1、 88 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
2、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 类型 固定管式换热器 浮头式换热器 U 型管式换 热器 结构特点 换热器的管端以焊接或胀接的方法固定在两块板上，管板以焊接的方法与壳体相连 换热器中一块管板与壳体固定，另一块管板能自由移动 换热管被弯成 U 形，
3、管的两端固定在同一管板上 设备性能 当壳体直径相同时便于排更多的管子， 管内不易积垢 壳程难以清洗 在壳体与管中产生很大的温差应力 管束可抽取 管内、外都能清洗 一块管板可自由移动 在壳体与管中不会产生温差应力 只有一块管板 管束可以从壳体中抽出 管外清洗方便 管内清洗困难 在壳体与管中不会产生温差应力 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。 89 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
4、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
5、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、90 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-
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。 91 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
7、 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
8、400 凹面 变换气 e 1/2” 螺纹 排水口 92 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
9、变换气 e 1/2” 螺纹 排水口 93 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 38 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-
10、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
11、圆筒计算厚度 cit cpD2P （ 6-1） 式中 计算压力 cP 1 .1 1 .4 3 1 .5 7 M Pa ； 内直径 iD 800mm 材料许用应力 t 142MPa 焊缝系数 =0.85（采用双面焊、局部无损探伤）以上数值代入式（ 6-1）得 1 . 5 7 8 0 0 5 . 2 4 m m2 1 4 2 0 . 8 5 1 . 5 7 94 按 GB150-98 碳素钢或低合金钢容器的最小厚度不小于 3mm，该厚度值不包括厚度附加量C=2mm 即 e 6mm 。 壳程圆筒的液压试验及压力试验时应力校核。 试验液体为水，试验压力 PT 按下式 T t 170P 1 . 2 5
12、1 . 2 5 1 . 5 7 2 . 3 5 M Pa142 压力试验时，圆筒的总体薄膜应力按下式 T i eT tseP D 2 .3 5 8 0 0 6 1 8 5 0 .9 0 .9 2 2 7 2 0 4 .3 M Pa2 2 6 0 .8 5 6.3.1.2 管箱 （ 1）锥形封头 如图 6-2 所示为带折边锥形封头，根据工作条件选择锥形 封头材料为 15CrMoR（正火加回火）钢板。在常温时许用应力为 150MPa，在设计温度 420时的许用应力为 115.6MPa，屈服限为 229.4MPa。 图 6-3 锥形封头 按 GB150-98 式（ 6-10），式（ 6-11） 过渡
13、段厚度 ciht ck P D2 0 .5 P （ 6-10） 与过渡段相接处的锥壳厚度 ciht cfP D0.5P （ 6-11） 式中 计算压力 Pc=1.1 1.53=1.68MPa 内直径 Di=800mm 材料许用应力 t=115.6MPa 95 焊缝系数 =0.85（采用双面焊、局部无损探伤） 系数 K=0.682（采用标准封头 r/Di=0.15, =30） f=0.554（同上） K、 f 值分别由 GB0-98 表 6-4、表 6-5 查得。 以上数值代入式（ 6-10）、式（ 6-11）得 h 0 . 6 8 2 1 . 6 8 8 0 0 4 . 7 0 m m2 1
14、1 5 . 6 0 . 8 5 0 . 5 1 . 6 8 h 0 . 5 5 4 1 . 6 8 8 0 0 7 . 6 4 m m1 1 5 . 6 0 . 8 5 0 . 5 1 . 6 8 取 h 7.7mm ，附加厚度 c=2mm 选取 he 10mm 锥形封头的水压试验压力 Tc t 150P 1 . 2 5 P 1 . 2 5 1 . 6 8 2 . 2 7 M P a1 1 5 . 6 壳程圆筒和封头计算参见 GB150-98。 （ 2）管箱法兰 选 JB/T4703-2000 长颈对焊法兰 PN=2.5MPa， DN800，材料为 15CrMo。法兰密封面型式为凹凸面，连接尺
15、寸（参阅图 6-4） 如下： Di=800mm 0=16mm Db=915mm 1=26mm Df=960mm H=115mm D4=863mm f=52mm（不包括厚度附加量） 垫片采用金属包垫片 865 825JB/T4706-200 由 GB150-98 表 9-2 查得 m=3.75， y=52.4MPa选 32 个材料为 35CrMoA等长双头螺栓 M24 160JB/T4707-2000。 1 螺栓计算 预紧状态下需要的最小螺栓载荷按式 GB150-98 式（ 9-4）计算： a a GW F 3 .1 4 D b y （ 6-12） 式中 垫片有效密封宽度 b 垫片接触宽度 8
16、6 5 8 2 5N 2 0 m m2 按 GB150-98 表 9-1 得垫片基本密封宽度0 N 2 0 1 0 m m22b 由于 b6.4mm 则0b 2 .5 3 b 2 .5 3 1 0 8 m m 垫片压紧力中心直径 G4D D 2 b 8 6 3 2 8 8 4 7 m m 96 垫片比压力 y=52.4MPa（见 GB150-98 表 9-2） 以上数值代入式（ 9-2）得 6aW 3 . 1 4 8 4 7 8 5 2 . 4 1 . 1 1 5 1 0 N 操作状态下需要的最小垫片压紧力按 GB150-98 式（ 9-5）计算： 2p p G c G cW F F 0 .
17、7 8 5 D P 6 . 2 8 D b m P （ 6-13） 式中 由上已知 b=8mm， DG=847mm 垫片系数 m=3.75 管程设计压力 p=1.68MPa 以上数值代入式（ 9-5）得 2p6 6 6W 0 . 7 8 5 8 4 7 1 . 6 8 6 . 2 8 8 4 7 8 3 . 7 5 1 . 6 80 . 9 4 6 1 0 0 . 2 6 8 1 0 1 . 2 1 4 1 0 预紧状态下需要的最小螺栓面积按 GB150-98 式（ 9-6）计算： aa bWA （ 6-14） 操作状态下需要的最小螺栓面积按 GB150-98 式（ 9-7）计算： pp tb
18、WA（ 6-15） 式中 常温下螺栓材料许用应力 b=228MPa 在设计温度 420下螺栓材料许用应力 tb 163 .6 MP a 代入式（ 9-6）、式（ 9-7）得 6 2a 1 .1 1 5 1 0A 4 8 9 0m m2286 2p 1 .2 1 4 1 0A 7 4 2 0 .5 m m1 6 3 .6需要的螺栓面积 2mpA A 7 4 2 0 .5 m m 实际螺栓面积 22b 0 02A n d d 2 0 .7 5 m m 3 2 0 .7 8 5 2 0 .7 541 0 8 1 5 .7 3 m m bmAA 所需螺栓面积足够。 97 螺栓最小间距 L 由 GB15
19、0-98 表 9-3 确定 当 Bd 24 时， minL 56mm 推荐的螺栓最大间距 fm a xB 6L 2 d m mm 0 .5 （ 6-16） 式中 螺栓公称直径 Bd 24mm 法兰厚度 f 52mm 垫片系数 m 3.75 以上数值代入式（ 9-3）得 m a x 6 5 2L 2 2 4 1 2 1 . 4m m3 . 7 5 0 . 5 实际间距 bD 3 . 1 4 9 1 5L = 8 9 . 7 8 m mn 3 2 min maxL LL 螺栓布置符合要求 2 法兰计算 法兰预紧力矩按 GB150-98 式（ 9-10）计算： a B GM F L N m m （
20、6-17） 式中 预紧状态螺栓设计载荷按 GB150-98 式（ 9-8）计算： 6mbG b 7 4 2 0 . 5 1 0 8 1 5 . 7 3 2 2 8AAW F 2 . 0 8 1 0 N22 力臂 bGG DD 9 1 5 8 4 7L 3 4 m m22 以上数值代入式（ 9-10） 67aM 2 . 0 8 1 0 3 4 7 . 0 7 2 1 0 N m m 法兰操作力矩按 GB150-98 式（ 9-11）计算： p D D T T G GM F L F L F L N m m （ 6-18） 式中作用于法兰内径截面上的流体静压轴向力 2 2 6D i cF 0 . 7 8 5 D P 0 . 7 8 5 8 0 0 1 . 6 8 0 . 8 4 4 1 0 N
