管壳式换热器设计实例

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》
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
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
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
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
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 ㎡。
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
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 107211 0.376 106 ( N ) At AS 107211 25321
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
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。
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
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
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
2.54 106 ( N )
压力作用于壳体上的轴向力 F2 ：
F2
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

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
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：
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
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
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 )
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。
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。
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
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