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1、一、课程设计题目管壳式换热器的设计二、课程设计内容1 .管壳式换热器的结构设计包括：管子数n,管子排列方式，管间距的确定，壳体尺寸 计算，换热器封头选择，容器法兰的选择，管板尺寸确定塔盘结构， 人孔数量及位置，仪表接管选择、工艺接管管径计算等等。2 .壳体及封头壁厚计算及其强度、稳定性校核(1)根据设计压力初定壁厚；(2)确定管板结构、尺寸及拉脱力、温差应力；(3)计算是否安装膨胀节；(4)确定壳体的壁厚、封头的选择及壁厚，并进行强度和稳定性校核。3 .筒体和支座水压试验应力校核4 .支座结构设计及强度校核包括：裙座体(采用裙座)、基础环、地脚螺栓5 .换热器各主要组成部分选材，参数确定。6
2、.编写设计说明书一份7 .绘制2号装配图一张，Auto CAD绘3号图一张(塔设备的)。三、设计条件气体工作压力管程：半水煤气0.75MPa壳程：变换气 0.68 MPa壳、管壁温差55 C , ttts壳程介质温度为220-400 C,管程介质温度为180-370 C由工艺计算求得换热面积为140品，每组增加10 m2。四、基本要求1 .学生要按照任务书要求，独立完成塔设备的机械设计；2 .设计说明书一律采用电子版，2号图纸一律采用徒手绘制；3 .各班长负责组织借用绘图仪器、图板、丁字尺；学生自备图纸、 橡皮与铅笔；4 .画图结束后，将图纸按照统一要求折叠，同设计说明书统一在 答辩那一天早上
3、8: 30前，由班长负责统一交到 HF5085 .根据设计说明书、图纸、平时表现及答辩综合评分 。五、设计安排内 容化工设备设 计的基本知 识管壳式换热 器的设计计 算管壳式换热 器结构设计管壳式换热器 设计制图设计说明书的 撰写设计人李海鹏吴彦晨王宜高六、说明书的内容1 .符号说明2 .前言(1)设计条件；(2)设计依据；(3)设备结构形式概述。3 .材料选择(1)选择材料的原则；(2)确定各零、部件的材质；(3)确定焊接材料。4 .绘制结构草图(1)换热器装配图(2)确定支座、接管、人孔、控制点接口及附件、内部主要零 部件的轴向及环向位置，以单线图表示；(3)标注形位尺寸。(4)写出图纸上
4、的技术要求、技术特性表、接管表、标题明细 表等5 .壳体、封头壁厚设计(1)筒体、封头及支座壁厚设计；(2)焊接接头设计；(3)压力试验验算；6 .标准化零、部件选择及补强计算：(1)接管及法兰选择：根据结构草图统一编制表格。内容包括:代号，PN,DN法兰密封面形式，法兰标记，用途)补强计算(2)人孔选择：PN,DN标记或代号。补强计算。(3)其它标准件选择。7 .结束语：对自己所做的设计进行小结与评价，经验与收获。8 .主要参考资料。【格式要求】：1.计算单位一律采用国际单位；2.计算过程及说明应清楚；3 .所有标准件均要写明标记或代号；4.设计说明书目录要有序号、内容、页码；5 .设计说明
5、书中与装配图中的数据一致。如果装配图中有修改， 在说明书中要注明变更；6 .书写工整，字迹清晰，层次分明；7.设计说明书要有封面和封底，均采用A4纸，装订成册。181前言 11.1 概述 11.1.1 换热器的类型 11.1.2 换热器 11.2 设计的目的与意义 21.3 管壳式换热器的发展史 21.4 管壳式换热器的国内外概况 31.5 设计思路、方法 52壳体直径的确定与壳体壁厚的计算 2.1 管径 112.2 管子数n 112.3 管子排列方式，管间距的确定 112.4 换热器壳体直径的确定 112.5 换热器壳体壁厚计算及校核 113换热器封头的选择及校核 144容器法兰的选择155
6、管板165.1 管板结构尺寸 165.2 管板与壳体的连接 165.3 管板厚度166管子拉脱力的计算187计算是否安装膨胀节208折流板设计229开孔补强2510支座2710.1 群座的设计 2710.2 基础环设计 2910.3 地角圈的设计 30符号说明32、/4 刖百1.1 概述1.1.1 换热器的类型管壳式换热器是最典型的间壁式换热器，历史悠久，占据主导作用，主要有 壳体、管束、管板、折流挡板和封头等组成。一种流体在管内流动，其行程称为 管程；另一种流体在管外流动，其行程称为壳程。管束的壁面即为传热面。其主 要优点是单位体积所具有的传热面积大， 传热效果好，结构坚固，可选用的结构 材
7、料范围宽广，操作弹性大，因此在高温、高压和大型装置上多采用列管式换热 器。为提高壳程流体流速，往往在壳体内安装一定数目与管束相互垂直的折流挡 板。折流挡板不仅可防止流体短路、增加流体流速，还迫使流体按规定路径多次 错流通过管束，使湍流程度大为增加。列管式换热器中，由于两流体的温度不同，使管束和壳体的温度也不相同， 因此它们的热膨胀程度也有差别。若两流体温差较大（50c以上）时，就可能由 于热应力而引起设备的变形，甚至弯曲或破裂，因此必须考虑这种热膨胀的影响。1.1.2 换热器换热器是化工、石油、食品及其他许多工业部门的通用设备， 在生产中占有 重要地位。由于生产规模、物料的性质、传热的要求等各
8、不相同，故换热器的类 型也是多种多样。按用途它可分为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等。根据冷、热 流体热量交换的原理和方式可分为三大类：混合式、蓄热式、间壁式。间壁式换热器又称表面式换热器或间接式换热器。 在这类换热器中，冷、热 流体被固体壁面隔开，互不接触，热量从热流体穿过壁面传给冷流体。 该类换热 器适用于冷、热流体不允许直接接触的场合。间壁式换热器的应用广泛，形式繁 多。将在后面做重点介绍。直接接触式换热器又称混合式换热器。在此类换热器中，冷、热流体相互接 触，相互混合传递热量。该类换热器结构简单，传热效率高，适用于冷、热流体 允许直接接触和混合的场合。常见的设备有凉水塔、洗涤塔
9、、文氏管及喷射冷凝 器等。蓄热式换热器又称回流式换热器或蓄热器。此类换热器是借助于热容量较大 的固体蓄热体，将热量由热流体传给冷流体。当蓄热体与热流体接触时，从热流 体处接受热量，蓄热体温度升高后，再与冷流体接触，将热量传给冷流体，蓄热 体温度下降，从而达到换热的目的。此类换热器结构简单，可耐高温，常用于高 温气体热量的回收或冷却。其缺点是设备的体积庞大，且不能完全避免两种流体 的混合。工业上最常见的换热器是间壁式换热器。 根据结构特点，间壁式换热器可以 分为管壳式换热器和紧凑式换热器。紧凑式换热器主要包括螺旋板式换热器、板式换热器等。1.2 设计的目的与意义换热器是将热流体的部分热量传递给冷
10、流体的设备，以实现不同温度流 体间的热能传递，又称热交换器。换热器是实现化工生产过程中热量交换 和传递不可缺少的设备。在换热器中，至少有两种温度不同的流体，一种流体温度较高，放出热 量；另一种流体则温度较低，吸收热量。在工程实践中有时也会存在两种 以上的流体参加换热，但它的基本原理与前一种情形并无本质上的区别。换热设备在炼油、石油化工以及在其他工业中使用广泛，它适用于冷却、冷 凝、加热、蒸发和废热回收等各个方面。其中，管壳式换热器虽然在换热效率、设备的体积和金属材料的消耗量等方 面不如其他新型的换热设备，但它具有结构坚固、弹性大、可靠程度高、使用范 围广等优点，所以在各工程中仍得到普遍使用。管
11、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）。1.3 管壳式换热器的发展史为了满足电厂对在较高压力下运行的大型换热器（如冷凝器和供水加热器） 的需要，在20世纪初，提出了壳管式换热器的基本设计。经过长期的运用，使 设计变得相当成熟和专业化。当今已广泛地应
12、用于工业上的壳管式换热器，在 20世纪初也开始适应石油 工业提出的要求。油加热器和冷却器、再沸器以及各种原油储分和有关的有机流 体的冷凝器这些设备需要在恶劣的野外条件下运行， 流体常常不干净而且又要求高温和高 压，因此，设备便于清洗和进行现场修理是绝对需要的。壳管式换热器发展的早期阶段，出现的最大量的严重问题，不是在传热方面 (这可以由实践经验粗略的估算)，而是各种部件，特别是管板材料的强度计算 问题，还有在制造技术和工程实施中的许多有关的其他问题，如管和管板的连接，法兰和接头管的焊接等。在20世纪20年代，壳管式换热器的制造工艺得到相当圆满的发展，这主要是由于几个主要制造商努力的结果。制造设
13、备的传热面积可达500m2,即直径约750mm、长6m,用于急剧增长的石油工业。在30年代，壳管式换热器的设计者， 根据直接经验和在理想管束上的实验数据，建立了很多正确的设计原则。水-水和水-气换热器的设计，大概与现今的设计差不多。因为污垢热阻起很大的作用， 流侧流动的粘性流是一个困难的问题，而且，60年代以前的他们的了解很少。随着壳管式换热器的应用稳步增长，以及对在各种流程条件下性能预计的精度要 求越来越高，这造就40年代直至50年代研究活动的激增。研究内容不仅包括壳 侧流动，而且相当重要的还有真实平均温差的计算、结构件特别是管板的强度计 算。多年来发展起来的壳管式换热器，由于其结构坚固并能
14、适应很大的设计和使 用条件的变化，已成为最广泛使用的换热器。1.4 管壳式换热器的国内外概况随着现代新工艺、新技术、新材料的不断发展和能源问题的日益严重，必然 带来更多的高性能、高参数换热设备的需求。换热器的性能对产品质量、能量利 用率以及系统的经济性和可靠性起着重要的作用，有时甚至是决定性的作用。目 前在发达的工业国家热回收率已达 96%，换热设备在石油炼厂中约占全部工艺设 备投资的35%40%。其中管壳式换热器仍然占绝对的优势，约70%。其余30 % 为各类高效紧凑式换新型热管和蓄热器等设备 ，其中板式、板翅式、热管及各类 高效传热元件的发展十分迅速。随着工业装置的大型化和高效率化，换热器
15、也趋 于大型化，并向低温差设计和低压力损失设计的方向发展。当今换热器的发展以 CFD (Computational Fluid Dynamics)、模型化技术、强化传热技术及新型换热器 开发等形成了一个高技术体系1。该换热器是当前应用最广，理论研究和设计技术完善，运用可靠性良好的一类 换热器。目前各国为改善该换热器的传热性能开展了大量的研究。 强化传热主要 有3种途径提高传热系数、扩大传热面积和增大传热温差，研究主要集中在强化 管程和壳程传热面方面。2壳体直径的确定与壳体壁厚的计算2.1 管子数n选用32X3的无缝钢管，材质为20号钢，管长3m。F = d 均 LnF140二 n = 512(
16、根)飞均 Ln 3.14x0.029x3其中安排拉杆需减少6根，故实际管数n=517根12层，查表a=32mm2.2 管子排列方式，管间距的确定采用正三角形排列，由化工设备机械基础表 7-4查得层数为7-5取管间距a=40mm.2.3 换热器壳体直径的确定Di =a(b -1) 2l其中l为最外层管子中心到壳 壁边缘的距离其中b为正六角形对角线上的管子数 b=25mm查表7-5 ,取管间距取 l =2d , Di =40黑(25-1) +2x2M32 = 1088(mm)查表2-5 ,圆整后取壳体内径Di = 1100mm2.4 换热器壳体壁厚计算及校核材料选用Q245R1冈板计算壁厚为:Pc
17、Di2口t - Pc=108Mp a 设式中：pc为计算压力，取 pc=1.0Mpa； Di =1100mm9=0.85;仃壳壁温度为300 0 C)将数值代入上述厚度计算公式，可以得知1.0 11002 92 0.85-1.0=6.03mm查化工设备机械基础表 4-11 M C2 =1.2 mm ； 查化工设备机械基础表 4-9得C1=0.3mm查表4-13圆整后取6 n=9mm3换热器封头的选择及校核上下封头均选用标准椭圆形封头，根据 GB/T25198标准，圭头为DN110CX 8,查化工设备机械基础表 7-47得曲面高度h1=275mm ,直边高度h2 =40 mm ,材料选用Q245
18、R下封头与裙座焊接，4容器法兰的选择材料选用Q345R根据NB/T4703-2012选用DN1100 PN1.6Mpa的桦槽密封面 长颈对焊法兰。所以，选用的法兰尺寸如下图7-48所示：5管板5.1管板尺寸的确定选用固定换热器管板，并兼作法兰，查相关标准得p=p=1.6MPa（取管板的公称压力为1.6MPa）的碳钢板尺寸，如图7-49所示：6管子拉脱力的计算计算数据按表7-13选取项目管子壳体操作压力/Mpa材质0.750.720 钢20R线膨胀系数11.8 10上11.8 10 上弹性模量-60.21 10-60.21 10许用应力/Mpa10192尺寸32 3 30001100 9管子根数
19、511管间距/mm40管壳壁温差/C,：t =55管子与管板连接方式开槽胀接胀接长度/mml =50许用拉脱力/Mpa4.01、在操作压力下，每平方米胀接周边所产生的力 qp_ pfq p 一二 dol(6-1)其 中 f =0.866a2 2d0=0.866M402 三久322 =582 (mm，44(6-2)p=0.75Mpa, l =50 mm0.75 396qD = =0.087Mpap 3.14 32 502、温差应力引起的每平方米胀接周边所产生的拉脱力22qt 二其中二t(d。-di )4dol二 E(tt -ts)1 AAs2As =nD 中 6n = 3.14 x 1009 黑
20、 9 = 28515(mm)= 1(d；-di2)n = 34 (322 -262) 511 = 139595 mm 211.8 1 0-6 0.21 106 55-= 22.1Mpa, 13595112851522.93 (252 -202) qt =1.03Mpa4 25 50由此可知qp, qt作用方向相同，都使管子受压，则管子的拉脱力:q= qp + qt =1.297 Mpa 4.0 Mpa因此拉脱力在许用范围内。7计算是否安装膨胀节管壳壁温差所产生的轴向力为:E(tt )F1 = J J AsAtAs At628515 13595 =3.07 1010 (NJ)28515 1359
21、511,8 10q 0.21 106 55压力作用于壳体上的轴向力QAsAs A其中、=3（口12一门；汨590一2：）2M4一(11002 -511 322) 0,7 511 (32 -2 3)2 0,75 4一一， 6 一= 0.581 10 N= 0.099 106 N0.581 106 28515F2 二28515 139595压力作用于管子上的轴向力为:F3 =QAtAsA0.581 106 2851528515 13595= 0.482 106N则二一 s = ,As3.07 106 0.099 10628515= 111.1MpaAt-3.07 106 0482 10613595
22、= -185.5Mpa根据GB1 5 1 1 9 9 9管壳式换热器” =111.1Mpa 2*rt =180Mpa %=-18.5Mpa 父2乳仃；=216Mpaq q =4.0Mpa,条件成立，故本换热器不必要设置膨胀节。8折流板设计33我们米用弓形折流板 h=Di =100 =825mm折流板间距取600mmi表7-9 44查得折流板外径为1095.5,材料为Q235-A钢如图7-50所示。拉杆选用*12,共6根，材料为20钢。9开孔补强换热器壳体和封头上的等面积的接管处开孔需要补强， 常用的结构是在开孔外面 焊上一块与容器材料和厚度都相同，即 9mmB白Q245R钢板。具补强结构如图7
23、-51所示。10支座采用裙座，详细计算参见第八章“塔设备的机械设计”。这里选裙座厚度为9mm, 基础环厚度为14mm。设计结果为如图7-52所示的换热器装置图。表 7-14技术特性表在舁 厅P名称指标壳程1工作压力/Mpa0.70.682工作温度/c1803704002203物料名称半水煤气变换气4传热回积/itf130表 7-15接管表序号接管法兰标准密封卸形式用途1PN16 DN250HG/T 20592平面变换气进口2PN10 DN250HG/T 20592平面半水煤气进口3PN10 DN250HG/T 20592平面变换气进口4PN16 DN250HG/T 20592平面半水煤气进口符
24、号说明F换热面积，a管间距，mm;d i壳体内径，mmdo 壳体外径，mm一一计算压力，MPa;工作压力，MPa;P设计压力，MPa;tt操作状态下管壁温度，。C；ts操作状态下壳壁温度，。C;中一一焊接接头系数，无量纲；b一正六边形对角线上的管子数，个；Ln 换热管长度，mm;Pcd均管子的平均直径，mm PwPw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;P t 管子白工作压力， MPa;P s壳体白工作压力，MPa; t管壳壁温度， C ;mm;q许用拉脱力，MPa;一线膨胀系数，1/ C；4 9f 每四根管子之间的面积， mm；
25、A换热管截面面积，mrm；mmA s 壳壁横截面面积，mrm;Fi管、壳壁温差所产生的轴向力， a ;F2压力作用于壳体上的轴向力，N;P a ;F3压力作用于管子上的轴向力，N；8 计算壁厚，mm8 d 设计壁厚，mm8 n名义壁厚，mm8 e有效壁厚，mmC厚度附加量，mmCl钢板的负偏差，C 2 腐蚀欲量，mm;bs 屈服点，MPa;hi 曲面高度，mmho短圆筒长度，h2直边长度，mmN; E 弹性模量，MPq t温差应力，Ml 胀接长度，mm;最外层管子的中心到壳壁边缘的距离， mmq P在操作压力下，每平方米胀接周边受到的力，MPa;谢辞通过这次课程设计，让我对化工设备机械基础 这
26、门课有了进一步的认识。 这次课程设计设是对这门课程的一个总结，对化工机械知识的应用。设计时要有一个明确的思路，要考虑多种因素包括环境条件和介质的性质等 再选择合适的设计参数，对换热器的材料和结构确定之后还要进行一系列校核计 算，包括管子直径、壳体厚度，管板选择等。校核合格之后才能确定所选设备型 符合要求。通过这次设计对我们独自解决问题的能力也有所提高。 在整个过程中，我查 阅了相关书籍及文献，取其相关知识要点应用到课设中，而且其中有很多相关设 备选取标准可以直接选取，这样设计出来的设备更加符合要求。 在设计的最后附 管试换热器的图，在绘图的整个过程中，我对化工制图更加熟悉。这次课设的书写中对格式的要求也很严格，在老师的指导下我们按照毕业设 计的格式要求完成课设。这就为我们做毕业设计打下了基础。在此感谢我们白唐小勇老师.，老师严谨细致、一丝不苟的作风一直是我工 作、学习中的榜样；老师循循善诱的教导和不拘一格的思路给予我无尽的启迪； 这次模具设计的每个实验细节和每个数据，都离不开老师您的细心指导。而您开 朗的个性和宽容的态度，帮助我能够很顺利的完成了这次课程设计。因为我的知识有限，所做出的设计存在许多缺点和不足，请老师做出批评和 指正。最后感谢老师对这次课设的评阅。19