換熱設備的設計

1、第六章 換熱設備的設計6.1 換熱設備的分類和總體結構6.1.1 換熱設備的分類按照傳熱方式的不同，換熱設備可分為三類：1.混合式換熱器利用冷、熱流體直接接觸與混合的作用進行熱量的交換。這類換熱器的結構簡單、價格便宜，常做成塔狀。2.蓄熱式換熱器在這類換熱器中，熱量傳遞是通過格子磚或填料等蓄熱體來完成的。首先讓熱流體通過，把熱量蓄在蓄熱體中，然后再讓冷流體通過，把熱量帶走。由于兩種流體交變轉換輸入，因此不可避免地存在著一小部分流體相互摻和的現象，造成流體的“污染”。這類換熱器的結構緊湊，價格便宜、單位體積傳熱面大，故較適合于氣氣熱交換的場合。3.間壁式換熱器是工業(yè)中最為廣泛應用的一類換熱器。冷

2、熱流體被一固體壁面隔開，通過壁面進行傳熱。按照傳熱面的形狀與結構特點它又可分為：（1）管式換熱器如套管式、螺旋管式、管殼式、熱管式等。（2）板面式換熱器如板式、螺旋板式、板殼式等。（3）擴展表面式換熱器如板翅式、管翅式、強化的傳熱管等。其中以管式換熱器應用作為廣泛，其特點見表6-1所示。表6-1管殼式換熱器的主要類型及特點類型固定管式換熱器浮頭式換熱器U型管式換熱器結構特點換熱器的管端以焊接或脹接的方法固定在兩塊板上，管板以焊接的方法與殼體相連換熱器中一塊管板與殼體固定，另一塊管板能自由移動換熱管被彎成U形，管的兩端固定在同一管板上設備性能當殼體直徑相同時便于排更多的管子，管內不易積垢殼程難以

3、清洗在殼體與管中產生很大的溫差應力管束可抽取管內、外都能清洗一塊管板可自由移動在殼體與管中不會產生溫差應力只有一塊管板管束可以從殼體中抽出管外清洗方便管內清洗困難在殼體與管中不會產生溫差應力6.1.2 管殼式換熱器的總體結構管殼式換熱器的總體結構均包括：管箱、管板、殼體、折流板或支承板、定距管、拉桿、分程隔板、接管、支座等。如圖6-1所示。圖6-1 常見管殼式換熱器結構1平蓋；2平蓋管箱（部件）；3接管法蘭；4管箱法蘭；5固定管板；6殼體法蘭；7防沖板；8儀表接口；9補強圈；10殼體（部件）；11折流板；12旁路擋板；13拉桿；14定距管；15支持板；16雙頭螺柱；17螺母；18外頭蓋墊片；1

4、9外頭蓋側法蘭；20外頭蓋法蘭；21吊耳；22放氣口；23橢圓形封頭；24浮頭法蘭；25浮頭墊片；26無折邊球形封頭；27浮頭管板；28浮頭蓋（部件）；29外蓋頭（部件）；30排液口；31鉤圈；32接管；33活動鞍座；34換熱管；35假管；36管束（部件）；37固定鞍座；38滑道；39管箱墊片；40管箱短節(jié)；41封頭管箱；42分程隔板；43懸掛式支座；44膨脹節(jié)（部件）；45中間擋板；46U形換熱器；47內導流筒；48縱向隔板；49填料；50填料函；51填料壓蓋；52浮動管板；53部分剪切環(huán)；54活套法蘭。6.2管殼式換熱設備設計的內容和步驟6.2.1 管殼式換熱設備設計的內容管殼式換熱設備設

5、計的內容包括工藝設計和機械設計兩方面。本課程設計是把工藝參數、尺寸作為已知條件，在滿足工藝條件的前提下，對換熱設備進行強度、剛度及穩(wěn)定性計算，并從制造、安裝、檢修、使用等方面出發(fā)進行結構設計。換熱設備設計任務書內容和格式按表6-2所示。6.2.2 管殼式換熱設備設計的步驟在閱讀了設計任務書后，按以下步驟進行換熱設備的機械設計。了解設計條件；選材；按設計壓力計算殼體和管箱壁厚；管子與管板連接結構設計；殼體與管板連接結構設計；管板厚度計算；折流板、支持板等零部件的結構設計；換熱管與殼體在溫差和流體壓力聯合作用下的應力計算；管子拉脫離和穩(wěn)定性校核；判斷是否需要膨脹節(jié)，如需要，則選擇膨脹節(jié)結構型式并進

6、行有關的計算；接管、接管法蘭、支座等的選擇及開孔補強設計等。表6-2換熱設備設計任務書比例條件內容修改設計參數及要求修改標記修改內容簽字日期殼程管程工作壓力，MPa1.431.53設計壓力，MPa1.571.68工作溫度，310420設計溫度，310420單位名稱介質堿洗氣變換氣工程名稱推薦材料16MnR20鋼設計項目管/殼程數11條件編號傳熱面積，m270設備圖號公稱直徑，mm800位號/臺數傳熱管直徑，mm38提出人日期傳熱管長度，m3備注傳熱管根數，根205腐蝕情況微弱設計壽命接管表符號公稱尺寸DN連接面形式用途a400凹面變換氣b250凹面堿洗氣c250凹面堿洗氣d400凹面變換氣e1

7、/2”螺紋排水口表6-3換熱設備設計任務書簡圖與說明設計參數及要求殼程管程工作壓力，MPa1.431.53設計壓力，MPa1.571.68工作溫度，310420設計溫度，310420介質堿洗氣變換氣管/殼程數11傳熱面積，m270公稱直徑，mm800傳熱管直徑，mm38傳熱管長度，m3傳熱管根數，根205腐蝕情況微弱設計壽命接管表符號公稱尺寸DN連接面形式用途a400凹面變換氣b250凹面堿洗氣c250凹面堿洗氣d400凹面變換氣e1/2”螺紋排水口6.3 換熱設備的設計示例6.3.1 管殼式換熱器某合成氨廠變換工段中變換熱器，系臥式固定管板式的管殼式換熱器，如圖6-2所示，其殼程圓筒內徑為8

8、00mm。換熱管規(guī)格為38×3的無縫鋼管，共205根，管長3m。工作條件：殼程介質為堿洗液（脫碳后的氮氫混合氣），壓力為1.43Mpa，最高溫度為310；管程介質為變換氣（含有二氧化碳的氮氫混合氣），壓力為1.53Mpa，最高溫度為420。有工藝計算得沿長度平均的殼程圓筒金屬溫度為274，換熱管金屬溫度為350。試對該換熱器進行材料選擇、結構設計及強度計算。結構草圖如圖6-2所示，下面分別進行殼程圓筒、管箱封頭及圓筒、法蘭、管板，以及U形膨脹節(jié)設計及計算。圖6-2 臥式帶膨脹節(jié)的固定管板換熱器1變換氣入口接管；2錐形封頭；3設備法蘭；4管板；5堿洗氣出口接管；6補強圈；7筒體；8膨脹

9、節(jié)；9換熱管；10定距管；11折流板；12堿洗氣入口接管； 13變換器出口接管；14鞍式支座。6.3.1.1 殼程圓筒根據工作條件選擇殼程圓筒的材料為16MnR鋼板。在常溫時許用應力為170Mpa，在設計溫度310時的許用應力為142MPa，屈服限為227Mpa。按GB150-98式（6-1）殼程圓筒計算厚度（6-1）式中計算壓力；內直徑材料許用應力焊縫系數=0.85（采用雙面焊、局部無損探傷）以上數值代入式（6-1）得按GB150-98碳素鋼或低合金鋼容器的最小厚度不小于3mm，該厚度值不包括厚度附加量C=2mm即。殼程圓筒的液壓試驗及壓力試驗時應力校核。試驗液體為水，試驗壓力PT按下式壓力

10、試驗時，圓筒的總體薄膜應力按下式6.3.1.2 管箱（1）錐形封頭如圖6-2所示為帶折邊錐形封頭，根據工作條件選擇錐形封頭材料為15CrMoR（正火加回火）鋼板。在常溫時許用應力為150MPa，在設計溫度420時的許用應力為115.6MPa，屈服限為229.4MPa。圖6-3 錐形封頭按GB150-98式（6-10），式（6-11）過渡段厚度（6-10）與過渡段相接處的錐殼厚度（6-11）式中計算壓力Pc=1.1×1.53=1.68MPa內直徑Di=800mm材料許用應力t=115.6MPa焊縫系數=0.85（采用雙面焊、局部無損探傷）系數K=0.682（采用標準封頭r/Di=0.1

11、5, =30）f=0.554（同上）K、f值分別由GB0-98表6-4、表6-5查得。以上數值代入式（6-10）、式（6-11）得取，附加厚度c=2mm選取錐形封頭的水壓試驗壓力殼程圓筒和封頭計算參見GB150-98。（2）管箱法蘭選JB/T4703-2000長頸對焊法蘭PN=2.5MPa，DN800，材料為15CrMo。法蘭密封面型式為凹凸面，連接尺寸（參閱圖6-4）如下：Di=800mm0=16mmDb=915mm1=26mmDf=960mmH=115mmD4=863mm f=52mm（不包括厚度附加量）墊片采用金屬包墊片865×825JB/T4706-200由GB150-98表

12、9-2查得m=3.75，y=52.4MPa選32個材料為35CrMoA等長雙頭螺栓M24×160JB/T4707-2000。螺栓計算預緊狀態(tài)下需要的最小螺栓載荷按式GB150-98式（9-4）計算：（6-12）式中墊片有效密封寬度b墊片接觸寬度按GB150-98表9-1得墊片基本密封寬度由于b>6.4mm則墊片壓緊力中心直徑墊片比壓力y=52.4MPa（見GB150-98表9-2）以上數值代入式（9-2）得操作狀態(tài)下需要的最小墊片壓緊力按GB150-98式（9-5）計算：（6-13）式中由上已知b=8mm，DG=847mm墊片系數m=3.75管程設計壓力p=1.68MPa以上數

13、值代入式（9-5）得預緊狀態(tài)下需要的最小螺栓面積按GB150-98式（9-6）計算：（6-14）操作狀態(tài)下需要的最小螺栓面積按GB150-98式（9-7）計算：（6-15）式中常溫下螺栓材料許用應力b=228MPa在設計溫度420下螺栓材料許用應力代入式（9-6）、式（9-7）得需要的螺栓面積實際螺栓面積所需螺栓面積足夠。螺栓最小間距由GB150-98表9-3確定當時，推薦的螺栓最大間距（6-16）式中螺栓公稱直徑法蘭厚度墊片系數以上數值代入式（9-3）得實際間距螺栓布置符合要求法蘭計算法蘭預緊力矩按GB150-98式（9-10）計算：（6-17）式中預緊狀態(tài)螺栓設計載荷按GB150-98式（

14、9-8）計算：力臂以上數值代入式（9-10）法蘭操作力矩按GB150-98式（9-11）計算：（6-18）式中作用于法蘭內徑截面上的流體靜壓軸向力圖6-5 法蘭受力圖（見GB150-98圖9-1續(xù)）（a）流體靜壓總軸向力與作用于法蘭內徑截面上流體靜壓軸向力之差窄面法蘭墊片壓緊力力臂力臂力臂以上數值代入式（9-11）得法蘭設計力矩 取其中之大值（6-19）式中法蘭材料為15CrMo鍛件，其常溫下許用應力為147MPa，在設計溫度420下許用應力為107.6MPa。代入上式得則 法蘭應力（1）軸向應力按GB150-98式（9-13）計算：（6-20）（2）周向應力按GB150-98式（9-15）計

15、算：（6-21）（3）徑向應力按GB150-98式（9-14）計算：（6-22）式（9-13）式（9-14）中整體法蘭系數頸部應力校正系數f按 由圖9-7查得f=1.4；參數 按，由圖9-3及圖9-4查得，按，由圖9-8查得，。將、代入參數，式中得，將以上數據代入式（9-13），式（9-15）應力校核軸向應力 周向應力 徑向應力 組合應力 計算結果：該法蘭強度條件滿足，所選法蘭尺寸是合適的。其中法蘭厚度加上附加厚度4mm為56mm。6.3.1.3 管板計算（1）初始數據殼程圓筒內徑；圖6-6 延長部分兼作法蘭的管板厚度（圖樣采用10mm）管箱（封頭）厚度；（圖樣采用12mm）換熱管外徑；壁厚；

16、根數；間距；有效長度；管箱法蘭外徑；寬度；厚度。假定管板厚度（圖樣采用65mm）法蘭部分厚度（即殼程圓筒法蘭）延長部分兼作法蘭的管板，如圖6-6所示。各零件材料在設計溫度時的物理、機械性能數據如下：殼體材料：16MnR，彈性模量：線膨脹系數：（殼體壁溫）換熱管材料：20號鋼，彈性模量：線膨脹系數：（換熱管壁溫）換熱管材料屈服限封頭法蘭材料：15CrMo（鍛件）彈性模量：管板材料：15RrMo（鍛件）法蘭材料：15CrMo（鍛件）許用應力：殼程圓筒：換熱管：管箱封頭法蘭：管板： 換熱管與管板采用先脹后焊，脹接長度l=50mm管孔開槽，許用拉脫應力q=4MPa。幾何物理系數計算殼程圓筒內徑面積管板

17、開孔后面積殼程圓筒金屬橫截面積換熱管金屬截面積管板布管區(qū)面積（三角形排列）管板布管區(qū)當量直徑 管板布管區(qū)的當量直徑與殼程圓筒內徑之比系數管束模數管子加強系數（管板剛度消弱系數，一般可取值，=0.4）管板周邊不布管區(qū)無量綱寬度（3）強度影響系數計算旋轉剛度，由圖7-7查得殼程圓筒與法蘭（或凸緣）的旋轉剛度參數管箱圓筒與法蘭（或凸緣）的旋轉剛度參數旋轉剛度無量綱參數法蘭力矩基本法蘭力矩管程壓力作用時的法蘭力矩按查圖7-8得，查圖7-9得按，查圖7-9得查圖6-10得系數 系數 系數 管板邊緣力矩變化系數法蘭力矩變化系數危險組合殼程壓力作用下殼程設計壓力Ps=Pc=1.57MPa管程設計壓力Pt=0

18、管程壓力作用下殼程設計壓力Ps=0管程設計壓力Pt=1.68MPaPc=-Pt（1+）=-1.68（1+0.25）=-2.1MPa不計膨脹差計入膨脹差不計膨脹差計入膨脹差1.14×10-31.14×10-349.24.927.857.0-12.336.90.0340.00467-0.020.006730.03680.0075-0.0200.006730.53650.1111-0.2920.09811.090.40-1.0260.37G1 由K=4.2，m=查圖7-6得0.240.20G1 由K=4.2，m=查圖7-6得0.720.20管板徑向應力系數0.01520.0091

19、6管板徑向應力系數0.0210.00905管板布管區(qū)徑向應力系數0.04930.013管板布管區(qū)徑向應力系數-0.02140.012管板布管區(qū)剪切應力系數0.06330.046管板布管區(qū)剪切應力系數0.02920.045（4）校核管板、殼體法蘭、換熱管、殼程圓筒以及拉脫應力。殼程壓力作用下殼程設計壓力Ps=Pc=1.57MPa管程設計壓力Pt=0管程壓力作用下殼程設計壓力Ps=0管程設計壓力Pt=1.68MPaPc=-Pt（1+）=-1.68（1+0.25）=-2.1MPa不計膨脹差計入膨脹差不計膨脹差計入膨脹差管板徑向應力MPa管板徑向應力MPa管板布管區(qū)周邊處徑向應力MPa管板布管區(qū)周邊處

20、徑向應力MPa管板布管區(qū)周邊剪切應力MPa管板布管區(qū)周邊剪切應力MPa殼體法蘭應力MPa殼體法蘭應力MPa換熱管軸向應力MPa換熱管軸向應力MPa殼程圓筒軸向應力MPa殼程圓筒軸向應力MPa拉脫應力拉脫應力（5）換熱管穩(wěn)定性計算管子回轉半徑從圖7-1可知，管子受壓失穩(wěn)當量長度參見附圖7-13確定系數當 則管子穩(wěn)定許用應力從應力計算得計入膨脹差的管子應力，且。則 表明管子穩(wěn)定性不夠，需采取措施。本設計采用設置膨脹節(jié)，減少管子的壓應力，從而增加其穩(wěn)定性。6.3.1.4 U形膨脹節(jié)計算（1）要否設置膨脹節(jié)的判定通過管板計算，按四種危險工況對管子、殼程圓筒以及拉脫應力的校核得如下結論：；但，且；（除只考慮殼程壓力，且不計膨脹差外）由于，（），則需要設置膨脹節(jié)。（2）應力計算選擇U形膨脹節(jié)，材料為16MnR（與殼程圓筒相同）結構參見插圖及GB/T12777-91，具體幾何尺寸如下初始數據：設計壓力設計溫度直邊段外徑波高波長層數波數當量圓筒外徑成型前有效厚度成型后有效厚度軸向位移