管壳式换热器的结构设计

管壳式换热器的结构设计

摘要

本文首先叙述了管壳式换热器的概念意义、发展历史、应用和发展前景、市场状况等。以及关于管壳式换热器标准的常见问题，管壳式换热器的结构形式及传热性能比较，管壳式换热器的特性与用途及优缺点分析，进而确定设计换热器的类型。

本文设计主要是一些管壳式换热器结构的主要部件的确定跟选择，由于篇幅原因，一些小的参数跟附件并未涉及。换热器的设计部分主要包括管子数确定及其排列方式，壳体壁厚计算，封头和容器法兰的选择，还有折流板支座的设计等。管壳式换热器的结构设计，是为了保证换热器的质量和运行寿命，必须考虑很多因素，如材料、压力、温度、壁温差、结垢情况、流体性质以及检修与清理等等来选择某一种合适的结构形式。

对同一种形式的换热器，由于各种条件不同，往往采用的结构亦不相同。在工程设计中，除尽量选用定型系列产品外，也常按其特定的条件进行设计，以满足工艺上的需要（得到适合工况下最合理最有效也最经济的便于生产制造的换热器等等）。

关键词：管壳式换热器 管壳式换热器结构

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Structure design of shell-and-tube heat exchanger

Abstract

This paper first describes the shell and tube heat exchanger conceptual meaning , history, application and development prospects, market conditions . And on shell and tube heat exchanger standards FAQs , shell and tube heat exchanger structure and heat transfer performance compared to shell and tube heat exchanger analysis of the characteristics and uses , advantages and disadvantages , and to determine the design of the heat exchanger types.

This design choice is mainly identified with some of the major components of the shell and tube heat exchanger structure due to space reasons, some small argument with attachments not involved . The main part of the heat exchanger design includes determining the number and arrangement of tubes , shell wall thickness calculation , head and vessel flange options, there are baffles bearing design. Shell and tube heat exchanger design of the heat exchanger in order to ensure the quality and operating life , you must consider many factors , such as material , pressure, temperature , wall temperature, fouling , fluid properties , and to repair and clean-up , etc. select one of the appropriate structure.

A form of the same heat exchanger, a variety of different conditions , is not the same structure are often used . In engineering design , in addition to try to use styling products , but also often carried out in accordance with specific conditions designed to meet the needs of workmanship ( to get the most reasonable and appropriate conditions effective to facilitate also the most economical manufacturing heat exchangers etc. ) .

Keywords : shell and tube heat exchanger shell and tube heat exchanger structure

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目录

摘要 .......................................................................................................................................... I 1绪论 ...................................................................................................................................... 1

1.1换热器的概念及意义 ............................................................................................... 1 1.2换热器的发展历史 ................................................................................................... 1 1.3换热器的应用和发展前景 ....................................................................................... 2 1.4换热器的市场状况 ................................................................................................... 3 1.5管壳式换热器的分类以及各自特点 ....................................................................... 4

1.5.1 固定管板式换热器 ....................................................................................... 4 1.5.2 浮头式换热器浮头 ....................................................................................... 5 1.5.3 U形管式换热器 ............................................................................................. 5 1.5.4 填料函式换热器 ........................................................................................... 6 .1.6管壳式换热器的设计与选型 .................................................................................. 7

1.6.1管壳式换热器的设计与选型 ........................................................................ 7 1.6.2．设计与选型的具体步骤 ............................................................................. 9 1．7设计条件 .............................................................................................................. 10 2换热器设计部分 ................................................................................................................ 11

2.1管数的确定 ............................................................................................................. 11 2.2管子排列方式、管间距的确定 ............................................................................. 11 2.3换热器壳体直径的确定 ......................................................................................... 12 2.4换热器壳体壁厚的计算 ......................................................................................... 12

2.4.1厚度计算 ...................................................................................................... 12 2.4.2校核水压试验强度 ...................................................................................... 13 2.4.3强度校核 ...................................................................................................... 13 2.5换热器封头的选择 ................................................................................................. 14 2.6容器法兰的选择 ..................................................................................................... 14 2.7管板尺寸的确定 ..................................................................................................... 15 2.8管子拉脱力的计算 ................................................................................................. 15 2.9计算是否安装膨胀节 ............................................................................................. 17 2.10折流板设计 ........................................................................................................... 18 2.11开孔补强 ............................................................................................................... 20 2.12支座 ....................................................................................................................... 21

2.12.1裙座设计 .................................................................................................... 21

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2.12.2基础环设计 ................................................................................................ 23 2.12.3地脚栓的设计 ............................................................................................ 24

符号说明 ............................................................................................................................... 26 参考文献 ............................................................................................................................... 29

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1绪论

1.1换热器的概念及意义

换热器（英语翻译：heat exchanger），是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，又称热交换器。换热器是化工、石油、动力、食品及其它许多工业部门的通用设备，在生产中占有重要地位。在化工生产中换热器可作为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等，应用更加广泛。[1]

换热器是化工、石油、能源等各工业中应用相当广泛的单元设备之一。据统计 ,在现代化学工业中换热器的投资大约占设备总投资的30%, 在炼油厂中占全部工艺设备的40%左右,海水淡化工艺装置则几乎全部是由换热器组成的。对国外换热器市场的调查表明 ,虽然各种板式换热器的竞争力在上升 ,但管壳式换热器仍占主导地位约%。新型换热元件与高效换热器开发研究的结果表明 ,列管式换热器已进入一个新的研究时期,无论是换热器传热管件 ,还是壳程的折流结构都比传统的管壳式换热器有了较大的改变,其流体力学性能、换热效率、抗振与防垢效果从理论研究到结构设计等方面也均有了新的进步。目前各国为改善该换热器的传热性能开展了大量的研究 ,主要包括管程结构和壳程结构强化传热的发展。[2] 1.2换热器的发展历史

二十世纪20年代出现板式换热器，并应用于食品工业。以板代管制成的换热器，结构紧凑，传热效果好，因此陆续发展为多种形式。30年代初，瑞典首次制成螺旋板换热器。接着英国用钎焊法制造出一种由铜及其合金材料制成的板翅式换热器，用于飞机发动机的散热。30年代末，瑞典又制造出第一台板壳式换热器，用于纸浆工厂。在此期间，为了解决强腐蚀性介质的换热问题，人们对新型材料制成的换热器开始注意。

60年代左右，由于空间技术和尖端科学的迅速发展，迫切需要各种高效能紧凑型的换热器，再加上冲压、钎焊和密封等技术的发展，换热器制造工艺得到进一步完善，从而推动了紧凑型板面式换热器的蓬勃发展和广泛应用。此外，自60年始，为了适应高温和高压条件下的换热和节能的需要，典型的管壳式换热器也得到了进一步的发展。70年代中期，为了强化传热，在研究和发展热管的基础上又创制出热管式换热器。

换热器中流体的相对流向一般有顺流和逆流两种。顺流时，入口处两流体的温差最大，

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并沿传热表面逐渐减小，至出口处温差为最小。逆流时，沿传热表面两流体的温差分布较均匀。在冷、热流体的进出口温度一定的条件下，当两种流体都无相变时，以逆流的平均温差最大顺流最小。

在完成同样传热量的条件下，采用逆流可使平均温差增大，换热器的传热面积减小；若传热面积不变，采用逆流时可使加热或冷却流体的消耗量降低。前者可节省设备费，后者可节省操作费，故在设计或生产使用中应尽量采用逆流换热。

当冷、热流体两者或其中一种有物相变化(沸腾或冷凝)时，由于相变时只放出或吸收汽化潜热，流体本身的温度并无变化，因此流体的进出口温度相等，这时两流体的温差就与流体的流向选择无关了。除顺流和逆流这两种流向外，还有错流和折流等流向。

在传热过程中，降低间壁式换热器中的热阻，以提高传热系数是一个重要的问题。热阻主要来源于间壁两侧粘滞于传热面上的流体薄层(称为边界层)，和换热器使用中在壁两侧形成的污垢层，金属壁的热阻相对较小。

增加流体的流速和扰动性，可减薄边界层，降低热阻提高给热系数。但增加流体流速会使能量消耗增加，故设计时应在减小热阻和降低能耗之间作合理的协调。为了降低污垢的热阻，可设法延缓污垢的形成，并定期清洗传热面。

一般换热器都用金属材料制成，其中碳素钢和低合金钢大多用于制造中、低压换热器；不锈钢除主要用于不同的耐腐蚀条件外，奥氏体不锈钢还可作为耐高、低温的材料；铜、铝及其合金多用于制造低温换热器；镍合金则用于高温条件下；非金属材料除制作垫片零件外，有些已开始用于制作非金属材料的耐蚀换热器，如石墨换热器、氟塑料换热器和玻璃换热器等。[3]

1.3换热器的应用和发展前景

换热器是一种在不同温度的两种或两种以上流体间实现物料之间热量传递的节能设备，是使热量由较高的流体传递给温度较低的流体，使流体温度达到流程规定的指标，以满足过程工艺条件的需要，同时也提高能源利用率的主要设备之一。换热器行业涉及暖通、压力容器、中水处理设备等近30多种产业，相互形成产业链条。

据《2013-2017年中国换热器行业发展前景预测与转型升级分析报告》数据显示2010年中国换热器产业市场规模在500亿元左右，主要集中于石油、化工、冶金、电力、船舶、集中供暖、制冷空调、机械、食品、制药等领域。其中，石油化工领域仍然是换热器产业最大的市场，其市场规模为150亿元;电力冶金领域换热器市场规模在80亿元左右;船舶工业换热器市场规模在40亿元以上;机械工业换热器市场规模约为40亿元;集中供暖行业换热器市场规模超过30亿元，食品工业也有近30亿元的市场。另外，航天飞行器、半导体器件、核电常规岛核岛、风力发电机组、太阳能光伏发电多晶硅生产等领域都需要大量的

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专业换热器，这些市场约有130亿元的规模。

近年来国内换热器行业在节能增效、提高传热效率、减少传热面积、降低压降、提高装置热强度等方面的研究取得了显著成绩。基于石油、化工、电力、冶金、船舶、机械、食品、制药等行业对换热器稳定的需求增长，我国换热器行业在未来一段时期内将保持稳定增长，前瞻网预计2011年至2020年期间，我国换热器产业将保持年均10-15%左右的速度增长，到2020年我国换热器行业规模有望达到1500亿元。目前，全国换热设备市场呈现出供不应求的市场状态，换热设备产业正处在黄金增长期。

世界换热器产业的总市场规模在500亿美元左右。其中，欧盟和美国这两大市场的规模约占200亿美元，占全球换热器市场近40%的份额。世界换热器市场新的增长点集中于中国、俄罗斯、巴西、印度“金砖四国”和快速发展的东南亚市场。其中，“金砖四国”约占全球换热器市场近30%的份额。

中国、俄罗斯、巴西、印度和东南亚换热器市场是最近几年增长较快的国家和地区。这些地区近些年来的经济发展速度较快，对换热器设备的需求增加较多。印度最近几年在军工、造船领域发展较快，对该领域换热器的需求较大（一艘航空母舰需要换热器约600-700万美元）；俄罗斯地处高纬度地区，军工、重化工产业发达，对集中供热用换热器和工业用换热器市场需求巨大，但俄罗斯不能生产0.5mm不锈钢板，因此不具备生产换热器的条件，换热器基本依靠进口，主要是整机进口或进口板片组装，原材料成本居高不下使俄罗斯市场上的换热器价格很高；另外，东南亚国家近些年来经济发展迅速，大规模的能源电力等基础建设对换热器产品的需求出现较大的增长。

在世界范围内，虽然目前管壳式换热器仍占主导地位，但各种板式换热器的竞争力在逐渐上升。世界换热器产业在产品与技术方面的发展趋势主要表现为产品大型化、高效化、节能化，此外，换热器新材料的开发应用、产品技术的更新换代、不同应用领域产品的细分化也都是行业的发展趋势。

随着工业装置的大型化及高效化，世界换热器也趋于大型化，并向低温差、低压力损失方向发展，在大型化的同时也提高了产品的换热效率，更加体现节能减排。在管壳式换热器领域，世界大型管壳式换热器直径已经突破4.5m，部分甚至达到了5m以上，出现了换热面积超过10000m2的超大型管壳式换热器；目前，板壳式换热器、空气预热器的最大单台换热面积也都超过了10000m2。[4] 1.4换热器的市场状况

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160140120100806040200 图1.1换热器行业发展前景预测图

前瞻产业研究院发布的《2012-2016

年中国换热器行业发展前景预测与转型升级分析报

告》显示，2010年中国换热器产业市场规模在500亿元左右，主要集中于石油、化工、冶金、电力、船舶、集中供暖、制冷空调、机械、食品、制药等领域。其中，石油化工领域仍然是换热器产业最大的市场，其市场规模为150亿元;电力冶金领域换热器市场规模在80亿元左右;船舶工业换热器市场规模在40亿元以上;机械工业换热器市场规模约为40亿元;集中供暖行业换热器市场规模超过30亿元，食品工业也有近30亿元的市场。 1.5管壳式换热器的分类以及各自特点

基本类型根据管壳式换热器的结构特点可分为固定管板式、浮头式、U形管式和填函式四类。[5]

1.5.1 固定管板式换热器

固定管板式换热器管束连接在管板上管板与壳体焊接。

（1）优点：传热面积比浮头式换热器大，旁路漏流较水，锻件使用较少，没有内漏。 （2）缺点：不适用于换热管与壳程圆筒的热膨胀变形差很大的场合管板与管头之间易产生温差应力而损坏为了减少热应力通常在固定管板式换热器中设置柔性元件如设置膨胀节来吸收热膨胀差；壳程无法机械清洗不适用于壳程结垢的场合；管子腐蚀后造成连同壳体报废壳体部件寿命决定于管子寿命故设备寿命相对较低。

（3）适用的场合：设备需要尽少使用法兰密封面的场合；管壳程金属温差不是很大

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的场合；壳程流体清洁无需经常抽出管束清洗的场合。

图1.2固定管板式换热器结构图

1.5.2 浮头式换热器浮头

浮头式换热器的两端管板中只有一端与壳体固定另一端可相对壳体自由移动称为浮头。浮头由浮头管板、钩圈和浮头端盖组成是可拆连接管束可从壳体内抽出。管束与壳体的热变形互不约束因而不会主生热应力。浮头式换热器的特点。

（1）优点：管束可以抽出以方便清洗管程、壳程；壳程壁与管壁不受温差；可在高温、高压下工作一般温度T≤450℃P ≤6.4MPa；可用于结垢比较严重的场合；可用于管程腐蚀场合。

（2）缺点:浮头端易发生内漏；金属材料耗量大成本高；结构复杂.。

（3）可用的场合：管壳程金属温差很大场合；壳程介质易结垢要求经常清洗的场合。

图1.3浮头式换热器结构图

1.5.3 U形管式换热器

U形换热器的结构特点是只有一块管板管束由多根U形管组成管的两端固定在同一块管板上管子可以自由伸缩。当壳体与U形换热管有温差时不会产生热应力。由于受弯管曲

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率半径的其换热管排布较少管束最内层管层管间距较大管板的利用率较低壳程流体易形式成短路对传热不利。当管子泄漏损坏时只有管束外围处的U形管才便于更换内层换热管坏了不能更换只能堵死而坏一根U形相当于坏两根管报废率较高。

（1）优点：管束可抽出来机械清洗壳体与管壁不受温差可在高温、高压下工作一般适用于T≤500℃P ≤10MPa；可用于壳程结垢比较严重的场合；可用于管程易腐蚀场合。

（2）缺点:在管子的U型处易冲蚀应控制管内流速；管程不适用于结垢较重的场合；因死区较大只适用于内导流筒；单管程换热器不适用。

（3）可用的场合:管程走清洁流体；管程压力特别高；管壳程金属温差很大固定管板换热器连设置膨胀节都无法满足要求的场合。

图1.4 U形管式换热器结构图

1.5.4 填料函式换热器

填料函式换热器的结构特点与浮头式换热器相类似，浮头部分露在壳体以外，在浮头与壳体的滑动接触面处采用填料函式密封结构。由于采用填料函式密封结构，使得管束在壳体轴向可以自由伸缩，不会产生壳壁与管壁热变形差而引起的热应力。填料函式换热器现在已很少采用。

（1）优点：比浮头式换热器简单，加工制造方便，节省材料，造价低廉，管束可以抽出，清洗、维修方便。

（2）缺点：填料处易产生泄露，不适用于易挥发、易燃、易爆、有毒及贵重介质，使用温度也受填料的。

（3）适用范围：适用于4MPa以下的工作条件。

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图1.5填料函式换热器结构图

.1.6管壳式换热器的设计与选型

管壳式换热器是一种传统的标准换热设备，它具有制造方便、选材面广、适应性强、处理量大、清洗方便、运行可靠、能承受高温、高压等优点，在许多工业部门中大量使用，尤其是在石油、化工、热能、动力等工业部门所使用的换热器中，管壳式换热器居主导地位。

1.6.1管壳式换热器的设计与选型

换热器的设计是通过计算，确定经济合理的传热面积及换热器的其它有关尺寸，以完成生产中所要求的传热任务。

1．设计的基本原则

（1）流体流径的选择流体流径的选择是指在管程和壳程各走哪一种流体，此问题受多方面因素的制约，下面以固定管板式换热器为例，介绍一些选择的原则。

①不洁净和易结垢的流体宜走管程，因为管程清洗比较方便。

②腐蚀性的流体宜走管程，以免管子和壳体同时被腐蚀，且管程便于检修与更换。 ③压力高的流体宜走管程，以免壳体受压，可节省壳体金属消耗量。 ④被冷却的流体宜走壳程，可利用壳体对外的散热作用，增强冷却效果。 ⑤饱和蒸汽宜走壳程，以便于及时排除冷凝液，且蒸汽较洁净，一般不需清洗。 ⑥有毒易污染的流体宜走管程，以减少泄漏量。

⑦流量小或粘度大的流体宜走壳程，因流体在有折流挡板的壳程中流动，由于流速和流向的不断改变，在低Re（Re>100）下即可达到湍流，以提高传热系数。

⑧若两流体温差较大，宜使对流传热系数大的流体走壳程，因壁面温度与α大的流体接近，以减小管壁与壳壁的温差，减小温差应力。

以上讨论的原则并不是绝对的，对具体的流体来说，上述原则可能是相互矛盾的。因此，在选择流体的流径时，必须根据具体的情况，抓住主要矛盾进行确定。

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（2）流体流速的选择流体流速的选择涉及到传热系数、流动阻力及换热器结构等方面。增大流速，可加大对流传热系数，减少污垢的形成，使总传热系数增大；但同时使流动阻力加大，动力消耗增多；选择高流速，使管子的数目减小，对一定换热面积，不得不采用较长的管子或增加程数，管子太长不利于清洗，单程变为多程使平均传热温差下降。因此，一般需通过多方面权衡选择适宜的流速。

（3）冷却介质（或加热介质）终温的选择在换热器的设计中，进、出换热器物料的温度一般是由工艺确定的，而冷却介质（或加热介质）的进口温度一般为已知，出口温度则由设计者确定。如用冷却水冷却某种热流体，水的进口温度可根据当地气候条件作出估计，而出口温度需经过经济权衡确定。为了节约用水，可使水的出口温度高些，但所需传热面积加大；反之，为减小传热面积，则可增加水量，降低出口温度。一般来说，设计时冷却水的温度差可取5~10℃。缺水地区可选用较大温差，水源丰富地区可选用较小的温差。若用加热介质加热冷流体，可按同样的原则选择加热介质的出口温度。

（4）管子的规格和管间距

①管子规格的选择包括管径和管长。目前试行的管壳式换热器系列只采用25×2.5mm及19×2mm两种管径规格的换热管。对于洁净的流体，可选择小管径，对于易结垢或不洁净的流体，可选择大管径。管长的选择以清理方便和合理使用管材为原则。我国生产的标准钢管长度为 6m，故系列标准中管长有 1.5、2、3 和 6m 四种。此外管长 和壳径 的比例应适当，一般为4~6。

②管间距管子的中心距 t 称为管间距，管间距小，有利于提高传热系数，且设备紧凑。但由于制造上的，一般为管的外径。

（5）管程和壳程数的确定

①管程数的确定当换热器的换热面积较大而管子又不能很长时，就得排列较多的管子，为了提高流体在管内的流速，需将管束分程。但是程数过多，导致管程流动阻力加大，动力能耗增大，同时多程会使平均温差下降，设计时应权衡考虑。管壳式换热器系列标准中管程数有 1、2、4、6 四种。采用多程时，通常应使每程的管子数相等。

②壳程数的确定当温度差校正系数时，应采用壳方多程。壳方多程可通过安装与管束平行的隔板来实现。流体在壳内流经的次数称壳程数。但由于壳程隔板在制造、安装和检修方面都很困难，故一般不宜采用。常用的方法是将几个换热器串联使用，以代替壳方多程。

（6）折流档板的选用安装折流挡板的目的是为了加大壳程流体的速度，使湍动程度加剧，提高壳程流体的对流传热系数。

折流挡板有弓形、圆盘形、分流形等形式，其中以弓形挡板应用最多。挡板的形状和间距对壳程流体的流动和传热有重要的影响。弓形挡板的弓形缺口过大或过小都不利于传热，还往往会增加流动阻力。通常切去的弓形高度为外壳内径的10~40%，常用的为 20%

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和25% 两种。挡板应按等间距布置，挡板最小间距应不小于壳体内径的1/5，且不小于50mm；最大间距不应大于壳体内径。系列标准中采用的板间距为：固定管板式有150、300 和600mm 三种；浮头式有150、200、300、480和 600mm五种。板间距过小，不便于制造和检修，阻力也较大；板间距过大，流体难于垂直流过管束，使对流传热系数下降。

（7）外壳直径的确定换热器壳体的直径可采用作图法确定，即根据计算出的实际管数、管长、管中心距及管子的排列方式等，通过作图得出管板直径，换热器壳体的内径应等于或稍大于管板的直径。但当管数较多又需要反复计算时，用作图法就太麻烦。一般在初步设计中，可参考壳体系列标准或通过估算初选外壳直径，待全部设计完成后，再用作图法画出管子的排列图。为使管子排列均匀，防止流体走“短路”，可以适当地增加一些管子或安排一些拉杆。

（8）流体通过换热器的流动阻力（压降）计算流体流经管壳式换热器的阻力，应按管程和壳程分别计算。

①管程流动阻力计算对于多管程换热器，其总阻力 为各程直管阻力、回弯阻力及进、出口阻力之和。相比之下，进、出口阻力较小，一般可忽略不计。

②壳程流动阻力的计算用于计算壳程流动阻力的公式很多，由于壳程流体的流动状况较为复杂，用不同的公式计算结果差别很大。 1.6.2．设计与选型的具体步骤

管壳式换热器的设计计算步骤如下： （1）估算传热面积，初选换热器型号 ①根据换热任务，计算传热量。 ②确定流体在换热器中的流动途径。

③确定流体在换热器中两端的温度，计算定性温度，确定在定性温度下的流体物性。 ④计算平均温度差，并根据温度差校正系数不应小于0.8的原则，确定壳程数或调整加热介质或冷却介质的终温。

⑤根据两流体的温差和设计要求，确定换热器的型式。 ⑥依据换热流体的性质及设计经验，选取总传热系数值 。

⑦依据总传热速率方程，初步算出传热面积 ，并确定换热器的基本尺寸或按系列标准选择设备规格。

（2）计算管、壳程压降根据初选的设备规格，计算管、壳程的流速和压降，检查计算结果是否合理或满足工艺要求。若压降不符合要求，要调整流速，再确定管程和折流挡板间距，或选择其它型号的换热器，重新计算压降直至满足要求为止。

（3）核算总传热系数计算管、壳程对流传热系数，确定污垢热阻，再计算总传热系

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数，然后与值比较，若相同，则初选的换热器合适，否则需另选值，重复上述计算步骤。 1．7设计条件

（1）气体工作压力

管程：半水煤气（0.85Mpa） 壳程：变换气（0.80Mpa） （2）壳、管壁温差50℃，tt＞ts

壳程介质温度为320-450℃，管程介质温度为280-420℃。 （3）由工艺计算求得换热面积为130m2。

（4）壳体与封头材料在低合金高强度刚中间选用，并查出其参数，接管及其他数据根据表7-15、7-16选用。

（5）壳体与支座对接焊接，塔体焊接接头系数Φ=0.9

（6）图纸：参考图7-52，注意：尺寸需根据自己的设计的尺寸标注。

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2换热器设计部分

2.1管数的确定

选用φ25×2.5的无缝钢管，材质为20号钢，管长为3m。

表2.1管规格

名称 规格

接管公称直径/mm

25

接管外径×厚度×长度/mm

25×2.5×3000

因为

Fd （1.1） 均Ln所以

nF130 ==613（根）25-2.5d均L（）31000其中，根据GB 151-1999[7]因安排拉杆需减少6根，实际管数为607根。 2.2管子排列方式、管间距的确定

换热管的排列方式一般有一下几种：正三角形、转角正三角形、正方形和转角正方形。 （1）正三角形和转角正三角形排列适用于壳程介质污垢少，且不需要进行机械清洗的场合。排列方式如图2.1所示。

图2.1正三角形排列的管子

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（2）正方形和转角正方形排列能够使管间小桥形成一条直线通道，可用于机械方法进行清洗，一般可用于管束可抽出以清洗管间的场合。排列方式如图2.2所示。

图2.2正方形排列的管子

因为本次设计的所用的是变换气，具有污垢少，不需要的机械清洗，所以选用正三角形排列。

由《化工设备机械基础》书中的表7-4（以下直接说表名，书名省略）查的层数为13层。[5] 查表7-5，去管间距a32mm。 2.3换热器壳体直径的确定

因为

Dia l （1.2） (b1)2查表7-4得b为27，由2.2得l2d0。 所以

Di32(271)2225932mm

圆整后取壳体内径Di1000mm。 2.4换热器壳体壁厚的计算 2.4.1厚度计算

材料选用Q245R钢材，计算压力pc1.0MPa，设壳体温度为350℃，查附录6-1处查

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的[]t98MPa，由设计条件可得φ=0.9，所以：

PcDi2[]tP11000980.915.70mm c2取C21.2mm，查表4-9得C10.3mm。

圆整后n+C1C2圆整量=5.70+0.3+1.2+0.8=8mm 2.4.2校核水压试验强度

根据

PT(Die)T20.9ReL e有效壁厚

enC81.56.5mm

试验压力

PT1.25P[][]t1.25111.25MPa 则T(Die)6.5)TP1.25(1000226.596.78MPa e查附表6-1得ReL245MPa，所以：0.9ReL0.92450.9198.45MPa因为T0.9ReL，所以水压试验强度足够。 2.4.3强度校核

最大允许工作压力[PW]

P2[]te2WKD980.96.5110000.56.51.14MPa i0.5e因为Pc[PW]，所以该贮罐强度足够。

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(1.3) 北京理工大学珠海学院 课程设计

2.5换热器封头的选择

受内压或受外压容器封头，按其形状可分为凸形封头、锥形封头和平概、变径段、紧缩口等。其中凸形封头包括半球型封头、椭圆封头、碟形封头和球冠形封头。椭圆形封头沿经线各点的应立是变化的，顶点处应力最大，在赤道上可能出现环向压应力。标准椭圆形封头(Di/2hi2)与壁厚相等的圆筒体相连接时，可以达到与圆筒体等强度。所以本次设计采用标准椭圆形封头。

根据GB/T 25198-2010标准，封头为DN1000×8，曲面高度h1250mm，直边高度

h225mm，材料选择Q245R。封头壁厚为：

PcDi110005.69mm

2[]t0.5Pc2980.90.51取C21.2mm，查表4-9得C10.3mm。

圆整后n+C1C2圆整量=5.69+0.3+1.2+0.81=8mm 复验：n6%86%0.48mm0.25mm，故符合要求。

图2.3标准椭圆封头

2.6容器法兰的选择

材料选用Q345R。根据NB/T 47023-2012标准，选用DN1000，PN1.6MPa的榫槽密封面长颈对接法兰。法兰尺寸如图2.4所示。

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图2.4容器法兰

2.7管板尺寸的确定

选用固定式换热器管板，并兼作法兰，查相关标准得ptps1.6MPa（取管板的公称压力为1.6MPa）的碳钢管板尺寸，如图2.5所示

图2.5管板

2.8管子拉脱力的计算

计算数据按表2.2选取

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表2.2

项目 操作压力/MPa 操作温度/℃

材质 线膨胀系数/(1/℃) 弹性模量/MPa 许用压力/MPa 尺寸/mm 管子根数 排列方式 管壁温差/℃ 管间距/mm 管子与管板连接结构

胀接长度/mm 许用脱应力/MPa

管子 0.85 420 20钢 13.72×10-6 0.159×106

83 f 25×2.5×3000

607 正三角形 50 a=32 开槽胀接 l=50 [q]=4

壳体 0.82 450 Q245R 13.93×10-6 0.158×106

66 f 1000×8

(1)在操作压力下，管子每平方米胀接周长上的所受到的力 qp其中 f0.866a2pf (1.4) d0l4d020.8663224252396mm2

p0.85MPa，l50mm

qp0.853960.086MPa

3.142550（2）在温差应力导致管子每平米胀接周边上的所受到的力 qt其中 tt(d02di2)4d0l (1.5)

E(ttts)A1tAs (1.6)

AsD中n1008825321mm2

At4(d02di2)n4(252202)607107211mm2

13.721060.1591065020.84MPa 则 t10721112532116

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20.84(252202)qt0.94MPa

42550由已知条件可知，qp与qt的作用方向相同，都使管子受压，则管子的拉脱力：

qqpqt0.0860.941.026MPa[q]4.0MPa

因此，拉脱力在许用的范围内。 2.9计算是否安装膨胀节

（1）管壳壁温差所产生的轴向力F1:

F(ttts)1EA sAAsAt t13.931060.1581065025321107211253211072112.25106N

（2）压力作用于壳体上的轴向力F2:

FQAs2A sAt其中 Q[(D224ind0)psn(d02t)2pt]

24[(1000607252)0.82607(2522.5)20.85]

2.25106N

则 F2.25106253212253211072110.43106N （3）压力作用于管子上的轴向力F3；

FQAt2.251061072113AA1.82106Nst25321107211则 t4.01MPa2[]tt2103206MPa

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(1.7)

(1.8)

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F1F32.251061.82106t4.01MPa

At107211（4）根据GB151-1999《管壳式换热器》

s105.84MPa2[]ts20.9105.9190.62MPa

t4.01MPa2[]tt2103206MPa

q[q]4.0MPa

条件成立，故本换热器不需要安装膨胀节。 2.10折流板设计

设置折流板的目的是为了提高流速，增加湍动，改善传热，在卧式换热器中还起支撑管束的作用。常用的有弓形折流板和圆盘-圆环形折流板，弓形折流板又分为单弓形[图2.6（a）]、双弓形[图2.7（b）]、三重弓形[图2.8（c）]等几种形式。

图2.6弓形折流板和圆盘-圆环形折流板

单弓形折流板用得最多，弓形缺口的高度h为壳体公称直径Dg的15%～45%，最好是20%，见图2.6（a）；在卧式冷凝器中，折流板底部开一90°的缺口，见图2.6（b）。高度为15～20mm，供停工排除残液用；在某些冷凝器中需要保留一部分过冷凝液使凝液泵具有正的吸入压头，这时可采用带堰的折流板，见图2.6（c）。

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图2.7单弓形折流板

在大直径的换热器中，如折流板的间距较大，流体绕到折流板背后接近壳体处，会有一部分液体停滞起来，形成对传热不利的“死区”。为了消除这种弊病，宜采用双弓形折流板或三弓形折流板。

从传热的观点考虑，有些换热器（如冷凝器）不需要设置折流板。但为了增加换热器的刚度，防止管子振动，实际仍然需要设置一定数量的支承板，其形状与尺寸均按折流板一样来处理。折流板与支承板一般均借助于长拉杆通过焊接或定距管来保持板间的距离，其结构形式可参见图2.7。

图2.7折流板安装图

由于换热器是功用不同，以及壳程介质的流量、粘度等不同，折流板间距也不同，其系列为：100mm，150mm，200mm，300mm，450mm，600mm，800mm，1000mm。

允许的最小折流板间距为壳体内径的20%或50mm，取其中较大值。允许的最大折流板间距与管径和壳体直径有关，当换热器内流体无相变时，其最大折流板间距不得大于壳体内径，否则流体流向就会与管子平行而不是垂直于管子，从而使传热膜系数降低。折流板外径与壳体之间的间隙越小，壳程流体介质由此泄漏的量越少，即减少了流体的短路，使传热系数提高，但间隙过小，给制造安装带来困难，增加设备成本，故此间隙要求适宜。

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折流板厚度与壳体直径和折流板间距有关，见表2.3所列数据。

表2.3折流板厚度/ mm

壳体公称内径/mm 200～250 400～700 700～1000 ＞1000

≤300 3 5 6 6

相邻两折流板间距/mm

300～450

5 6 8 10

450～600

6 10 10 12

600～750 10 10 12 16

＞750 10 12 16 16

所以本设计采用弓形折流板。

h33Di1000750mm 44折流板间距取600mm，由表7-7查的折流板最小厚度为6mm，由表7-9查的折流板外径为995.5mm，材料为Q235-A钢，如图2.9所示。

图2.9折流板

拉杆选用12，共六根，材料为20钢。

2.11开孔补强

压力容器为弥补开孔周围区域强度下降而采取的加强措施。壳体开孔后因承载面积减小及应力集中使开孔边缘应力增大且强度受到削弱，为使孔边应力下降至允许范围以内，可采用增加大面积壳体厚度的整体式补强或在开孔附近区域内增加补强元件金属的局部补强。

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换热器壳和封头上的接管出开孔需要补强，常用的结垢是在开孔外面焊上一块与容器壁材料相同和厚度都相同，即为8mm的Q245R钢板。其补强结构如图2.10所示。

图2.10换热器开孔补强结构

2.12支座 2.12.1裙座设计

采用圆筒形裙式支座，裙座与塔体的连接采用焊接，由于对接焊缝的焊缝受压，可承受较大的轴向力，故采用对接形式。取裙座外径与封头外径相等。并且取裙座的厚度与封头的厚度相同，即裙座尺寸为Ф1000×8mm.。裙座材料选用Q235-A。

图2.11裙座壳与壳体的对接型式

无保温层的裙座上部应均匀设置排气孔。

表2.4排气孔规格和数量

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容器内直径Di 排气孔尺寸 排气孔数量/个 排气孔中心线至裙座壳顶端的距离

600~1200 Φ80 2 140

1400~2400 Ф80 4 180

>2400 Ф100 ≥4 220

因此设置两个排气孔，排气孔尺寸为Ф80，排气孔中心线至裙座壳顶端的距离为140

图2.12裙座上部排气孔的设置

塔式容器底部引出管一般需伸出裙座壳外。

表2.5引出孔尺寸

引出管直径d 引出孔的加强管 无缝钢管 卷焊管 20、25 Ф133×4 - 32、40 Ф159×4.5 - 50、70 Ф219×6 Ф200 80、100 Ф273×8 Ф250

引出孔的加强管选用Q235-A的无缝钢管，引出管直径选用20

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图2.13引出孔结构示意图

2.12.2基础环设计

（1）、基础环尺寸的确定

DDibis3001000300700mm

D

cbDis30010003001300mm（2）、基础环的结构，基础环选用有筋板的基础环

图2.14有筋板基础环

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（3）、有筋板基础环厚度的设计

b 大组合应力为

6Ms[]b

操作时或水压试验时，设备重力和弯矩在混凝土基础环（基础环底面上）所产生的最

000000Mm0.3MwMemmagaxm0gFvxbmaxmax,a(MP)ZAZA bbbb

MSMAXMX，My

基础环上的最大压应力bmax可以认为是作用在基础环底上的均匀载荷。

混凝土标号 Ra/MPa 75 3.5 100 5.0 表2.6混凝土基础的许用应力Ra 混凝土标号 Ra/MPa 150 7.5 200 10.0 混凝土标号 Ra/MPa 250 13.0

同样，根据工艺要求和前人的经验，可确定基础环的厚度为20mm，材料选用为Q235-A。 2.12.3地脚栓的设计

为了使塔设备在刮风或地震时不至翻倒，必须安装足够数量和一定直径的地脚螺栓，把设备固定在基础环上。

地脚螺栓承受的最大拉应力为

000000MwMemmingME0.25Mwm0gFv00bmax,(MPa)

ZbAbZbAb如果b0，则设备自身足够稳定，但为了固定塔设备的位置，应设置一定数量的地脚螺栓。

如果b0，则设备必须安装地脚螺栓，并进行计算。计算时可先按4的倍数假设地脚螺栓的数量为n，此时地脚螺栓的螺纹小径（mm）:

d1螺纹小径与公称直径见下表。

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4bAbC (1.9)

n[]bt北京理工大学珠海学院 课程设计

表2.7螺纹小径与公称直径对照表

螺栓公称直径 螺纹小径/mm M24 20.752 M27 23.752 M30 26.211 M36 31.670 螺栓公称直径 螺纹小径/mm M42 37.129 M48 42.588 M56 50.046 选用Q235-A，计算后，选取地脚螺栓为M30900，n=8,相应螺母M30，8个，则其尺寸查表，得

表2.8 M30螺母的尺寸

螺栓 M30

d1

36

d2

42

n

28

es

12

hi

300

l

120

l1

170

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符号说明

tt——操作状态下管壁温度，°C; F——换热面积，㎡； ts——操作状态下壳壁温度，°C； a——管间距，mm；

Ф——焊接接头系数，无量纲； di——壳体内径，mm； b——正六边形对角线上的管子数，个； Lｎ——换热管长度，ｍｍ； d均——管子的平均直径，mm； ［Pｗ］——最大允许工作压力，MPa； PT——水压试验压力，MPa; DN——直径（公称），ｍｍ； ＰＮ——公称压力，MPa； Ｐｔ——管子的工作压力，MPa； Ｐｓ——壳体的工作压力，MPa； △ｔ——管壳壁温度，°Ｃ; ［ｑ］——许用拉脱力，MPa; ａ——线膨胀系数，１／°C; ｆ——每四根管子之间的面积，mm２

； Aｔ——换热管截面面积，mm２； Aｓ——壳壁横截面面积，mm２； F１——管、壳壁温差所产生的轴向力，N；26

do——壳体外径，mm；

Pc——计算压力，MPa; Pw——工作压力，MPa;

P——设计压力，MPa;

δ——计算壁厚，mm；

δd——设计壁厚，mm； δn——名义壁厚，mm； δe——有效壁厚，mm； C——厚度附加量，mm； C1——钢板的负偏差，mm； C2——腐蚀欲量，mm； σs——屈服点，MPa； h1——曲面高度，mm； ho——短圆筒长度，mm； h2——直边长度，mm；

E——弹性模量，ＭＰａ；

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F2——压力作用于壳体上的轴向力，N； ｑｔ——温差应力，ＭＰａ； F3——压力作用于管子上的轴向力，N；

l——①胀接长度，mm ；

②最外层管子的中心到壳壁边缘的距离，mm；

ｑｐ——在操作压力下，每平方米胀接周边受到的力，ＭＰａ；

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谢辞

本次课程设计通过给定的生产操作工艺条件自行设计一管壳式换热器设备。通过近半月的努力，反复经过复杂的计算和优化，设计出一套较为完善的管壳式换热器设备。其各项操作性能指标均能符合工艺生产技术要求，而且操作弹性大，生产能力强，达到了预期的目的。

通过这次课程设计我经历并学到了很多知识，熟悉了大量课程内容，懂得了许多做事方法，将曾经学过的工具真正运用到实际中来，可谓是我从中受益匪浅，我想这也许就是这门课程的最初本意。

这次历时近半个月的的课程设计使我们把平时所学的理论知识运用到实践中，使我们对书本上所学理论知识有了进一步的理解，也使我们自主学习了新的知识并在设计中加以应用。此次课程设计也给我们提供了很大的发挥空间，我们积极发挥主观能动性地去通过书籍、网络等各种途径查阅资料、查找数据和标准，确定设计方案。通过这次课程设计提高了我们的认识问题、分析问题、解决问题的能力。

最后，我们还要感谢唐小勇老师和姜守霞老师在这次课程设计中给予我们的敦促和指导工作。对于设计中我们问题遇到的问题她给予了我们认真明确耐心的指导，这极大的鼓励了我们完成设计的决心，因此，我们要再次感谢唐小勇老师和姜守霞老师以及班级同学给予的帮助。

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参考文献

[1]百度百科

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[4]黄蕾.世界换热器产业发展现状综述[J].石油与化工设备，2011,14（3）：5-5. [5]喻拣良.化工设备机械基础[M].大连：大连理工大学出版社2013:204. [6]喻拣良.化工设备机械基础[M].大连：大连理工大学出版社2013:210. ［7］GB151-1999 《管壳式换热器》1999年

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