换热器的零部件结构设计解析.docx

1、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

2、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-0.0781MPa0.495MPa工作压力-0.071MPa0.45MPa设计温度80 r60 C介质特性换热面积易爆/78 m*2.2换热器的选型根据换热器流体的性质和各

3、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25mmX 2. 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250. 20 管板管孔允许的偏差是25J0*5 o3.1.2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GB151-198

4、9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=44mmo3.1.3换热管根数根据流体性质选用规格为25x2. omm长L二6m的换热管，换热面积F=78nr 则换热管根数p 78 、n = = = 16&4 (31)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, b3,取 b二4D. 10, =3 取亿=12S二3, b3=bn+l. 5=13. 5b. = 0.25 且 10$= 0.25x

5、25 二6. 25仇210,仇=10b&10,5二13. 5Dl =Dt-2(bx +b2+ b) =600-2X (3+13.5+4)二559mm3.1.5管程数和壳程数及形式管程数有18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，

6、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80C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. 200.45) Di= (0. 200.45) X600=120170二 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

7、五分之一即i $0.2Di二0.2X 600二120mm最大间距1不大于圆筒的内直径即i WDi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 = 8mmo3.2.5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。03.2.6折流板与壳体间隙根据GB151-89表3-21选取折

8、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. 8o3.2.7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：采用全焊接方式；采用拉杆定距管结构；螺纹与焊接相结合； 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dn LaLbb拉杆的数量1616 20260243.3.2拉杆直径、数量和尺寸1拉杆直径和数量：根据GB151-89表3-23

9、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，mm o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 = 1.5x

10、 16 = 24?？式中：dn 螺孔深度，mm：拉杆螺孔公称直径,mmodn3.4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11.25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

11、，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，mmh 接管法兰厚度，mmA, 接管法兰的螺母厚度，mm3 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

12、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8mmo3.7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）；*

13、 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； ；4a 根换热管管壁金属的横截面积，mm2Dg 固定端管板垫片压紧力作用中心圆直径，；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,N 654-622b（、= 2 2=16mm 6.4/n/n;则b = 2.53a/T6 = 10.12mmd 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

14、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，;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

15、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) = 176.6252/4xl87424=488.6/?77?查 GB150 可知 Ez =1.9xl05Mpa , Ep = 2.OxlO5Mpa=2042.6Mpa ；K _ 1.9x105x31086z (6000

16、-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)OK = _2042.6 = 0 0255 ；灯=O.O2553 = 0.294z 0.4x2x10 f当中的刃”的计算如下：3.14xJ2xl-9xl5 =123.67Y 245i = 0.25j2+(d-2Q)2 = 0.25 x 252+(25-2x2.5)2 = &0查 GB151-1999 可知l(r = 2lh = 520,则/tT/=520/8 = 65 Cr ,同时由于前面换热管的材料选

17、为20号钢，故b：=120MPc,=90.65Mpa 0mm管板的名义厚度应不小于下列三部分之和，即=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 = 3Smm o3.7.2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

18、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，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) = -65a ；5=2 Pc -(A - Pt) 7 G*e0L A 1 187424= (-0.65 + 0.495 x x8.1)；0.307 101074=22.04M/明显地，q v b： = 120Mpa ；3壳程设计压力几与管程设计压力Pt同时作用:pc = ps

19、 -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-25.61x176.6253.14x25x3.5q = 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 = 0.5b； = 0.5x120 = 60MM ； 明显地，qvq。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

20、下所示：a固定管板重量计算1oc56(b6 5()Q =x5962x5x2 + 6502x(38-5x2)x7850x10-9= lix1.54xl07x7850xl0-94=12089焙 b活动管板重量计算:)2（t5902, =x5622x5x2 + 5902x（38-5x2）x7850x10-9=x 1.29x107x 7850x 104=79.49kg3. 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

21、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60C,壳程最高工作压 力-0.071 MPa 11作温度80C,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=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

22、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60C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 33 = 67”。有圆筒壳体的长度l和外径q得:= 92.522查 GB150 图 6-2 得 A=0. 00015,则 3 = _EA = _x20x 10、0.00015 = 20 3

23、3E 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:= 0216MPcr 订_ 2AE _2xO.OOO15x2.OxlO5Pi = 3(q/Q) = 3(320/6.7)-FPc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 =/;/? = 1.25 x 0.071 = 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

24、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; 2Q 2x6.70.90心(d，u.2) = 0 9 X 0.85 X 345 = 263.9MH/6 v 0%心他2)耐圧试验时圆筒的薄膜应力;R“(RpJ 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

25、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. 1X 0.45=0. 493MP&,端节的厚度S等于=0.926mm0,495x6002b-化2x189x0.85-0.495S 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 = = 1.25 x 0.

26、495 x =0.62MPU1刃 189o 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 = 0.9X 0.85 x 345 = 263.9MP。5 Pc二0. 495MP&2x189x0.85x6,71x600 + 0.5x6.7血(0+Q) _ 062x(600 + 6.7)23e 2x6.70.9。心(/?冲 J = 0.9x 0.85 x 345 = 263.9MP。5 VO.%/?)所以，封头的名

27、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. 0781MPao Q345R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= _ C = 10-3.3 = 6.7”。有短节的长度l和外径q得：Do 700 + 20込= 222d07.466 6.7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=-=1.66 MPaL J（4他）（720/6.7