张婷课设

江汉大学

课题名称： 固定管板式换热器设计

系 别： 化学与环境工程学院

专 业：

学 号：

姓 名：

指导教师：

时 间：

过控102班 201009104213 张婷 杨继军 2014年元月

1

课程设计任务书

设计题目：固定管板式换热器设计 一、设计目的：

1. 实用国家最新压力容器标准、规范进行设计，掌握典型的过程装备设计的全过程。

2. 掌握查阅和综合分析文献资料的能力，进行设计方法和设计方案的可行性研究和论证。

3. 掌握软件强度设计计算，要求设计思路清晰，计算数据准确可靠，正确掌握计算机操作和专业软件的实用。 4. 掌握图纸的计算机绘图。 二、设计条件：

设计条件单

名称 物料名称 工作压力 操作温度 推荐钢材 换热面积 管程 循环水 0.45Mpa 40℃ 甲醇 0.05Mpa 70℃ 10，Q235-A，16MnR 60㎡ 推荐管长Φ=25 32-39㎡ 2m 40-75㎡ 2．5

2

壳程 76-135㎡ 3m

管口表

符号 a b c d e f 三、设计要求：

1.换热器机械设计计算及整体结构设计

2.绘制固定管板式换热器装配图（一张一号图纸） 3.管长与壳体内径之比在3-20之间 四、主要参考文献

1.国家质量监督检验检疫总局，GB150-2011《压力容器》，中国标准出版社，2011.

2.国家质量监督检验检疫总局，TSG R0004-2009《固定式压力容器安全技术监察规程》，新华出版社，2009.

3.国家质量监督检验检疫总局，GB151-1999《管壳式换热器》，中国标准出版社，1999.

4.天津大学化工原理教研室，《化工原理》上册，姚玉英主编，天津科学技术出版社，2012.

5.郑津样，董其伍，桑芝富主编，《过程装备设计》，化学工业出版社，

3

公称直径 200 200 20 70 20 200 用途 冷却水金口 甲醇蒸汽进口 放气口 甲醇物料出口 排净物 冷却水出口

2010.

6.赵惠清，蔡纪宁主编，《化工制图》，化学工业出版社，2008。 7.潘红良，郝俊文主编，《过程装备机械设计》，华东理工大学出版社，2006。

8.E．U．施林德尔主编，《换热器设计手册》第四卷，机械工业出版社，1989.

4

前言

换热设备是用于两种或两种以上流体间、一种流体一种固体间、固体粒子间或者热接触且具有不同温度的同一种流体间热量（或焓)传递的装置。

换热器是化工、石油、动力、冶金、交通、国防等工业部门重要工艺设备之一，其正确的设置，性能的改善关系各部门有关工艺的合理性、经济性以及能源的有效利用与节约，对国民经济有着十分重要的影响。在炼油、化工装置中换热器占总设备数量的40%左右，占总投资的30%-45%。随着节能技术的发展，应用领域不断扩大，利用换热器进行高温和低温热能回收带来了显著的经济效益。

在工业生产中，换热设备的主要作用是使热量由温度较高的流体传递给温度较低的流体，使流体温度达到工艺过程规定的指标，以满足工艺过程上的需要。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。

换热器的型式繁多，不同的使用场合使用目的不同。其中常用结构为管壳式，因其结构简单、造价低廉、选材广泛、清洗方便、适应性强，在各工业部门应用最为广泛。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型管式、填料函式和釜式重沸器五类。

5

固定管板式换热器

固定管板式换热器结构简单，制造成本低，管程清洗方便，管程可以分成多程，壳程也可以分成双程，规格范围广，故在工程上广泛 应用。壳程清洗困难，对于较脏或有腐蚀性的介质不宜采用。当膨胀之差较大时，可在壳体上设置膨胀节，以减少因管、壳程温差而产生 的热应力。

固定管板式换热器的特点是： 1、旁路渗流较小； 2、锻件使用较少，造价低； 3、无内漏；

4、传热面积比浮头式换热器大20%～30%。 固定管板式换热器的缺点是：

1、壳体和管壁的温差较大，壳体和管子壁温差t≤50℃,当t≥

6

50℃时必须在壳体上设置膨胀节；

2、易产生温差力，管板与管头之间易产生温差应力而损坏； 3、壳程无法机械清洗；

4、管子腐蚀后连同壳体报废，设备寿命较低。

固定管板式换热器的机械设计除了最关键的换热板片以外，还有两块墙板，我们称为框架板和压力板，框架板为外侧不可活动的墙板， 压力板为换热板片另一侧的可用拉杆螺栓调整位置的墙板；数根拉杆螺栓，用来加紧框架板和压力板；立柱；上下导杆，连接在框架板和 立柱之间，用来支撑并给压力板和换热。半片导向；框架板和立柱上可安装底脚底脚，用于固定机器。除此以外，还可以有法兰，过滤器，温度计和压力计等一系列附件。

固定管板式换热器管束连接在管板上，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，管子损坏时易于堵管或更换；缺点是当管束与壳体的壁温或材料的线膨胀系数相差较大时，壳体与管束中将产生较大的热应力。这种换热器适用于壳侧介质清洁且不易结垢并能进行清洗，管、壳程两侧温差不大或温差较大但壳侧压力不高的场合。

主要由壳体、换热管束、管板、前端管箱（又称顶盖或封头）和后端结构等部件组成。管束安装在壳体内，两端固定在管板上。管箱

7

和后端结构分别与壳体两端的法兰用螺栓相连，检修或清洗时便于拆卸。换热器设计的优劣最终要看是否适用、经济、安全、运行灵活可靠、检修清理方便等等。

一个传热效率高、紧凑、成本低、安全可靠的换热器的产生，要求在设计时精心考虑各种问题.准确的热力设计和计算，强度和工艺条件。

8

目录

一、设计计算

1. 工艺条件……………………………………………….11 2. 计算

（1） 管子数 n……………………………………..........11 （2） 管间距的确定……………………………………..12 （3） 换热器壳体直径的确定…………………………..12 （4） 换热器壳体壁厚的计算…………………………..12 （5） 换热器封头选择…………………………………..13 （6） 容器法兰选择……………………………………..13 （7） 管板尺寸的确定…………………………………..14 （8） 管箱………………………………………………..14 （9） 折流板设计………………………………………..14 （10） 支座……………………………………………15 （11） 开孔补强………………………………………15 （12） 管子脱拉力计算………………………………16 （13） 是否安装膨胀节………………………………17 （14） 接管、法兰……………………………………18 （15） 连接紧固件……………………………………20 （16） 防冲板………………………………………....20 （17） 水压试验………………………………………20 二、结构连接…………………………………………………21

9

1.换热管与管板的连接………………………………....21 2.管板与壳体，管箱的连接……………………………21 3.管法兰与接管的连接…………………………………22 三、设备总装………………………………………………….23 四、个人总结………………………………………………….26

10

一、设计计算

1、工艺条件

名称 物料名称 工作压力 操作温度 推荐钢材 换热面积 管长 管径 2、计算

(1)管子数n 选因为

的无缝钢管，材质20号钢，管长3m。

管程 循环水 0.45MPa 40 ℃ 壳程 甲醇 0.05MPa 70 ℃ 10, Q235 - A , 16MnR 60 m 2 2.5m φ=25mm*2.5mm 所nF60306根 d均L3.140.0252.5采用正三角形排列，正三角形排列比较紧凑，在一定的壳径内可排列较多的管子，且传热效果好，但管外清洗较为困难。而正方形排

11

列，管外清洗方便，适用于壳程中的流体易结垢的情况，其传热效果较正三角形差些。以上排列方式中最常用的是正三角形错列，用于壳侧流体清洁，不易结垢，后者壳侧污垢可以用化学处理掉的场合。由《化工原理》上册附录28查得中心排管为23，换热器内管子总根数为467，取拉杆数为10，所以实际管数457根

管程分程，管程数取1层 (2)管间距的确定

由于换热管外径为25mm，《化工原理》上册附录28得管间距

。

(3)换热器壳体直径的确定

Dia(nc1)2do

式中 ——换热器内径，mm；

nc——正六角形对角线上的管子数，中心排管数nc23 do——最外层管子的中心到壳壁边缘的距离，取mm。

故 Di32(231)225mm754mm 圆整后取壳体内径Di800mm (4)换热器壳体壁厚的计算 材料选用Q345R，计算壁厚



2pc70pcDi

12

式中 ——计算压力，取Pc1.1Pw0.5MPa； Di800mm；0.（单面焊局部无损检测 8）； []70189MPa（壳壁温度取70摄氏度）；

故 因为

，所以取

。

1.10.458001.32mm

21890.81.10.45查HG/T20580-20581-2011《化工设备手册》腐蚀裕量C22mm，对Q345R钢板负偏差C10.3mm。

圆整后取n6mm。 (5)换热器封头选择

左右封头均选用标准椭圆形封头，根据JB/T 4746-2002标准，封头为DN800mm6mm，曲面高度h1200mm,直边高度h225mm，材料选用Q345R。

(6)容器法兰的选择

材料选用20号钢。根据JB/T 4701-2000标准，选用DN800，

的平封面甲型平焊法兰。DN=800mm；D=930mm；

D1890mm；D3845mm；40mm；

13

图2-1 换热器封头 图2-2容器法兰 (7)管板尺寸的确定

选用固定式换热器管板型，并兼作法兰，材料选用16Mn锻件。直径D=930mm，厚度40mm，管板与筒体间的连接方法选用强度胀接。管板

尺寸查GB151-1999，则管板管孔直径为25.25mm。 (8)管箱

公称直径DN=800mm厚度为6mm由于壳层为甲醇，较清洁，可选结构为封头管箱，管箱筒节长l=400mm。

(9)折流板设计

折流板选用弓形，高度hDi600mm；

折流板间距取500mm;查GB151-1999《管壳式换热器》5.9表34得折流板最小厚度为6mm，折流板外径为DN-4.5即795.5mm，查5.9表39管孔直径为25.8mm，材料为Q235-A钢。

拉杆查GB151-1999《管壳式换热器》表43和44选用直径，数量8根，材料为Q235-A钢。 12mm；

14

34

(10)支座

采用双鞍座，根据JB/T 4712-2007，鞍座DN BI800-S，选用120度包角， L=2500mm，LB=0.6L=1500mm

A=0.2L=500mm。

鞍座材料选用Q235-A，垫板材料选用16MnR。 查JB/T4712.1-2007,鞍座的各部分尺寸为:

鞍式支座的结构参数（JB/T4712.1-2007）

螺鞍公称座直径高/ 度DN h 3 长 72800 200 0

(11)开孔补强

根据GB151-1999《管壳式换热器》换热器壳体和封头上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壁材料和厚度都相同，即6mm厚的16MnR钢板。其补强结构如图所示。

15

腹底板 板 筋板 垫板 栓间距 l1 b1 1 2 L3 b3 δ弧b4 4 e l2 1510 10 0 40120 10 940 0 266 65 530 0

接管补强圈壳体图2-3开孔补强结构

（12）管子拉脱力计算 计算数据按表1选取。

表1

项目 管子 壳体

操作压力/MPa 0.45 0.05 材质 20钢 16MnR

线膨胀系数/(1/℃) 弹性模量/MPa

许用应力/ MPa 130 189 尺寸/mm 252.52500mm； DN8006mm； 管子根数 457 管间距/mm 32

管壳壁温差/℃

管子与管板的连接方式 强度胀接 胀接长度/mm

16

在操作压力下，管子每平方米胀接周边上所受到的力

其中

，

温差应力导致管子每平方米胀接周边上所受到的力

其中

tE(ttts)11.20.2130At1As6.211.38MPa

由上述计算有

qtt(dodi)11.38(625400)224dol425480.53MPa

由于管子和管板的连接采用强度胀接，管子的许用拉脱力远小于0.5倍材料的许用应力。因此，拉脱力在许用范围内。

（13） 计算是否安装膨胀节 AsDtn3.14812615298.08mm；

17

At4(do2di2)n3.14(252202)45780717.6mm；4

管、壳壁温差所产生的轴向力：

F1tAt11.3879481.25904547.9(N)0.9106(N)；压力作用于壳上的轴向力：

其中

3.14 [(8002450252)0.054502020.45](N)；4 =77665.9（N）

则F2

压力作用于管子上的轴向力：

F3QAt 0.62106(N)；AtAs77665.915298.08 12535.8(N)0.12106(N)；15298.0879481.25

F1F266.67MPa；As F3F1 t35.23MPa；At

则s根据GB 151-1999《管壳式换热器》的设计规定，在考虑热应力的情况下管子和壳体上的应力均小于3倍的许用应力，实际所求的应力均较小，满足设计要求，故本换热器不必安装膨胀节。

(14)接管、法兰

壳层接管在入口处加以扩大，做成喇叭形，起缓冲效果，或者在

18

换热器进口处设置挡板。接管材料选用20号钢。

根据设计条件管口公称直径，查HG/T20592《钢制管法兰》选用对劲平焊法兰，公称压力为0.6MPa。材料为20号钢。

对于DN200选取2197mm接管,对于DN70选取894mm接管, 对于DN20选取252mm接管。

接管高度

公称直径/mm 接管高度/mm DN 200 200 DN80 150 DN20 150 根据化工设备机械基础,由于换热器的压力不高，而且流体无毒，所以选用对颈平焊法兰，材料选用20号钢，密封面型式选用突面密封，其公称直径分别为：

对颈平焊钢制管法兰（摘自HG/T 20593-2009）

公称 管子直径DN 直径 A1 连 接 尺 寸 法兰螺栓中螺栓孔直径L 螺栓孔螺纹数量n Th 法兰 法厚度 兰C 内径B1 外径D 心圆直径K PN0.6MPa 20 80 200

25 89 219 90 190 320 65 150 280 19

11 18 18 4 4 8 M10 M16 M16 14 18 26 91 22 222

（15）连接紧固件

因为介质仅为水和甲醇，因此密封性要求一般，因为选择垫片采用价格相对较低的石棉橡胶板，螺母螺栓选用Q235-A。 垫片尺寸D=844，d=804。

石棉橡胶板

（16） 防冲板

本课程设计的壳程流体为甲醇蒸汽，其22230kg/(m.s2)，故不需防冲板。

（17）.水压试验

水压试验压力 pT1.25pC0.069MPa 所选材料的屈服应力 s345MPa 水压试验应力校核 TpT(DiSe)0.069(8003.7)7.5MPa 2Se23.7 0.9s0.93450.8248.4MPa 所以T0.9s，水压试验满足强度要求。

20

二、结构连接

1．换热管与管板的连接

选用强度焊接连接。

制造加工方便，保证换热管与管板连接的密封性和抗拉脱强度的焊接，目前采用较广泛。

查GB151，，可知其相接各部分的尺寸如下：

换热管外伸长度

换热管规格 ф25×2.5 外径×壁厚 换热管最小伸出长度/l1 K/mm 32 0.5

2.管板与壳体及管箱的连接

管板与壳体及管箱的连接

21

3.管法兰与接管连接

管法兰与接管采用内外焊接

管法兰与接管焊接

22

三、设备总装

1. 换热管

直管一律采用整根管子而不允许有接缝。管子应该进行校直，管

子两端须用磨管机清除氧化皮、铁锈、及污垢等杂质直至露出金属光泽。除锈长度不小于两倍管板厚度。当管子与管板的连接采用胀接工艺时，管端硬度应低于管板硬度。同一根换热管的对接焊缝，直管不得超过一条；包括至少50mm直管段范围内不得有拼接焊缝。管端破口应采用机械方法加工，焊前应清洗干净。

换热管组装要求两管板相互平行，允许误差不得大于1mm，两管板间长度误差为±2mm；管子与管板应垂直；拉感应牢靠固定；定距管两端面要整齐；穿管时管子头不能用铁器直接敲打。 2. 筒体

换热器筒体的圆度要求较高，必须保证壳体与折流板之间有合适的间隙。如太大就要影响换热效果，太小就要增加装配的难度。切割好的钢板应根据钢板厚度、操作压力高低选定破口形式进行边缘加工。用钢板卷制时，内直径允许偏差可通过外圆周长加以控制，其外周长允许上偏差10mm；下偏差为0。 3 . 封头和管箱

封头和管箱的厚度一般不小于壳体的厚度。分程隔板两侧全长均应焊接，并应具有全焊透的焊缝。由于焊接应力较大，故管箱和封头法兰等焊接后，须进行消除应力的热处理，最后进行机械加工。 4. 折流板

23

由于折流板很薄，钻孔时钻头的推力使管板中心变形，故可将下料或圆整的折流板去掉毛刺并校平，重叠、压紧后沿周边点焊、然后一起钻孔。

为了保证顺利穿管，必须是折流板的管孔与管板中心在同一直线上，可以将管板当作钻模放在折流板上，压紧后进行引孔，即以管板危机出现在折流板上钻出和管板孔距一致的定位孔，然后取下管板，将折流板压紧，并换上合适的钻头。 5. 管板

管板由低合金钢锻件16MnR制成，加工前表面不平度不得大于2mm，如超过此值，应先进行校平，然后进行加工。

拼接管板的对接接头应进行100%射线或超声检测，按JB4730-94进行表面检测，检测结果不低于Ⅲ级，或超声检测中的Ⅰ级为合格。 换热管与管板的连接：二者采用焊接的形式连接，连接部位的换热管和管板孔表面，应清理干净，不得有毛刺、铁屑、锈斑、油污等。焊渣及凸出于换热器内壁的焊瘤均应清除。

管板与换热管焊接时，管孔表面粗糙度Ra值≤25µm。 6. 换热器安装

1.安装位置：根据该换热器的结构形式，在换热器的两端留有足够的空间来满足拆装、维修的需要。

2.基础：必须使换热器不发生下沉。在活动支座的一端应予埋滑板。 3.地脚螺栓和垫铁

（1）活动支座的地脚螺栓应装有两个紧锁的螺母，螺母与底板间应

24

留有1～3mm的间隙。

（2）地脚螺栓两侧均有垫铁。设备找平后，斜垫铁，可与设备支座底板焊牢，但不得与下面的平垫铁或滑板焊死。 （3）垫铁的安装不应妨碍换热器的热膨胀。

25

四、个人总结

为期两个星期的课程设计就要结束，这次设计的是固定管板式换热器的机械设计。虽然为期不长，但收获颇多。

首先，这次课程设计是我们接触的一个专业课程设计，所要用到的知识很多，包括机械设计基础、化工制图、化工原理、过程装备设计和换热器原理与设计等方面的知识。这些知识不是机械的相加，而是需要全面的考虑和整体布局，不止一次因为考虑不全而要重新来过，有时会不耐烦，可想想不耐烦对我没有任何益处，便及时的调整过来。这次设计巩固我以前所学习的知识，让我专业知识有了更深的认识和理解。

其次，这次课程设计还培养了我细心认真的做事态度，以及严谨的工作态度、平和的心态。这次设计工作量大，用到的知识多，需要查的资料有很多，在查标准的过程中，会有很多细节的问题，很繁琐，只有静下心来，有条理，有顺序的进行，才不会出错。有时为了一个数据查找了好几本书，还是找不到结果的时候，是挺纳闷的，很容易让人想放弃。但有目标在，逼自己一下，继续寻找，努力终会结果，这结果就是对努力的奖励，感觉自己又离成功更近了一步。

特别想说的是，第一次做好交给老师，因为没有用心，基本的问题都没搞清楚，得到了老师的细心指导和教育，受益匪浅，所以说，做任何事情都要全力以赴，坚持到底，付出总会有回报。此外，在CAD画图的过程中，也遇到很多问题，包括图纸的美观，图形的清

26

晰分明，字体的大小，画图的规范等等，这些细节都在不断的失败和摸索中得到学习，画图的技巧也得到提高。对很多设计规范都有了初步的认识。

因此，特别感谢这次学习的机会，让我们把所学的知识得以运用，不仅在专业上有所提高，在处理问题，面对问题上，都有了很大提高，在心态上面也变得平和冷静。同时，让我明白什么是严谨的科学态度，怎样才可以做好设计的工作，也感谢老师对我们的帮助和指导。

27