参考换热器设计说明书.docx
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参考换热器设计说明书
机械设计
机械设计包括结构设计和强度计算两部分。
参考压力容器安全技术监察规程，本次设计的换热器为二类容器。
1.1结构设计
1.1.1设计条件
1.1.1.1设计压力
设计压力根据最高工作压力确定。
设有安全阀时，设计压力取最高工作压力的1.05〜1.10倍。
本设计取1.1倍。
壳程设计压力Fd=1.1巳=1.1（0.4_0.1）MPa=0.33MPa,
液柱压力ph0.95=993.259.80.60.95Pa
=5548.2945Pa：
：
5%Fd
则可忽略液柱压力，计算压力Pc=R，取高于其一个等级的公称等级1.0MPa。
管程设计压力R=1.1PW=1.1（1.4-0.1）MPa=1.43MPa，忽略液柱压力，则取高出
其一个压力等级为2.5MPa。
1.1.1.2设计温度
设计温度指容器在正常情况下，设定的元件金属温度，设计温度不得低于元件金属在工作温度状态可能达到的最高温度。
[8，124]
管程设计温度的确定，由于气氨最高操作温度为124C，故取设计温度为130C。
壳程设计温度的确定，由于壳程水最高操作温度为42C，故取设计温度为50C。
1.1.2筒体壁厚
1.1.2.1筒体选材
由于筒体设计温度为50C，设计压力为0.4MPa，参考GB150-1998,故选20R。
1.1.2.2筒体壁厚的计算
、二RD
2[珂-Pc
式中、：
一计算厚度，mm；
Pc—计算压力，MPa;
'—焊接接头系数。
PcDi
2[汀-巳
0.4600
21331.0—0.4
mm：
0.904mm
由表可知、：
min=6mm，故令=6mm。
6=6+C2=（6+2）mm=8mm5n=①+Ci+也=（8+0+也）mm=8mm
（取C2=2mm在无特殊腐蚀情况下，对于碳素钢和低合金钢，不小于1mm）
[GB6654《压力容器用钢板》和GB3531《低温压力容器用低合金钢板》规定压力容器专用钢板的厚度负偏差不大于0-25mm，因此使用该标准中钢板厚度超过5mm时（如
20R,16MnR和16MnDR）等，可取C1=0][8，125]
由钢材标准规格，取J*=8mm
-e='n-（C1+C2）（C=C1+C2）
=8-（0+2）
=6mm
1.1.2.3筒体的强度校核
PcQ•0.4（6006）
2-e26
-2MPa
<[-]t'■
[8，122]
式中飞—有效厚度，：
e=：
n-C，mm；
;n—名义厚度，mm；
t
匚—设计温度下圆筒的计算应力，MPa；
C—厚度附加量，mm。
[寸=1331.0=133MPa
匚<[二]t'■
故校核其满足强度要求。
因此，圆筒的最大工作压力[pw]为
Pw
2、e[；汀
De
261331.0
6006
:
2.634MPa
1.1.3管箱设计
1.131管箱选材
管程设计压力为1.43MPa,温度为130C，参考GB150-1998，故选20R
1.1.3.2管箱筒体厚度计算
2[汀-巳
1.43600
2[汀-巳
21331.0-1.43
mm=3.2784379mm
由表可知-min=6mm，故令■■:
=6mm。
①=§+C2=（6+2）mm=8mm
%=6+C<|+也=（8+0+也）mm=8mm
[GB6654《压力容器用钢板》和GB3531《低温压力容器用低合金钢板》规定压力容器专用钢板的厚度负偏差不大于0.25mm，因此使用该标准中钢板厚度超过5mm时（如
20R,16MnR和16MnDR）等，可取C1=0][8，125]
由钢材标准规格，取-n=8mm
e=n-（C1+C2）（C=C1+C2）
=8-（0+2）
=6mm
1.1.3.3管箱选择
本次设计选择D型管箱，其结构型式见管箱零件图。
[10，168]
1.134筒体的强度校核
PcQ飞）
2"
1.43（6006）
26
=72.215MPa
十]t-
[8，122]
式中'飞—有效厚度，:
e='；n-C,mm；
、：
n—名义厚度，mm；
t
二—设计温度下圆筒的计算应力，MPa;
C—厚度附加量，mm。
［汀=1331.0=133MPa
t+
CV［t］
故校核其满足强度要求。
因此，圆筒的最大工作压力［Pw］为
2、e［汀
Die
261331.0
6006
:
2.634MPa
1.1.4管箱法兰
1.1.4.1材料选择
管程设计压力为1.43MPa,温度为130C，参考GB150-1998，故选20R。
［13，6］
1.1.4.2法兰尺寸
法兰材料及其质量列表如下：
JB/T4703-2000
公称直径
法兰质量，kg
DN，mm
平面
凸面
凹面I榫面
槽面
PN=2.5MPa
60099.3102.299.8101.297.3
表4-2乙型平焊法兰质量[13,40]
1.1.4.3法兰型式
根据公称压力等级以及介质性质选择法兰型式为SO型。
1.1.5管箱法兰垫片
选择非金属垫片：
垫片600-2.50,石棉橡胶板GB/T3985。
[13，63]
垫片结构图见装配图。
[13，63]
JB/T4704-2000
公称压力PN，mm
2.5
公称直径DN，mm
D3
D2
t
600
665
615
3
表4-3垫片尺寸[13，64]
1.1.6管箱法兰螺柱螺母
对于PN=2.5MPa的螺柱应当选用40Cr，对应的螺母为35。
JB/T4707-2000
本次选用等长双头螺柱。
[13,6-7]
图4-1等长双头螺柱结构图[13,81]
JB/T4707-2000
d,mm
16
20
24
27
30
36
Lo,mm
40
50
60
65
70
80
C,mm
2
2.5
3
4
4
5
r,mm
5
6
6
6
6
d2,
mm
A
16
20
24
27
30
36
B
L,mm
极限
偏差
单件质量,kg&
公称尺寸
100
±1.3
0.133
0.208
110
±1.5
0.147
0.229
120
0.160
0.250
130
0.173
0.270
0.390
140
0.187
0.291
0.420
150
0.200
0.312
0.450
160
0.213
0.333
0.480
170
0.227
0.345
0.510
180
0.240
0.374
0.540
0.695
0.853
190
0.253
0.395
0.570
0.733
0.901
200
0.416
0.600
0.772
0.948
300
0.625
0.900
1.160
1.422
表4-4等长双头螺柱的型式与尺寸[13,82]
1.1.7封头的设计
由于管程设计压力为1.43MPa,温度为130C，故封头材料选为20R
1.1.7.1封头的壁厚计算
§FCDi
一2[；汀-0.5Pc式中：
一计算厚度，mm;
[8，140]
Pc—计算压力,MPa;
焊接接头系数。
2[二广-0.5FC
1.43600
21331.0—0.51.43
mm二3.234257497mm
由表可知：
min=6mm,故令：
=6mm.
「二、.C2=（62）=mm
（取C2=2mm在无特殊腐蚀情况下，对于碳素钢和低合金钢，不小于1mm）
、n=、.dG.：
=（80=）mm二8mm
（GB6654《压力容器用钢板》和GB3531《低温压力容器用低合金钢板》规定压力容器
专用钢板的厚度负偏差不大于0.25mm,因此使用该标准中钢板厚度超过5mm时如和等
可取G=0）
（C=Ci+C2）
由钢材标准规格，取=8mm
"e="n-（Ci+C2）
=8-（0+2）
=8mm
1.1.7.2封头尺寸
选择以内径为基准的椭圆形封头，代号为EHA，其尺寸和结构如下:
JB4746-2002
公称直径
总深度
内表面积
容积
DN
H
A
V
mm
mm
2m
3m
600
175
0.4374
0.0353
表4-5EHA椭圆形圭寸头内表面积，容积
DN
3
4
5
6
8
10
12
14
16
18
20
mm
600
10.1
13.5
17.0
20.4
27.5
34.6
41.8
49.2
56.7
64.2
71.9
公称直径
封头名义厚度-■n,mm
表4-6EHA椭圆形封头质量
kgJB4746-2002
名称
斷面形状
类型代号
形武夢琳荼
椭圆形封
头
内怦为基准
厂
EHA
Di.2H-h）=2
1,
1
图4-2EHA椭圆型封头结构
[12,36-37-38]
1.1.7.3封头的强度校核
Pw
2、e[汀
KDj0.5e
261331.0
6000.56
:
2.647MPa
[8，140]
对于标准椭圆形圭寸头，K=1.0椭圆形圭寸头的最大工作压力[pw]为
1.1.8液压试验压力试验
除材料本身的缺陷外，容器在制造和使用中会产生各种缺陷。
为考核缺陷对压力安全性的影响，压力容器制造完毕后或是定期检验时，都要进行压力试验。
常温时，水的压缩系数比气体要小得多，且来源丰富，因而是常用的试验介质。
本次设备压力试验采用水压试验。
[8，192]
由于管程壳程压力不等，且管程压力大于壳程，故水压试验时先将壳程压力升高到与管程相等，再进行水压试验。
（1）水压试验
对于内压容器
[8，193]
[8，399]
PTN.25P斗
[汀
在小于20C,100C时的应力都为133MPa.
P=1.25P=1.25FC=1.251.43MPa=1.7875MPa
（2）应力校核
为使液压试验时容器材料处于弹性状态，在压力试验前必须校核试验时圆筒的薄膜
应力二T
MPa=90.183MPa
P^Dj、e）1.7875（6006）
2气=26
0.9s=0.91.0245=220.5MPa
[8,399]
1.1.9拉杆设计
1.1.9.1拉杆选材
选择拉杆和定距管材料为10。
1.1.9.2拉杆参数
拉杆的直径和数量按下表选择：
mm
换热管外径d
14cd£25
拉杆直径dn
12
表4-7拉杆选用表
亠公称直径DN,mm
3400~c700
拉杆直径dn,mm^——
12
4
表4-8拉杆数量选用表[6,75-76]
拉杆尺寸与结构如下：
mm
拉杆直径
dn
拉杆螺纹公称直径
dn*
La
Lb
b
12
12
15
>50
2.0
表4-9拉杆尺寸表[6，76]
bX45
—
of
-J
d1-
亠La亠
Lb
L
图4-3拉杆结构图
[6,75]
1.1.9.3拉杆的布置
拉杆应尽量布置在管束的边缘，本次用四根拉杆
1.1.10管板设计
1.1.10.1材料选择
选择管板材料为20R。
1.1.10.2管板结构
选择e型的连接方式即：
管板与壳程圆筒连接为整体，其延长部分兼做法与管箱用螺柱
公称压力
kgf/cm2
Dg
D
D1
D2
D3
D4
D5
C
d2
螺柱
bf
b
Pt
Ps
规
格
数
量
2.5
1.0
600
760
715
676
597
663
600
12.5
27
M24
24
38
48
mm
[10，146]
连接。
表4-10管板尺寸参数通过校核后确定管板厚度为49.5mm。
结构如下：
[10，127]
图4-4管板结构
1.1.10.3管板布管
见管板零件图。
1.1.1031中心距的求取
本次设计采用正三角形排列，换热管尺寸为192mm，因此取换热器中心距为
25mm。
1.1.10.3.2布管限定圆
对固定管板式换热器，布管限定圆的直径Dl为
DL-Di-■2b3
Di＞圆筒内径，mm
bg—固定管板式换热器管束最外层管束外表面至壳体内表面的最短距离,
b3=0.25d。
一般不小于8mm，d。
为换热管外径。
[6，23]
本次设计取b3=10mm,贝UDl=600-2X10=580mm。
换热管外径d或无支撑跨1
da32或1兰900
1=900且d兰32
管孔直径
d+0.7
d+0.4
允许偏差
+0.30
0
表4-11I级管束折流板和支持板管孔直径及允许偏差表
1・1・10・3・3拉杆孔的设计
拉杆孔直径d1=d1.0=（121.0）mm=13mm,d为拉杆直径。
[6,25]
拉杆与管板采用螺纹连接。
螺纹深度l2=1.5dn,dn为拉杆螺纹孔公称直径，mm.
I2=1.5dn=1.512mm=18mm[6,25]
1・1・10・3・4实际布管
实际布管数为451根，其中换热管447根，拉杆4根。
1.1.11换热管设计
在标准中选取换热管为19mm2mm，材料为16Mn，长度为6000mm。
换热管与管板的连接采用强度焊，其尺寸如下：
mm
换热管规格
换热管最小伸岀长度
最小坡口深度l3
3
l1
l2
©19x2
1.5
2.5
2
表4-12换热管与管板的连接采用强度焊
图4-5换热管安装尺寸图[6，69]
1.1.12接管设计
1.1.12.1管程接管设计
管程为气氨，对气体
u=（0.15L0.2）PP为压强,kPa;'为气体密度,kg'm3）
令u=0.2P：
：
0.2148.684475861ms
=322.4144m.s
V-；壳程流体体积流量，m「s
u'流体在接管中的流速，ms
[3，279]
d二
42116936008.684475861mm=51.724318mm
3.14322.4144
选取标准管子DN=65mm，材料为20。
1.1.12.2壳程接管设计
水进出口接管流速初取
u=1.8m.s,则接管直径
[2,279]
V＞壳程流体体积流量,m3「s
u、流体在接管中的流速，m.；s
4V
4110187.70313600993.25
d七「
Jmm=147.67709mm
V3.14心.8
选取标准管子DN=150mm，材料为20。
1.1.12.3排气管和排液管的设计
考虑到壳程接管都安装于最高处或最低处，并且为单壳程，无须设排气管和排液管。
管程不设置。
1.1.13接管法兰和垫片的设计
1.1.13.1法兰材料选择
与接管材料一致。
1.1.13.2法兰结构和尺寸
PN2.5MPa带颈对焊钢制管法兰HG20595-97,其DN=65mm，厚度分别为6mm。
[9，52]
PNI.OMPa带颈对焊钢制管法兰HG20595-97,其DN=150mm，厚度为6mm。
[9,54]
法兰密封面尺寸如下:
公称
通径
Dn
d
f1
f2
f3
W
X
Y
Z
MPa
Dn
2.5
>4.0
20
56
56
2
4
3
36
50
51
35
65
118
118
2
4
3
95
109
110
94
150
211
211
2
4.5
3.5
183
203
204
182
表4-13法兰密封面尺寸[9,17]
各接管其他参数如下表：
热轧无缝钢管YB231-70
钢管外径，mm
壁厚，mm
理论重量，kg/m
接管长度，mm
159
6
22.64
113
表4-14热轧无缝钢管[16，341]
冷拔无缝钢管YB231-70
钢管外径
，mm
壁厚，mm
理论重量，kg/m
接管长度，mm
76
6
10.36
109
表4-15热轧无缝钢管[16，345]
1.1.13.3法兰垫片选择
壳程接管法兰用垫片均为非金属平垫片石棉橡胶板XB350（HG20606-97）。
[9，175]
1.1.13.4螺栓螺母选择
管程接管选择六角螺栓，8.8级。
1.1.14接管外伸长度
1.1.14.1各接管尺寸设计
其确定参考如下：
"—-—
dn公称直径-DN，mm
65
150
150
200
表4-16Pg兰40kgf/cm2接管外伸长度参考表[10，33]
1.1.14.2管程接管位置的确定
由于选择D型管箱，管程接管采用轴向进出。
1.1.14.3壳程接管位置的确定
无补强圈时L1-dH（b-4）C
2
dH＞接管外径，mm
b＞管板厚度，mm
C-接管外缘到容器法兰与筒体连接焊缝的距离，且C—4S，不小于30mm，S为
壳体壁厚，mm
通过校核本次设计中接管无需补强。
故
d159
L1H（b-4）C=5050=179.5mm，暂取为200mm。
22
1.1.15防冲挡板
管程流体为轴向进入，且流体流速大于
3ms时需设置防冲挡板。
对于碳钢和低合金钢，折流板厚度取为本次选择防冲挡板材料为20。
防冲挡板结构及其相关尺寸如下：
4.5mm。
[6，76]
H-=（）mm-16.6mm，
2424
本次取为17mm。
dfr接管内径，mm
B=B2
3-df50
[10,47]
=（64+50）mm=114mm
初取为120mm。
其结构位置确定如下图:
图4-6防冲挡板结构及其相关尺寸［10,48］壳程流速小于3ms，无需设置。
1.1.16折流板
1.1.16.1材料
折流板材料选为20。
1.1.16.2折流板的设计
折流板型式，其他参数，工艺计算时已给出。
折流板厚度根据［6，72］，其最小厚度为6mm,本次取为8mm
[6，73]
折流板直径为Di-4.5=（600-4.5）mm=595.5mm
其结构如下:
图4-7折流板结构图
1.1.17吊耳
根据［6,175］,当管箱重量超过30Kgf时，宜设置吊耳，也可采用钢丝起吊。
根据［10,175］，可对称的设置两个吊耳
t
h
R2
d
C
单个吊耳允许掉起载荷
Kgf
16
50
40
30
120
<2000
20
60
50
40
150
<3000
表4-17吊耳尺寸
1.1.18焊接结构设计
1.1.18.1焊接结构
焊接结构按相应标准或见装配图及其零件图。
1.1.18.2焊接材料的选择
本次设计的换热设备所用材料有20、0R。
考虑母材力学性能与化学材料，构件的结构与刚性和经济性，该容器采用电弧焊时所用焊条使用型号如下表：
接头母材|焊条型号|焊条牌号
20+20
E4303（GB/T5117）
J422
20+20R
E4315（GB/T5117）
J427
20R+20R
E4315（GB/T5117）
J427
当采用埋弧焊焊时所焊丝焊剂型号如下表:
接头母材
焊丝型号
焊剂牌号
20+20
H08A
（GB/T14957）
HJ431
20+20R
H08A
（GB/T14957）
HJ431
20R+20R
H08A
（GB/T14957）
HJ431
表4-18焊接材料选用表
[18,276L282]
1.1.19各零部件质量估算
1.1.19.1壳程筒体质量的估算
壳体长度的计算
l^l-2^2l1=（6000-249.5-21.5+2X3）mm=5904mm
壳体质量的计算
3
ms=V=「二Is、=7.85103.145.9040.008kg心1164.22kg
1.1.19.2封头质量的估算
m封=227.5kg=55kg
1.1.19.3换热管质量的计算
其相关参数如下表：
换热管长为6米，材料为20,则其质量为mt1=0.8386kg=5.028kg
换热管外径，mm
壁厚，mm
换热官单位长度质量，
kg/m
19
2
碳钢，低合金钢
高合金钢
0.838勺03
0.855"03
表4-19换热管质量参数表
m换热管=44760.838103kg=2248.4kg
1.1.19.4接管质量计算
m接管二（10.360.1092+22.640.1132）kg
7.376kg
1.1.19.5接管法兰质量的计算
m法兰二（23.023.942）kg
-53.&8
1.1.19.6管箱法兰质量
m管箱=99.82kg=199.
1.1.19.7管板质量的估算
左管板质量：
Q[（D2-d22n2）bfD426D524D32h-djbn1-d2ln]r
4
右管板质量：
Q[（D2-d22n2）bfD426D524D32h-djbnJr
4
d1—；换热管孔直径，mm；
m-•换热管数；
dr拉杆孔直径，m
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