U型管式換熱器設(shè)計(jì)

1、U型管式換熱器設(shè)計(jì)摘要 本文介紹了U型管換熱器的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算。U型管換熱器僅有一個管板，管子兩端均固定于同一管板上，管子可以自由伸縮，無熱應(yīng)力，熱補(bǔ)償性能好；管程采用雙管程，流程較長，流速較高，傳熱性能較好，承壓能力強(qiáng)，管束可從殼體內(nèi)抽出，便于檢修和清洗，且結(jié)構(gòu)簡單，造價便宜。U型管式換熱器的主要結(jié)構(gòu)包括管箱、筒體、封頭、換熱管、接管、折流板、防沖板和導(dǎo)流筒、防短路結(jié)構(gòu)、支座及管殼程的其他附件等。本次設(shè)計(jì)為二類壓力容器，設(shè)計(jì)溫度和設(shè)計(jì)壓力都較高，因而設(shè)計(jì)要求高。換熱器采用雙管程，不銹鋼換熱管制造。設(shè)計(jì)中主要進(jìn)行了換熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，強(qiáng)度設(shè)計(jì)以及零部件的選型和工藝設(shè)計(jì)。關(guān)鍵詞：U型管換熱器，結(jié)

2、構(gòu)，強(qiáng)度，設(shè)計(jì)計(jì)算U-TUBE HEAT EXCHANGER DESIGNABSTRACTThis paper introduces the U-tube heat exchanger design and calculation. U-tube heat exchanger has only one tube sheet, tubes are fixed at both ends of boards in the same tube, and tubes could telescopic freely, non-thermal stress, thermal performance and

3、compensation; use of double-tube process, the process is longer, higher speed, better heat transfer performance, pressure capacity, and control can be extracted from the shell with easy maintenance and cleaning, and simple structure cost less. The main structure of U-tube heat exchanger, includes Eq

4、uipment control, shell, head, exchanger tubes, nozzles, baffled, impingement baffle, guide shell, anti-short-circuit structure, support and other shell-tube accessories.This time I designed a second category pressure vessel, which has high design temperature and high design pressure. Thus the design

5、 demands are strict. It has dual heat exchanger tube, stainless steel heat exchanger manufacturers. I mainly carried out the design of heat exchanger structural design, strength of design and parts selection and process design.KEYWOEDS: U-tube heat exchanger, frame, intensity, design and calculation

6、47目錄中文摘要I英文摘要II緒論11管殼式換熱器的類型、結(jié)構(gòu)與型號21.1 換熱器的零部件名稱21.2 換熱器的主要組合部件32換熱器材料選擇42.1 選材原則43換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)53.1 壁厚的確定63.2 管箱圓筒短節(jié)設(shè)計(jì)63.3 殼體圓筒設(shè)計(jì)73.4 封頭設(shè)計(jì)83.4.1 后封頭計(jì)算93.4.2 管箱封頭計(jì)算103.5 換熱管設(shè)計(jì)113.5.1 換熱管的規(guī)格和尺寸偏差113.5.2 U形管的尺寸123.5.3 管子的排列型式123.5.4 換熱管中心距133.5.5 布管限定圓133.5.6 換熱管的排列原則153.6 管板設(shè)計(jì)153.6.1 管板連接設(shè)計(jì)173.6.2 管板設(shè)計(jì)計(jì)算19

7、3.7 管箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)213.7.1 管箱的最小內(nèi)側(cè)深度223.7.2 分程隔板224 換熱器其他各部件結(jié)構(gòu)234.1 進(jìn)出口接管設(shè)計(jì)234.1.1 接管法蘭設(shè)計(jì)234.1.2 接管外伸長度254.1.3 接管與筒體、管箱殼體的連接254.1.4 接管開孔補(bǔ)強(qiáng)的設(shè)計(jì)計(jì)算254.1.5 接管最小位置294.1.6 殼程接管位置的最小尺寸304.1.7 管箱接管位置的最小尺寸304.2 管板法蘭設(shè)計(jì)304.2.1 墊片的設(shè)計(jì)334.2.2 螺栓設(shè)計(jì)344.2.3 法蘭設(shè)計(jì)384.3 折流板384.3.1 折流板尺寸394.3.2折流板的布置394.3.3折流板的固定364.4 拉桿與定距管384.4

8、.1 拉桿的結(jié)構(gòu)型式394.4.2 拉桿的直徑和數(shù)量394.4.3 拉桿的尺寸404.4.4 拉桿的布置424.4.5 定距管尺寸424.5 防沖與導(dǎo)流424.5.1 防沖板的形式424.5.2 防沖板的位置和尺寸424.5.3 導(dǎo)流筒434.6 雙殼程結(jié)構(gòu)434.7 防短路結(jié)構(gòu)444.7.1 旁路擋板的結(jié)構(gòu)尺寸444.7.2 擋管444.7.3 中間擋板444.8 鞍座45結(jié)論46參考文獻(xiàn)47致謝48附錄 英文文摘及翻譯49緒論能源是當(dāng)前人類面臨的重要問題之一，能源開發(fā)及轉(zhuǎn)換利用已成為各國的重要課題，而換熱器是能源利用過程中必不可少的設(shè)備，幾乎一切工業(yè)領(lǐng)域都要使用，化工、冶金、動力、交通、航

9、空與航天等部門應(yīng)用尤為廣泛。近幾年由于新技術(shù)發(fā)展和新能源開發(fā)利用，各種類型的換熱器越來越受到工業(yè)界的重視，而換熱器又是節(jié)能措施中較為關(guān)鍵的設(shè)備，因此，無論是從工業(yè)的發(fā)展，還是從能源的有效利用，換熱器的合理設(shè)計(jì)、制造、選型和運(yùn)行都具有非常重要的意義。近年來隨著節(jié)能技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，利用換熱器進(jìn)行高溫和低溫?zé)崮芑厥諑砹孙@著的經(jīng)濟(jì)效益。換熱器分類方式多樣,按照其工作原理可分為:直接接觸式換熱器、蓄能式換熱器和間壁式換熱器三大類,間壁式換熱器又可分為列管式和板殼式換熱器兩類,其中列管式換熱器以其高度的可靠性和廣泛的適應(yīng)性,在長期的操作過程中積累了豐富的經(jīng)驗(yàn),其設(shè)計(jì)資料比較齊全, 隨著經(jīng)濟(jì)

10、的發(fā)展，各種不同型式和種類的換熱器發(fā)展很快，新結(jié)構(gòu)、新材料的換熱器不斷涌現(xiàn)。近年來盡管列管式換熱器也受到了新型換熱器的挑戰(zhàn),但由于它具有結(jié)構(gòu)簡單、牢固、操作彈性大、應(yīng)用材料廣等優(yōu)點(diǎn),列管式換熱器目前仍是化工、石油和石化行業(yè)中使用的主要類型換熱器,尤其在高溫、高壓和大型換熱設(shè)備中仍占有絕對優(yōu)勢。列管式換熱器適用于化工、石油、醫(yī)藥、食品、輕工、冶金、焦化等行業(yè)的液和液,汽和汽,汽和液的對流傳熱,蒸汽冷凝和液體蒸發(fā)傳熱等換熱冷凝流程。列管式換熱器是由一個圓筒形殼體及其內(nèi)部的管束組成。管子兩端固定在管板上，并將殼程和管程的流體分開。殼體內(nèi)設(shè)有折流板，以引導(dǎo)流體的流動并支承管子。用拉桿和定距管將折流板與

11、管子組裝在一起。列管式換熱器共有三種結(jié)構(gòu)型式:固定管板式、浮頭式和U形管式。固定管板式換熱器結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、造價低，每根換熱管可以單獨(dú)清洗和更換，在結(jié)構(gòu)尺寸相同的條件下，與浮頭式和U形管式換熱器相比，換熱面積最大。固定管板式換熱器的殼程清洗困難，適應(yīng)熱膨脹能力差，決定了固定管板式換熱器適用于換熱介質(zhì)清潔，殼程壓力不高，換熱介質(zhì)溫差不大的場合。浮頭式換熱器由于管束的熱膨脹不受殼體的約束，而且可拆卸抽出管束，檢修更換換熱管、清理管束和殼程污垢方便，因此，浮頭式換熱器應(yīng)用最廣泛，在油田儲運(yùn)集輸系統(tǒng)中，60%70%的換熱器為浮頭式換熱器。形管式換熱器是管殼式換熱器的一種,它由管板、殼體、管束等零部件組

12、成。在同樣直徑情況下,形管換熱器的換熱面積最大；它結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、密封性能高, 檢修、清洗方便、在高溫、高壓下金屬耗量最小、造價最低;形管換熱器只有一塊管板,熱補(bǔ)償性能好、承壓能力較強(qiáng),適用于高溫、高壓工況下操作。1換熱器材料選擇在進(jìn)行換熱器設(shè)計(jì)時，對換熱器各種零部件的材料，應(yīng)根據(jù)設(shè)備的操作壓力、操作溫度、流體的腐蝕性能以及對材料的制造工藝性能等的要求來選取。當(dāng)然，最后還要考慮材料的經(jīng)濟(jì)合理性。一般為了滿足設(shè)備的操作壓力和操作溫度，即從設(shè)備的強(qiáng)度或剛度的角度來考慮，是比較容易達(dá)到的，但對于材料的耐腐蝕性能，有時往往成為一個復(fù)雜的問題。如在這方面考慮不周，選材不妥，不僅會影響換熱器的使用壽命，而

13、且也大大提高設(shè)備的成本。至于材料的制造工藝性能，是與換熱器的具體結(jié)構(gòu)有著密切的關(guān)系。1.1 選材原則換熱器用鋼的標(biāo)準(zhǔn)、冶煉方法、熱處理狀態(tài)、許用應(yīng)力、無損檢測標(biāo)準(zhǔn)及檢測項(xiàng)目均按GB150.4-2011及其附錄A的規(guī)定。換熱器的目的是為了傳熱，經(jīng)常與腐蝕性介質(zhì)接觸的換熱表面積很大，為了保護(hù)金屬部受腐蝕，最根本的方法是選擇耐腐蝕的金屬或非金屬材料。根據(jù)任務(wù)書所給數(shù)據(jù)，結(jié)合設(shè)計(jì)壓力（殼程0.63Mpa， 管程0.21MPa），設(shè)計(jì)溫度（殼程330，管程300），主要受壓元件材料選擇Q345R,16Mn（鍛）。2換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)管殼式換熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，必須考慮許多因素，如材料、壓力、溫度、比溫差、結(jié)垢情

14、況、流體的性質(zhì)以及檢修與清理等等來選擇一些適合的結(jié)構(gòu)型式。對同一種型式的換熱器，由于各種條件不同，往往采用的結(jié)構(gòu)亦不相同。在工程設(shè)計(jì)中，除盡量選用定型系列產(chǎn)品外，也常按其特定的條件進(jìn)行設(shè)計(jì)，以滿足工藝上的需要。U形管式換熱器僅有一塊管板，且無浮頭，所以結(jié)構(gòu)簡單，造價比其它換熱器便宜，管束可以從殼體內(nèi)抽出，管外便于清洗，但管內(nèi)清洗困難，所以管內(nèi)介質(zhì)必須清潔及不易結(jié)垢的物料。U形管的彎管部分曲率不通，管子長度不一。管子因滲漏而堵死后，將造成傳熱面積的損失。U型管式換熱器，使用在壓力較高的情況下，在彎管段的壁厚要加厚，以彌補(bǔ)彎管后管壁的減薄。殼程內(nèi)可按工藝要求裝置折流板、縱向隔板等，折流板由拉桿固定

15、，以提高換熱設(shè)備的傳熱效果?？v向隔板是一矩形平板，安裝在平行于傳熱管方向（縱向隔板按工藝要求決定）以增加殼側(cè)介質(zhì)流速。符號： - 鋼材厚度負(fù)偏差mm，應(yīng)按相應(yīng)鋼材標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定選取； - 鋼材的腐蝕裕量，mm； - 厚度附加量（按1第三章?。?，mm；對多層包扎圓筒只考慮內(nèi)筒的C值，對熱套圓筒只考慮內(nèi)側(cè)第一層套盒圓筒的C值； - 圓筒或球殼的內(nèi)直徑，mm； - 圓筒或球殼的外直徑（) ,mm； - 計(jì)算壓力（按1第3章）,MPa； - 設(shè)計(jì)壓力，Mpa； - 管程設(shè)計(jì)壓力，Mpa； - 殼程設(shè)計(jì)壓力，Mpa； - 圓筒或球殼的最大允許工作壓力，MPa； - 圓筒或球殼的計(jì)算厚度，mm； - 圓筒或球

16、殼的有效厚度，mm； - 圓筒或球殼的名義厚度，mm； - 設(shè)計(jì)溫度下圓筒或球殼的計(jì)算應(yīng)力，MPa； - 設(shè)計(jì)溫度下圓筒或球殼材料的許用應(yīng)力（按1第4章）,MPa； - 試驗(yàn)溫度下材料的許用應(yīng)力（按1第4章）,MPa； - 焊接接頭系數(shù)（按1第3章）；對熱套圓筒取 = 1 .0；2.1 壁厚的確定殼體、管箱殼體和封頭共同組成了管殼式換熱器的外殼。管殼式換熱器的殼體通常由管材或板材卷制而成。壓力容器的公稱直徑按GB9019-88規(guī)定，當(dāng)直徑400時，采用板材卷制殼體和管箱殼體，其直徑系列應(yīng)與封頭、連接法蘭的系列相匹配，以便于法蘭、封頭的選型。卷制圓筒的公稱直徑以400為基數(shù)，一般情況下，當(dāng)直徑1

17、000時，直徑相差100為一個系列，必要時也可采用50。圓筒的厚度按GB150-2011第5章計(jì)算，但碳素鋼和低合金鋼圓筒的最小厚度應(yīng)不小于表2.1.1的規(guī)定。 表2.1.12 mm公稱直徑4007007001000100015001500200020002600浮頭式，U形管式810121416DN=700mm,故取=8mm。2.2 管箱圓筒短節(jié)設(shè)計(jì)管箱圓筒（短節(jié)）計(jì)算按GB150-2011第五章的有關(guān)規(guī)定；其開孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算按GB150-2011第八章有關(guān)規(guī)定。設(shè)計(jì)條件見表2.1.2。表2.1.2部件材料設(shè)計(jì)溫度設(shè)計(jì)壓力MpaMpa Mpa標(biāo)準(zhǔn)mmmm管箱圓筒短節(jié)Q345R3000.21128

18、.241.0GB665420.3圓筒計(jì)算：設(shè)計(jì)溫度下圓筒的計(jì)算厚度按式（2-2-1）計(jì)算，公式的適用范圍為。 （2-2-1） 其中； ；=1.0帶入上式得：計(jì)算厚度：= 25.76mm設(shè)計(jì)厚度：名義厚度： ，經(jīng)圓整取= 26mm有效厚度：設(shè)計(jì)溫度下圓筒的計(jì)算應(yīng)力按式（3-2-2）計(jì)算： （3-2-2）得 滿足強(qiáng)度要求，故取名義厚度= 26mm合適。設(shè)計(jì)溫度下圓筒的最大允許工作壓力按式（3-2-3）計(jì)算： （3-2-3） 滿足壓力要求，故取名義厚度= 26mm合適。2.3 殼體圓筒設(shè)計(jì)圓筒的厚度應(yīng)按GB 150-1998第5章計(jì)算，但碳素鋼和低合金鋼圓筒的最小厚度應(yīng)不小于表3-1的規(guī)定，高合金鋼

19、圓筒的最小厚度應(yīng)不小于表3-2的規(guī)定。設(shè)計(jì)條件見表3-4：表3-4部件材料設(shè)計(jì)溫度設(shè)計(jì)壓力MpaMpa Mpa標(biāo)準(zhǔn)mmmm殼體圓筒 15CrMoR2738.5136.41.0GB665400圓筒計(jì)算：設(shè)計(jì)溫度下圓筒的計(jì)算厚度按式（3-2-1）計(jì)算， 其中； ；=1.0帶入（3-2-1）得：計(jì)算厚度：= 25.73mm設(shè)計(jì)厚度：名義厚度： ，經(jīng)圓整取= 26mm有效厚度：設(shè)計(jì)溫度下圓筒的計(jì)算應(yīng)力按式（3-2）計(jì)算： 得 滿足強(qiáng)度要求，故取名義厚度= 26mm合適。設(shè)計(jì)溫度下圓筒的最大允許工作壓力按式（3-2-3）計(jì)算：滿足壓力要求，故取名義厚度= 26mm合適。2.4 封頭設(shè)計(jì)13壓力容器封頭的

20、種類較多，分為凸形封頭、錐殼、變徑段、平蓋及緊縮口等，其中凸形封頭包括半球形封頭、橢圓形封頭、碟形封頭和球冠形封頭。采用什么樣的封頭要根據(jù)工藝條件的要求、制造的難易程度和材料的消耗等情況來決定。此次設(shè)計(jì)采用標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭，它由半個橢球面和短圓筒組成，如圖3.4所示。直邊段的作用是避免封頭和圓筒的連接焊縫出現(xiàn)經(jīng)向曲率半徑突變，以改善焊縫的受力狀況。封頭的橢球部分經(jīng)線曲率變化平滑連續(xù)，故應(yīng)力分布比較均勻，且橢圓形封頭深度較半球形封頭小得多，易于沖壓成型，是目前中、低壓容器中應(yīng)用較多的封頭之一。設(shè)計(jì)條件見表3.4-1，表3.4-2。圖3.4表3.4-1部件材料設(shè)計(jì)溫度設(shè)計(jì)壓力MpaMpa Mpa標(biāo)準(zhǔn)

21、mmmm管箱封頭 15CrMo3238.0128.241.0GB665400表3.4-2部件材料設(shè)計(jì)溫度設(shè)計(jì)壓力MpaMpa Mpa標(biāo)準(zhǔn)mmmm后封頭 15CrMo2738.5136.41.0GB665400符號規(guī)定： - 封頭內(nèi)直徑，mm； - 封頭外直徑（),mm； - 封頭曲面深度，mm； - 封頭質(zhì)變高度，mm；A - 封頭內(nèi)表面積，；V - 封頭容積，；m - 封頭質(zhì)量，； - 計(jì)算壓力（按1第3章）,MPa； - 最大允許工作壓力，MPa； - 封頭計(jì)算厚度，mm； - 封頭有效厚度，mm； - 封頭名義厚度，mm； - 設(shè)計(jì)溫度下封頭材料的計(jì)算應(yīng)力，MPa； - 設(shè)計(jì)溫度下封頭材

22、料的許用應(yīng)力（按1第4章）,MPa； - 焊接接頭系數(shù)（按1第3章）。2.4.1 后封頭計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭的計(jì)算厚度按式（3-4-1）計(jì)算： （3-4-1）其中； ；=1.0帶入式（3-4-1）得：計(jì)算厚度：= 25.32mm設(shè)計(jì)厚度：名義厚度： ，經(jīng)圓整取= 26mm有效厚度：標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭的有效厚度應(yīng)不小于封頭內(nèi)直徑的0.15，但當(dāng)確定封頭厚度時已考慮了內(nèi)壓下的彈性失穩(wěn)問題，可不受此限制。故該標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭的名義厚度= 26mm合適。橢圓形封頭的最大允許工作壓力按式（3-4-2）計(jì)算： （3-4-2）該封頭滿足壓力要求，故取名義厚度= 26mm合適。設(shè)計(jì)溫度下封頭的計(jì)算應(yīng)力按式（3-4-3

23、）計(jì)算： （3-4-3）滿足強(qiáng)度要求，故取名義厚度= 26mm合適。2.4.2 管箱封頭計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭的計(jì)算厚度按式（3-4-1）計(jì)算：其中； ；=1.0帶入（3-4-1）得：計(jì)算厚度：= 25.35mm設(shè)計(jì)厚度：名義厚度： ，經(jīng)圓整取= 26mm有效厚度：標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭的有效厚度應(yīng)不小于封頭內(nèi)直徑的0.15，但當(dāng)確定封頭厚度時已考慮了內(nèi)壓下的彈性失穩(wěn)問題，可不受此限制。故該標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭的名義厚度= 26mm合適。橢圓形封頭的最大允許工作壓力按式（3-4-2）計(jì)算：該封頭滿足壓力要求，故取名義厚度= 26mm合適。設(shè)計(jì)溫度下封頭的計(jì)算應(yīng)力按式（3-4-3）計(jì)算：滿足強(qiáng)度要求，故取名義厚度

24、= 26mm合適。由續(xù)表13查取封頭的數(shù)據(jù)見表3.4.2：表3.4.2封頭公稱直徑DN mm曲面高度 mm直邊高度mm內(nèi)邊面積A容積V質(zhì)量m管箱封頭800200500.81940.0992174.67后封頭800200500.81940.0992174.672.5 換熱管設(shè)計(jì)4符號規(guī)定：d - 換熱管外徑，mm； - 換熱管厚度，mm；R - 彎管段彎曲半徑，mm； - 彎曲前換熱管的最小壁厚，mm； - 直管段的計(jì)算厚度，mm；2.5.1 換熱管的規(guī)格和尺寸偏差換熱管的長度有設(shè)計(jì)條件給定取為6m，直徑19mm，厚度=2mm；由GB13296查得換熱管的規(guī)格和尺寸偏差見表3.5.1：表3.5.

25、1材料換熱管標(biāo)準(zhǔn)管子規(guī)格，mm高精度，較高精度，mm管控規(guī)格，mm外徑d厚度外徑偏差厚度偏差管孔直徑允許偏差不銹鋼0Cr18Ni10TiGBA13296-20071920.2019.252.5.2 U形管的尺寸 U形管彎管段的彎曲半徑U形管彎管段的彎曲半徑R（見圖3.5.2）應(yīng)不小于兩倍的換熱管外徑，常用換熱管的最小彎曲半徑可按GB151-1999表11選取，取=40mm。圖3.5.2 U形管彎管段彎曲前的最小壁厚按式（3-5-1）計(jì)算： （3-5-1）其中，d = 19mm，R = = 40mm， = 2mm，帶入上式得： ，圓整取為2.5mm2.5.3 管子的排列型式換熱管的排列主要有以下

26、四種方式：圖3.5.32正三角形排列用得最普遍，因?yàn)楣茏娱g距都相等，所以在同一管板面積上可排列最多的管子數(shù)，而且便于管板的劃線與鉆孔。但管間不易清洗，TEMA標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，殼程需用機(jī)械清洗時，不得采用三角形排列型式。在殼程需要機(jī)械清洗時，一般采用正方形排列，管間通道沿整個管束應(yīng)該是連續(xù)的，且要保證6mm的清洗通道。圖3.5.3中（a）和（d）兩種排列方式，在折流板間距相同的情況下，其流通截面要比（b）、（c）兩種的小，有利于提高流速，故更合理些。本次設(shè)計(jì)采用正三角形排列。2.5.4 換熱管中心距換熱管的中心距宜不小于1.25倍的換熱管外徑，根據(jù)GB151-1999表12，取換熱管中心距為S = 2

27、5mm，取分程隔板槽兩側(cè)相鄰管中心距 = 38mm。2.5.5 布管限定圓符號：b - 見圖3.5.5.1，其值按表3.5.5.1選取，mm； - 見圖3.5.5.1，其值按表3.5.5.2選取，mm； -見圖3.5.5.1，mm； - 固定管板式換熱器或U型管式換熱器管束最外層換熱管外表面至殼體內(nèi)壁的最短距離，見圖3.5.5.2， = 0.25d = 0.2519 = 4.75mm，一般不小于8mm，取= 8mm； - 墊片寬度，其值按表3-9選取，mm； - 布管限定圓直徑，mm； - 圓筒內(nèi)直徑，mm； - 換熱管外徑，mm；圖3.5.5.1圖3.5.5.2表3.5.5.12b31000

28、26004= 800mm,取b = 28mm。表3.5.5.22700103700135取= 30mm，= 5mm，則有。布管限定圓為管束最外層換熱管中心圓直徑，布管限定圓按表3.5.5.3確定。表3.5.5.32換熱器型式固定管板式、U形管式浮頭式布管限定圓直徑得：。除了考慮布管限定圓直徑外，換熱管與防沖板間的距離也許考慮。通常，換熱管外表面與鄰近防沖板表面間的距離，最小為6mm。換熱管中心線與防沖板板厚中心線或上表面之間的距離，最大為換熱管中心距的。2.5.6 換熱管的排列原則換熱管的排列應(yīng)使整個管束完全對稱；在滿足布管限定圓直徑和換熱管與防沖板間的距離規(guī)定的范圍內(nèi)，應(yīng)全部布滿換熱管；拉桿

29、應(yīng)盡量均勻布置在管束的外邊緣在靠近折流板缺邊位置處應(yīng)布置拉桿，其間距小于或等于700mm，拉桿中心至折流板缺邊的距離應(yīng)盡量控制在換熱管中心距地（0.51.5）范圍內(nèi)；多管程的各管程數(shù)應(yīng)盡量相等，其相對誤差應(yīng)控制在10%以內(nèi)，最大不得超過20%。2.6 管板設(shè)計(jì)符號規(guī)定： - 在布管區(qū)范圍內(nèi)，因設(shè)置隔板槽和拉桿結(jié)構(gòu)的需要，而未能被換熱管支承的面積，；例如雙管程管板，對于三角形排列： （3-6-1） - U 形管根數(shù)，管板開孔數(shù)為2n； - 沿隔板槽一側(cè)的排管根數(shù)； - 換熱管中心距，mm； - 隔板槽兩側(cè)相鄰管中心距，mm； - 管板布管區(qū)面積，；三角形排列: （3-6-3） - 一根換熱管管壁

30、金屬的橫截面積，； - 系數(shù)，按和，查圖192； - 系數(shù)，按和，查圖202； - 系數(shù)，按和，查圖212； - 管板開孔前的抗彎剛度，Nmm； （3-6-5） - 墊片壓緊力作用中心圓直徑，按1第9章，mm； - 殼程圓筒和管箱圓筒內(nèi)直徑，mm； - 管板布管區(qū)當(dāng)量直徑，Mmm； （3-6-6）d - 換熱管外徑,mm； - 管板材料的彈性模量,MPa； - 管板邊緣旋轉(zhuǎn)剛度參數(shù)，MPa； ，對于a型連接 - 殼程圓筒與法蘭（或凸緣）的旋轉(zhuǎn)剛度參數(shù)，MPa； - 管箱圓筒與法蘭（或凸緣）的旋轉(zhuǎn)剛度參數(shù)，MPa； - 旋轉(zhuǎn)剛度無量綱參數(shù)；對于a型連接= 0 - 換熱管與管板脹接長度或焊腳高度，

31、按5.8.2.3或5.8.3.22規(guī)定，mm； - 管板設(shè)計(jì)壓力，MPa； - 殼程設(shè)計(jì)壓力，MPa； - 管程設(shè)計(jì)壓力，MPa； - 換熱管與管板連接的拉脫力，MPa； - 許用拉脫力，按5.7.52規(guī)定，MPa； - 半徑，mm；對a型連接： （3-6-7） - 換熱管中心距，mm； - 管板計(jì)算厚度，mm； - 管箱圓筒厚度，mm； - 殼程圓筒厚度，mm； - 換熱管壁厚,mm； - 管板強(qiáng)度削弱系數(shù)，一般可??； - 管板材料泊松比，??； - 布管區(qū)當(dāng)量直徑與直徑2R之比； - 設(shè)計(jì)溫度下，管板材料的許用應(yīng)力，MPa； - 設(shè)計(jì)溫度下，換熱管材料的許用應(yīng)力，MPa；管板是管殼式換熱器的

32、一個重要元件，它除了與管子和殼體等連接外，還是換熱器中的一個重要受壓元件。對管板的設(shè)計(jì)除了要滿足強(qiáng)度要求外，同時應(yīng)合理的考慮其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。管板得合理設(shè)計(jì)對于正確選用和節(jié)約材料、減少加工制造的困難、降低成本、確保使用安全都具有重要意義。U型管換熱器僅有一塊管板，采用可拆式連接，管板通過墊片與殼體法蘭和管箱法蘭連接。其連接形式見圖3.6。圖3.6管板的最小厚度除滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求外，當(dāng)管板和換熱器采用焊接時，應(yīng)滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造的要求，且不小于12mm。若管板采用復(fù)合鋼板，其復(fù)合層的厚度應(yīng)不小于3mm。對于有腐蝕要求的復(fù)層，還應(yīng)保證距復(fù)層表面深度不小于2mm的復(fù)層化學(xué)成分和金相組織符合復(fù)層材料的要求。

33、當(dāng)管板與換熱管采用脹接時，管板得最小厚度（不包括腐蝕裕度）應(yīng)滿足表3.6.1。若管板采用復(fù)合管板，其復(fù)層最小厚度應(yīng)不小于10mm。并應(yīng)保證距復(fù)層表面深度不小于8mm的復(fù)層化學(xué)成分和金相組織符合復(fù)層材料的要求。表3.6.1換熱管外徑d，mm25255050最小厚度，mm用于易燃易爆及有毒介質(zhì)等場合d用于無害介質(zhì)的一般場合0.75d0.70d0.65d2.6.1 管板連接設(shè)計(jì)（1）管板與換熱管的連接對于換熱管與管板的連接結(jié)構(gòu)形式，主要有以下三種：脹接；焊接；脹焊并用，但也可采用其他可靠的連接形式。a、強(qiáng)度脹接用于管殼之間介質(zhì)滲漏不會引起不良后果的情況下，脹接結(jié)構(gòu)簡單，管子修不容易。由于脹接管端處在

34、脹接時產(chǎn)生塑性變形，存在著殘余應(yīng)力，隨著溫度的上升，殘余應(yīng)力逐漸消失，這樣使管端處降低密封和結(jié)合力的作用。一般適用設(shè)計(jì)壓力4MPa；設(shè)計(jì)溫度300；操作中無劇烈的振動，無過大的溫度變化及明顯的應(yīng)力腐蝕場合。一般要求：1、換熱管材料的硬度值一般需低于管板材料的硬度值；2、有應(yīng)力腐蝕時，不應(yīng)采用管端局部退火的方式來降低換熱管的硬度。b、強(qiáng)度焊是指保證換熱管與管板連接的密封性能及抗拉脫強(qiáng)度的焊接。管子與管板的焊接，目前應(yīng)用較為廣泛，由于管孔不需開槽，而且管孔的粗糙度要求不高，管子端部不需退火和磨光，因此制造加工簡單。焊接結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高，抗拉脫力強(qiáng)，當(dāng)焊接部分滲漏時，可以補(bǔ)焊，如須調(diào)換管子，可采甩專用刀具

35、拆卸焊接破漏管子，反而比拆卸脹管方便。不適用于有較大振動和有間隙腐蝕的場合。其結(jié)構(gòu)形式和尺寸見圖3.6.1和表3.6.1。圖3.6.1表3.6.12換熱管規(guī)格d11121141.5161.5192252322.5383453573.5換熱管最小伸出長度0.51.01.52.02.53.01.52.02.53.03.54.0最小坡口深度1.022.5注：1 當(dāng)工藝要求管端伸出長度列值（如立式換熱器要求平齊或少低）時，可適當(dāng)加大管板坡口深度或改變結(jié)構(gòu)型式2 當(dāng)換熱管直徑和壁厚與列表值不同時值可適當(dāng)調(diào)整3 圖（c）用于壓力較高的工況本次設(shè)計(jì)中采用不銹鋼換熱管，通常不銹鋼管與管扳一般均采用焊接結(jié)構(gòu)，不

36、管其壓力大小，溫度高低。采用圖3.6.1焊接形式，取= 1.5mm，= 2.5mm，= 2.0mm。管板最小厚度不小于12mm。c、對于壓力高、滲透性強(qiáng)或在一例有腐蝕性的介質(zhì)，為保證不致泄漏后污染另一側(cè)物料，這就要求管子與管板的連接處絕對不漏，或?yàn)榱吮苊庠谘b運(yùn)及操作過程中的振動對焊縫的影響，或避免縫隙腐蝕的可能性等，采用脹焊并用的結(jié)構(gòu)型式。脹焊并用的結(jié)構(gòu)從加工工藝過程來看，有先脹后焊，先焊后脹，焊后脹接及貼張等幾種形式。2.6.2 管板設(shè)計(jì)計(jì)算 (1)換熱器設(shè)計(jì)條件：殼程設(shè)計(jì)壓力 = 4.5MPa；管程設(shè)計(jì)壓力 = 4.5MPa管板設(shè)計(jì)溫度323殼程腐蝕裕量C = 0mm；管程腐蝕裕量C =

37、0mm管程程數(shù)為2換熱器公稱直徑DN = 800mm換熱管外徑d = 19mm換熱管壁厚= 2mm換熱管根數(shù)n = 367（根據(jù)JB/T4717-1992 U型管式換熱器型式與基本參數(shù)選?。Q熱管與管板為焊接連接加持管板的殼程法蘭與管箱法蘭采用特殊設(shè)計(jì)的長頸對焊法蘭環(huán)形密封面墊片為八角墊環(huán)900/840墊片基本密封寬度，按GB 150-1998表9-1選壓緊面形狀6殼程側(cè)隔板槽深= 4mm；管程側(cè)隔板槽深= 4mm管板強(qiáng)度削弱系數(shù)= 0.4(2)各元件材料及其設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)換熱管材料0Cr18Ni10Ti；設(shè)計(jì)溫度下許用應(yīng)力= 112.62MPa管板材料0Cr18Ni10Ti；設(shè)計(jì)溫度下許用應(yīng)力=8

38、3.62MPa許用拉托力按GB 151-1999表33 (3)計(jì)算a、根據(jù)布管尺寸計(jì)算、；根據(jù)法蘭連接密封面型式和墊片尺寸計(jì)算墊片壓緊力作用中心圓直徑。由式（3.6.1）得：由式（3.6.3）得：由式（3.6.6）得：根據(jù)GB150第9.5.1條6.4mm= 墊片接觸面的平均直徑= （900+840）/ 2 = 870mm。b、計(jì)算，以查表222得，或以查圖19，由縱坐標(biāo)軸上直接查得。 ，查圖查圖192，由縱坐標(biāo)軸上直接查得：=0.2742c、確定管板設(shè)計(jì)壓力因?yàn)楸敬卧O(shè)計(jì)中設(shè)備壓力高，因而對其工作條件要求高，考慮設(shè)備運(yùn)行的安全性，保證設(shè)備在任何情況下管程和殼程壓力同時作用，且兩側(cè)均為正壓，取管

39、板計(jì)算厚度按式（3.6.8）計(jì)算。 （3.6.8）代入數(shù)據(jù)得：根據(jù)GB151-1999 管板的名義厚度不小于下列三者之和：、管板的計(jì)算厚度或最小厚度，取大者；、殼程腐蝕裕量或結(jié)構(gòu)開槽深度，取大者；、管程腐蝕裕量或分程隔板槽深度，取大者；所以，=圓整取= 150mm管板得有效厚度整體管板得有效厚度指分程隔板槽底部的管板厚度減去下列二者之和：a、 管程腐蝕裕量超出管程隔板槽深度的部分；b、 殼程腐蝕裕量與管板在殼程側(cè)的結(jié)構(gòu)開槽深度二者中的較大值。d、換熱管的軸向應(yīng)力一根換熱管管壁金屬橫截面積按三種工況分別計(jì)算： 只有殼程設(shè)計(jì)壓力，管程設(shè)計(jì)壓力為0； 只有管程設(shè)計(jì)壓力，殼程設(shè)計(jì)壓力為0； 殼程設(shè)計(jì)壓

40、力和管程設(shè)計(jì)壓力同時作用；以上三種工況下計(jì)算值的絕對值均小于換熱管設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力e、換熱管與管板連接拉脫力其中取d項(xiàng)計(jì)算中三種工況的絕對值最大者取，則有由此得： = 56.31MPa滿足要求。2.7 管箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)管箱的作用是把管道中來的流體，均勻分布到各傳熱管和把管內(nèi)流體匯集在一起送出換熱器。在多程換熱器中，管箱還起改變流體的流向作用。管箱側(cè)或管箱頂部有介質(zhì)的出、入口接管。2.7.1 管箱的最小內(nèi)側(cè)深度（1）軸向開口的單管程管箱，開口中心處的最小深度應(yīng)不小于接管內(nèi)直徑的1/3；（2）多程管箱的內(nèi)側(cè)深度應(yīng)保證兩程之間的最小流通面積不小于每程換熱管流通面積的1.3倍；當(dāng)操作允許時，也可等于每

41、程換熱管的流通面積。兩程之間的最小流通面積是指管箱被平行與地面的平面所剖開所形成的載面面積；每程換熱管流通面積是指同一管程內(nèi)的換熱管管內(nèi)截面所形成的面積之和。根據(jù)設(shè)計(jì)要求選擇取管箱內(nèi)側(cè)深度為835mm。2.7.2 分程隔板隔板材料應(yīng)采用與管箱相同的材料制造。分程隔板的最小厚度應(yīng)不小于表62的規(guī)定。按規(guī)定取隔板材料為15CrMo，隔板的最小厚度為10mm。分程隔板槽深按照5.6.6.22規(guī)定：1) 槽深宜不小于4mm ；2）分程隔板槽的寬度為：碳鋼12mm,不銹 鋼 11 mm ；3）分程隔板槽拐角處的倒角一般為45，倒角寬度b近似等于分程墊片的圓角半徑R，見圖3.7.2。圖3.7.22取槽深為

42、4mm，槽寬度為12mm，倒角為45。3 換熱器其他各部件結(jié)構(gòu)3.1 進(jìn)出口接管設(shè)計(jì)在換熱器的殼體和管箱上一般均裝有接管或接口以及進(jìn)出口管。在殼體和大多數(shù)管箱的底部裝有排液管，上部設(shè)有排氣管，殼側(cè)也常設(shè)有安全閥接口以及其他諸如溫度計(jì)、壓力表、液位計(jì)和取樣管接口。對于立式管殼式換熱器，必要時還需設(shè)置溢流口。由于在殼體、管箱殼體上開孔，必然會對殼體局部位置的強(qiáng)度造成削弱。因此，殼體、管箱殼體上的接管設(shè)置，初考慮其對傳熱和壓降的影響外，還應(yīng)考慮殼體的強(qiáng)度以及安裝、外觀等因素。3.1.1 接管法蘭設(shè)計(jì)已知設(shè)計(jì)條件見表4.1.1表4.1.1管口規(guī)格符號用途或名稱公稱尺寸連接標(biāo)準(zhǔn)法蘭類型及密封面形式1-1

43、，2管程進(jìn)出口PN16 DN250HG20592-97WN/RJ2-1，2殼程進(jìn)出口PN16 DN200HG20592-97WH/RJ根據(jù)HG20592-97選取接管法蘭的結(jié)構(gòu)參數(shù)如下：公稱直徑DN鋼管外徑A1法蘭厚度C法蘭頸法蘭高度H法蘭理論重量（kg）NSH1R200219662781616814065.625027376340201810155106.4公差連接尺寸DN法蘭外徑D螺栓孔中心圓直徑K螺栓孔直徑L螺栓孔數(shù)量n螺紋Th2004303603612M3322505154304212M393密封面尺寸DNdPEFRmax25038833011170.820032227511170.8

44、公差0.50.13+0.400.20.5墊片尺寸DNAPHC20015.52752210.525015.53302210.5公差0.20.180.40.2緊固件長度計(jì)算：螺柱：式中： -緊固件長度，mm； -法蘭厚度，mm -法蘭厚度正公差（按HG 2059220635-97表A.0.1-1規(guī)定）,mm； -環(huán)連接面法蘭突臺高度（按HG 20592第8.0.2規(guī)定），mm； -環(huán)連接面法蘭間近似距離（按HG 2059220635-97表A.0.1-2規(guī)定）,mm； -螺母最大厚度（按HG 2059220635-97表A.0.1-3規(guī)定）,mm； -緊固件倒角端長度（按HG 2059220635

45、-97表A.0.1-3規(guī)定）,mm； -六角螺栓或螺柱安裝時的最小伸出長度（按一個螺距計(jì)算，見HG 2059220635-97表A.0.1-3規(guī)定）,mm； -六角螺栓或螺柱的負(fù)公差（按HG 2059220635-97表A.0.1-4規(guī)定）,mm；， -墊片厚度，取。查取數(shù)值，及計(jì)算結(jié)果見下表:DN計(jì)算結(jié)果l20066+4.0116.7287222.33239.425076+4.0116.733.42.532.63272.13.1.2 接管外伸長度接管外伸長度也叫接管伸出長度，是指接管法蘭面到殼體（管箱殼體）外壁的長度。可按式（4.1.1）計(jì)算： （4.1.1）符號： - 接管外伸長度，mm；

46、 - 接管法蘭厚度，mm；h = C+E； 殼程進(jìn)出口法蘭： 管程進(jìn)出口法蘭： - 接管法蘭的螺母厚度，mm； 殼程進(jìn)出口法蘭： 管程進(jìn)出口法蘭： - 保溫層厚度，mm，取為0。代入數(shù)據(jù)計(jì)算接管外伸長度得：殼程進(jìn)出口接管外伸長度為：，取。管程進(jìn)出口接管外伸長度為：，取。3.1.3 接管與筒體、管箱殼體的連接接管的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)符合GB 150-2011第8章和附錄J的有關(guān)規(guī)定。接管（或接口）的一般要求：1）接管宜與殼體內(nèi)表面平齊；2）接管應(yīng)盡量沿?fù)Q熱器的徑向或軸向設(shè)置；3）設(shè)計(jì)溫度高于或等于300時，應(yīng)采用對焊法蘭；4) 必要時應(yīng)設(shè)置溫度計(jì)接口，壓力表接口及液面計(jì)接口；5）對于不能利用接管（或接口

47、）進(jìn)行放氣和排液的換熱器，應(yīng)在管程和殼程的最高點(diǎn)設(shè)置放氣口，最低點(diǎn)設(shè)置排液口，其最小公稱直徑為20mm；6) 立式換熱器可設(shè)置溢流口。3.1.4 接管開孔補(bǔ)強(qiáng)的設(shè)計(jì)計(jì)算符號：A - 開孔削弱所需的補(bǔ)強(qiáng)面積，；B - 補(bǔ)強(qiáng)有效寬度，mm；C - 厚度附加量，mm； - 殼體內(nèi)直徑，mm；d - 開孔直徑，圓形孔取接管內(nèi)直徑加兩倍厚度附加量，橢圓形或長圓形孔取所考慮平面上的尺寸（弦長，包括厚度附加量），mm； - 強(qiáng)度削弱系數(shù)，等于設(shè)計(jì)溫度下接管材料與殼體材料許用應(yīng)力之比，當(dāng)該值大于1.0時，取為1.0； - 接管外側(cè)有效補(bǔ)強(qiáng)高度，mm； - 接管內(nèi)側(cè)有效補(bǔ)強(qiáng)高度，mm； - 計(jì)算壓力（按GB15

48、0-1998第三章），MPa； - 殼體開孔處的計(jì)算厚度，mm； - 殼體開孔處的有效厚度，mm； - 接管有效厚度，mm； - 殼體開孔處的名義厚度，mm； - 接管名義厚度，mm； - 接管計(jì)算厚度，mm； - 設(shè)計(jì)溫度下殼體材料的許用應(yīng)力（按GB150-1998第四章），MPa； - 鋼材標(biāo)準(zhǔn) 抗拉強(qiáng)度下限值，MPa； - 鋼材標(biāo)準(zhǔn)屈服點(diǎn)，MPa； - 焊接接頭系數(shù)（按GB150-1998第三章）。本次設(shè)計(jì)采用整體補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)。具體設(shè)計(jì)如下：（1）確認(rèn)方法的適用性A 圓筒計(jì)算厚度：殼程圓筒計(jì)算厚度：管程圓筒計(jì)算厚度：B 接管計(jì)算厚度： 殼程開孔直徑：管程開孔直徑：殼程接管計(jì)算厚度：名義厚度：，圓整取 有效厚度：管程接管計(jì)算厚度：名義厚度：，圓整取 有效厚度：C 校核使用條件殼程接管： ， 管程接管： ， 故本設(shè)計(jì)可用整鍛件補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)。（2）開孔所需補(bǔ)強(qiáng)面積殼程： 管程： （3）有效補(bǔ)強(qiáng)范圍A 設(shè)定補(bǔ)強(qiáng)元件結(jié)構(gòu)尺寸如圖4.1.4所示。過渡圓角半徑按GB150確定。 或取大者，式中：，殼程圓角半徑：取30mm圖4.1.4管程圓角半徑：取35mm 或取大者殼程圓角半徑：取15mm管程圓角半徑：取15mmB 有效補(bǔ)強(qiáng)范圍半徑有效補(bǔ)強(qiáng)范圍半徑按式（4.1.4.1）