)×(3-0.18)=256.34㎡
A2=2 h1(δet−δt) f r=2×19.07(1.4−0.04)×1=51.87㎡
A=A1+A2=256.34+51.87=308.21㎡
A≥16.36m㎡
接管补强的强度足够，不需另设补强结构。

表7-5管程接管尺寸参数
名称公称直
径DN 管子外
径A
法兰外
径D
螺栓孔
中心圆
直径K
螺栓孔
直径L
螺栓孔
数量n
（个）
螺栓Th法兰厚
度C
法兰内
径B
管程接
管
8088.9190150184161890.5
管程接管外伸高度
查钱颂文《换热器设计手册》[3]表1.66
管程接管外伸高度，当DN=80，δ=0～50，l4=150
1)管程接管位置
如下图为管程接管的位置图。

管程接管位置的最小尺寸可由下列公式计算：
L2=
d
H 2+h f+C=
88.9
2
+38+60=143mm
式中C——C≥4S(S为壳体厚度)，且≥30；
图7-6管程接管位置2)管程接管补强
②管箱接管开孔补强校核
管箱接管的选用88.9×4.45mm的20号钢,材料的许用应力147MPa，取C2=2,C=1。

采用等面积补偿法校核。

C1=0.15δnt=0.15×4.45=0.67
接管计算壁厚：
δt=
P c D
2 [σt] φ+P c
=
0.125×88.9
2×147×1+0.125
=0.04mm
接管有效壁厚：
δet=δnt−C2−C1=4.45−2−0.67=1.78mm
开孔直径：
d=D+2 C=88.9+2=90.9mm
接管有效补强高度：
B=2 d=2×90.9=181.8mm
接管外侧有效补强高度：
h1=√d δnt=√90.9×4.45=20.11mm
需要补强面积：
A=d×0.19=90.9×0.19=17.27m㎡
强度削弱系数：f r=0.778
可以作为补强的面积：
A1=(B-d)×(δe-δ)=(181.8-90.9)×(3-0.19)=255.43㎡
A2=2 h1(δet−δt) f r=2×20.11(1.78−0.04)×1=69.98㎡
A=A1+A2=255.43+69.98=325.41㎡
A≥17.27m㎡
接管补强的强度足够，不需另设补强结构。

7.6管箱的设计
(1)管箱材料
管箱钢制压力容器封头.GB/T25198-2010[7]:换热器的两端管箱可由封头和管箱圆筒（短节）构成。

封头的结构尺寸根据钢制压力容器封头.GB/T25198-2010[7]和GB150-2011[5](《压力容器》)的相关规定设计。

选取选用材料为Q345R，材料的许用应力为
189MPa
(2)管箱尺寸
选择设计温度为65℃,设计压力为P c=0.13MPa，焊缝系数φ=1，腐蚀裕度C2=2，负差值C1=1
计算厚度：
δ=
P c D i
2 [σt] φ−0.5P c
=
0.13×550
2×189×1−0.5×0.13
=0.19mm
设计厚度：
δd=δ+C2=0.19+2=2.19mm
名义厚度：
δn=δd+C1=2.19+1=3.19mm
考虑壳体厚度，圆整后名义厚度为6mm
有效厚度：
δe=δn−C1−C2=6−1−2=3mm
(3)封头尺寸
封头的结构尺寸根据钢制压力容器封头.GB/T25198-2010[7]和GB150-2011[5](《压力容器》)的相关规定设计。

选取选用材料为Q345R的EHA_以内经为基准椭圆形封头。

设计温度为65℃,设计压力为P c=0.13MPa，焊缝系数φ=1，腐蚀裕度C2=2，负差值
C1=1
计算厚度：
δh=
K p t D i
2 [σt] φ−0.5P c
=
0.81×0.125×550
2×189×1−0.5×0.13
=0.15mm
设计厚度：
δd=δh+C2=0.15+2=2.15mm
名义厚度：
δn=δd+C1=2.15+1=3.15mm
考虑壳体厚度，圆整后名义厚度为6mm
有效厚度：
δn=δn−C1−C2=6−1−2=3mm
图7-7椭圆形封头EHA
表7-6封头参数
公称直径为(mm)H(mm)h(mm)δn(mm)
D N×10000.55×
1000=550×
16325.56
(4)分程隔板
分程隔板材料为Q235，厚度为10mm，宽度为540mm，长为451mm,一端为和封头相同的椭圆，一端为平面，隔板槽深为6mm，宽为12mm,拐角处倒角为45°
(5)管箱短节长度
管箱短接长度既要保证换热器组装尺寸的要求，又要免除使开孔不受影响，根据组装
尺寸和接管法兰厚度，管箱短接长度为：
L3=95+△L=95+50=145mm
L4=H+δn=163+6=169mm
L g=L2+L3+L4=143+145+169=457mm
7.7拉杆及定距管
(1)拉杆尺寸和数量
当10≤d＜14时，拉杆直径为10；
当14≤d＜25时，拉杆直径为12；
当25≤d＜57时，拉杆直径为16；
因，换热管直径为：do=19mm，所以拉杆直径dn为12mm
一台拉杆数为：4根
(2)拉杆的结构形式
常用拉杆形式有两种：
（1）.螺纹连接结构（拉杆定距管结构）：此型式适用于换热管外径大于或等于19的管束
（2）.焊接连接结构：此型式适用于换热管外径小于或等于14的管束，焊接连接的拉杆直径可直径取换热管的直径，也可取拉杆标准值。

此设计选用螺纹连接，示意图如下：
图7-8拉杆定距管结构
(3)拉杆布置
材料采用Q235R，选用Φ12的拉杆，数量为4根，具体位置及装配方式见装配图，一端与管板用螺纹连接，另一端用螺母固定在折流板上。

图7-9拉杆的连接尺寸
表7-7拉杆参数
拉杆直径拉杆螺纹公称直径La Lh b 121216502
(4)定矩管
材料采用Q235R，定距管直径尺寸与换热管一致，Φ19mm，两端折流板管板之间的定矩管的长度为230mm，个数为4;折流板间的定距管长度为165mm,个数为96个。

7.8旁路挡板
旁路挡板可减小管束外环间隙的短路，用它增加阻力，迫使大部分流体通过管束进行传热交换，电焊在折流板上。

旁路挡板：材料为Q245R,厚度一般取折流板厚度为10mm，宽度为32.25mm，长13.96mm,与折流板焊接牢固
7.9支座的选择与布置NB/T47065-2018[8]
选用鞍式支座，材料为Q235A，公称直径为550mm
图7-10鞍式支座示意图
安装2个支座，均匀布置
鞍座之间的距离L B=（0.5～0.7）×L=3150mm
表8-3鞍式支座数据表
表7-8鞍式支座参数
公称鞍座底板b1δ1腹板筋板δ3垫板b4,δ4e l2
直径DN 高度
h
l1δ2l3弧长
5502005101501082758650240656360
第八章应力计算8.1热交换器所受的应力
压力引起的轴向力：
F1=π
4
p s(D N2−n (
d o
1000
)
2
)+
π
4
p t (
d i
1000
)
2
n
=
3.14
4
×0.125(0.552−70 (
19
1000
)
2
)+
3.14
4
×0.125 (
15
1000
)
2
×70=0.03N
壳侧截面积：
f s=π
4
((D N+
δn
1000
×2)
2
−D N2)=
3.14
4
((0.55+0.012)2−0.552)=0.01m2
管侧截面积：
f t=π
4
((
d o
1000
)
2
−(
d i
1000
)
2
) n t=
3.14
4
((
19
1000
)
2
−(
15
1000
)
2
)×280=0.02989m2
壳体的弹性模数：Es=194000MPa 管子的弹性模数：Et=210000MPa 壳体应力：
σs p=
F1 E s
f s E s+f t E t
=
0.03×194000
0.01×194000+0.02989×210000
=0.71MPa
管子应力：
σt p=
F1 E t
f s E s+f t E t
=
0.03×210000
0.01×194000+0.02989×210000
=0.77MPa
8.2温差应力
管的外壁温度：
t to=t mo−K(1
αo +r so) △t m=85−343.55×(
1
523.24
+0.00017)×27.42=65.4℃
管的内壁温度：
t ti=t mi+K(1
αi
+r si) △t m=42.5+5.85236616214274=48.35℃管子的平均温度：
t w=t to+t ti
=
65.4+48.35
=56.88℃
壳侧热流量：
Q s=
Q
ηL
(1−ηL)=
714.58
0.98
(1−0.98)=14.58Kw
热流密度：
q=
Q s
2 π D N L
=
14.58
=0.938042849Kw╱㎡
壳侧内壁温：
t s=t mo−q(
1
αo
+r so)=85−0.938042849×(
1
523.24
+0.00017)=84.99805℃
壳体的平均温度：
壳体材料导热系数为λs=56W╱(m·k),壳体厚度为6mm
根据 q=λ
δ
Δt
w 得
Δt w=q
δn
1000
λs
=0.938042849×
6
1000
56
=0.000101℃
t sm=t s−Δt w
2
=84.99805−
0.000101
2
=85℃
所以：t s=84.99805℃,t w=56.88℃
壳体材料的线膨胀系数a s=1.153×10−5 1╱℃
管子材料的线膨胀系数a t=1.112×10−5 1╱℃①管侧的轴向力：
σt t=f s E s E t(a t(t w−t0)−a s(t s−t0))
E s f s+E t f t
=0.01×194000×210000(1.112×10−5(56.88−25)−1.153×10−5(84.99805−25))
194000×0.01+210000×0.02989
=−16.72MPa
②壳侧温差产生的轴向力：
σs t=f t E s E t(a t(t w−t0)−a s(t s−t0))
E s f s+E t f t
=
0.02989×194000×210000(1.112×10−5(56.88−25)−1.153×10−5(84.99805−25)) =−49.982632MPa
管子的自由伸长量：
δt=(t w−t0)×L a t=(56.88−25)×4.5×1.112 10−5=0.0015952752m 式中：Δ——为基础环外径与筒体直径的差值。

壳体的自由伸长量：
δt=(t w−t0)×L a t=(84.99805−25)×4.5×1.153 10−5=0.0031129988m
式中：Δ——为基础环外径与筒体直径的差值。

由于壳体膨胀量大于管子的膨胀量，故：
壳体的轴向合成力：
σs=σs p+σs t=0.71−49.982632=−49.27MPa
管子的轴向合成力：
σt=σt p−σt t=0.77+16.72=17.49MPa
8.3拉脱力
q=σsπ
4((
d o
1000)
2
−(
d i
1000)
2
)
π
d o
1000 h
=
49.27×3.14
4((
19
1000)
2
−(
15
1000)
2
)
3.14×
19
1000×0.0025
=35.27MPa
8.4热补偿及应力计算
(1)热补偿计算
t w=56.88℃，t s=85℃
Δt=t sm−t w=85−56.88=28.12℃
因为温差小于50℃，所以不需要热补偿。

应力计算
采用焊接法，焊缝系数取0.5，壳体材料的许用应力为189MPa，换热管的许用应力为124MPa
[q]=0.5 [σ]t t=0.5×124=62MPa
σs=49.27MPa<[σs]=189MPa
σt=17.49MPa<[σt]=124MPa
q=35.27MPa<[q]=62MPa
强度应力校核符合要求，无需设计膨胀节
第九章换热器主要结构尺寸和计算结果汇总
9.1工艺参数汇总
表9-1工艺参数汇总表
参数管程壳程
物质水煤油
流量(kg/s) 6.8545 3.5073
进口温度(℃)30130
出口温度(℃)5540
压力(MPa)0.10.1
9.2物性参数汇总
表9-2物性参数汇总表
物性管程壳程定性温度(℃)42.585
密度(kg/㎡)991776.3比热容(KJ/(kg·℃)) 4.17 2.31
黏度(kg/(m·s))0.0006220.000637导热系数(W/(m·℃))0.640.11普朗特系数 4.052713.377
9.3结构计算参数汇总
换热器类型：BEM-550-0.125-73.5-4.5/19-4Ⅱ
表9-3结构参数汇总表
构件计算值构件计算值壳体规格mmφ550×6管程数4
壳程接管mmφ80管程接管mmφ80
壳程材质Q345R换热管材质10号钢
换热管长mm4500换热管数量280
换热管规格mm19×2管子排列方式等边三角形排列折流板数目25折流板间距m0.165
参考文献
[1] 王瑶、张晓东，《化工单元过程及设备课程设计（第三版）》，北京：化学工业出版社，2015.7
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[3] 钱颂文，《换热器设计手册》，北京：化学工业出版社，2002.8
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[5] 中华人民共和国国家标准钢制压力容器.GB150-2011
[6] 喻健良、王立业、刁玉玮，《化工设备机械基础（第七版）》，大连：大连理工大学出版社，2013.8
[7] 中华人民共和国国家标准钢制压力容器封头.GB_T25198-2010
[8] 中华人民共和国行业标准容器支座.NB/T47065-2018
[9] 中华人民共和国行业标准压力容器法兰用紧固件.NB/T47027-2012
[10] 中华人民共和国行业标准压力容器焊接规章.NB/T47015-2011
[11] 中华人民共和国行业标准压力容器法兰、垫片、紧固件.NB/T47020～47027-2012
[12] 中华人民共和国行业标准金属包垫片.NB/T47026-2012
[13] 中华人民共和国行业标准压力容器焊接规章.GB/T29463.1-2012
[14] 中华人民共和国行业标准浮头式热交换器用外头盖侧法兰.GB/T 29465-2012
[15] 申迎华、郝晓刚，《化工原理课程设计》，北京：化学工业出版社，2009.5。