四管程固定管板式换热器的设计

四管程固定管板式换热器的设计,管程,固定,板式,换热器,设计 第1章 工艺设计 2.1设计概述 换热器是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，又称热交换器。换热器是化工、石油、动力、食品及其它许多工业部门的通用设备，在生产中占有重要地位。在化工生产中换热器可作为冷却器、加热器、蒸发器等，应用更加广泛。换热器种类很多，但根据冷、热流体热量交换交换的原理和方式基本上可分三大类即：间壁式、混合式和蓄热式。在三类换热器中，间壁式换热器应用最多。 换热器在工业生产中的应用极为普遍，例如动力工业中锅炉设备的过热器、省煤器、空气预热器，电厂热力系统中的凝气器、除氧器、给水加热器、冷水塔；冶金工业中高炉的热风炉，炼钢和轧钢生产工艺中的空气或煤气预热；制冷工业中蒸汽压缩式制冷机或吸收式制冷机中的蒸发器、冷凝器；制糖工业和造纸工业的糖液蒸发器和纸浆蒸发器，都是换热器的应用实例。在化学工业和石油化学工业的生产过程中，换热器也有较多的应用。在航天工业中，为了及时取出发动机及其辅助动力装置在运行时所产生的大量热量，换热器也是不可缺少的重要部件。 在化工厂，换热器的费用约占总费用的10%～20%，在炼油厂约占总费用35%～40%。换热器在其他部门如动力、原子能、冶金、食品、交通、环保、家电等也有着广泛的应用。 2.2设计课题 设计一台用饱和水蒸气加热水的固定管板换热器，水流量为，水温由加热到。水蒸气入口温度，出口温度。允许压强降管程不高于0.8x，壳程不高于1.6x。 根据设计题目与介质，选择列管式固定管板换热器，循环水走管程，水蒸气走壳程。 2.3设计参数的确定 根据工艺条件查物性表可得： 水蒸气的定性温度 密度 汽化潜热 黏度 定压比热容 热导率 循环水的定性温度 密度 定压比热容 热导率 黏度 2.4初算换热器的传热面积 2.4.1 换热器的热流量（忽略热损失） 热流量 （2-1） 由公式（2-1）计算得 2.4.2 水蒸气的消耗量（忽略热损失） 冷却剂（加热剂）用量 （2-2） 由公式（2-2）计算得水蒸气的用量为 2.4.3平均传热温差 根据工艺条件，选取逆向流向,先按单壳程单管程考虑,计算出平均温度差。 （2-3） 式中， 由公式（2-3）算得 温度校正系数，故平均温度差 2.4.4计算传热面积 根据经验数值初选总传热系数，由值初算所需传热面积。 传热面积 （2-4） 由式（2-4）得 2.5主要工艺及结构基本参数的计算 2.5.1换热管选择 1、换热管选用的钢管，管内流速取。 2、换热管数量及长度的确定 管数 管长 根据GB151，标准传热管有1.0m、1.5m、2.0m、2.5m、3.0m、4.5m、6.0m、7.5m、9.0m、12.0m。根据计算结果取传热管长。 则该换热器的管程数为 （即为单管程） 所以传热管总根数 3、管子的排列方式及管子与管板的连接方式的选定 管子的排列方式采用正三角形排列；管子与管板的连接采用焊接法。 2.5.2计算壳体内直径 壳体内径 （2-5） 式中管中心距 横过管束中心线的管数 根 管束中心线上最外层管的中心至壳体内壁的距离 所以由式（2-5）得 按壳体直径标准系列尺寸圆整，取 2.5.3画出排管图 根据壳体内径、管中心距、横过管中心线的管数及其排列方式，绘出排管图。由图可见，中心排有11根管，按三角形排列，可排119根，除去6根拉杆位置，实际排出113根。与上述计算相符。因此实际管数取N=113根。 图2-1 换热管排布图 2.5.4计算实际传热面积及过程的总传热系数 传热面积 （2-6） 由式（2-6）得 总传热系数 （2-7） 由式（2-7）得 2.5.5折流板直径数量及有关尺寸的确定 选取折流板与壳体 间的间隙为3mm,因此 折流板直径 切去弓形高度 折流板数量 取折流板间距，那么块 取整得 块 实际折流板间距 2.5.6拉杆的直径和数量与定居管的选定 选用钢拉杆，数量6根，定距管采用钢管。 2.6换热器核算 2.6.1换热器内流体的压力降 1、管程压力降计算： （2-8） 串联壳程数，管程数。对于换热管，结构校正系数为。换热器为单程管。 由Re=16620，传热管绝对粗糙度0.02，查莫狄图得。 则流体流经直管段的压力为 （2-9） 由式（2-9）得 故管程流体阻力在允许范围之内。 2、壳程压力降计算 (2-10) 其中流体流经管束的压强降为 (2-11) 其中，管子排列方式对压强降的校正因子，F=0.5 摩擦系数 故壳程压力降在允许范围内。 2.6.2热流量核算 总传热系数 （2-12）管程给热系数 （2-13） 壳程给热系数 （2-14） 由式（2-13）得， 由式（2-14）得由式（2-12）算得 即 由于 ，在范围之内，所以本设计合理。 第3章 结构设计 3.1折流挡板 安装折流挡板的目的是为提高管外对流传热系数，为取得良好效果，挡板的形状和间距必须适当。对常用的圆缺型挡板，弓形缺口的大小对壳程流体的流动情况有重要影响。弓形缺口太大或太小都会产生“死区”，太大不利于传热，太小又增加流体阻力。 挡板的间距对壳程的流动亦有重要的影响。间距太大，不能保证流体垂直流过管束，使管外对流传热系数下降；间距太小，不便于制造和检修，不便于制造和检修，阻力损失亦大。一般取挡板间距为壳体内径的0.2～1.0倍。我国系列标准中采用的挡板间距为：固定管板式有 100mm、150mm、200mm、300mm、450mm、600mm、700mm、7种；浮头式有100mm、150mm、250mm、300mm、350mm、450mm、(或480mm)、600mm 8种。 3.2 法兰 换热器设备常用的法兰分为设备法兰和管法兰两类。 设备法兰标准有：甲型平焊法兰，选用压力范围为 乙形平焊法兰，选用压力范围为 长颈对焊法兰，选用压力范围为 本设计选用甲型平焊法兰，选用压力范围为。 甲型平焊法兰只有法兰环。一般采用钢板制作，必要时也可以采用锻件轧制，与圆筒体或封头角焊连接。由于法兰环与筒体或封头连接的整体性差，即该法兰的连接强度和刚度较小，因此只适用于温度、压力较低的场合。在现行的行业标准中，甲型平焊法兰只有四个压力等级（），公称直径的适用范围也较小（），所用工作温度范围为。 3.3换热管 换热管的规格包括管径和管长。换热管的直径越小，换热器单位体积的传热面积越大。因此，对于洁净的流体管径可取小些，但对于不洁净或亦结垢的流体，管径应该取得大些，以免堵塞。目前我国试行的系列标准规定采用Φ25×2.5和Φ19×2.5两种规格，对于一般流体是适用的。此外还有Φ38×2.5，Φ57×2.5的无缝钢管。本设计选用Φ25×2.5规格的换热管。 我国生产的钢管系列标准中管长有1.5m、2m、3m、4.5m、6m、9m，按选定的管径和流速确定管子数目，再根据所需传热面积，求得管长合理截取。同时管长又应与壳径相适应，一般管长与壳径之比，即L/D为3～4.5。本设计选用3m的管长。 管子的排列方式有等边三角形和正方形两种。与正方形相比，等边三角形排列比较紧凑管外流体湍流程度高，表面传热系数大。正方形排列虽比较松散，传热效果也较差，但管外清洗方便，对亦结垢流体更为适用。本设计选用等边三角形的排列方式。 3.4支座 化工压力容器及设备都是通过支座固定在工艺流程中的某一位置上的。支座的形式主要分三大类：立式容器支座、卧式容器支座、球式容器支座。卧式容器支座又可分为鞍式支座、圈式支座和支腿式支座，尤以鞍式支座使用最为广泛。 鞍式支座的结构特征： 1．鞍式支座标准分轻型（代号A）和重型（代号B）两种。轻型用于满足一般卧式容器使用要求；重型用以满足卧式换热器、盛装液体重度大和L/D大的卧式容器使用要求。 2．根据安装形式，鞍式支座分固定式（代号F）和滑动式（代号S）两种。 3．鞍式支座适用于卧式容器直径DN300～450（用无缝管件筒体）、300～4000（用卷制筒体）的范围内。 本设计选用鞍式支座。 3.5压力容器选材原则 1、选用压力容器材料时，必须考虑容器的工作条件，如温度、压力和介质特征；材料的使用性能，如机械性能、物理性能和化学性能；加工性能，如材料的焊接性能和冷热加工性能；经济合理性能，如材料的价格、制造费用和使用寿命。 2.刚制压力容器用钢材应按照国家标准《钢制压力容器》中所列材料选用，标准中规定设计压力不大于35MPa，对于超出规定的，应进行具体分析，并进行试验，经过研究以后决定。 3.钢材的使用温度不超过各钢号许用应力中所对应的上限温度。但要注意的是，碳素钢和碳锰钢在高于425温度下长期使用时，应考虑钢中碳化物的石墨化倾向。奥氏体刚的使用温度高于525℃时，钢中的含碳量不应小于0.04％，对于≤-20℃的低温容器材料用钢，还应进行夏比“V”型缺口冲击试验。 4.压力容器非受压元件用钢必须有良好的可焊性。 5.在考虑压力容器受压元件有足够强度的情况下，必须考虑他的韧性，以防止外加载荷作用下发生脆性破坏。 3.6垫片 设备垫片标准主要有： JB4704 非金属软垫片 JB4705 缠绕垫片 JB4706 金属包垫片 一般情况下，非金属软垫片适用于甲型平焊法兰、乙型平焊法兰、长颈对焊法兰。法兰密封面形式为光滑密封面或凹凸密封面。缠绕垫片适用于乙型平焊法兰、长颈对焊法兰。 非金属软垫片厚度一般根据容器直径选取：容器直径DN≤450mm时，厚度δ=2mm；容器直径DN〉4500mm时,厚度δ=3mm。金属平垫片厚度一般为3～6mm。 垫片的选择要综合考虑操作介质的性质、操作压力、操作温度以及需要密封的程度；对垫片本身要考虑垫片性能，压紧用的次数。对高温高压的情况一般多采用金属垫片；中温中压可采用金属和非金属组合式或非金属垫片；中低压情况多采用非金属垫片；高真空或深冷温度下以采用金属垫片为宜。 第4章 强度计算 4.1筒体壁厚计算 计算厚度 （4-1） 设计厚度 （4-2） 由工艺设计给定的设计温度160，设计压力==0.8，选择卷制.材料在设计温度下时的许用应力=141Mpa（假设厚度为时），取焊缝系数=0.85,腐蚀裕度C2=2mm.则由式（4-1）和式（4-2）得： 计算厚度 设计厚度 对于Q245R，钢板负偏差，根据钢板厚度标准取名义厚度，。 4.2流体进、出口接管直径 管径 （4-3） 水蒸气进出口接管：根据壳程介质取=35m/s，那么由式（4-3）得， 经圆整采用热轧无缝钢管(YB231-64)，实际变化进出口管内流速 循环水进、出口接管：根据管程介质取=1.5m/s，那么 经圆整采用热轧无缝钢管，实际冷却水进、出口管内流速为 根据计算结果，壳体进出口接管选用热轧无缝钢管(YB231-64)，官箱进出口接管选用热轧无缝钢管。 4.3其他结构尺寸 具体结构尺寸从有关手册所列标准中查取。 表4-1 结构尺寸参数 封头名义厚度 12 mm 封头厚度附加量 2 mm 两封头切线间距离 6050 mm 鞍座垫板名义厚度 0 mm 鞍座垫板有效厚度 0 mm 鞍座轴向宽度 40 mm 鞍座高度 200 mm 鞍座包角 120 鞍座地脚螺栓个数 2 鞍座地脚螺栓公称直径 20 mm 鞍座轴线两侧的螺纹间距 330 mm 鞍座底板中心至封头距离 150 mm 封头曲面高度 150 mm 腹板与筋板（小端）组合截面积 9500 mm2 圆筒平均半径 245 mm 物料充装系数 0.85 4.4支座反力 圆筒质量（两曲线间） 封头质量（曲面部分） 容器容积（两切线间） 封头容积（曲面部分） 附件质量 进出口接管质量 换热管质量 拉杆质量 法兰质量 所以附件质量 容器总质量 容器内充液质量 支座反力 4.5筒体弯矩 4.5.1圆筒中间处截面上的弯矩 （4-4） 由式(4-4)得 4.5.2支座处横截面间弯距 （4-5） 由式（4-5）得 4.6系数计算 表4-2 系数计算表 4.7筒体轴向应力 4.7.1轴向应力 （4-6） （4-7） （4-8） （4-9） 由式（4-6）、（4-7）、（4-8）、（4-9）可得， 4.7.2应力校核 1、许用压缩应力 根据圆筒材料查图和图得到 < 合格 < 合格 < 合格 2、封头、圆筒应力校核 因为 圆筒中 封头中 封头 圆筒 封头 圆筒 < 合格 封头 < 合格 4.8鞍座处圆筒周向应力 圆周的有效宽度 在横截面最低处 在鞍座边角处 应力校核 < 合格 < 合格 4.9鞍座应力 1、水平分力 2、腹板水平分力 计算高度 鞍座腹板厚度 腹板水平应力 应力判断 < 合格 第5章 设计结果汇总 表5-1 设计结果汇总 圆筒材料 Q245 圆筒内径 1100 mm 换热管规格 Φ25mm×2.5mm 换热管长度 3 m 管程数 4 根 折流挡板个数 19 个 拉杆规格 Φ12mm 封头材料 Q245 封头名义厚度 12 mm 封头厚度附加量 2 mm 两封头切线间距离 6050 mm 鞍座垫板名义厚度 0 mm 鞍座垫板有效厚度 0 mm 鞍座轴向宽度 40 mm 鞍座高度 200 mm 鞍座包角 120 鞍座地脚螺栓个数 2 个 鞍座地脚螺栓公称直径 20 mm 鞍座轴线两侧的螺纹间距 330 mm 鞍座底板中心至封头距离 150 mm 管程设计温度 160 ℃ 管程设计温度 260 ℃ 管程设计压力 0.8 （MPa） 壳程设计压力 1.6 （MPa） 参考文献 [1] 郑津洋，董其伍，桑芝富.过程设备设计 [M] .北京：化学工业出版社,2010. [2] 姚玉英.化工原理.天津：天津科学技术出版社，2005. [3] T.Kuppan. 换热器设计手册.北京：中国石化出版社，2002. [4] GB150-2011，压力容器 [S] . [5] JB 4731-2005，钢制卧式容器 [S] . [6] JB4712-2007，容器支座[S]. [7] JB 4715-1992，固定管板式换热器型式与基本参数[S]. 目 录 第一章 固定管板式换热器设计方案的选择 1 1.1 换热器类型的选定 1 1.2 本文研究的内容 2 1.3 换热器换热方式的选择 3 1.4 流体进出口温度的确定 3 1.5 换热器材料的选择 3 第三章 结构设计 5 2.1 壳体、管箱壳体和封头的设计 5 2.1.1 壁厚的确定 5 2.1.2 管箱壳体壁厚的确定 6 2.1.3 标准椭圆封头的设计 7 2.2 管板与换热管设计 8 2.2.1 管板 8 2.3 进出口设计 10 2.3.1 接管的设计 10 2.3.2 接管外伸长度 11 2.3.3 排气、排液管 11 2.3.4 接管最小位置 12 2.4 折流板或支持板 14 2.4.1 折流板尺寸 14 2.4.2 折流板和折流板孔径 15 2.4.3 折流板的布置 15 2.4.4 折流板质量计算 16 2.5 防冲挡板 17 2.6 拉杆与定距管 18 2.6.1 拉杆的结构和尺寸 18 2.6.2 拉杆的位置 19 2.6.3 定距管尺寸 19 2.7 鞍座选用及安装位置确定 20 第三章强度计算 21 3.1 壳体、管箱壳体和封头校核 21 3.1.1 壳体体校核 21 3.1.2 管箱壳体校核 22 3.1.3 椭圆封头校核 22 3.2 接管开孔补强 23 3.2.1 蒸汽进出口开孔补强 23 3.2.2 管箱冷却水接管补强的校核 26 3.3 膨胀节 28 3.3.1 膨胀节 28 3.3.2 膨胀节计算 28 4.4 管板校核 31 4.4.1 结构尺寸参数 31 4.4.2 各元件材料及其设计数据 32 4.4.3 管子许用应力 34 4.4.4 结构参数计算 34 4.4.5 法兰力矩 36 4.4.6 管子加强系数 38 4.4.7 旋转刚度无量纲参数 38 第五章结论 41 参考文献 42 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第一章固定管板式换热器设计方案的选择 第一章 固定管板式换热器设计方案的选择 1.1 换热器类型的选定 换热器是化工生产中最为常用的一种机器，它的主要作用是进行几种介质之间的热量传递。常见的热交换器：热交换器、浮头换热器、固定管板换热器、管式换热器、管换热器、双壳侧换热器、多管换热器、换热器、折管式换热器、热管式换热器、滑管板换热器[1]。 图1.1 为立式壳程冷凝器和水分配器 如上面所示的壳侧立式冷凝器。后壳侧档板或板,蒸汽流过冲击板流从上到下,由底水排放冷凝水。降膜管流的形式,因此低压冷却水侧要求;一个大由于水的传热系数,所以消费更少的水,但水不容易均匀的分布，可在管口安装一水分配器。 图1.2 为卧式壳程冷凝器 这种冷凝器管程是单向或双向的。管的长度和直径的大小,和管道的安排取决于管、壳程传热需求。使用双管程冷凝水可以引出管方之间,这样我们可以减少液相所覆盖的区域也可以降低压降,在同一时间,减少的数量的方法第二工艺管道保持恒定的质量速度。在这种冷凝器,蒸汽和冷凝物接触不好,所以沸腾范围广泛的蒸汽冷凝是完全不合适的。此外,由于冷凝管道局部填补,所以过冷度很低。 根据设计要求，所选用的换热器为四管程固定管板式换热器。它的应用十分之广泛，且结构坚固，稳定性高，适应性广，好制造，生产成本低廉[2]。 1.2 本文研究的内容 摘要二甲胺容量为1500 kg / h的固定管板式换热器的设计。主要内容如下: (1) 类型和类型的热交换器进行调查和总结。此类设备的几种典型结构详细介绍,对固定管板式换热器的设计。确定本文的研究路线和内容。 (2) 确定换热器的设计。选择合适的换热器材料基于介质。冷热介质在管的分布和壳程。 (3) 设计条件下的固定管板式换热器的温度、压降和传热面积计算与检查。初步确定换热器管的结构参数和布。机械设计提供了进一步研究的基础。 (4) 基于GB150、 GB151、换热器的壳,管和管板强度设计,进行检查。的作用下在壳程和管程压力验算,最后分裂洞加固计算。 (5) 配件如换热器设计过程的要点隔膜罐,法兰、隔板、鞍座、吊耳、电极、清洗系统和保护系统的设计和选择。 1.3 换热器换热方式的选择 由于所选用的换热器为四管程固定管板式换热器，而它的换热方式大致有并流法、错流法、平流法和逆流法。并流法与逆流法在平时的生产生活中都非常常见[3]。考虑到本换热器的介质是水和二甲胺，蒸汽量并不大，而且二甲胺是通过汽化潜热来交换热量的，对换热的能力要求比较高，所以可以选择逆流法进行操作。 1.4 流体进出口温度的确定 壳程:二甲胺，入口温度为49.96℃、0.9MPa冷凝，流量为1500kg/h。 管程：冷却水，冷却水温度从33℃升到43℃、压力为0.6MPa。 因此冷热流体之间的交换温度为 冷却水入口温度：33℃; 冷却水出口温度：43℃。 二甲胺入口温度：49.96℃，汽相； 二甲胺出口温度：49.96℃，液相； 1.5 换热器材料的选择 二甲胺是一种剧毒物质，还能和氧化剂发生猛烈的反应[4]。因为二甲胺走壳程，所以对于换热器管板、壳体、换热管和折叠板可抗腐蚀可采用0Cr18Ni9不锈钢。 44 第三章 结构设计 2.1 壳体、管箱壳体和封头的设计 2.1.1 壁厚的确定 表3-1 碳素钢或低合金钢圆筒的最小厚度 公称直径 400~≤700 >800~≤1000 >1100~≤1500 >1600~≤200 >2000~≤2600 浮头式 8 10 12 14 16 U型管式 8 10 12 14 16 固定管板式 6 8 10 12 14 表2-2 壳体或管箱壳体厚度 DN,mm 材料 壳程或管程公称压力PN，MPa 0.6 1.0 1.6 2.5 4.0 6.4 厚度，mm 1000 Q235-A/B/C 10 10 12 16 —— —— 16MnR 10 10 10 12 16 —— 0Cr18Ni9 6 6(7) 8(9) 14 20 —— 由工艺条件给定的壳程设计温度49.96℃、设计压力为0.9MPa，因为在壳程中的是二甲胺蒸气，压力不高，腐蚀性大，所以壳程筒体材料可选0Cr18Ni9。筒体用钢板卷制，取钢板的厚度负偏差=0.8mm，腐蚀裕量=1.5mm，筒体采用双面对接焊接，局部探伤，则焊缝系数φ=0.85。在设计温度下，0Cr18Ni9的许用应力为[σ]=137MPa，（厚度6-16mm）, 屈服强度为σs=205MPa[5]。 因为，筒体计算厚度可参照GB150-1998用式（2-1）计算 （2-1） 式中：Pc——计算压力，MPa； Di——圆筒公程直径，mm； φ——焊缝系数； δ——筒体的计算厚度。 设计壁厚 由于二甲胺蒸气的腐蚀强度高，取腐蚀裕量=1.5mm。则 此时负偏差为C1=0.8mm，则。 名义壁厚 ，可取名义壁厚为10mm。 筒体的有效厚度为 而由表2-1、表2-2知可取壳体和管箱壳体壁厚为10mm。 2.1.2 管箱壳体壁厚的确定 管箱法兰和垫片确定： 根据工艺设计压力为0.6MPa，过程的公称直径，检查JB／t4703-2000可选长焊颈法兰lwn1000-1.0fm。材料采用16Mn。同时，根据管的性质和选择的模型可以选择JB／t4701-2000法兰石棉橡胶垫片。 箱壳体壁厚的确定： 管程的设计压力为0.6MPa设计温度为70℃查GB150-1998知，筒节材料都采用16MnR，设计压力，用式（3-1）计算 设计厚度： 名义壁厚: ，名义壁厚可以取10mm[6]。 筒体的有效厚度为 而由表2-1和表2-2知可取管箱壳体壁厚为10mm。 2.1.3 标准椭圆封头的设计 标准封头的厚度确定： 椭圆形封头是由长短半轴分别由a，b的半椭圆和高度为ho的短圆筒（通称为直边）两部分构成的[7]。直边的功能主要是为了确保封头的生产质量以及免除筒体和封头之间的环向焊缝处产生边缘应力的作用。 表2-3 封头厚度 DN,mm 材料 壳程或管程公称压力PN，MPa 0.6 1.0 1.6 2.5 4.0 6.4 厚度，mm 1000 Q235-A/B/C 10 10 12 14 —— —— 16MnR 10 10 10 12 16 —— 0Cr18Ni9 6 6 10 12 18 —— 表2-4 标准的椭圆形封头直边高度ho(mm) 封头材料 碳素钢、普低钢、复合钢板 不锈钢 封头壁厚 4~8 10~18 ≥20 3~9 10~18 ≥20 直边高度 25 40 50 25 40 50 而对于标准椭圆形封头，K=1.00，故 设计厚度： 名义壁厚：，可取名义壁厚为10mm。 有效厚度： 由表2-3、表2-4壳体和管箱壳体的尺寸结构应选择的封头为DN=1000mm，材料为Q235-A，封头厚度10mm，直边高度为40mm。 查标准椭圆封头JB/T4737-95得曲边高度为250mm，内表面积，容积，质量。 2.2 管板与换热管设计 2.2.1 管板 管板结构： 下面图中是固定式管板式换热器同时也是法兰的管板，管板和法兰之间相连的密封面是凸面，分程的隔板槽的拐角之处，倒角是10×45°。 图2-1 堆焊管板结构 图2-1是堆焊不锈钢管板，堆焊管板应该首先进行堆焊，之后在钻管孔。 管板尺寸： 管板尺寸如图2-2。根据GB151-1999《管壳式换热器》中的规则，碳钢、低合金钢固定管板式换热器的管板（16Mn锻件）在PN≤1MPa、DN=1000的管板尺寸见表2-5[9]。 图2-2 管板尺寸图（用于壳程PN<1.0MPa) 表2-5 DN=1000管板尺寸表 Ps MPa Pt MPa D D1 D2 D3 D4 D5 R h C D2 螺柱（栓） hf b 规格 数量 0.6 1.0 1140 1100 1065 997 1052 1000 14.5 23 M20 48 46 56 管板与换热管只能采用焊接的形式连接。 换热管的排列： 换热管的排列型式：三角形 换热管中心距：对于换热管外径为25mm的管子，换热管中心距取32mm，分程隔板槽两侧相邻管中心距为44mm。 布管限定圆DL：布管限定圆其实就是管束的最外层换热管的中心圆直径，固定管板式的布管限定圆应该按DL=Di-2b3确定。而这里面的Di是换热管筒体的内直径；b3是固定管板换热器管束最外层换热管从外表面到壳体内壁的最小距离，b3=0.25d并且要大于等于8mm；DL是布管的限定圆直径。 图2-2 布管示意图 由之前的条件知b3=0.25d=0.25×25=6.25mm取8mm 则DL=Di-2b3=1000-2×8=984mm。 2.3 进出口设计 2.3.1 接管的设计 壳程流体进口接管：取接管内气体流速为，则接管内径为 约等之后取接管的内径为400mm。 管程流体的进出口接管：取接管内的液体流速是，接管内径就是 圆整后可取接管内径为350mm。 2.3.2 接管外伸长度 接管外伸长度可由表2-6的数据选取 表2-6 PN<4.0MPa的接管外伸长度 Δ DN 0~50 51~75 76~100 101~125 126~150 151~175 176~200 350 250 250 250 250 250 300 300 400 250 250 250 250 300 300 300 由于是冷凝器，不需要设置保温层故δ=0mm。因此壳程接管外伸长度为250mm，管程接管外伸长度为250mm。 2.3.3 排气、排液管 想要让传热的效率更高，排掉的或是收回的工作残液（气）及凝液，只要是不能借助别的接管排气或排液的换热设备，都必须要在它的壳程和管程的最高、最低点，同时安置排气、排液接管。排气、排液接管的尽头部位也必须和壳体或管箱壳体内壁一平，它的结构就是下图现实的样子。排气口和排液口的尺寸一般情况下大于或者等于φ15mm。换热器管里面是蒸汽，所以排气、排液孔可采用（a）的结构[10]。 图2-3 换热器排液、排气接管结构 2.3.4 接管最小位置 壳程接管位置的最小距离： 图2-4 壳程接管位置 壳程接管位置的最小尺寸，见图2-4，可按式（2-2a）、（2-2b）进行计算： 带补强圈接管 mm （2-2a） 不带补强圈接管 mm （2-2b） 式中： b，hf——管板厚度，mm； L1——壳程接管位置最小尺寸，mm； C——补强圈外缘（无补强圈时，为管外壁）到管板（或法兰）和壳体的连接焊缝之间的距离；取C≥4S（S为管箱壳体厚度，mm），且≥30mm。 DH——补强圈外圆直径，mm； dH——接管外径，mm。 取C=80mm。 壳程接管不带补强圈，故壳程接管位置的最小尺寸为 ，取L1=340mm。 管箱接管尺寸的最小位置： 图2-5 管箱接管位置 在管箱喷嘴位置的最小尺寸，见图3-5，可以用公式计算（2-3a），（2-3）： 带补强圈接管 mm （2-3a） 不带补强圈接管 mm （2-3b）式中： b，hf——管板厚度，mm； L2——壳程/管箱接管位置最小尺寸，mm； C——补强圈外缘（无补强圈时，为管外壁）至管板（或法兰）与壳体连接焊缝之间的距离，mm；取C≥4S（S为管箱壳体厚度，mm），且≥30mm。 DH——补强圈外圆直径，mm； dH——接管外径，mm。 取C=80mm。 管箱接管不带补强圈，故管箱接管位置的最小尺寸为： 取 =380mm。 2.4 折流板或支持板 2.4.1 折流板尺寸 弓形折流板的缺口高度： h=200mm 折流板最小厚度： 表2-7 折流板最小厚度 公称直径DN 换热管无支撑跨距l ≤300 >300~600 >600~900 >900~1200 >1200~1500 1500 折流板最小厚度 1000 5 6 8 10 12 16 2.4.2 折流板和折流板孔径 换热管Ⅰ级管束（适用于碳素钢、低合金钢和不锈钢换热器）折流板或支持板管孔直径及允许偏差应符合表2-8。 表3-8 折流板或支持板管孔直径及允许偏差 换热管外径或无支撑跨距 d>32或l≤900 l>900且d≤32 管孔直径 d+0.8 d+0.4 允许偏差 +0.4 0 折流板直径及允许偏差： 表2-9 折流板直径及允许偏差 公称直径 DN <400 400~ <500 500~ <900 900~< 1300 1300~ <1700 1700~ <2000 2000~ <2300 2300~ ≤2600 折流板 名义直径 DN-2.5 DN-3.5 DN-4.5 DN-6 DN-8 DN-10 DN-12 DN-14 折流板外直径允许偏差 0 -0.5 0 -0.8 0 -1.2 0 -1.4 0 -1.6 2.4.3 折流板的布置 一般应使管束两端的折流板尽可能靠近壳程进出口接管，其余折流板按等距离布置，靠近管板的折流板与管板间的距离如图2-6， 图2-6 流板与管板间距 其尺寸可按式（2-4）计算： （2-4） 式中： L1为壳程接管位置的最小尺寸； B2是防冲板的长度，如果没有设置防冲板，可以取B2=di。当器、卧式换热器和重沸器的壳程的介质是气、液相共存或者是液体中含有固体物料的时候，折流板的缺口应当是左右垂直的进行布置，而且要在折流板的最低处预留一个通液口。 2.4.4 折流板质量计算 折流板质量按下式进行计算： （2-5） 式中：Q——折流板质量，kg； Da——折流板外圆直径，mm； Af——折流板或支持板切去部分的弓形面积，Af=Da2×C，mm； C[1]——系数，由ha/Da可查表。 ha——折流板或支持板切去的弓形高度，mm； d1——管孔直径，mm； d2——拉杆孔直径，mm； n1——管孔数量； n2——拉杆空数量； δ——折流板或支持板厚度，mm。 ——折流板或支持板密度，kg/。 由（2-5）式得Q=16kg。 2.5 防冲挡板 材料为了防止壳程进口的流体交换热管直接的进行表面冲刷,应该在壳程入口管安置防冲板。在垂直热交换器,为了快速和液体培养基更流入管,以防止流体入口冲洗,并减少死区远离接管,提高传热效果,也可考虑在壳程的进口设置导流管。设置冲击板和导流管的条件: 腐蚀或磨蚀、气体、蒸汽和天然气液体混合物应该与影响; 对于液体物料，当壳程进口处流体的ρu2（ρ为流体密度，kg/m3；u为流体流速，m/s）为下列数值时，应在壳程进口处设置防冲板或导流筒。 （1）非腐蚀性、非磨蚀性的单相液体，ρu2>2300kg/(m·s2)者； （2）其他液体，包括沸点下的液体，ρu2>740kg/(m·s2)者； 2.6 拉杆与定距管 2.6.1 拉杆的结构和尺寸 拉杆的结构型式： 选用拉杆定距管结构。 拉杆的尺寸： 图2-8 拉杆连接尺寸 拉杆的长度L按实际需要确定，拉杆的连接尺寸由图2-8和表2-10确定。 表2-10 拉杆的尺寸 拉杆直径d 拉杆螺纹公称直径dn La Lb b 10 10 13 ≥40 1.5 12 12 15 ≥50 2.0 16 16 20 ≥60 2.0 拉杆的直径和数量： 拉杆直径和数量按表2-11和表2-12选用。 表2-11 拉杆直径选用表 换热管外径d 10≤d≤14 146.4mm，所以 DG=垫片接触面外径-2b=1044-210=1024mm 面积： 管板布管区三角排列面积 壳程圆筒内径面积 壳程圆筒金属横截面积 查GB151附录J得：一根换热管金属横截面积 则 管板开孔后的面积 管板布管区当量直径： 系数计算： 按GB150-1998第9章,则查表9-5得壳体法兰应力系数 Y=14.86 3.4.5 法兰力矩 基本法兰力矩： 管程压力操作工况下法兰力矩Mp： 换热管与壳体圆筒的热膨胀应变形差： 管箱圆筒与法兰的旋转刚度参数： 法兰宽度 查GB151-1999中的图26得=0.0004 3.4.6 管子加强系数 管子厚度： 已知管板名义厚度 管壳两侧腐蚀裕度为1.5mm，焊接结构槽深为3mm 则管板有效厚度δ=56-3-1.5=51.5mm 换热管有效长度 管子加强系数： 管板周边不布管区无量纲宽度： 3.4.7 旋转刚度无量纲参数 壳体法兰与圆筒旋转刚度参数： 已知壳体法兰（管板延长部分）厚度 查GB151-1999中的图26得=0.0004 旋转刚度无量纲参数： 确定系数： 由K=4.9， 查图GB151-1999图27管板第一弯矩系数=0.07；图29得=4.7 查图GB151-1999图28管板第一弯矩系数=4.7；图30得=0.15 则确定的各系数如下： 第五章结论 换热器固定管板的设计，可以充分满足主体材料、技术参数和指标的要求，在正常工作条件下保证给定工作介质，并具有一定的余量。 经工艺计算、强度计算和结构设计，并考虑了上述标准中推荐的各管件、标准件规格，最终确定各主要零部件的规格尺寸如下： 换热管规格为Φ25×2.5、单根管长3m，换热管总计724根；壳体和管箱的内径和壁厚均相同，分别为1100mm和10mm；管板厚度为56mm；采用了EHA 1000的标准椭圆封头，圆缺高度为200 mm的弓形折流板； 选用了BI型鞍形支座；冷、热流体进出口接管直径分别为Φ370×10mm和Φ420×6mm。 总体结构汇总与装配图上，某些细部尺寸标识于相应零部件图中。 由于接管选用的厚度较大，避免了开孔补强。但鉴于给定的工作介质属易燃易爆物质，故建议在水压试验合格的基础上，尚需通过气密性试验。 固定管板换热器系统的工作条件是由给定的主材料、工作介质和相应的技术参数和指标所限制的，特别应注意其管内清洗比较困难的特点。 为了保证所设计的换热器的安全、正常运行，必须严格按照壳管换热器的生产、检查、安装和维修的具体要求，进行合理的设计。 参考文献 [1] 朱聘冠. 换热器原理及计算[M]. 北京：清华大学出版社，1987:49. 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