列管式换热器（热水冷却器） 毕业论文.doc

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1、毕业设计（论文） 列管式换热器（热水冷却器）列管式换热器（热水冷却器） Tube heat exchanger (hot water cooler ) 班 级 过程装备 092 学生姓名 学号 指导教师 职称 工程师 导师单位 机电工程学院 论文提交日期 2011 年 11 月 26 日 毕业设计（论文）任务书 课题名称 列管式换热器（热水冷却器） 一选题意义及背景 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。 在石油、化工、轻工、制药、能源等工业生产中，常常需要把低温流体 加热或者把高温流体冷却，把液体汽化成蒸汽或者把蒸汽冷凝成液体。这些 过程均和热量传递有着密切联系，因而均可以

2、通过换热器来完成。 本课题就是利用相关知识，设计出达到工艺所规定的要求，同时强度、 结构可靠，便于制造、安装和检修，以及经济上合理的列管式换热器，满足 生产需要。 二、设计任务及操作条件： 设计参数表： 介质热水冷却水 工作温度（进出口）/80/5530/40 工作压力（绝压）0.50.4 设计流量（吨/年）3.42105未知 允许压降/MPa0.1 注:每年按 330 天计算，每天 24 小时运转 三毕业设计（论文）主要内容： 1. 完成设计论文 2. 完成管壳式换热器主体和零部件的结构和强度设计 3. 完成 A1 图纸不少于三张（总装配图和零件图） 四计划进度： 1. 第一周：查阅资料，完

3、成论文的绪论，并对换热器的结构和强度设计有所 认识。 2. 第二周和第三周：完成热工计算、管壳式换热器的结构和强度设计。 3. 第四周：根据自己的设计，绘制出换热器的总装配图和零件图。 4. 第五周：查缺补漏，修改论文和图纸等，并提交毕业设计相关资料，准备 答辩。 五毕业设计（论文）结束应提交的材料： 1. 毕业设计（论文）报告 2. 毕业设计论文评阅表和交叉评阅表 3. 答辩评分表 4. 论文真实性承诺及指导教师声明 5. 设计计算书 6. 图纸 7. 光盘 指导教师 教导主任 年 月 日 年 月 日 4 目录 摘 要.I ABSTRACT .II 第一章 绪论1 1.1 化工设备简介1 1

4、.2 换热器概述1 1.2.1 管壳式换热器的分类1 1.2.2 管壳式换热器结构3 1.3 换热器相关技术研究内容及发展动向4 1.4 本课题的研究内容及意义4 第二章 固定管板式式换热器的结构设计5 2.1 设计参数5 2.2 换热器热工设计5 2.2.1 壳程流体热水的定性温度与物性参数6 2.2.2 管程循环水温度与物性参数7 2.2.3 管程的传热与压降7 2.2.4 壳程的传热与压降8 2.2.5 总传热系数9 第三章 固定管板式式换热器的强度计算11 3.1 换热器主要零部件的强度计算11 3.1.1 换热器壳体壁厚计算11 3.1.2 换热器封头的壁厚计算11 3.1.3 压力

5、试验及其强度校核12 3.1.4 换热器压力容器法兰的选择与计算13 3.1.5 管板的选择与尺寸计算13 3.1.6 分程隔板的选择14 3.1.7 膨胀节的选用与计算14 3.1.8 折流板的设计与计算15 3.1.9 接管的选择与计算15 3.1.10 接管法兰的选择与计算16 3.1.11 接管开孔补强的计算17 3.1.12 管箱的选择与计算18 3.1.13 拉杆和定距管的选用19 3.1.14 选择换热器支座并核算承载能力21 3.2 换热器各部件的连接方式22 3.2.1 管板与壳体的连接22 3.2.2 管子与管板的连接22 3.2.3 管板与容器法兰的连接23 总 结24

6、参考文献25 致 谢26 I 摘 要 换热器是将热流体的部分热量传递给冷流体，实现化工生产过程中热量交 换和传递不可缺少的设备。 本文以固定管板式管式换热器为研究对象，在查阅国内外众多文献的基础 上，对换热器的发展、背景、分类和用途进行了探索和研究，以气气换热器的 设计过程为主线，结构设计为主体，全面介绍换热器的设计全过程。本文主要 以循环水和氯乙烷为介质，按实际设计步骤依次进行热工计算、结构设计和强 度设计，并画出换热器的 CAD 结构图。主要研究内容如下： （1）对换热器的发展、分类、材料和运用进行阐述，了解换热器的基本构 造和基本原理。 （2）通过查阅换热器设计相关标准得出的数据，对 U

7、 形管式换热器的进行 设计，具体分为换热器的热工计算，结构计算和强度计算。 （3）换热器的外部设计包括它的筒体的设计、封头的设计、管箱和换热器 支座的设计。 （4）换热器的内部设计包括：它的换热管的尺寸、固定管板的厚度以及折 流挡板的尺寸。 除了上述以外，换热器的研究内容还应包括它的压力容器法兰、管法兰、 开孔与补强、接管处的零部件，还有它的附件、各个开孔处的应力校核等等。 本文是在压力容器设计应用分类方法的基础上，查阅换热器设计相关标准， 在此加以研究和分析得出换热器的设计数据，并作出 CAD 图，对我们了解换热 器的设计流程和作用有了更深刻了解。 关键词： 换热器 压力容器 固定管板式 I

8、I ABSTRACT Heat exchanger is part of the essential equipments, which transfer thermal fluid heat to thecold fluid in the chemical production process, to achieve heat exchange and transmission. In this paper, fixed heat exchanger was used as the research object, and the development, background, class

9、ification, use, exploration and research of the heat exchanger was discussed on the basis of referring to much literature home and abroad. The comprehensive description of the whole process design of heat exchanger was discussed, using the heat exchanger design process as the main line and the struc

10、tural design as the main body. In this paper, HCl mixture was used as the medium, according to the actual design procedure followed by the calculation of thermal engineering, structural design and strength design, and also heat exchanger CAD chart was drown at last. Main research contents are as fol

11、lows: (1) The development, classification, materials, and the use of the heat exchange was elaborated to understand the basic structure and basic principles of the heat exchanger. (2) The fixed heat exchanger design was divided into the calculation, structural calculation and strength calculation on

12、 the data obtained by referring to the heat exchanger design-related standards. (3) The external heat exchanger design included the design of its cylinder, head, tube boxes and supports. (4) The interior design of heat exchanger included the design of the size of its heat exchange tube, fixed tube s

13、heet thickness and baffled baffle size. In addition, the design content also included its pressure vessel flanges, pipe flanges, openings and opening of the pipe, as well as its attachments, each hole stress check, etc. The design data and the CAD structure map of the heat exchanger was obtained, us

14、ing the pressure vessel design applications on the basis of classification and referring to the heat exchanger design-related criteria. KEYWORDS: heat exchanger；pressure vessel；fixed heat exchange 1 第一章 绪论 1.1 化工设备简介 化工生产离不开化工设备，化工设备是化工生产必不可少的物质技术基础， 是生产力的主要因素，是化工产品质量保证体系的重要组成部分1。然而在化 工设备中化工容器占据着举足轻

15、重的地位，由于化工生产中，介质通常具有较 高的压力，化工容器一般有筒体、封头、支座、法兰及各种容器开孔接管所组 成，通常为压力容器，因为压力容器是化工设备的主体，对其化工生产过程极 其重要，国家对其每一步都有具的标准对其进行规范，如：中国压力容器安 全技术监察规程、GB1501998钢制压力容器、GB1511999管壳式换 热器等。在其中能根据不通的操作环境选出不同的材料，查出计其允许的工 作压力，工作温度等2。 1.2 换热器概述 换热器简单说是具有不同温度的两种或两种以上流体之间传递热量的设备。 在工业生产过程中，进行着各种不同的热交换过程，其主要作用是使热量由温 度较高的流体向温度较低的

16、流体传递，使流体温度达到工艺的指标，以满足生 产过程的需要。此外，换热设备也是回收余热，废热，特别是低品位热能的有 效装置3。 1.2.11.2.1 管壳式换热器的分类管壳式换热器的分类 根据管壳式换热器的结构特点，常将其分为固定管板式、浮头式、U 型管 式、填料函式、滑动管板式、双管式等4。 1）固定管板式换热器 固定管板式换热器的典型结构如下图所示。管束连接在管板上，管板与壳 体焊接。其优点是结构简单、紧凑、能承受较高的压力，造价低，管程清洗方 便，管子损坏时易于堵塞或更换；缺点是当管束与壳体的壁温或材料的线胀系 数相差较大时，壳体与管束将会产生较大的热应力。这种换热器适用于壳测介 质清洁

17、且不易结垢、并能进行清洗、管程与壳程两侧温差不大或温差较大但壳 测压力不高的场合5。 2 固定管板式换热器结构图固定管板式换热器结构图 2）浮头式换热器 浮头式换热器的典型结构如下图所示。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 产生热应力6。 浮头换热器的特点是管间与管内清洗方便，不会产生热应力；但其结构复 杂，造价比固定管板式换热器高，设备笨重，材料消耗大，且浮头端小盖在操 作中无法检验，制造时对密封要求较高。适用于壳体与管束之间壁温差较大或 壳程介质易结垢的

18、场合。 浮头式换热器结构图浮头式换热器结构图 3）U 形管换热器 U 形管式换热器的典型结构如下图所示。这种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根管板上管子可自由 伸伸缩。当壳体与 U 形换热管有温差时，不会产生热应力7。 U U 形管换热器结构图形管换热器结构图 由于弯管曲率半径的限制，其换热管排布较少管束最内层管间距较大，管 板的利用率较低，壳程流体易形成短路，对传热不利，当管子泄漏损坏时，只 3 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 且坏一根 U 形管相当于坏两根管，报废率较高。 U 形管结构比较简单、价格便

19、宜、承压能力强、壳壁温差较大或壳程介质 易结垢需清洗、又不适宜采用浮头式和固定管板式的场合。特别适用于管内走 清洁而不易结垢的高温、高压、腐蚀性大的物料。 4）填料函式换热器 填料函式换热器的典型结构如下图所示。这种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自由伸 缩，壳壁与管壁不会产生热变形差，从而避免可热应力。其结构较浮头式换热 器简单，加工制造方便，节省材料，造价比较低廉，且管束从壳体内可以抽出 你，管内，管间都能清洗，维修方便8。 填料函式换热器结构图填料函式换热器结构图

20、 1.2.21.2.2 管壳式换热器结构管壳式换热器结构 管壳式换热器的主要零部件有壳体、接管、封头、管板、换热管、折流元 件等，对于温差较大的固定管板式换热器，还应包括膨胀节。管壳式换热器的 结构应该保证冷、热两种流体分走管程和壳程，同时还要承受一定温度和压力 的能力9。 (1)管板：管板是换热器的重要元件，主要是用来连接换热器，同时将管程 和壳程分隔，避免冷热流体相混合。当介质无腐蚀或有轻微腐蚀时，一般采用 碳素钢、低合金钢板或其锻件制造。 (2)管子与管板的连接：管子与管板的连接必须牢固，不泄漏。既要满足其 密封性能，又要有足够的抗拉强度。其连接形式主要有强度胀接、强度焊接、 胀焊结合等

21、10。 (3)管箱：其作用是把管道中来的流体均匀分布到各换热管中，将换热管内 流体汇集在一起送出换热器11。 (4)折流板和支承板：壳程内侧装设折流板或支承板，折流板的作用是组 壳间流道，使流体以适当的流速冲刷管束，提高传热系数，改善传热效果，以 达到一定的传热强度。常用的折流板有弓形和圆环形两种，弓形折流板又分为 单弓形、双弓形和三弓形12。 (5)拉杆和定距管：折流板的安装一般是用拉杆和定距管组合并与管板固 在一起。拉杆与管板连接的一端可用焊接或螺纹连接，另一端也用焊接或 螺纹固定。一般拉杆的直径不得小于 10mm、数量不得小于 4 根13。 4 (6)管板与壳体的连接：其连接型式可分为不

22、可拆式和可拆式。 1.3 换热器相关技术研究内容及发展动向 随着换热器广泛应用于各行业，诞生了许多新型的换热器，这使得换热器 相关技术也得到不断提高，传热理论不断完善，换热器研究、设计、技术、制 造等技术不断发展，换热技术的发展同时又促进了各种新型高效换热器的不断 发展14。 目前各国为提高这类换热器性能进行的研究主要是强化传热，强化传热的 主要途径有提高传热系数、扩大传热面积和增大传热温差等方式，其中提高传 热系数是强化传热的重点，主要是通过强化管程传热和壳程传热两个方面得以 实现。 目前，管壳式换热器强化传热方法主要有：采用改变传热元件本身的表面 形状及其表面处理方法，以获得粗糙的表面和扩

23、展表面；用添加内插物的方法 以增加流体本身的绕流；将传热管的内外表面轧制成各种不同的表面形状，使 管内外流体同时产生湍流并达到同时扩大管内外有效传热面积的目的，提高传 热管的传热性能；将传热管表面制成多孔状，使气泡核心的数量大幅度增加， 从而提高总传热系数并可增加其抗污垢能力；改变管束支撑形式以获得良好的 流动分布，充分利用传热面积等。 换热器相关技术的发展主要表现在以下几发面：防腐技术，大型化与小型 化并重，强化技术，抗振技术，防结垢技术，制造技术，研究手段。 随着工业中经济效益与社会环境保护的要求，制造水平的不断提高，新能 源的逐渐开发，研究手段的日益发展，各种新思路的与新结构的涌现，换热

24、器 将朝着更高效、经济、环保的方向发展15。 1.4 本课题的研究内容及意义 本课题主要研究的是固定管板式换热器，查阅换热器相关标准，分析固定 管板式各部分性能影响，并进行了换热器的热工计算、结构计算和强度计算16。 换热器的应用广泛，日常生活中取暖用的暖气散热片、汽轮机装置中的凝 汽器和航天火箭上的油冷却器等，都是换热器。它还广泛应用于化工、石油、 动力和原子能等工业部门。本文的研究结果对指导换热器的规模化生产，扩大 其应用领域，以在广泛范围内逐步取代进口同类材料，降低使用成本具有重要 意义。 近年来，随着制造技术的进步，强化换热元件的开发，使得新型高效换热 器的研究有了较大的发展，根据不同

25、的工艺条件与工况设计制造了不同结构形 式的新型换热器，也取得了较大的经济效益。故我们在选择换热设备时一定要 根据不同的工艺、工况要求选择。换热器的作用可以是以热量交换为目的。在 即定的流体之间，在一定时间内交换一定数量的热量；也可以是以回收热量为 目的，用于余热利用；也可以是以保证安全为目的，即防止温度升高而引起压 力升高造成某些设备被破坏17。 5 第二章 固定管板式式换热器的结构设计 本章节主要对固定管板式换热器进行热工设计的计算，它的设计程序或步 骤随着设计任务数和原始数据的不同而不同，要尽可能的使已知数据和要设计 计算的项目顺次编排，但由于许多项目之间互相关联，无法排定顺序，故往往 先

26、根据经验选定一个数据使计算进行下去，通过计算得到结果后再与初始假定 的数据进行比较，知道达到规定的偏差要求，试算才告结束。 一般换热器的设计程序如下： （1）根据生产任务和有关要求确定设计方案； （2）确定换热器类型和主要结构； （3）根据换热量要求，计算换热面积，确定换热管与壳体尺寸； （4）核算换热器的传热能力及流动阻力； （5）确定换热器的工艺结构，形成工艺简图。 2.1 设计参数 换热器的设计参数如表 2.1 所示。 表2.1 设计参数 Tab. 2.1 Design Parameters T 介质循环水热水 工作温度 （进出口） / 30/ 4080/55 工作压力 （绝压） 0.4

27、0.5 流量 （Kg/s） 12 2.2 换热器热工设计 合理安排流程。，热水走壳程有助于散热。所以循环水走管程。 由于所设计的换热器属于常规容器，并且在工厂中多采用低碳低合金钢制造， 故在次综合成本、使用条件等的考虑，选择 16MnR 为壳体与管箱的材料。 16MnR 是低碳低合金钢具有优良的综合力学性能和制造工艺性能，其强度、韧 性、耐腐蚀性、低温和高温性能均优于相同含碳量的碳素钢，同时采用低合金 6 钢可以减少容器的厚度，减轻重量，节约钢材。 2.2.12.2.1 壳程流体热水的定性温度与物性参数壳程流体热水的定性温度与物性参数 (1) 热水的的定性温度：Tm=(T1+T2)/2=67.

28、5 选择热水的质量流量：wh=12/s (2) 定性温度与物性参数的选择与计算 根据化学化工物性数据手册有机卷查得： 热水在 67.5下，其液体密度 h=980.59/m3 热水在 67.5下，其粘度 h=4.233 10- -4 Pas 热水在 67.5下，其比热容 Cph=4.178 KJ/(kg 0C) 热水在 67.5下，其热导率 h=0.162 W/(m 0C) 根据公式 Prh=Cph h /h 得： 普朗特数 Prh=4.178 4.233 10- -4/0.162=0.0109 (3) 物料与热量衡算 负荷 Q=whCph (T1-T2)(换热效率一般取=0.98) =124.

29、178250.98 =1230 (4)确定换热器流程形式，计算换热器的有效平均温度差tm。管壳式换热 器主要有逆流式、并流式、错流式几种。在逆流式换热器中两种流体以相反方 向流动从热力学角度考虑这种优于其它任何一种，传热效率较高，因此选择逆 流的方式进行换热。 逆流时：热流体温度 T 800C550C 冷流体温度 t 300C400C 两端温度差 t 500C150C 逆流对数平均温差：tmr=（t1-t2）/ ln(t1/t2) =(500C -150C)/ ln(500C /150C) =29.170C 流程形式：1 流程2 管程 参数：R=(T1-T2)/(t1-t2)=25/10=2.

30、5 P=(t1-t2)/(T1-T2)=10/25=0.4 查过程装备成套技术设计指南得：=0.95 有效平均温度tm=tmr=27.710C (5)初算传热面积 根据过程装备成套技术设计指南初选传热系数 K0=1300 W/(m2 0C) 传热面积 A0=Q/K0tm=1230 103/1300 27.71=34.145m2 (6)换热结构设计 选择换热管材料：选择材质为 Q245 钢，换热管长为 4.5m,252.5 的无 缝钢管，管程压降的结垢修正系数 Fi=1.4,换热管内外径分别为： di=0.02m,d=0.025m。 换热管管数 n= A0/dL=34.145/3.14 0.02

31、5 4.5=96.6 根 7 根据换热器设计手册书中，查表 1-2-7，确定其管束为 126 根，其正六角 形对角线上的管子数 b=12 根 根据流体流速范围选定管程数为 Nt=2 换热管排列方式：选择正三角形排列方式 查表 16-4 得换热管中心距：S=32 管束中心排管束：nc=1.1+4=17 根 126 换热器壳体内径的确定：Di=a （b-1）+2L 式中：L-最外层管子中心到壳壁边缘的距离，取 L=2d0=225=50 可得：Di=0.032（13-1）+20.05=434 取壳体直径 Di=450 换热器长径比 L/ Di=4500/450=10,在卧式换热器长径比 610 范围

32、内，所以选 择的换热器符合要求。 折流板的形式：选择单弓形折流板 按 GB151-1999 查得折流板外径 Db=0.447m 折流板缺口弦高 h=0.20Di=0.09m 折流板间距 B=(0.2-1) Di=0.3m 折流板数 Nb=L/B-1=4.5/0.3-1=14 2.2.22.2.2 管程循环水温度与物性参数管程循环水温度与物性参数 (1)循环水的定性温度：tm=（t1+t2）/2=350C (2)定性温度与物性参数的选择与计算 根据化学化工物性数据手册无卷查得： 循环水在 350C 下：其密度 c=994.1/m3 其粘度 c=7.22510-4 Pas 其比热容 Cpc=4.1

33、87 KJ/(kg 0C) 其热导率 c=0.148 W/(m 0C) 根据公式 Prh=Cpc c/c 得： 普朗特数 Prc=4.1877.22510-4/0.148=0.2044 根据公式：Q= wcCpc(t1-t2) 得： wc=Q/ Cpc(t1-t2)=1230/4.187(40-30)=29.4kg/s 2.2.32.2.3 管程的传热与压降管程的传热与压降 管程流速：uh=whNt4/n hdi2 =124Nt /980.59127(0.02)2 =0.614m/s 管程雷诺数：Re=diuh h/h=0.020.614980.59/4.233 10-4=28447 假定换热

34、管壁温 t=430C，在其温度下的粘度 w=0.620710-4Pas 管程流体给热系数 ai=0.023( h/di)Re0.8Prh n (流体被加热取 n=0.4) =0.023(0.162/0.02) 284470.01090.4 =869.1 管程进出口流速： 8 uNt= 2 2 12 0.125/ 980.59 0.785 (0.1330.008) (2) 4 h hjtjt m s ds 根据过程装备成套技术设计指南图 4-3 查得管程摩擦因子 fi=0.008 管内摩擦压降: 2 24 2 4 P4() 2 4.5980.59 0.6140.7225 10 4 0.008 2

35、 0.0220.6207 10 3593.3P T h Nh c fit iw L f N d a u （） 回弯压降： Pa 22 44 2 980.59 0.614 P1478.71 22 thh r Nu 进出口局部压降： Pa 22 1.51.5 2 980.59 0.614 P554.52 22 hth Nt N u 管程压降： PaP()(3593.3 1478.7) 1.4554.527655.28 i tfrNt PP FP 管程最大允许压降：=35000Pa t P 校核管程压降：因为，所以管程压力合理。 t P t P 2.2.42.2.4 壳程的传热与压降壳程的传热与压降

36、 壳程当量直径： 2222 33 440.0320.025 2424 D 0.025 0.020 e Sd d 横过管束的流通截面积： 2 S 0.5 AD S-0.450.0320.0250.05 0.032 i B dm S 壳程流体流速： S 29.4 0.6/ A994.1 0.05 c c c um s 壳程雷诺数： 4 0.065 0.6 994.1 R53660.7 7.225 10 ecc e c D u 壳程流体给热系数： 9 14 . 0 3 1 55 . 0 0 Pr D 36 . 0 w e e c Ra 0.14 14 0.55 3 4 0.1480.7225 10

37、0.3653660.70.204 0.0650.6207 10 196.8 折流板圆缺部分的换热管数按圆弧比计入 nw=16，根据过程装备成套技术 设计指南，查表 4-4 得：h/Di=0.09/0.45=0.2 时的值为 0.112 折流板圆缺部分流通面积： 22222 A0.112 0.45160.0250.015 44 biw Dndm 折流板圆缺区流体流速： 12 0.081/ A980.59 15 c b cb um s 圆缺区平均流速： 0.6 0.0810.022/ b mc uu um s 壳程出口流速： 2 2 12 1.84/ 2980.590.1 2 0.004 44 c

38、 Ns cjsjs um s ds 根据过程装备成套技术设计指南，查图 4-5 得：壳程摩擦 f0=0.041 折流板间错流管束压降： 圆缺部分压降： C0 2 P41 2 450937 0.2 4 0.04116 113054 0.0202 icc b e Du fN D Pa Pa 0 2 P c um c b 2 980.59 0.022 749.5 2 0.12 进出口局部压降： Pa 2 Ns 1.51.5 980.59 0.22 16 P2588 22 cct u N 壳程压降：PaP13054749258816391 scbNs PPP 根据过程装备成套技术设计指南，查得：壳程最

39、大允许压降: =35000Pa 校核壳程压降：因为，所以管程压力合理。 s P s P s P 2.2.52.2.5 总传热系数总传热系数 根据过程装备成套技术设计指南表 4-5 污垢热阻的参数查得：管内污垢 热阻 rdi=17.210-5 W/(m2 0C)，管内污垢热阻 rdo=17.210-5 m20C/W, 查得换热管材料导热系数 w=51.8 m20C/W 10 管壁热阻: = m20C/W w rln() 22ww dd d 8 . 512 025. 0 5 103 . 5) 0025 . 0 2025 . 0 025 . 0 ( 总传热系数： i d i wd A A r a r

40、r a i 0 0 111 K 1 0 555 1110.025 17.2 105.3 1017.2 10 196.80.98662.20.02 0.003167 nL nL 所以可求得总传热系数 K=315.66,在（1.11.2）K0范围之内，初选传热系数 K0符合要求。 11 第三章 固定管板式式换热器的强度计算 本章节主要对固定管板式换热器进行机械设计的计算，其机械设计内容 及步骤如下： （1）壳体直径的确定和壳体厚度计算； （2）换热器封头、管箱的选择，压力容器法兰的选择； （3）管板尺寸的确定； （4）折流板的选择与计算； 此外，还考虑接管、接管法兰的选择及开孔补强等。 3.1 换

41、热器主要零部件的强度计算 3.1.13.1.1 换热器壳体壁厚计算换热器壳体壁厚计算 (1)选择钢材：根据已知条件，得 Q345R 钢材作为壳体材料。 (2)确定各设计参数：根据化工设备表 2-5 查得，取设计温度 t=100； 按表 2-8，Q345R 在 t=1500时的许用应力t=170MP；按表 2-10，面对接 焊采用双面局部无损探伤，焊接接头系数 =0.85；按表 2-11,钢板厚度负偏差 =0.6（假设其钢板名义厚度为 67），取腐蚀裕量=1，厚度附加 1 C 2 C 量 C= + =1.6；由 Pc =（1.051.1）Pw, Pw=0.5MP,可得：Pc 1 C 2 C =1

42、.10.5=0.55MP (3)计算壁厚： = c t ic 2P DP 0.55 450 0.855 2 170 0.850.55 mm 有效厚度 12 0.855 1.62.455 n CCmm 按钢板厚度规格向上圆整后，取壳体名义厚度为 8mm,此值在初始假设厚度 范围，故得mm n 8 3.1.23.1.2 换热器封头的壁厚计算换热器封头的壁厚计算 由于 Di/2hi=2 时，椭圆形封头的应力分布较好，且封头的壁厚与相连的筒 体厚度大致相等，便于焊接，经济，合理，所以选择标准椭圆形封头，其形状 系数 K=1.0。 由公式得： KP D 1.0 0.55 450 c i 0.857mm

43、t 2 170 0.85-0.5 0.55 2 0.5Pc 有效壁厚: 0.857 1.62.457 n Cmm 12 按钢板厚度规格向上圆整后取得名义厚度 mm n 8 根据 JB/T4746-2002 标准，标准椭圆形封头为 DN4508,曲面高度 1 h =138mm,直边高度 =25mm,如图 3-1 所示，材料选用 Q235 钢。 2 h 椭圆形封头直边高度椭圆形封头直边高度 h h 的选用的选用 封头材料碳素钢、普通低合金钢、复合钢板不锈钢、耐酸钢 封头厚度 n 481018 20 391018 20 直边高度 h 254050254050 图图 3-13-1 标准椭圆形封头结构标

44、准椭圆形封头结构 3.1.33.1.3 压力试验及其强度校核压力试验及其强度校核 根据公式确定水压试验压力： T P1.25P1.25 0.55 10.6875 Ct MP 再根据公式校核壳体强度： )(9 . 0 2 )(DP(P 2 . 0 LT T s e ei 钢板在试验压力下的屈服极限MPa345 s 可计算出： T T 0.687545082 P (D) 26.125MP 2282 ie e a a s MP925.23634585 . 0 9 . 09 . 0 2 . 0 由于,所以液压试验时壳体强度满足要求。 ST 0.9 13 3.1.43.1.4 换热器压力容器法兰的选择与

45、计算换热器压力容器法兰的选择与计算 (1)由壳体的设计压力=0.55MPa,按照设计压力公称压力的原则, 就进 c P 确定法兰公称压力为 0.6MP,为保证安全，所以就进提高一个公称压力等级，暂 定法兰公称压力为 1.0MPa。 (2)根据容器法兰公称直径等于其相连的壳体内径，可得法兰的公称直径 DN=450mm,同时由设计温度 t=100和以上的初定的公称压力 PN=1.0MPa,根据 化工设备查 4-1 表确定选取甲型平焊法兰。 (3)根据介质特性及壳体材料确定法兰材料为 Q235-B，并根据 t=100和 PN=1.0MP,根据过程装备成套技术设计指南表 2-7，查得其最大允许工作压

46、力为 1.0MP。 (4)由于 1.0MP 0.55MP 即法兰最大允许工作压力大于设计压力，所以选 择公称直径 DN=450mm，公称压力 PN=1.0MP,材料为 Q235-B 的甲型平焊法兰。 (5)由于工作介质无毒，所以选择平面密封面，根据化工设备 4-9 表 确定垫片为石棉橡胶板，螺栓材料为 Q235-A,螺柱材料为 Q235-A。 如表 3-1 所示： 法兰，mm螺柱公称 直径 DN 公称 压力 PN D 1 D 2 D 3 D 4 D d 规格数量 4501.05655305004904873418M1624 图图 3-23-2 容器法兰（图面形式）容器法兰（图面形式） (6)压力容器法兰标记为：法兰-FM450-1.0 JB/T 4703-2000 3.1.53.1.5 管板的选择与尺寸计算管板的选择与尺寸计算 换热器管板的计算十分复杂，一般均采用计算机计算。为了计算方便，也 可由工具书查得选用管板尺寸。由管程工作压力为 0.4,可算管程的设计压力 Pt=1.1Pw=0.44MPa(取管板的公称压力为 1.0MPa)的管板，材料为 Q245R。 根据换热器设计手册表 1-6-9，