《管壳式换热器机械设计》
设计的目的与意义
管壳式换热器的发展史
管壳式换热器的国内外概况
壳层强化传热
管层强化传热
提高管壳式换热器传热能力的措施设计思路、方法
1.8.2换热器管径的设计
1.8.3换热管排列方式的设计
1.8.4 管、壳程分程设计
1.8.5折流板的结构设计
1.8.6管、壳程进、出口的设计
选材方法
1.9.1 管壳式换热器的选型
1.9.3流速的选择
1.9.4材质的选择
1.9.5 管程结构
2壳体直径的确定与壳体壁厚的计算1管径1
管子数n1
管子排列方式，管间距的确定1
换热器壳体直径的确定1
换热器壳体壁厚计算及校核1
3换热器封头的选择及校核
4容器法兰的选择5
5管板
管板结构尺寸6
管板与壳体的连接
管板厚度6
6管子拉脱力的计算8 7计算是否安装膨胀节0 8折流板设计2
9开孔补强5
10支座7
群座的设计7
基础环设计9
地角圈的设计0
符号说明2
参考文献4
小结
2 壳体直径的确定与壳体壁厚的计算
管径
换热器中最常用的管径有φ19mm ×2mm 和φ25mm ×。小直径的管子可以承受更大的压力，而且管壁较薄；同时，对于相同的壳径，可排列较多的管子，因此单位体积的传热面积更大，单位传热面积的金属耗量更少。所以，在管程结垢不很严重以及允许压力降较高的情况下，采用φ19mm ×2mm 直径的管子更为合理。如果管程走的是易结垢的流体，则应常用较大直径的管子。 标准管子的长度常用的有
1500mm ，2000mm ，2500mm ，
3000m,4500,5000,6000m,7500mm,9000m 等。换热器的换热管长度与公称直径之比一般为4—25,常用的为6—10
选用Φ25×的无缝钢管，材质为20号钢，管长。 管子数n L F n d 均π=Θ
(2-1)
其中安排拉杆需减少6根，故实际管数n=503-6=497根 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12层，对角线上的管数为25，查表7-5取管间距a=32mm. 换热器壳体直径的确定
l b a D i 2)1(+-= (2-2)
其中壁边缘的距离为最外层管子中心到壳l
取d l 2=，()m m 8682522)125(32=??+-?=i D ， 查表2-5，圆整后取壳体内径9=i D 00mm 换热器壳体壁厚计算及校核 材料选用20R
计算壁厚为：c
t i
c p D p -=φσδ][2,
(2-3)
式中:p c 为计算压力，取p c =；=i D 900mm;φ=;[σ]t =92Mpa （设壳壁温度为 350°C ）
将数值代入上述厚度计算公式，可以得知： 查《化工设备机械基础》表4-11取2.12=C mm ； 查《化工设备机械基础》表4-9得25.01=C mm ++= mm
圆整后取0.7=n δ mm
复验25.042.0%6>=?n δ mm ，最后取25.01=C mm 该壳体采用20钢7mm 厚的钢板制造。 1、液压试验应力校核
s
e
e i T T D P φσδδσ9.02)
(≤+=
(2-4)
[][]
Mpa
P
P t
T 15.1115.115.1=?==σσ
(2-5)
55
.525.02.17=--=-=C n e δδ
mm
(2-6)
查《化工设备机械基础》附表6-3Mpa s 245=σ
Mpa T 82.9355
.52)
55.5900(15.1=?+?=
σ，
可见
s
T φσσ9.0≤故水压试验强度足够。
2、强度校核
设计温度下的计算应力Mpa D p e e i c t 58.8155.52)
55.5900(0.12)(=?+?=+=
δδσ
Mpa t 8.829.092][=?=φσ﹥t σ
最大允
许工作压力
Mpa
D P e i e t w 02.155.590055.59.0922][2][=+???=+=δφδσ
(2-7)
故强度足够。
3 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JB/T4746-2000标准，封头为DN900×7，查《化工设备机械基础》表4-15得曲面高度1501=h mm ，直边高度402=h
mm ，材料选用20R 钢
标准椭圆形封头计算厚度：
mm
45.50
.15.09.0922900
0.15.0][2=?-???=-=c t
i c p D p φσδ
(3-1)
Mpa
KD p e i e t w 02.155.55.0900155
.59.09225.0][2][=?+????=+=δφδσ
(3-2)
所以，封头的尺寸如下图：
图3-1 换热器封头尺寸
4 容器法兰的选择
材料选用16MnR 根据JB/T4703-2000 选用DN900，的榫槽密封面长颈对焊法
兰。
查《化工设备机械基础》附表14得法兰尺寸如下表：
表4-1 法兰尺寸
公称直径DN/mm 法兰尺寸/mm螺柱
d规格数量
900106010159769669635527M2428所以，选用的法兰尺寸如下图：
图4-1 容器法兰
5 管板
管板除了与管子和壳体等连接外，还是换热器中的一个重要的受压器件。
管板结构尺寸
查（《化工单元设备设计》P25-27）得固定管板式换热器的管板的主要尺寸：
表5-1 固定管板式换热器的管板的主要尺寸
公
称直D b c d
螺栓孔
数
径
900 1060 1015 966 963 58 44 27 24
管板与壳体的连接
在固定管板式换热器中，管板与壳体的连接均采用焊接的方法。由于管板兼作法兰与不兼作法兰的区别因而结构各异，有在管板上开槽，壳体嵌入后进行焊接，壳体对中容易，施焊方便，适合于压力不高、物料危害性不高的场合；如果压力较高，设备直径较大，管板较厚时，其焊接时较难调整。 管板厚度
管板在换热器的制造成本中占有相当大的比重，管板设计与管板上的孔数、孔径、孔间距、开孔方式以及管子的连接方式有关，其计算过程较为复杂，而且从不同角度出发计算出的管板厚度往往相差很大。一般浮头式换热器受力较小，其厚度只要满足密封性即可。对于胀接的管板，考虑胀接刚度的要求，其最小厚度可按表5-2选用。考虑到腐蚀裕量，以及有足够的厚度能防止接头的松脱、泄露和引起振动等原因，建议最小厚度应大于20mm 。
表5-2 管板的最小厚度
换热器管子
外径0
d /mm
≤25
32 38 57
管板厚度
/mm 3
d
/4222532
综上，管板的尺寸如下图：
图5-1 管板
6 管子拉脱力的计算
计算数据按表6-1选取
表6-1
项目管子壳体操作压力/Mpa
材质20钢20R
线膨胀系数
弹性模量
许用应力/Mpa10192
尺寸
管子根数497
管间距/mm32
管壳壁温差/℃
管子与管板连接开槽胀接
方式
胀接长度/mm =l 50
许用拉脱力/Mpa
1、在操作压力下，每平方米胀接周边所产生的力p q
l
d pf
q p 0π=
(6-1) 其中396
254
32866.04
866.022
202=?-
?=-
=π
π
d a f
()mm 2
(6-2)
Mpa p 82.0=, 50=l mm
2、温差应力引起的每平方米胀接周边所产生的拉脱力t q
l
d d d q o i t t 4)
(220-=
σ
(6-3)
其中
s
t
s t t A A t t E +
-=
1)
(ασ
(6-4)
9.199********.3n =??==δπ中D A s
()mm 2
(6-5)
.687782497)2025(4
14
.3)(4
22220=?-?=
-=
n d d A i t π
()mm 2
(6-6)
由此可知p q ，t q 作用方向相同，都使管子受压，则管子的拉脱力： q=p q +t q =+=Mpa ﹤Mpa
(6-7)
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：
106
66101.26.877829.199356.877829.199********.0108.11)
(?=??+????=+-=-t
s t
s s t A A A A t t E F α（N
）
(7-1)
压力作用于壳体上的轴向力：
t S s
A A QA F +=
2
(7-2)
其中]
)2()[(4
202
02t t s i p d n p nd D Q δπ
-+-=
(7-3)
=]82.0)5.2225(49778.0)25497900[(4
222??-?+??-π
压力作用于管子上的轴向力为：
则Mpa
A F F s s 8.1049.199351008.01001.26
621=?+?=+=σ
(7-4)
根据GB １５１——１９９９《管壳式换热器》
q ﹤［ｑ］＝Mpa ，条件成立，故本换热器不必要设置膨胀节。
8 折流板设计
设置折流板的目的是为了提高流速，增加湍动，改善传热，在卧式换热器中还起支撑管束的作用。常用的有弓形折流板和圆盘-圆环形折流板，弓形折流板又分为单弓形[图8-1（a ）]、双弓形[图8-1（b ）]、三重弓形[图8-1（c ）]等几种形式
。
图8-1 弓形折流板和圆盘-圆环形折流板
单弓形折流板用得最多，弓形缺口的高度h为壳体公称直径Dg的15%～45%，最好是20%，见图8-2（a）；在卧式冷凝器中，折流板底部开一90°的缺口，见图8-2（b）。高度为15～20mm，供停工排除残液用；在某些冷凝器中需要保留一部分过冷凝液使凝液泵具有正的吸入压头，这时可采用带堰的折流板，见图8-2（c）。
图8-2 单弓形折流板
在大直径的换热器中，如折流板的间距较大，流体绕到折流板背后接近壳体处，会有一部分液体停滞起来，形成对传热不利的“死区”。为了消除这种弊病，宜采用双弓形折流板或三弓形折流板。
从传热的观点考虑，有些换热器（如冷凝器）不需要设置折流板。但为了增加换热器的刚度，防止管子振动，实际仍然需要设置一定数量的支承板，其形状与尺寸均按折流板一样来处理。折流板与支承板一般均借助于长拉杆通过焊接或定距管来保持板间的距离，其结构形式可参见图8-3。
图8-3 折流板安装图
由于换热器是功用不同，以及壳程介质的流量、粘度等不同，折流板间距也不同，其系列为：100mm，150mm，200mm，300mm，450mm，600mm，800mm，1000mm。
允许的最小折流板间距为壳体内径的20%或50mm，取其中较大值。允许的最大折流板间距与管径和壳体直径有关，当换热器内流体无相变时，其最大折流板间距不得大于壳体内径，否则流体流向就会与管子平行而不是垂直于管子，从而使传热膜系数降低。
折流板外径与壳体之间的间隙越小，壳程流体介质由此泄漏的量越少，即减少了流体的短路，使传热系数提高，但间隙过小，给制造安装带来困难，增加设备成本，故此间隙要
求适宜。
折流板厚度与壳体直径和折流板间距有关，见表8-1所列数据。
表8-1 折流板厚度/ mm
壳体公称内径/mm
相邻两折流板间距/mm
≤300300～450450～600600～750＞750
200～
250
3561010
400～
700
56101012
700～
1000
68101216
＞1000 6 10 12 16 16
支承板厚度一般不应小于表8-1(左)中所列数据。
支承板允许不支承的最大间距可参考表8-1（右）所列数据。
表8-2 支承板厚度以及支承板允许不支承的最大间距
经选择，我们采用弓形折流板，h=mm 6759004
34
3
=?=i D , 折流板间距取600mm, 查《化工设备机械基础》表7-7得折流板最小厚度为4 mm,折流板外径负偏差 查《化工设备机械基础》表7-9折流板外径为896 mm,材料Q235-A 钢 查《化工设备机械基础》表7-10拉杆φ12，共10根，材料Q235-A ?F 钢 折流板开孔直径40.060.25+φ 所以，折流板尺寸如下图：
壳体直径
/mm
＜400
400～800
900～1200
管子外径
/mm
19
25
38
57
支承板厚
度/mm
6
8
10
最大间距/mm
1500
1800
250
3400
图8-4 折流板
9 开孔补强
1、确定壳体和接管的计算厚度及开孔直径 由已知条件得壳体计算厚度mm 47.5=δ
接管计算厚度为
c t c t p D p +=
φσδ][20
(9-1)
其中mm 2580=D 选用20钢 查附表9得Mpa t 92][=σ 开
孔
直
径
为
：
mm
25212)42258(2d =?+?-=+=C d i
(9-2)
2、确定壳体和接管实际厚度，开孔有效补强面积及外侧有效补强高度h 已知壳体名义厚度mm 7=n δ，补强部分厚度为mm 4=nt δ
接管有效补强宽度为 B=2d=
mm 5042522=?
(9-3) 接管外侧有效补强高度
mm
8.444502=?==nt d h δ
(9-4)
3、计算需要补强的金属面积和可以作为补强的金属面积
需要补强的金属面积为：
()2
m m 20084502=?==δd A
(9-5)
可以作为补强的金属面积为：
()2
1mm 6.390)455.5)(252504())((=--=--=δδe d B A
(9-6)
()
2
12mm 52.1071)55.175.2(8.442)(2=?-??=-=r t t f e h A δδ
(9-7)
4、
()2
321mm 12.51416107.526.390=++=++=A A A A e
(9-8)
5、比较A 与e A ，)2008()12.514(22mm A mm A e =<=，所以壳程接管需要补强，而管程接管的公称直径较大，也需要补强。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7mm 厚的钢板。
综上，得换热器开孔补强结构如下图：
图9-1 换热器开孔补强结构
10 支座
裙座设计
采用圆筒形裙式支座，裙座与塔体的连接采用焊接，由于对接焊缝的焊缝受压，可承受较大的轴向力，故采用对接形式。取裙座外径与封头外径相等。并且取裙座的厚度与封头的厚度相同，即裙座尺寸为Ф900×7mm.。裙座材料选用Q235-A。
图10-1 裙座壳与壳体的对接型式。
无保温层的裙座上部应均匀设置排气孔，
表10-1 排气孔规格和数量
因此设置两个排气孔，排气孔尺寸为Ф80，排气孔中心线至裙座壳顶端的距离为140
图10-2 裙座上部排气孔的设置
塔式容器底部引出管一般需伸出裙座壳外，
表10-2 引出孔尺寸
引出孔的加强管选用Q235-A的无缝钢管，引出管直径选用20
图10-3 引出孔结构示意图
基础环设计
1、基础环尺寸的确定
()
-
300=
=D
-
=
m m
900
600
300
D is
ib
（10-1）
()
=
+
=D
+
1200
m m
300=
300
900
D is
cb