固定管板式换热器设计说明书Word文件下载.docx

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StructuralDesign

第1章设计任务、思想

1.1设计任务

本设计的课题为固定管板式冷却器结构设计，设计包括结构设计和强度设计。

其中结构设计需要选择既合理又经济的结构形式，同时又可以满足制造、检修、装配、运输和维修等要求；

而强度计算的内容则应包括换热器材料，确定主要结构尺寸，满足强度、刚度和稳定性等要求，再根据设计压力确定壁厚，使换热器能有足够的腐蚀强度。

1.2设计思想

本设计尽可能采用先进的技术、国家与行业标准，使生产既能达到技术先进，经济合理的要求，又能符合优质、高产、安全、低消耗的原则，具体有以下几点：

（1）根据GB150—2011《钢制压力容器》和GB151—2014《管壳式换热器》以及JB/T4715—1992等国家标准作为基础进行设计。

（2）应满足工艺还有操作要求，所设计出来的流程和设备能可以保证得到质量稳定的产品，设计的流程与设备需要一定操作弹性，可方便进行流量和传热的调节。

（3）应满足经济上的要求，设计应节省然热能和电能的消耗、减少设备与基础的费用，选择比较合理的回流比，节省水蒸气，设计应要全面考虑，力求总费用尽可能的低一些。

（4）应保证生产安全，保证换热器具有一定刚度还有强度。

根据设计压力确定壁厚，再校核其他零部件的强度，进行水压试验，确定容器是否有足够的腐蚀裕度。

第2章换热器的工艺设计

2.1换热器的工艺条件

壳程（进/出）

管程（进/出）

物料名称

泵用冷却水

循环水

物料状态

液/液

设计压力MPa

1.1

0.6

最高工作压力MPa

1.0

0.5

设计温度℃

150

60

工作温度℃

63/52

28/38

以下为参考数据

换热面积m2

400

换热管规格及管束级别

φ25×

2.5×

6000；

Ⅰ类

程数

1

4

标准规范

GB150-2011;

GB151-2014

2.2估算设备尺寸

2.2.1计算传热管数NT

本设计拟用传热管规格为φ25×

2.5，管长为6m，传热管数NT为

NT===850根

公式中符号：

d0—换热管外径。

mm

AP—所需换热面积。

M2

L—换热管长。

M

NT—换热管总数。

根

2.2.2若将传热管若将传热管按正三角形排列，计算壳程直径D

根据GB151-2014的规定，管心距定为32mm

横过管束中心线的管数

Nc=1.1=33根

本设计采用四管程结构，则壳程内径为

D=t（nc-1）+（1.5）d0

=32×

（33-1）+1.5×

25

=1061.5mm

圆整得D=1100mm

第3章换热器零部件的结构设计

3.1换热管

3.1.1换热管的型号和尺寸

除光管外，换热器还可采用各种各样的强化传热管，如翅片管、螺纹管、螺旋槽管等。

当管内直径两侧给热系数相差较大时，翅片管的翅片应布置在给热系数低的一侧。

本设计选用光管。

换热管常用的尺寸（外径x壁厚）主要为Φ19mmx2mm、Φ25mmx2.5mm和Φ38mmx2.5mm的无缝钢管以及Φ25mmx2mm和Φ38mmx2.5mm的不锈钢管。

选用管径时，本设计给出换热管规格φ25×

2.5规格。

3.1.2换热管的材料

常用材料有碳素钢、低合金钢、不锈钢、铜、铜镍合金、铝合金、钛等。

此外还有一些非金属材料，如石墨、陶瓷、聚四氟乙烯等。

设计时应该根据工作压力、温度和介质腐蚀性等选用合适的材料。

根据钢材标准GB/T700-2006中20号钢完全可以满足要求，因此本设计换热器可以选用材料为20号钢。

3.1.3换热管排列方式以及管心距

管子在管板上的排列有正三角形、正方形和正方形错列三种，如图所示。

传热管的排列应使其在整个换热器圆截面上均匀分布，同时还要考虑流体的性质，管箱结构及加工制造等方面的问题。

正三角形排列的优点：

管板的强度高；

流体走短路的机会少，但是管外流体扰动较大，因而对流传热系数较高；

相同的壳径内可排列更多的管子；

但是正三角形排列管外不易清洗。

正方形排列的优点是便于清洗列管的外壁，适用于壳程流体易产生污垢的场合；

但是在同样的管板面积上可排列的管子数量较少。

同心圆排列方式优点靠近壳体的地方管子分布较均匀，，在壳体直径较小的换热管可以排列的传热管数比正三角形排列还多[2]。

由于本换热器流体性质属于比较结晶和不易结垢，因此可以采用正三角形排列，如图（a）所示：

图3-1管子排列形式

管板上两传热管的中心距为管心距，管心距的大小主要与传热管和管板的连接方式有关，此外还应该考虑管板强度和清洗管外表面时所需的空间。

根据GB151-2014规定，管心距定为32mm。

3.2折流板

折流板顾名思义是用来改变流体流向的板，常用于管壳式换热器设计壳程介质流道，根据介质性质和流量以及换热器大小确定折流板的多少。

折流板被设置在壳程，它既可以提高传热效果，还起到支撑管束的作用。

常用的折流板和支持板的形式有弓形和圆盘-圆环形两种。

弓形折流板有单弓形、双弓形和三弓形三种。

在弓形折流板中，流体在板间错流冲刷管子，而流经折流板弓形缺口时是顺溜经过管子后进入下一板间，改变方向，流动中死区较少，比较优越，结构较简单，一般标准换热器中只采用这种。

盘环形折流板制造不方便，流体在管束中为轴向流动，效率较低。

而且要求介质必须是清洁的，否则沉积物将会沉积在圆环的后面，导致传热面积失效，一般用于压力比较高而又清洁的介质。

因此，本设计采用单弓形折流板。

3.2.1折流板的主要几何参数

弓形折流板缺口高度应该使流体通过缺口时与横过管束时的流速相近。

缺口大小用切去的弓形弦高占筒体内直径的百分比来确定[1]，单弓形折流板缺口见图，根据GB151-2014缺口弦高h值，宜取0.20～0.45倍的圆筒内直径，取系数为0.25，切去圆缺高度h=0.25×

1100=275mm。

图3-2单弓形折流板

3.2.2折流板和壳体间隙

折流板外周与壳体内径之间的间隙越小，则壳体流体介质在此外的泄漏越小，使传热效率提高，但同时间隙越小，又给制造、安装带来困难。

根据GB151-2014选取折流板的名义直径D＝DN-4.5＝1095.5mm

3.2.3折流板厚度

折流板的厚度与壳体直径、换热管无支撑长度有关，根据GB151-2014折流板最小厚度δ＝4㎜，可选择δ＝8㎜

3.2.4折流板的管孔

①折流板的管孔直径和公差：

按照GB151-2014规定，Ⅰ级管束换热器折流板管孔直径d＋0.7＝25+0.7＝25.7㎜及允许偏差+0.30

②管孔中心距：

折流板上管孔中心距t＝32mm，公差为相邻两孔+0.30，任意两孔为+1.0

③管孔加工：

折流板上管孔加工后两段必须倒角0.5×

45°

。

3.2.5材料的选取

本设计中设计温度150°

和设计压力P＝1.1Mpa，根据GB150-2011选取材料为Q235-B，其适用范围：

容器设计压力P≤1.60；

钢板使用温度为20°

～300°

；

用于壳体时，钢板的厚度不大于16mm，不得用于毒性程度为极度或高度危险的介质的压力容器。

3.3拉杆、定距管

3.3.1拉杆的结构形式

从传热角度考虑，有些换热器不需要设置折流板。

但为了增加换热管刚度，防止产生过大挠度或引起管子振动，当换热器无支撑跨距超过标准的规定值时，必须设置一定数量支撑板，其形状与尺寸均按折流板的规定来处理[1]。

常用的拉杆的形式有以下两种，见下图。

a）拉杆定距管结构，常适用于换热管外径大于或等于19mm的管束

b）拉杆与折流板点焊结构，其适用于换热管外径小于或等于14mm的管束

c）当管板较薄时，采用其他的连接结构。

[1]

图3-3拉杆形式

本装置的换热管外管径为25㎜，换热管直径为1100mm，根据上述规定可选用拉杆定距管结构。

3.3.2拉杆直径、数量和尺寸

（1）拉杆直径和数量根据GB151-2014规定，拉杆直径d＝16mm，拉杆数量为6根。

（2）拉杆尺寸

图3-4拉杆尺寸示意图

3.3.3拉杆的布置

拉杆尽量均匀布置在管束的外边缘。

对于大直径换热器，在布管区域内或是靠近折流板缺口处应布置适当数量的拉杆，任何折流板都应不少于3个支撑点。

3.4防冲板

防冲板是在换热器中为了防止流体直接冲刷管子而引起管子振动失稳和腐蚀而设置的。

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。

根据GB151-2014规定，防冲