管壳式换热器设计实例

0.465 106 ( N )
则
F2
0.465 106 25321 0.089 106 ( N ) 25321 107211
压力作用于管子上的轴向力 F3 ;
F3
QAt 0.465 106 107211 0.376 106 ( N ) At AS 107211 25321
选用固定式换热器管板，并兼作法兰，查相关标准得 p t p s 1.6 MPa （取管板的公称压力为 1.6MPa）的碳钢管板尺寸，如图 7-49 所示。
图 7—49 管板 （8）管子拉脱力计算 计算数据按表 7-13 选取。
表 7-13 项目 操作压力/MPa 材质 线膨胀系数/（1/℃） 弹性模量/MPa 许用应力/MPa 尺寸/mm 管子根数 管间距/mm 管壳壁温差/℃ 管子与管板的连接方式 胀接长度/mm 许用拉脱力 管子 0.7 20 钢 11.8×10-6 0.21×106 103 Φ25×2.5×3000 607 32 壳体 0.68 20R 11.8×10-6 0.21×106 105.9 Φ1000×8

式中
2 pc
t
pc Di
p c —计算压力，取 p c 1.0 MPa ； Di 1000 mm； 0.85 ；
； 300 101MPa （设壳体温度为 300℃）
故

1.0 1000 5.86 （mm） 2 101 0.85 1.0
2.54 106 ( N )
压力作用于壳体上的轴向力 F2 ：
F2
ຫໍສະໝຸດ Baidu
QAs As At
其中
Q

( D 4

2 i
nd o2 ) p s n(d o 2 1 ) 2 pt
2

(1000 4
607 252 ) 0.68 (25 2 2.5) 2 0.7
25 2.5 l 3000
垫圈 A12 螺母 AM12 8 级 上管板
4.17 0.006 0.016
2531 0.036 0.10
60
缠绕垫片
1054 1026 榫面法兰 PN1.6 DN 200
螺母 AM24 8 级 双头螺柱 M 24 130 法兰 PN1.0 DN 200 接管 219 6 l 210 补强圈 DN 200 8 垫圈 A12 六角螺塞 A12 8 补强圈 DN 250 8 法兰 PN1.6 DN 250 接管 273 8 l 140 上筒体 DN1000 8
Di a(b 1) 2l
式中
Di — 换热器内径，mm
b — 正六角形对角线上的管子数，查表 1-4，取 b 27 ； l — 最外层管子的中心到壳体壁边缘的距离，取 l 2d o 。
故
Di 32 (27 1) 2 2 25 932(mm)
圆整后取壳体内径 Di 1000mm （4）换热器壳体壁厚的计算 材料选用 20R 钢，计算壁厚为
q q p qt 1.14MPa [q] 4.0MPa
因此，拉脱力在许用范围内。 （9）计算是否安装膨胀节 管、壳壁温差所产生的轴向力 F1：
F1
E (t t t s )
As At
As At
11.8 10 6 0.21 106 50 25321 107211 25321 107211
l 2060 下管板 60
法兰-T 1000—1.6 筒节 DN1000 8 封头 DN1000 8 排气孔 57 3.5
l 80 人孔 426 8 l 120 底座 DN1000 8 l 1560 盖板 260160 20 筋板 328157 12 基础环 20
名称
（企业名称） 审核 校对 设计 制图 描图
设计项目 设计阶段 施工图
换热器装配图
1000 6230
比例
F 130m 2
1:30 第一张 共 7张 (续表)
38 37 36 35 34 33 32 31 30 29 28 27 26 25 24 23 22 21 20 19 18 17 16 15 14 13
180 ~ 370
半水煤气 130 接管表
400 ~ 220
变换气
接管法兰标准
密封面型式 平面 平面 平面 平面
用途 变换气进口 半水煤气进口 变换气出口 半水煤气出口
PN1.6 DN 250 HG20592 PN1.6 DN 200 HG20592 PN1.6 DN 250 HG20592 PN1.6 DN 200 HG20592
图 7-52 换热器装备图
图纸上的技术要求
1、本设备按 GB151-1999《管壳式换热器》进行制造、试验和验收，并接受国家质量监督局颁发的 《压力容器安全技术监察规程》的监督;
2、焊接采用电弧焊，焊条标号 16MnR 与 20 钢间为 J427； 3、焊接接头形式及尺寸除图中注明外，按 HG20583 中的规定，不带补强圈的接管与筒体的焊接接 头为 G2，带补强圈的接管与筒体的焊接接头为 G29，每条焊缝的焊角尺寸按较薄板的厚度，法兰的焊 接按相应法兰标准中的规定； 4、列管与管板的链接采用槽胀接； 5、 壳体焊缝应进行射线检测， 检测长度不得少于各条焊缝长度的 20%， 且不小于 250mm， 符合 《压 力容器无损检测》JB4730-1994RT，Ⅱ级为合格； 6、制造完毕后，进行水压试验。壳程 1.65MPa（表压） ；管程 1.65MPa（表压） ； 7、管口方位见图 7-52。 图纸上的技术特性表、接管表及标题栏明细表分别见表 7-14、表 7-15 和表 7-16. 表 7-14 技术特性表 序号 1 2 3 4 表 7-15 序号 a b c d 表 7-16 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 序号 图号或标准 JB/T4746—2002 GB/T 8163 30-017—02 JB/T 4703-2000 名称 工作压力/MPa 工作温度/℃ 物料名称 传热面积/m2 指标 管程 0.7 壳程 0.68
图 7-50 折流板 拉杆选用 12 ，共 6 根，材料为 Q235A F 钢。 （11）开孔补强 换热器壳体和风头上的接管处开孔需要补强，常用的结构是在开孔外面焊上一块与容器壁材料和 厚度都相同，即 8mm 厚的 20R 钢板。其补强结构如图 7-51 所示。
图 7-51
换热器开孔补强结构
（12）支座 采用群座，详细计算参见第 8 章“塔设备的机械设计”。这里选裙座厚度为 8mm，基础环厚度为 14mm。 设计结果如图 7-52 所示的换热器装配图。
②温差应力导致管子每平方米胀接周边上所受到的力
qt
t (d o 2 di 2 )
4d o l
At As
t
其中
E (tt ts )
1
As D中 n 1008 8 25321(mm2 )
At

4
( d o 2 di 2 ) n

4
(252 202 ) 607 107211(mm2 )
标题栏明细表 下筒 DN1000 8 20R 16MnR 16MnR 20R 20R 10A 20 Q235-A Q235-A Q235-A Q235-A 材料
1 1 1 1 2 2 1 1 8 16 1 数量 单件 9.1 3.8 74.1 0.369
410 300 112 174.5 148.2 0.74 11.1 311 73 60.6 103 总计 备注 质量/kg 工程名称
t 50
开槽胀接 L=50 4.0
① 在操作压力下，管子每平方米胀接周边上所受到的力
qp
pf dol
f 0.886a 2
其中

4
do 2 0.886 322

4
252 396(mm2 )
p 0.7MPa ， l 50mm
qp 0.7 396 0.07( MPa) 3.14 25 50
则
F1 F2 2.54 106 0.089 106 103.8( MPa ) As 25321 F1 F2 2.54 106 0.376 106 t 20.2( MPa ) AS 107211
s
根据 GB151—1999《管壳式热换器》
s 103.8MPa 2 ts 180MPa t t 20.2MPa 2 ts 206MPa
条件成立，故本换热器不必安装膨胀节。 （10）折流板设计 折流板为弓形，
h
3 Di 1000 750(mm) 4
折流板间距取 600mm； 由表 7-6 查得折流板最小厚度为 6mm， 由表 7-9 查得折流板外直径为 995.5mm, 材料为 Q235-A 钢，见图 7-50。
GB/T41—2000 GB/T799—1998 HG 20592
螺母 M 30 地脚螺栓
Q235-A Q235-A 20 20 20 20 20 Q235-A Q235-A 16MnR
8 8 1 1 1 1 607 6 6 1
0.234 5.52
1.86 44.2 2.08 4.00 8.24 6.62
2. 计算
（1）管子数 n 选 25 2.5 的无缝钢管，材质 20 号钢，管长 3 m。 因为
F d 均 Ln
所以
n
F 130 613(根) d 均 L 3.14 0.0225 3
其中，因安排拉杆需减少 6 根，实际管数 607 根。 （2）管子排列方式，管间距的确定 采用正三角形排列，由表 7-4 查得层数为 13。查表 7-5，取管间距离 a 32mm 。 （3）换热器壳体直径的确定
取 C 2 1.2 mm，查表 4-9 得 C1 0.25 圆整后取 n 8 mm。 （5）换热器封头选择 上 下 封 头 均 选 用 标 准 椭圆 形 封 头 ， 根 据 JB/T4746—2002 ， 封 头 为 DN1000 8 ，曲面高度
h1 250mm ，直边高度 h2 40mm ，如图 7-47 所示，材料选用 20R 钢。
下封头与裙座焊接，直边高度取 h2 40mm 。 （6）容器法兰的选择 材料选用 16MnR.。根据 JB/T 4703—2000 标准，选用 DN1000 ， PN1.6MPa 的榫 槽密封面长劲 对焊法兰。法兰尺寸如图 7-48 所示。
图 7—47 椭圆形封头 （7）管板尺寸确定
图 7—48 容器法兰
管壳式换热器的机械设计举例
1. 已知条件
（1）气体工作压力 管程：半水煤气 0.70 MPa 壳程：变换气 0.68 MPa （2）壳、管壁温差 50 ℃， t t t s 壳程介质温度为 220 ~ 400 ℃，管程介质温度为 180 ~ 370 ℃。 （3）由工艺计算求得换热面积为 130 ㎡。
t
则
11.8 106 0.21106 50 23.7( MPa) 107211 1 25321
23.7 (252 202 ) qt 1.07(MPa) 4 25 50
由已知条件可知， q p 与 qt 的作用方向相同，都使管子受压，则管子的拉脱力：
M 30 1000 法兰 PN1.0 DN 50
接管
HG 20592
57 3.5 l 858 法兰 PN1.0 DN 200
接管
219 6 l 210
GB/T 8163 GB/T 95-12-100HV GB/T 6170 30—017—06 JB 4705—2000 JB 4703—2000 GB/T6170 JB 4707—2000 HG 20592 GB 8163 JB /T 4736—2002 GB/T 95-12-100HV GB 64—62 JB /T 4736—2002 HG 20592 GB 8163 GB/T9019—2001 30—017—05 30—017—05 GB 8163 列管