1、1目录1.换热器选型和工艺设计 .31.1 设计条件 31.2 换热器选型 31.3 工艺设计 31.3.1 传热管根数的确定 .41.3.2 传热管排列和分程方法 .41.3.3 壳体内径 .42 换热器结构设计与强度校核 42.1 管板设计 .42.1.1 管板材料和选型 .52.1.2 管板结构尺寸 .52.1.3 管板质量计算 .62.2 法兰与垫片 62.2.1 管箱法兰与管箱垫片 .72.3 接管 .82.3.1 接管的外伸长度 .92.3.2 接管位置设计 92.3.3 接管法兰 102.4 管箱设计 122.4.1 管箱结构形式选择 .122.4.2 管箱最小长度 .122.5
2、 换热管 .132.5.1 布管限定圆 132.5.2 换热管与管板的连接 132.6 拉杆与定距管 .142.6.1 拉杆的结构形式 142.6.2 拉杆的直径、数量及布置 142.6.3 定距管 1522.7 防冲板 152.7.1 防冲板选型 .152.7.2 防冲板尺寸 .162.8 折流板 .162.8.1 折流板的型式和尺寸 162.8.2 折流板的布置 172.8.3 折流板重量计算 173.强度计算 .183.1 壳体和管箱厚度计算 183.1.1 壳体、管箱和换热管材料的选择 183.1.2 圆筒壳体厚度的计算 183.1.3 管箱厚度计算 193.2 开孔补强计算 .203
3、.2.1 壳体上开孔补强计算 203.3 水压试验 .213.4 支座 213.4.1 支反力计算如下： .213.4.2 鞍座的型号及尺寸 234 焊接工艺设计 .234.1.壳体与焊接 234.1 .1 壳体焊接顺序 234.1.2 壳体的纵环焊缝 244.2 换热管与管板的焊接 .244.2.1 焊接工艺 254.2.2 法兰与短节的焊接 254.2.3 管板与壳体、封头的焊接 .264.2.4 接管与壳体焊接 .27总结 28参考文献 2831.换热器选型和工艺设计1.1 设计条件 1.2 换热器选型管程定性温度 =40+1502 =95壳程定性温度 =170+902 =130管壳程温
4、差 =13095=35 50故初步选择不带膨胀节的固定管板式换热器（双管程） 。根据介质特性初步选择换热管材料为 20 号碳钢，壳体材料为 Q245R1.3 工艺设计项目 管程 壳程工作压力（MPa） 1.7 0.7工作温度（） 40150 17090介质 净化煤气 水蒸气/冷凝水换热管尺寸（mm） 252.5换热面积（m 2） 90换热管长度（m） 自选管程数 2结构型式 卧式使用寿命 10 年41.3.1 传热管根数的确定已知换热管外径 ，内径 ，换热面积 S=90 ,管程数为=0.025=0.02 22。取换热管长 l=6m，由 得=换热管数= 903.140.0256=191取 N=1
5、92（根）1.3.2 传热管排列和分程方法由于设计要求为双管程换热器，故采用组合排列方法，即每程内均按正三角形排列，隔板两侧采用正方形排列。取管心距 (焊接) 则=1.25a=1.25x25=31.25 取 a=32mm；各程相邻管的管心距 1=2(2+6)=44横过管束中心线管数（正三角形排列）=1.1=1.1192=15.216 （根）1.3.3 壳体内径多管程结构取管板利用率 ，则壳体内径为=0.7=1.051.05321920.7=556取 D=600mm1.3.4 折流板由于壳程有水蒸气冷凝，所以选用垂直切口的弓形（圆缺形）折流板。a. 圆缺高度 h=25%D=25%x600=150
6、mmb. 折流板间距 ，取 B=300mm=（151） c. 折流板数 传热管长度/折流板间距-1=6000/300-1=19 块=2 换热器结构设计与强度校核2.1 管板设计52.1.1 管板材料和选型 管板是管壳式换热器最重要的零部件之一，用来排布换热管，将管程和壳程的流体分隔开来，避免冷、热流体混合，并同时受管程、壳程压力和温度的作用。管板的设计合理与否直接关系到换热器的制造成本的高低及综合性能的优劣。由于本设计中的流体只具有轻微的腐蚀性，故采用工程上常用的 Q2454R板材。固定管板式换热器常采用管板兼作法兰，故采用兼作法兰的管板。2.1.2 管板结构尺寸由壳程设计压力 管程设计压力
7、；壳体公称直径=1.0, =2.5DN=600查P155 可得管板的结果尺寸如下管板尺寸螺栓MPaMPaDN D 1 2 3 4 5 C 2规格数量(2)1 b1.0 2.5 600 760 715 676 597 663 600 12.5 27 M24 24 38 486图 2-1 管板结构2.1.3 管板质量计算换热管外径 25；N换热管根数 192；Q245R 密度， =7850/3对上图所示的管板结构 h 取值为 0。其它字母含义和数值见上图和管板尺寸表=4（ 2222） +246+254+232=4(760227224)38+66326+60024252481921097850=12
8、12.2 法兰与垫片72.2.1 管箱法兰与管箱垫片（1） 查 NB/T 47023-2012 压力容器法兰可选管箱法兰为长颈对焊法兰，凹凸密封面，材料为锻件 Q245R，其具体尺寸如下：（单位为 mm）图 2-2 凹凸面法兰结构8DN600 长颈对焊法兰尺寸法兰 螺柱DND D1 D2 D3 D4H h a a1 2R d规格数量对接筒体最小厚度600 760 715 676 666 663 42 11035 21 18 16 26 12 27 M24 24 10（2）此时查 NB/T4702-2012 压力容器法兰，根据设计温度可选择垫片型式为非金属包垫片，材料为石棉橡胶板，其尺寸为：图
9、2-3 垫片结构管箱垫片尺寸PN(Mpa) DN(mm) 外径 D(mm)内径 d(mm) 垫片厚度2.5 600 665 615 32.3 接管（1）选材本次设计压力在低压范围内、工作温度不高、介质腐蚀性弱、接管与壳体焊接连接，为了减少焊接应力集中选择接管材料选用 20 号钢。（2）接管尺寸规格9本次设计共有 8 个接管，由管口公称直径，查得接管的外径和厚度如下2.3.1 接管的外伸长度根据接管公称直径和厚度查换热器设计手册P142 表 1-6-6 可得，接管A、B、 C、D 、E、F 、G 、H 伸出长度都可以取 150mm。2.3.2 接管位置设计 在换热器设计中，为了使传热面积得以充分
10、利用，壳程流体进、出口接管应尽量接近两端管板，而管箱进、出口接管尽量靠近管箱法兰，可缩短管箱、壳体长度，减轻设备重量。然而，为了保证设备的制造安装，管口距地的距离也不能靠得太近，它受到最小位置的限制。（1） 壳程接管位置的最小尺寸壳程接管位置最小尺寸即接管中心线到管板密封面的距离如图 2-3 所示.图 2-4 壳体接管的位置符号 公称尺寸 用途 外径 mm 厚度 mm(sch20)A 80 气体进口 89 4.6B 80 气体出口 89 4.6C 80 蒸气进口 89 4.6D 50 冷凝水出口 60 3.5E 25 排污口 34 3.5F 25 排污口 34 3.5G 25 排气口 34 3
11、.5H 25 排气口 34 3.510对接管 C(蒸汽进口),由于是无补强圈结构,可以按照下面的公式计算12+(4)+=892+(484)+30=118.5取 。1=120由于壳体接管 F,H 外径都小于 89,其相应的 小于 118.5mm,故取接管 C、接管1F、接管 H 的 1=120，为接管外径；=89b 为管板厚度；管外壁至管板（或法兰）与壳体连接焊缝之间的距离，计算中 取（S 为壳体厚度，mm） ，且 ；4 30m(2)管箱接管位置的最小尺寸管层接管位置 是指接管中心到法兰密封面的距离如图 3-4 所示2L图 2-5 管箱接位置无补强圈按下面公式计算；取 ；22+=892+110+
12、30=184.52=185同理，对管程接管、E、G，取 2=185为法兰高度 ,由前可知 =110112.3.3 接管法兰（1）接管法兰的材料为取材方便，选接管法兰材料为 Q245R（2） 法兰类型和密封面形式由 HG/T2059220653-2009 钢制管法兰、垫片和紧固件可知， ，2.5可以选用板式平焊法兰（PL ） 、密封面形式选用全平面（FF）如图 2-6图 2-6 全平面管法兰（3） 法兰结构尺寸法兰结构图如图 2-7 所示图 2-7 板式平焊管制法兰为接管外径112查得法兰的尺寸如下表连接尺寸公称尺寸DN 法兰外径D螺栓孔中心圆直径K螺栓孔直径L螺栓Th螺栓孔数量N（个）法兰厚度
13、C法兰内径 1（B）25 100 75 11 M10 4 14 3350 140 110 14 M12 4 16 5980 190 150 18 M16 4 18 912.4 管箱设计2.4.1 管箱结构形式选择B 型封头管箱型,用于单程或多程管箱,结构简单,便与制造,适于高压清洁的介质,可省掉一块造价高的盲板、法兰和几十对螺栓，椭圆型封头受力情况比平端盖好得多。故选用此结构管箱。管箱结构尺寸确定2.4.2 管箱最小长度前端管箱由于换热器为二管程，其最小管箱长度可按相邻焊缝间距计算 2+3+4=185+100+183=468在管箱接管最小位置一节已算出为 185mm；2为接管轴线到壳体与封头焊
14、缝间距离，这里取 ；3 3=100为封头高度，根据 DN=600，查 GB/T25198-2010 压力容器封头可得4=1+217513考虑封头厚度 4=1+2+=150+25+8=183为封头曲面高度， 为封头直边高度， 为封头厚度（第三节强度计算中得1 2 出）取管箱长度为 470mm；（后端管箱长度同前端管箱，见装配图）则 取 102mm；3管箱短节长度 。=2+3=185+102=287由于是多管程换热器，故此处需要用到分程隔板。查 GB151-2014 可知：分程隔板槽槽深 ，槽宽为 12mm，且分程隔板4m的最小厚度为 10mm2.5 换热管换热管的规格为 ，材料选为 20 号碳钢
15、。252.52.5.1 布管限定圆布管限定圆 为管束最外层换热管中心圆直径，其由下式确定：=23查 GB151-2014 可知， ,且30.25=6.2538取 ,则3=10 =600210=580 。2.5.2 换热管与管板的连接换热管与管板的连接方式有强度焊、强度胀以及胀焊并用。强度胀接主要适用于设计压力小2.5Mpa；设计温度200；操作中无剧烈振动、无过大的温度波动及无明显应力腐蚀等场合。 除了有较大振动及有缝隙腐蚀的场合，强度焊接只要材料可焊性好，它可用于其它任何场合。胀焊并用主要用于密封性能要求较高；承受振动和疲劳载荷；有缝隙腐蚀；需采用复合管板等的场合。14在此，根据设计压力、设
16、计温度及操作状况选择换热管与管板的连接方式为强度焊。这是因为强度焊加工简单、焊接结构强度高，抗拉脱力强，在高温高压下也能保证连接处的密封性能和抗拉脱能力。2.6 拉杆与定距管2.6.1 拉杆的结构形式常用拉杆的形式有三种：1) 拉杆定距管结构，适用于换热管外径大于或等于 19mm 的管束， （2alL按 GB151-2014 规定） ；aL2) 拉杆与折流板点焊结构，适用于换热管外径小于或等于 14mm 的管束，；1ld3) 当管板比较薄时，也可采用其他的连接结构。由于此时换热管的外径为 25mm，因此选用拉杆定距管结构。此结构拉杆一端用螺纹拧入管板，每两块折流板之间的距离用定居管固定，最后一
17、块折流板用两个螺母拧紧固定。2.6.2 拉杆的直径、数量及布置其具体尺寸如下所示：表 2-1 拉杆的参数拉杆的直 拉杆螺纹公称直 a b b 拉杆的15径 d 径 dn 数量16 16 20 60 2 4其中拉杆的长度 L 按需要确定。拉杆应尽量均匀布置在管束的外边缘。若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。对于本台换热器拉杆的布置可参照零件图。2.6.3 定距管定距管的规格同换热管，其长度同实际需要确定。本台换热器定距管的布置可以参照部件图。2.7 防冲板由于壳程进入介质为水蒸气，会对入口出的换热器表面进行冲击，故应在流体入口
18、处装置防冲板。2.7.1 防冲板选型防冲板采用下图（d）所示结构这种形式常用于壳体内径大于 325mm 时的折流板左、右缺口和壳体内径小于600mm 时的折流板上、下缺口的换热器。本次设计壳体内径为 600mm,缺口为左右缺口，故选择此结构。162.7.2 防冲板尺寸防冲板摄于蒸汽进口接管处，即接管 C 处。对接管 C，DN=80；查的外径=89则 ,取 。1=（1413） =（ 22.2529.67） 1=25防冲板边长 W、L（上图（f） ）应大于接管外径 50mm,即为 139mm。取W=160mm,L=140mm。防冲板最小厚度 碳钢,低合金钢为 4.5mm。为取材方便，取防冲挡板30
19、00mm 时，取两支座距离 =（ 0.50.7） 这里取 =23=40004 焊接工艺设计4.1.壳体与焊接244.1 .1 壳体焊接顺序焊接壳体时，应先焊筒节纵缝，焊好后校圆，再组装焊接环缝。要注意的是必须先焊纵缝后焊环缝，因为若先将环缝焊好再焊纵缝时筒体的膨胀和收缩都要受到环缝的限制，其结果会引起过大的应力，甚至产生裂纹。每条焊缝的焊接次序是先焊筒体里面，焊完后从外面用碳弧气刨清理焊根，将容易产生裂纹和气孔的第一层焊缝基本刨掉，经磁粉或着色探伤确信没有缺陷存在后再焊外侧。图 4-14.1.2 壳体的纵环焊缝壳体的材料为 Q245R，其可焊性较好。焊前不需要进行预热，采用埋弧自动焊，开 V
20、型坡口，采用 H08Mn2 焊丝和 HJ431 焊剂，焊完后需将其加热到600650，要进行焊后热处理，以消除残余应力，而且也可软化淬硬部位，25提高韧性。4.2 换热管与管板的焊接4.2.1 焊接工艺换热管与管板的焊接一般采用手工电弧焊，也广泛采用惰性气体保护焊，在此选择其焊接方式为手工电弧焊。管子的材料为 20 号钢，而管板的材料为锻件 Q245R，两者的焊接性能都较好，由于管板厚度较大，此时应进行焊前预热，预热温度为 100200，选用焊条 J506，焊后热处理温度为 600650，以消除残余应力。焊缝图如下图 4-24.2.2 法兰与短节的焊接法兰与筒体的焊接属于 C 类接头。法兰的材
21、料为锻件 Q245R，筒体的材料为 Q245R，其具有良好的综合机械性能和焊接性能，此时可以采用埋弧自动焊，26焊丝为 H10MnSiA，焊剂为 HJ250，焊后需要进行消除应力热处理，需要将热处理温度控制在 550650。图 4-34.2.3 管板与壳体、封头的焊接管板、壳体、封头三者材料全是 Q245R，三者的焊接性能都较好而且焊接应力不大，在此选择其焊接方式为埋弧自动焊。但由于管板厚度较大，此时应进行焊前预热，预热温度为 100200，选择焊丝为 HO8A，焊剂为 HJ431，焊后热处理温度为 600640，以消除残余应力。其焊接结构如下所示：27图 4-44.2.4 接管与壳体焊接接管
22、材料为 20 号钢，,壳体的材料为 Q245R，二者可焊性较好。焊前不需要进行预热，采用埋弧自动焊，开 V 型坡口，采用 H08A 焊丝和 HJ431 焊剂，接管和壳体厚度都只有 10mm,所以焊完后不需要进行焊后热处理。接管采用插入式焊接如下： 28图 4-529总结通过本次课程设计我更加深刻地了解了换热器的结构和部件,对国标的查询更加熟练,锻炼了逻辑思维能力。同时复习了法兰、封头、支座等部件的标记格式，运用了很多以前学过的知识，做到了学以致用。通过用 CAD 画装备图，提高了 CAD 的运用能力。参考文献【1】 王志魁， 化工原理第四版，北京，2010，化学工业出版社【2】 马江权， 化工原理课程设计第二版，北京，2011，中国石化出版社【3】 林大钧， 化工制图第二版，北京，2010，高等教育出版社【4】钱颂文， 换热器设计手册 ，北京，化学工业出版社，【5】郑津洋， 过程设备设计第三版，北京，2010，化学工业出版社【6】匡国柱， 化工单元过程及设备课程设计 ，北京，2002，化学工业出版社
