换热器的零部件结构设计解析.docx
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换热器的零部件结构设计解析
1.绪论
换热设备是化工、炼油、食品、轻工、能源、制药机械及其他许多工业部门广泛使用的通用设备。
随着工业的发展，换热设备在能量储存、转化、余热回收以及新能源利用和污染治理中得到广泛应用。
1.1换热器的分类
1.1.1换热器的分类及特点
按照传热方式的不同，换热器可分为三类：
1•直接接触式换热器；2.蓄热式换热器；3.间壁式换热器.
1.2管壳式换热器的分类及特点
管壳式换热器可分为五类：
1.固定管板式换热器；2.浮头式换热器3.U形管式换热器；4•填料函式换热器；5重沸器。
浮头式换热器的特点
浮头式换热器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，成为浮头。
浮头部分是由浮头管板，钩圈与浮头端盖组成的可拆联接，因此可以容易抽出管束，故管内管外都能进行清洗，也便于检修。
浮头式换热器的优点是管间和管内清洗方便，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，材料消耗量大，且浮头端小盖在操作中无法检查，制造时对密封要求高。
适用于壳体和管束之间壁温差较大的或壳程介质易结垢的场合。
2.换热器的工艺条件与选型
2.1换热器的工艺条件
设计条件
壳程
管程
工作介质
循环水
设计压力
-0.0781MPa
0.495MPa
工作压力
-0.071MPa
0.45MPa
设计温度
80r
60°C
介质特性
换热面积
易爆
/
78m*
2.2换热器的选型
根据换热器流体的性质和各种管壳式换热器的特点，本回收塔冷却器选用浮头式换热器。
3.换热器的零部件结构设计
3」换热管
3.1.1换热管的材料、形式及尺寸
回收塔冷却器采用光管，因为光管加工方便、价格便宜。
根据换热流体的性质选用①25mmX2.5mm长度L二60000mm的20号无缝钢管作为换热管的材料。
根据GB151-89表3-ll（a）I级换热器换热管外径允许的偏差是①25±0.20管板管孔允许的偏差是①25J0'*5o
3.1.2换热管的排列方式及管心距
如图所示，换热管在管板上的排列形式主要有正三角形、正方形和转角正三角形、转角正方形。
本换热器壳程流体的性质属于易结垢，因此采用转角正方形排列。
根据GB151-1989表3-7规定管心距为S二32mm分程隔板两侧相邻管中心距Sn=44mmo
3.1.3换热管根数
根据流体性质选用规格为^25^x2.omm长L二6m的换热管，换热面积F=78nr则换热管根数
p78、
n===16&4（3—1）
勿（>（厶一0」）3.14x25x（6-0」）
考虑到换热过程中有热量的损失和拉杆的布置，实际管数取176根。
3.1.4换热管布管限定圆
布管限定圆根据GB151表3-8确定。
D[=£）i-2（$+b2+b）
0二600V1000,b>3,取b二4
D.<600,^>10,^=3取亿=12
S二3,b3=bn+l.5=13.5
b.=0.25〃且>10
$=0.25x25二6.25
仇210,・・・仇=10
b&10,・・・5二13.5
Dl=Dt-2（bx+b2+b）=600-2X（3+13.5+4）二559mm
3.1.5管程数和壳程数及形式
管程数有1〜8程儿种，常用的为1、2或4管程。
本回收塔冷却器采用2管程。
壳程一般可分为单壳程换热器、分流式换热器和双分流式换热器，本回收塔冷却器采用1壳程。
3.1.6换热管与管板的连接
换热管与管板的连接方法主要有强度胀接、强度焊接和胀焊并用。
山于回收塔冷却器壳程介质易爆要求密封性能较高所以采用胀焊并用的连接方法。
3.2折流板与支持板
设置折流板的LI的是为了提高壳程流体流速，增加湍动程度，并使壳程流体垂直冲刷管束，以改善传热，增大壳程流体的传热系数，同时减少结垢。
根据本回收塔冷却器的工艺条件和流体性质采用单弓形折流板。
3.2.1折流板的材料的选取
壳程设计温度80°C设计压力Pc=-O.0781MP&,根据GB150-1998选取Q235-B钢板为折流板材料。
3.2.2折流板的布置
本回收塔冷却器壳程介质为炷，含有少量液体，则在缺口朝上的折流板最低处开设通液口，结构如图3-2a所示。
图3-2
单弓形折流板缺口弦高h—般取0.20-0.45倍的圆筒内直径，h=（0.20〜
0.45）Di=（0.20〜0.45）X600=120〜170二150.
323折流板的间距
折流板的最小间距应不小于圆筒内直径的五分之一即i$0.2Di二0.2X600二120mm最大间距1不大于圆筒的内直径即iWDi二600mm,且满足GB151-1989表3-22折流板的最大无支承跨距的要求即折流板的最大无支承跨距是1900mmo根据经验取折流板数量是8块，间距i二450。
3.2.4折流板的厚度
折流板厚度与壳体直径、换热管无支承长度有关，根据GB151-1989表3-19折流板的最小厚度是5mm取厚度6=8mmo
3.2.5折流板管孔
根据GB151-1989表3-20（a）查的折流板管孔外直径是25.08管孔直径允许的偏差是皿30。
0
3.2.6折流板与壳体间隙
根据GB151-89表3-21选取折流板名义外直径D二DN-4.5=600-4.5=595.omm折流板外直径允许偏差是-0.8o
3.2.7支持板
浮头式换热器的浮头端必须设置支持板，用来支持换热管管束以防止管束产生过大的挠度发生变形。
3.3拉杆、定距杆、拉杆孔
3.3.1拉杆的结构形式
折流板与支持板一般均采用拉杆与定距管等元件与管板固定，其固定形式有如下儿种：
①采用全焊接方式；②采用拉杆定距管结构；③螺纹与焊接相结合；④定距螺栓拉杆
图3-3拉杆的结构形式拉杆的参数表
拉杆的直径d
拉杆螺纹公称直径dnLa
Lb
b
拉杆的数量
16
1620
260
2
4
3.3.2拉杆直径、数量和尺寸
1拉杆直径和数量：
根据GB151-89表3-23和表3-24规定，拉杆直径d=16mm,拉杆数量最少为4根取5根。
2拉杆尺寸：
拉杆的链接尺寸按GB151-89图3-30和表3-23确定。
拉杆的长度L按需要确定。
具体见零件图。
3.3.3拉杆布置
拉杆应尽量均匀布置在管束的外边缘，对于大直径的换热器，在布管区内或靠近折流板缺口处应布置适当数量的拉杆，任何折流板应不少于3个支承点。
3.3.4拉杆孔
拉杆孔深度厶等于拉杆孔直径/,拉杆孔直径按下式确定：
di=〃+1=16+l=17mm
式中：
d拉杆直径，mm；
心拉杆孑L直径，mmo
拉杆与管板螺纹连接的拉杆螺纹结构见图见下图，螺纹深度按下式确定:
l2=1.5£=1.5x16=24〃?
〃？
式中：
dn螺孔深度，mm：
拉杆螺孔公称直径,mmo
dn
3.4防冲板与导流筒
3.4.1防冲板
为了防止壳程物料进口处水蒸气对换热管表面的直接冲刷，引起侵蚀及振动，在流体入口处装置防冲板，以保护换热管。
根据GB151-89规定，防冲板在壳体内的位置，应使防冲板周边与壳体内壁所形成的流通面积为壳程进口接管截面积的1〜1.25倍。
3.4.2导流筒
导流筒作用是增加换热管的有效换热长度，提高换热效率，在换热器壳程进出料口距管板较远时，流体在管板附近易产生死区，影响传热，为减少流体的停滞区可设置导流筒来实现。
一般分为内导流筒和外导流筒：
根据换热器流体的流速和性质，需要设置导流筒，具体结构见零件图。
3.5接管
3.5.1接管外伸长度
接管外伸长度也叫接管伸出长度，是指接管法兰面到壳体外壁的长度。
可按下式计算：
/»力+仏+5+15=52+12.8+60+15=139.8〃?
〃?
式中：
/接管外伸长度，mm
h接管法兰厚度，mm
A,接管法兰的螺母厚度，mm
3保温层厚度，mm
除按上式计算外，接管外伸长度也可按相关标准的数据选择，取为150mm。
3.5.2接管与筒体、管箱壳体的连接
（1）结构型式：
接管与壳体、管箱壳体（包括封头）连接的形式，可采用插入式焊接结构，一般接管不能凸出与壳体内表面。
（2）开孔补强计算：
具体过程见强度计算。
3.6管箱
3.6.1管箱结构形式
管箱分为A型、B型和C型，由于B型用于单程或多程管箱，优点是结构简单,便于制造，适于高压，清洁介质，且椭圆封头受力悄况要比平端盖好的多，缺点是检查管子和清洗管程时必须拆下连接管道和管箱。
本换热器由于压力不高，所以采用B型管箱。
3.6.2分程隔板
根据GB151-89表3-1规定，PNW600时，碳素钢和低合金钢材料的隔板卑度不小于8mm,高合金钢材料的隔板片度不小于6mm,本装置采用Q235-B,厚度取8mmo
3.7管板结构尺寸
3.7.1管板厚度计算
符号说明：
每在布管区范围内，因设置隔板槽和拉杆结构的需要，而未能被换
热管支承的面积，对正方形排列，A=HS（S”-S）；
*隔板槽一侧的排管根数；
S换热管中心距；
S“隔板槽两侧邻管的中心距；
A管板布管区面积，〃"2；对多管程正方形排列换热器，4=沾2+九；
A管板布管区内开孔后的面积，〃和2；；
4
a根换热管管壁金属的横截面积，mm2
Dg固定端管板垫片压紧力作用中心圆直径，〃⑷；根据所选的垫片的尺寸，且选择其压紧面型式为GB150表9-1的1/可知密封面宽度
N654-622
b（、=—=
°22
=16mm>6.4/n/n;则b=2.53a/T6=10.12mm
d换热管外径，nun;
Ev设计温度时，管板材料的弹性模量，MPa;
E,设计温度时，换热管材料的弹性模量，MPa：
Gwe系数，按K%/几％和1/“查GB131图24；
K,管束模数，MPa；
K,管束无量纲刚度，Mpa；K严备;
L换热管有效长度（两管板内侧间距），〃""；
I换热管与管板胀接长度或焊脚高度，〃⑷;
n换热管根数；
Pa无量纲压力Pa=―J；
1.5“[九
Pc当量压力组合，MPa；
Pd管板设计压力，MPd；
Ps壳程设计压力，MPa；
P’管程设计压力，MPa；
q换热管与管板连接拉脱力，MPa；
[q]许用拉脱力，查GB151,MPa；
卩—系数’处亍
6管板讣算厚度，加加；
故Q=654—2x10.12
◎换热管管壁厚度，加加:
“管板刚度削弱系数，一般可取“值；
“管板强度削弱系数，一般取//=0.4；
P系数门=』；
6换热管轴向应力，MPa；
0],换热管稳定许用压应力，MPa；
[of.设计温度时，管板材料的许用应力，MPa；
0]：
设计温度时，换热管材料的许用应力MPa；
管板名义厚度计算：
Ad=nS（S„-S）=600x（44-32）=7200/wn2；
A,=nS2+Ad=\76x322+7200=187424mm2；
j（<-d；）=x（252-202）=176.625〃"2
/4xl87424
=488.6/?
?
77?
查GB150可知Ez=1.9xl05Mpa,Ep=2.OxlO5Mpa
=2042.6Mpa；
K_1.9x105x31086
z"（6000-40x2-2x1）x488.6
式中L应为换热管的有效长度，但由于管板厚度尚未计算出，暂估算管板厚度为40mm进行试算，待管板厚度算出再用有效长度核算，乙=厶一2戈一2x（管端伸出长度）
O
K=__2042.6=00255；灯=O.O2553=0.294
z0.4x2x10’f
当中的［刃”的计算如下：
3.14xJ2xl-9xl°5=123.67
Y245
■
i=0.25j〃2+（d-2Q）2=0.25x^252+（25-2x2.5）2=&0
♦
查GB151-1999可知l（r=2lh=520,,则/tT//=520/8=65管的材料选为20号钢，故［b］：
=120MPc,
=90.65Mpa<[a]=120Mpa
山于此时不能保证化与门在任何时候都同时作用，则取几=0・495MP“；故
GB151图可知C=0.52,GMT=8.1,则管板计算厚度为:
J=CD，7^=0.52X488.6xJo.0046=17.21mm；
根据GB151-89表3-6管板的最小厚度Jniin=25mm，取d=3>0mm
管板的名义厚度应不小于下列三部分之和，即
①=［MAX（J,Jnun）+MAX（C、比）+MAX（C„/7,）］圆整
=［MAX（59.&25）+MAX（3,0）+MAX（2,5）］圆整
=［30+3+5］圆整二38mm
式中Cs和Ct分别是指壳程、管程的腐蚀裕量；而hl是指壳程侧管板结构槽深,为0；h2是指管程隔板槽深，为4mm。
此时应根据得到的管板名义序度，重复以上步骤，使得管子有效长度对应于管板厚度。
重复以上步骤的管板的名义厚度是
dn=3Smmo
3.7.2换热管的轴向应力
换热管的轴向应力在一般情况下，应按下列三种工况分别计算:
1壳程设计压力Ps=-0.078IM/m,管程设计压力门=0：
Pc=ps-p,（1+0）=亿=-0.078\Mpa；
5=*]代一（化_几）彳gJ
明显地，
②管程设计压力pt=0A95Mpa,壳程设计压力几=0：
pc=化一/厶（1+0）=0-0.495x（1+0.307）=-65⑷a；
5=2Pc-（A-Pt）~7~G*e
0LA」
1187424
=（-0.65+0.495x———x8.1）；
0.307101074
=22.04M/"/
明显地，qv[b]：
=120Mpa；
3壳程设计压力几与管程设计压力Pt同时作用:
pc=ps-pt（1+0）=-0.0781-0.495x（l+0.307）=一0.725枷i；
=25.6\Mpa
山以上三种情况可知，换热管的轴向应力符合要求。
3.7.3换热管与管板连接拉脱力
恥-
25.61x176.625
3.14x25x3.5
q=
=\6A6Mpa；
式中，/=/）+/3=1.5+2=3.5mm
其中：
/,——换热管最小伸出长度,查GB151-1999可知/,=1.5mm；厶最小坡口深度，厶=;
许用拉脱力[g]=0.5[b]；=0.5x120=60MM；明显地，qv[q]。
3.7.4管板重量计算
管板有固定管板以及活动管板，两者的重量讣算分别如下所示：
a固定管板重量计算
—1
•
oc
©5£
6
（b65（）
Q=^x[5962x5x2+6502x（38-5x2）]x7850x10-9
=±lix1.54xl07x7850xl0-9
4
=120・89焙b活动管板重量计算:
）2
（t>590
<2,=£x[5622x5x2+5902x（38-5x2）]x7850x10-9
=—x1.29x107x7850x10」
4
=79.49kg
3.8法兰及垫片
换热器中的法兰包括管箱法兰，壳体法兰，外头盖法兰，外头盖侧法兰，浮头法兰以及接管法兰、其中，浮头法兰将在4.5中讨论。
垫片则包括了管箱垫片和外头盖垫片。
3.9吊耳
根据GB151第五章规定，质量大于30kg的管箱及管板宜设置吊耳。
本装置在前、后端管箱上各设置两个吊耳。
前端管箱法兰与壳体连接处的管板上设置两个吊耳。
4换热器的强度设计与校核
4.1圆筒壳体和管箱材料的选择
由设计工艺条件管程最奇工作压力0.45NfPa工作温度60°C,壳程最高工作压力-0.071MPa11作温度80°C,所以换热器属于常规容器，故在此综合成本、使用条件等的考虑，选择Q345R为壳体与管箱的材料。
各受压元件的焊接接头型式是相当于双面焊的全焊透对接接头，采用局部无损检测取焊接接头①=0.85。
根据GB6654《压力容器用钢板》和GB3531《低温压力容器用低合金钢板》规定可知对Q345R钢板的厚度负偏差G=-0.3"加;o腐蚀余量C?
=3加加。
4.2圆筒壳体厚度计算和强度校核
4.2.1圆筒壳体厚度的计算
采用Q345R材料，根据GB151-89规定，尺寸DNW400mm的圆筒可用钢管制作。
本设计中DN二600mm,所以该筒体卷制而成。
根据GB150-1998,在设计压力-0.071MPa和设计温度60°C下的许用应力［o『二189MP&。
壳体按外压圆筒设计，假设壳体的名义厚度4=10〃〃”，则壳体的有效厚度
=%-C=10—3・3=6・7〃〃”。
有圆筒壳体的长度l和外径q得:
=92.5
22
查GB150图6-2得A=0.00015,则3=_EA=_x2・0x10、0.00015=2033
E是壳体材料在设计温度下的弹性模量。
壳体材料的许用外压力［P］:
=0・216MPc
r订_2AE_2xO.OOO15x2.OxlO5
[Pi=3（q/Q）=3（320/6.7）-
［F］〉Pc二-0.0781所以假设名义厚度合理即3n=\0mm和有效厚度J,=6.7mm合
理。
4.2.2压力试验校核
水压试验温度为常温，对外压圆筒由于是以内压代替外压试验，已经工作时趋于闭合状态的器壁和焊缝中缺陷改以“张开”状态接受检验，因而无需考虑温度修正，其试验压力按下式确定：
pT=/;/?
=1.25x0.071=0.098M巧
水压试验压力
n耐压试验压力系数；对于钢和有色金属液压试验n=i.25；气压
和液压组合试验n=i.10；
p压力容器的设计压力或者是压力容器的最大容许工作压力
耐压试验时筒体的薄膜应力
b=/V（Q+^）=0.098x（600+6.7）=44w^
;2Q2x6.7
0.90心（d，u.2）=09X0.85X345=263.9MH/
6v0%心他2）
耐圧试验时圆筒的薄膜应力;
R“（Rp°J壳体材料的屈服强度;
所以，圆筒壳体材料的厚度满足强度要求，即壳体材料的名义厚度^=10mm,
有效厚度6二6.7mm.=
4.3管箱的厚度计算与强度校核
管箱山两部分组成：
短节与封头；且山于前端管箱与后端管箱的形式不同,故此时将前端管箱和后端管箱的厚度计算分开计算。
4.3.1前端管箱厚度计算与强度校核
1前端管箱短节受管程压力作用，属于内压圆筒，设计压力Pc二1.lPnrl.1
X0.45=0.493MP&,端节的厚度S等于
=0.926mm
0,495x600
2[b"-化
"2x189x0.85-0.495
S前端管箱短节的计算厚度;
Di前端管箱短节的内径；
［刃设计温度下材料的许用应力;
名义厚度戈=5+q+q+△=0.926+0.3+3+△=4.226mm
根据GB151-89表3-2圆筒的最小名义厚度是8mm,取10mm°
短节的在水压试验时短节受管程压力作用属于内压容器，试验压力
189.
p=〃—=1.25x0.495x——=0.62MPU
1［刃189
［o］试验时器壁金属温度下材料的许用应力；
［叭设计温度下材料的许用应力；
P管程设计压力；
为保证耐压试验时容器材料处于弹性状态，在水压试验时就端管箱短节的薄膜应力
2x6.7
一〃"Z）」g（600+6.7）=28（）7咖
0.90心（心“J=0.9X0.85x345=263.9MP。
5<0.9轴他2）
所以，前端管箱短节材料的厚度满足强度要求，即壳体材料的名义厚度戈=10mm,有效厚度5=6.7mm满足要求。
2前端管箱封头受壳程压力作用属于内压容器，前端管箱为椭圆形管箱，这是因为椭圆形封头的应力分布比较均匀，此时选用标准椭圆形封头，故K=l,
且同上G=-0・3«2=3加〃?
则封头计算厚度为:
=KPQ=—"x600—=°925〃”；
20]'①-0.5P2xl89x0.85-0.5x0.495
设计厚度%=6+ci=0・925+3=3.925mm；
名义厚度5nh=6dh+C,+a=3.925+0.3+a=6mm（△为向上圆整量）根据GB151-89表3-2封头的最小名义厚度是8mm,取10mm。
表4JDN600标准椭圆形封头参数
DN（mm）
总深度H（mm）
内表面积A（m3）
容积（m3）
封头质量（炬）
600
175
0.4374
0.0353
34.6
前端管箱封头水压试验时，为保证耐压试验时容器材料处于弹性状态，前端管箱封头的最大许用工作压力Pw有下式计算：
=3.51MPa>Pc二0.495MP&
2x189x0.85x6,7
1x600+0.5x6.7
血（0+Q）_0・62x（600+6.7）
~~23e2x6.7
0.9。
心（/?
冲J=0.9x0.85x345=263.9MP。
5VO.%/?
』％）
所以，封头的名义厚度合格，
4.3.2后端管箱厚度计算与强度校核
由于是浮头式换热器设计，因此其后端管箱是浮头管箱，乂可称外头盖。
外头盖的内直径为D二Di+100二700mm,这可在“浮头盖计算”部分看到。
1后端管箱短节厚度计算和水压试验
由于壳体的最高工作压力是Pm-O.071MPa,所以壳体属于外压圆筒，按外压圆筒设计。
壳体的设计压力Pc二1.lPm二-0.0781MPaoQ345R材料在设计温度下的许用应力[bJ=189MP“。
后端管箱短节按外压圆筒设讣，假设壳体的名义厚度％=10〃〃”，则壳体的有
效厚度①=①_C=10-3.3=6.7〃〃”。
有短节的长度l和外径q得：
Do700+20
込=222d07.46
66.7
查GB150图6-2得A=0.0045,查GB150图6-5得B=178MPa
短节材料的许用外压力[P]：
[p]=——--=————=1.66MPa
LJ（4他）（720/6.7
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